Датчик магнитного поля с частотным выходом на основе магнитотранзистора 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 магнитотранзисторами 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.

Датчики магнитного поля (ДМП) используются во многих областях науки и техники, и обычно воздействие магнитной индукции преобразуется в аналоговый электрический сигнал, пропорциональный величине магнитного поля. Одним из магниточувствительных элементов является биполярный магнитотранзистор (МТ), конструкция которого позволяет при воздействии магнитного поля изменять эффективную длину базы и отклонять носители от коллектора, что приводит к изменению коэффициента передачи тока и соответственно тока коллектора МТ. Главным недостатком транзисторов является сложность получения номинальной статической характеристики из-за разброса их основных параметров. Одним из способов решения этих проблем является создание датчика магнитного поля, в котором задержка информационного сигнала является мерой воздействия магнитной индукции.

Датчики магнитного поля используют различные типы чувствительных элементов магнитного поля, например, элементы на эффекте Холла, магнитсопротивления и др., которые соединены с различными электронными устройствами, расположенными на общей подложке. Чувствительный элемент магнитного поля (и датчик магнитного поля) может характеризоваться различными рабочими характеристиками, одной из которых является чувствительность, что представляет собой амплитуду выходного сигнала в зависимости от магнитного поля.

Многие датчики магнитного поля, такие как элементы на эффекте Холла, магнитотранзисторы 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является датчик магнитного поля с автоматической настройкой чувствительности, описанный в патенте US 7923996 B2, опубликованном 12.04.2011. Известное устройство содержит чувствительный элемент магнитного поля, предназначенный для формирования выходного сигнала, содержащего часть сигнала, чувствительного к первичному магнитному полю, схему обратной связи, которая содержит проводник тока, расположенный вблизи чувствительного элемента магнитного поля для создания второго магнитного поля и схему повторного расчета, сконфигурированную для генерации сигнала повторной настройки по вторичному магнитному полю, а так же схему регулировки усиления, имеющую узел повторной регулировки, подключенный для приема сигнала регулировки усиления, сконфигурированную для регулировки чувствительности.

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.

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

Техническим результатом является повышение помехозащищенности датчика, чувствительности и точности измерения величины и направления магнитной индукции, упрощение конструкции и снижение энергопотребления.

Датчик магнитного поля (ДМП) с частотным выходом на основе магнитотранзистора содержит мультивибраторную схему, схему формирования и передачи импульсного сигнала состоящую из N - звеньев, причём каждое звено (ячейка) представляет собой формирователь импульсного сигнала и включает магниточувствительный элемент на основе магнитотранзистора и RC цепь для дифференцирования импульсного сигнала мультивибраторной схемы. Частотный сигнал мультивибратора поступает на схему формирования и передачи импульсного сигнала. Сформированный импульсный сигнал поступает через схему элементов отрицательной обратной связи на мультивибраторную схему, изменяя, в зависимости от величины магнитного поля, частоту выходных импульсов датчика магнитного поля.

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

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

Датчик магнитного поля (ДМП) включает (см. Фиг. 1) в себя мультивибраторную схему и схему формирования и передачи импульсного сигнала (информационных сигналов), состоящую из ячеек, которые содержат одноколлекторный магнитотранзистор, емкость и сопротивления, связанных между собой емкостной связью. Выход каждой ячейки соединен со входом следующей. 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.

Принцип работы такой схемы датчика с частотным выходом (ДЧВ) на основе магнитотранзистора (Фиг. 2) основан на следующем. Мультивибратор (Q1, Q2) вырабатывает выходные прямоугольные сигналы определенной частоты, поступающие на схему формирования и передачи импульсного сигнала (Q3-Qn), который передается по цепочке (N - звеньев, Q3…Q7…Qn) через отрицательную обратную связь (C6, R11) на один из транзисторов мультивибратора. При поступлении от мультивибратора импульса на первую (Q3) ячейку происходит его дифференцирование на элементе RC (R7, C5), а далее положительный импульс открывает транзистор. Время открытого состояния определяется длительностью импульса и временем рекомбинации неосновных носителей в базе, которое в свою очередь зависит от тока коллектора. Причем ток коллектора будет зависеть как от величины, так и от направления магнитного поля. Воздействие магнитного поля приводит к задержке импульса в каждой ячейке. Таким образом, импульс поданный на первую ячейку будет последовательно распространяться по всем ячейкам датчика, а задержка расти с увеличением количества ячеек.

При воздействии магнитного поля время распространения сигнала по цепочке изменяется (зависит как от индукции магнитного поля, так и от количества звеньев в ДМП), что влияет на частоту выходного сигнала. Далее импульс с последней ячейки передается через отрицательную обратную связь (ООС) на базу одного из транзисторов мультивибратора, изменяя смещение транзистора и частоту мультивибратора и ДМП. Изменение частоты и является мерой величины магнитного поля. Число звеньев в цепочке формирования и передачи импульсного сигнала позволяет изменять точность измерения индукции магнитного поля.

