Преобразователь магнитного поля

 

Использование: преобразователь магнитного поля относится к области неразрушающего контроля сплошности и качества структуры ферромагнитных изделий. Сущность: преобразователь магнитного поля, содержащий магниточувствительный узел, состоящий из матрицы сердечников, охваченных общей обмоткой, и формирователь тока, подключенный к сердечникам, снабжен формирователем 3 двуполярных импульсов, предварительным 7 и разностным 11 усилителями, сопротивлением 5 и тремя схемами 8 - 10 выборки-хранения, формирователь тока выполнен в виде формирователя прямоугольных импульсов тока, а матрица выполнена двумерной, причем ее столбцы образованы последовательно соединенными сердечниками, выполненными в виде ферромагнитных магниторезисторов 2, сопротивление которых изменяется под действием магнитного поля, а строки - одновитковыми обмотками возбуждения, каждая из которых охватывает одновременно все магниторезисторы 1 соответствующей строки и подключена одним своим входом к формирователю 3 двуполярных импульсов, а другим - к общему проводу, одни концы столбцов электрически соединены между собой и через сопротивление 5 подключены к общему проводу, их общий вывод через предварительный усилитель 7 подсоединен к входам двух схем 8 и 9 выборки-хранения, выход которой соединен с одним из входом разностного усилителя 1, а выход второй схемы 9 выборки-хранения - с вторым входом разностного усилителя 11, другие концы столбцов соединены с выходами формирователя прямоугольных импульсов тока. 3 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля сплошности или качества структуры ферромагнитных изделий во всех областях машиностроения, а также для измерения пространственно неоднородных полей.

Известен матричный преобразователь магнитных полей, содержащий магниточувствительный узел, выполненный в виде матрицы на ферритовых сердечниках, выход которой через видеоусилитель подсоединен к видеоконтрольному устройству и блоку разверток [1] Недостатком данного преобразователя является ограниченный диапазон магнитного поля, в котором возможна устойчивая работа преобразователя, что связано с насыщением магниточувствительных элементов матрицы. Крупные размеры магниточувствительного элемента матрицы снижают пространственное разрежение и вносят значительные искажения в топографию магнитного поля.

Известен также преобразователь магнитного поля [2] магниточувствительный узел которого выполнен в виде строки стержневых или тороидальных ферритовых сердечников, расположенных в одной плоскости с намагничивающей и выходной обмотками, намотанными на каждом из сердечников.

Недостатком такого преобразователя является невозможность обеспечить идентичность феррозондов вследствие индивидуальной намотки на каждый сердечник и технологический разброс магнитных характеристик сердечников, сложность технологии изготовления феррозондового преобразователя, а также большие размеры сердечников, что ухудшает разрешающую способность.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является преобразователь магнитного поля [3] Магниточувствительный узел этого известного преобразователя выполнен в виде матрицы ферритовых сердечников, матрицы преобразователей Холла, связанной с матрицей кольцевых ферритовых сердечников, прошитых вертикальными и горизонтальными адресными шинами, обмоткой синусоидального убывающего тока и выходной обмоткой: преобразователь также содержит дешифраторы строк и столбцов, два генератора сигналов, избирательный усилитель, синхронный детектор, блок разверток, формирователь убывающего тока, стабилизатор тока и видеоконтрольный блок.

Недостатками этого указанного преобразователя являются большой разброс магнитных характеристик ферритовых колец, влияние паразитных емкостей и индуктивностей на процесс считывания магнитного рельефа с ферромагнитных колец, большие размеры магниточувствительного узла, что ведет к снижению чувствительности измерений. Наличие ферритовых колец и большое количество различных обмоток значительно усложняет изготовление преобразователя с большим количеством элементов и делает невозможным применение методов интегральной технологии для упрощения конструкции и микроминиатюризации.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение чувствительности измерения и упрощение конструкции преобразователя.

