КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИКА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании датчиков магнитного поля.
Из существующего уровня техники известен датчик магнитного поля на основе магнитоэлектрического эффекта [Петров Р.В., Леонтьев B.C. Магнитоэлектрический магнитометр / Вестник Новгородского государственного университета, 2013, №75, Т. 1]. Такое устройство содержит магнитоэлектрический (МЭ) элемент, катушку возбуждения, генератор и элементы обработки сигнала, включающие усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор, индикатор и пульт управления.
Недостатком данного устройства является его работа на механической резонансной частоте МЭ, которая также является частотой измеряемого сигнала. Это является недостатком устройства, т.к. выделение полезного сигнала в данном случае является сложной технической задачей, из-за проникновения сигнала возбуждения в полезный сигнал, что ограничивает чувствительность устройства.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению указанного недостатка.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении чувствительности компенсационного измерителя постоянного магнитного поля на основе магнитоэлектрика.
Технический результат достигается тем, что в компенсационном измерителе постоянного магнитного поля на основе магнитоэлектрика, содержащем магнитоэлектрический (МЭ) элемент, катушку возбуждения, компенсационную катушку, генератор, усилитель, фазовый детектор, цифровой генератор импульсов с пультом управления, двоичный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь напряжение-ток, индикатор, причем напряженность переменного магнитного поля, создаваемого катушкой возбуждения, должна обеспечивать индукцию в ферромагнетике МЭ элемента около 0,8 от индукции насыщения.
Указанные признаки полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана блок-схема заявляемой полезной модели. Она содержит магнитоэлектрический (МЭ) элемент 1, катушку возбуждения 2, компенсационную катушку 3, генератор 4, усилитель 5, фазовый детектор 6, цифровой генератор импульсов с пультом управления 7, двоичный счетчик импульсов 8, ЦАП 9, преобразователь напряжение-ток 10, индикатор 11.
Работает устройство следующим образом. Генератор 4 через катушку возбуждения 2 создает переменное магнитное поле, которое должно обеспечивать индукцию в ферромагнетике МЭ элемента около 0,8 от индукции насыщения ферромагнитного слоя магнитоэлектрического элемента 1, заставляя его колебаться в продольном направлении с частотой меньшей частоты механического резонанса.
При наличии постоянного магнитного поля, направленного вдоль плоскости магнитоэлектрического элемента 1, электрические сигналы, поступающие от генератора 4 и усилителя 5, будут сдвинуты по фазе, и на выходе фазового детектора 6 будет присутствовать уровень положительного или отрицательного напряжения. Для измерения величины постоянного магнитного поля необходимо пультом управления запустить генератор импульсов 7, импульсы с которого поступят на двоичный счетчик 8, двоичный код с него на ЦАП 9, с него на преобразователь напряжение-ток, который создаст в компенсационной обмотке 3 постоянное магнитное поле, противоположное по направлению измеряемому, и при их совпадении по величине на фазовом детекторе появится нулевое напряжение, при этом произойдет остановка цифрового генератора 7, индикатор 11 покажет напряжение, соответствующее величине измеряемого магнитного поля. Наличие фазового детектора существенно, поскольку он обеспечивает фиксацию совпадения измеряемого и компенсационного полей. При этом следует отметить, что для данного приведенного устройства важно направление измеряемого магнитного поля, так как заявленное техническое решение не обеспечивает его измерение при противоположном направлении. Данный недостаток непринципиальный и решается известными схемотехническими способами.
Работоспособность была проверена на макете, который наглядно продемонстрировал получение требуемого технического результата.
В качестве магнитоэлектрического элемента была взята структура на основе керамики ЦТС-19 размерами 25 мм × 5 мм × 0,2 мм с металлизированными плоскостями, на которую с одной стороны была приклеена пластина аморфного ферромагнетика фирмы Metglas размерами 25 мм × 5 мм × 0,02 мм. Структура помещалась в катушку с двумя обмотками возбуждающей и компенсационной по 200 витков провода диаметром 0,05 мм.
На фиг. 2 показана зависимость сдвига фаз на выходе фазового детектора от величины постоянного магнитного поля, где хорошо наблюдается пороговый эффект, который позволяет чувствовать постоянное магнитное поле до 0,001 Эрстед.
На фиг. 3 показана зависимость выходного сигнала от величины постоянного магнитного поля, на которой видна хорошая линейность в широком диапазоне магнитных полей.