ГИБРИДНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
HYBRID MAGNETIC FIELD SENSOR

Гибридные датчики применяются в магнитометрических приборах, системах неразрушающей дефектоскопии металлов, устройствах для магнитной кардиографии, приборах и системах анализа слабых магнитных полей.
Для измерения величины индукции магнитного поля широко используются электронные твердотельные чувствительные элементы. На их основе изготавливают датчики магнитного поля, которые для улучшения технических характеристик содержат дополнительные элементы. В частности, для повышения чувствительности датчиков используют пассивные концентраторы, которые увеличивают индукцию внешнего магнитного поля в области чувствительного элемента.
Известен концентратор магнитного потока трансформаторного типа [1]. Концентратор содержит две обмотки. Первичная обмотка находится во внешнем магнитном поле. Во вторичную обмотку помещен чувствительный элемент. Диаметры и число витков первичной и вторичной обмотки подобраны таким образом, что напряженность магнитного поля в области датчика больше напряженности внешнего магнитного поля. Получение больших коэффициентов усиления для этих концентраторов ограничивается индуктивностью обмоток. Кроме того, для работы в постоянных и квазипостоянных магнитных полях необходимо использование сверхпроводникового проводящего контура.
Известен щелевой сверхпроводниковый концентратор магнитного потока [2]. В концентраторе используются две сверхпроводниковые пластины с зазором, либо одна пластина с щелью. Магнитное поле вытесняется из сверхпроводника и концентрируется в щелях. Усиление такого концентратора ограничивается стеканием магнитного поля по внешним краям пластины. Кроме того магнитное поле сильно растекается сразу же, как только покидает зазор, что снижает его величину в зоне чувствительного элемента.
Известен конический концентратор магнитного потока, представляющий собой конусы из ферромагнитного материала [3], принятый нами за прототип. Усиление достигается за счет сохранения величины магнитного потока через большое и малое основание усеченного конуса. Недостатком является то, что для достижения большого коэффициента усиления магнитного поля его длина должна быть минимум в десять раз больше диаметра наибольшего основания. Это не позволяет создать компактный датчик магнитного поля для измерения вектора магнитного поля в точке. Коэффициент усиления подобных концентраторов ограничен сильным рассеянием магнитного поля на остриях конусов.
Задача изобретения - увеличение чувствительности гибридного датчика магнитного поля за счет улучшения характеристик концентратора магнитного поля.
Предлагается гибридный датчик магнитного поля, содержащий чувствительный элемент и конический ферромагнитный концентратор магнитного поля, у которого стенки канала вокруг чувствительного элемента и пространство вблизи образующих конусов заполнены высокотемпературным сверхпроводником, образующим боковую поверхность концентратора.
По сравнению с прототипом датчик имеет более высокую чувствительность за счет отсутствия рассеяния магнитного поля через боковые грани ферромагнитного конуса и, следовательно, увеличения напряженности магнитного поля в зоне чувствительного элемента.
В концентраторе, состоящем из двух ферромагнитных конусов, магнитное поле усиливается пропорционально отношению площадей острия и основания конуса. Это отношение является предельным теоретическим коэффициентом усиления. Однако на практике при попытке уменьшить диаметр острия наблюдается сильное боковое рассеяния потока в этой области. Магнитное поле «вытекает» через боковую поверхность ферритового конуса, что приводит к увеличению площади однородного магнитного поля в зоне чувствительного элемента по сравнению в площадью острия и, следовательно, уменьшению коэффициента усиления.
Предложенная конструкция позволяет избавиться от этого эффекта за счет использования дополнительного элемента - оболочки из высокотемпературного сверхпроводника. Сверхпроводник не допускает проникновение магнитного поля внутрь своего объема. Поэтому оболочка из сверхпроводника, сформированная вокруг ферритовых конусов, не позволяет магнитному потоку покинуть ферритовые конусы и, следовательно, 100% магнитного потока проходит через острие двух ферритовых конусов и попадает на чувствительный элемент.
Оболочка из сверхпроводника решает еще одну проблему: повышение однородности магнитного потока в зазоре между ферритовыми конусами. Так как оболочка из сверхпроводника имеет форму цилиндра между остриями конусов, магнитный поток сохраняется одинаковым во всем объеме зазора между конусами.
Представленные выше положения подтверждены результатами компьютерного моделирования и экспериментальной проверкой.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение предлагаемого гибридного датчика магнитного поля, где:
1 - оболочка из высокотемпературного сверхпроводника.
2 - ферромагнитные конусы
3 - чувствительный элемент
Конструкция гибридного датчика магнитного поля представляет собой два усеченных конуса (2), между которыми установлен чувствительный элемент (3). Перечисленные элементы заключены в оболочку из высокотемпературного сверхпроводящего материала (1). Принцип усиления напряженности магнитного поля в области чувствительного элемента следующий: магнитное поле направлено параллельно осям ферритов и входит через большие основания конусов. Внутри конусов магнитное поле усиливается пропорционально магнитной проницаемости материала. Далее магнитное поле через основания малого диаметра попадает в зазор 3 где установлен чувствительный элемент магнитного поля. Благодаря сверхпроводящей оболочке канала магнитное поле избегает эффекта рассеяния и с индукцией превышающей индукцию внешнего поля, пронизывает объем датчика.
Конструкция экспериментально реализованного гибридного датчика показана на фиг. 1. Использованы ферритовые конуса с магнитной проницаемостью 1000. Диаметры оснований 2 и 10 мм. Длина конуса 10 мм. В качестве чувствительного элемента использован датчик HMC1021Z. Сверхпроводниковая оболочка выполнена из высокотемпературного сверхпроводника состава Bi- 2223 с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 110К. Расчет и экспериментальная проверка показывает, что усиление ферритового концентратора составляет 6,5. Использование сверхпроводниковой оболочки увеличивает усиление до 24,5. Это близко к теоретическому пределу, полученному из соотношения площадей оснований ферритовых конусов и их магнитной проницаемости - 25. В предлагаемой конструкции датчика важны оба компонента - ферритовые конуса и сверхпроводниковая оболочка.
Концентратор, изготовленный только из сверхпроводниковой оболочки, имеет усиление 6,3.
Экспериментально проверена работа датчика для постоянных и квазипостоянных магнитных полей. В диапазоне частот от нуля до 3 кГц чувствительность HMC1021Z равна 80 В/Тл. Чувствительность гибридного датчика (чувствительный элемент + ферромагнитный концентратор) при комнатной температуре составила178 В/Тл. При охлаждении данной системы до температуры 77К уменьшается усиление ферритового концентратора на 4%, но при этом повышается чувствительность чувствительного элемента и, соответственно, всего устройства в аналогичном диапазоне частот до 351 В/Тл. При использовании оболочки из сверхпроводника состава Bi-2223 и при температуре 77К чувствительность гибридного датчика составляет 1752 В/Тл.
Приведенные выше количественные данные подтверждают более высокую чувствительность предлагаемого гибридного датчика по сравнению с конструкцией прототипа, содержащего только ферромагнитные конусные концентраторы. Эти характеристики достигаются при сравнимой длине и ширине гибридного датчика. Это позволяет сделать датчик компактным и использовать в аппаратуре в которой важна как чувствительность, так и локальность измерения индукции магнитного поля.
Использованные источники:
1) Патент РФ№2289870
2) Hybrid Magnetic Sensor Combined with a Magnetic Resistive Sensor and High-Temperature Superconducting Magnetic-Focusing Plates», K. Tsukada, T. Hirata, Y. Nakamura, Y. Majima, K. Amano, K. Sakai, T. Toshihiko, Graduation school of natural science and technology, Okayama University Japan
3) Патент РФ№1757364 - прототип.