Поставленная задача решается тем, что магниточувствительный узел преобразователя выполнен в виде двумерной матрицы из ферромагнитных магниторезисторов, сопротивление которых изменяется под воздействием магнитного поля, причем столбцы образуются последовательным соединением ферромагнитных пленочных магниторезисторов. Одни концы столбцов соединены вместе гальванически через сопротивление на общий провод, другие подключены к формирователю прямоугольных импульсов тока, строки образования возбуждающими одновитковыми обмотками, охватывающими одновременно все магниторезисторы соответствующей строки, причем одни концы обмотки электрически соединены вместе с общим проводом, а другие подключены к формирователю двуполярных импульсов тока: преобразователь также содержит предварительный усилитель, три схемы выборки-хранения и разностный усилитель.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что магниточувствительный узел выполнен в виде двумерной матрицы ферромагнитных магниторезисторов, способных изменять свое электрическое сопротивление под воздействием магнитного поля, причем строки образованы одновитковыми возбуждающими обмотками, охватывающими все магниторезисторы данной строки одновременно, а выходной сигнал снимается с сопротивления, подключенного ко всем столбцам матрицы, образованными последовательно соединенными ферромагнитными пленочными магниторезисторами.

В предлагаемом техническом решении использование принципа изменения электрического сопротивления позволяет устранить влияние паразитных емкостей и частотных характеристик ферромагнитного материала, так как для измерения выбирается момент, когда переходные процессы в преобразователе пройдут, что соответствует середине прямоугольного импульса возбуждения. Использование обмотки в качестве возбуждающей дает возможность снизить количество витков до одного, что максимально упрощает конструкцию преобразователя. Использование одновитковой обмотки, охватывающей все магниторезисторы, и соединение их последовательно дает возможность создания двумерной магниточувствительной матрицы с минимальным количеством выводов, с помощью которой можно считывать рельеф магнитного поля с поверхности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема преобразователя магнитного поля; на фиг. 2 временные диаграммы сигналов возбуждения матричного преобразователя; на фиг. 3 временные диаграммы получения сигнала, пропорционального магнитному полю, с одной из строк матричного преобразователя.

Устройство по фиг. 1 содержит двумерную матрицу из ферромагнитных магниторезисторов, причем ее столбцы образованы последовательным соединением ферромагнитных магниторезисторов 1, а строки возбуждающими обмотками 2, охватывающими все магниторезисторы 1 соответствующей строки, и соединены одними своими концами с общим проводом, а другими с формирователем 3 двуполярного импульсного тока, количество выходов которого равно количеству строк, и который управляется схемой 4 синхронизации и управления; верхние выводы столбцов электрически объединены и через сопротивление 5 соединены с общим проводом, а нижние подключены к выходам формирователя 6 импульсного тока, количество выходов которого равно количеству столбцов, и который управляется схемой 4 синхронизации и управления; общий вывод столбцов соединен с предварительным 7 усилителем, выход которого соединен с входами двух схем 8 и 9 выборки-хранения, которые управляются синхроимпульсами с блока 4, причем выход схемы 8 выборки-хранения подключен к входу следующей схемы 10 выборки-хранения, которая также управляется синхроимпульсами с блока 4, а выходы схем 9 и 10 выборки-хранения соединены с входами разностного усилителя 11; выходной сигнал снимается с выхода разностного усилителя 11.

Устройство работает следующим образом.

На первом выходе формирователя 3, который управляется синхроимпульсами с блока 4 синхронизации и управления (фиг. 2а), появляется пачка из двуполярных импульсов, возбуждающих обмотку 2, охватывающую первую строку из ферромагнитных магниторезистивных преобразователей (фиг. 2в). В это же время на выходах формирователя 6 последовательно устанавливаются импульсы тока, проходящие через столбцы из ферромагнитных магниторезисторов (фиг. 2ж,з,и,к), причем середина импульса тока совпадает по времени с моментом начала двуполярного импульса в обмотке, что обеспечивается запускающими импульсами с блока 4 синхронизации и управления, поступающими на вход формирователя 6 (фиг. 2б). После окончания N-го импульса возбуждения на обмотке с первого выхода формирователя 3 следующая пачка из N импульсов появляется на втором выходе формирователя 3, и возбуждается обмотка, охватывающая вторую строчку магниторезисторов (фиг. 2г). Импульсы на выходе формирователя 6 так же, как и для первой строки, поочередно пробегает все N столбцов (фиг. 2ж,з,и,к), затем возбуждается следующая обмотка и так далее до n-й (фиг. 2д).

