Способ измерения постоянного магнитного поля

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой способ измерения напряжённости постоянного магнитного поля. Способ заключается в том, что конденсатор, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещают в измеряемое постоянное магнитное поле, прикладывают заданное переменное магнитное поле и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного магнитного поля.

Для измерения напряженности постоянного магнитного поля в настоящее время используются несколько способов [см. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под ред. Е.Г.Шрамкова. -М., Высшая школа, 1972, 520 с.] основными из которых являются следующие:

1 - магнитометрический способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку;

2 - способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате явления электромагнитной индукции. К этому способу относится баллистический способ, основанный на измерении заряда, индуктируемого в магнитной катушке при изменении пронизывающего ее магнитного потока;

3 - пондеромоторный способ, основанный на измерении силы, действующей на образец в неоднородном магнитном поле;

4 - способ, основанный на измерении эдс Холла, возникающей в результате эффекта Холла.

Способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку, прост в исполнении, однако имеет большую погрешность.

Способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате электромагнитной индукции, связан с необходимостью вращать либо передвигать контур и также имеет небольшую чувствительность.

Способ, основанный на измерении эдс Холла, имеет максимальную чувствительность до 1 мВ/Э [см. Бараночников М.Л. Микромагнетоэлектроника. -М.: ДМК Пресс, 2001, 554 с.] и основан на измерении постоянного сигнала, что значительно понижает его помехоустойчивость.

Известен также способ [см. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применение. -М.: Мир, 1984, 639 с.], основанный на измерении разности фаз, возникающей при прохождении электронов через сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона в магнитном поле. Этот способ имеет максимальную чувствительность, однако его применение связано с использованием веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии, что значительно осложняет его использование при проведении измерений.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ измерения магнитного поля, основанный на измерении напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитоэлектрический материал, при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока [см. Патент RU №2244318, G01R 33/02, 10.01.2005].

Недостатком данного способа является использование при измерениях большого импульса тока, вследствие чего необходимо обеспечить хороший теплообмен с подложкой.

Задача изобретения - упростить способ, повысить чувствительность и помехоустойчивость измерений напряженности постоянного магнитного поля при обычных температурах.

Для решения данной задачи предложен способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения переменного напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, при помещении его в переменное и постоянное магнитное поле, причем измеряют разность двух соседних максимумов гармонического сигнала, величина которой равна произведению напряженности постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры.

При помещении конденсатора в магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов. Поскольку магнитострикция является квадратичным по намагниченности эффектом [Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. -М: Наука, 1987, 160 с.], то в области, далекой от насыщения, величина механических напряжений пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. Вследствие этого, возникающее на обкладках конденсатора электрическое поле также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой ω на обкладках конденсатора возникает электрическое напряжение с удвоенной частотой.

Используя уравнения движения среды и материальные уравнения, можно показать [Филиппов Д.А. Теория магнитоэлектрического эффекта в гетерогенных структурах на основе ферромагнетик-пьезоэлектрик // ФТТ, 2005, т.47, №6, с.1082-1084], что величина разности потенциалов U, возникающей на обкладках конденсатора, определяется выражением:

U = Y p d p ε Δ D Y m t m Y m t m + Y p t p t p ( H ) 2 , ( 1 )

здесь H - напряженность магнитного поля, tm, tp - толщина магнитострикционного и пьезоэлектрического слоя, Ym, Yp - модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, d - пьезоэлектрический модуль, pε - диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, g=δ2λ/(δH)2 - магнитострикционный коэффициент, λ - магнитострикционная деформация, Δ D = l K p 2 ( Y m t m Y m t m + Y p t p ) - безразмерный параметр, K p 2 = Y p d 2 / p ε - квадрат коэффициента электромеханической связи.

На фиг.1 представлены осциллограммы входного напряжения (1) на катушках Гельмгольца, создающих переменное магнитное поле, и выходного напряжения (2) на обкладках конденсатора. Как видно из фиг.1, частота выходного напряжения равна удвоенной частоте входного напряжения.

Если магнитное поле представляет сумму двух полей, переменного H(t)=Hmcos(ωt) и постоянного величиной H0, то амплитуда выходного сигнала на конденсаторе будет пропорциональна квадрату результирующего поля, т.е. пропорциональна величине (Hmcos(ωt)+Н0)2, т.е.

U ( t ) = C ( H m cos ( ω t ) + H 0 ) 2 , ( 2 )

где C = Y p d 31 g 331 p ε z z Δ D Y m t m Y m t m + Y p t p t p - постоянная величина, зависящая от магнитострикционных, пьезоэлектрических и упругих свойств структуры.

В результате выходной сигнал будет представлять сумму двух сигналов:

U ( t ) = U 1 ( t ) + U 2 ( t ) , ( 3 )

где U1(t)=С ( H m cos (ωt))2 - переменный сигнал с удвоенной частотой, U2(t)=С·Umcos(ωt) - переменный сигнал с обычной частотой ω.

Разность двух соседних амплитудных значений сигнала будет в этом случае пропорциональна величине постоянного магнитного поля, т.е.

Δ U m = 2 C H m H 0 ( 4 )

Используя формулу (4, для величины постоянного магнитного поля получим выражение

Δ U m = k * H 0 , ( 5 )

где чувствительность k=2CHm.

На фиг.2а представлена осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора при помещении его в переменное магнитное поле с частотой ω и постоянное магнитное поле напряженностью H0. Рядом, для сравнения, на фиг.2б представлен график функции f(x)=cos(2х)+0.5*cos(x).

Разность величины сигнала в двух соседних максимумах будет пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.

В таблице 1 представлены результаты измерения разности амплитудных значений напряжения двух соседних максимумов в зависимости от величины постоянного магнитного поля при различных значениях напряженности переменного магнитного поля Hm. В качестве диэлектрика конденсатора использовалась структура пермендюр-цирконат-титанат-свинца-пермендюр. Образцы имели прямоугольную форму. Длина образца 20 мм, ширина 5 мм, толщина пьезоэлектрика - 0,35 мм и толщина одной пластины пермендюра - 0,175 мм.

На фиг.3 представлены графики полученных зависимостей разности амплитудных значений напряжения ΔU от величины постоянного магнитного поля H0 при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля Hm·1-Hm=10Э, 2-Hm=20Э, 3-Hm=30Э, 4-Hm=40Э.

Как следует из данных, представленных в таблице 1 и графиков, представленных на фиг.3, в полном соответствии с формулой (4), наблюдается линейная зависимость разности амплитудных значений напряжения между соседними максимумами при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля. Чувствительность способа зависит от величины напряженности переменного магнитного поля, возрастая с ее величиной. Для данных значений магнитного поля она достигает величины 10 мВ/Э при амплитудных значениях напряженности переменного магнитного поля 40Э, что превосходит чувствительность датчиков Холла.

Перед проведением измерений сначала производят калибровку структуры, определяя ее чувствительность. Для этого измеряют разность амплитудных значений напряжения при помещении конденсатора в переменное и постоянное магнитные поля известной величины и определяют величину С. Затем, зная чувствительность прибора, производят измерение разности потенциалов и по формуле (5) определяют величину постоянного магнитного поля.

Особо следует отметить, что поскольку оба сигнала (с одинарной и удвоенной частотой) формируются от одного источника, то разность фаз между ними остается постоянной, что позволяет суммировать разность амплитудных значений в течение некоторого отрезка времени, что значительно повышает чувствительность способа.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении.

