Двухкомпонентный матричный преобразователь магнитного поля

Изобретение относится к измерению неоднородных полей в магнитной микроскопии и томографии. Устройство содержит двумерную матрицу магниточувствительных ферромагнитных тонкопленочных магниторезисторов, устройство для их возбуждения, коммутации и измерения. Строки матрицы охвачены тонкопленочными обмотками X, а столбцы - обмотками Y. Первые концы всех обмоток электрически соединены с общим проводом, а вторые - подключены, соответственно, к многоканальным формирователям тока строк и столбцов. Магниторезисторы соединены электрически последовательно и образуют диагональные строки так, что каждый (i, j)-элемент соединен с (i+1, j+1)-элементом. Одни концы строк соединены гальванически через сопротивление на общий провод, а другие подключены к многоканальному коммутатору тока. Устройство также содержит предварительный и разностный усилители, две схемы выборки-хранения и микропроцессорный блок синхронизации и управления. Матричный преобразователь обеспечивает повышение точности измерения двух компонент вектора напряженности магнитного поля без механического перемещения. 2 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 в магнитной микроскопии и реализации задач магнитной томографии.

Известен матричный преобразователь магнитного поля [Авторское свидетельство СССР №1379710, кл. G 01 N 27/82, 1988 г.], магниточувствительный узел которого 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 такого 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.

Известен также матричный преобразователь на магнитодиодах [Абакумов А.А. Матричный преобразователь магнитных полей. - Авт. свид. №907483. - Бюл. изобр. - 1982, №7]. Он состоит из магниточувствительного узла, блока развертки, амплитудного селектора, выход которого соединен с входом видеоконтрольного устройства. Магниточувствительный узел собран в виде матрицы из магнитодиодов и параллельно подключенных к ним накопительных конденсаторов. Адресные шины магниточувствительного узла подключены к блоку разверток, а шины считывания данных - к входам амплитудного селектора.

Недостатками данного преобразователя является большая температурная зависимость и нелинейность измерительной характеристики магнитодиодов, что характерно и для других магнитных полупроводниковых приборов.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является матричный преобразователь магнитного поля [Булычев О.А., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е., Мизгунов Ю.А. "Преобразователь магнитного поля" - патент РФ №2073233, 1997 г.].

Магниточувствительный узел этого известного преобразователя выполнен в виде двумерной матрицы из ферромагнитных тонкопленочных 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 регистровому формирователю прямоугольных импульсов тока, строки образованы возбуждающими одновитковыми обмотками, охватывающими одновременно все магниторезисторы соответствующей строки, причем одни концы обмоток 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. Данный преобразователь в отличие от приведенных выше термостабилен. Состоит только из металлических пленок, что позволяет изготовить его на гибкой подложке для осуществления контроля объектов со сложной геометрической поверхностью и обладает повышенной радиационной стойкостью.

Недостатком данного преобразователя является то, что он измеряет только одну компоненту вектора напряженности магнитного поля, а также из-за влияния ортогональной компоненты ухудшается точность измерений. Для решения же задач магнитной томографии и повышения достоверности магнитного контроля изделий с ярко выраженными нелинейными ферромагнитными свойствами необходимо одновременно измерять две компоненты напряженности магнитного поля с высокой точностью.

В основу изобретения положена задача расширения функциональных возможностей матричного преобразователя и повышения точности его измерений путем исключения влияния ортогональной компоненты на измерение поля.

Поставленная задача решается тем, что матричный преобразователь магнитного поля, включающий магниточувствительный узел, состоящий из матрицы ферромагнитных магниторезисторов, охваченных тонкопленочными обмотками строк, предварительный и разностный усилители, схемы выборки-хранения и формирователи тока, согласно изобретению дополнительно снабжен обмотками столбцов, двумя многоканальными формирователями тока и микропроцессорным блоком синхронизации и управления, при этом одни концы всех обмоток электрически соединены с общим проводом, а другие подключены к формирователям тока строк и столбцов соответственно, ферромагнитные магниторезисторы соединены последовательно таким образом, что каждый (i, j)-элемент соединен с (i+1, j+1)-элементом, образуя при этом диагональные строки, одни концы которых гальванически соединены через сопротивление на общий провод, а другие подключены к многоканальному коммутатору напряжения, подключенного к микропроцессорной схеме синхронизации и управления, к которой также подключены многоканальные формирователи тока, схемы выборки-хранения и выход разностного усилителя.

