ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2005 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для преобразования магнитного поля в электрическое напряжение.

Известен датчик на основе элемента Холла, содержащий полупроводниковую пластину, по четырем сторонам которой расположены контакты. Максимальная чувствительность датчиков Холла составляет до 1 мВ/Э, чувствительность предлагаемого магнитоэлектрического (МЭ) датчика 25 мВ/Э.

См. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т.1 - М.: ДМК Пресс, 2001. - 554 с.

Основной недостаток датчиков Холла - сложность конструкции, зависимость параметров от температуры, низкая перегрузочная способность, низкая радиационная стойкость.

Задачей изобретения является повышение чувствительности, радиационной стойкости и расширение диапазона измеряемых магнитных полей.

Поставленная задача достигается тем, что датчик постоянного магнитного поля, содержащий подложку и два магнитоэлектрических чувствительных элемента, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки, дополнительно снабжен подмагничивающей катушкой, а магнитоэлектрические чувствительные элементы, установленные соосно с катушкой, выполнены из многослойного или объемного композиционного магнитоэлектрического материала состава феррит - пьезокерамика с различным процентным содержанием пьезокерамики.

Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи.

На фиг.1 представлена конструкция датчика постоянного магнитного поля с двумя магнитоэлектрическими чувствительными элементами (МЭ).

На фиг.2 приведена характеристика датчика постоянного магнитного поля с двумя магнитоэлектрическими чувствительными элементами (МЭ).

Магнитоэлектрический (МЭ) материал представляет собой композиционную керамику, состоящую из двух компонентов: феррита и пьезокерамики, обладающих магнитострикцией и пьезоэффектом соответственно. Существуют смесевые МЭ материалы, состоящие из смеси феррита и пьезоэлектрика, также существуют слоистые МЭ материалы, в которых чередуются слои феррита и пьезоэлектрика.

Магнитоэлектрический чувствительный элемент (МЭ) представляет собой диск, вырезанный из МЭ материала, на торцы которого нанесены токопроводящие обкладки. При этом у слоистых материалов слои располагаются параллельно плоскости диска.

Устройство (фиг.1) состоит из двух магнитоэлектрических чувствительных (МЭ) элементов 1 и 2 из композиционного магнитоэлектрического (МЭ) материала, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки 3. МЭ элементы 1 и 2 выполнены из многослойного композиционного МЭ материала состава феррит никеля - цирконат титанат свинца с различным процентным содержанием пьезокерамики. На подложку 4 помещена подмагничивающая катушка 5, соосно с которой на противоположных сторонах подложки 4 размещены МЭ элементы 1 и 2. Плоскость подмагничивающей катушки 5 и плоскости МЭ элементов 1 и 2 параллельны плоскости подложки.

Устройство работает следующим образом. При помещении датчика в постоянное магнитное поле и при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока на обкладках МЭ материалов возникнет импульс напряжения, пропорциональный по величине измеряемому постоянному магнитному полю. Подмагничивающая катушка должна иметь хороший тепловой контакт с подложкой, что позволит уменьшить ее габариты за счет пропускания импульсных токов значительной величины. Особенностью датчика постоянного магнитного поля является применение второго МЭ элемента, расположенного на другой стороне подложки. При таком расположении МЭ элементов они находятся в одинаковых условиях, то есть можно считать, что подмагничивающее поле и измеряемое поле в этих элементах одинаковы. В данном датчике используются два МЭ элемента с различным содержанием пьезокерамики 40% и 50% соответственно, при этом насыщение двух элементов датчика происходит при разных величинах поля (фиг.2). Элемент I и элемент II представляют собой многослойный композиционный МЭ материал состава феррит никеля - 21 слой, ЦТС - 20 слоев, объемное содержание пьезокерамики 40 и 50% соответственно. Также желательно, чтобы максимальное выходное напряжение было одинаковым. Перед применением датчик калибруется, при этом одновременно измеряются напряжения на обоих элементах датчика. О величине измеряемого поля можно судить по величине выходного напряжения первого и второго элементов.

В табл.1 приведены зависимости выходного напряжения первого и второго элементов датчика от постоянного магнитного поля, объясняющие принцип работы датчика.

Каждой величине внешнего постоянного магнитного поля соответствует своя пара значений U_вых1 и U_вых2. В качестве примера на фиг.2 графически показаны значения полей и напряжений при напряжении на одном из элементов 0,4 В. Эти данные сведены в табл.1.

Таблица 1Зависимость выходного напряжения первого и второго элементов датчика (Фиг.2.) от постоянного магнитного поля.Выходное напряжениеНапряженность магнитного поля, Э.900102026003000U_вых1, В.0,350,40,50,4U_вых2, В.0,40,460,40,31

При проведении измерений с помощью предложенного датчика одновременно измеряется напряжение на элементе I и элементе II, измеренные напряжения сравниваются. Величина измеряемого постоянного магнитного поля рассчитывается по выходному напряжению элемента I, пока напряжение на элементе I будет меньше напряжения на элементе II (кривые до точки А). Если напряжение на элементе I будет меньше напряжения на элементе I, то величина поля рассчитывается по напряжению элемента II (кривые после точки А). Точка А, указанная на фиг.2, соответствует полю, при котором выходные напряжения двух МЭ элементов равны.

Имеется макет датчика со следующими параметрами:

Конструктивные и электрические параметры датчика постоянного магнитного поля:

- габариты датчика - 10×10×2 (мм);

- размер активной области - 20 мм²;

- внешний диаметр катушки - 10 мм;

- толщина катушки - 1 мм;

- ток катушки - 0,2 А.

Максимальная величина магнитного поля, измеренная макетом МЭ датчика, составила 3600 Э, это ограничение связано с применением МЭ материала на основе никелевого феррита. При применении многослойного МЭ материала на основе кобальтового феррита диапазон измеряемого магнитного поля будет увеличен до 10000 Э.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить диапазон измеряемых магнитных полей, повысить чувствительность и радиационную стойкость. Конструкция предлагаемого датчика проще конструкции прототипа. При изготовлении датчика постоянного магнитного поля применяются хорошо отработанные керамические технологии, что обуславливает его более низкую себестоимость по сравнению с прототипом.

Использование в измерительной технике, для преобразования магнитного поля в электрическое напряжение. Сущность изобретения: датчик содержит два магнитоэлектрических чувствительных элемента, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки, служащие для измерения напряжения. Чувствительные элементы выполнены из многослойного или объемного композиционного материала состава феррит - пьезокерамика с различным процентным содержанием пьезокерамики. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, радиационной стойкости и расширение диапазона измеряемых магнитных полей. 2 ил., 1 табл.

Датчик постоянного магнитного поля, содержащий подложку и два магнитоэлектрических чувствительных элемента, на торцы которых нанесены токопроводящие обкладки, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен подмагничивающей катушкой, а магнитоэлектрические чувствительные элементы, установленные соосно с катушкой, выполнены из многослойного или объемного композиционного магнитоэлектрического материала состава феррит - пьезокерамика с различным процентным содержанием пьезокерамики.