Датчик магнитного поля

Приводится описание датчика на основе анизотропной тонкой магнитной пленки (ТМП), который может быть использован для обнаружения движущихся объектов по их магнитному полю. Датчик содержит генератор высокой частоты, чувствительный элемент с ТМП, двумя взаимно перпендикулярными обмотками: возбуждающей, ориентированной вдоль оси легкого намагничивания, и измерительной, ориентированной вдоль оси трудного намагничивания ТМП, и постоянный магнит, создающий поле подмагничивания ТМП. Возбуждающая обмотка подключена к генератору высокой частоты и создает переменное поле перемагничивания ТМП. Измерительная обмотка подключена к детектору. Работа датчика основывается на изменении магнитной восприимчивости ТМП под действием измеряемого поля, при этом изменяется высокочастотное напряжение на выходе измерительной обмотки и напряжение на выходе датчика. Для достижения заданной точности измерений, постоянный магнит датчика расположен на поворотном устройстве, обеспечивающем установку наиболее оптимального направления поля подмагничивания ТМП. Применение поворотного устройства позволяет использовать в магнитном датчике ТМП, имеющие отклонения магнитных параметров в определенных допустимых пределах, обеспечиваемых технологически достигнутой повторяемостью режимов напыления.

Полезная модель относится к области магнитных измерений и может быть использована для измерения слабых магнитных полей в инфранизкочастотном диапазоне, в частности для обнаружения предметов, которые вносят возмущение в окружающее их магнитное поле.

Известен магнитометр [1], содержащий датчик, выполненный на основе тонкой магнитной пленки (ТМП), нанесенной на керамическую подложку методом вакуумного напыления. На подложку с пленкой намотаны две взаимно перпендикулярные обмотки, одна из которых, называемая обмоткой возбуждения, имеет ось, совпадающую по направлению с осью легкого намагничивания (ОЛН) тонкой магнитной пленки, и подключена к выходу генератора, а вторая обмотка - измерительная, ось которой совпадает с направлением оси трудного намагничивания (ОТН) пленки, подключена к детектору, выход которого подключен к входу усилителя.

Этот магнитометр обладает следующим недостатком. Его чувствительность зависит от ориентации относительно вектора магнитного поля Земли и обращается в ноль, когда ОЛН магнитной пленки параллельна вектору магнитного поля Земли. Кроме того, он обладает слабой помехоустойчивостью, так как при воздействии на него случайного магнитного поля, напряженностью больше поля анизотропии Н_к, магнитная пленка может перейти в многодоменное состояние. Это приведет к нарушению работы устройства из-за возрастания шумов ТМП вследствие некогерентного вращения отдельных доменов под воздействием поля возбуждения и произошедшего смещения доменных границ. В некоторых случаях, касающихся ответственных устройств, такое нарушение работоспособности датчика может оказаться недопустимым.

Наиболее близким к рассматриваемой полезной модели является устройство [2], содержащее чувствительный элемент на основе ТМП, возбуждающую и измерительную обмотки, с осью возбуждающей обмотки параллельной

ОЛН и осью измерительной обмотки параллельной ОТН, снабженное постоянным магнитом, создающим поле подмагничивания Н₀ равное полю анизотропии Н_к ТМП, направленное под углом к ОЛН пленки, удовлетворяющим условию:

где -допустимое относительное уменьшение чувствительности датчика;

D - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции устройства.

Данное устройство обладает следующим недостатком. Из-за невозможности получения высокой повторяемости магнитных параметров ТМП в условиях серийного производства, постоянный коэффициент D, входящий в выражение (1), не может быть точно определен. Это обстоятельство порождает неоднозначность в определении оптимального значения угла , при котором обеспечивается необходимая точность измерений в заданном динамическом диапазоне изменений магнитного поля.

Целью полезной модели является повышение точности измерений в заданном динамическом диапазоне.

Эта цель достигается за счет того, что содержащийся в датчике магнитного поля постоянный магнит размещен на поворотном устройстве, обеспечивающем установку наиболее оптимального направления поля подмагничивания, при котором достигается заданная точность измерений.

Применение поворотного устройства позволяет использовать в магнитном датчике ТМП, имеющие отклонения магнитных параметров в определенных допустимых пределах, обеспечиваемых технологически достигнутой повторяемостью режимов напыления.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства.

Датчик состоит из генератора возбуждения 1 чувствительного элемента 2 с тонкой магнитной пленкой, обладающей осевой анизотропией, возбуждающей

и измерительной обмотками, расположенными взаимно перпендикулярно, детектора 3, полосового фильтра 4 и усилителя 5.

На фиг.2 показано конструктивное расположение обмоток L1 и L2 и постоянного магнита 6, размещенного на поворотном устройстве 7 позволяющем изменять направление поля подмагничивания Н₀ относительно осей ТМП.

Возбуждающая L1 и измерительная L2 обмотки с подключенными конденсаторами С1 и С2 образуют колебательные контуры 8 и 9, настроенные в резонанс на частоту генератора возбуждения.

Из-за перпендикулярного расположения обмоток L1 и L2 связь между ними осуществляется только посредством ТМП.

На фиг.3 изображена векторная диаграмма совокупности магнитных полей, воздействующих на пленку. На ней угол образован направлением ОЛН пленки и вектором поля постоянного магнита. Угол образован направлением ОЛН и вектором магнитного момента пленки, представляющим векторную сумму поля магнита и вектора поля анизотропии. Угол показывает направление вектора измеряемого поля относительно направления ОЛН.

На фиг.4 показано взаимодействие поля перемагничивания и измеряемого поля. Можно видеть, что измеряемое поле смещает сектор прецессии магнитного момента пленки на угол =₁-₂. При этом изменяются величина проекции вектора магнитного момента пленки на направление ОТН, величина создаваемого им магнитного потока и, следовательно, напряжение на выходе измерительной катушки L₂.

На фиг.5 показана зависимость относительной чувствительности устройства от угла между ОЛН пленки и направлением поля постоянного магнита, при величине поля подмагничивания Н₀ равной полю анизотропии H_K.

Работа устройства

Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение с частотой перемагничивания с выхода генератора 1 подается на чувствительный элемент 2 и за счет резонансного тока в контуре L1C1 создается поле перемагничивания пленки Н_п.. Индуцируемое напряжение в обмотке L2 измерительного контура L2C2 детектируется детектором 3. Низкочастотное напряжение с выхода детектора, пропорциональное величине и скорости изменения измеряемого поля, подается через полосовой фильтр 4 на вход усилителя 5 и далее на регистрирующее устройство.

Работа чувствительного элемента датчика основана на изменении восприимчивости тонкой магнитной пленки при воздействии на нее измеряемого поля Н _и. С учетом векторной диаграммы, представленной на фиг.3, аналитически можно показать, что магнитная восприимчивость пленки зависит от соотношения полей Н₀, H _k, Н_п, Н_и, а также от значений углов , , , и определяется выражением:

Высокочастотное напряжение на выходе чувствительного элемента датчика можно определить через восприимчивость , используя следующее выражение:

где K - безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения числа витков L1 и L2 обмоток;

Q - добротность резонансного измерительного контура.

При воздействии измеряемого магнитного поля Н_и согласно (2) происходит изменение магнитной восприимчивости ТМП. При этом изменяется переменное

напряжение на выходе измерительной обмотки чувствительного элемента и, следовательно, напряжение на выходе датчика.

Из (2) следует, что восприимчивость пленки и, следовательно, чувствительность датчика, зависят как от угла между ОЛН и направлением поля подмагничивания Н ₀, так и от величины и направления измеряемого поля Н _и. Как следует из приведенного на фиг.5 графика, ширина области с относительно постоянной чувствительностью составляет несколько десятков градусов. Таким образом, если соблюсти условие Н₀=Н_к и установить оптимальную величину угла =_ср (см. фиг.5), то изменения чувствительности, а следовательно и погрешности измерений датчика можно свести к незначительным, при любой его ориентации в магнитном поле Земли.

Кроме того, как и в устройстве [2], поле подмагничивания Н ₀ уменьшает спонтанное вращение отдельных доменов пленки под действием переменного поля перемагничивания Н _п, снижает уровень магнитных шумов и обеспечивает сохранение работоспособности датчика при случайном воздействии полей, с величиной больше Н_к.

Источники информации:

1. Патент США №3562638, 324-43, 1968

2. В.И.Поляков, Г.И.Фролов, А.Н.Бабицкий, А.П.Феоктистов, И.П.Буслаев "Датчик магнитного поля", Авт. св. №864980, 1981

Датчик магнитного поля, содержащий тонкую магнитную пленку с возбуждающей и измерительной обмотками, в котором ось возбуждающей обмотки параллельна оси легкого намагничивания тонкой магнитной пленки, а ось измерительной обмотки параллельна оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки, и постоянный магнит, создающий постоянное поле подмагничивания, равное полю анизотропии тонкой магнитной пленки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в заданном динамическом диапазоне, постоянный магнит установлен на поворотном устройстве, обеспечивающем установку направления поля подмагничивания относительно оси легкого намагничивания тонкой магнитной пленки под углом, при котором достигается заданная точность измерений.