Разностный датчик магнитного поля

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения величины напряженности постоянного магнитного поля. Датчик состоит из соленоида и расположенного внутри него конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал. При помещении конденсатора в переменное и постоянное магнитные поля в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, пропорциональные квадрату напряженности магнитного поля. Посредством механического взаимодействия они 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, при этом разность двух соседних амплитуд сигнала будет пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.

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

Для измерения напряженности постоянного магнитного поля в настоящее время используются датчики, использующие различные физические эффекты (СКВИДы, датчики Холла, магниторезистивные датчики, датчики Виганда и др.) [см. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под редакцией Е.Г.Шрамкова М., Высшая школа, 1972, 520 с.].

Наиболее близкими по техническому решению, принятому за прототип, является датчик магнитного поля, основанный на сравнении напряжений, возникающих на двух магнитоэлектрических чувствительных элементах, при помещении системы в постоянное магнитное поле и при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока [см. Патент RU 2244318, G01R 33/02, 10.01.2005].

Недостатком данного датчика является сложность конструкции и использование при измерениях большого импульса тока. Данный датчик содержит два магнитоэлектрических чувствительных элемента, расположенных на подложке и подмагничивающую катушку. Магнитоэлектрические чувствительные элементы выполнены из композиционных материалов с разным процентным содержанием ферритовой и пьезоэлектрической компонент. Использование двух элементов с различным процентным содержанием феррита и пьезоэлектрика усложняет конструкцию и технологию изготовления магнитоэлектрического композита. Кроме того, использование при измерениях большого импульса тока требует обеспечение хорошего теплообмена с подложкой.

На фиг.2 представлена типичная осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора.

На фиг.3 представлены выходные характеристики датчика магнитного поля.

Датчик постоянного магнитного поля, конструкция которого представлена на фиг.1, состоит из соленоида 1, создающего переменное магнитное поле и расположенного внутри него конденсатора, представляющего собой образец 2, изготовленный из магнитострикционно-пьезоэлектрического композиционного материала, на который нанесены токопроводящие контакты 3.

При помещении конденсатора в магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются посредством механического взаимодействия 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 напряжение также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой 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, в низкочастотной области спектра определяется выражением:

Здесь Н - напряженность магнитного поля, t_m, t_р - толщина магнитострикционного и пьезоэлектрического слоя, Y_m, Y_p - модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, d - пьезоэлектрический модуль, - магнитная восприимчивость, p - диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, g=/(M)² - магнитострикционный коэффициент, - магнитострикционная деформация, М - намагниченность образца, - безразмерный параметр, - квадрат коэффициента электромеханической связи.

Если магнитное поле представляет сумму двух полей, переменного H(t)=Н_mcos(t) с амплитудой Н_m и постоянного величиной H₀, то

амплитуда выходного сигнала на конденсаторе будет пропорциональна квадрату результирующего поля, т.е.

где - постоянная величина, зависящая от магнитострикционных, пьезоэлектрических и упругих свойств структуры.

В результате выходной сигнал будет представлять сумму двух сигналов:

где - переменный сигнал с удвоенной частотой, - переменный сигнал с обычной частотой .

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

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

где чувствительность k=2CH_m . Величина чувствительности пропорциональна величина переменного магнитного поля. Это свойство структуры может быть использовано как переключатель диапазонов датчика.

На фиг.2 представлена осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора при помещении его в переменного магнитное поле с частотой и постоянное магнитное поле напряженностью Н₀ .

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

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.

Катушка соленоида длиной L=30 мм и диаметром D=8 мм содержала N=800 витков из медной проволоки диаметром d=0,2 мм намотанных в два слоя, что составляло n=10000 витков/м.

На фиг.3 представлены графики зависимости разности амплитудных значений напряжения U от величины постоянного внешнего магнитного поля Н ₀ при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля Н_m. 1 - Н_m=800 А/м, 2 - Н_m =2400 А/м.

Как следует из графиков, представленных на фиг. 3, в полном соответствии с формулой (4), наблюдается линейная зависимость разности амплитудных значений напряжения межу 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 70В/Тл (7 mV/Э) при амплитудных значениях напряженности переменного магнитного поля 2400 А/м (ток через катушку I=0,24 А), что на порядок превосходит чувствительность лучших датчиков Холла. Согласно данным, представленным в таблице 1 и на Фиг. 2 прототипа, при напряженности внешнего магнитного поля Н ₀=900 Э и при пропускании тока через подмагничивающую катушку I=0,2 А напряжение на чувствительном элементе составляло величину U=0,4 В, что дает чувствительность равную 0,45 мВ/Э (4,5 В/Тл), что более чем на порядок меньше величины чувствительности предлагаемого устройства.

Таким образом, использование предлагаемого датчика постоянного магнитного поля позволяет упростить конструкцию устройства и повысить чувствительность.

Разностный датчик магнитного поля, представляющий структуру из соленоида и магнитоэлектрического чувствительного элемента, отличающийся тем, что структура выполнена в виде создающего переменное магнитное поле соленоида и расположенного внутри него магнитоэлектрического чувствительного элемента, представляющего собой плоский конденсатор, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал.