СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R33/00 G01R33/02 G01N27/80 

Изобретение относится к области физики, к измерению электрических и магнитных величин, и предназначено для использования при магнитных измерениях и в разработке магнитных сенсоров различного применения.

Известен способ измерения напряженности магнитного поля, основанный на использовании магниторезистивного эффекта, в котором о напряженности измеряемого поля судят по величине активного электросопротивления, помещенного в это поле токопроводящего чувствительного элемента [1]
Однако известный способ требует использования относительно сложной регистрирующей аппаратуры, что обусловлено небольшой величиной магниторезистивного эффекта, не превышающего, например, для ферромагнитных материалов нескольких процентов. В последнее время, после открытия так называемого гигантского магниторезистивного эффекта, появилась возможность получения более эффективных магниторезистивных сенсоров, однако это требует использования сложных и дорогих технологий.

Известен способ измерения напряженности магнитного поля, в котором искомую величину определяют по индуктивности или индуктивному сопротивлению помещенного в магнитное поле датчика, содержащего чувствительный элемент из ферромагнитного материала, магнитная проницаемость которого зависит от напряженности внешнего магнитного поля [2]
Недостатком известного способа является необходимость использования датчиков достаточно сложной конструкции, которая помимо чувствительного элемента, включает в себя, по меньшей мере, одну катушку индуктивности, имеющую с этим элементом магнитную связь.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ измерения напряженности магнитного поля, основанный на изменении эффективного сопротивления проводника с током, расположенного поперек силовых линий измеряемого магнитного поля, за счет ЭДС индукции, возникающей в этом проводнике при движении его в измеряемом поле под воздействием силы Лоренса [3] Это явление не проявляется при расположении проводника вдоль силовых линий магнитного поля или его механической фиксации, кроме того, оно не зависит от материала проводника.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе измерения напряженности магнитного поля, в котором в исследуемое поле помещают чувствительный элемент в виде протяженного проводника, пропускают вдоль него переменный электрический ток и определяют напряженность магнитного поля по величине собственной индуктивности или полного электросопротивления проводника на переменном токе или индуктивной составляющей полного электросопротивления, применяют проводник из ферромагнитного материала и размещают его вдоль силовых линий измеряемого поля.

Наиболее эффективно использование чувствительных элементов из магнитомягких сплавов с поликристаллической, нанокристаллической или аморфной структурой на основе Co, Ni, или Fe, выполненных в зависимости от условий измерения и требуемой чувствительности, например, из проволоки диаметром 10 мкм 0,5 мм, металлической ленты толщиной 1 мкм 0,5 мм и шириной 0,2 20 мм, или изготовленных по пленочной технологии при толщине пленки ферромагнитного материала 100 нм 10 мкм.

Измерения производят, подавая непосредственно на чувствительный элемент переменное напряжение синусоидальной формы частотой 1 кГц 100 МГц, в виде прямоугольных импульсов или используют чувствительный элемент в качестве частотозадающего звена резонансного контура.

Изобретение основано на новом, экспериментально обнаруженном свойстве ферромагнитных материалов определенного состава, в частности, магнитомягких сплавов на основе Co, Ni или Fe с близкими к нулю константами магнитострикции и магнитной анизотропии, проявляющемся в аномально сильной зависимости индуктивно выполненных из них элементов из проволоки, тонкой ленты или в виде пленочных структур различной конфигурации, например, типа меандра, от напряженности внешнего магнитного поля. Такая Зависимость выявляется при разных методах измерения индуктивности, в частности, она отчетливо проявляется при подаче на чувствительные элементы синусоидального переменного напряжения с частотой 1 кГц 100 МГц.

Так, измеренная на частоте 1 кГц серийным прибором измерителем R, C, L типа E7-8 индуктивность прямолинейного отрезка проволоки диаметром 0,18 мм и длиной 150 мм, выполненной из сплава системы Co-Fe-Cr-B, в направленном вдоль нее постоянном магнитом поле 70 Э уменьшается по сравнению с исходным состоянием более чем в 50 раз.

Способ реализуют, например, следующим образом.

Выбрав один из указанных выше материалов, в должной мере обладающий описанным выше свойством, изготавливают из него чувствительный элемент, который в простейшем случае представляет собой прямолинейный отрезок проволоки, диаметр и длину которого подбирают в указанных пределах, основываясь на установленных расчетах или экспериментальных закономерностях, а также исходя из условий измерения, допустимых размеров сенсора, диапазона измерения измеряемой величины и требуемой чувствительности.

