ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть применена для преобразования магнитного поля в электрическое напряжение в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления, а также в качестве питающего элемента.
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 B, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины L и толщины датчика, тока I, коэффициента Холла R и магнитной индукции B:
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 предлагаемой полезной модели является пассивный датчик переменного магнитного поля (см. №95137, G01R 33/02, 10.06.2010). Датчик содержит подложку и, по меньшей мере, один магниточувствительный элемент из многослойного или объемного магнитоэлектрического композиционного материала, содержащего магнитострикционную и пьезоэлектрическую фазы, на торцы которого нанесены токопроводящие обкладки. Датчик содержит также постоянный магнит, вектор магнитного поля которого сонаправлен с вектором поляризации пьезоэлектрической фазы магниточувствительного элемента.
Основные недостатки такого датчика - наличие магнитострикционной компоненты и подмагничивающего поля.
Технической задачей при разработке полезной модели является создание датчика магнитного поля, который не требует для своей работы наличия магнитострикционной компоненты и наличия дополнительного питания.
Поставленная задача достигается тем, что датчик магнитного поля содержит биморфный пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из скрепленных между собой пьезоэлектрических слоев, поляризованных в противоположных направлениях и жестко закрепленных с одной из сторон, двух постоянных магнитов прикрепленных на свободном конце преобразователя и выводами, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрического преобразователя параллельно его закреплению.
На фиг. 1 представлен датчик магнитного поля.
На фиг. 2 представлен график зависимости МЕ коэффициентов от частоты.
Датчик магнитного поля содержит биморфный пьезоэлектрический преобразователь 1, состоящий из скрепленных между собой пьезоэлектрических слоев, поляризованных в противоположных направлениях и жестко закрепленных с одной из сторон зажимом 2, двух постоянных магнитов 3, прикрепленных на свободном конце преобразователя и выводами 4, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрического преобразователя параллельно его закреплению.
Датчик магнитного поля работает следующим образом. При приложении к биморфному пьезоэлектрическому преобразователю, находящемуся в постоянном магнитном поле магнита, магнитного поля, за счет магнитного взаимодействия приводит к появлению вращательного момента и изменению пьезоэлектрического преобразователя, вследствие чего появляется измерительное напряжение на поверхности пьезоэлектрического преобразователя.
Максимальный МЭ эффект достигается подбором величины магнитного поля постоянного магнита и выбором объемных долей биморфного пьезоэлектрического преобразователя.
11
2
3
3
-12
31
33
0
0
На фиг. 2 представлен график зависимости МЕ коэффициентов от частоты датчика магнитного поля (фиг. 1). Следующие параметры материала были использованы для вычисления: Y=0.65·10 N/m, плотность ρ пьезоэлектрических слоев ρ=7.7·10 kg/m, d=-1750·10 m/V, ε/ε=1750 Ф/м, m=5 g, εJ=0.9 Т. Размеры биморфного пьезоэлектрического преобразователя: 50,7×6×0,3. Размеры магнитов (неодимовые NdFeB неодим-железо-бор): 6,35×9,5. Как видно из графика, расчетное значение МЭ коэффициента от частоты достигает 30 В/Э. Зависимость МЕ коэффициентов от частоты носит линейный характер.
Использование предложенной полезной модели позволяет измерять магнитные поля и не требует для своей работы наличия магнитострикционной компоненты и дополнительных затрат энергии. Кроме того, повышается чувствительность и расширяется диапазон измеряемых магнитных полей за счет достижения максимального МЭ эффекта в чувствительном элементе датчика магнитного поля.
При изготовлении датчика магнитного поля применяются хорошо отработанные технологии для получения биморфного пьезоэлектрического преобразователя, что обуславливает его более низкую себестоимость и высокую надежность по сравнению с датчиками магнитного поля на эффекте Холла.