Датчик магнитного поля

 

Изобретение относится к средствам контроля напряженности магнитного поля. Технический результат при использовании изобретения состоит в обеспечении следующих преимуществ датчика: высокой технологичности, чувствительности, линейности и точности, низкого уровня собственных шумов и малого влияния внешних помех; широкого диапазона частот и амплитуд измеряемых полей; малого энергопотребления и габаритов. Он содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого резистора и катушки индуктивности с сердечником из аморфного металлического сплава, а неинвертирующий вход - соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которых подключены, соответственно, к выходу операционного усилителя и земляной шине, кроме того в него введена интегрирующая цепь, состоящая из четвертого резистора и конденсатора, подключенная одним концом к выходу операционного усилителя и второму выводу катушки индуктивности, вторым концом - к земляной шине и второму выводу первого резистора, а выход интегрирующей цепи является выходом датчика, причем отношение величин сопротивлений второго и третьего резисторов меньше отношения величины внутреннего активного сопротивления катушки индуктивности к величине сопротивления первого резистора. При этом сердечник катушки индуктивности подключен концами к полюсам регулируемого источника постоянного тока и выполнен в виде пакета из нескольких идентичных слоев из аморфного металлического сплава, разделенных между собой слоями жидкого электроизолирующего компаунда повышенной вязкости и пластично закрепленных по крайней мере на одной стороне тонкой подложки из диэлектрического материала шириной не меньше, чем ширина пакета слоев из аморфного металлического сплава, и жесткой в плоскости, перпендикулярной оси катушки индуктивности. Причем слои из аморфного металлического сплава сердечника катушки индуктивности выполнены с магнитной анизотропией, наведенной в плоскости слоя перпендикулярно оси катушки, а намотка катушки индуктивности выполнена с неравномерным шагом, уменьшающимся на концах обмотки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к средствам контроля параметров магнитного поля, в частности магнитной индукции.

Уровень данной области техники можно показать на примере аналогов [1, 2] предложенного датчика.

Датчик магнитной индукции представляет собой операционный усилитель /ОУ/, выход которого нагружен на интегрирующую RC цепь, средний вывод которой является выходом устройства, и на последовательно соединенные второй резистор и первую катушку индуктивности с сердечником из магнитомягкого материала, второй вывод которой соединен с земляной шиной, неинвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом второй катушки индуктивности, магнитным потоком связанной с первой катушкой, причем второй вывод второй катушки индуктивности соединен с неинвертирующим входом ОУ.

Такие признаки данного аналога как подключение интегрирующей RC цепи к выходу ОУ и наличие цепочки последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Следует, однако, отметить, что при использовании данного аналога не достигается требуемый технический результат, состоящий в обеспечении высокой чувствительности датчика в широком диапазоне частот измеряемого поля, линейности датчика, повторяемости и стабильности его характеристик, простоте и надежности, технологичности изготовления.

Для выяснения причин недостаточно высоких характеристик аналога /1/ поясним принцип его действия. ОУ работает в ключевом автогенераторном режиме, т.к. охвачен цепью положительной обратной связи, состоящей из P цепочки и второй катушки индуктивности. Вторая катушка служит для инверсии сигнала обратной связи перед подачей его на инвертирующий вход ОУ. При этом на входе последнего формируется меандр, поступающий далее на интегрирующую RC цепь.

В отсутствие внешнего магнитного поля процесс циклического перемагничивания сердечника внутри катушек индуктивности симметричен, меандр на выходе ОУ имеет одинаковые длительности положительного и отрицательного уровней сигнал на выходе датчика равен нулю. При появлении внешнего поля скважность меандра на выходе ОУ становится не равной двум. Смещение среднего значения меандра приводит к появлению сигнала на выходе датчика.

Чувствительным элементом такого датчика является сердечник из магнитомягкого аморфного сплава, магнитная проницаемость которого зависит от величины измеряемого поля. С изменением сердечника изменяется индуктивность катушек и параметры цепи обратной связи, что приводит к изменению выходного сигнала. Поэтому обеспечение высокой чувствительности датчика требует изготовления катушек большой индуктивности с максимально высоким коэффициентом заполнения. При этом коэффициент усиления ОУ для малых сигналов должен быть предельно высоким.

Вместе с тем, система, состоящая из двух индуктивно связанных катушек имеет, как известно, усложненную форму амплитудной и фазовой характеристик вследствие появления дополнительного резонанса на паразитной емкости катушек. Это затрудняет получение линейной выходной характеристики датчика при повышении его чувствительности. Наличие второй катушки усложняет изготовление датчика, снижает его технологичность и надежность, отрицательно сказывается на повторяемости параметров в серии датчиков, на стабильность их характеристик.

Дополнительное снижение линейности и стабильности параметров датчика обусловлено гистерезисом процесса перемагничивания сердечника, что снижает также чувствительность датчика. Гистерезис заметен вследствии того, что сердечник перемагничивается не по предельному циклу, его состояние характеризуется определенной неоднозначностью. При этом снижаются точность, чувствительность, помехоустойчивость и помехозащищенность датчика. Возникает зависимость результата текущего измерения от величины предшествующих.

При измерении переменных магнитных полей искажение фазовой характеристики из-за дополнительного паразитного резонанса приведет к уменьшению диапазона частот измеряемых магнитных полей.

Известно также устройство для определения напряженности магнитного поля /2/ аналог заявляемого. Данный аналог содержит катушку индуктивности с магнитомягким сердечником и первый резистор, соединенные с инвертирующим входом ОУ, между инвертирующим входом и выходом которого включен второй резистор, что совпадает с существенными признаками заявляемого устройства.

Кроме того аналог содержит три ключа, синхронно коммутируемых триггером, резистор, конденсатор и измеритель частоты.

Принцип действия данного аналога основан на зависимости частоты генерации ОУ от индуктивности катушки с сердечником, которого определяется суперпозицией измеряемого поля и поля катушки индуктивности, которое периодически реверсируется изменением знака напряжения, подаваемого на катушку через первый и второй ключи.

Необходимо отметить, что при использовании рассмотренного аналога требуемый технический результат не достигается по следующим причинам: имеется гистерезис процесса перемагничивания, особенно заметный из-за неопределенности цикла изменения магнитного состояния сердечника; возникает ограничение соотношения частоты генерации ОУ к частоте реверса поля катушки. Последняя частота должна быть, очевидно, много выше частоты измеряемого поля. При этом расширение частотного диапазона устройства сопровождается снижением времени анализа частоты, т.е. уменьшением точности отсчета измеряемого поля; синхронность коммутации ключей не обеспечивает синфазности процессов на выходе и входе ОУ вследствие дополнительного сдвига фазы колебаний на конденсаторе, включенном между катушкой и инвертирующим входом ОУ; повышена сложность схемотехнической реализации.

Известен измеритель индукции магнитного поля /3/, схема которого приведена на фиг. 1.

Устройство содержит операционный усилитель 1, инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого регистора 2 и катушки индуктивности 3 с сердечником 4 из магнитомягкого материала, а неинвертирующий вход соединен с первыми выводами второго 5 и третьего 6 регисторов, вторые выводы которых подключены, соответственно, к выходу операционного усилителя 1 и земляной шине, что совпадает с существенными признаками заявляемого изобретения.

Кроме того, второй вывод первого резистора 2 подключен к выходу операционного усилителя 1, а второй вывод катушки 5 к земляной шине, причем отношение величин третьего 6 и второго 5 резисторов меньше отношения величины внутреннего активного сопротивления катушки индуктивности 3 к величине сопротивления первого резистора 2.

Работа устройства основана на том, что переменное измеряемое магнитное поле индуцирует в катушке 5 с сердечником 6 ЭДС: E -kdB/dt, где k коэффициент; E величина измеряемой магнитной индукции.

