Датчик переменного магнитного поля

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик переменного магнитного поля. Датчик содержит по меньшей мере один магниточувствительный датчик, управляющий проводник которого подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура. Замкнутый контур, образованный управляющим проводником и подключенным к нему внешним проводником, заземлен на половине длины внешнего проводника. В магниточувствительном датчике магниточувствительный элемент и управляющий проводник разделены изолирующим слоем. Магниточувствительный датчик размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем. Внутри замкнутого контура может быть размещен ферромагнитный концентратор с намотанной на него многовитковой катушкой, своими концами соединенной с перестраиваемым конденсатором. Технический результат заключается в обеспечении стабильности измерения магнитного поля при перемещении самого датчика в низкочастотных и постоянных магнитных полях Земли, окружающих намагниченных предметов и электромагнитных приборов, повышении помехозащищенности датчика, в том числе от электрических импульсных помех. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к датчикам и преобразователям физических величин, и может быть использовано в приборах контроля и измерения переменного магнитного поля.

Известна конструкция датчика, содержащего, по меньшей мере, один контур (петлю) из сверхпроводящего материала и расположенного рядом магниторезистивного элемента (Патент на изобретение США №8405390, G01R 33/05, G01R 33/02, опубл. 26.03.2013 г.). Устройство содержит также нагревательный элемент.

Получению требуемого технического результата препятствует необходимость выполнения контура их сверхпроводящего материала и использование нагревательного элемента.

Известно устройство для измерения магнитного поля по заявке США №20060226827, G01R 15/18, опубл. 12.10.2006 г. Указанное устройство является наиболее близким к заявляемому изобретению. С существенными признаками заявляемого изобретения совпадают следующие признаки: наличие, по меньшей мере, одного магниточувствительного датчика, управляющий проводник которого подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура, причем в магниточувствительном датчике магниточувствительный элемент и управляющий проводник разделены изоляционным слоем.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограничение площади замкнутого контура, определяющего чувствительность устройства; пониженная помехозащищенность устройства к электрическим наводкам; ограниченные функциональные возможности по проведению измерений во время перемещения устройства, т.к. изменения индукции приводят к искажению принятого сигнала за счет мультипликативных преобразований в магниточувствительном датчике.

Задачей изобретения является создание магниторезистивного датчика измерения переменного магнитного поля.

Технический результат заключается в обеспечении:

- стабильности измерения переменного магнитного поля при перемещении самого датчика в постоянных и низкочастотных магнитных полях Земли, окружающих намагниченных предметов и электромагнитных источников;

- повышения помехозащищенности датчика от электрических помех (например, электропотенциалов высокого уровня);

- повышения чувствительности датчика;

- возможности перестройки по частоте принимаемого узкополосного переменного магнитного сигнала.

Для достижения вышеуказанного технического результата датчик переменного магнитного поля содержит, по меньшей мере, один магниточувствительный датчик, в котором магниточувствительный элемент отделен от управляющего проводника изоляционным слоем, а управляющий проводник подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура, который заземлен, магниточувствительный датчик размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем.

В частных случаях выполнения изобретения замкнутый контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика, соединенного своими концами с внешним проводником, заземлен в точке, расположенной на половине своей длины.

В частных случаях выполнения изобретения внешний проводник выполнен с сужением в местах подключения к управляющему проводнику магниточувствительного датчика.

В частных случаях выполнения изобретения толщина изоляционного слоя между управляющим проводником и магниточувствительным элементом более чем в два раза меньше, чем толщина диэлектрического слоя между управляющим проводником и оболочкой.

В частных случаях выполнения изобретения внутри замкнутого контура размещен концентратор магнитного поля с размещенной на нем многовитковой катушкой, соединенной с переменным конденсатором.

В частных случаях выполнения изобретения концентратор магнитного поля выполнен в виде ферритового стержня.

В частных случаях выполнения изобретения концентратор магнитного поля выполнен пленочным.

В частных случаях выполнения изобретения концентратор магнитного поля выполнен с сужением, расположенным в месте размещения в замкнутом контуре.

От наиболее близкого аналога предлагаемое изобретение отличается следующими признаками: заземлением контура, образованного внешним и подключенным к нему управляющим проводником, и размещением магниточувствительного датчика внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим материалом.

Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.

Электрическое «заземление» замкнутого контура закорачивает паразитные токи, возбуждаемые наведенными электрическими потенциалами, что исключает их протекание через участок замкнутого контура - проводник управления магниточувствительного датчика, и тем самым исключает регистрацию им помехового сигнала.

Размещение магниточувствительного датчика внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем экранирует датчик от регистрации непосредственно магниточувствительным элементом внешних постоянных и переменных полей. Регистрируется магнитное поле только от тока, протекающего через управляющий проводник. Для исключения гальванических замыканий в управляющем проводнике и магниточувствительном элементе проводящим материалом магнитномягкой оболочки, между ней и магниточувствительным датчиком расположены изоляционные слои из диэлектрического материала.

Электрическое «заземление» замкнутого контура, по существу, представляет собой гальваническую связь выбранного участка замкнутого контура с магнитной оболочкой магниточувствительного датчика и одним из его выводов, имеющих нулевой потенциал.