Таблица 1
Напряженность постоянного поля H0, Э Разность амплитудных значений напряжения ΔU, мВ при напряженности переменного поля
Hm=10Э Hm=20Э Hm=30Э Hm=40Э
0 0 0 0 0
0.34 0.6 1.38 2.0 3.33
0.68 1.15 2.75 4.25 6.66
1.03 1.75 4.0 6.75 10.0
1.71 2.9 6.63 11.25 16.7
2.39 4.2 9.13 16.0 24.4
3.42 6.25 13.25 23.0 34.4
5.13 9.13 20.0 34.0 51.4

Способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения переменного напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, при помещении его в переменное и постоянное магнитное поле, отличающийся тем, что измеряется разность двух соседних максимумов гармонического сигнала, величина которой равна произведению напряженности постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры.



 

Похожие патенты:

Предложен cпособ локализации источника магнитного поля дипольной модели. В способе одновременно измеряют приращения индукции магнитного поля между опорной точкой и точкой на каждой полуоси системы координат и измеряют расстояния между точками.

Изобретение относится к инвазивным медицинским устройствам. Медицинский зонд содержит вводимую трубку, имеющую продольную ось и дистальный конец, дистальный кончик, расположенный на дистальном конце вводимой трубки и сконфигурированный для введения в контакт с тканью тела, стык, который соединяет дистальный кончик с дистальным концом вводимой трубки, и датчик стыка, заключенный внутри зонда, для распознавания положения дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки, причем датчик стыка содержит первый и второй подузлы, которые расположены внутри зонда на противоположных соответствующих сторонах стыка, и каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей.

Изобретение относится к средствам для обеспечения жизнедеятельности инвалидов по зрению, а именно предназначено для получения информации и облегчения ориентации незрячих людей в пространстве.

Изобретение относится к поверке магнитоизмерительных систем, в том числе предназначенных для поиска ферромагнитных объектов, без демонтажа входящих в систему магнитометрических средств.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли.

Изобретение относится к датчиковому устройству измерения магнитного поля. Датчиковое устройство измерения магнитного поля содержит датчиковую часть, которая включает в себя магнитоимпедансное устройство, имеющее магнитную аморфную структуру; стержневую часть сердечника, которая направляет магнитное поле к магнитной аморфной структуре и расположена в продольном направлении относительно магнитной аморфной структуры; и средство подавления магнитного поля, которое создает корректирующее магнитное поле, которое подавляет магнитное поле окружающей среды, обусловленное земным магнетизмом, входящее в магнитную аморфную структуру.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерений магнитного поля надводного или подводного объекта при наладке его системы электромагнитной компенсации.

Изобретение относится к области измерения параметров магнитного поля конструкций из ферромагнитного материала, например корпуса судна. .

Изобретение относится к области измерительной техники и твердотельной электроники и может быть использовано при создании миниатюрных датчиков магнитного поля для применения в магниточувствительных электронных микросистемах управления приводами, бесконтактных переключателях, дефектоскопии, при создании мобильных магнитолокаторов наземного воздушного и космического базирования и аппаратуры навигации.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, представляет собой магнитометр и может использоваться для измерения напряженности магнитного поля. Магнитометр содержит зонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, являющийся сердечником соленоида и выполненный в виде проволоки из сверхпроводника второго рода, уложенной змейкой так, чтобы направления тока в соседних звеньях проволоки были противоположны. Техническим результатом изобретения является повышение порога чувствительности магнитометра до уровня 10-15 Тл в полосе 1 Гц. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой дифференциальный датчик постоянного магнитного поля. Датчик состоит из конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещенный между катушками Гельмгольца, создающими заданное переменное магнитное поле. При помещении датчика в измеряемое постоянное магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов, представляющая собой сумму двух сигналов - с обычной частотой, величина которого пропорциональна произведению напряженностей постоянного и переменного магнитного полей, и с удвоенной частотой, величина которого пропорциональна квадрату напряженности переменного магнитного поля, и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. Использование предлагаемого датчика позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении. 1 табл., 3 ил.

