Датчик магнитного поля Советский патент 1982 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к технике измерения плбских магнитных полей и.может быть использовано для гармонического анализа полей, создаваемых устройствами магнитных фокусирующих, а также транспортирующих каналов, например, каналов ускорителей заряженных частиц.

Известны датчики магнитного поля в виде гармонической катушки, цилиндрической формы каркаса с равномерным в азимутальном направлении распределением пазов на его боковой поверхности, в которые укладывается тонкий проводник так, чтобы азимутальная плотность распределения витков аппроксимировала синусоидальную функцию с целым числом К ( К а 1,2, ...) периодов, приходящихся на полный оборот вдоль направляющей цилиндрической поверхности каркасаГ

Однако в такой катушке положение проводника в пределах паза имеет существенную неопределенность как в азимутсшьном/ так и в радиальном направлениях, приводявдую к значительной погрешности измерения соответ- . ствующей гармоники поля.

Наиболее близким к предлагаёмомзГ по технической сущности является датчик, ка-ждый паз которого изготавливается строго для однократной укладки в нем проводника так, что азимутальное и радиальное положение вполне определены,а синусоидальный закон изменения плотности витков в азимутальном направлении обеспечивает10ся соответствующим законом распределения пазов в каркасе 2.

Однако в известном датчике не удается избежать накладки друг на друга располагаемых на торцах участ15ков проводника вне пазов, что приводит к снижению точности измерения из-за появления чувствительности к обертонам поля, а также к осевому фоновому полю. Для достижения высо20кой точности измерения необходимо делать большое число пазов, позволяющее снизить погрешность аппроксимации точного синусоидального закона распределения витков, что усложняет

25 процедуру точного изготовления пазов в каркасе и навивания проводника.

Цель -изобретения - уТленьшение чувствительности катушки к обертонам поля, а также упрощение ее конструк30

.

Указанная цель достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем витки гармонической катуш кй/ выполненные из гфоводника и уложенные на поверхности цилиндрического изолирующего каркаса, витки гармонической катушки выполнены в виде синусоид с числом периодов, приходящимся.на полный оборот в азимутальном направлении, равным частоте измеряемой гармоники поля, и укладываются бифилярно на цилиндрической поверхности каркаса, а обратные половины каждого бифилярного витка образуют, винтовую линию.

На чертеже изобра кена двухвитковая гармоническая катушка, предназначенная -для измерения амплитуды-второй гармоники поля.

Гармоническая катушка датчика магнитного поля состоит из бифилярных витков 1, изгoтaвливae ыx на цилиндрической поверхности каркаса 2 из изолирующего материала. Отдельные участки проводника катушки в местах их наложения друг на друга электрически изолированы.один от другого с помощью пленочной диэлектрической прокладки .1на чертеже не показана). На развертке цилиндрической поверхности каркаса прямая половина каждо го витка описывается функцией 4- -sinK4 , а обратная - функцией - 6sinl(f, причем направление укладки прямой и обратной половин витка соответствует направлениям стрелочек, показанным на всех участках синусоид.

.Концы 3 ;Катушки, к которым подсоединяются выводные проводники 4, являются выводами катушки, также изолированными друг от друга с помощью пленочной диэлектрической прокладки(не показана). Концы 3 и 5 бифилярного витка сдвинуты в направлении образующей цилиндра так, чтобы осуще ствить плавный переход от одного витка к следующему. Величина сдвига выбирается минимальной, но достаточной для того, чтобы избежать касания соседних витков в многовитковой катушке. В катушке, содержащей е,цинственыый бифилярный виток, нет принципиальной необходимости сдвигать концы витка. Искажение синусоиды, происходящее в результате сдвига концов каждого витка, не приводит к появлению погрешности измерения . Соответствующей гармоники поля, так как связанный со сдвигом паразитный поток, захватываемый прямой половиной 6 бифилярного витка, полностью компенсируется паразитным вкладом его обратной половины 7.

Датчик работает следующим образом.

Если катушку, содержащую N еифилярных витков, поместить в поле:

Б.г,Ч)-Л b r 4Hsinv i4frco5w4),,

где fom - амплитуда гармоники с часто ,, той т;И, tr .- орты цилиндрической системы координат,

так чтобы ось катушки совпадала с осью разложения поля в ряд по гармоникам, то магнитный поток, сцепляющийся с катушкой, равен

CV)d5 --iNU -b R - ihwvfJK

f- Rtein кчач -s.iz N iC e to к,

где S.

- поверхность, натянутая на виток катушки.

Пропорциональность, потока ф коэффициенту разложения поля в ряд Фурье Ък. , лежащая в основе измерения последнего, не зависит от числа витков N, что позволяет принять любое число витков (вплоть до N l), не внося при этом никакой погрешности измерения.

Кроме того, благодаря бифилярному исполнению витков гармоническая катушка не чувствительна к фоновому полю в направлении оси Z,так как поверхность бифиляр.ного витка совпал ет с боковой поверхностью каркаса.

Процесс изготовления витков гармонической катушки использует известный способ фотолитографического нанесения печатных медных проводников. При этом для повышения точности изготовления витков предпочтительно на стадии .получения негатива применять укрупненный чертеж витков в масштабе 5:1. Пленочная диэлектрическая прокладка, изолирующая участки проводника катушки в местах их наложени друг на друга, выполнена в виде тонкоголакового покрытия, наносимого перед выращиванием цилиндрического слоя меди для наружных .учас.тков проводника. Равенство амплитуд прямой и обратной половины может давать преимущества только в практическом отношении по сравнению со случаем, когда .эти амплитуды не равны друг другу. С принципиальной точки зрения катушки с различным отношением амплитуд прямой и обратной половин одинаково эффективны по сравнению с прототипом. В частности, когда амплитуда одной из половин, например обратной, равна нулю, эта половина представляет собой виртовую линию, которая наиболее проста в изготовлении.

Опытный образец гармонической

градиентной () катушки содержит

65 1 виток с амплитудой синусоида 6 гйм,