УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
DEVICE FOR INDEPENDENT RECORDING OF PULSE MAGNETIC FIELD

Предлагаемое изобретение, относится к измерительной технике, а именно к устройствам автономной регистрации амплитуды напряженности однократного импульсного магнитного поля.
Известно устройство [1] для измерения индукции сильных магнитных полей в диапазоне 1-10 Т, содержащее преобразователи магнитосопротивления, имеющие в этом диапазоне линейную калибровочную характеристику, в котором магнитоспоротивление помещено в одно из плеч резистивной мостовой схемы, запитываемой от источника постоянного напряжения. Напряжение разбаланса моста, возникающее в результате изменения величины магнитосопротивления под действием магнитного поля, измеряется непосредственно в период действия магнитного поля с помощью стрелочного или цифрового прибора. С целью увеличения чувствительности устройства для электропитания мостовой схемы может использоваться источник переменного напряжения, позволяющий использовать избирательный усилитель с наиболее предпочтительными характеристиками.
Однако чувствительность данного устройства недостаточна для измерения величины магнитных полей в диапазоне менее 1 Т.
Известны также способ и устройство [2] измерения величины магнитного поля, содержащее два магниторезистивных датчика, которые запитывают периодическим разнополярным напряжением одинаковой амплитуды, синхронно с ним создают поле подмагничивания датчиков, получая при этом в измеряемом магнитном поле чередование положительных и отрицательных приращений магнитносопротивлений датчиков, по величине которых определяют величину магнитного поля. По сравнению с устройством [1] выходной сигнал устройства имеет удвоенную величину, что увеличивает чувствительность при данном способе преобразования.
Однако диапазон измерений устройства в пределе относится к диапазону 0,1-10 Т и не позволяет проводить измерения магнитных полей в диапазоне менее 0,1 Т.
Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) является устройство [3], содержащее в общем случае магниторезистивный мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, электрический соединитель, проводную линию связи, блок питания и балансировки магниторезистивного моста, блок считывания измерительной информации.
Перед измерением магниторезистивный мост с помощью электрического соединителя и линии связи подключают к блоку питания и балансировки и блоку считывания измерительной информации, запитывают и балансируют мост. Затем магниторезистивный мост помещают в измерительное магнитное поле и с помощью блока считывания измерительной информации производят измерения разбаланса моста, вызванного воздействием на него измеряемого магнитного поля. Процесс измерения протекает непрерывно в режиме реального времени.
Тонкопленочные магниторезисторы прототипа больше, чем "монолитные", подходят для измерения слабых магнитных полей величиной менее 0,1 Т. Их порог чувствительности, характеризующийся многими параметрами (остаточным напряжением, уровнем собственных шумов, величиной тока управления, температурой окружающей среды и т.д.), близок к предельному для применяемого магниторезистивного материала. Кроме того, их температурная стабильность и преобразующая способность в диапазоне единиц миллитесла в 5-10 раз выше, чем у "монолитных" [4].
Прототип при удовлетворительной линейности обладает чувствительностью, необходимой для измерения величины магнитного поля в диапазоне 0,8-40 мТ.
Недостатками прототипа является недостаточная чувствительность магниторезистивного устройства, а также влияние на результат измерений электрических наводок. Прототип не позволяет проводить измерения импульсных магнитных полей в диапазоне 0,01-0,8 мТ, характерном для испытаний технических средств на электромагнитную стойкость, например на стойкость к воздействию молниевого разряда. Кроме того, в условиях проведения испытаний на электромагнитную стойкость наличие в процессе измерений в составе прототипа проводной линии связи приводит к наведению в ней электрической помехи, препятствующей достоверным измерениям и искажающей их результат.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности магниторезистивного устройства к измеряемому магнитному полю, исключение влияния электрических наводок на результат измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля, содержащее магниторезистивный мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, электрический соединитель, содержит индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и катушкой, намотанной на концентратор магнитного поля и соединенной последовательно с резистором и отрезком тонкого провода, уложенного на поверхность двух из четырех магниторезисторов, образующих противоположные плечи магниторезистивного моста, причем тонкопленочные магниторезисторы выполнены из ферромагнитного сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса.
