Способ регистрации магнитной индукции магнитного поля

Изобретение относится к области твердотельной электроники и может быть использовано при создании датчиков магнитного поля и портативных активных магнитных антенн. Технический результат - сочетание высокой чувствительности и надежности первичного преобразователя магнитных полей. Способ регистрации магнитной индукции магнитного поля включает измерение электродвижущей силы (эдс) или тока индукции в контуре из электропроводящего материала, возникающих при изменении магнитного потока через этот контур, вызванном высокочастотным периодическим изменением площади, охватываемой этим контуром, путем изменения длины и/или формы периметра контура, при этом высокочастотное периодическое изменение площади, охватываемой контуром, осуществляют нанесением контура на поверхность сердечника из магнитострикционного материала с возбуждающей обмоткой и пропусканием переменного тока через эту обмотку. 1 ил.

 

Изобретение относится к области твердотельной электроники и может быть использовано при создании датчиков магнитного поля и портативных активных магнитных антенн.

Среди наиболее известных в настоящее время способов регистрации магнитного поля можно выделить способы, основанные на эффекте Холла, на использовании магниторезисторов, магнитодиодов и магнитотранзисторов [1]; способ, основанный на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки (феррозонд) [2]; сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД) [3], классический индукционный способ [1].

Физические явления и некоторые конструктивные приемы, использованные в перечисленных способах регистрации магнитных полей, следующие.

В способах, основанных на эффекте Холла [1], магнитоэлектрический эффект обусловлен действием силы Лоренца, благодаря которой в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, траектория движения носителей заряда искривляется, что позволяет получить информационный сигнал от постоянных и относительно низкочастотных переменных магнитных полей. Несомненными достоинствами первичных преобразователей Холла являются их малые размеры (характерный планарный размер 100·100 мкм²), малое энергопотребление (несколько мкВт) и полная сочетаемость с полупроводниковыми технологиями, что позволяет реализовать интегрировать их с обрабатывающей электроникой в единой микросхеме.

Однако датчики Холла уступают по чувствительности многим другим датчикам аналогичного назначения. Порог чувствительность датчиков Холла по порядку величины составляет 10^-5-10^-6 Тл.

Способы на основе магниторезисторов, магнитодиодов и магнитотранзисторов [1] формируют информационный сигнал от постоянных и переменных магнитных полей за счет эффекта Гаусса, заключающегося в изменении электрического сопротивления проводящих тел за счет искривлений траекторий движения носителей заряда в магнитном поле.

Однако недостатки таких способов, наряду с их достоинствами, практически аналогичны датчикам Холла.

Феррозонд [2], с точки зрения физических основ регистрации магнитного поля, получен производным способом от индукционного способа, т.к. он также основан на эффекте электромагнитной индукции. В отличие от классического индукционного способа, использующего пассивную катушку, феррозонд относится к активным системам. В нем изменения магнитного потока через контур проводника дополнительно достигают за счет принудительного изменения магнитной проницаемости сердечника измерительного контура с помощью периодического перемагничивания сердечника вспомогательной катушкой, подключенной к внешнему источнику переменного электрического напряжения. Чувствительность феррозонда одна из самых высоких. Его порог чувствительности значительно выше, чем у датчиков Холла, и составляет 10^-12-10^-9 Тл.

Однако энергопотребление феррозондовых первичных преобразователей в тысячи раз выше, чем у преобразователей Холла, и составляет десятки и сотни мВт, а объем большинства конструкций феррозондов превышает несколько кубических сантиметров.

Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик [3] использует эффект Джозефсона - протекание туннельного тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий сверхпроводники (слабая связь). В присутствии магнитного поля амплитуда суммы туннельных токов от двух или нескольких параллельно включенных слабых связей зависит от величины магнитного поля. СКВИД имеет рекордную чувствительность к магнитному полю (10^-14-10^-18 Тл).

Однако для работы СКВИД требует охлаждения до криогенных температур.

