Способ измерения и картирования неоднородных переменных магнитных полей с использованием градиентного магнитоэлектрического сенсора Российский патент 2025 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к области измерений магнитных полей. Изобретение используется для измерения и картирования неоднородных переменных магнитных полей при помощи градиентного магнитоэлектрического сенсора. Применение изобретения - детектирование и картирование сверхслабых переменных неоднородных магнитных полей в промышленности, медицине и различных областях науки.

Одним из востребованных направлений развития измерений магнитных величин является детектирование сверхслабых переменных магнитных полей, которые имеют неоднородное распределение по исследуемому пространству. В настоящее время для практических задач, связанных с измерениями магнитных полей амплитудами вплоть до единиц фТл, реализовано применение только сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДы), для стабильного режима работы которых требуется соблюдение особых условий как низкие температуры в единицы градусов Кельвина. Магнитоэлектрические датчики хоть и не способны полностью достичь уровня чувствительности СКВИДов, однако могут стать им альтернативой в некоторых практических применениях, не требуя наличия криогенных температур для стабильной работы сенсора.

Существует способ визуализации и топографирования неоднородных магнитных полей [патент RU 2017182 С1, опубл. 30.07.1994 г.], создаваемых магнитными частицами, содержащимися в лакокрасочных покрытиях. Используется магнитная пленка с лабиринтной доменной структурой, на которую подаются мощные магнитные импульсы для разрушения магнитного упорядочения. При нахождении в детектируемом неоднородном магнитном поле от магнитных частиц происходит упорядочение магнитной структуры пленки. После изучения полученного упорядочения магнитной структуры методами прикладной магнитооптики получают распределение исследуемого неоднородного магнитного поля.

Недостатками изобретения являются: невозможность разрешения детектируемого поля менее размеров доменов в используемой пленке, отсутствие возможности определения амплитуды исследуемого поля, необходимость в подаче внешних мощных импульсов для размагничивания пленки, необходимость дополнительного оптического изучения полученной магнитной структуры на пленке и применимость способа только для постоянных магнитных полей, создаваемых только магнитными частицами.

Существует способ получения оптического изображения магнитного поля [патент RU 2118832 С1, опубл. 10.09.1998 г.] по изображению магнитной структуры пластины, соответствующей исследуемому магнитному полю. Перед детектированием пластину из магнитооптического материала нагревают до температуры выше температуры магнитного упорядочения (температуры Кюри) и помещают в исследуемое поле. После перемагничивания пластины внешним исследуемым полем ее магнитная структура определяется оптическими методами. В конечном итоге получают распределение магнитного поля в пространстве, которые занимала пластина во время измерений.

Недостатками изобретения являются: необходимость нагрева магнитооптической пластины перед измерениями, ограничение разрешения распределения исследуемого магнитного поля размерами доменов пластины, отсутствие возможности определения амплитуды исследуемого магнитного поля, необходимость дополнительного оптического изучения полученной магнитной структуры магнитооптической пластины, а также значительная длительность процесса измерения.

Существует способ топографирования неоднородного магнитного поля [патент RU 2017187 С1, опубл. 30.07.1994 г.], схожий со способом визуализации и топографирования неоднородных магнитных полей [патент RU 2017182 С1, опубл. 30.07.1994 г.], однако для упрощения и увеличения отношения сигнал / шум во время измерений регистрируют дифракционную картину в свете, регистрацию которой осуществляют с помощью матрицы фотоприемников.

Недостатками изобретения являются: невозможность разрешения детектируемого поля менее размеров доменов в используемой пленке, отсутствие возможности определения амплитуды исследуемого поля, необходимость в подаче внешних мощных импульсов для размагничивания пленки, необходимость дополнительного оптического изучения полученной магнитной структуры на пленке и применимость способа только для постоянных магнитных полей, создаваемых только магнитными частицами.

Наиболее близким по техническому решению является полезная модель [RU 193362 U1, опубл. 28.10.2019 г.] планарный магнитоэлектрический датчик постоянного магнитного поля. Через проводящие слои от внешнего источника пропускают переменный электрический ток с определенной частотой. Электрический ток создает между проводящими слоями переменное магнитное, которое воздействует на слой магнитострикционного материала. Это магнитное поле вызывает деформацию магнитострикционного материала, которая передается пьезоэлектрической пластине. В результате между электродами пьезоэлектрической пластины генерируется электрическое напряжение с той же частотой, как и у тока. При воздействии на датчик внешнего магнитного поля, направленного в плоскости структуры вдоль ее длинной оси, амплитуда напряжения линейно растет с увеличением внешнего магнитного поля, что и используется для его детектирования и определения.