На выходе ОУ 1 с резистором 2 в цепи отрицательной обратной связи формируется напряжение, определяемое интегралом следующего вида: ∫(dB/dt)dt=B
т. е. производится отсчет измеряемой величины поля. Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления ОУ 1, обеспечивая возможность регистрации сигналов малой амплитуды, индуцируемых в катушке 3.

Отметим, что требуемый технический результат при использовании известного устройства не достигается по следующим причинам:
частотный диапазон измеряемых полей ограничен снизу вследствие уменьшения индуцируемой ЭДС при уменьшении частоты;
помехоустойчивость датчика снижена в области нижних частот, причем повышение усиления за счет положительной обратной связи снижает запас устойчивости ОУ 1;
помехозащищенность, линейность, точность измерений датчика снижаются наличием гистерезисных явлений, возникающих при перемагничивании сердечника 4 по частичным циклам, а не по предельному.

Известно устройство, принятое за прототип, /авт. свид. N 703833, G 06 G 7/14, 1979/, одержащее триггер на операционном усилителе с масштабным резистором в цепи обратной связи, управляемый дроссель на сердечнике из магнитомягкого материала с прямоугольной петлей гистерезиса, имеющий обмотку возбуждения и обмотку управления, токозадающие резисторы, фильтр /например, на операционном усилителе с входными масштабными резисторами/. Недостатком устройства является невысокие рабочие характеристики.

Для пояснения существенности отличий предлагаемого устройства от аналога рассмотрим эпюры сигналов на выходе фильтра на фиг. 3 в материалах заявки. Кривые ИО (t) на фиг. 3 /А, В/ соответствуют аналогу, кривые Иоу(t) на фиг. 3 /Б, Г/ предлагаемому устройству. Сигналы на выходе сопоставляемых устройств определяются интегралами по времени, соответственно, от кривых ИО(t) и Иоу(t).

Можно показать, что предлагаемое устройство по сравнению с аналогом имеет более высокие рабочие характеристики помехоустойчивость, точность, термостабильность, линейность, чувствительность, надежность и простоту реализации по следующим причинам: амплитуда сигнал Иоу(t), равная сумме питающих напряжений E⁺ и E^- много больше амплитуды сигнала Иоу/t/, ограниченного напряжением И1(t) на неинвертирующем входе операционного усилителя /ОУ/ 1. Причем, как показано выше повышение линейности устройства требует снижения уровня напряжения И1(t).

Кроме того, отметим, что основной вклад в выходной сигнал аналога вносит функция ИО(t) на интервалах (t₂, t₃) и (t₅, t₆) на фиг. 2 /А/, где эта функция "линейна". При этом к этой линейной части добавляется нелинейная часть -"хвосты" на интервалах (t₁, t₂), (t₃, t₅) и (t₆, t₇) на фиг. 2 /А/. Причем как видно на фиг. 2 /В/, увеличение положительного значения выходного сигнала сопровождается ростом нелинейной добавки противоположного знака /на интервале времена (t₃, t₅)/. Это, во-первых, дополнительно снижает значение выходного сигнала в аналоге, уменьшая его помехоустойчивость и динамический диапазон, и, во-вторых, снижает его линейность.

Уменьшение амплитуды в аналоге потребовало использования на его выходе второго ОУ, что усложняет устройство, снижает его надежность. Кроме того, возникает погрешность измерения из-за дрейфа нуля ОУ. Это дополнительно ухудшает помехоустойчивость, динамический диапазон и термостабильность аналога, не обеспечивает необходимой точности при измерении малых напряженностей магнитного поля. В предлагаемом устройстве, как показано в материалах заявки, выходной сигнал формируется как разность площадей соседних полупериодов меандра функции Иоу(t) на фиг. 2 /Г/ и пропорционален разности длительностей положительного и отрицательного полупериодов этой функции. При этом обеспечиваются высокие значения рабочих характеристик - помехоустойчивости, линейности и др. при одновременном упрощении устройства и уменьшении его энергопотребления.

