Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей Российский патент 2024 года по МПК G01R33/34 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения магнитных полей в широком диапазоне частот.

Известен датчик слабых магнитных полей [Патент РФ № 2682076, МПК G01R 33/24, опубл. 14.03.2019, Бюл. №8], содержащий СВЧ-генератор, чувствительный элемент на основе тонкой магнитной пленки, помещенной в микрополосковый резонатор, магнитную систему, амплитудный детектор, операционный усилитель, модуляционный ВЧ-генератор, компенсационную схему и схему синхронного детектирования. Направления высокочастотного магнитного поля и постоянного магнитного поля смещения совпадают с осью трудного намагничивания (ОТН) тонкой магнитной пленки. Направления измеряемого, компенсационного и модулирующего поля перпендикулярны ОТН тонкой магнитной пленки.

Известен тонкопленочный магнитометр слабых магнитных полей [Патент РФ № 2712926, МПК G01R 33/05, опубл. 03.02.2020, Бюл. №4], содержащий тонкую магнитную пленку, размещенную в микрополосковом резонаторе; СВЧ-генератор; амплитудный детектор; низкочастотный генератор тока; синхронный детектор; модуляционные кольца Гельмгольца; компенсационные кольца Гельмгольца. Под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки с помощью модуляционных колец Гельмгольца и низкочастотного генератора тока формируется модулирующее поле, причем амплитуда этого поля больше величины поля анизотропии тонкой магнитной пленки.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является широкополосный высокочувствительный датчик слабых магнитных полей [Патент РФ № 2761319, G01R 33/24, опубл. 07.12.2021 (прототип)], содержащий СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи и катушку обратной связи.

Общим недостатком всех известных датчиков слабых магнитных полей является сложность конструкции и большие габариты датчика, обусловленные наличием, как правило, двух резонаторов с тонкими магнитными пленками и необходимостью использования многосекционной компенсационной катушки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение его конструкции и уменьшение габаритов устройства без повышения уровня собственных шумов и уменьшения ширины полосы частот измеряемых магнитных полей.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в малогабаритном широкополосном датчике слабых магнитных полей, содержащем печатный узел с СВЧ-генератором, микрополосковый резонатор, тонкую магнитную пленку, амплитудный детектор, а также компенсационную катушку и постоянный магнит новым является то, что используется один резонатор, расположенный в центре односекционной компенсационной катушки, выполненный в виде катушки индуктивности из двух или более витков изолированного провода, где сердечником является тонкая магнитная пленка.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что использование одного резонатора, расположенного в центре отклоняющейся односекционной компенсационной катушки и выполненного в виде катушки индуктивности из двух или более витков изолированного провода, позволяет увеличить индуктивную связь между тонкой магнитной пленкой и катушкой резонатора. Таким образом, заявляемое устройство отличается простотой конструкции и малыми габаритами устройства, в сравнении с прототипом и позволяет измерять магнитные поля в широкой полосе частот с низким уровнем собственных шумов.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция малогабаритного широкополосного датчика слабых магнитных полей с разнесенными частями. На фиг. 2 показана конструкция малогабаритного широкополосного датчика магнитных полей с поднятой верхней крышкой, а блок-схема устройства показана на фиг. 3. Экспериментальные исследования датчика показаны на фиг. 4.

Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей содержит (фиг. 1) печатный узел (1) с расположенным на нем СВЧ-генератором и амплитудным детектором, резонатор (2), тонкую магнитную пленку (3). СВЧ-генератор и амплитудный детектор печатного узла (1) экранированы от влияния внешнего электромагнитного поля экраном (4). Тонкая магнитная пленка (3) расположена на краю печатного узла (1) в центре индуктивной части резонатора (2), выполненного в виде обмотки из нескольких витков одножильного изолированного провода. Резонатор (2) с тонкой магнитной пленкой (3) находятся в центре односекционной компенсационной катушки (5), магнитное поле которой направлено ортогонально высокочастотному магнитному полю резонатора (2). На катушке закреплен постоянный магнит (6), поле которого направлено ортогонально магнитному полю компенсационной катушки (5). Внутренние элементы малогабаритного широкополосного датчика слабых магнитных полей закреплены (фиг. 2) в круглом корпусе (7), с крышкой (8).

Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей работает следующим образом. На фиг. 3 показана блок-схема работы устройства. Сигнал от СВЧ-генератора поступает на резонатор (2), возбуждающий высокочастотное переменное магнитное поле в области тонкой магнитной пленки (3). Сигнал с выхода резонатора (2) поступает на вход амплитудного детектора, работающего в режиме удвоения сигнала. С выхода детектора полезный сигнал поступает на вход усилителя, один из выходов которого соединен с компенсационной катушкой (5), а другой служит выходом устройства. Особенностью работы устройства является необходимость регулировки направления магнитного поля компенсационной катушки (5) относительно оси чувствительности тонкой магнитной пленки в диапазоне ±25 градусов, что обеспечивается предложенной круглой конструкцией корпуса устройства.

Заявляемое устройство было изготовлено и испытано. Проведенные экспериментальные исследования (результаты измерений представлены на фиг. 4) показали, что упрощение конструкции и уменьшение габаритов устройства позволяет проводить измерения слабых магнитных полей в широком диапазоне частот – от 0,1 Гц до 1 МГц с уровнем собственных шумов устройства не более 12 пТл/Гц^½.

Изобретение относится к измерительной технике. Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей содержит печатный узел с СВЧ-генератором, резонатор, тонкую магнитную пленку, амплитудный детектор, а также компенсационную катушку и постоянный магнит, при этом используется один резонатор, расположенный в центре отклоняющейся односекционной компенсационной катушки, выполненный в виде катушки индуктивности из двух или более витков изолированного провода, где сердечником является тонкая магнитная пленка. Технический результат – упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров устройства. 4 ил.

Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей, содержащий печатный узел с СВЧ-генератором, резонатор, тонкую магнитную пленку, амплитудный детектор, а также компенсационную катушку и постоянный магнит, отличающийся тем, что используется один резонатор, расположенный в центре отклоняющейся односекционной компенсационной катушки, выполненный в виде катушки индуктивности из двух или более витков изолированного провода, где сердечником является тонкая магнитная пленка.