МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для допускового контроля магнитных свойств постоянных магнитов, ферритовых сердечников и других изделий из магнитных материалов, в том числе магнитомягких. Кроме того магниточувствительный элемент может быть использован при создании датчиков тока и положения.

Известно устройство для контроля намагниченности, а точнее, индукции постоянных магнитов, содержащее статор с постоянными магнитами, индуктор и скобообразные шунты с измерительными элементами на торцах (см. а.с. 1252745, G 01 R 33/12, 1984).

Будучи пригодно только для контроля набора магнитов, известное устройство обладает узкими функциональными возможностями. Кроме того, данное устройство характеризуется высокими массогабаритными показателями и низкой точностью.

Известно также устройство для измерения динамических характеристик материалов с ЦМД (цилиндрическими магнитными доменами), содержащее осветитель, поляризационный микроскоп, магнитную систему для создания вращающегося поля и поля смещения, источник постоянного тока и пластину из материала с ЦМД, на которую нанесены магнитомягкие управляющие элементы (см. а.с. 1247801, G 01 R 33/12, 1985).

Однако это устройство весьма сложно и обладает низкой производительностью ввиду того, что процесс измерения связан с визуальным контролем за ЦМД.

Известен магниточувствительный элемент в виде источника магнитного поля, трех магнитных и одного немагнитного слоев, последовательно накладываемых на контролируемый объем (см. патент США 5008620, G 01 R 33/12, 1991).

Недостатком данного устройства также является низкая производительность и высокая стоимость контроля, обусловленные трудоемкостью нанесения слоев определенной толщины на контролируемое изделие.

Наиболее близким к предложенному является магниточувствительный элемент, содержащий магнитную систему с магнитопроводом и элемент (первичный преобразователь или датчик) Холла, размещенные в корпусе со щелью, в которую периодически вводится контролируемый магнит или сердечник (см. патент США 5138258, G 01 R 33/12, 1992). Выход первичного преобразования подключен к блоку регистрации.

Аналогичный магниточувствительный элемент с элементом (преобразователем) Холла, подключенным к блоку регистрации, и герконом, расположенными в корпусе, который выполнен с посадочным местом для испытуемого магнита, описан в а.с. 1239662, G 01 R 33/12, 1984).

Недостатками описанных элементов являются узкие функциональные возможности и низкая достоверность измерительной информации, обусловленные нестабильностью и видом выходного сигнала, а также габаритами устройства. Дело в том, что известное устройство формирует медленно меняющийся аналоговый выходной сигнал, дискретизация и формирование которого осуществляются уже блоком регистрации, что вносит дополнительную погрешность и нестабильность. Это делает известное устройство непригодным для использования в установках допускового контроля тока, положения и скорости, переключателях, генераторах импульсов, которые могут непосредственно подаваться на цифровые логические элементы и т. п. Функциональные возможности известного устройства ограничены также самим способом создания магнитного потока, воздействующего на первичный преобразователь, будь то элемент Холла или иной; рабочий поток создается одним источником поля, что сужает число возможных вариантов конструкции.

Кроме того, к существенным недостаткам известного магниточувствительного элемента следует отнести и низкую помехозащищенность, что обусловлено видом выходного сигнала.

Таким образом техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является расширение функциональных возможностей магниточувствительного элемента, повышение достоверности его выходной информации и повышение его помехозащищенности за счет принципиально иного построения магнитной системы, первичного преобразователя и блока регистрации, обеспечивающего появление на выходе преобразователя высокостабильного импульса значительной амплитуды при строго определенном соотношении магнитных полей, воздействующих на преобразователь.

Указанный результат достигается тем, что в известном магниточувствительном элементе, содержащем корпус, в котором размещены магнитная система и первичный преобразователь, подключенный к блоку регистрации, первичный преобразователь выполнен в виде однородной магнитомягкой пластины с одноосной анизотропией, а магнитная система выполнена с источником перемагничивающего поля и/или источником локального поля, магнитные оси которых ориентированы вдоль оси легкого намагничивания магнитомягкой пластины.

При этом магнитомягкая пластина может быть выполнена с плоскостной одноосной анизотропией.

Целесообразно также выбирать параметры материала магнитомягкой пластины из условий:
(0,5 - 0,8) Н_к < или = H_л - H_п,
H_к = (10 - 100)Н_с,
где H_с и H_к - коэрцитивная сила и поле анизотропии магнитомягкой пластины;
H_п и H_л - поле источников перемагничивающего и локального поля соответственно.