Классический индукционный способ [1] регистрации переменного магнитного поля основан на эффекте магнитной индукции Фарадея. В соответствии с этим эффектом в замкнутом контуре проводника, расположенном в пространстве с переменным магнитным полем, будет наведена (индуцирована) электродвижущая сила (эдс). В трактовке Максвелла эта эдс равна:

В (1) Ф - магнитный поток через контур проводника Ф=В_n·S·n [Вб]=[Тл][м²]. Величина В_n=B·Cosα=μ·μ_o·Н· Cosα - нормальная, к плоскости контура, составляющая вектора магнитной индукции, направленного под углом α к нормали плоскости контура, μ - относительная магнитная проницаемость среды пространства, охватываемого контуром, μ_о=4π·10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума, Н - напряженность магнитного поля, S - площадь контура, n - число витков в контуре. Величина является в индукционном способе информационным сигналом, регистрирующим наличие в пространстве переменного магнитного поля B(t). С учетом того, что магнитный поток Ф через контур может быть существенно увеличен с помощью ферромагнитного сердечника с относительной магнитной проницаемостью μ>>1, а контур может включать не один, а «n» витков проводника, данный способ является одним из самых чувствительных к переменному магнитному полю в достаточно широкой области радиочастот. Значение информационного сигнала в данном способе определяется скоростью изменения во времени напряженности магнитного поля H(t), параметрами контура (S, n) и охватываемой им среды (μ):

Ограничением сверху для размеров индукционного контура и числа витков в нем, а следовательно, и для значения информационного сигнала являются собственная емкость и индуктивность контура, определяющие резонансную частоту контура.

Характерная чувствительность классического индукционного способа зависит от частоты принимаемого магнитного поля и составляет по порядку величины 10^-11 Тл. Типичные частоты измеряемого магнитного поля лежат в диапазоне длинных и средних волн: 10⁵-5·10⁶ Гц.

Очевидный недостаток способа - невозможность измерения параметров постоянного магнитного поля и магнитного поля в области низких частот в силу соответственно нулевого или малого значения dH_n/dt.

Известны также способы [4], по существу, являющиеся модификациями индукционного способа, в которых для увеличения чувствительности при регистрации низкочастотного магнитного поля, а также с целью сделать возможным регистрацию постоянного магнитного поля, принудительно, с возможно высокой частотой, изменяют угол (α) нормали контура к исследуемому полю.

В устройствах, основанных на этих способах, для изменения угла (α) контур либо вращают вокруг его оси (тесламетры с катушкой на валу двигателя), либо с помощью пьезокристалла колеблют его в пространстве на малый угол с относительно высокой частотой (вибрационный магнитометр).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, реализуемый с помощью виброзонда [5], содержащего обмотку (контур), выполненную из пьезокерамического материала, электроды, проводники. При подаче напряжения на электроды, расположенные на обмотке, которая изгибается и удлиняется в результате пьезоэффекта, площадь витков уменьшается и увеличивается в резонанс с напряжением. При постоянном магнитном поле, действующем вдоль оси обмотки, в электродах возникает эдс, пропорциональная индукции внешнего магнитного поля, и ее измеряют на клеммах проводников.

Недостатками данного способа является то, что обмотка выполнена в виде самонесущей конструкции, имеет консольное крепление, помимо удлинения осуществляет еще и колебательные движения, в связи с чем не может в силу массогабаритных и конструктивных принципов осуществлять достаточно высокочастотные колебания в режиме резонанса или вынужденные высокочастотные колебания без разрушения конструкции.

Предлагаемое изобретение решает задачу регистрации магнитной индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот при надежной реализации способа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе регистрации магнитной индукции магнитного поля, включающем регистрацию электродвижущей силы (эдс) или тока индукции в контуре из электропроводящего материала, возникающих при изменении магнитного потока через этот контур путем высокочастотного периодического изменения охватываемой им площади, новым является то, что высокочастотное периодическое изменение площади, охватываемой контуром, осуществляют нанесением контура на поверхность сердечника из магнитострикционного материала с возбуждающей обмоткой и пропусканием переменного тока через эту обмотку.

Под воздействием напряженности магнитного поля Н возбуждающей обмотки, по которой пропускают переменный ток, линейные размеры сердечника из магнитострикционного материала изменяются пропорционально напряженности магнитного поля Δ1/1 ˜Н, что приводит к изменению длины и (или) формы контура, независимо от того нанесен он на боковую или торцевую поверхность сердечника.

Максимальные изменения размеров сердечника (при фиксированной амплитуде прикладываемого напряжения) достигаются, когда частота тока возбуждающей обмотки совпадает с частотой механического резонанса подложки f_p.

Технический результат, таким образом, заключается в обеспечении высокой чувствительности в силу возможности использования высоких частот изменения размеров магнитострикционных материалов, а вместе с ними и надежного изменения площади измерительного контура.

