ПАССИВНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
PASSIVE ALTERNATING MAGNETIC FIELD SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для преобразования переменного магнитного поля в электрическое напряжение в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления, а также в качестве питающего элемента.
H
H
Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы. Под действием тока I и магнитной индукции В, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение U. Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины L и толщины D) датчика, тока I, коэффициента Холла R и магнитной индукции В:
Материалами для изготовления датчика Холла, как правило, служат полупроводниковые материалы: кремний, арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb) и др.
Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и низкая точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом необходимо в значительной степени увеличивать протекающий ток, а также недостаточный диапазон измерения магнитных полей. Кроме того, датчики Холла являются активными элементами и всегда требуют для своей работы дополнительное питание из-за особенностей применения в них полупроводниковых материалов.
Известен магнитоэлектрический (МЭ) материал, который, благодаря наличию в нем магнитоэлектрического эффекта, позволяет преобразовывать переменное магнитное поле в электрическое напряжение без дополнительных затрат энергии. Такие МЭ материалы могут применяться в датчиках магнитного поля.
Прототипом предлагаемого изобретения является магнитоэлектрический датчик постоянного магнитного поля (Патент №2244318 МПК: G01R 33/02 - Датчик постоянного магнитного поля), содержащий два МЭ чувствительных элемента, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки. МЭ элементы выполнены из многослойного или объемного композиционного МЭ материала состава феррит - пьезокерамика с различным процентным содержанием пьезокерамики.
Основные недостатки такого датчика - невозможность измерений переменных магнитных полей и необходимость дополнительного питания для работы.
В зависимости от применения датчика токопроводящие обкладки могут располагаться на разных сторонах магниточувствительного элемента [Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапока Е.В. Пьезоэлектрические датчики. - М.: Изд-во «Техносфера», 2006, с.108, 208].
Технической задачей изобретения является создание датчика переменного магнитного поля, который не требует для своей работы дополнительного питания (пассивный).
Поставленная задача достигается тем, что пассивный датчик переменного магнитного поля, содержащий подложку и, по меньшей мере, один магниточувствительный элемент из многослойного или объемного магнитоэлектрического композиционного материала, содержащего магнитострикционную и пьезоэлектрическую фазы, на который нанесены токопроводящие обкладки, причем пассивный датчик переменного магнитного поля содержит постоянный магнит, вектор магнитного поля которого сонаправлен с вектором поляризации пьезоэлектрической фазы магниточувствительного элемента.
На фиг.1 представлен пассивный датчик переменного магнитного поля. На фиг.2 представлен график зависимости напряжения на выходе датчика магнитного поля от напряженности переменного магнитного поля частотой 1кГц.
Датчик содержит несущую подложку 1, постоянный магнит 2, который может быть изготовлен в виде магнитной пленки, расположенной под магниточувствительным МЭ элементом 3. МЭ элемент 3 состоит из МЭ материала, содержащего пьезоэлектрический 4 и магнитострикционный 5 слои, на противоположных поверхностях МЭ материала токопроводящие обкладки 6 могут быть нанесены, например, параллельно подложке. Для обеспечения линейной зависимости МЭ эффекта пьезоэлектрический слой 4 предварительно поляризуется.
H
H
E
H
2
Датчик работает следующим образом. При приложении к магниточувствительному МЭ элементу 3, находящемуся в постоянном магнитном поле магнита 2, переменного магнитного поля Н магнитострикционный слой 5 из-за магнитострикции меняет свою форму, деформация передается в пьезоэлектрическую фазу слоя 4 и, как результат, появляется измерительное напряжение U на токопроводящих обкладках 6 МЭ композиционного материала. Как известно [М.И.Бичурин, В.М.Петров, Д.А.Филиппов, Г.Сринивасан, С.В.Нан. Магнитоэлектрические материалы. - М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2006. - 296 с.], возникающее электрическое напряжение Uзависит от измеряемого переменного магнитного поля Н, отношения толщины пьезоэлектрического и магнитострикционного слоев n, толщины пьезоэлектрического слоя h, пьезомагнитной константы d, пьезоэлектрической константы напряжения g, податливости пьезоэлектрического (s) и магнитострикционного (s) материалов, коэффициента электромеханического взаимодействия k:
Пассивность датчика переменного магнитного поля достигается благодаря появлению МЭ эффекта в композиционном материале под действием постоянного магнитного поля от постоянного магнита (магнитной пленки). При МЭ эффекте деформация магнитострикционного слоя 5 МЭ композиционного материала, под действием измеряемого магнитного поля, приводит к возникновению пропорционального электрического напряжения в пьезоэлектрической фазе слоя 4.
МЭ материал обычно представляет собой композиционную керамику, состоящую из двух компонентов: феррита и пьезокерамики, обладающих магнитострикцией и пьезоэффектом, соответственно. Существуют объемные МЭ материалы, состоящие из смеси феррита и пьезокерамики, также существуют слоистые МЭ материалы, в которых чередуются слои феррита и пьезокерамики.
Максимальный МЭ эффект достигается подбором величины магнитного поля постоянного магнита, выбором объемных долей пьезоэлектрической и магнитострикционной фаз [М.И.Бичурин, В.М.Петров, Д.А.Филиппов, Г.Сринивасан. С.В.Нан. Магнитоэлектрические материалы. - М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2006. - 296 с.]. На фиг.2 представлен график зависимости возникающего электрического напряжения пассивного датчика переменного магнитного поля (фиг.1) под действием переменного магнитного поля частотой 1кГц и напряженностью 30, 20 и 10 Э. В качестве пьезоэлектрического слоя применена пьезокерамика ЦТС толщиной 0,28 мм, в качестве магнитострикционного слоя - никель толщиной 0,03 мм с каждой стороны. Для достижения максимального отклика от магниточувствительного элемента величина постоянного магнитного поля выбрана из соображений обеспечения наибольшей намагниченности магнитострикционной фазы и составляет 80 Э. Как видно из графика, зависимость величины возникающего электрического напряжения датчика от напряженности переменного магнитного поля носит линейный характер как результат предварительной поляризации Р пьезоэлектрической фазы.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет измерять переменные магнитные поля и не требует для своей работы дополнительных затрат энергии. Кроме того, оно повышает чувствительность и расширяет диапазон измеряемых переменных магнитных полей за счет достижения максимального МЭ эффекта в чувствительном элементе пассивного датчика переменного магнитного поля.
При изготовлении пассивного датчика переменного магнитного поля применяются хорошо отработанные керамические технологии для получения МЭ композиционного материала, что обуславливает его более низкую себестоимость и высокую надежность по сравнению с датчиками магнитного поля на эффекте Холла.