Датчик постоянного магнитного поля

Полезная модель относится к области твердотельной электроники. Датчик постоянного магнитного поля содержит пьезоэлектрический элемент с электродами на наружных поверхностях, связанными с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, а так же связанный с пьезоэлектрическим элементом источник переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического элемента. Пьезоэлектрический элемент содержит два примыкающих друг к другу пьезоэлектрических слоя, образующих блочную структуру, один конец которой свободен, а другой жестко закреплен, и электроды, один из которых расположен между пьезоэлектрическими слоями блочной структуру, а два других на внешних наружных поверхностях пьезоэлектрических слоев блочной структуры, при этом электрод, расположенный между пьезоэлектрическими слоями блочной структуру связан с источник переменного тока, а два других электрода на внешних наружных поверхностях блочной структуры связаны с устройством регистрации напряжения, при этом пьезоэлектрические слои блочной структуры поляризованы перпендикулярно плоскости блочной структуры навстречу друг другу. 4 ил.

Полезная модель относится к области твердотельной электроники и измерительной техники и может быть использовано при создании датчиков магнитного поля.

Датчики магнитного поля, работающие по классическому индукционному способу регистрации переменного магнитного поля, используют 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). ЭДС является в индукционном способе информационным сигналом, регистрирующим наличие в пространстве переменного магнитного поля. С учетом того, что магнитный поток через контур может быть существенно увеличен с помощью ферромагнитного сердечника с относительной магнитной проницаемостью µ>>1, a контур может включать не один, а «n» витков проводника, данное устройство является одним из самых чувствительных к переменному магнитному полю в достаточно широкой области радиочастот. Значение информационного сигнала в таком устройстве определяется скоростью изменения во времени напряженности магнитного поля, параметрами контура (S, n) и охватываемой им среды. 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: 10 ⁵-5·10⁶ Гц.

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

Известен датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, вокруг которого расположена многовитковая обмотка катушки возбуждения, сердечник датчика выполнен в виде цилиндра из пьезоактивного материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, а катушка возбуждения выполнена с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра сердечника (RU 83139, G01R 33/02, опубл. 20.05.2009).

Недостаток данного датчика заключается в его габаритах, обусловленных наличием многовитковой обмотки катушки возбуждения. Современное развитие электронных технологий и построения приборов требует использования миниатюризированных компонентов или компонентов с небольшими габаритными показателями. Кроме того, этот датчик так же слабо реагирует на измерения параметров постоянного магнитного поля и магнитного поля в области низких частот.

Достигаемый в полезной модели технический результат заключается в повышении чувствительности в биморфной пьезоэлектрической структуре и демонстрации возможности увеличения эффективности генерации напряжения за счет использования изгибных колебаний структуры. Кроме того, технический результат заключается в уменьшении габаритных показателей при сохранении механической добротности и надежности при регистрации магнитных полей в области низких частот.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике постоянного магнитного поля, содержащем пьезоэлектрический элемент с электродами на наружных поверхностях, связанными с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, а так же связанный с пьезоэлектрическим элементом источник переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического элемента, пьезоэлектрический элемент содержит два примыкающих друг к другу пьезоэлектрических слоя, образующих блочную структуру, один конец которой свободен, а другой жестко закреплен, и электроды, один из которых расположен между пьезоэлектрическими слоями блочной структуру, а два других на внешних наружных поверхностях пьезоэлектрических слоев блочной структуры, при этом электрод, расположенный между пьезоэлектрическими слоями блочной структуру связан с источник переменного тока, а два других электрода на внешних наружных поверхностях блочной структуры связаны с устройством регистрации напряжения, при этом пьезоэлектрические слои блочной структуры поляризованы перпендикулярно плоскости блочной структуры навстречу друг другу.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 - представлена блок-схема датчика магнитного поля;

фиг.2 - показана зависимость генерируемого биморфной структурой напряжения и от частоты тока I при I=24 mA и Н=1 кОе (на вставке показана геометрия структуры);

фиг.3 - показана зависимость генерируемого биморфной структурой напряжения и от поля Н на резонансной частоте f₁ при I=24 mA;

фиг.4 - показана зависимость генерируемого биморфной структурой напряжения и от тока I на резонансной частоте f ₁ при Н=1 кОе.

Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция датчика магнитного поля, более конкретно датчика постоянных и низкочастотных магнитных полей, действие которого основано на эффекте генерации переменного электрического напряжения планарной биморфной пьезоэлектрической структурой с током, помещенной в постоянное магнитное поле. Эффект возникает вследствие комбинации силы Ампера и пьезоэффекта в пьезоэлектрике. На частоте основной моды изгибных колебаний структуры достигнута эффективность генерации напряжения ~16.5 V/(A·kOe). PACS: 75,80.+q, 77,84.Dy

Датчик включает в себя возбуждающий генератор 1 на частоте резонанса и измерительный прибор 2, к которому подключены электроды 3 пьезоэлектрического элемента 4.

Пьезоэлектрический элемент 4 (пьезоэлектрик) с электродами 3, по которым протекает переменный ток I(t) от возбуждающего генератора 1, при помещении во внешнее постоянное магнитное поле Н генерирует переменное напряжение u(t), которое поступает на измерительный прибор 2. Напряжение u(t) является результатом комбинации силы Ампера, действующей на электроды 3 с током, и пьезоэффекта в пьезоэлектрике. Амплитуда напряжения зависит от геометрии элемента и взаимной ориентации направлений тока и поля. Если обратиться к известным источникам, то в пьезоэлектрическом диске с токовым электродом на образующей диска получена эффективность генерации порядка u/IH~3.3 mV/(A·kOe) (Jia J.M., Zhou D, Luo L.H. et al // Appl. Phys. A. 2007. V.89. P.1025-1027), в пластине с двумя токовыми электродами эффективность составляла 23 mW(A·kOe) (Leimg СМ., Or S.W, Но S. L.H J. Appl. Phys. 2010. V.107. No 9. P. 09E702), а в пьезоэлектрическом кольце с токовыми электродами на образующей кольца за счет использования механического резонанса достигнута эффективность генерации - 200 mV/(A·kOe) (Крыканов И.М., Коплик А.Б., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В. //Письма в ЖТФ. 2010 Т.36. Вып.18. С.19-25).

Пьезоэлектрический элемент 4 схематически изображен на фиг.1 и на вставке на фиг.2. Пьезоэлектрический элемент 4 содержит два примыкающих друг к другу пьезоэлектрических слоя 5 и 6, образующих блочную структуру, и электроды, один 7 из которых расположен между этими слоями в блочной структуре, а два (поз.3) - на внешних наружных поверхностях блочной структуры пьезоэлектрического элемента. Длина структуры вдоль оси х равна L, ширина вдоль оси z равна а, толщина каждого слоя вдоль оси у равна h/2. Один конец структуры (при х=0) свободен, а второй 8 (при x=L) жестко закреплен. Слои пьезоэлектрика поляризованы перпендикулярно плоскости структуры навстречу друг другу, как показано стрелками. По среднему электроду 7 структуры протекает переменный электрический ток I(t). Параллельно плоскости структуры вдоль оси z приложено постоянное магнитное поле Н. На средний электрод структуры с током действует сила Ампера F_A, направленная вдоль оси у, что вызывает изгиб структуры и генерацию, вследствие пьезоэффекта, переменного электрического напряжения u(t) между внешними электродами.

Измерения проводили на структуре, изготовленной методами пленочной керамической технологии из цирконата-титаната свинца (ЦТС-46) со следующими параметрами: температура спекания 950°С, пьезомодуль d₃₁⁼190-10^-12 C/N, диэлектрическая проницаемость =2200. Размеры слоев структуры составляли L=25 mm, a=8 mm, h/2=0,1 mm. Толщина Pd-Ag электродов равнялась ~4 µm. Слои ЦТС поляризовали путем нагрева до ~100°С, приложения к электродам напряжения 200 V и охлаждения до комнатной температуры. По среднему электроду структуры пропускали переменный ток I(t)=Icos(2ft) с амплитудой до 1=120 mA и частотой f=10Hz - 200kHz. Постоянное однородное магнитное поле напряженностью Н=0-9 кОе создавали с помощью электромагнита. Генерируемое напряжение u{t)=ucos(2nft) регистрировали цифровым осциллографом с входным сопротивлением 1 М.

