ШИРОКОПОЛОСНЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области твердотельной электроники и измерительной техники и может быть использована при создании датчиков магнитного поля.
Работа датчика магнитного поля в предлагаемой модели основана на комбинации прямого пьезоэлектрического и магнитострикционного эффекта. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в появлении внутри образцов пьезоэлектрических материалов, вдоль вектора поляризации, дополнительного макроскопического электрического поля Е, вызванного механическими напряжениями в этих образцах. Возникающие электрические поля, в широких пределах прямопропорциональны вызывающим их напряжениям, внешних сил, вызывающих механические напряжения. Появление внутреннего электрического поля Е внутри образца, приводит к возникновению разности потенциалов U на поверхностях пьезоэлектрика, имеющих ортогональную составляющую к вектору Е.
-5
-2
Магнитострикционный эффект заключается в изменении объема и линейных размеров образца материала при появлении внешнего магнитного поля и, следовательно, при изменении намагниченности материала образца. В общем случае, магнитострикционный эффект наблюдается как в ферро-, так в пара- и диамагнетиках. Однако, в сильномагнитных веществах, т.е. в ферромагнетиках эффект изменения относительных линейных размеров λ=ΔL/L существенно больше и лежит в пределах 10-10. Значение λ для одного и того же материала различно в зависимости от величины магнитного поля, имеет максимум, и достигает максимальной величины при оптимальных величинах напряженности магнитных полей.
На основе магнитострикционного эффекта или комбинации магнитострикционного эффекта и прямого пьезоэлектрического эффекта создают датчики магнитного поля.
Известен датчик магнитного поля [Yanmin Jia, Yanxue Tang, Xiangyong Zhao, Haosu Luo, Siu Wing Or, Helen Lai Wa Chan «Additional dc magnetic field response of magnetostrictive/piezoelectric magnetoelectric Laminates by Lorenz force effect", Journal of applied physics, 100, 126102 (2006), p.126102-1-126102-3], содержащий пьезоэлектрическую пластину прямоугольной формы с металлическими электродами на двух противоположны плоскостях, электрически поляризованную перпендикулярно к этим плоскостям. Дополнительно к плоскостям пластины механически присоединены плоские проводники, отделенные от электродов тонким слоем диэлектрика. Проводники электрически соединены друг с другом последовательно вблизи одного из торцов пластины. Вся структура помещена во внешнее постоянное магнитное поле, приложенное параллельно плоскости пластины.
A
A
Датчик работает следующим образом. При пропускании переменного тока I через проводники, со стороны магнитного поля, лежащего в плоскости проводников и перпендикулярного направлению токов, на проводники, как известно, действует сила Ампера F, обусловленная силами Лоренца. Это приводит к сжатию или растяжению пьезоэлектрической пластины в направлении ее толщины и приводит к генерации на электродах пьезоэлектрической пластины переменного напряжения с частотой, равной частоте переменного тока. Амплитуда генерируемого напряжения U пропорциональна напряженности постоянного магнитного поля H, величине пропускаемого тока I и величине возникающих механических напряжений σ. Недостатком данного датчика является то, что под действием имеющейся силы F возникают в данной конструкции относительно небольшие напряжения σ, и чувствительность датчика относительно невелика. Кроме того, такой датчик требует наличия внешнего источника переменного тока.
Недостаток, связанный с необходимостью внешнего источника переменного тока исправлен в датчике магнитного поля [Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Zhengping Xing, Jie-Fang Li, D. Viehland "Extremely low frequency response of magnetoelectric multilayer composites», Applied physics letters, 86, 102901 (2005), p.102901-1-102901-3], представляющем собой структуру, содержащую механически соединенные друг с другом чередующиеся плоские слои из пьезоэлектрического и магнитострикционного материалов. Пьезоэлектрические слои электрически поляризованы перпендикулярно своим плоскостям и соединены параллельно друг с другом. Данное известное решение принято в качестве прототипа.