Кроме того, источники перемагничивающего и локального полей могут быть размещены по разные стороны магнитомягкой пластины.

Целесообразно также выполнить источники перемагничивающего и/или локального поля с возможностью регулировки или изменения величины поля.

Рекомендуется также выполнить источники перемагничивающего и локального поля в виде постоянных магнитов.

И наконец, целесообразно блок регистрации выполнить с входной считывающей обмоткой, расположенной на или вокруг магнитомягкой пластины в зоне действия источника локального магнитного поля.

При этом считывающая обмотка, расположенная на магнитомягкой пластине, выполнена в виде двух смежных плоских спиральных секций с противоположным направлением намотки.

На фиг. 1 схематично изображен магниточувствительный элемент, фиг. 2 иллюстрирует процесс перемагничивания магнитомягкой пластины, на фиг. 3 изображен импульс напряжения, возникающий в считывающей обмотке, на фиг. 4 изображена магнитомягкая пластина со считывающей обмоткой в интегральном исполнении, фиг. 5 иллюстрирует возможную топологию считывающей обмотки, а фиг. 6 и 7 схематично иллюстрируют конструкцию магниточувствительного элемента, используемого в качестве датчика угловой скорости и бесконтактного переключателя соответственно.

Магниточувствительный элемент содержит магнитомягкую пластину 1 с рабочей зоной 2 и краевыми доменами 3, источник 4 перемагничивающего поля, источник 5 локального поля с излучающими поверхностями 6, не выходящими за пределы пластины 1, и считывающую обмотку 7. Источники 4 и 5 располагаются в корпусе (на фиг. 1 не показан) и выполняются с возможностью регулировки величины магнитного поля, создаваемого ими в плоскости пластины 1. В частности, источник 4, 5 могут быть выполнены в виде электромагнита постоянного или переменного тока или постоянного магнита, в зависимости от конкретного применения магниточувствительного элемента, последний может включать только источник 4 (в этом случае роль источника 5 выполняет контролируемый объект), только источник 5 (роль источника 4 выполняет контролируемый объект) и оба источника 4, 5. При этом величину тока в электромагните или положение постоянного магнита регулируют в процессе настройки магниточувствительного элемента и изменяют в процессе его работы (характер подобного изменения станет ясен из дальнейшего).

Позицией 8 (фиг. 2) обозначен исходный домен обратной намагниченности, позицией 9 - изолированные домены, возникающие в процессе использования магниточувствительного элемента.

На подложке 10 (фиг. 4, 5) расположены магнитопленочный сердечник 11, изолирующий слой 12 и планарная считывающая обмотка 14 с секциями 14, 15 и контактными площадками 16.

Датчик, изображенный на фиг. 6, содержит магнитопленочную пластину 17 с объемной считывающей обмоткой 18, кольцевой многополюсный постоянный магнит 19, закрепленный на приводном валу 20, магнитопроводы 21 и постоянный магнит 22.

Показанный на фиг. 7 переключатель содержит клавишу 23, постоянный магнит 24, магнитопроводы 25, магнитомягкую пластину 26, обмотку 27 и постоянный магнит 28.

Пластина 1 (11,17, 26) может иметь ось легкого намагничивания (ОЛН) 6, перпендикулярную своей плоскости (и тогда в ней возникают ЦМД) или лежащую в плоскости пластины (образуются плоскостные домены). При использовании материалов с ЦМД обмотка 7 (18) располагается на боковых гранях пластины 1, "охватывая" ЦМД, или выполняется в виде спирали, размещенной в плоскости пластины на ее поверхности.

Источники 4, 5 и магнитопровод 21 (25) образуют магнитную систему. При этом магнитная ось источников 4, 5 является направлением поля, создаваемого ими в пластине 1.

Помимо обмотки 7 блок регистрации включает приемник импульсов в виде, например, формирователя импульсов и индикатора или счетчика импульсов (на чертеже не показаны). В качестве блока регистрации может быть использована и магнитооптическая установка, например, на основе меридианального эффекта Керра.

Устройство работает следующим образом. Источник 4 намагничивает зону 2 пластины 1 до насыщения, ориентируя ее магнитный момент по одному из направлений ОЛН и уменьшая размеры краевых доменов 3.

Источник 5 создает поле, противоположное полю источника 4. Домен 8 обратной намагниченности формируется при выполнении условия:
H_лл > или = H_з + H_п - H_р,
где H_з и H_р - поле зародышеобразования и поле рассеяния краев пластины 1 соответственно.