Анализ уровня техники, проведенный выше на примере аналогов и прототипа, показал необходимость решения задачи построения высокочувствительного, простого и надежного датчика магнитной индукции, имеющего высокую помехоустойчивость и помехозащищенность. Соответственно, при осуществлении заявляемого изобретения может быть получен технический результат, состоящий в обеспечении:
высокой технологичности датчика,
высокой чувствительности, линейности и точности,
низкого уровня собственных шумов и малого влияния внешних помех,
широкого диапазона частот и амплитуд измеряемых полей,
малого энергопотребления и габаритов.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого датчика магнитной индукции;
фиг. 2 эпюры изменения напряжения в зависимости от времени в предлагаемом датчике:
а/ на инвертирующем входеVo(t)} и на неинвертирующем входеU1(t)} операционного усилителя 1 в отсутствие измеряемого поля.

б/ на выходе операционного усилителя 1 в отсутствие измеряемого поля.

в/ на инвертирующемUo(t)} входе и неинвертирующем входеU1(t)} операционного усилителя при изменении индукции постоянного магнитного поля Н=const > 0.

г/ на выходе операционного усилителя при измерении постоянного магнитного поля.

Для решения поставленной задачи предложен датчик магнитной индукции, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого резистора и катушки индуктивности с сердечником из аморфного металлического сплава, а неинвертирующий вход соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которых подключены, соответственно, к выходу операционного усилителя и земляной шине.

Аналогично устройству-прототипу, и кроме того, в него введена интегрирующая цепь, состоящая из четвертого резистора и конденсатора, подключенная одним концом к выходу операционного усилителя и второму выводу катушки индуктивности, вторым концом к земляной шине и второму выводу первого резистора, а выход интегрирующей цепи является выходом датчика, причем отношение величины сопротивлений второго и третьего резисторов меньше отношения величины внутреннего активного сопротивления катушки индуктивности к величине сопротивления первого резистора.

Кроме того, сердечник из аморфного металлического сплава катушки индуктивности подключен концами к полюсам регулируемого источника постоянного тока;
сердечник катушки индуктивности выполнен в виде пакета из нескольких идентичных слоев из аморфного металлического сплава, разделенных между собой слоями жидкого электроизолирующего компаунда повышенной вязкости;
слои из аморфного металлического сплава сердечника катушки индуктивности пластично закреплены по крайней мере на одной стороне тонкой подложки из диэлектрического материала, шириной не меньше, чем ширина пакета слоев аморфного металлического сплава, и жесткой в плоскости, перпендикулярной оси катушки индуктивности;
слои из аморфного металлического сплава сердечника катушки индуктивности выполнены с магнитной анизотропией, наведенной в плоскости слоя перпендикулярно оси катушки;
сердечник из аморфного металлического сплава катушки индуктивности имеет предварительно введенное механическое напряжение;
сердечник из аморфного металлического сплава катушки индуктивности имеет константу магнитострикции и предварительно введенное механическое напряжение противоположных знаков;
намотка катушки индуктивности выполнена с неравномерным шагом, уменьшающимся на концах обмотки.

Предлагаемый датчик, схема которого приведена на фиг. 1, содержит операционный усилитель 1, первый резистор 2, катушку индуктивности 3 с сердечником 4 внутри нее, второй 5 и третий 6 резисторы, а также интегрирующую цепочку, состоящую из четвертого резистора 7 и конденсатора 8.

Для обоснования причино-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом поясним принцип работы датчика с помощью эпюр, приведенных на фиг. 2.

Эпюры изменения напряжения в зависимости от времени в предлагаемом датчике индукции магнитного поля представлены на фиг. 3а:
на инвертирующем входе операционного усилителя /ОУ/ 1- криваяUo(t)}
-на неинвертирующем входе ОУ1 криваяU1(T)} где предполагалось, что внешнее измеряемое поле отсутствует.

Коэффициент передачи напряжения по цепи положительной обратной связи
К_пос=R₆/(R₆+R₅),
где R_i сопротивление резистора i; выбирается достаточным для обеспечения автоколебательного режима, что имеет место при соблюдении условия R₅/R₆ < R₃/R₂ /1/
где R₃ активное сопротивление катушки 3.

Процесс перезарядки катушки 3 рассмотрим с момента 1 переброса ОУ 1 в состояние "-1". До этого момента на выходе ОУ 1 было установлено напряжение +Е, соовтетствующее уровню "+1", а на его неинвертирующем входе:
U1=E R₆/(R₆+R₅).

С момента t1 переброса ОУ ток через первый резистор 2 уменьшается по закону:
exp(-t R₂/LO),
где LO индуктивность катушки 3, при условии насыщения сердечника 4 магнитным полем тока, протекающего в катушке 3.

Величина этого тока определяется выражением I=UO/R₂. Пока значение тока 1 больше пороговой величины I_s, сердечник 4 насыщен и его магнитная проницаемость м близка к единице. Соответственно, индуктивность LO катушки 3 и процесс ее перезарядки идет быстро.

Когда величина тока катушки 3 уменьшится до значения I_s, сердечник 4 выходит из насыщения, индуктивность катушки возрастает на 1 2 порядка и постоянная времени процесса ее перезарядки во столько же раз возрастает. Процесс перезарядки LC цепи на интервале времени [t₂, T₃] где сердечник 4 не насыщен, можно считать линейным. На этом интервале ток катушки 3 уменьшается до нуля, изменяет знак и начинает возрастать.

В момент времени t₃ сердечник 3 опять насыщается, процесс перезарядки убыстряется, напряжения UO и U1 на инвертирующем входах ОУ 1 становятся равными и в момента t₄ происходит переброс ОУ 1 в состояние "+1", как показано на фиг. 2б.

Далее процесс повторяется и в отсутствие внешнего поля симметрия процессов перезарядки катушки 3 относительно оси абсцисс обуславливает равенство длительностей интервалов [t₁, t₄] и [t₄, t₇] на которых выходное колебание ОУ имеет разные знаки. Этот процесс не имеет постоянной составляющей и сигнал на выходе датчика U_вых. 0.

Отметим, что длительность интервала времени [t₂, t₃] где сердечник 4 ненасыщен, определяется производной dUO(t)/dt на этом интервале, которая в силу квазилинейности процесса сохраняет значение, полученное в начале этого интервала.

При наложении внешнего /измеряемого/ поля H_изм.>0 центр зоны "ненасыщенности" сердечника 4 смещается вниз на величину dU, при которой магнитное поле тока катушки 3 компенсирует измеряемое поле H_изм.. Соответственно, производная dUO/dT пропорционально уменьшится в момент времени t t₂ и увеличится в момент времени t t₅. Пропорциональность основана на известном свойстве экспоненты dexp (t)} /dt exp (t), благодаря которому наклон экспоненциального процесса пропорционален значению этого процесса. Соответственно, изменяется соотношение длительности интервалов [t₁, t₄] и [t₄, t₇] как показано на фиг. 2в. Постоянная составляющая колебания на выходе ОУ 1 проходит через интегрирующую цепь на выходе датчика, где формируется сигнал. U_вых., пропорциональный измеряемой величине магнитной индукции, как показано на фиг. 2г.

Приведем обоснование зависимости достигаемого технического результата заявляемого датчика от его существенных признаков.

Выполнение условия /1/ обеспечивает режим генерации, что позволяет расширить частотный диапазон датчика. Кроме того, повышение линейности датчика обеспечивается тем, что второй вывод катушки 3 подключен к выходу ОУ-1, а второй вывод первого резистора 2 к земляной шине.

Действительно, для повышения чувствительности датчика целесообразно увеличивать значение индуктивности катушки 3, что сопровождается уменьшением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи. Это позволяет обеспечить режим генерации ОУ1 при меньшем соотношении сопротивлений R₆/R₅ плеч резистивного делителя и, соответственно, понизить уровень напряжения U1 на неинвертирующем входу ОУ1 в момент его переброса в противоположное состояние.

При этом, как видно на фиг. 2а, б, относительно уменьшается доля временных интервалом [t₁, t₂] и [t₃, t₄] где выходная амплитудная характеристика датчика нелинейна, что приводит к повышению линейности датчика.

Кроме того, датчик обладает повышенной стабильностью характеристик в области нижних частот и по постоянному току, т.к. предложенная конфигурация отрицательной обработки связи образует звено дифференцирующего типа, которое компенсирует влияние дрейфа и паразитных низкочастотных процессов на входе. При этом расширяется частотный диапазон измеряемых магнитных полей в области низких частот /вплоть до нулевого значения/, повышается помехоустойчивость и помехозащищенность датчика, точность измерений.

Подключение интегрирующей RC цепи на выходе ОУ 1 также обеспечивает повышенную помехоустойчивость и помехозащищенность, т.к. уменьшается влияние паразитных процессов и помех в высокочастотной области спектра.

Выполнение катушки индуктивности с одной обмоткой упрощает датчик, повышает его технологичность, эксплуатационные характеристики, такие как надежность, стабильность, себестоимость и воспроизводимость. При этом улучшается и точность измерений, т.к. отсутствие паразитного резонанса на второй индуктивности уменьшает искажение процесса перезарядки LR цепи, что также расширяет диапазон частот измеряемых магнитных полей.

Кроме того, подключение второго вывода первого резистора 2 к земляной шине, а катушки индуктивности 3 к выходу ОУ 1 обеспечивает режим генерации ОУ 1 и измерение постоянного магнитного поля, что невозможно в прототипе, где переход в режим генерации недопустим.

При этом, кроме того, обеспечивается режим перемагничивания сердечника 4 по предельному циклу в широком диапазоне значений измеряемых полей, начиная от весьма малых значений, регистрируемых датчиком (порядка 100^** (-6) - 10^**(-5) Э. Этим обеспечивается стабильное прохождение магнитного состояния сердечника по циклу перемагничивания. Следовательно, уменьшаются гистерезисные явления, повышается точность измерений.

Следует отметить и повышение динамического диапазона датчика, линейный участок работы которого не ограничен область линейности процесса намагничивания сердечника 4 измеряемым полем. В предложенном датчике диапазон измеряемых полей ограничен отношением амплитуды напряжения U₁ на неинвертирующем входе ОУ 1 к значению напряжения на катушке 3, при котором сердечник 4 приходит в насыщение. Это отношение может быть весьма большим / порядка 1000/, что обеспечивает высокое значение динамического диапазона. Регулировка динамического диапазона возможна за счет изменения коэффициента передачи цепи положительной обратной связи и напряжения питания ОУ 1.

Гистерезисные характеристики в еще большей степени улучшаются с использование в датчике сердечника 4 особого типа в виде лент из аморфного металлического сплава, получаемых скоростной закалкой расплава, с последующим наведением поперечной магнитной анизотропии. Как показал эксперимент, линейность датчика, его чувствительность за счет этого повысилась в 3 5 раз.

Как известно, при пропускании тока в ленте из аморфного металлического сплава образуется поперечная структура доменов, что также улучшает характеристики датчика, как и в вышеуказанном случае наведения поперечной магнитной анизотропии отжигом в магнитном поле. При этом возникает дополнительная возможность, изменяя силу тока, регулировать величину поперечной анизотропии, оптимизировать доменную структуру для обеспечения необходимых значений соответствующих характеристик датчика линейности, чувствительности, гистерезиса, шумов и динамического диапазона.

Основным чувствительным элементом датчика является катушка индуктивности 3 с сердечником 4, которые во многом определяют выходные характеристики. Поэтому этот узел подвергся наиболее существенной эмпирической проработке, в результате которой определена целесообразность и обоснованность модификации этого узла, отраженной в п.п. 3 8 формулы.