Такие датчики относятся к устройствам с частотным выходом (ДЧВ), причем частота сигнала или ее изменение является мерой внешнего воздействия. Понятно, что точность определения частоты определяется относительной погрешностью измеренного на выходе устройства количества импульсов за единичный интервал времени.

То есть, чем больше импульсов сосчитано на выходе датчика, тем выше точность измерения. Так как в такой системе частота определяется временем задержки, то частота должна изменятся от минимально фиксируемого значения МП с учетом помех хотя бы на 1% номинального значения частоты. Например, при номинальной частоте (частота мультивибратора без магнитного поля) 1000 Гц она должна составлять 10 Гц. Если каждая ячейка линии задержки изменяет частоту сигнала на 1 Гц (это зависит от характеристик чувствительности), то достаточно 10 ячеек, чтобы соответствовать этому критерию. При увеличении числа ячеек до 100 изменение частоты составит 100 Гц, что увеличивает точность измерений, но может вносить дополнительные помехи в измерительный тракт. Поэтому число должно быть оптимально необходимым.

Таким образом, точность измерения ДЧВ определяется номинальной частотой, числом ячеек и чувствительностью каждого транзистора в ячейке (см. формулу ниже).

δ = δ_кв +

N= f_n ± f_i×n, где

δ_кв - погрешность измерительного тракта,

N - число импульсов на выходе ДЧВ в с,

f_n - номинальная частота (без магнитного поля),

f_i - частота задержки каждой ячейки,

n - число ячеек.

Чувствительность такого ДЧВ определяется характеристиками отдельного магнитотранзистора и так же зависит от их разброса в каждой ячейке. В интегральном исполнении транзисторы обладают практически одинаковыми свойствами. Дополнительным преимуществом датчика является небольшое энергопотребление, которое не зависит от количества ячеек, т.к. каждая ячейка включается только в момент прихода информационного импульса.

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

Q1, Q2 - транзисторы типа ВС 847В;

Q3 … Q7 (n) - биполярные магнитотранзисторы;

C1, C2, C3, C5 - 100 нФ, C4, C6, C8, C11 - 150 нФ;

R1, R3 - 30 кОм, R2, R4, R5, R6, R12, R15, R18 - 390 Ом, R7, R8, R13, R16, R19 - 1 кОм, R9, R10 - 2 Ом, R11 - 75 кОм.

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 от 2 до 20 Гц/ мТл.

По сравнению с аналоговыми датчиками предлагаемый датчик магнитного поля имеет высокую чувствительность, помехозащищённость и точность измерения, а также позволяет отказаться от блоков усиления и АЦП, что в свою очередь упрощает конструкцию и позволяет производить датчики малых размеров с низким энергопотреблением. Выходной сигнал в виде частоты пропорционален как магнитной индукции, так числу звеньев в цепочке формирователей (по сути, линия задержки), от количества которых зависит точность измерения выходного сигнала. 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 магнитотранзисторами в качестве чувствительного элемента. Технический результат: повышение помехозащищенности, чувствительности и точности измерения величины и направления магнитной индукции, упрощение конструкции и снижение энергопотребления. Датчик магнитного поля (ДМП) с частотным выходом на основе магнитотранзистора содержит мультивибраторную схему, схему формирования и передачи импульсного сигнала, состоящую из N звеньев, схему элементов обратной связи. Каждое звено схемы формирования и передачи импульсного сигнала включает магниточувствительный элемент на основе магнитотранзистора и RC цепь для дифференцирования импульсного сигнала. Выход мультивибраторной схемы является выходом устройства и подключен ко входу схемы формирования и передачи импульсного сигнала. Выход схемы формирования и передачи импульсного сигнала подключен ко входу схемы элементов отрицательной обратной связи, выход которой подключен ко входу мультивибраторной схемы и также является выходом устройства. 2 ил.

Датчик магнитного поля (ДМП) с частотным выходом на основе магнитотранзистора, содержащий схему элементов отрицательной обратной связи, отличающийся тем, что дополнительно содержит мультивибраторную схему, схему формирования и передачи импульсного сигнала, состоящую из N звеньев, причем каждое звено представляет собой формирователь импульсного сигнала и включает магниточувствительный элемент на основе магнитотранзистора и RC цепь для дифференцирования импульсного сигнала, причем выход мультивибраторной схемы является выходом устройства, а также подключен ко входу схемы формирования и передачи импульсного сигнала, выход которой подключен ко входу схемы элементов отрицательной обратной связи, выход которой подключен ко входу мультивибраторной схемы, а также является выходом устройства.