Недостатками являются: необходимость подачи дополнительного тока для корректной работы, отсутствие режима работы с переменными полями, а также невозможность картирования переменного неоднородного магнитного поля.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является улучшение чувствительности к неоднородному переменному магнитному полю.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ измерения и картирования неоднородных переменных магнитных полей с использованием градиентного магнитоэлектрического сенсора включает измерение неоднородного переменного магнитного поля в каждой точке исследуемого пространства в течение одной минуты, перемещение вдоль горизонтальной и вертикальных осей, причем для измерения неоднородного переменного магнитного поля в точке в нее помещается градиентный магнитоэлектрический сенсор таким образом, чтобы его центр совпадал с этой точкой, под воздействием внешнего магнитного поля магнитострикционный слой деформируется вследствие эффекта магнитострикции, вместе с магнитострикционным слоем деформируются подмагничивающий слой, металлические электроды и пьезоэлектрический слой, в результате пьезоэлектрического эффекта в градиентном магнитоэлектрическом сенсоре образуется разность потенциалов на рабочих гранях, которая пропорциональна величине внешнего неоднородного переменного магнитного поля, электрический сигнал со структуры попадает на неинвертирующий канал операционного усилителя в режиме повторителя, после чего направляется в измерительный прибор, после измерения в первой точке градиентный магнитоэлектрический сенсор перемещается на один шаг вдоль горизонтальной оси в следующую координату при помощи системы позиционирования, состоящей из держателя, прецизионной подвижки, винтовой оси и шагового двигателя, после перемещения градиентного магнитоэлектрического сенсора измерения повторяются, при проведении измерений на всем горизонтальном уровне градиентный магнитоэлектрический сенсор возвращается в первую точку такого уровня, а затем меняется его вертикальная координата на один шаг, и все измерения повторяются на всем новом горизонтальном уровне, после окончания всех измерений производится рачет сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора как среднеквадратичная величина всех полученных в течение одной минуты данных, в конечном итоге строится зависимость величины сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора в зависимости от его координаты в исследуемом пространстве, причем в качестве градиентного магнитоэлектрического сенсора использована магнитоэлектрическая структура «титан / бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза / титан / никель / метглас марки 2826МВ», где титан выступал в роли металлических электродов, бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза - пьезоэлектрического слоя, никель - подмагничивающего слоя, а метглас марки 2826МВ - магнитострикционного слоя.

Изобретение поясняется фигурами, где:

На фиг. 1 представлен градиентный магнитоэлектрический сенсор;

На фиг. 2 представлена измерительная плата с градиентным магнитоэлектрическим сенсором;

На фиг. 3 представлено взаимное расположение градиентного магнитоэлектрического сенсора с измерительной платой в экранирующем корпусе и системы позиционирования;

1 - магнитострикционный слой;

2 - подмагничивающий слой;

3 - металлические электроды;

4 - пьезоэлектрический слой;

5 - операционный усилитель;

6 - сапфировые прокладки держателя;

7 - немагнитный крепеж держателя;

8 - поликоровоя пластина;

9 - металлические провода;

10 - экранирующий корпус;

11 - держатель;

12 - прецизионная подвижка;

13 - винтовая ось;

14 - шаговый двигатель.

На фиг. 4 представлен результат измерения неоднородного переменного магнитного поля, генерируемого единичным проводом длиной 100 мм и диаметром 0.1 мм, по которому протекал ток амплитудой 50 мА с частотой 232 Гц.

На фиг. 5 представлен результат измерения неоднородного переменного магнитного поля, генерируемого катушкой индуктивности диаметром 22 мм и количеством витков 127, по которой протекал ток амплитудой 50 мА с частотой 232 Гц.

Способ осуществляется следующим образом.

Для измерения неоднородного переменного магнитного поля в точке в нее помещается градиентный магнитоэлектрический сенсор таким образом, чтобы его центр совпадал с этой точкой. Под воздействием внешнего неоднородного магнитного поля магнитострикционный слой 1 деформируется вследствие эффекта магнитострикции. Вместе с магнитострикционным слоем деформируются подмагничивающий слой 2, металлические электроды 3 и пьезоэлектрический слой 4. В результате пьезоэлектрического эффекта в градиентном магнитоэлектрическом сенсоре образуется разность потенциалов на рабочих гранях, которая пропорциональна величине внешнего неоднородного переменного магнитного поля. Электрический сигнал со структуры попадает на неинвертирующий канал операционного усилителя 5 в режиме повторителя, после чего направляется в измерительный прибор. Зная чувствительность градиентного магнитоэлектрического сенсора к неоднородному переменному магнитному полю, по величине выходного сигнал определяется амплитуда неоднородного переменного магнитного поля.