Такой энергонезависимый датчик работает следующим образом. При приложении параллельно слоям структуры низкочастотного магнитного поля, магнитострикционные слои изменяют свои планарные размеры из-за магнитострикции, возникающая вдоль слоев деформация, передается пьезоэлектрическим слоям и вследствии прямого пьезоэлектрического эффекта, на электродах структуры генерируется переменное электрическое напряжение. Амплитуда напряжения U пропорциональна амплитуде напряженности Н измеряемого магнитного поля. Недостатком датчика является не оптимальная конструкция, в которой силы стрикционного сжатия/растяжения направлены не вдоль, а поперек вектора поляризации пьезоэлектрических слоев в силу чего, коэффициент связи между механическими напряжениями σ и возникающим электрическим полем Е, а следовательно, и выходным напряжением U - не оптимален, что не позволяет достичь максимально возможной чувствительности датчика.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении чувствительности энергонезависимого датчика магнитного поля, построенного на многослойных пьезоэлектрических элементах.
Указанный технический результат достигается тем, что широкополосный низкочастотный датчик магнитного поля содержит стопу из нескольких жестко соединенных между собой многослойных пьезоэлектрических элементов, каждый из которых выполнен в виде плоских пьезоэлектрических слоев с внутренними электродами, к концам стопы приклеены диамагнитные пластины, которые с каждой стороны выступают за пределы стопы своей торцевой частью, а к торцевые части диамагнитных пластин с одной, двух, трех или с четырех сторон жестко соединены между собой полосками в виде магнитострикционных пластин с отрицательной магнитострикцией, при этом на пьезоэлектрических элементах выполнены внешние контакты для параллельного или последовательного соединения пьезоэлектрических элементов между собой.
К магнитострикционным пластинам может быть присоединен постоянной магнит, в поле которого магнитострикционные пластины обладают максимальным магнитострикционным эффектом.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной 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.1 - представлена конструкция датчика;
фиг.2 - общий вид многослойного пьезоэлектрического элемента (МПЭ) (собственная емкость элемента - 0,5 мкФ, количество пьезоэлектрических слоев в элементе - 50);
фиг.3 - структура МПЭ;
фиг.4 - представлена конструкция датчика с постоянным магнитом;
фиг.5 - параллельная схема включения МПЭ;
фиг.6 - последовательная схема включения МПЭ;
фиг.7 - амплитудно-частотная характеристика датчиков в диапазоне 0-2000 Гц;
фиг.8 - зависимость выходного напряжения датчика при параллельном включении от величины переменного магнитного поля, частота поля Fbac=10 Гц, величина постоянного поля Bdc=58G;
фиг.9 - зависимость выходного напряжения датчика при последовательном включении от индукции переменного магнитного поля для трех значений частоты (10 Гц, 100 Гц и 1000 Гц). Индукция постоянного поля смещения - 77 Гс;
фиг.10 - зависимость выходного напряжения датчика при последовательном включении от величины постоянного магнитного поля (частота переменного поля Fbac=100 Гц, индукция переменного поля смещения - 1 Гс);
фиг.11 - зависимость выходного напряжения датчика при параллельном включении от величины постоянного магнитного поля, частота переменного поля Fbac=100 Гц.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция широкополосного низкочастотного датчика магнитного поля. Датчик состоит из стопы из пяти склеенных между собой многослойных пьезоэлектрических элементов 1 (МПЭ). Конструкция каждого МПЭ из стопы подробно описана в прототипе. Каждый МПЭ имеет размеры 6×6×3 мм. К концам стопы приклеены диамагнитные пластины 2 (в виде магнитострикционных пластин с отрицательной магнитострикцией), с каждой стороны выступающие за пределы стопы на 0,5 мм. К выступающим частям этих пластин (опор) с двух сторон приклеены полоски 3 в виде магнитострикционных пластин с отрицательной магнитострикцией (из никеля, выполнены размером 30×10×0,3 мм). На пьезоэлектрических элементах имеются контакты 4, которые позволяют их соединять в стопе между собой последовательно или параллельно. Конструкция датчика приведена на фиг.1, общий вид МПЭ - на фиг.2, а принципиальная схема МПЭ - на фиг.3, где позициями 5 и 6 показаны контактные выводы. Вдоль одной из полосок 3 из никеля может располагаться постоянный магнит 7, обеспечивающий оптимальную рабочую намагниченность полосок 3, при которой они имеют максимальную магнитострикцию (фиг.4). Диамагнитные пластины 2 служат для объединения механически МПЭ 1 и полосок 3. Кроме того, поз.8 показаны внешние электроды стопы, позволяющие в зависимости от задач соединять МПЭ в стопе параллельно (фиг.4) или последовательно (фиг.6).
