ДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Настоящее изобретение относится к области твердотельной электроники и может бать использовано для создания измерителей переменных магнитных полей в области науки, медицины и промышленного приборостроения.
В основе предлагаемого датчика переменного магнитного поля (ПМП) использован магнитоэлектрический (МЭ) эффект [А.Ю.Остащенко, В.Л.Преображенский, Р.Pernod. Магнитоэлектрический эффект в асимметричной слоистой структуре магнетик-пьезоэлектрик. // ФТТ. - 50, 3, 446 (2008). http://journals.ioffe.ru/ftt/2008/03/p446-45). МЭ эффект наблюдается в планарных структурах, содержащих ферромагнитные (ФМ) и пьезоэлектрические (ПЭ) слои.
Из существующего уровня техники известен МЭ пассивный датчик переменного магнитного поля (RU №2464586, G01R 33/02, опубл. 10.08.2011). Датчик содержит несущую подложку, постоянный магнит в виде плёнки, МЭ элемент, состоящий из двух плёнок магнитострикционного ферромагнетика, и находящегося между ними пьезоэлектрика. Датчик работает следующим образом. При приложении вдоль датчика переменного магнитного поля, магнитострикционный слой деформируется, деформация передаётся в пьезо-электрик, на электродах которого появляется переменное напряжение. Недостатком данного устройства является небольшая чувствительность.
Для увеличения чувствительности МЭ датчика используют его режим работы на частоте механического резонанса (Бичурин М.И., Петров В.М., Аверкин С.В., Филлипов А.В., Электромеханический резонанс в магнитоэлектрических слоистых структур. ФТТ 52,10, 1975, 2010).
В режиме работы на частоте электромеханического резонанса датчик обладает высокой чувствительностью (в добротность раз больше), но в узкой полосе частот вблизи частоты резонанса.
1
2
1
1
p
p
Наиболее близким по техническому решению является датчик переменных магнитных полей, предложенный в (US 8,222,898 B1 G01R 33/02 Jul. 17, 2012). Датчик содержит магнитострикционый ферромагнетик, магнит для создания поля смещения, пьезоэлектрик с электродами, концентраторы магнитного поля, катушку, создающая переменное магнитное поле. Работа датчика основана на смешении в магнитострикционном материале двух магнитных полей с частотами f (частота измеряемого магнитного поля) и f (частота магнитного поля создаваемая катушкой) при условии f±f=f, где f, - частота электромеханического резонанса МЭ структуры. Поле смещения необходимо для задания рабочей точки в которой имеет место наибольшая нелинейность магнитострикции.
Задачей, на решение которой направлено данное заявление на полезную модель, является повышение частотной селективности датчика с одновременным повышением его чувствительности в широком диапазоне частот.
Принцип работы предлагаемого датчика переменных магнитных полей поясним теоретически на простейшем примере двухслойной структуры, содержащей слой ферромагнетика (ФМ) и слой пьезоэлектрика (ПЭ) с электродами, схематически показанной на Фиг.1.
a
a
m
p
Пусть слои структуры ориентированы в плоскости «1»-«2» и механически связаны друг с другом на границе раздела. Слой ФМ имеет толщину , а слой ПЭ - толщину . Структура помещена во внешнее поле Н, направленное параллельно к плоскости вдоль оси «1». В простейшем случае, при деформации структуры только в плоскости «1»-«2», деформации S, механические напряжения Т, магнитное поле Н в ФМ слое, электрическое поле Е и электрическое смещение D в ПЭ слое связаны соотношениями:
31
0
12
u
Здесь индексы "p" и "m" отвечают ПЭ слою и ФМ слою, λ(Н) - продольная магнитострикция ФМ слоя, d - пьезомодуль ПЭ слоя,  и  - механические податливости материалов слоев, ε=8.85·10 Ф/м - диэлектрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость ПЭ слоя. Используя условия равенства деформаций на границе раздела слоев , условие равновесия структуры вдоль оси «1»  и условие разомкнутого контура , из уравнений (1) получаем выражение для напряжения , генерируемого между электродами ПЭ слоя:
В выражении (2) коэффициент «А» зависит только от механических, геометрических и электрических параметров слоев структуры. Для более сложных структур, содержащих три и более ФМ и ПЭ слоев, выражение для генерируемого напряжения также имеет форму (2), только с другим коэффициентом А. Важно, что для всех композитных структур амплитуда напряжения пропорционально магнитострикции u~λ(H).