На фиг.2 приведена измеренная зависимость амплитуды генерируемого биморфной структурой напряжения и от частоты тока f при значениях тока I=24 mA и поля Н=1 кОе. Вблизи частоты f₁=153 Hz виден резонанс с амплитудой u ₁(f₁)=0,38 V и добротностью Q₁(f ₁)=43. Формирование резонанса, как будет показано, связано с возбуждением основной моды изгибных колебаний структуры. На фиг.3 показана зависимость напряжения, генерируемого биморфной структурой на частоте f₁, от поля Н при постоянном токе через электрод I=24 mA. На фиг.4 показана зависимость напряжения от тока через электрод при постоянном поле Н=1 кОе. Обе зависимости практически линейны в области слабых полей Н<0,5 кОе и малых токов 1<10 mA, а затем становятся существенно нелинейными.

Коэффициент генерации напряжения, рассчитанный по наклону линейных участков кривых на фиг.3 и 4, равен u₁ /(IH)16,5 V/(A·kOe). Полученное значение на ~3-4 порядка превосходит аналогичный коэффициент для пьезоэлектрического диска и пластины и в ~80 раз превышает коэффициент для пьезоэлектрического кольца. Нелинейность зависимостей u(Н) и u(I) возникает из-за нелинейного характера колебаний биморфной структуры при больших амплитудах. Это подтверждает наблюдавшееся уменьшение частоты // от 153 Hz до 148 Hz с ростом поля Н или тока I.

Увеличение и на частоте f₁ происходит из-за возбуждения механических колебаний структуры, приводящих к резонансному увеличению деформаций в пьезоэлектрике Действующая на электрод с током знакопеременная сила F_A=Lµ₀HIcos(2nft) (где µ ₀=4 л - 10^-7 H/m - магнитная постоянная) направленная вдоль оси у, приводит к возбуждению изгибных колебаний структуры. Для оценки резонансной частоты пренебрежем толщиной электродов и используем формулу для частот малых изгибных колебаний консоли прямоугольного сечения (Крыканов И.М., Коплик А.Б., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В. //Письма в ЖТФ. 2010, Т.36. Вып.18. С.19-25)

(1)

где обозначено Y и - модуль Юнга и плотность материала консоли, J=ah ³/12 - момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной оси, A=ah - площадь поперечного сечения консоли, a, h и L - ширина, толщина и длина консоли, соответственно, ₁=1,875 - коэффициент для низшей моды изгибных колебаний. Подставив в (1) параметры ЦТС-46 (Y=7·10 ¹⁰ N/m², =7,7 kg/m³) и размеры структуры, получаем частоту основной моды изгибных колебаний f₁=155 Hz, хорошо совпадающую с измеренной.

Для оценки амплитуды генерируемого структурой сигнала u учтем неоднородное распределение механических напряжений T при изгибе консоли и связь механических напряжений с электрическим полем Е в пьезоэлектрике. При воздействии на консоль поперечной распределенной силы с линейной плотностью F₁ в приближении малых изгибных деформаций в консоли возникают касательные механические напряжения, распределение которых неоднородно по длине и толщине структуры и дается формулой (Крыканов И.М., Коплик А.Б., Фетисов Ю.К., Чашин Д.В. //Письма в ЖТФ. 2010, Т.36. Вып.18. С.19-25)

(2)

Напряжения равны нулю на свободном конце структуры, квадратично растут при приближении к закрепленном) концу и обращаются в ноль в центральной плоскости (у=0) структуры. При изгибе биморфной структуры, у которой средний электрод расположен в центральной плоскости, один слой пьезоэлектрика растягивается (Т_х>0). а другой - сжимается (Т_х<0), поэтому выбранная поляризация слоев в противоположных направлениях приводит к сложению генерируемых ими сигналов.

