ДВУХПРОВОДНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МАГНИТОИМПЕДАНСНЫЙ ДАТЧИК
TWO-WIRE DIFFERENTIAL MAGNETOIMPEDANCE SENSOR

Изобретение относится к области построения высокочувствительных магнитных сенсоров, основанных на магнитоимпедансном (МИ) эффекте.
Эффект магнитного импеданса хорошо известен уже довольно давно, однако наиболее сильный интерес к нему возник сравнительно недавно, что объясняется ростом общего уровня развития сенсорных технологий в промышленности. МИ эффект выражается в зависимости поверхностного импеданса от магнитной структуры проводника. Поверхностный импеданс является коэффициентом пропорциональности в векторном соотношении между тангенциальными составляющими электрического и магнитного полей на поверхности проводника и определяет обобщенное напряжение, снимаемое непосредственно с проводника или с катушки, намотанной на проводник. Принцип работы датчика основан на измерении зависимости этого напряжения от внешних факторов, например, от внешнего магнитного поля. При этом датчики, не снабженные операционным усилителем, имеют чрезвычайно малую амплитуду выходного сигнала, а применение операционного усилителя с большим коэффициентом усиления приводит к усилению не только полезного сигнала, но и шумов, что сильно снижает точность измерения.
Конструкция датчика, наиболее похожего на разрабатываемое устройство, описана в аналоге (Патент US 8587300 B2, опубл. 19.11.2013 г., Магнитоимпедансный элемент и его производство). В указанном патенте рассматриваются однопроводной и многопроводной варианты конструкции сенсора с различными способами расположения магнитоимпедансных проводников. Основными недостатками которого являются невысокая чувствительность, сложность конструкции и температурная нестабильность работы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является многопроводная конструкция, описанная в патенте (US 8587300 B2, опубл. 19.11.2013 г., Магнитоимпедансный элемент и его производство), работает следующим образом: через МИ проводники пропускают высокочастотный импульсный ток (возбуждающий сигнал); внешнее магнитное поле, воздействующее на МИ проводник и вызывающее разворот статической намагниченности, изменяет его поверхностный импеданс, вследствие чего на детектирующей катушке возникает наведенный сигнал. Поскольку амплитуда сигнала очень мала, ее необходимо усилить при помощи операционного усилителя.
Конструкция вышеописанного датчика собрана на подложке с предварительно нанесенными токопроводящими проводниками и площадками. На подложку эпоксидной смолой приклеиваются МИ проводники, после чего производится напыление проводников, образующих вторую половину детектирующих катушек. Катушки и МИ проводники коммутируются при помощи проводников и контактных площадок подложки согласно приведенной в патенте Фиг. 1.
Недостатком описанной разработки является высокая температурная нестабильность. В результате выходной сигнал датчика сильно зависит от изменений температуры окружающей среды.
Настоящее техническое решение направлено на увеличение амплитуды выходного сигнала датчика путем изменения конструкции самого чувствительного элемента датчика.
Технический результат изобретения состоит в следующем: повышение амплитуды выходного сигнала сенсора, улучшение соотношения сигнал/шум, улучшение температурной стабильности, упрощение технологии сборки в условиях промышленного производства.
Технический результат достигается следующим образом. Двухпроводной магнитоимпедансный датчик, содержит два магнитоимпедансных детектора. Детекторы изготовлены по бескаркасной намоточной технологии и включенных встречно. Особенность конструкции состоит в том, что детектирующая катушка намотана непосредственно на сам магнитоимпедансный проводник со слоем защитной маски, а катушки магнитоимпедансных детекторов включены встречно, и МИ проводник одного из детекторов не возбуждается, а замкнут сам на себя.
Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показана конструкция магнитоимпедансного детектора на которой изображены: 1 - стеклянная оболочка, 2 - МИ проводник, 3 - защитная маска, 4 - детектирующая катушка. На Фиг. 2 показана блок схема двухпроводного дифференциального магнитоимпедансного элемента, на которой изображены: 5 - постоянный ток для подмагничивания, 6 - сигнал возбуждения, 7 - МИ проводник в стеклянной изоляции и маске, 8 - подмагничивающая катушка, 9 - первая детектирующая катушка, выполняет роль детектирования сигнала, далее в тексте «детектирующая катушка», 10 - вторая детектирующая катушка, выполняет роль компенсации шумов в сигнале, далее в тексте «компенсационная катушка». 11 - вывод выходного сигнала. На Фиг. 3 показана конструкция двухпроводного дифференциального магнитоимпедансного элемента, на которой изображены: 7 - МИ проводник в стеклянной изоляции и маске, 8 - подмагничивающая катушка, 9 - детектирующая катушка, 10 - компенсационная катушка». На Фиг. 4 показана зависимость амплитуды выходного сигнала от величины магнитного поля, на которой изображены две кривые: 12 - до проведения термической обработки, 13 - после проведения термической обработки. На Фиг. 5 показана зависимость амплитуды выходного сигнала в относительных единицах от температуры, на которой изображены две кривые: 14 - до проведения термической обработки, 15 - после проведения термической обработки.
Техническое решение изобретения осуществляется следующим образом. Предложена конструкция бескаркасного МИ детектора (Фиг. 1). В данной конструкции детектирующая катушка наматывается непосредственно на сам МИ проводник на намоточном станке. В качестве МИ проводника был выбран аморфный провод в стеклянной изоляции, провод обмотки - медный в лаковой изоляции. Было замечено, что намотка детектирующей катушки вызывает повреждение стеклянной оболочки МИ микропровода даже при минимальном натяжении медного проводника. Повреждения возникают при физическом соприкосновении и трении проводников. Для предупреждения повреждений оболочки МИ проводника перед намоткой катушки на его поверхность наносится тонкий слой (≈5 мкм) защитной маски, которая исключает возникновение трения между проводниками. Защитная маска выполнена на полиуретановой основе, обладает высокой эластичностью, не обладает магнитными свойствами и электропроводностью. Сушка маски проводится под ИК нагревателем при температуре +40…+60°C в течение 10 минут. Детектор может быть дополнен дополнительной подмагничивающей катушкой, которая наматывается сверху на детектирующую катушку. Эта катушка создает постоянное магнитное поле и предназначена для расширения пределов измерительной шкалы датчика и для осуществления обратной связи.
Полученные таким образом МИ детекторы устанавливаются на подложку датчика, по два в один датчик. Детектирующая катушка помимо регистрации полезного сигнала, также детектирует внешние помехи и радиошумы. Для компенсации наведенных помех была разработана конструкция датчика с двумя МИ детекторами, показанная на Фиг. 2.
В данной конструкции обмотки МИ детекторов включены встречно и расположены параллельно друг другу, а ток возбуждения пропускается только лишь через один МИ детектор. Именно он регистрирует магнитное поле, а второй МИ детектор выполняет роль компенсатора внешних помех, в котором выводы МИ проводника замыкаются между собой токопроводящим проводником подложки. Поскольку в схеме используются две абсолютно идентичные обмотки, то внешние помехи, наводящиеся в них, компенсируют друг друга максимально точно, что позволяет существенно снизить уровень помех. Расположение и подключение МИ детекторов в датчике показано на Фиг. 3.
Для увеличения чувствительности магнитного датчика была предложена его температурная обработка, в результате которой происходит релаксация механических напряжений в МИ проводнике, полученных в процессе сборки МИ детектора и датчика в целом. Обработке подвергается уже полностью собранный датчик. Температура обработки составляет 200°C, время обработки 5 минут. Кривые зависимости выходного сигнала датчика от магнитного поля до (кривая 1) и после температурной обработки (кривая 2) показаны на Фиг. 4.
Релаксация механических напряжений в МИ проводнике, проведенная посредством отжига всей конструкции датчика, также значительно уменьшает температурную нестабильность работы датчика. При соответствующем подборе режима отжига возможно многократное уменьшение уровня температурной нестабильности. Кривые зависимости изменения выходного сигнала (в процентах) от температуры для одного и того же датчика до (кривая 3) и после температурной обработки (кривая 4) показаны на Фиг. 5.
Подтверждение воспроизводимости результатов эксперимента по температурной обработке было проведено на 5 образцах, разброс параметров не превысил 10%.
Таким образом, можно отметить следующие отличительные признаки предложенной конструкции датчика и способа его изготовления:
- увеличение выходного сигнала и чувствительности к магнитному полю;
- улучшенная температурная стабильность работы;
- повышение уровня (или степени) компенсации помех.
Использование указанных отличительных признаков для выполнения поставленной цели ранее авторам неизвестно.
Пример 1
Конструкция МИ детектора, собранная на МИ аморфном проводнике в стеклянной изоляции сечением 40 мкм, с нанесенной защитной маской толщиной 5 мкм и детектирующей катушкой из медного провода в лаковой изоляции с сечением металлической жилы 40 мкм и числом витков, равным 60. В конструкции двупроводного датчика используются два элемента со встречно включенными катушками. При этом сигналом возбуждения заводится на один из детекторов, тогда как второй детектор замкнут на себя. Для улучшения характеристик датчика вся конструкция после сборки проходит термообработку. Основными техническими характеристиками конструкции являются: рабочая частота сигнала возбуждения 20 МГц, чувствительность МИ элемента 500 мВ/Э, максимальная амплитуда выходного сигнала 770 мВ, предел измерительной шкалы 1,5 Э.
На Фиг. 4 приведена зависимость амплитуды выходного сигнала (в относительных единицах) от величины внешнего поля (кривая 1 - до термообработки, кривая 2 - после термообработки).
Пример 2
Конструкция МИ детектора, собранная на МИ аморфном проводнике в стеклянной изоляции сечением 40 мкм, с нанесенной защитной маской толщиной 5 мкм и детектирующей катушкой из медного провода в лаковой изоляции с сечением металлической жилы 7 мкм и числом витков, равным 80. В конструкции двупроводного датчика используются два элемента со встречно включенными катушками. При этом сигнал возбуждения заводится на один из детекторов, тогда как второй детектор замкнут на себя. Для улучшения характеристик датчика вся конструкция после сборки проходит термообработку. Основными техническими характеристиками конструкции являются: рабочая частота сигнала возбуждения 20 МГц, чувствительность МИ элемента 700 мВ/Э, максимальная амплитуда выходного сигнала 900 мВ, предел измерительной шкалы 1,3 Э.
Пример 3
Конструкция МИ детектора, собранная на МИ аморфном проводнике в стеклянной изоляции сечением 40 мкм, с нанесенной защитной маской толщиной 5 мкм и детектирующей катушкой из медного провода в лаковой изоляции с сечением металлической жилы 40 мкм и числом витков, равным 60. Поверх детектирующей катушки тем же проводом, что и детектирующая катушка, в 2 слоя намотана подмагничивающая катушка, содержащая 120 витков. В конструкции двупроводного датчика используются два элемента со встречно включенными катушками. При этом сигнал возбуждения заводится на один из детекторов, тогда как второй детектор замкнут на себя. Для улучшения характеристик датчика вся конструкция после сборки проходит термообработку. Основными техническими характеристиками конструкции являются: рабочая частота сигнала возбуждения 20 МГц, максимальная чувствительность МИ элемента 500 мВ/Э, максимальная амплитуда выходного сигнала 770 мВ, предел измерительной шкалы 5 Э.