Магнитометр на эффекте гигантского магнитного импеданса

Устройство относится к области измерительной техники и может найти применение для измерения слабых магнитных полей, например, при обнаружении природных магнитных аномалий, в биомедицинских и технических приложениях. Решаемая техническая задача состоит в оптимизации выбора возбуждающих сигналов магниточувствительного элемента для улучшения линейности передаточной характеристики магнитометра на эффекте гигантского магнитного импеданса и повышения помехозащищенности. Магнитометр на эффекте гигантского магнитного импеданса содержит магниточувствительный элемент, выполненный из аморфного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке и размещенный внутри приемной многовитковой катушки, источник постоянного тока смещения с ограничительным резистором, два разделительных конденсатора, генератор возбуждения, узкополосный усилитель, фазовращатель, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, цепь отрицательной обратной связи и регистратор. При этом источник постоянного тока смещения через ограничительный резистор подключен к магниточувствительному элементу, генератор возбуждения представляет собой генератор синусоидального сигнала, первый выход которого через первый разделительный конденсатор соединен с магниточувствительным элементом, а второй выход через фазовращатель соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого подключен к выходу узкополосного усилителя, вход которого через второй разделительный конденсатор соединен с выходом приемной многовитковой катушки. Выход фазового детектора через усилитель постоянного тока подключен к регистратору и через резистор отрицательной обратной связи к выходу приемной многовитковой катушки.

Устройство относится к области измерительной техники и может найти применение для измерения слабых магнитных полей, например, при обнаружении природных магнитных аномалий, в биомедицинских и технических приложениях.

В настоящее время известны магнитометрические устройства, работающие на эффекте гигантского магнитного импеданса (ГМИ) с магниточувствительным элементом, выполненным из аморфного ферромагнитного микропровода (АФМ). Эффект ГМИ в АФМ состоит в гигантском (более чем на 100%) изменении импеданса ферромагнитного микропровода на переменном токе высокой частоты f при изменении внешнего магнитного поля Н в интервале до нескольких Эрстед. Существующие теоретические работы показывают, что величина ГМИ эффекта существенно зависит от типа магнитной анизотропии, магнитной доменной структуры АФМ и наличия в микропроводе различного рода структурных дефектов.

В последнее время существенно усовершенствовалась технология создания АФМ в стеклянной оболочке с малыми диаметрами магнитной жилы (5-30 мкм) и высокой однородностью магнитных характеристик по длине микропровода. Подобные АФМ являются уникальными квазиодномерными магнитными объектами. Они характеризуются весьма низкими значениями магнитных полей насыщения АФМ±Н_s, порядка единиц Эрстед, что приводит к рекордно высоким характеристикам наблюдаемого ГМИ эффекта.

Известны магнитометрические устройства, в которых используются АФМ с продольным типом магнитной анизотропии. Однако более перспективными для использования в ГМИ магнитометрах являются микропровода с циркулярным типом магнитной анизотропии, в которых магнитный импеданс является тензором, имеющим две компоненты, продольную Z_zz(H, f) и поперечную Z_z(H, f). Регистрация поперечной компоненты импеданса микропровода, Z_z(H, f), наиболее удобна для использования в ГМИ магнитометре, поскольку в диапазоне магнитных полей в пределах ±H _s передаточная ГМИ характеристика АФМ является квазилинейной.

Следует подчеркнуть, что в большинстве случаев используемые АФМ обладают не чисто циркулярной, а слабо геликоидальной анизотропией. Наличие даже слабой геликоидальной анизотропии в микропроводе приводит к изменению процессов его перемагничивания, что проявляется в существенном искажении и ухудшении его передаточной ГМИ характеристики.

Известно устройство для измерения слабых магнитных полей [1], которое содержит магниточувствительный элемент, выполненный в виде проводника из АФМ, катушку индуктивности, источник переменного тока и измеритель напряжения на концах катушки индуктивности. При этом проводник имеет магнитную анизотропию с легкой осью, направленной перпендикулярно к продольной оси провода (циркулярная анизотропия). Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля результирующий магнитный момент вблизи поверхности провода направлен циркулярно, то есть перпендикулярно к его продольной оси. Недостатками такого устройства являются, с одной стороны, жесткие требования к характеристикам используемого АФМ (т.е. наличие строгой циркулярной анизотропии и отсутствие структурных дефектов), а с другой стороны, упрощенный вариант схемы регистрации полезного сигнала, который не позволяет учитывать, например, знак регистрируемого магнитного поля.

Наиболеее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения компоненты индукции магнитного поля вдоль продольной оси микропрода [2]. В этом устройстве, содержащем магниточувствительный элемент, выполненный в виде АФМ в стеклянной оболочке, используют токовое возбуждение от импульсного генератора. АФМ размещен внутри приемной многовитковой катушки, выход которой подключен ко входу ключевого фазового детектора, управляемого импульсами от импульсного генератора возбуждения. Выход ключевого фазового детектора подключен к накопительному конденсатору и соединен со входом усилителя постоянного тока. Выход усилителя постоянного тока соединен с регистратором и через цепь отрицательной обратной связи связан с дополнительной катушкой, намотанной вокруг приемной катушки.

