Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля



Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля
Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля

 


Владельцы патента RU 2533347:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и представляет собой устройство автономной регистрации амплитуды напряженности однократного импульсного магнитного поля. Устройство содержит индукционный первичный преобразователь, резистор, отрезок тонкого провода, магниторезистивный мост и электрические соединители. Преобразователь включает концентратор магнитного поля и катушку, намотанную на концентратор. Мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, включает магниторезисторы, выполненные из ферромагнитного сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса. Катушка через резистор соединена с отрезком тонкого провода, уложенного на поверхность двух из четырех магниторезисторов, образующих противоположные плечи магниторезистивного моста. Через соединители устройство подключается к блоку считывания информации. Техническим результатом является повышение чувствительности магниторезистивного устройства к измеряемому магнитному полю, исключение влияния электрических наводок на результат измерений. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение, относится к измерительной технике, а именно к устройствам автономной регистрации амплитуды напряженности однократного импульсного магнитного поля.

Известно устройство [1] для измерения индукции сильных магнитных полей в диапазоне 1-10 Т, содержащее преобразователи магнитосопротивления, имеющие в этом диапазоне линейную калибровочную характеристику, в котором магнитоспоротивление помещено в одно из плеч резистивной мостовой схемы, запитываемой от источника постоянного напряжения. Напряжение разбаланса моста, возникающее в результате изменения величины магнитосопротивления под действием магнитного поля, измеряется непосредственно в период действия магнитного поля с помощью стрелочного или цифрового прибора. С целью увеличения чувствительности устройства для электропитания мостовой схемы может использоваться источник переменного напряжения, позволяющий использовать избирательный усилитель с наиболее предпочтительными характеристиками.

Однако чувствительность данного устройства недостаточна для измерения величины магнитных полей в диапазоне менее 1 Т.

Известны также способ и устройство [2] измерения величины магнитного поля, содержащее два магниторезистивных датчика, которые запитывают периодическим разнополярным напряжением одинаковой амплитуды, синхронно с ним создают поле подмагничивания датчиков, получая при этом в измеряемом магнитном поле чередование положительных и отрицательных приращений магнитносопротивлений датчиков, по величине которых определяют величину магнитного поля. По сравнению с устройством [1] выходной сигнал устройства имеет удвоенную величину, что увеличивает чувствительность при данном способе преобразования.

Однако диапазон измерений устройства в пределе относится к диапазону 0,1-10 Т и не позволяет проводить измерения магнитных полей в диапазоне менее 0,1 Т.

Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) является устройство [3], содержащее в общем случае магниторезистивный мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, электрический соединитель, проводную линию связи, блок питания и балансировки магниторезистивного моста, блок считывания измерительной информации.

Перед измерением магниторезистивный мост с помощью электрического соединителя и линии связи подключают к блоку питания и балансировки и блоку считывания измерительной информации, запитывают и балансируют мост. Затем магниторезистивный мост помещают в измерительное магнитное поле и с помощью блока считывания измерительной информации производят измерения разбаланса моста, вызванного воздействием на него измеряемого магнитного поля. Процесс измерения протекает непрерывно в режиме реального времени.

Тонкопленочные магниторезисторы прототипа больше, чем "монолитные", подходят для измерения слабых магнитных полей величиной менее 0,1 Т. Их порог чувствительности, характеризующийся многими параметрами (остаточным напряжением, уровнем собственных шумов, величиной тока управления, температурой окружающей среды и т.д.), близок к предельному для применяемого магниторезистивного материала. Кроме того, их температурная стабильность и преобразующая способность в диапазоне единиц миллитесла в 5-10 раз выше, чем у "монолитных" [4].

Прототип при удовлетворительной линейности обладает чувствительностью, необходимой для измерения величины магнитного поля в диапазоне 0,8-40 мТ.