Домен 8 с большой скоростью расширяется до размеров рабочей зоны, а в обмотке 7 наводится импульс выходного напряжения. Цикл работы заканчивается восстановлением исходного состояния за счет снижения H_л или увеличения H_п для плоскостных доменов и увеличения H_л и снижения H_п для ЦМД. При этом домен 8 распадается на домены 9, которые коллапсируют.

В течение описанного цикла краевые домены 3 и граничные эффекты не вносят вклад в выходной сигнал. Таким образом обеспечиваются условия для "взрывного" перемагничивания пластины 1 при строго определенных величинах (но не скоростях изменения) полей. Это позволяет получить выходной импульс значительной амплитуды и с крутым передним фронтом, который может непосредственно подаваться на вход стандартного логического элемента, что способствует увеличению помехоустойчивости магниточувствительного элемента. Это позволяет также стабилизировать параметры импульса и, главное, условия его возникновения. В то же время, благодаря тому, что зарождение домена 8 происходит под действием двух источников (4, 5), открываются многочисленные возможности использования магниточувствительного элемента.

Так, отдельный магниточувствительный элемент может быть использован для порогового контроля постоянных магнитов или полей, а также токов по величине создаваемого ими магнитного поля. Набор же магниточувствительных элементов, настроенных на различные величины поля, может использоваться в качестве цифрового преобразователя.

Выше уже указывалось, что магниточувствительный элемент может применяться в качестве датчика положения или, с блоком регистрации в виде частотомера, - в качестве датчика угловой скорости (фиг. 6).

Весьма перспективно использование магниточувствительных элементов в кнопочных бесконтактных переключателях (фиг. 7).

И, наконец, предлагаемый магниточувствительный элемент может быть использован для контроля зубчатых изделий и изделий из магнитомягких материалов. В этом случае в корпусе предусматривается зазор, куда вводится контролируемое изделие. При определенной величине магнитной проницаемости или определенном положении контролируемого объекта возникают условия для возникновения домена обратной намагниченности и появления выходного импульса (магнитомягкое тело увеличивает поток одного из источников 4, 5).

В заключение следует отметить и другие достоинства предлагаемого магниточувствительного элемента: простота, низкая стоимость и малые габариты.

Использование: для допускового контроля магнитных свойств постоянных магнитов, ферритовых сердечников и других изделий из магнитных материалов, в том числе магнитомягких. Кроме того, магниточувствительный элемент может быть использован при создании датчиков тока и положения. Сущность изобретения: с целью расширения функциональных возможностей и повышения достоверности выходной информации магниточувствительный элемент содержит корпус, в котором размещены первичный преобразователь и магнитная система. Первичный преобразователь выполнен в виде однородной магнитомягкой пластины с одноосной анизотропией, а магнитная система выполнена с источником перемагничивающего поля и/или источником локального поля, магнитные оси которых ориентированы вдоль оси легкого намагничивания магнитомягкой пластины. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Магниточувствительный элемент, содержащий корпус, в котором размещены магнитная система и первичный преобразователь, подключенный к блоку регистрации, отличающийся тем, что первичный преобразователь выполнен в виде однородной магнитомягкой пластины с одноосной анизотропией, а магнитная система выполнена с источником перемагничивающего поля и/или источником локального поля, магнитные оси которых ориентированы вдоль оси легкого намагничивания магнитомягкой пластины. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что магнитомягкая пластина выполнена с плоскостной одноосной анизотропией. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что параметры материала магнитомягкой пластины выбраны из условий:
(0,5 - 0,8)Н_к < или Н_л - Н_п;
Н_к = (10 - 100)Н_с,
Н_с и Н_к - коэрцитивная сила и поле анизотропии магнитомягкой пластины;
Н_п и Н_л - поле источников перемагничивающего и локального поля соответственно. 4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что источники перемагничивающего и локального полей размещены по разные стороны магнитомягкой пластины. 5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что источники перемагничивающего и/или локального поля выполнены с возможностью регулировки или изменения величины поля. 6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что источники перемагничивающего и локального поля выполнены в виде постоянных магнитов. 7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что блок регистрации выполнен с входной считывающей обмоткой, расположенной на или вокруг магнитомягкой пластины в зоне действия источника локального магнитного поля. 8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что считывающая обмотка, расположенная на магнитомягкой пластине, выполнена в виде двух смежных плоских спиральных секций с противоположным направлением намотки.