Для картирования неоднородного переменного магнитного поля градиентный магнитоэлектрический сенсор, закрепленный на измерительную плату с помощью держателя из сапфировых прокладок 6, немагнитного крепежа 7, поликоровой пластины 8 и металлических проводов 9, выставляется в первую крайнюю координату исследуемого пространства таким образом, чтобы его центр совпадал с этой точкой. Под воздействием внешнего магнитного поля магнитострикционный слой 1 деформируется вследствие эффекта магнитострикции. Вместе с магнитострикционным слоем деформируются подмагничивающий слой 2, металлические электроды 3 и пьезоэлектрический слой 4. В результате пьезоэлектрического эффекта в градиентном магнитоэлектрическом сенсоре образуется разность потенциалов на рабочих гранях, которая пропорциональна величине внешнего неоднородного переменного магнитного поля. Электрический сигнал со структуры попадает на неинвертирующий канал операционного усилителя 5 в режиме повторителя, после чего направляется в измерительный прибор. Для уменьшения влияния электростатических наводок на результат измерений градиентный магнитоэлектрический сенсор с измерительной платой помещены в экранирующий корпус 10. Для набора статистики и большей достоверности результатов способа выходной сигнал с градиентного магнитоэлектрического сенсора детектируется в течение одной минуты. После измерения в первой точке градиентный магнитоэлектрический сенсор перемещается на один шаг вдоль горизонтальной оси в следующую координату при помощи системы позиционирования, состоящей из держателя 11, прецизионной подвижки 12, винтовой оси 13 и шагового двигателя 14. После перемещения градиентного магнитоэлектрического сенсора измерения повторяются. При проведении измерении на всем горизонтальном уровне градиентный магнитоэлектрический сенсор возвращается в первую точку такого уровня, а затем меняется его вертикальная координата на один шаг, и все измерения повторяются на всем новом горизонтальном уровне. После окончания всех измерений производится расчет сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора как среднеквадратичная величина всех полученных в течение одной минуты данных. В конечном итоге строится зависимость величины сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора в зависимости от его координаты в исследуемом пространстве.

Пример 1

Разработанным способом проведено картирование неоднородного переменного магнитного поля от единичного провода диаметром 0.1 мм и длиной 100 мм, по которому протекал ток амплитудой 50 мА с частотой 232 Гц.

В качестве градиентного магнитоэлектрического сенсора использована магнитоэлектрическая структура «титан (100 нм) / бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза (500 мкм) / титан (100 нм) / никель (25 мкм) / метглас марки 2826МВ (27 мкм)», где титан выступал в роли металлических электродов, бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза - пьезоэлектрического слоя, никель - подмагничивающего слоя, а метглас марки 2826МВ - магнитострикционного слоя. Линейные размеры градиентного магнитоэлектрического сенсора - 30×5×0.5 мм. Измерительная плата выполнена из текстолита с П-образной формой. В качестве операционного усилителя выбрана малошумящая модель ADA4530. В качестве измерительного прибора использован синхронный детектор Zurich MFLI Lock-in Amplifier. Экранирующий корпус выполнен из алюминиевых листов. В системе прецизионного позиционирования использованы вертикальная подвижка GCM-V25M для установки координаты вдоль вертикальной оси и горизонтальная подвижка GCD-202050M с шаговым двигателем для выставления координаты вдоль горизонтальной оси.

Картирование проводилось в плоскости, перпендикулярной длине исследуемого провода, с шагом в 2 мм по вертикальной оси и в 1 мм по горизонтальной оси. Размеры исследуемого участка пространства - 20×20 мм. Нулевая точка системы координат соответствует расположению провода. В каждой точке измерение сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора проводилось в течение одной минуты. Результат измерений представлен на фиг. 4.

Пример 2

Разработанным способом проведено картирование неоднородного переменного магнитного поля от катушки индуктивности диаметром 22 мм, по которой протекал ток амплитудой 50 мА с частотой 232 Гц.

