Датчик магнитного поля с частотным выходом на основе магнитодиода Российский патент 2024 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к области измерения электромагнитного поля, а более конкретно к датчикам магнитного поля (ДМП) на основе мультивибраторной схемы с магнитодиодом в качестве чувствительного элемента.

С быстрым развитием информационных устройств и устройств измерения и контроля спрос на магнитные датчики, которые имеют небольшие размеры, низкую стоимость, высокую чувствительность и высокий отклик, все больше и больше возрастает.

Многие датчики магнитного поля, такие как элементы на эффекте Холла, магнитотранзисторы, магнеты и магнитодиоды, давно известны из уровня техники. Пример классического магниточувствительного полупроводникового устройства раскрыт в патенте US 4100563 A, опубликованном 11.07.1978. Такие устройства для измерения магнитного поля обычно имеют относительно низкую чувствительность к изменениям напряженности магнитного поля.

Датчики с частотным выходом (ДЧВ), в которых внешнее воздействие изменяет частоту выходного сигнала имеют ряд преимуществ, по сравнению с аналоговыми датчиками. ДЧВ имеют высокую помехозащищённость и позволяют во многих случаях отказаться от блоков усиления и АЦП, что удешевляет стоимость таких преобразователей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому датчику магнитного поля является измеритель уровня напряженности электромагнитного поля коротковолнового диапазона в зоне индукции, описанный в патенте RU 110194 U1, опубликованном 10.11.2011. Известное устройство включает дипольную антенну, внутри которой расположены и последовательно подключенные к ней амплитудный детектор на диоде, мультивибратор на двух транзисторах, питаемых аккумулятором, с СИДом, включенным в эмиттер второго транзистора, а также последовательно соединенные элементы фотоприемника: фотодетектор на фототранзисторе, усилитель электрических сигналов на транзисторах, одновибратор на транзисторах, детектор видеоимпульсов с ЧИМ, состоящий из конденсатора, двух диодов нижних частот (ФНЧ), в состав которого входит регистрирующий прибор. Недостатком известного устройства является излишняя конструктивная сложность, что в свою очередь затрудняет уменьшение размеров всего датчика, а также излишне увеличивает потребляемую мощность. Кроме того, недостатком известного устройства является низкая чувствительность и помехозащищенность.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание датчика магнитного поля с высокой чувствительностью и помехозащищённостью без использования блоков усиления и АЦП.

Техническим результатом является повышение чувствительности измерения величины и направления магнитной индукции, повышение помехозащищенности.

Датчик магнитного поля (ДМП) с частотным выходом на основе магнитодиода содержит мультивибраторную схему, магниточувствительный элемент на основе магнитодиода, схему формирования импульсного сигнала, схему элементов отрицательной обратной связи. Частотный сигнал мультивибратора поступает на схему формирования импульсного сигнала, включающего в себя магнитодиод. Сформированный импульсный сигнал поступает через схему элементов отрицательной обратной связи на схему мультивибратора, изменяя, в зависимости от величины магнитного поля, частоту выходных импульсов ДМП.

На фиг. 1 представлена структурная схема датчика магнитного поля с частотным выходом на основе магнитодиода.

На фиг. 2 представлена электрическая принципиальная схема датчика магнитного поля с частотным выходом на основе магнитодиода.

Датчик магнитного поля включает (см. Фиг. 1) в себя мультивибраторную схему, магнитодиод в качестве чувствительного элемента, схему формирования прямоугольных импульсов, схему элементов отрицательной обратной связи (ООС). Выходные сигналы мультивибратора и схемы элементов отрицательной обратной связи являются выходными сигналами устройства. Данные с выхода мультивибратора и схемы элементов отрицательной обратной связи поступают на устройство отображения, например, осциллограф.

Устройство датчика с частотным выходом (ДЧВ) основано на автогенераторной схеме с магнитодиодом в качестве чувствительного элемента. В зависимости от выбранной конструкции магнитодиод может реагировать как на величину, так и на направление магнитной индукции.

Принцип работы такой схемы ДЧВ на основе магнитодиода (Фиг. 2) основан на следующем. Мультивибратор (Q1, Q2) вырабатывает выходные импульсы определённой частоты, которые поступают на схему формирователя импульсного сигнала, включающую в себя элементы С5, R7, Q3, Q4 и магнитодиод D1.

При поступлении импульса от мультивибратора происходит его дифференцирование на RC цепи (элементы C5, D1, R7), а воздействие магнитного поля влияет на сопротивление магнитодиода D1, изменяя время формирования импульсного сигнала (частота импульсов).

Далее положительный импульс поступает через ООС (C3, R8) на базу транзистора мультивибратора, изменяя его смещение. При воздействии магнитного поля меняется частота передачи импульса, что изменяет смещение транзистора и частоту выходного сигнала. Изменение частоты является мерой воздействия магнитного поля на ДЧВ.

В качестве элементной базы датчика согласно схеме на Фиг. 2, выбраны:

Q1, Q2, Q3, Q4 - транзисторы типа ВС 847В;

D1 - магнитодиод серии КД 301В;

C1, C2, C5 - 100 нФ; C3 - 200 нФ;

R1, R3 - 30 кОм; R2, R4, R5 - 390 кОм; R7 - 1 кОм; R8 - 75 кОм; R9, R10 - Ом.

Указанные параметры приведены в качестве примера. В зависимости от требований к чувствительности датчика могут быть выбраны элементы с другими параметрами.

Работоспособность схемы промоделирована в программе Multisim и проверена в реальном макете. Чувствительность составила 20 Гц/ мТл в диапазоне магнитного поля от 0 до 50 млТ. В качестве магниточувствительного элемента был использован магнитодиод серии КД 301В.

По сравнению с аналоговыми датчиками предлагаемый датчик магнитного поля имеет высокую чувствительность и помехозащищённость, а также позволяет отказаться от блоков усиления и АЦП, что в свою очередь упрощает конструкцию и позволяет производить датчики малых размеров и низким энергопотреблением. Выходной сигнал в виде частоты пропорционален величине магнитной индукции. Такие датчики с частотным выходом (ДЧВ) могут быть использованы в авиа- и автостроении, космической технике, медицине, а также в «умном доме».

Изобретение относится к области измерения электромагнитного поля, а именно к датчикам магнитного поля на основе мультивибраторной схемы с магнитодиодом в качестве чувствительного элемента. Технический результат: повышение чувствительности и помехозащищенности. Датчик магнитного поля с частотным выходом на основе магнитодиода содержит мультивибраторную схему, магниточувствительный элемент на основе магнитодиода, схему формирования импульсного сигнала, схему элементов обратной связи. Схема формирования импульсного сигнала включает магниточувствительный элемент на основе магнитодиода и RC-цепь для дифференцирования импульсного сигнала мультивибратора. Выход мультивибраторной схемы является выходом устройства и подключен к входу схемы формирования импульсного сигнала, выход которой подключен к входу схемы элементов отрицательной обратной связи. Выход схемы элементов отрицательной обратной связи является выходом устройства и подключен к входу мультивибраторной схемы. 2 ил.

Датчик магнитного поля с частотным выходом на основе магнитодиода, содержащий мультивибраторную схему, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему формирования импульсного сигнала, включающую магниточувствительный элемент на основе магнитодиода и RC-цепь для дифференцирования импульсного сигнала мультивибратора, и схему элементов отрицательной обратной связи, причем выход мультивибраторной схемы является выходом устройства, а также подключен к входу схемы формирования импульсного сигнала, выход которой подключен к входу схемы элементов отрицательной обратной связи, выход которой является выходом устройства, а также подключен к входу мультивибраторной схемы.