Структурная схема предлагаемого устройства автономной регистрации импульсного магнитного поля представлена на фиг.1.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и с намотанной на концентратор магнитного поля катушкой;
2 - резистор нагрузки;
3 - отрезок тонкого провода;
4 - магниторезистивный мост с тонкопленочными магниторезисторами 5, 6, 7, 8 из ферромагнитного сплава с прямоугольной петлей гистерезиса;
9 - электрический соединитель магниторезистивного моста 4;
10 - проводная линия связи;
11 - электрический соединитель проводной линии связи 10;
12 - блок считывания измерительной информации;
13 - блок намагничивания.
Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля содержит индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и катушкой, намотанной на концентратор магнитного поля 1, нагруженной на резистор 2, и отрезок тонкого провода 3, уложенного на поверхность тонкопленочных магниторезисторов 5, 6 из ферромагнитного сплава с прямоугольной петлей гистерезиса, образующих совместно с тонкопленочными магниторезисторами 7, 8 из идентичного с магниторезисторами 5, 6 ферромагнитного сплава с прямоугольной петлей гистерезиса, противоположные плечи магниторезистивного моста 4, диагонали которого соединены с электрическим соединителем 9.
Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля работает следующим образом.
Перед началом цикла измерений амплитуды импульсного магнитного поля, магниторезистивные элементы 5, 6, 7, 8 магниторезистивного моста 4 намагничивают до насыщения в магнитном поле блока намагничивания 13. Затем устройство, содержащее индуктивный первичный преобразователь 1, соединенный последовательно с резистором 2 и отрезком тонкого провода 3, уложенного на поверхность магниторезистивных элементов 5, 6, и магниторезистивного моста 4, помещают в контролируемую точку пространства с необходимой пространственной ориентацией первичного преобразователя. При воздействии импульса измеряемого магнитного поля (например, от имитатора молниевого разряда) на первичный преобразователь 1 в его катушке индуцируется импульс тока, который протекает по резистору нагрузки 2 и отрезку провода 3, возбуждая вокруг отрезка провода 3 вторичное импульсное магнитное поле, силовые линии которого лежат в плоскости тонкопленочных магниторезисторов 5, 6, размагничивая их тем больше, чем сильнее измеряемое магнитное поле. При этом происходит пропорциональное изменение величины их сопротивлений и соответствующая разбалансировка моста 4. Ферромагнитные магниторезистивные элементы 5, 6, 7, 8 регистрируют (запоминают) это состояние. После прохождения импульса измеряемого магнитного поля магниторезистивный мост 4 через электрические соединители 9, 11 и линию связи 10 подключают к блоку считывания измерительной информации 12, с помощью органов управления блока 12 подают на одну диагональ моста 4 напряжение питания, а на другой диагонали моста 4 измеряют напряжение разбаланса, пропорциональное амплитуде измеряемого импульсного магнитного поля.
Количественную оценку эффекта предлагаемого изобретения можно провести следующим образом.
Зададим внешнее магнитное поле H в общем виде как функцию времени бесконечной длительности
m
H(t)=H1(t),
m
где H - величина напряженности магнитного поля;
1(t) - единичная функция времени («ступенька»).
Тогда ЭДС, индуцируемая в катушке первичного преобразователя 1, запишется как
,
где Ψ(t) - потокосцепление, обусловленное внешним магнитным полем;
0
µ - магнитная проницаемость воздуха;
эф
µ - относительная эффективная магнитная проницаемость концентратора (сердечника) первичного преобразователя 1;
кат
S - площадь поперечного сечения катушки первичного преобразователя 1;
W - число витков в катушке первичного преобразователя 1.