К концам чувствительного элемента подключают измеритель индуктивности, работающий в заданном частотном диапазоне, и осуществляют предварительную калибровку чувствительного элемента, помещая его в магнитное поле, напряженность которого контролируют одним из известных методов. Изменяя напряженность поля в заданных пределах, калибруют чувствительный элемент, после чего он может быть использован, в совокупности с измерителем индуктивности, в качестве самостоятельного средства для измерения напряженности поля в соответствии с настоящим изобретением.

При реализации способа возможно также выполнение чувствительных элементов из отрезков металлической ленты или пленочных структур, и более сложной формы, например, в виде меандра, а также использование двух или большего числа элементов, которые могут быть соединены между собой и с необходимыми пассивными элементами, например, резисторами, по мостовой схеме.

Измерение индуктивности чувствительного элемента можно производить как одним из стандартных приборов, в частности, измерительных мостов, в которых обычно используются синусоидальное напряжение предпочтительно, с частотой 1 кГц 100 МГц (например, упомянутым выше измерителем индуктивности типа E7-8), так и другими известными методами, например, по скорости измерения протекающего через элемент тока при подаче на него прямоугольных импульсов напряжения или используя чувствительный элемент в качестве частотозадающего звена резонансного контура. Возможно также измерение индуктивности или полного сопротивления чувствительного элемента при пропускании через него синусоидального переменного тока с частотой из указанного выше диапазона. Выбор этого диапазона обусловлен тем, что в нем описанный выше эффект проявляется наиболее сильно.

Способ испытан для широкого круга ферромагнитных материалов и разных конфигураций выполненных из них чувствительных элементов, при этом было установлено, что наибольший эффект может быть получен при использовании высокопроницаемых магнитомягких сплавов с поликристаллической, нанокристаллической или аморфной структурой на основе Co, Ni или Fe, обладающих близкими к нулю значениями констант анизотропии намагниченности, и выполнения чувствительных элементов из проволоки диаметром 10 мкм 0,5 мм, металлической ленты толщиной 1 мм 0,5 мм и шириной 0,2-20 мм, или по пленочной технологии, при толщине пленки ферромагнитного материала 100 нм 10 мкм.

Проведенные исследования и проверка данного способа дают основания для вывода о том, что изобретение, при исключительной простоте реализации, обеспечивает высокую чувствительность, более чем на два порядка превышающую, например, чувствительность известных холловских датчиков.

Использование изобретения при разработке сенсоров магнитного поля позволяет существенно упростить их конструкцию и технологию изготовления, расширить диапазон применения. Изобретение может быть применено для измерения как постоянных, так и переменных магнитных полей, при этом в последнем случае частота переменного напряжения, подаваемого на элемент, должна быть как несущая существенно выше (по меньшей мере, в 5 10 раз) частоты изменения измеряемого поля.

Использование: изобретение относится к области измерения электрических и магнитных величин. Сущность: способ измерения напряженности магнитного поля, в котором в исследуемое поле помещают чувствительный элемент в виде протяженного проводника, пропускают вдоль него переменный электрический ток и определяют напряженность магнитного поля по величине собственной индуктивности или электросопротивления проводника на переменном токе или индуктивной составляющей полного электросопротивления, отличается тем, что применяют проводник из ферромагнитного материала и размещают его вдоль силовых линий измеряемого поля. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ измерения напряженности магнитного поля, заключающийся в том, что в исследуемое поле помещают чувствительный элемент в виде протяженного проводника, пропускают вдоль него переменный электрический ток и определяют напряженность магнитного поля по величине собственной индуктивности, или полного электросопротивления проводника на переменном токе, или индуктивной составляющей полного электросопротивления, отличающийся тем, что применяют проводник из ферромагнитного материала и размещают его вдоль силовых линий измеряемого поля. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют чувствительный элемент, выполненный из магнитомягкого сплава с поликристаллической, нанокристаллической или аморфной структурой на основе Co, Ni или Fe. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполняют из проволоки диаметром 10 мкм 0,5 мм, металлической ленты толщиной 1 мкм 0,5 мм и шириной 0,2 2,0 мм или по пленочной технологии, при толщине пленки ферромагнитного материала 100 нм 10 мкм. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что измерения производят, подавая на чувствительный элемент переменное напряжение синусоидальной формы частотой 1 кГц 100 МГц, в виде прямоугольных импульсов, или используя чувствительный элемент в качестве частотозадающего звена резонансного контура.