Недостатком прототипа является сложность оптимизации параметров импульсов возбуждения генератора, необходимых для получения передаточной ГМИ характеристики с максимальной линейностью и крутизной в процессе настройки. Это связано с тем, что постоянная и переменная составляющие возбуждающих импульсов взаимосвязаны. Также к недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести возможное прямое воздействие электромагнитных помех в широкой полосе частот на приемную катушку от внешних источников и порождение нежелательных переходных процессов в приемной катушке за счет импульсного характера возбуждения АФМ с относительно высокой скважностью следования импульсов.

Решемая техническая задача состоит в оптимизации выбора возбуждающих сигналов для используемого АФМ, характеризующегося циркулярной или слабой геликоидальной анизотропией, для улучшения линейности передаточной характеристики магнитометра на эффекте гигантского магнитного импеданса и повышения помехозащищенности.

Предлагаемый подход состоит в оптимизации процесса возбуждения АФМ за счет приложения к АФМ вместе с переменным высокочастотным током дополнительного слабого постоянного тока, порядка единиц мА, в зависимости от свойств АФМ. Магнитное поле указанного постоянного тока стабилизирует процесс перемагничивания микропровода в продольном внешнем магнитном поле и приводит к линеаризации его передаточной ГМИ характеристики, что является решающим обстоятельством при создании высокочувствительного прибора. Таким образом, подбором величины постоянного тока, протекающего через АФМ, можно выбрать условия, при которых его передаточная ГМИ характеристика имеет максимальную крутизну преобразования и линейность во внешнем магнитном поле в пределах ±H_s;.

Технически поставленная задача решается следующим образом. Возбуждение АФМ производят от раздельных источников, т.е. от источника переменного тока высокой частоты синусоидального вида и источника постоянного тока. Это позволяет оптимизировать режим возбуждения АФМ отдельно по переменному и постоянному току. Для снижения уровня электромагнитных помех и шумов от внешних источников в тракт усиления сигнала, индуцированного АФМ в приемной многовитковой катушке, вводят избирательный узкополосный усилитель, настроенный на частоту источника переменного возбуждающего сигнала.

В предлагаемое устройство, содержащее магниточувствительный элемент, выполненный из АФМ в стеклянной оболочке и размещенный внутри приемной многовитковой катушки, генератор возбуждения, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, цепь отрицательной обратной связи и регистратор, дополнительно введены источник постоянного тока смещения с ограничительным резистором, узкополосный усилитель, фазовращатель и два разделительных конденсатора. При этом источник постоянного тока смещения через ограничительный резистор подключен к АФМ. Генератор возбуждения представляет собой генератор синусоидального сигнала, первый выход которого через разделительный конденсатор также соединен с АФМ, а второй выход генератора синусоидального сигнала соединен через фазовращатель с одним из входов фазового детектора, другой вход фазового детектора соединен с выходом узкополосного усилителя, вход которого через разделительный конденсатор соединен с выходом многовитковой катушки; выход фазового детектора через усилитель постоянного тока соединен с регистратором и через резистор цепи отрицательной обратной связи с приемной многовитковой катушкой.

Предлагаемое решение иллюстрируется следующим графическим материалом. На фиг.1 представлена блок-схема магнитометра на эффекте гигантского магнитного импеданса, на фиг.2 - зависимость выходного сигнала ГМИ в режиме настройки в отсутствии постоянного тока смещения (кривая 1) и при дополнительном приложении к АФМ постоянного тока смещения величиной 0.85 мА (кривая 2).

На фиг.1 магниточувствительный элемент 1, выполненный из АФМ в стеклянной оболочке, подсоединен через разделительный конденсатор С1 к генератору возбуждения 2 и через ограничительный резистор R1 к источнику постоянного тока смещения 3. При этом микропровод 1 размещен внутри приемной многовитковой катушки 4, соединенной через разделительный конденсатор С2 с входом узкополосного усилителя 5, настроенного на частоту генератора возбуждения 2, выход усилителя 5 соединен с первым входом фазового детектора 6, а второй вход фазового детектора 6 соединен с генератором возбуждения 2 через фазовращатель 7, выход фазового детектора 6 соединен со входом усилителя постоянного тока 8, выход которого соединен через резистор обратной связи R2 с приемной многовитковой катушкой 4, а также со входом регистратора 9.

Работает устройство следущим образом. Магниточувствительный элемент 1, выполненный в виде АФМ в стеклянной оболочке, находящийся во внешнем магнитном поле, через который пропускается переменный ток от генератора возбуждения 2 частоты f и постоянный ток от источника постоянного тока смещения 3, возбуждает в многовитковой приемной катушке 4 высокочастотный сигнал частоты f который усиливается узкополосным усилителем 5, настроенным на частоту f и поступает на первый вход фазового детектора 6, а на второй вход фазового детектора 6 подводится опорное напряжение частоты f от генератора возбуждения 2 через фазовращатель 7 для получения максимального коэффициента передачи. Выходное напряжение фазового детектора 6 усиливается усилителем постоянного тока 8. Это напряжение пропорционально величине компоненты внешнего магнитного поля, действующей на магниточувствительный элемент 1 вдоль его продольной оси. Выходное напряжение усилителя постоянного тока 8 поступает через резистор отрицательной обратной связи R2 в приемную многовитковую катушку 4 в виде тока обратной связи и на вход регистратора 9.

