ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к измерительной аппаратуре постоянного магнитного поля, в частности к датчикам поля постоянных магнитов, используемых в магнитном резонансе, магнитов роторов синхронных двигателей с постоянными магнитами и других компонентов на постоянных магнитах электроприводных систем. Преимущественная область использования полезной модели - контроль постоянного магнитного поля магнитов, используемых в магнитной резонансной спектроскопии и поля электроприводов.
x
x
Для измерений постоянного магнитного поля вышеперечисленных устройств обычно применяют датчики Холла, основанные на физическом явлении, которое заключается в следующем. Если перпендикулярно току и плоскости пластинки из проводящего материала, по которой течет ток I, воздействовать магнитным полем напряженностью Н, то между боковыми гранями пластинки возникает ЭДС Холла ε, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля ε=KIH, где K=k/d - коэффициент, зависящий от материала и толщины пластинки d, k - постоянная Холла. Чувствительность датчика зависит от величины постоянной Холла, которая в основном определяется подвижностью носителей тока. Для высокой чувствительности датчика постоянного поля на эффекте Холла требуется сочетание большой подвижности носителей тока в материале с минимальными температурными зависимостями.
Известно устройство для измерения постоянного магнитного поля - промышленные датчики Холла. Лучшими по чувствительности являются датчики типа ДХК-14 (ДХК-14С) [1]. Они обладают чувствительностью 9 мкВ/мА при токе питания 7 (15) мА. Их температурный коэффициент составляет 0,15%/°С. Входное и выходное сопротивление - 1,1-2,5 кОм, диапазон температур составляет -60÷+120°С, габариты 10×7×0,45 мм (17×10×0,6
мм). Они являются наиболее близкими по достигаемому результату к предлагаемой полезной модели (аналогом).
Недостатками данного устройства являются: довольно низкая магнитная чувствительность и высокая зависимость от температуры, довольно большие габариты (10×7×0,44 мм).
Целью полезной модели является: повышение магнитной чувствительности и прочности, снижение температурной зависимости и габаритов датчика постоянного магнитного поля.
Поставленная цель достигается тем, что используются два полевых транзисторов типа КП303 (зарубежный аналог - 3BD4) на кремниевой основе, соединенные по мостовой схеме, представленной на фиг.1, один из которых (активный, с удаленным с него металлическим корпусом) размещается в магнитном поле так, чтобы вектор поля был перпендикулярен каналу-затвору, а второй (пассивный) находится за пределами магнитного поля.. В цепь между транзисторами и средней точкой сопротивлений моста включено индицирующее магнитное поле устройство (например вольтметр). Так как подобрать пару полевых транзисторов с одинаковыми характеристиками практически невозможно, то в цепь между ними добавлено переменное сопротивление, с помощью которого в отсутствие магнитного поля мост балансируется так, что напряжение на вольтметре поддерживается на уровне V=0.
При внесении нижнего по схеме полевого транзистора в магнитное поле его сопротивление увеличивается и напряжение в диагонали моста становится пропорциональным величине магнитного поля.
2
1
Зависимость характеристики транзисторов I(U) и напряжение в средней точке между двумя полевыми транзисторами от величины индукции магнитного поля В представлена на фиг.2. (В>B)
0
При отсутствии магнитного поля (В=0) характеристики обоих полевых транзисторов пересекаются в средней точке V=Е/2, где Е - напряжение источника питания. В магнитном поле ток насыщения первого транзистора
B
B
0
уменьшается и точка пересечения переходит в V, т.е. падение напряжения на первом транзисторе растет, а на втором уменьшается на величину V-V.
Датчик обладает температурной зависимостью, поскольку полевые транзисторы чувствительны к температурным изменениям (это предоставляет возможность их использования в качестве датчика температуры). Так, например, температурная зависимость предлагаемого в полезной модели датчика оказалась равной 40 мВ/°С. Однако это ниже 56 мВ/°С датчика ДХК-14 (ДХК-14С), температурная зависимость которого составляет 0,15% при токе питания 14 мА и входном сопротивлении 2,5 кОм. Для устранения данного недостатка полевые транзисторы были помещены в пенопластовую оболочку и пластиковый корпус, что практически устранило данный недостаток. Следует отметить, что используемые полевые транзисторы имеют металлический корпус, который частично экранирует действие магнитного поля. Для увеличения магниточувствительности транзистора его корпус был снят и вместо него транзистор был покрыт эпоксидным клеем.
Проведенные экспериментальные исследования датчика в диапазоне магнитных полей с индукцией В=0÷2 кЭ показали, что магниточувствительность датчика на кремниевых полевых транзисторах при напряжении питания Е=9 В составила γ=40 мВ/кЭ. Для датчиков Холла из аналогичного материала (кремния) магниточувствительность составляет γ=25 мВ/кЭ, т.е. у датчика на основе полевых транзисторов она оказалась в 1,6 раза больше чем у холловских датчиков.
Кроме того, габариты активной части датчика, находящейся в магнитном поле оказались равными 5×5×2 мм, что выгодно отличает его от габаритов 10×7×0,44 мм датчика Холла ДХК-14 (ДХК-14С), малая толщина которых не гарантирует их от механических повреждений.
Таким образом, датчики магнитного поля на полевых транзисторах обладают на 60% более высокой магниточувствительностью, на 28% меньшей температурной зависимостью и меньшими габаритамичто дает возможность применять их в различных областях техники и автоматики.
На фиг.3 представлено фото внешнего вида активной части предлагаемого одного из вариантов датчика.
ССЫЛКИ
1. Электротехнический справочник (в 4-х томах). М.: Изд. МЭИ. 2004. Т.4. С.111