Недостатками прототипа является недостаточная чувствительность магниторезистивного устройства, а также влияние на результат измерений электрических наводок. Прототип не позволяет проводить измерения импульсных магнитных полей в диапазоне 0,01-0,8 мТ, характерном для испытаний технических средств на электромагнитную стойкость, например на стойкость к воздействию молниевого разряда. Кроме того, в условиях проведения испытаний на электромагнитную стойкость наличие в процессе измерений в составе прототипа проводной линии связи приводит к наведению в ней электрической помехи, препятствующей достоверным измерениям и искажающей их результат.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности магниторезистивного устройства к измеряемому магнитному полю, исключение влияния электрических наводок на результат измерений.

Технический результат достигается тем, что устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля, содержащее магниторезистивный мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, электрический соединитель, содержит индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и катушкой, намотанной на концентратор магнитного поля и соединенной последовательно с резистором и отрезком тонкого провода, уложенного на поверхность двух из четырех магниторезисторов, образующих противоположные плечи магниторезистивного моста, причем тонкопленочные магниторезисторы выполнены из ферромагнитного сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса.

Структурная схема предлагаемого устройства автономной регистрации импульсного магнитного поля представлена на фиг.1.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и с намотанной на концентратор магнитного поля катушкой;

2 - резистор нагрузки;

3 - отрезок тонкого провода;

4 - магниторезистивный мост с тонкопленочными магниторезисторами 5, 6, 7, 8 из ферромагнитного сплава с прямоугольной петлей гистерезиса;

9 - электрический соединитель магниторезистивного моста 4;

10 - проводная линия связи;

11 - электрический соединитель проводной линии связи 10;

12 - блок считывания измерительной информации;

13 - блок намагничивания.

Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля содержит индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и катушкой, намотанной на концентратор магнитного поля 1, нагруженной на резистор 2, и отрезок тонкого провода 3, уложенного на поверхность тонкопленочных магниторезисторов 5, 6 из ферромагнитного сплава с прямоугольной петлей гистерезиса, образующих совместно с тонкопленочными магниторезисторами 7, 8 из идентичного с магниторезисторами 5, 6 ферромагнитного сплава с прямоугольной петлей гистерезиса, противоположные плечи магниторезистивного моста 4, диагонали которого соединены с электрическим соединителем 9.

Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля работает следующим образом.

Перед началом цикла измерений амплитуды импульсного магнитного поля, магниторезистивные элементы 5, 6, 7, 8 магниторезистивного моста 4 намагничивают до насыщения в магнитном поле блока намагничивания 13. Затем устройство, содержащее индуктивный первичный преобразователь 1, соединенный последовательно с резистором 2 и отрезком тонкого провода 3, уложенного на поверхность магниторезистивных элементов 5, 6, и магниторезистивного моста 4, помещают в контролируемую точку пространства с необходимой пространственной ориентацией первичного преобразователя. При воздействии импульса измеряемого магнитного поля (например, от имитатора молниевого разряда) на первичный преобразователь 1 в его катушке индуцируется импульс тока, который протекает по резистору нагрузки 2 и отрезку провода 3, возбуждая вокруг отрезка провода 3 вторичное импульсное магнитное поле, силовые линии которого лежат в плоскости тонкопленочных магниторезисторов 5, 6, размагничивая их тем больше, чем сильнее измеряемое магнитное поле. При этом происходит пропорциональное изменение величины их сопротивлений и соответствующая разбалансировка моста 4. Ферромагнитные магниторезистивные элементы 5, 6, 7, 8 регистрируют (запоминают) это состояние. После прохождения импульса измеряемого магнитного поля магниторезистивный мост 4 через электрические соединители 9, 11 и линию связи 10 подключают к блоку считывания измерительной информации 12, с помощью органов управления блока 12 подают на одну диагональ моста 4 напряжение питания, а на другой диагонали моста 4 измеряют напряжение разбаланса, пропорциональное амплитуде измеряемого импульсного магнитного поля.

Количественную оценку эффекта предлагаемого изобретения можно провести следующим образом.

Зададим внешнее магнитное поле H в общем виде как функцию времени бесконечной длительности

H(t)=Hm1(t),

где Hm - величина напряженности магнитного поля;

1(t) - единичная функция времени («ступенька»).