Частота f генератора возбуждения 2 обычно выбирается в пределах от 1 до 20 МГц. Следует отметить, что с ростом частоты f сигнал катушки 4 возрастает, однако применение более высоких частот возбуждения, по сравнению с указанными выше, может приводить к усложнению конструкции электронных узлов.

В изготовленном макете магнитометра на эффекте гигантсткого магнитного импеданса в качестве АФМ был использован отрезок микропровода длиной 10 мм с ферромагнитной жилой диаметром 21.4 мкм состава Co₆₇Fe_3.85Ni_1.45B_11.5 Si_14.5Mo_1.7 в стеклянной оболочке диаметром 26.4 мкм. Для регистрации поперечной компоненты импеданса микропровода (ГМИ отклика) на АФМ была навита приемная катушка диаметром 0.5 мм, содержащая 80 витков.

В режиме настройки магнитометра на эффекте гигантского магнитного импеданса обратную связь отключают (разрывают цепь между выходом фазового детектора и резистором R2), а в области расположения приемной катушки с микропроводом создают тестовое низкочастотное магнитное поле амплитудой ±10 Э, направленное вдоль оси АФМ. Тестовое низкочастотное поле создают с помощью внешней системы колец Гельмгольца. Микропровод возбуждают синусоидальным током частотой 4 МГц и амплитудой порядка 4 мА. Выходной сигнал магнитометра на эффекте гигантского магнитного импеданса, изменяющийся под действием прикладываемого тестового низкочастотного магнитного поля, записывают с помощью регистратора. На фиг.2 приведены зависимости выходного сигнала в режиме настройки в отсутствии постоянного тока смещения (кривая 1) и при дополнительном приложении к АФМ оптимального постоянного тока смещения величиной 0.85 мА (кривая 2). Пик, отмеченный на кривой 1 знаком "*" свидетельствует о наличии слабой геликоидальности используемого отрезка АФМ.

Как следует из представленных данных, при приложении к АФМ постоянного тока смещения передаточная ГМИ характеристика улучшается и достигает максимальной крутизны преобразования и линейности во внешнем магнитном поле в пределах ±H _s=±1 Э. После окончания настройки магнитометра на эффекте гигантсткого магнитного импеданса, связанной с выбором оптимального постоянного тока смещения, восстанавливают обратную связь (связь между выходом фазового детектора 6 и резистором R2), а тестовое низкочастотное магнитное поле отключают. Включение обратной связи расширяет пределы измерений и линеаризует передаточную характеристику магнитометра на эффекте гигантсткого магнитного импеданса, уменьшая тем самым погрешность измерений магнитного поля. В рассматриваемом макете магнитометра на эффекте гигантсткого магнитного импеданса диапазон измерений магнитного поля изменялся до значений ±10 Э за счет регулировки глубины отрицательной обратной связи при уменьшении величины резистора R2.

Таким образом, возбуждение АФМ от раздельных источников переменного тока высокой частоты синусоидального вида и постоянного тока позволяет устранить влияние геликоидальности используемого отрезка АФМ и улучшить линейность передаточной характеристики магнитометра на эффекте гигантского магнитного импеданса, как показано на фиг.2. При этом снижение проникновения электромагнитных помех и шумов от внешних источников в тракт усиления сигнала обеспечивается путем частотной фильтрации за счет избирательного узкополосного усилителя, настроенного на частоту источника переменного возбуждающего сигнала.

Литература.

1. Патент RU 2118834. Устройство для измерения слабых магнитных полей (варианты) / А.С.Антонов и др. - опубл. 10.09.1998.

2. Патент ЕР 1343019. Magnetic field detection device / Sumi Kasumasa et al. - publ. data 10.09.2003.

Магнитометр на эффекте гигантского магнитного импеданса, содержащий магниточувствительный элемент, выполненный из аморфного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке и размещенный внутри приемной многовитковой катушки, генератор возбуждения, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, цепь отрицательной обратной связи и регистратор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены источник постоянного тока смещения с ограничительным резистором, узкополосный усилитель, фазовращатель и два разделительных конденсатора, при этом источник постоянного тока смещения через ограничительный резистор подключен к магниточувствительному элементу, генератор возбуждения представляет собой генератор синусоидального сигнала, первый выход которого через первый разделительный конденсатор соединен с магниточувствительным элементом, а второй выход через фазовращатель соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого подключен к выходу узкополосного усилителя, вход которого через второй разделительный конденсатор соединен с выходом приемной многовитковой катушки; при этом выход фазового детектора через усилитель постоянного тока подключен к регистратору и через резистор отрицательной обратной связи, к выходу приемной многовитковой катушки.