Рассмотрим съем измерительного сигнала с одной из строк (фиг. 3), для всех остальных процесс будет аналогичен, но разнесен последовательно по времени. Двуполярные импульсы с одного из выходов формирователя 3 возбуждают одну из обмоток 2, охватывающую ферромагнитные магниторезисторы 1 (фиг. 3а). В это же время импульсы тока с выходов формирователя 6 поочередно выбирают столбцы из магниторезисторов 1 (фиг. 3б,в,г). Если внешнее магнитное поле равно нулю, то сопротивление выбранного магниторезистора при положительном и отрицательном направлениях тока через одну из обмоток 2 одинаково, в таком случае падение напряжения на сопротивлении 5 будет также одинаково. Если же магнитное поле отлично от нуля, то величина напряжения во время действия положительного и отрицательного импульсов тока через одну из обмоток 2 будет различной и пропорциональной напряженности внешнего магнитного поля (фиг. 3д). Далее напряжение на сопротивление 5 усиливается предварительным усилителем 7 и подается на входы схем 8 и 9 выборки-хранения. В момент времени, соответствующий середине прямоугольного положительного импульса тока возбуждения через обмотку 2, когда все переходные процессы в преобразователе завершились, на схему 8 выборки-хранения подается строб запоминания напряжения (фиг. 3е), при отрицательном направлении подается строб запоминания на схему 9 выборки-хранения и схему 10 выборки-хранения (фиг. 3ж), соответственно на выходе схемы 8 выборки-хранения запомнится напряжение (фиг. 3а), на выходе схемы 9 выборки-хранения напряжение (фиг. 3и), а на выходе схемы 10 выборки-хранения напряжение (фиг. 3к). Напряжения с выходов схем 9 и 10 подаются на входы разностного усилителя 11, на выходе которого получается разностный сигнал (фиг. 3л), полярность которого соответствует полярности составляющей внешнего магнитного поля, а величина пропорциональна величине напряженности внешнего магнитного поля.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в следующем: устранение влияния паразитных параметров преобразователя повышает чувствительность измерения, применение одновитковой обмотки и матрицы из последовательно соединенных ферромагнитных магниторезисторов упрощает конструкцию. Преобразователь благодаря этим качествам может иметь значительно меньшие размеры, что позволяет включать его в состав изделий микроэлектроники, так как устройство отвечает современным требованиям миниатюризации такого рода техники.

Формула изобретения

Преобразователь магнитного поля, содержащий магниточувствительный узел, состоящий из матрицы сердечников, охваченных общей обмоткой, и формирователь тока, подключенный к сердечникам, отличающийся тем, что он снабжен формирователем двуполярных импульсов, предварительным и разностным усилителями, сопротивлением и тремя схемами выборки-хранения, формирователь тока выполнен в виде формирователя прямоугольных импульсов тока, а матрица выполнена двумерной, причем ее столбцы образованы последовательно соединенными сердечниками выполненными в виде ферромагнитных магниторезисторов, сопротивление которых изменяется под действием магнитного поля, а строки - одновитковыми обмотками возбуждения, каждая из которых охватывает одновременно все магниторезисторы соответствующей строки и подключена одним своим входом к формирователю двуполярных импульсов, а другим к общему проводу, одни концы столбцов электрически соединены между собой и через сопротивление подключены к общему проводу, их общий вывод через предварительный усилитель подсоединен к входам двух схем выборки-хранения, выход одной из которых соединен с входом третьей схемы выборки-хранения, выход которой соединен с одним из входов разностного усилителя, а выход второй схемы выборки-хранения с вторым входом разностного усилителя, другие концы столбцов соединены с выходами формирователя прямоугольных импульсов тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3