Тогда ЭДС, индуцируемая в катушке первичного преобразователя 1, запишется как

,

где Ψ(t) - потокосцепление, обусловленное внешним магнитным полем;

µ0 - магнитная проницаемость воздуха;

µэф - относительная эффективная магнитная проницаемость концентратора (сердечника) первичного преобразователя 1;

Sкат - площадь поперечного сечения катушки первичного преобразователя 1;

W - число витков в катушке первичного преобразователя 1.

Для упрощения выкладок перейдем от оригиналов функций H(t) и ε(t) к их изображениям по Лапласу:

H(p)=Hm/p,

ε(p)=µ0µэфSкатWpH(p)=µ0µэфSкатWHm,

где p - оператор Лапласа, и найдем ток в последовательном контуре первичного преобразователя 1 с э.д.с. ε(p) и пассивными элементами Lкат и Rн в пренебрежении импедансом отрезка тонкого провода 3:

где Lкат - индуктивность катушки первичного преобразователя 1;

Rн - сопротивление нагрузки 2;

- постоянная времени контура первичного преобразователя 1.

По изображению (1) находим оригинал переходной функции тока в цепи нагрузки первичного преобразователя 1.

Положив катушку плоской, квадратного сечения, можно ее индуктивность с учетом [5] представить в виде

где c - размер стороны квадрата катушки;

r - толщина намотки;

Ф=Ф(ρ) - числовая функция параметра ρ;

- геометрический параметр намотки катушки.

Считая обмотку тонкой, такой, что , выражение (3) можно записать проще:

Подставляя (4) в (2), с учетом того, что Sкат=c2, имеем

Поскольку отрезок провода 3 непосредственно прилегает к поверхности тонкопленочных (плоских) магниторезистивных элементов 5, 6 магниторезистивного моста 4, то величина магнитного поля Hвоз(t) тока i(t), воздействующего на элементы 5, 6 при примерном равенстве диаметра dпр провода 3 и ширины элементов 5, 6 будет определяться поверхностной плотностью тока j(t) на проводе 3:

Тогда величина эффекта повышения чувствительности в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, будет обуславливаться коэффициентом усиления Kус магнитного поля Hвоз(t) по сравнению с внешнем полем H(t) и для всех импульсных воздействий, для которых выполняется tхар<<τ, где tхар - характерная длительность импульса, и с учетом (5) и (6) будет равна

Подставляя в (7) реальные численные значения параметров c≈10 мм, dпр≈0,1 мм при W→1, получаем Kус≈160, т.е. составляет не менее двух порядков.

Удержать постоянную времени τ на необходимом для измерений значении при одном витке в катушке первичного преобразователя 1 можно, оптимизируя сочетание параметров µэфф, с и Rн.

Достигнутый динамический диапазон амплитуд напряженностей и импульсного магнитного поля, в котором предлагаемое устройство линейно и успешно функционирует, составил 5-500 А/м, или примерно 0,006-0,6 мТ по индукции поля.

С целью повышения точности измерений для каждого устройства автономной регистрации импульсного магнитного поля необходимо строить калибровочный график, помещая его чувствительную к полю сборку в импульсное магнитное поле с известной амплитудой напряженности, или индукции. Типовой калибровочный график зависимости напряжения разбалансировки магниторезистивного моста (выходная характеристика устройства) Uвых от амплитуды напряженности внешнего магнитного поля Hm представлен на фиг.2. Из этого графика следует, что выходной сигнал устройства во всем динамическом диапазоне вполне приемлем для восприятия обычными цифровыми приборами.

Достигнутая основная погрешность измерения в диапазоне 5-500 А/м при длительностях импульсов от 1 нс до 1 мкс составила ±15%. Максимальное время хранения зафиксированного состояния разбаланса моста - не менее 6 месяцев.

Таким образом, благодаря принятым техническим решениям, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом чувствительность к величине магнитного поля увеличилась не менее чем на два порядка, а также, благодаря автономной регистрации, исключено помеховое влияние электромагнитных полей на результат измерения.

Литература

1. Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов и др. Средства измерений параметров магнитного поля. Л.: Энергия, 1979, стр.166.

2. Авторское свидетельство СССР, №702325, кл. G01R 33/06, 1979.

