Магниточувствительный элемент

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения напряженности магнитного поля. Технический результат изобретения состоит в обеспечении высокой технологичности датчика, высокой чувствительности и точности, низкого уровня собственных шумов и малого влияния внешних помех, функциональной гибкости, позволяющей реализовать широкий диапазон частот и амплитуд измеряемых полей, малого энергопотребления и габаритов. Магниточувствительный элемент (МЧЭ) выполнен в виде металлического сердечника из магнитомягкого ферромагнитного сплава, причем он имеет магнитную анизотропию, ориентированную в плоскости МЧЭ элемента перпендикулярно его продольной оси. Кроме того, концы МЧЭ подключены к выходным зажимам регулируемого источника постоянного тока. МЧЭ выполнен в виде серии отрезков, расположенных по крайней мере на одной стороне изолированной подложки параллельно друг другу, соединенных в одну последовательную цепь перемычками на концах, либо выполнен из ленты, намотанной в виде тора прямоугольного сечения, с магнитной анизотропией, ориентированной параллельно оси симметрии вращения тора, причем намотка тора выполнена бифилярной. МЧЭ закреплен на изолированном плоском пьезоэлектрическом элементе, подключенном выводами к зажимам регулируемого источника напряжения, причем продольная ось параллельных отрезков магниточувствительного элемента ориентирована в направлении наибольшего изгиба пьезоэлектрического элемента, либо перемычки, соединяющие концы параллельных отрезков магниточувствительности элемента, перпендикулярны им, идентичны им по составу и поперечному сечению и ориентированы в направлении наибольшего изгиба пьезоэлектрического элемента. 6 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к созданию средств контроля напряженности магнитного поля.

Известен феррозонд с взаимно перпендикулярными полями [1] представляющий собой проволочный сердечник магниточувствительный элемент (МЧЭ), по которому пропускается ток. Магнитная проницаемость μ и характер доменной структуры МЧЭ зависят от величины измеряемого поля. С изменением внешнего поля эти параметры изменяются, что приводит к изменению выходного сигнала, индуцируемого в катушке, намотанной на сердечник.

Наиболее близким к предлагаемому является МЧЭ в датчике магнитного поля [2] металлический сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного сплава и имеющий продольную магнитную анизотропию.

Принцип действия этого МЧЭ основан на зависимости толщины скин-слоя, а следовательно, импеданса МЧЭ от величины внешнего магнитного поля.

Недостаток известных устройств состоит в снижении чувствительности МЧЭ в области малых измеряемых полей из-за наличия пологого начального участка у кривой намагничивания МЧЭ с продольной анизотропией. В результате снижаются помехоустойчивость, линейность, точность измерений поля.

Предложенный МЧЭ обеспечивает высокую технологичность и низкую стоимость изделий, высокую линейность, точность и помехоустойчивость реализуемых на его основе датчиков магнитного поля, а также функциональную гибкость устройств.

Предлагаемый МЧЭ выполнен в виде металлического сердечника из магнитомягкого ферромагнитного сплава и имеет магнитную анизотропию, ориентированную в плоскости МЧЭ перпендикулярно его продольной оси. Кроме того, МЧЭ выполнен в виде серии отрезков, расположенных по крайней мере на одной стороне изолированной подложки параллельно друг другу, соединенных в одну, например, последовательную электрическую цепь перемычками на концах (фиг.1).

Кроме того, сердечник МЧЭ выполнен из ленты, намотанной в виде тора прямоугольного сечения с магнитной анизотропией, ориентированной параллельно оси симметрии вращения тора (фиг.2). При этом намотка тора может быть выполнена бифилярной (фиг.3). Кроме того, сердечник МЧЭ закреплен на плоском пьезоэлектрическом элементе, а продольная ось параллельных отрезков сердечника ориентирована в направлении наибольшего изменения длины пьезоэлектрического элемента. Кроме того, сердечник МЧЭ закреплен на изолированной гибкой пластине с механической подстройкой удлинения. Кроме того, сердечник МЧЭ закреплен на изолированном плоском пьезоэлектрическом элементе, а перемычки, соединяющие концы параллельных отрезков сердечника, перпендикулярны им, идентичны им по составу и поперечному сечению и ориентированы в направлении наибольшего изгиба пьезоэлектрического элемента.