В качестве градиентного магнитоэлектрического сенсора использована магнитоэлектрическая структура «титан (100 нм) / бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза (500 мкм) / титан (100 нм) / никель (25 мкм) / метглас марки 2826МВ (27 мкм)», где титан выступал в роли металлических электродов, бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза - пьезоэлектрического слоя, никель - подмагничивающего слоя, а метглас марки 2826МВ - магнитострикционного слоя. Линейные размеры градиентного магнитоэлектрического сенсора - 30×5×0.5 мм. Измерительная плата выполнена из текстолита с П-образной формой. В качестве операционного усилителя выбрана малошумящая модель ADA4530. В качестве измерительного прибора использован синхронный детектор Zurich MFLI Lock-in Amplifier. Экранирующий корпус выполнен из алюминиевых листов. В системе прецизионного позиционирования использованы вертикальная подвижка GCM-V25M для установки координаты вдоль вертикальной оси и горизонтальная подвижка GCD-202050M с шаговым двигателем для выставления координаты вдоль горизонтальной оси.

Картирование проводилось в плоскости симметрии соленоида с шагом в 2 мм и в 1 мм по горизонтальной оси. Размеры исследуемого участка пространства - 22×20 мм. Нулевая точка системы координат соответствует точке, в которой торец градиентного магнитоэлектрического сенсора отстоит на 2 мм от крайнего витка катушки индуктивности. В каждой точке измерение сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора проводилось в течение одной минуты. Результат измерений представлен на фиг. 5.

Использование: для измерения и картирования неоднородных переменных магнитных полей. Сущность изобретения заключается в том, что посредством градиентного магнитоэлектрического сенсора измеряют неоднородное переменное магнитное поле в каждой точке исследуемого пространства в течение одной минуты, выполняя перемещение магнитоэлектрического сенсора вдоль горизонтальной и вертикальных осей, причем после окончания всех измерений производится расчет сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора как среднеквадратичная величина всех полученных в течение одной минуты данных, в конечном итоге строится зависимость величины сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора в зависимости от его координаты в исследуемом пространстве, причем в качестве градиентного магнитоэлектрического сенсора использована магнитоэлектрическая структура «титан / бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза / титан / никель / метглас марки 2826МВ», где титан выступал в роли металлических электродов, бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза - пьезоэлектрического слоя, никель - подмагничивающего слоя, а метглас марки 2826МВ - магнитострикционного слоя. Технический результат: обеспечение улучшения чувствительности к неоднородному переменному магнитному полю. 5 ил.

Способ измерения и картирования неоднородных переменных магнитных полей с использованием градиентного магнитоэлектрического сенсора, включающий измерение неоднородного переменного магнитного поля в каждой точке исследуемого пространства в течение одной минуты, перемещение вдоль горизонтальной и вертикальных осей, отличающийся тем, что для измерения неоднородного переменного магнитного поля в точке в нее помещается градиентный магнитоэлектрический сенсор таким образом, чтобы его центр совпадал с этой точкой, под воздействием внешнего магнитного поля магнитострикционный слой деформируется вследствие эффекта магнитострикции, вместе с магнитострикционным слоем деформируются подмагничивающий слой, металлические электроды и пьезоэлектрический слой, в результате пьезоэлектрического эффекта в градиентном магнитоэлектрическом сенсоре образуется разность потенциалов на рабочих гранях, которая пропорциональна величине внешнего неоднородного переменного магнитного поля, электрический сигнал со структуры попадает на неинвертирующий канал операционного усилителя в режиме повторителя, после чего направляется в измерительный прибор, после измерения в первой точке градиентный магнитоэлектрический сенсор перемещается на один шаг вдоль горизонтальной оси в следующую координату при помощи системы позиционирования, состоящей из держателя, прецизионной подвижки, винтовой оси и шагового двигателя, после перемещения градиентного магнитоэлектрического сенсора измерения повторяются, при проведении измерений на всем горизонтальном уровне градиентный магнитоэлектрический сенсор возвращается в первую точку такого уровня, а затем меняется его вертикальная координата на один шаг, и все измерения повторяются на всем новом горизонтальном уровне, после окончания всех измерений производится расчет сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора как среднеквадратичная величина всех полученных в течение одной минуты данных, в конечном итоге строится зависимость величины сигнала с градиентного магнитоэлектрического сенсора в зависимости от его координаты в исследуемом пространстве, причем в качестве градиентного магнитоэлектрического сенсора использована магнитоэлектрическая структура «титан / бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза / титан / никель / метглас марки 2826МВ», где титан выступал в роли металлических электродов, бидоменный кристалл ниобата лития Y+128° среза - пьезоэлектрического слоя, никель - подмагничивающего слоя, а метглас марки 2826МВ - магнитострикционного слоя.