min
min
v
c
min
c
min
v
c
v
min
v
min
Датчик работает следующим образом. Сначала пластины никеля помещаются во внешнее постоянное поле такой величины, при которой магнитострикция максимальна. Это постоянное поле может создаваться либо внешней катушкой, либо постоянным магнитом (постоянное магнитное поле Н=). Величина этого поля, для данной конструкции и материала магнитостриктора, составляет 50-60 Гс (поле направлено вдоль никелевых полосок). При появлении контролируемого переменного магнитного поля, направленного соосно с постоянным магнитным полем, в магнитострикционной скобе, охватывающей пакетный пьезоэлектрический преобразователь, проявляется магнитострикционный эффект. Так как он у никеля отрицательный, то происходит периодическое сжатие стопы МПЭ. Так как рабочая точка никеля находится посередине, он испытывает как деформацию растяжения, так и сжатия. Эта деформация передается на стопу МПЭ, в результате чего на них наводится переменное электрическое напряжение, которое может быть выражено на шкале в параметрах напряженности магнитного поля. При появлении магнитного поля вдоль пластин магнитострикционного материала происходит его сжатие и через диамагнитные полоски оно передается на стопу пьезоэлектрических элементов в результате на электродах возникает электрический заряд, который регистрируется измерительным прибором (ИП). Датчик по своей природе регистрирует переменные магнитные поля. Нижняя частотная граница ω=2πf регистрируемых полей определяется соотношением внутренних сопротивлений измерительного вольтметра R и максимальным емкостным сопротивлением пакетного пьезоэлектрического преобразователя Z, которое зависит от общей емкости многослойных пьезоэлектрических элементов и частоты ω. Типичная емкость одного элемента лежит в диапазоне 0,5-1 мкФ, соответственно емкость C пакета при параллельном соединении 5 элементов в нем - 2,5-5 мкФ. Таким образом, соотношение Z=1/(2πfC)<<R (например Z=0,1 R), может быть реализовано на частоте f=1/(2πC·0,1 R). При типовом значении входного сопротивления аналогово-цифровых схем для регистрации электрического напряжения, например 1 МОм имеем, f≈0,6 Гц.
-8
Были изготовлены два образца датчика, которые имели параллельное и последовательное соединение МПЭ. На фиг.7 приведены зависимости выходного сигнала датчика U от частоты измеряемого магнитного поля в диапазоне 0-2000 Гц. Видно, что как и ожидалось дачки способны регистрировать внешнее магнитное поле вплоть до частот <1 Гц, что выгодно отличает их от прототипа. Кроме того, датчики обладают практически неизменной чувствительностью 20 B/Тл в широком диапазоне частот, вплоть до 2 кГц. Такая чувствительность, при фиксации выходного сигнала на уровне 1 мкВ, обеспечивает нижний порог измерения магнитного поля 5·10 Тл.
-4
-3
-2
На фиг.8 показано, что в области малых магнитных полей датчик обладает хорошей линейностью и обеспечивает постоянную чувствительность порядка 20 B/Тл. Измерения проведены на частоте измеряемого поля Fbac=10 Гц. Уровень подмагничивания для магнитостриктора выбран Bdc=58 10 Тл. На фиг.9 - представлены зависимости, аналогичные зависимостям на фиг.7, но для трех различных частот измеряемого магнитного поля: 10 Гц, 100 Гц и 1000 Гц. На фиг.10, 11 представлены зависимости выходного напряжения датчика U в широком диапазоне измеряемых магнитных полей. Видно, что верхний предел относительно линейных измерений составляет 5·10 Тл, а верхний предел динамического диапазона, изготовленных образцов датчиков, лежит в области (3-3,5)10 Тл.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может быть изготовлена с использованием известных технологий.