Группа изобретений относится к области магнитных микро- и наноэлементов, представляет собой магнитный элемент для контроля параметров магнитной структуры типа «вихрь», который может быть использован как основа для создания магниторезистивной памяти с произвольной выборкой, а также способ такого контроля, применимый для диагностики наноматериалов. Сущность изобретения: на подложке из кремния формируют магнитный элемент из двух ферромагнитных дисков разного диаметра, асимметрично размещенных друг на друге и разделенных прослойкой из немагнитного материала, имеющей форму диска. Размеры магнитного элемента таковы, что в большом диске в отсутствие индуцированного магнитного поля формируется вихревое состояние, а в малом диске - однодоменное. Такое исполнение магнитного элемента позволяет создать асимметричную конфигурацию магнитной структуры, что является необходимым условием для контроля параметров вихря при его формировании в большом диске, и дает возможность контролировать хиральность вихря, образованного в большом диске, и направление намагниченности в малом диске. Это достигается при приложении магнитного поля под углами 0, 90, 180 или 270 градусов относительно оси, соединяющей центры дисков. В зависимости от угла приложения магнитного поля в большом диске формируется вихревое состояние с определенной хиральностью, а в малом - однодоменное состояние с контролируемым направлением намагниченности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к сенсорному устройству с сенсором и устройством для сигнальной обработки. Технический результат - надежное распознавание манипулирования с магнитом. Сенсорное устройство (1'; 1”) содержит сенсор(10; 10') и устройство (11'; 11”) для сигнальной обработки сигнала (US; IS) сенсора, причем сенсор вырабатывает сигнал сенсора в зависимости от величины магнитного поля, и устройство содержит первый блок (110') сравнения, причем блок сравнения сравнивает сигнал сенсора с по меньшей мере одним пороговым значением (S1, S2) и в зависимости от него вырабатывает сигнал (U_OUT) импульсного датчика с первым или вторым значением, устройство (11'; 11”), кроме того, для распознавания попытки манипулирования содержит второй блок (120) сравнения, который сравнивает сигнал сенсора с заданным рабочим диапазоном (АВ) и инициирует сигнал (MS) манипуляции, если значение сигнала (US; IS) находится вне рабочего диапазона (АВ). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой устройство для определения параметров магнитного поля и может применяться для определения коэффициента ослабления модуля индукции магнитного поля в экранируемых рабочих объемах, а также в объемах с активной компенсацией геомагнитного поля. Устройство содержит два магнитометра, измеряющих магнитное поле внутри и снаружи экранированного объема соответственно, синхронизированные сигналы с которых через соответствующие аналоговые коммутаторы, фильтры верхних частот и аналого-цифровые преобразователи подаются на мультиплексор, после чего обрабатываются процессором. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства для измерения параметров магнитного поля за счет обеспечения возможности одновременного измерения параметров магнитного поля внутри экранирующей камеры и за ее пределами. 1 ил.

