Измеритель магнитного поля

 

Использование: магнитные измерения в различной электрофизической аппаратуре, создающей плоское неоднородное магнитное поле. Сущность изобретения: измеритель содержит набор одинаковых, параллельных друг другу и одинаково ориентированных датчиков Холла, обеспеченных раздельным питанием по управляющему току и соединенных последовательно по холловской эдс. Центры датчиков расположены на общей нормали к их плоскостям. Общая высота c набора зависит от ширины b датчиков и равна в случае двух датчиков; - в случае нечетного числа (2N + 1) датчиков, равномерно распределенных по высоте набора c, где N = 1; 2; 3; ... 5 ил.

Изобретение относится к магнитным измерениям в различной электрофизической аппаратуре, создающей плоское неоднородное магнитное поле, преимущественно в магнитных системах ускорителей заряженных частиц и системах проводки внешних пучков этих частиц.

Известны миниатюрные датчики Холла, пригодные для измерения любых неоднородных полей (в частности, и плоских).

Недостаток известных датчиков состоит в малой чувствительности к магнитному полю, связанной с малой шириной датчика.

Известен зонд для измерения магнитной индукции, состоящий из датчиков Холла и принятый за прототип.

Недостаток этого зонда состоит в том, что он не годится для измерений неравномерных полей, когда в пределах габарита датчика существенно сказывается неоднородность поля. При применении миниатюрных датчиков можно обеспечить измерение неоднородного поля, однако чувствительность зонда при этом резко снижается.

Цель изобретения обеспечение точечности измерения плоского неоднородного магнитного поля при одновременном повышении чувствительности измерителя.

Цель достигается тем, что в измерителе, содержащем одинаковые датчики Холла, согласно изобретению, последние расположены параллельно друг другу и одинаково ориентированы, их центры находятся на общей нормали к плоскостям датчиков, обеспеченных раздельным питанием по управляющему току и соединенных последовательно по холловской эдс, а общая высота с набора датчиков зависит от их ширины b и равна c в случае двух датчиков; c b в случае нечетного числа (2N+1) датчиков, где N=1; 2; 3 а датчики равномерно распределены по высоте набора с.

Раздельное питание по управляющему току необходимо для того, чтобы ток не ответвлялся, искажая сигналы датчиков, в измерительную цепь, где последовательно соединены сигнальные эдс Холла, что позволяет измерить поле в центре измерителя на основании суммы сигнальных эдс отдельных датчиков и при этом с большой чувствительностью, поскольку в измерителе можно при надлежащих соотношениях между геометрическими параметрами ( c при двух датчиках, c b при нечетном числе (2N+1) датчиков) применять не миниатюрные, а обычные датчики Холла. При отклонении от указанных геометрических соотношений в конструкции измерителя последний будет давать погрешность в величине измеряемого поля, поскольку начнет реагировать не только на поле в центре датчика, но и на пространственные производные поля.

На фиг. 1 изображена активная пластина датчика Холла; на фиг. 2-5 показано, как нужно при измерении плоского поля располагать по отношению к последнему различные варианты измерителей, а также и отдельную холловскую пластину (фиг. 2).

Измеритель содержит набор из одинаковых параллельных друг другу датчиков Холла, центры которых расположены на общей нормали к плоскостям датчиков, обеспеченных раздельным питанием по управляющему току и соединенных последовательно по холловской эдс. Общая высота с набора датчиков зависит от ширины b и равна c в случае двух датчиков; c b в случае нечетного числа (2N+1) датчиков, где N=1; 2; 3 а датчики равномерно распределены по высоте набора с.