Введение дополнительных узлов и связей в конструкцию преобразователя обеспечивает возможность измерения второй компоненты напряженности магнитного поля и тем самым позволяет исключить ее влияние на измерение первой.

Сущность изобретения заключается в следующем. Ферромагнитная пленка имеет максимальное электрическое сопротивление в том случае, когда направление тока, протекающего через нее, совпадает с вектором намагниченности, и минимальное - когда направление тока перпендикулярно направлению намагниченности в пленке - так называемый "эффект анизотропии магнитосопротивления". Как было обнаружено авторами, если пленку охватить двумя взаимно перпендикулярными пленочными витками, то можно скомпенсировать током в одной из этих обмоток по признаку максимума сопротивления сначала одну компоненту внешнего измеряемого поля, и следовательно, измерить внешнее поле в этом направлении, а затем, подавая ток в другую обмотку по признаку наименьшего сопротивления, скомпенсировать внешнее поле в перпендикулярном направлении и измерить вторую компоненту [Булычев О.А., Шлеенков А.С. "О магниточувствительном преобразователе, основанном на явлении анизотропии магнетосопротивления в тонкой ферромагнитной пленке. I. Теория и принцип действия". - Дефектоскопия, №4, 1996, стр.37-48]. Таким образом, внеся в матричный преобразователь дополнительные обмотки столбцов и соединив соответствующим образом ферромагнитные магниторезисторы, можно измерять сразу две компоненты вектора напряженности магнитного поля. В этом случае повышается точность измерения, так как влияние ортогональной компоненты на измерение поля исключается.

На фиг.1 изображена функциональная схема преобразователя магнитного поля.

На фиг.2 изображена временная диаграмма компенсации одной компоненты внешнего измеряемого поля Н_е для одного из элементов матричного преобразователя.

Устройство по фиг.1 содержит: двумерную матрицу из ферромагнитных магниторезисторов 1, которые соединены последовательно и образуют диагональные строки, одни концы которых гальванически соединены с сопротивлением 2 и входом предварительного усилителя 3, а другие - с многоканальным коммутатором 4 напряжения; возбуждающие тонкопленочные обмотки 5 строк, охватывающие все магниторезисторы 1 соответствующей строки, соединенные одними своими концами с общим проводом, а другими - с многоканальным формирователем 7 тока, количество выходов которого равно количеству строк, и который управляется микропроцессорной схемой 8 синхронизации и управления; возбуждающие тонкопленочные обмотки 9 столбцов, охватывающие все магниторезисторы 1 соответствующего столбца, соединенные одними своими концами с общим проводом 6, а другими - с многоканальным формирователем 10 тока, количество выходов которого равно количеству столбцов и который также управляется микропроцессорной схемой 8 синхронизации и управления; схемы 11, 12 выборки хранения, входы которых подключены к выходу предварительного усилителя 3, а выходы - к разностному усилителю 13, выход которого подключен к схеме 8 синхронизации и управления.