Изобретение относится к системам магнитно-импедансной томографии. Система содержит систему возбуждения, имеющую несколько катушек возбуждения для генерирования магнитного поля возбуждения с целью наведения вихревых токов в исследуемом объеме, измерительную систему, имеющую несколько измерительных катушек для измерения полей, сгенерированных наведенными вихревыми токами, при этом измерительные катушки расположены в объемной (3D) геометрической компоновке, и устройство реконструкции, предназначенное для приема измерительных данных из измерительной системы и реконструкции изображения объекта в исследуемом объеме по измеренным данным. Каждая из отдельных измерительных катушек охватывает область и ориентирована по существу поперечно силовым линиям магнитного поля возбуждения катушек возбуждения, отдельные измерительные катушки совместно охватывают область, соответствующую объемной (3D) геометрической компоновке, причем катушки возбуждения охватывают область, в которой расположены измерительные катушки. Область, охваченная каждой из отдельных измерительных катушек, ориентирована перпендикулярно области, охваченной катушками возбуждения. Использование изобретения позволяет повысить качество изображения для объемных объектов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к физике ферромагнетиков и может быть использовано при исследовании магнитной восприимчивости ферромагнетиков в широком диапазоне намагниченности, включая область глубокого насыщения, в частности, при исследовании эффекта динамического аномального намагничивания под действием магнитной вязкости ферромагнетиков. Технический результат состоит в проверке магнитного трения двух разноименных магнитных полюсов, перемещаемых друг относительно друга без изменения расстояния между этими полюсами. Прибор для проверки магнитного трения содержит электромагнит с плоско-параллельными торцами магнитных полюсов, подключенный к регулируемому источнику постоянного тока. В его магнитный зазор помещен край ферромагнитного кольца из исследуемого ферроматериала, приводимого во вращательное движение от синхронного двигателя переменного тока, связанного с генератором переменного тока с регулируемой частотой, между которыми введен измеритель мощности электрических колебаний, информация от которого о потребляемой мощности синхронным двигателем переменного тока поступает на дополнительный вход блока управления и обработки информации. Плоско-параллельные торцы электромагнита снабжены плоскими насадками из исследуемого ферроматериала, например, их приклеиванием. 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при исследовании физической природы так называемого магнитного трения и его связи с магнитной восприимчивостью ферромагнетика, помещенного в изменяющееся внешнее магнитное поле. Технический результат - обеспечение возможности исследовании магнитного трения в ферромагнетиках, в частности зависимости магнитного трения от величины приложенного к ферромагнетику внешнего магнитного поля. Устройство для исследования магнитного трения содержит намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор, выполненные из исследуемого ферромагнитного вещества, катушку подмагничивания, высокочастотный трансформатор, регулируемый источник постоянного тока, электромагнитный датчик угловой скорости вращения ротора с противовесом, измеритель частоты, блок управления и обработки информации, широкополосный малошумящий усилитель и спектроанализатор, синхронный двигатель, регулируемый по частоте источник переменного тока, прибор измерения потребляемой синхронным двигателем мощности. Вращающийся ротор выполнен в виде симметричной конструкции с двумя одинаковыми цилиндрическими полюсами, зазор которых относительно цилиндрического статора не менее чем на два порядка меньше радиуса цилиндрических полюсов ротора. Указанные элементы соединены между собой так, как указано в материалах заявки. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой феррозондовый магнитометр и способ измерения компонент индукции магнитного поля при помощи векторной компенсации и может использоваться в точных измерениях компонент индукции магнитного поля. При реализации способа одновременно преобразуют индукцию внешнего магнитного поля в напряжение переменного тока, наведенное в трех измерительных катушках и пропорциональное трем взаимноортогональным компонентам индукции внешнего магнитного поля, подавляют первую и усиливают в режиме параметрического резонанса вторую гармоники поля перемагничивания в снимаемых с измерительных катушек сигналах, осуществляют амплитудное детектирование и усиление сигналов, регистрацию выходного напряжения, преобразование этого напряжения в токи компенсации. Напряжение переменного тока и токи компенсации подают в согласующие цепи, где производят развязку переменных токов с измерительных катушек и постоянных токов компенсации, а векторную компенсацию производят путем подачи токов компенсации непосредственно в измерительные катушки. Техническим результатом является снижение погрешности измерений компонент индукции магнитного поля, повышение надежности и уменьшение массогабаритных показателей датчика магнитометра. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам. Цифровой феррозондовый магнитометр содержит задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока управления, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, первые выходы которых соединены с первыми входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов, а вторые входы соединены со вторым выходом логического блока управления, третий выход которого соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей, дополнительно в него введены три суммирующих усилителя и три устройства выборки-хранения квадратурного напряжения, первые входы которых соединены с четвертым выходом логического блока управления, вторые входы соединены со вторыми выходами избирательных усилителей, а выходы соединены со вторыми входами суммирующих усилителей, выходы которых соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, а первые входы соединены с вторыми выходами устройств выборки хранения. Технический результат - повышение устойчивости измерительного канала магнитометра, точности и стабильности измерений. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой способ измерения напряжённости постоянного магнитного поля. Способ заключается в том, что конденсатор, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещают в измеряемое постоянное магнитное поле, прикладывают заданное переменное магнитное поле и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. 1 табл., 3 ил.

Наверх