3. М.Л. Бараночников. Микромагнитоэлектроника, T.1. M. ДМК Пресс, 2001, стр.140 (таблица 2.18, п.4).

4. М.Л. Бараночников Микромагнитоэлектроника, T.1. M. ДМК Пресс, 2001, стр.77.

5. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. Расчет индуктивностей. Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр.360-361.

Устройство автономной регистрации импульсного магнитного поля, содержащее магниторезистивный мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, электрический соединитель, отличающееся тем, что содержит индукционный первичный преобразователь с концентратором магнитного поля и катушкой, намотанной на концентратор магнитного поля и соединенной последовательно с резистором и отрезком тонкого провода, уложенного на поверхность двух из четырех магниторезисторов, образующих противоположные плечи магниторезистивного моста, причем тонкопленочные магниторезисторы выполнены из ферромагнитного сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений.

Изобретение может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, головках считывания с магнитных дисков и лент, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий и вирусов), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.

Изобретение относится к области магнитных датчиков на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом. Способ согласно изобретению включает окисление кремниевой подложки 1, формирование диэлектрического слоя 2, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний 3 и нижний 4 защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5, формирование из трех рядов параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и полоски рабочего плеча мостовой схемы путем жидкостного травления, причем ширина магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины полоски рабочего плеча, а длины магниторезистивных полосок балластных и рабочего плеча мостовой схемы равны, нанесение первого изолирующего слоя 6, вскрытие в нем контактных окон к полоскам, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы путем напыления слоя алюминия 7 и последующего плазмохимического травления, формирование второго изолирующего слоя 8, вскрытие в нем переходных окон к перемычкам, формирование планарного проводника, проходящего над рабочем плечом мостовой схемы, путем напыления слоя алюминия 9 последующего плазмохимического травления и пассивацию с образованием верхнего защитного слоя 10.

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов. В магниторезистивной головке-градиометре, содержащей подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных такими же перемычками в каждом плече мостовой схемы тонкопленочных магниторезистивных полосок, содержащих каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован первый планарный проводник с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, и второй изолирующий слой, второй планарный проводник, проходящий над и вдоль рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ОЛН ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, а рабочее плечо мостовой схемы, ближайшее к краю головки-градиометра, удалено от трех балластных плеч мостовой схемы, ширина балластной тонкопленочной магниторезистивной полоски в N раз меньше ширины рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, а балластный ряд мостовой схемы состоит из набора N параллельно соединенных тонкопленочных магниторезистивных полосок.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля и измерения перемещений, магнитного поля и электрического тока. Магниторезистивный датчик содержит замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и двухслойный проводник управления, сформированный в виде плоской катушки и состоящий из слоя немагнитного металла и слоя ферромагнитного металла.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области магнитных датчиков и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока, биодатчиках.

Изобретение относится к области магнитных датчиков и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока.

Изобретение относится к средствам контроля медицинской техники и может быть использовано в устройствах обнаружения магнитных микрогранул, прикрепившихся к биоматериалам в результате процессов биотинилирования и гибридизации.

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал.

Изобретение относится к магнитному датчику, использующему магниторезистивный элемент. .

Изобретение относится к магнитному датчику, использующему магниторезистивный элемент. .

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в датчиках измерения углового положения распределительного вала в двигателе автомобиля. .

Изобретение относится к области техники магнитных измерений с использованием полупровод1шковых магниточувствительных приборов. .

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик тока и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока. Датчик содержит замкнутую мостовую измерительную схему, проводники перемагничивания и управления. Мостовая схема состоит из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки и расположенных парами в два ряда. Проводник перемагничивания выполнен в виде плоской прямоугольной петли, а проводник управления - в виде плоской прямоугольной катушки, рабочие полоски которых перпендикулярны друг другу. Проводники расположены над парами магниторезисторов так, что векторы магнитной индукции поля, возникающего в месте расположения магниторезисторов при прохождении тока по проводникам перемагничивания и управления, направлены в противоположные стороны, причем рабочие полоски проводника управления параллельны оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения тока, вызванной влиянием внешнего магнитного поля. 2 ил.
Наверх