На Фиг. 2 показана типичная зависимость магнитострикции от поля λ(H) для ферромагнитных материалов (например, FeCo, галфенол, аморфный ферромагнитный сплав). Знак магнитострикции, определяющий, сжимается или растягивается материал во внешнем магнитном поле, зависит только от типа материала и не изменяется при смене направления поля Н на противоположное. Зависимость симметрична (без учета гистерезиса) относительно вертикальной оси.
0
Разложим магнитострикцию в ряд Тейлора вблизи поля Н:
0
где  и  - первая и вторая производные магнитострикции по полю при Н=Н, соответственно.
1
2
1
2
1
2
0
Пусть возбуждающее поле представляет собой сумму двух гармонических полей с частотами f и f и амплитудами h и h (h, h <<Н):
Подставляя (3) и (4) в соотношение (2), после преобразований получаем выражение для напряжения, генерируемого между электродами структуры:
1
31
1
2
31
2
1
2
0
0
m
В выражении (5) переменные составляющие с амплитудами u=Adqh и u=Adqh и частотами f и f, соответственно, описывают известный линейный МЭ эффект в композитной структуре. Амплитуда этих составляющих зависит от Н и максимальна при постоянном поле смещения H=H, соответствующем максимуму пьезомагнитного коэффициента q. Именно эти слагаемые используются для создания известных линейных датчиков магнитных полей.
Для рассматриваемой заявки представляют интерес слагаемые с амплитудой
1
2
1
2
и частотами f+f и f-f, которые описывают процессы нелинейного смешения переменных магнитных полей в МЭ структуре. Амплитуда нелинейных слагаемых, пропорциональна второй производной р от магнитострикции по постоянному магнитному полю. Производная р, как показали измерения на различных магнитострикционных материалах, достигает максимального значения при нулевом (H=0) постоянном поле смещения и уменьшается с увеличением поля.
При выполнении условия
3
2
3
имеет место резонансное увеличение амплитуды генерируемого структурой напряжения u в добротность Q раз. Добротность акустических колебаний (изгибных или планарных) структуры может составлять Q~10-10.
1
1
2
2
3
p
Уравнения (6) и (7) поясняют принцип работы широкополосного нелинейного МЭ датчика магнитных полей. Датчик (например, показанная на Фиг.1 двухслойная структура) помещается в измеряемое переменное магнитное поле с неизвестной амплитудой h и неизвестной частотой f. Одновременно, например, с помощью электромагнитной катушки, к датчику прикладывается переменное возбуждающее магнитное поле с фиксированной амплитудой h и известной частотой f. Генерируемый между электродами ПЭ слоя сигнал u регистрируют на частоте механического резонанса структуры f.
2
r
1
r
2
1
При изменении частоты поля накачки f в определенном диапазоне частот амплитуда сигнала с частотой f в какой-то момент времени резко возрастает, что соответствует наличию измеряемого магнитного поля. Частота измеряемого магнитного поля f в этот момент времени определяется из соотношений (7), поскольку частоты f и f известны. Амплитуда измеряемого поля h находится из соотношения (6), остальные сомножители в котором также известны.
На основе приведённого примера технический результат достигается за счёт того, что датчик переменного магнитного поля, содержащий ферромагнетик, пьезоэлектрик с электродами, катушку переменного магнитного поля, характеризуется тем, что работает при нулевом поле смещения, которое обеспечивается размагничиванием ферромагнетика перед каждым измерением, переключением цепи катушки на заряженную через резистор емкость.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.3 представлена конструкция датчика. Он содержит магнитострикционный ферромагнетик - ФМ, пьезоэлектрик - ПЕ с электродами - Э, катушку переменного магнитного поля - К, переключателя - П, накопительного конденсатора - С, заряжаемого через резистор - R.
1
2
p
2
1.
Работает датчик переменного поля следующим образом. Перед началом измерения происходит размагничивание ферромагнетика от остаточной индукции, которая может появиться от предыдущего измерения. Это достигается переключателем - П, переключающего катушку переменного магнитного поля на заряженный конденсатор он разряжается, образуя затухающее магнитное поле, величина которого определяется ферромагнетиком примененном в устройстве. При этом происходит соответствующая коммутация измерительной цепи, которая защищается от возможной перегрузки. После процесса размагничивания переключатель возвращается в исходное положение и датчик готов к измерению. Исходя из условия f±f=f выбирают частоту генератора возбуждения катушки - f, зная частоту регистрируемого магнитного поля - f
p
Преобразованный сигнал с частотой - f электромеханического резонанса поступает с электродов ПЕ на регистрирующий прибор.