На фиг. 1 показан предлагаемый МЧЭ, вариант выполнения; на фиг.2 МЧЭ в виде тора; на фиг.3 МЧЭ в виде тора с бифилярной намоткой; на фиг.4 зависимость сопротивления МЧЭ от напряженности магнитного поля.

На чертежах позициями обозначены: отрезок 1 магниточувствительного сплава, изолированная подложка 2, перемычка 3, лента 4 из магниточувствительного сплава.

Принцип работы МЧЭ состоит в следующем.

Сердечник МЧЭ лента из аморфного металлического сплава, сопротивление которой зависит от толщины скин-слоя. С изменением величины внешнего поля изменяется магнитная проницаемость ленты μ, а значит, и ее сопротивление. МЧЭ запитывается калиброванным переменным током, поэтому изменение его сопротивления приводит к пропорциональному изменению напряжения на зажимах МЧЭ, которое является выходным сигналом датчика. При этом график зависимости сопротивления от магнитного поля для МЧЭ с поперечной магнитной анизотропией имеет резкий провал в области нулевого поля, как показано на фиг.4. Этим и обеспечивается повышение чувствительности предлагаемого МЧЭ.

Указанный тип анизотропии может быть сформирован путем отжига МЧЭ в поперечном магнитном поле, а также за счет магнитострикции лент, из которых изготовлен МЧЭ. Их растяжение или сжатие с помощью пьезоэлектрического элемента, управляемого источником постоянного напряжения, меняет тип доменной структуры и магнитные характеристики МЧЭ, что позволяет регулировать параметры МЧЭ вышеуказанным способом. Аналогичный результат получается при размещении МЧЭ на изолированной пластине с регулируемым изгибом.

Следует также отметить, что измерение поля невозможно в некоторой области вблизи максимума выходной характеристики (фиг.4). Однако при изменении положения этого максимума за счет изменения тока, пропускаемого через МЧЭ, либо за счет введения механического напряжения с помощью пьезоэлектрического элемента удается обеспечить перекрытие диапазонов в режиме измерения больших и малых напряженностей магнитного поля.

Кроме того, следует отметить дополнительную возможность расширения диапазона измеряемых сигналов с помощью МЧЭ, выполненного в виде серии параллельных отрезков за счет использования коротких перемычек, которые могут обеспечить измерение напряженностей поля, приходящихся на зону нечувствительности МЧЭ, представленного серией более длинных параллельных отрезков, имеющих меньшее значение размагничивающего фактора.

При выполнении МЧЭ в виде тора исчезает зависимость намагниченности МЧЭ от направления поля и сохраняется зависимость от модуля поля, что расширяет функциональные возможности МЧЭ. Бифилярность намотки спирали уменьшает индуктивную компоненту импеданса МЧЭ, сохраняя его резистивный характер, поскольку токи соседних слоев спирали не ослабляют друг друга при взаимодействии их магнитных полей.

Предлагаемый МЧЭ отличается более высокой чувствительностью, линейностью, помехоустойчивостью при измерении малых значений поля по сравнению с известными устройствами.

Формула изобретения

1. МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного сплава, отличающийся тем, что сердечник изготовлен с магнитной анизотропией, ориентированной в плоскости элемента перпендикулярно его продольной оси.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде параллельных сердечников, расположенных на одной стороне изолированной подложки и соединенных перемычками на концах в параллельную электрическую цепь.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из ленты, намотанной в виде тора прямоугольного сечения с магнитной анизотропией, параллельной оси тора.

4. Элемент по п.3, отличающийся тем, что намотка тора выполнена бифилярной.

5. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сердечник закреплен на изолированном плоском пьезоэлектрическом элементе, а продольная ось параллельных отрезков магниточувствительного элемента ориентирована в направлении наибольшего изменения длины пьезоэлектрического элемента.

6. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сердечник закреплен на изолированной гибкой пластине с механической подстройкой деформации.

7. Элемент по п.2, отличающийся тем, что он закреплен на изолированном плоском пьезоэлектрическом элементе, а перемычки, соединяющие концы параллельных отрезков магниточувствительного элемента, перпендикулярны им, идентичны им по составу и поперечному сечению и ориентированы в направлении наибольшего изгиба пьезоэлектрического элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4