Для упрощения выкладок перейдем от оригиналов функций H(t) и ε(t) к их изображениям по Лапласу:
m
H(p)=H/p,
0
эф
кат
0
эф
кат
m
ε(p)=µµSWpH(p)=µµSWH,
кат
н
где p - оператор Лапласа, и найдем ток в последовательном контуре первичного преобразователя 1 с э.д.с. ε(p) и пассивными элементами L и R в пренебрежении импедансом отрезка тонкого провода 3:
кат
где L - индуктивность катушки первичного преобразователя 1;
н
R - сопротивление нагрузки 2;
- постоянная времени контура первичного преобразователя 1.
По изображению (1) находим оригинал переходной функции тока в цепи нагрузки первичного преобразователя 1.
Положив катушку плоской, квадратного сечения, можно ее индуктивность с учетом [5] представить в виде
где c - размер стороны квадрата катушки;
r - толщина намотки;
Ф=Ф(ρ) - числовая функция параметра ρ;
- геометрический параметр намотки катушки.
Считая обмотку тонкой, такой, что , выражение (3) можно записать проще:
кат
2
Подставляя (4) в (2), с учетом того, что S=c, имеем
воз
пр
Поскольку отрезок провода 3 непосредственно прилегает к поверхности тонкопленочных (плоских) магниторезистивных элементов 5, 6 магниторезистивного моста 4, то величина магнитного поля H(t) тока i(t), воздействующего на элементы 5, 6 при примерном равенстве диаметра d провода 3 и ширины элементов 5, 6 будет определяться поверхностной плотностью тока j(t) на проводе 3:
ус
воз
хар
хар
Тогда величина эффекта повышения чувствительности в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, будет обуславливаться коэффициентом усиления K магнитного поля H(t) по сравнению с внешнем полем H(t) и для всех импульсных воздействий, для которых выполняется t<<τ, где t - характерная длительность импульса, и с учетом (5) и (6) будет равна
пр
ус
Подставляя в (7) реальные численные значения параметров c≈10 мм, d≈0,1 мм при W→1, получаем K≈160, т.е. составляет не менее двух порядков.
эфф
н
Удержать постоянную времени τ на необходимом для измерений значении при одном витке в катушке первичного преобразователя 1 можно, оптимизируя сочетание параметров µ, с и R.
Достигнутый динамический диапазон амплитуд напряженностей и импульсного магнитного поля, в котором предлагаемое устройство линейно и успешно функционирует, составил 5-500 А/м, или примерно 0,006-0,6 мТ по индукции поля.
С целью повышения точности измерений для каждого устройства автономной регистрации импульсного магнитного поля необходимо строить калибровочный график, помещая его чувствительную к полю сборку в импульсное магнитное поле с известной амплитудой напряженности, или индукции. Типовой калибровочный график зависимости напряжения разбалансировки магниторезистивного моста (выходная характеристика устройства) Uвых от амплитуды напряженности внешнего магнитного поля Hm представлен на фиг.2. Из этого графика следует, что выходной сигнал устройства во всем динамическом диапазоне вполне приемлем для восприятия обычными цифровыми приборами.
Достигнутая основная погрешность измерения в диапазоне 5-500 А/м при длительностях импульсов от 1 нс до 1 мкс составила ±15%. Максимальное время хранения зафиксированного состояния разбаланса моста - не менее 6 месяцев.
Таким образом, благодаря принятым техническим решениям, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом чувствительность к величине магнитного поля увеличилась не менее чем на два порядка, а также, благодаря автономной регистрации, исключено помеховое влияние электромагнитных полей на результат измерения.
Литература
1. Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов и др. Средства измерений параметров магнитного поля. Л.: Энергия, 1979, стр.166.
2. Авторское свидетельство СССР, №702325, кл. G01R 33/06, 1979.
3. М.Л. Бараночников. Микромагнитоэлектроника, T.1. M. ДМК Пресс, 2001, стр.140 (таблица 2.18, п.4).
4. М.Л. Бараночников Микромагнитоэлектроника, T.1. M. ДМК Пресс, 2001, стр.77.
5. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. Расчет индуктивностей. Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр.360-361.