Ленты из аморфного металлического сплава, изготовленные методом скоростной закалки, имеют толщины в пределах нескольких десятков мкм, что часто оказывается сравнимо или меньше диаметра провода обмотки. Это приводит к снижению практически реализуемого коэффициента заполнения катушки 3 сердечником 4, снижает чувствительность датчика, его линейность. Отсюда следует целесообразность увеличения толщины сердечника 4 его многослойность.

При этом необходимый технический результат обеспечивается за счет сохранения исходной магнитной структуры сердечника, соответствующей ненапряженному состоянию материала с обеспечением его высокой магнитной проницаемости путем введения пластичных прослоек (жидкости с повышенной вязкостью) для исключения механических напряжений при намотке катушки (локальные напряжения, как известно, снижают магнитную мягкость сердечника).

А идентичность слоев аморфного металлического сплава обеспечивает одновременное насыщение всего материала сердечника и наиболее резкую коммутацию индуктивности катушки 3. Этим обеспечивается высокая чувствительность датчика, его динамический и частотный диапазоны, линейность, помехоустойчивость, помехозащищенность и точность измерений.

Идентичность металлических слоев сердечника не всегда может быть получена, поскольку технология производства исходной ленты допускает неидентичность ее свойств по длине. Поэтому при использовании металлических слоев с поперечной магнитной анизотропией возникает дополнительный эффект, состоящий в уменьшении разброса моментов насыщения различных металлических слоев сердечника. Это позволяет получить вышеуказанный технический результат на более высоком уровне в условиях реальной неидентичности свойств исходной ленты.

Этот же технический результат обеспечивается непосредственной намоткой катушки на сердечник. Жесткость конструкции обеспечивается после затвердевания связующего компаунда, пропитывающего витки обмотки. Пластичность прослойки между сердечником и обмоткой устраняет нежелательные механические деформации, которые могут ухудшить параметры датчика. Повышение коэффициента заполнения катушки 3 с сердечником 4 повышает реакцию системы на внешнее магнитное воздействие, увеличивает выходной сигнал, и кроме того увеличивает соотношение индуктивностей катушки 3 с ненасыщенным и насыщенным сердечником 4. Это приводит к повышению линейности датчика за счет относительного уменьшения доли временных интервалов, где процесс перезарядки катушки 3 нелинеен.

Также представляется целесообразным проводить термообработку сердечника 4 после намотки катушки на него. Это наряду с пластичностью изолирующих слоев снимает возникшие при намотке напряжения, повышает магнитную проницаемость сердечника 4, а следовательно, улучшит чувствительность, линейность датчика, его динамический диапазон и другие ранее перечисленные характеристики датчика.

Меры, повышающие коэффициент заполнения катушки позволяют уменьшить энергопотребление датчика, поскольку увеличение индуктивности L1 катушки 3 снижает рабочую частоту датчика. Кроме того, добротность индуктивной системы повышается не только за счет роста индуктивности, но и за счет уменьшения потерь на перемагничивание сердечника 4 с поперечной наведенной анизотропией.

Использование предварительно напряженного сердечника повышает надежность датчика за счет увеличения прочности катушки индуктивности на растяжение, которая обычно меньше прочности на сжатие.

Это обеспечивается, например, натяжением сердечника при намотке на него витков. После затвердевания компаунда в материале сердечника остается "вмороженным" исходное механическое напряжение, которое придает повышенные механические характеристики катушке индуктивности.

Слой пластичной изоляции ограничен длиной обмотки, что позволяет жестко зафиксировать концы сердечника в монолите застывшего комаунда. При этом возрастает точность измерений в присутствии случайных механических воздействий на датчик. Кроме того, повышение прочности конструкции катушки с использованием напряженного состояния сердечника позволяет, во-первых, снизить ее габариты и, во-вторых, повысить добротность индуктивной системы за счет уменьшения армирующего слоя компаунда. Последнее качество повышает ряд характеристик датчика, связанных с добротностью катушки 3 с сердечником 4 - чувствительность, динамический диапазон и др.