В слое пьезоэлектрика компоненты электрической индукции D и деформации S связаны с компонентами механического напряжения Т и электрического поля Е (Тимошенко СП. Колебания в инженерном деле. М.: Физматлит, 1959, 439 с. [Timoshenko S. Vibration problems in engineering. Toronto. D. Van Nostrand сотр. Inc. 1955])

(3)

где обозначено: d₃₁ и S _xx - пьезоэлектрический модуль и податливость пьезоэлектрика, - диэлектрическая проницаемость, ₀=8,85·10^-12 F/m - электрическая постоянная. Для разомкнутой цепи (D=0) из (3) получаем неоднородное распределение поля Е в структуре

(4)

Используя выражение для линейной плотности силы Ампера FA₁=Iµ₀H и учитывая противоположные направления поляризации слоев, после интегрирования выражения (4) по объему структуры, находим полный связанный заряд, генерируемый на внешних поверхностях пьезоэлектрических слоев

(5)

Поскольку поверхности структуры металлизированы, то постоянство потенциала приведет к пространственному перераспределению зарядов в электродах и между ними установится разность потенциалов, которую можно оценить по формуле u=q/C, где C=₀aL/H - емкость структуры.

Окончательно, учитывая увеличение механических напряжений в Q (добротность) раз на частоте резонанса, получаем выражение для амплитуды электрического сигнала, генерируемого биморфной структурой с током в магнитном поле:

(6)

Из выражения (6) видно, что амплитуда напряжения зависит от электрических и механических параметров пьезоэлектрика, размеров структуры, должна линейно возрастать с увеличением тока через электрод и напряженности поля. Оценка с использованием выражения (6), соответствующих эксперименту параметров структуры, измеренной добротности Q=43, I=24 mA и Н=1 kOe дает амплитуду генерируемого напряжения и u0,39 V, хорошо согласующуюся с данными измерений, представленными на фиг.1.

Коэффициент генерации напряжения и резонансную частоту, как следует из формул (1) и (5), можно регулировать, подбирая толщину структуры. Тонкие структуры с малой изгибной жесткостью обеспечивают высокую чувствительность к полю на низкой резонансной частоте. С увеличением толщины структуры коэффициент генерации падает, однако зависимости амплитуды напряжения от поля и тока становятся более линейными.

Таким образом, экспериментально и теоретически продемонстрирована рекордно высокая эффективность ~16,5 W(A·kOe) генерации электрического напряжения при возбуждении изгибных колебаний в биморфной пьезоэлектрической структуре с током, помещенной в постоянное магнитное поле. Подобные структуры может послужить основой для создания высокочувствительных датчиков постоянные магнитных полей.

Настоящая полезная модель промышленно применима, изготовлена с использованием известных технологий, а испытания показали достаточно высокую механическую добротность и высокую чувствительность при использовании датчика магнитного поля в динамических условиях работы.

Датчик постоянного магнитного поля, содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами на наружных поверхностях, связанными с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, а также связанный с пьезоэлектрическим элементом источник переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического элемента, отличающийся тем, что пьезоэлектрический элемент содержит два примыкающих друг к другу пьезоэлектрических слоя, образующих блочную структуру, один конец которой свободен, а другой жестко закреплен, и электроды, один из которых расположен между пьезоэлектрическими слоями блочной структуры, а два других на внешних наружных поверхностях пьезоэлектрических слоев блочной структуры, при этом электрод, расположенный между пьезоэлектрическими слоями блочной структуры, связан с источником переменного тока, а два других электрода на внешних наружных поверхностях блочной структуры связаны с устройством регистрации напряжения, при этом пьезоэлектрические слои блочной структуры поляризованы перпендикулярно плоскости блочной структуры навстречу друг другу.