Размещение ферромагнитного концентратора внутри замкнутого контура приводит к увеличению (концентрации) переменного магнитного потока, проходящего через замкнутый контур. Поток еще больше концентрируется в сужении концентратора, что приводит к повышенному уровню возбуждения переменного тока в замкнутом контуре. Размещение на концентраторе многовитковой катушки, соединенной с переменным конденсатором (резонансного контура) позволяет настраиваться на частоту принимаемого сигнала переменного магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежом, где

на фиг. 1 представлена схема датчика переменного магнитного поля;

на фиг. 2 представлена схема (разрез) размещения магниточувствительного элемента с управляющим проводником внутри оболочки.

Датчик переменного магнитного поля содержит, по меньшей мере, один магниточувствительный датчик 1, управляющий проводник 2 которого подключен своими концами к внешнему проводнику 3 с образованием замкнутого контура 4. Замкнутый контур 4, образованный управляющим проводником 2 и подключенный к нему внешним проводником 3, имеет «заземление» в точке 5. В магниточувствительном датчике 1 (фиг. 2) магниточувствительный элемент 6 и управляющий проводник 2 разделены изолирующим слоем 7. Магниточувствительный датчик 1 размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала 8 с изоляцией от нее диэлектрическим слоем 9.

Толщина изоляционного слоя 7 между управляющим проводником и магниточувствительным элементом более чем в два раза меньше, чем толщина диэлектрического слоя 9 между управляющим проводником и оболочкой.

Замкнутый контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика 2, соединенным своими концами с внешним проводником 3, имеет «заземление» 5, представляющее собой гальваническое соединение с помощью, например, проводника, участка на внешнем проводнике 3, оболочки из магнитомягкого материала 8 и электрического вывода магниточувствительного элемента датчика 1, имеющего нулевой электрический потенциал.

Внутри замкнутого контура может быть размещен концентратор магнитного поля 10, который имеет сужение 11 в области пролегания внешнего проводника 3. На концентраторе 10 размещена многовитковая катушка 12, соединенная с переменным конденсатором 13.

Концентратор магнитного поля 10 может быть выполнен в виде ферритового стержня или пленочным.

Внешний проводник 3 может быть выполнен с сужением в местах подключения к управляющему проводнику 2 магниточувствительного датчика 1.

Устройство работает следующим образом.

При изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика 2, соединенным своими концами с внешним проводником 3, в указанном контуре возникает электрический кольцевой ток. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника - так возникает индукционный ток. Индукционный ток возбуждается в замкнутом контуре по правилу Ленца и всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Заземление при данных условиях не оказывает воздействия на работу датчика. При использовании в датчике концентратора сигнал от переменного магнитного поля концентрируется (усиливается), во-первых, в концентраторе магнитного поля 10 и, во-вторых, в его суженом участке 11. Посредством колебательного контура, состоящего из катушки 12 и перестраиваемого конденсатора 13, проводится резонансная настройка на частоту колебаний переменного магнитного сигнала. В результате, в данном колебательном контуре возбуждается переменный ток, который благодаря концентратору 10 трансформируется во внешний проводник 3 и управляющий проводник 2. Данный ток, благодаря соотношению витков катушки 12 и внешнего проводника 3, а также сужению 11, усиливается и регистрируется, благодаря возникающему вокруг управляющего проводника 2 магнитному полю. При этом указанное магнитное поле проходит без потерь через изолирующий слой 7.

При воздействии на датчик переменных электрических полей в отсутствии переменных магнитных полей в контуре, образованном управляющим проводником магниточувствительного датчика 2, соединенным своими концами с внешним проводником 3, кольцевой ток отсутствует. В этом случае контур можно рассматривать как проводник, помещенный в переменное электрическое поле, в котором возникает электростатическая индукция, что вызывает перераспределение заряда на поверхности внешнего проводника 3. При этом наличие заземления, расположенного на половине длины внешнего проводника 3, приводит к тому, что электрические заряды движутся в сторону заземления по линиям внешнего контура 3 от места соединения управляющего проводника 2 с внешним контуром 3 к точке заземления 5, аналогично протеканию зарядов в молниеотводов. Таким образом, заземление предотвращает протекание токов через управляющий проводник 2 магниторезистивного датчика 1 и их регистрацию.

При воздействии на датчик одновременно переменного магнитного и переменного электрического полей через управляющий проводник 2 проходят индукционные токи, а токи, возникающие от электростатической индукции, не влияют на токи, протекающие в управляющем проводнике. Токи, возникающие в управляющем проводнике 2 регистрируются магниточувствительным элементом.

Датчик может быть изготовлен путем использования планарной технологии на стандартном оборудовании.

1. Датчик переменного магнитного поля, содержащий, по меньшей мере, один магниточувствительный датчик, в котором магниточувствительный элемент отделен от управляющего проводника изоляционным слоем, а управляющий проводник подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура, отличающийся тем, что магниточувствительный датчик размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем, а замкнутый контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика, соединенным своими концами с внешним проводником, заземлен, причем заземление расположено на половине длины внешнего проводника.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что внешний проводник выполнен с сужением в местах подключения к управляющему проводнику магниточувствительного датчика.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что толщина изоляционного слоя между управляющим проводником и магниточувствительным элементом более чем в два раза меньше, чем толщина диэлектрического слоя между управляющим проводником и оболочкой.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что внутри замкнутого контура размещен концентратор магнитного поля с размещенной на нем многовитковой катушкой, соединенной с переменным конденсатором.

5. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен в виде ферритового стержня.

6. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен пленочным.

7. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен с сужением, расположенным в месте размещения в замкнутом контуре.