Активная пластина датчика Холла показана отдельно на фиг. 1, где введена ее система координат α, β, γ и обозначены геометрические параметры. Управляющий ток i₁ пропускается вдоль оси β, а сигнальная эдс U снимается с точек 1 и 2. На фиг. 2-5 показано, как нужно располагать для измерения плоского неоднородного поля отдельную пластину Холла (фиг. 2), либо изображенные на фиг. 3-5 предлагаемые измерители. Считается, что силовые линии поля лежат либо в плоскости чертежа, либо в других параллельных ей плоскостях и что на любой нормали к этим плоскостям поле постоянно. При использовании одной отдельной пластины Холла (фиг. 2) нужно ее центp совместить с точкой измерения и направить ось β по нормали к плоскостям, в которых лежат силовые линии. Вращая датчик вокруг оси β, ориентируют ось γ в направлении измеряемой компоненты поля.

С каждым измерителем (фиг. 3-5) связывается система координат x, y, z, имеющая начало в центре устройства. Ось z совпадает с осями γ датчиков, входящих в состав измерителя, а ось y параллельна осям β тех же датчиков. При измерении нужно совместить начало координат системы x, y, z измерителя с точкой измерения и направить ось y по нормали к плоскостям, в которых лежат силовые линии (т.е. к плоскости чертежа на фиг. 3-5). Вращая измеритель вокруг оси y, ориентируют ось z вдоль измеряемой компоненты поля. Для единообразия система x, y, z введена также и на фиг. 2.

Во всех рассматриваемых ниже примерах вводить поправку в сигнальную эдс из-за существования планарного эффекта не нужно. Поправка равна нулю, потому что (как это видно из фиг. 2-5) угол между управляющим током любой пластины Холла и компонентной измеряемого поля, лежащей в плоскости той же пластины, равен 90^о. Поэтому для датчика на фиг. 2 можно записать сигнальную эдс в виде U B_z(x,z)dx, (1) где К чувствительность пластины Холла в равномерном поле.

Из (1) можно по сигналу U вычислить поле = , которое имеет физический смысл средней компоненты B_z на участке от X₁= -b/2 до X₂=b/2. Однако, в общем случае, искомое поле B_z(0,0) отличается от этого среднего значения, и как раз в этом состоит недостаток аналогов, построенных на базе одной отдельной пластины Холла. Добиться точечности измерения, применяя одну холловскую пластину, можно только в случае "миниатюрной пластины", если в пределах ее габаритов можно считать магнитное поле практически равномерным. Однако чувствительность датчика при этом будет малой.

В предлагаемых измерителях (фиг. 2-5) входящие в них активные пластины соединяются между собой электрически последовательно и согласно по холловской эдс, для чего применяется раздельное питание по управляющему току i₁. Вследствие этого общая чувствительность к магнитному полю у любого устройства на указанных фигурах во столько раз больше, чем у отдельной пластины, чему равно число примененных пластин. Что касается точечности отсчета неравномерного поля, то она достигается путем надлежащего взаимного расположения отдельных холловских пластин (не обязательно "миниатюрных"), входящих в измеритель.

Для построения теории предлагаемого измерителя представим компоненту поля B_z(x,z) в окрестности начала координат системы x, y, z в виде степенного ряда.

B_z(x, z)= h_m,nx^mzⁿ, (2) где член нулевого порядка h_0,0 равен искомому полю B_z(0,0) в точке измерения. Ввиду равенства нулю лапласиана проекции магнитного поля коэффициенты h связаны соотношением (m+2)(m+1)h_m+2,n+(n+2)(n+1)h_m,n+2=0 (3) Поскольку из практики известно, что в разложении поля (2) члены 4 порядка и выше играют незначительную роль, будем принимать во внимание лишь члены не выше 3 порядка.

Управляющий ток i₁ будет считаться равномерно распределенным по сечению b ˙ t пластин Холла, что допустимо в случае, например, таких материалов, как I_nS_b n-типа, или I_nA_s n-типа, у которых омическое сопротивление мало зависит от магнитного поля. Чувствительности k отдельных датчиков, входящих в состав любого измерителя, уравниваются между собой путем тонкой подстройки соответствующих управляющих токов.

