Датчик магнитного поля

Полезная модель относится к области измерительной техники. Датчик магнитного поля содержит полый цилиндрический сердечник, выполненный из пьзоактивното материала, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, и катушку возбуждения, намотанную снаружи на сердечник и выполненную с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний сердечника. При этом сердечник выполнен в виде пьезоэлектрического диска с центральным, поляризованного по радиусу, а обмотка катушки возбуждения выполнена в виде металлического кольца, соединенного по образующей с пьезоэлектрического диска по наружной его поверхности и подключенного к источнику переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического диска. 5 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, а 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 виброзонд (SU 612194, опубл. 25.06.1978), содержащий обмотку (контур), выполненную из пьезокерамического материала, электроды, проводники. При подаче напряжения на электроды, расположенные на обмотке, которая изгибается и удлиняется в результате пьезоэффекта, площадь витков уменьшается и увеличивается в резонанс с напряжением. При постоянном магнитном поле, действующем вдоль оси обмотки, в электродах возникает ЭДС, пропорциональная индукции внешнего магнитного поля, и ее измеряют на клеммах проводников.

Недостатками данного устройства является то, что обмотка выполнена в виде самонесущей конструкции, имеет консольное крепление, помимо удлинения осуществляет еще и колебательные движения, в связи с чем не может в силу массогабаритных и конструктивных принципов осуществлять достаточно высокочастотные колебания в режиме резонанса или вынужденные высокочастотные колебания без разрушения конструкции.

Известен акустоустойчивый индукционный датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, на котором расположена многовитковая измерительная обмотка, при этом сердечник датчика выполняется в виде расположенных друг за другом ферритовых колец одинаковой формы из магнитомягкого материала, а ферритовые кольца выполняются попеременно из материала с положительным знаком магнитострикции и с отрицательным знаком магнитострикции (RU 1422859, G01R 33/02, опубл. 1996.12.10).

Недостатком данного датчика является его слабая добротность и возможность измерения только слабых переменных магнитных полей.

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.

Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по изменению конструкции датчика магнитного поля путем исключения влияния многовитковой обмотки на габариты датчика.

Достигаемый при этом технический результат заключается в уменьшении габаритных показателей при сохранении механической добротности и надежности при регистрации магнитной индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем полый цилиндрический сердечник, выполненный из пьзоактивното материала поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, и элемент возбуждения на наружной поверхности сердечника, выполненный с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний сердечника, сердечник выполнен в виде пьезоэлектрического диска с центральным отверстием, а элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки, соединенного по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности и подключенного к источнику переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического диска.

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 - датчик магнитного поля;

фиг.2 - приведена зависимость амплитуды генерируемого кольцом напряжения u от частоты/тока, протекающего через электрод;

фиг.3 - показаны зависимости напряжения u, на резонансной частоте от поля Н

при разных токах I_O через электрод кольца;

фиг.4 - приведена зависимость амплитуды напряжения u, генерируемого структурой на резонансной частоте, от силы тока через электрод;

фиг.5 - приведена зависимость сигнала генерируемого напряжения от угла ориентации поля относительно плоскости структуры датчика.

Устройство датчика приведено на фиг 1. Он содержит сердечник в виде диска 1 с центральным отверстием, выполненного из пьзоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены металлические электроды 2 и 3 соответственно для связи с устройством регистрации напряжения 4 на указанных электродах. Элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки 5, расположенного вокруг сердечника. Кольцо соединено по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности. Его контакты связаны с источником 6 переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра сердечника.

Таким образом, в данной заявке предлагается датчик постоянного магнитного поля в виде пьезоэлектрического кольца с металлическими электродами, принцип действия которого также основан на комбинации силы Ампера и пьезоэффекта. Датчик отличается простотой конструкции и за счет использования акустического резонанса кольца имеет на два порядка более высокую чувствительность, чем датчик на основе диска. Для описанной конструкции чувствительность составляла -32 мВ/Тл при амплитуде переменного тока 1 А.

Датчик работает следующим образом. На катушку возбуждения 3 подается напряжение U_возб с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра 1. При этом в электродах 2 будут наводиться токи магнитной индукции, если датчик поместить в аксиальное магнитное поле Н, то на электроды будет действовать переменная сила Фарадея с частотой резонанса. В результате в цилиндре возникнут механические колебания на собственном резонансе, а на электродах появится переменный ток U_вых пропорциональный как постоянному магнитному полю, так и величине тока в катушке возбуждения. Отсюда следует, что датчик может регистрировать как постоянное магнитное поле, так и переменное на частоте резонанса. Работа датчика на частоте резонанса пьезоактивного кольца обусловлена значительным усилением эффекта, определяемой механической добротностью.

Ниже предлагаются на примере конкретного исполнения датчика результаты исследований датчика с таким миниатюризированным построением. Кольцо из пьезоэлектрика со средним радиусом г, шириной b и толщиной a поляризовано в радиальном направлении. На внутреннюю и внешнюю поверхности кольца нанесены проводящие электроды толщиной S. Один из электродов разрезан и по нему пропускается переменный ток I(f)=I_ocos(2t) с амплитудой I_o и частотой f. Постоянное поле Н приложено перпендикулярно к плоскости структуры. Генерируемое переменное напряжение u(f)=ucos(2t) снимается с электродов кольца.

Найдем амплитуду генерируемого структурой напряжения. На каждый участок электрода с током I со стороны поля Н в радиальном направлении действует сила Ампера. Эта сила передается кольцу и создает в нем касательные растягивающие или сжимающие напряжения

В пьезоэлектрическом кольце электрическая индукция D и деформация S связаны с механическим напряжением Т и электрическим полем Е соотношениями:

В формулах (1) и (2) обозначено: µ _o и е₀ - магнитная и электрическая постоянные, d₃₁ и s₁₁ - пьезомодуль и коэффициент податливости пьезоэлектрика, индексы «1» и «3» отвечают касательным и радиальным компонентам величин.

Для случая разомкнутой цепи (D₃=0) из уравнения (2а) находим связь напряженности поля в пьезоэлектрике с механическим напряжением Е₃=-d₃₁T₁/(₀). Окончательно, используя соотношение (1), получаем формулу для напряжения

Из (3) видно что величина u зависит от электрических параметров материала пьеюэлектрика, радиуса и ширины кольца, линейно растет с увеличением тока I_o и напряженности поля Н, однако не зависит от частоты тока f.

При совпадении частоты f тока с частотой радиальных механических колебаний кольца f_r=I/2r(Y/) (Y и - модуль Юнга и плотность пьезоэлектрика, соответственно), величина деформаций в кольце резонансно увеличивается и амплитуда напряжения возрастет в Q (добротность) раз.

В экспериментах использовали кольцо из цирконата титаната свинца состава Рb_{0, 48} Zr_0,52TiO₃ (PZT) со следующими параметрами: r=8,5 мм, b=4 мм, a=1 мм, =1750, d₃₁-175×10^-12 C/N. Толщина электродов из серебра, нанесенных метолом вжиганил на поверхности PZT, составляли ~2 µm. Кольцо поляризовали в радиальном направлении, нагревая до 100°С и подавая на электроды напряжение 1 kV. Сопротивление разрезанного электрода равнялось 0,1, а емкость структуры составляла 20 pF. Кольцо помещали между полюсами электромагнита в однородное поле напряженностью до 14 кОе. На электрод через ферритовый трансформатор подавали напряжение от внешнего генератора с частотой f=1-200 kHz, что приводило к возбуждению в нем тока силой до 1,5 А. Генерируемое структурой напряжение измеряли с помощью цифрового осциллографа.

На фиг.2 приведена измеренная зависимость амплитуды генерируемого кольцом напряжения u от частоты/тока, протекающего через электрод, при I₀=0,3 А и поле Н=1кОе. На частоте f_r=60,34 kHz виден резонанс с амплитудой в максимуме u_r=0,73 V и добротностью Q=118, соответствующей возбуждению в кольце низшей моды радиальных акустических колебаний. Оценка частоты резонанса по приведенной выше формуле дает значение ~61,05 kHz, хорошо совпадающее с измеренным. Амплитуда напряжения наводки, не зависящей от поля Н, в области частот f>20 kHz оставалась постоянной и не превышала u_n~14 mV.

На фиг.3 показаны зависимости напряжения u_r на резонансной частоте от поля H

при разных токах I_О через электрод кольца. Зависимости имели линейный вид с точностью лучше 2%. С увеличением I_О от 0,1 А до 1,5 А измеренная чувствительность датчика к постоянному полю возрастала от 0,2 V/T до 2 V/T. Оценка чувствительности датчика по формуле (3) с использованием параметров PZT кольца и измеренной добротности структуры дает значение 1,8 V/(TA), хорошо согласующееся с данными измерений. Видно, что использование акустического резонанса позволило в ~10² повысить чувствительность датчика по сравнению с известными датчиками.

На фиг.4 приведена зависимость амплитуды напряжения u_r генерируемого структурой на резонансной частоте, от силы тока через электрод при поле Н=5 кОе. Зависимость имеет примерно линейный вид, в соответствии с формулой (3). Отклонение от линейности в области больших токов обусловлено насыщением используемого ферритового трансформатора. Штриховая линия на фиг.4 демонстрирует линейный рост сигнала наводки (увеличена в 10 раз) от нуля до ~30 mV при увеличении тока через электрод от нуля до ~1,5 А.

На фиг.5 приведена зависимость сигнала генерируемого напряжения от угла ориентации поля относительно плоскости структуры при Н=1 кОе и I=0,3 А. Как видно, амплитуда генерируемого датчиком напряжения пропорциональна нормальной к плоскости кольца составляющей поля u~Нcos, кроме того, напряжение изменяло фазу на при инверсии направления поля, что позволяет применить датчик для векторных измерений. Незначительное различие величин симметричных максимумов и минимумов кривой может быть связано с влиянием неоднородности поля Н при вращении кольца.

Таким образом, в заявке предложен датчик постоянного магнитного поля на основе комбинации силы Ампера и пьезоэффекта в пьезоэлектрическом кольце с током. Датчик обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала от поля в диапазоне до 14 кЭ. Амплитуду сигнала датчика легко контролировать в широких пределах, изменяя силу тока. За счет использования акустического резонанса кольца достигнута чувствительность ~2 V/T при силе тока 1 А, что в ~102 раз выше, чем в известных аналогичных конструкциях.

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 магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, выполненный из пьезоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и наружной поверхностях которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, и элемент возбуждения на наружной поверхности сердечника, выполненный с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний сердечника, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде пьезоэлектрического диска с центральным отверстием, а элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки, соединенного по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности и подключенного к источнику переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического диска.