ДАТЧИК СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
SENSOR OF WEAK MAGNETIC FIELDS

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно -предназначено для измерения слабых магнитных полей и может использоваться в первую очередь в магнитометрии.
Известен датчик слабых высокочастотных магнитных полей [Патент РФ №2536083, МПК G01R 33/05, G01R 33/24, опубл. 20.12.2014], содержащий диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой нанесены полосковые проводники двух микрополосковых резонаторов, а на нижней стороне осаждена магнитная пленка, покрытая металлическим слоем, выполняющим роль экрана. Проводники резонаторов расположены под оптимальным углом друг к другу, обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования датчика. Мощность СВЧ-генератора подается на оба резонатора одновременно, а выходной сигнал датчика формируется двумя сигналами, снимаемыми одновременно с этих двух резонаторов, при этом сигналы резонаторов суммируются, а шумы генератора компенсируются. Такая конструкция датчика имеет малые габариты, низкий уровень собственных шумов и широкую полосу частот.
-2
Недостатком такой конструкции является дрейф нулевого значения, т.е. самопроизвольное отклонение постоянной составляющей напряжения на выходе магнитометра, что не позволяет производить измерения на частотах ниже 10 Гц.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является малогабаритный высокочастотный магнитометр [Патент РФ №163174, G01R 33/05, опубл. 10.07.2016, (прототип)], содержащий многослойную печатную плату, на которой размещена диэлектрическая подложка с нанесенными на поверхности подложки полосковыми линиями двух микрополосковых резонаторов. На нижней стороне подложки, обращенной к земляному полигону печатной платы, осаждена тонкая магнитная пленка. Накачка резонаторов осуществляется экранированным СВЧ-генератором. Выходной сигнал магнитометра формируется двумя амплитудными детекторами и дифференциальным усилителем с компенсационной схемой измерения. Постоянное поле смещения в магнитной пленке создается системой из постоянных магнитов. Особенностью конструкции магнитометра является использование компенсационной катушки низкочастотных магнитных полей, выполненной в виде печатной индуктивности на нескольких слоях многослойной печатной платы. Такая особенность позволяет компенсировать низкочастотную составляющую магнитного поля и не экранировать высокочастотную составляющую магнитного поля.
Недостатком конструкции прототипа является дрейф нулевого значения на выходе магнитометра, что не позволяет измерять значения величины постоянной составляющей магнитного поля.
Техническим результатом заявленного технического решения является снижение величины дрейфа нулевого значения выходного сигнала магнитометра.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в датчике слабых магнитных полей, содержащем диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой нанесен проводник микрополоскового резонатора, а на нижней стороне осаждена тонкая магнитная пленка, покрытая металлическим слоем, магнитную систему, создающую постоянное поле смещения, СВЧ-генератор накачки микрополоскового резонатора, амплитудный детектор, операционный усилитель, компенсационную систему, новым является то, что высокочастотное магнитное поле и постоянное поле смещения направлены строго вдоль оси трудного намагничивания пленки, компенсационное поле и измеряемое поле направлены перпендикулярно оси трудного намагничивания пленки и дополнительно используется схема синхронного детектирования сигнала, содержащая синхронный детектор, генератор модулирующего поля и модуляционную катушку, поле которой направлено перпендикулярно оси трудного намагничивания пленки.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием схемы синхронного детектирования сигнала, включающей синхронный детектор, генератор модулирующего поля и модуляционную катушку и конфигурацией магнитных полей: постоянное поле смещения и СВЧ-поле накачки направлены строго вдоль оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки (ТМП); измеряемое поле, поле компенсационной системы и модуляционное поле направлены строго перпендикулярно оси трудного намагничивания.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Данное изобретение поясняется чертежом, где изображена функциональная схема датчика слабых магнитных полей.
СВ
Р
P
P
OC
OC
СМ
МОД
МОД
ВЧ
P
OC
МОД
КОМП
МОД
ИЗМ
МОД
ИЗМ
Датчик слабых магнитных полей содержит: малошумящий СВЧ-генератор (1), выход которого через емкость связи С (2) подключен к резонатору (3), образованному емкостью С (4) и индуктивностью полоска L (5). Тонкая магнитная пленка (ТМП) (6) размещается непосредственно под полоском L (5). Вход амплитудного детектора (7) соединен с резонатором (3), а выход - с операционным усилителем (8). Выход операционного усилителя (8) подключен к компенсационной системе (9), образованной катушкой обратной связи L (10) и последовательно включенным сопротивлением обратной связи R (11), а также ко входу синхронного детектора (12). Магнитная система (13), состоящая из постоянных магнитов, размещается таким образом, чтобы сформировать постоянное поле смещения Н строго вдоль оси трудного намагничивания (ОТН) пленки [Саланский, Н. Физические свойства и применение магнитных пленок / Н. М. Саланский, М. Ш. Ерухимов. - Новосибирск: Наука, - 1975. - 202 с.]. Выход модуляционного генератора (14) ВЧ подключен к модуляционной системе (15), состоящей из модуляционной катушки L (16) и последовательно включенного сопротивления R (17), а также ко входу синхронного детектора (12). ТМП (6) размещена в резонаторе (3) таким образом, что ОТН направлена строго вдоль направления магнитного поля Н, формируемого полоском L (5). Катушка обратной связи L (10) и модуляционная катушка L (16) размещены таким образом, что формируемые ими поля Н и Н направлены строго перпендикулярно ОТН. Постоянная времени цепи обратной связи выбирается таким образом, чтобы эффективно компенсировать низкочастотное измеряемое поле Н и не компенсировать высокочастотное модуляционное поле Н. Направление максимальной чувствительности датчика к измеряемому полю Н ортогонально ОТН пленки. Выходной сигнал синхронного детектора (12) является выходным сигналом датчика слабых магнитных полей.
СВ
Р
P
ВЧ
OC
OC
КОМП
OC
ИЗМ
ИЗМ
СМ
МОД
МОД
МOД
МОД
МОД
ИЗМ
ИЗМ
СМ
ИЗМ
МОД
ИЗМ
МОД
ИЗМ
Устройство работает следующим образом. Сигнал малошумящего СВЧ-генератора (1) через разделительную емкость С (2) поступает на резонатор (3), образованный емкостью С (4) и индуктивностью полоска L (5), формирующего высокочастотное поле Н в пленке (6). Частота генератора (1) равна резонансной частоте резонатора (3) и для пермаллоевых пленок нестрикционного состава выбирается в диапазоне 600-800 МГц. Амплитудный детектор (7) измеряет величину амплитудного напряжения на резонаторе. Выходной сигнал амплитудного детектора (7) поступает на операционный усилитель (8), выходной сигнал которого подается на компенсационную систему (9), образованную катушкой обратной связи L (10) и сопротивлением обратной связи R (11), а также на вход синхронного детектора (12). Поле Н, создаваемое катушкой обратной связи L (10), совпадает по величине с измеряемым полем Н и противоположно ему по направлению, в результате чего в области пленки происходит компенсация измеряемого поля Н. Магнитная система (13) формирует постоянное поле смещения Н, направленное строго вдоль ОТН. Сигнал модуляционного генератора (14) высокой частоты поступает на модуляционную систему (15), состоящую из модуляционной катушки L (16) и сопротивления R (17). Модуляционная катушка L (16) формирует модулирующее магнитное поле Н, направленное перпендикулярно ОТН. Амплитуда модулирующего поля Н выше максимальной напряженности измеряемого поля Н, частота модулирующего поля выше максимальной частоты Н. На вход синхронного детектора (12) поступают сигналы с выхода операционного усилителя (8) и модуляционного генератора (14) высокой частоты. С выхода синхронного детектора (12) сигнал передается потребителю. Так как поле смещения Н направлено строго вдоль ОТН, устройство работает в режиме удвоения частоты и на выходе синхронного детектора при отсутствии поля Н сигнал отсутствует (в спектре сигнала нет составляющей с частотой Н). При появлении поля Н происходит смещение рабочей точки датчика и изменение составляющих спектра выходного сигнала - появляется составляющая с частотой Н, которая детектируется синхронным детектором. В результате чего на выходе устройства появляется сигнал, пропорциональный величине измеряемого поля Н.
Основным достоинством введения схем модуляции и синхронного детектирования является ослабление эффекта дрейфа нулевого значения (дрейф нуля) на выходе датчика, который выражается в самопроизвольном отклонении выходного напряжения при отсутствии измеряемого сигнала. Экспериментальные исследования заявляемого датчика слабых магнитных полей показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает меньший дрейф нулевого значения на выходе датчика. Датчик слабых магнитных полей может быть использован в случаях, когда необходимо проводить измерения величины магнитного поля в области частот от постоянной составляющей и до единиц мегагерц.