Устройство по фиг.1 работает следующим образом. Микропроцессорная схема 8 синхронизации и управления открывает один из каналов, например k-й (Фиг.1), через последовательно соединенные магниторезисторы 1 k-й диагональной строки начинает протекать ток. Далее схема 8 синхронизации и управления активизирует j-й канал формирователя 10. Канал формирователя 10 тока представляет собой цифроаналоговый преобразователь с управлением величиной и направлением тока входным цифровым кодом со схемы 8 управления и синхронизации. Первоначально схема 8 управления и синхронизации устанавливает наибольшую положительную величину тока в j-й обмотке - I_max соответствующую наибольшему измеряемому полю Н_max (Фиг.2). Далее падение напряжения на сопротивлении 2, усиленное предварительным усилителем 3, запоминается схемой 11 выборки-хранения по команде со схемы 8 синхронизации и управления. Затем устанавливается наибольшее отрицательное значение тока - I_max и запоминается напряжение на выходе усилителя 3 уже схемой 12 выборки-хранения. Полярность напряжения на выходе разностного усилителя указывает, какое из этих напряжений больше. Фиксируется то значение тока в обмотке, которое соответствует меньшему падению напряжения на сопротивлении 2, и следовательно, большему значению сопротивления в пленке магниторезистора (в данном примере на Фиг.2 это положительное направление тока). Затем схема 8 синхронизации и управления устанавливает ток I_max+I_max/2, запоминается напряжение на выходе усилителя 3 схемой 11 выборки-хранения, затем устанавливается ток в обмотке I_max-I_max/2 и запоминается напряжение схемой 12 выборки-хранения. Фиксируется то значение тока, которое соответствует наименьшему напряжению (в данном случае I_max+I_max/2). Далее устанавливаются компенсационные токи I_max-I_max/2+I_max/4 и I_max-I_max/2-I_max/4 и т.д. Таким образом, реализуется алгоритм последовательного приближения (Фиг.2). Общее выражение компенсационного тока будет иметь вид:

I_комп=I_max±I_max/2±I_max/4.........±I_max/2ⁿ.

Величина n - определяется точностью измерения. После измерения первой компоненты напряженности магнитного поля цифровой код выводится на выход микропроцессорной схемы 8 синхронизации и управления. Далее j-й канал формирователя 10 закрывается и компенсационный ток в обмотке прекращается. Затем схема 8 синхронизации и управления активизирует i-й канал формирователя 7 для измерения второй компоненты вектора напряженности магнитного поля. Компенсационное поле в i-й обмотке создается аналогичным образом, только выбор компенсационного тока в каждом цикле происходит по наибольшему падению напряжения на сопротивлении 2 и соответственно наименьшему сопротивлению магниторезистора 1. Таким образом, опрашиваются все элементы матричного преобразователя. Выходной сигнал в цифровом коде снимается со схемы 8 синхронизации и управления.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает следующий технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения: достигается более высокая точность измерений из-за отсутствия влияния ортогональной компоненты, поскольку измеряются обе компоненты магнитного поля, а также существенное расширение функциональных возможностей преобразователя за счет того, что появляется возможность измерять обе компоненты поля без механического перемещения.

Тем самым обеспечивается повышение информативности и достоверности измерений при решении задач неразрушающего контроля ферромагнитных изделий во всех областях машиностроения, а также при измерении пространственно неоднородных полей в магнитной микроскопии и реализации задач магнитной томографии.

Двухкомпонентный матричный преобразователь магнитного поля, включающий магниточувствительный узел, состоящий из матрицы ферромагнитных магниторезисторов, охваченных тонкопленочными обмотками строк, формирователь тока, предварительный и разностный усилители и схемы выборки-хранения, соединенные своими входами с выходом предварительного усилителя, а выходами - с входом разностного усилителя, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тонкопленочными обмотками столбцов, двумя многоканальными формирователями тока и микропроцессорной схемой синхронизации и управления, при этом одни концы всех обмоток электрически соединены с общим проводом, а другие подключены к многоканальным формирователям тока строк и столбцов соответственно, ферромагнитные магниторезисторы соединены последовательно таким образом, что каждый (i, j)-элемент соединен с (i+1, j+1)-элементом, образуя диагональные строки, одни концы которых гальванически соединены через сопротивление на общий провод и подключены к входу предварительного усилителя, а другие подключены к многоканальному коммутатору напряжения, подключенному к микропроцессорной схеме синхронизации и управления, к которой также подключены многоканальные формирователи тока, схемы выборки-хранения и выход разностного усилителя.