Датчик магнитного поля Советский патент 1981 года по МПК G01R33/02 

(54) ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к магнитным измерениям. Известен датчик магнитного поля, действие которого основано на эффекте магнитосопротивления. Датчик выполнен в виде диска из полупроводникового материала 1 . Недостаток датчика заключается в его невысокой точности. Наиболее близким к предложенному является датчик, который предназначе для измерения вертикальной составляю щей магнитного поля. Этот датчик содержит чувствительный элемент с элек тродами, магнитная ось которого постоянно ориентируется по вертикаши с помощью маятника, укрепленного в сис теме карданова подвеса. На маятникеукреплены также компенсационный магнит и система демпфирующих магнитов перемещающихся при колебаниях маятни ка в непосредственной близости от не подвижно закрепленной проводящей поверхности (тарелка из отожженной меди) С21. Недостаток известного датчика зак лючается в его невысокой точности. Цель изобретения -. повышение точности измерений, Цель достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем полупроводниковый чувствительный элемент с двумя электродами и систему демпфирования, чувствительный элемент выполнен в виде шара, на наружной поверхности которого по образукэщей диаметральной плоскости нанесен опоясывающий слой проводящего материала, а перпендикулярно диаметральной плоскости по радиусу шара, выполнен сквозной канал, при этом один электрод закреплен на опоясывающем слое проводящего материала, а второй электрод размещен в сквозном канале и жестко закреплен в центре шара. На фиг. 1 изображен .датчик; на фир. 2 - принцип действия датчика. Датчик представляет собой чувствительный элемент в виде шара 1, выполненный из полупроводникового материала, обеспечивающего эффект магнитосопротивления, на наружную поверхность которого в виде пояса нанесен тонкий слой проводящего материала 2. Проводник, закрепленный на этом слое, является одним электродом 3. Другим электродом 4 является проводник,закрепленный в центре шара 1 в канале

5 и изолированный от его стенок изолятором б. Нижняя часть 7 шара 1 выполнена из материала с большим удельным весом и выполняет роль груза.Шар 1 целиком погружен свободноплавающим в жидкость 8, которая заключена в закрытом корпусе 9.

Предполагают, что датчик помещен во внешнее магнитное поле и его вертикальная составляющая Hg приложена (В точке О - центре шара 1. Рассматривают часть шара 1, ограниченную по ее п оверхности слоем проводника в виде пояса, а снизу и сверху условными сечениями 10 и 11 .(на фиг. 2 - заштрихованная область).Эту область разбивают на большое число дисков Корбино и рассматривают любые два из них, например, граничные диски 12 и 13, лежащие в разных плоскостях.

Максимальный эффект магнитосопротивления наблюдается в диске Корбино в направлении, перпендикулярном току, поэтому диск 12 может регистрировать не величину вертикальной составляющей Н, а величину ее проекции Н на направление OL, которое перпендикулярно плоскости диска 12, и следовательно, перпендикулярно току в нем. Аналогично, диск 13 может регистрировать величину проекции Н на направление OL. Если рассмотреть другие диски Корбино, на которые разбита область, то можно придти к выводу, что каждый из них регистрирует величину проекций одного и того же вектора -Н на различные направления. Если устремить число таких дисков к бесконечности и принять во внимание,что все они включены квазипараллельно (у них один общий электрод - центральный , а в качестве другого служит слой проводящего материала, нанесенный на боковую поверхность сферы),то . в результате получают -интегральный эффект, т.е. регистрацию ве.гшчины вертикальной составляк)щей Н. Так как сопротивление полупроводника пропорционально зависит от величины Н, то измеряя его, можно определить величину вертикальной составляющей.Используя описанный датчик, можно получать результаты, которые не зависят от его угловых перемещений в пространстве,, вызванных различными случайными в.оздействиями. Это объясняется следующими факторами.

Датчик инвариантен к малым угловым г еремещениям относительно вертикального направления OZ (фиг.2). Это объясняется следующим образом. Предполагают, что в результате малого углового перемещения L направление OL2 занимает положение OZ. Если до этого диск 13 регистрировал проекцию Н. то теперь уже он регистрирует не Н./ а величину искомой вертикальной составляющей HZ- Аналогично можно было

бы указать любой другой диск, который при повороте на определенный угол регистрирует величину иском6й вертикальной составляющей Н.. Поскольку число таких дисков в пределе бесконечно и все они включены как бы параллельно, то в результате получается интегральный эффект, т.е.регистрация величины искомой вертикальной составляющей Н. Под малыми угловыми перемещениями понимаются перемещения сс, которые численно не превосходят величину угла раствора о6. , т.е. должно выполняться условие .

Для того, чтобы обеспечить выполнение условия , чувствительный элемент полностью погружен свободноплавающим в жидкость, которая выполняет роль демпфера и гасит (хотя и не до конца) возникающие из-за случайных воздействий динамические колебания. Так как чувствительный элемент выполнен в виде шара, то сопротивле ние трения в жидкости при этом минимальное. Нижняя часть шара 7 играет двоякую роль: во-первых, она дополнительно демпфирует динамические колебания чувствительного элемента, а во-вторых, благодаря ей при статических угловых перемещениях чувствительный элемент все время занимает положение, при котором направление совпадает с вертикалью.

Таким образом, принцип построения датчика и меры по стабилизации его

положения в пространстве позволяют измерять вертикальную составляющую магнитного поля, полностью исключая при этом влияние случайных воздействий на результаты измерения. Это позволяет повысить точность, отказаться от сложного анализа результатов измерения с помощью методов теории слу- . чайных процессов, сократить время, необходимое для измерения, и получать

5 более достоверную информацию о величине вертикальной составляющей магнитного поля.

Формула изобретения

Датчик магнитного поля, содержащий полупроводниковый чувствительный элемент с двумя электродами и систему демпфирования, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений, чувствительный . элемент выполнен в виде шара, на наружной поверхности которого пообразующей диаметральной плоскости нанесен опоясывающий слой проводящего материала, а перпендикулярно диаметральной плоскости по радиусу шара выполнен сквозной канал, при этом один электрод закреплен на опоясывающем

5 слое проводящего материала, а второй