Рассмотрим теорию измерителя, состоящего из двух пластин Холла, представленного на фиг. 3. При вычислении холловских эдс U₁ и U₂ верхней и нижней пластин (соответственно), следует учесть, что координаты Z этих пластин Z₁= c/2 и Z₂=-c/2 постоянны на поверхности каждой из них. Для нахождения общего сигнала U=U₁+U₂ нужно использовать формулу (1), в которой вместо B_z(x,z) подставить сумму (2) в составе членов не выше 3 порядка. При этом члены нечетного порядка по Х подставлять не нужно, так как они дают нулевой вклад при интегрировании по Х от (-b/2) до (b/2). Члены нечетного порядка по Z тоже не нужно учитывать, потому что они (даже при четном порядке по Х) дадут нулевой вклад после операции сложения U₁+U₂. В результате получается U U₁+U₂= 2KB_z(O,O)+ (h_2,0x²+h_0,2z²)dx (4) Учитывая, что Z²= и что, как это следует из (3), h_0,2=-h_2,0, получим U 2KB_z(O,O)+2Kh (5) Из (5) видно, что чувствительность измерителя (фиг. 3) к квадратичным членам разложения поля может подавить, если в его конструкции предусмотреть соотношение c (6) В результате получим устройство с чувствительностью k₀=2k и точечным отсчетом поля B_z(0,0)= (если, конечно, отвлечься от влияния членов разложения поля четвертого и более высших порядков).

Измеритель (фиг. 5) имеет общую высоту с и состоит из нечетного числа (2N+1) равномерно распределенных по высоте пластин, средняя из которых находится на высоте Z=0. Присвоив средней пластине номер n=0, найдем ее сигнал U₀. Для этого нужно использовать формулы (1)-(3), учитывая в (2) члены не выше 3 порядка. Тогда получим
U_o= KB_z(O,O)+Kh_2,0 (7)
Остальные пластины, симметрично расположенные относительно плоскости x, y, будем рассматривать парами, присваивая этим парам номера n от 1 до N, по мере удаления соответствующих пластин от центра устройства. Для выражения сигнала U_n от пары с номером n можно воспользоваться готовой формулой (5), в которой вместо фигурирующей там величины с подставить высоту пары c. Суммируя сигналы всех пар, получим
U_n= 2KNB_z(O,O)+Kh n; (8)
Складывая (7) и (8), найдем общий сигнал измерителя
U K(2N+1)B_z(O,O)+Khb² n (9)
Для подавления чувствительности к члену второго порядка разложения поля (2) здесь нужно выполнить условие
b² n² (10) что, с учетом формулы для суммы квадратов чисел натурального ряда, приводит к искомому соотношению между геометрическими параметрами датчика
c b (11)
При соблюдении (11) измеритель (фиг. 5) обладает свойством практически точечного отсчета поля в точке измерения и обеспечивает чувствительность k₀= k(2N+1). В частном случае, когда N=1, получается измеритель из трех активных пластин (фиг. 4). Его чувствительность k₀=3k, а условие (11) выглядит в этом случае, как
c (12)
Предлагаемое техническое решение, по сравнению с имеющимися, обеспечивает при измерении топографии плоского неоднородного магнитного поля увеличенную (на 1-2 порядка величины) чувствительность аппаратуры, без ухудшения точечности отсчета поля, и расширяет (в сторону малых индукций) диапазон измеряемых плоских неоднородных магнитных полей.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, содержащий датчики Холла с раздельным питанием по управляющему току, отличающийся тем, что, с целью обеспечения точечности измерения плоского неоднородного магнитного поля при одновременном повышении чувствительности к магнитной индукции, датчики соединены последовательно по холловской ЭДС, установлены в параллельных одна другой плоскостях и одинаково ориентированы, их центры расположены на общей нормали к указанным плоскостям, а общая высота C набора датчиков равна

- в случае двух датчиков;

- в случае нечетного числа 2N + 1 датчиков, равномерно распределенных по высоте набора C, где b - ширина датчика;
N = 1, 2, 3, ....

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5