На чертеже представлена иллюстрация способа измерения магнитной индукции В за счет периодического изменения охватываемой площади измерительного контура 2 с клеммами 3, на которых в присутствии измеряемого магнитного поля возникает индуцированная эдс. Контур 2 нанесен на поверхность сердечника из магнитострикционного материала 1 с возбуждающей обмоткой 4 с клеммами 5. Через возбуждающую обмотку 4 пропускают переменный ток I. На чертеже, в качестве примера, представлены несколько реализаций способа с использованием различных магнитострикционных сердечников в виде:

A) одиночной магнитострикционной пластины с плоским контуром на ее электрически изолированной поверхности;

B) пакета магнитострикционных пластин и последовательной сборки контура из контуров, нанесенных на каждую пластину;

C) цилиндра с плоским контуром на его торце.

Приведенный пример подтверждает, но не исчерпывает предлагаемое изобретение.

Пример.

Контур 2 в виде многовитковой плоской катушки с прямоугольной формой витков методом вакуумного напыления меди был нанесен на защищенную тонким диэлектрическим слоем 1/2 часть поверхности (30·8 мм) тонкой ферритовой пластины (60·8·0,3 мм) из железоникелиевого сплава с магнитострикционными свойствами. С использованием 20 таких пластин с контурами 2 на их поверхности был собран стержнеобразный сердечник 1. Все контуры соединили друг с другом в последовательную цепь так, что в итоге образовали один контур с суммарным количеством однонаправленных витков, механически жестко соединенных с материалом сердечника 1. На 1/3 часть сердечника 1, не содержащую контуров, надели возбуждающую обмотку 4 в виде катушки тонкой проволоки на каркасе с сечением, подходящим к сечению сердечника. Концы катушки соединены с клеммами 5 генератора ВЧ переменного тока. За счет переменного магнитного поля катушки возбуждения каждая из пластин, а вместе с ними и все контуры 2, с частотой переменного тока катушки возбуждения, изменяют свои размеры и форму. Благодаря этому изменяется площадь измерительного контура 2, а вместе с ней и магнитный поток измеряемого постоянного магнитного поля В. Наводки в контуре от магнитного поля катушки возбуждения минимизированы принципом построения конструкции, т.к. контур нанесен на боковую поверхность достаточно тонкого магнитопровода в виде ферритовых пластин. В такой ситуации плоскость всех витков катушки параллельна вектору магнитной индукции внутри магнитопровода.

Исследуемое магнитное поле В формировалось с помощью линейного проводника, подключенного к источнику тока. Макет вышеописанного датчика, реализующий заявляемый способ, располагался в 10 см от источника измеряемого магнитного поля и ориентировался относительно него так, чтобы линии напряженности измеряемого поля В были перпендикулярны измерительному контуру 2 на магнитострикционных пластинах сердечника 1. В результате в витках измерительного контура возникала эдс, пропорциональная магнитной напряженности измеряемого поля. Это напряжение, без фильтрации, усиления и какой-либо другой обработки фиксировалось вольтметром или осциллографом подходящей чувствительности на клеммах 3. В качестве информационного сигнала рассматривалось увеличение сигнала на фоне все же имеющейся наводки на частоте возбуждающей обмотки. При необходимости, наводку компенсировали путем подачи в противофазе на контур 2 малой части мощности возбуждающей обмотки. При работе на частоте тока возбуждающей обмотки от 1 до 30 кГц крутизна преобразования магнитной индукции измеряемого постоянного поля в эдс контура 2 составила (0,3-2)·10⁴ В/Тл.

Литература

1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Том 1. 2001 г. Издание ДМК Пресс. 2001 г., 541 с.

2. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л. Энергия, 1969 г., 166 с.

3. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. 1978 г. М., Наука. 387 с.

4. Физический энциклопедический словарь, Москва, «Советская энциклопедия», 1984, с.381.

5. SU 612194, 25.06.1978.

Способ регистрации магнитной индукции магнитного поля, включающий регистрацию электродвижущей силы (эдс) или тока индукции в контуре из электропроводящего материала, возникающих при изменении магнитного потока через этот контур, путем высокочастотного периодического изменения охватываемой им площади, отличающийся тем, что высокочастотное периодическое изменение площади, охватываемой контуром, осуществляют нанесением контура на поверхность сердечника из магнитострикционного материала с возбуждающей обмоткой и пропусканием переменного тока через эту обмотку.