Противоположность знаков константы магнитострикции и "вмороженного" механического напряжения обеспечивает уменьшение гистерезиса датчика, а также повышение чувствительности и других его вышеуказанных характеристик.

После затвердевания компаунда в материале сердечника остается "вмороженным" исходное механическое напряжение, которое с учетом знака константы магнитоскриции приводит к возникновению поперечной магнитной анизотропии. Последнее обеспечивает получение вышеуказанного технического результата.

Кроме того, появляется возможность управлять характеристиками датчика, вводя различные механические напряжения и используя сплавы с различной величиной константы магнитострикции. Регулируемыми могут быть, например, динамический диапазон и чувствительность датчика.

Неравномерность шага намотки с его уменьшением на концах катушки 3 позволит сделать внутреннее поле сердечника 4 более однородным за счет компенсации действия размагничивающего поля концов сердечника 4. Это улучшит характеристики датчика в части чувствительности, линейности и гистерезиса, поскольку большая часть материала сердечника 4 будет одновременно переключаться при достижении полем катушки 3 насыщающего значения.

Габаритные размеры датчика достаточно малы, поскольку предложенное техническое решение хорошо сочетается с возможностями микроэлектронной схемотехники, и чувствительный элемент магнитомягкий сердечник 4 имеет весьма малые габариты.

Важное применение такой датчик может найти при построении высокочувствительного градиентометра основного узла систем дистанционной индикации металлических (ферромагнитных) предметов. Кроме высокой точности пара датчиков, используемых в градиентометре, должна обладать высокой идентичностью характеристик, чтобы исключить влияние однородных постоянных магнитных полей, обычно магнитного поля Земли.

При разработке практических устройств это условие накапливает повышенные требования на линейность указанных датчиков. Поэтому проверка параметров датчика магнитного поля была проведена в составе градиентометра.

Реализованный датчик имел следующие характеристики:
Чувствительность: 10 В/Э в диапазоне измеряемых полей (0 0,1) Э и 0,02 В/Э в диапазоне полей (0 50) Э.

Уровень собственных шумов: не более 1 мкВ,
Динамический диапазон: не менее 55 дБ,
Потребление: 10 50 мВт,
Габариты: объем 3 мл.

Формула изобретения

1. Датчик магнитного поля, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами катушки индуктивности с сердечником из аморфного металлического сплава и первого резистора, неинвертирующий вход соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, а выход операционного усилителя соединен с вторым выводом упомянутой катушки индуктивности и с вторым выводом второго резистора, второй вывод первого резистора подключен к второму выводу третьего резистора и к общей шине, а первый вывод конденсатора соединен с первым выводом четвертого резистора, отличающийся тем, что вторые выводы четвертого резистора и конденсатора подключены к выходу операционного усилителя и к общей шине соответственно, а отношение величины внутреннего активного сопротивления катушки индуктивности к величине сопротивления первого резистора больше отношения величин сопротивления второго и третьего резисторов.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что катушка индуктивности выполнена прямолинейной, а ее намотка выполнена с шагом, уменьшающимся на концах обмотки.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что сердечник катушки индуктивности подключен концами к полюсам регулируемого источника постоянного тока, имеет предварительно введенное механическое напряжение и обладает константой магнитострикции, знак которой противоположен механическому напряжению.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что сердечник катушки индуктивности выполнен в виде пакета из нескольких идентичных слоев из аморфного металлического сплава, разделенных между собой слоями жидкого изолирующего компаунда повышенной вязкости, слои из аморфного металлического сплава пластично закреплены на подложке из диэлектрического материала шириной не меньше, чем ширина пакета слоев из аморфного металлического сплава, жесткой в плоскости, перпендикулярной оси катушки индуктивности, при этом слои из аморфного металлического сплава выполнены с магнитной анизотропией, наведенной в плоскости слоя перпендикулярно оси катушки индуктивности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3