Устройство для измерения слабых магнитных полей (варианты)

 

Изобретение предназначено для измерения слабых магнитных полей, в частности, при обнаружении магнитных аномалий, отображений функций головного мозга, разведки месторождений, измерении слабых токов и т.д. Устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности. Проводник последовательно соединен с источником переменного тока. Катушка индуктивности соединена с измерителем напряжения на ее концах. Проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной его продольной оси и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно его продольной оси. Источник переменного тока выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие где поле тока на поверхности проводника; H_a=H_k+N_z·M_o - эффективное поле анизотропии проводника; H_k=2K₁/M_o; K_I - константа анизотропии проводника; M_o - намагниченность насыщения проводника; N_z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника. В устройстве по второму варианту концы проводника чувствительного элемента соединены с измерителем напряжения, а источник переменного тока соединен с катушкой индуктивности и выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие где продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника. Использование изобретения позволит увеличить чувствительность к постоянному полю до 10^-7oC10^-8Э, а к переменным полям с частотой до 1 ГГц до 10^-5 - 10^-6Э на верхнем краю частотного диапазона. Диапазон измеряемых полей составит несколько эрстед, при этом выходной сигнал устройства строго пропорционален напряженности измеряемого магнитного поля во всем диапазоне. Кроме того, быстродействие измерений составит 10^-8с. Возможна эксплуатация устройства в условиях ударных нагрузок и в диапазоне температур (-50) -150^oC. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей, в частности, при обнаружении магнитных аномалий, отображении функций головного мозга, разведки месторождений, измерении слабых токов и т.д.

Основным требованием к измерительному устройству является высокая чувствительность к полю, достигающая 10^-6 - 10^-8 Э. В условиях флуктуирующего во времени магнитного поля Земли (флуктуации составляют ≈ 10^-4 Э) важной задачей является создание пары датчиков с идентичными характеристиками для построения дифференциальной схемы измерения, когда однородное в пространстве магнитное поле, действующее на пару датчиков, исключается как синфазная помеха. В этом случае может быть измерено магнитное поле, создаваемое локализованным источником. Таким образом, вторым требованием к чувствительному элементу является некритичная зависимость характеристики его чувствительности от таких внешних параметров как геометрические размеры, магнитостатические параметры, величина измеряемого магнитного поля и т.п. Известные устройства с подобной чувствительностью к полю либо громоздки и требуют сложного дополнительного оборудования (СКВИД, квантовый оптический магнитометр), либо обладают критической зависимостью чувствительности от параметров ферромагнитного проводника (ГМИ).

Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля [1], содержащее чувствительный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с магнитной анизотропией, ориентированной в плоскости элемента перпендикулярно его продольной оси, причем концы чувствительного элемента подключены к выходным зажимам регулируемого источника постоянного тока. Измерение сопротивления переменному току, пропускаемому через чувствительный элемент в измеряемом магнитном поле, направленном вдоль оси, приводит к пропорциональному измерению напряжения на его зажимах, которое является выходным сигналом устройства.

Данное устройство имеет ограничение диапазона полей областью положительной крутизны кривой зависимости сопротивления от поля. Для реализации максимальной чувствительности устройства эта область должна быть как можно меньшей. На практике она составляет доли эрстед. Кроме того, амплитуда переменного напряжения на зажимах магниточувствительного элемента имеет непропорциональную зависимость от величины измеряемого поля, поэтому чувствительность датчика зависит от величины этого поля.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения слабых магнитных полей [2], содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде ферромагнитного проводника, окруженного катушкой индуктивности и последовательно соединенного с источником переменного тока, при этом концы катушки индуктивности соединены с измерителем напряжения. Принцип действия его основан на нелинейности используемого в качестве проводника чувствительного элемента ферромагнетика. Устройство позволяет определять абсолютную величину и направление магнитного поля, однако с низкой чувствительностью (10^-2 - 10^-3Э). В данном устройстве амплитуда переменного тока, запитывающего проводник чувствительного элемента должна быть больше некоторой критической величины для того, чтобы обеспечивать перемагничивание ферромагнетика по полной петле гистерезиса. Это приводит к большому потреблению энергии, что является недостатком устройства. Кроме того, устройство может работать лишь на небольших частотах измеряемого магнитного поля, когда толщина скин-слоя в проводнике больше минимального размера проводника. При больших частотах чувствительность данного устройства резко падает. Размеры устройства велики.

Предлагаемое изобретение расширяет арсенал устройств для измерения слабых постоянных и переменных магнитных полей и решает задачу создания компактного устройства для измерения слабых магнитных полей с высокой чувствительностью.

Варианты изобретения относятся к объектам одного назначения - высокочувствительным устройствам для измерения магнитных полей в широком диапазоне по сравнению с устройствами со сравнимой чувствительностью и основаны на одном принципе - линейной межмодовой трансформации переменного тока в проводнике чувствительного элемента.

Использование предлагаемого устройства позволит увеличить чувствительность к постоянному полю до 10^-7 - 10^-8Э, а к переменным полям с частотой до 1 ГГц до 10^-5 - 10^-6Э на верхнем краю частотного диапазона. Диапазон измеряемых полей составит несколько эрстед, при этом выходной сигнал устройства строго пропорционален напряженности измеряемого магнитного поля во всем диапазоне. Кроме того, быстродействие измерений составит 10^-8с. Возможна эксплуатация устройства в условиях ударных нагрузок и в диапазоне температур (-50) - 150^oC.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для измерения слабых магнитных полей, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, причем проводник последовательно соединен с источником переменного тока, а катушка индуктивности соединена с измерителем напряжения на ее концах, проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной его продольной оси, и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно его продольной оси, а источник переменного тока выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие где - циркулярное поле тока на поверхности проводника; H_A = H_K + N_ZM_O - эффективное поле анизотропии проводника; H_K = 2K₁/M_O; K₁ - константа анизотропии проводника; M_O - намагниченность насыщения проводника; N_Z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.

Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве для измерения слабых магнитных полей, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, источник переменного тока и измеритель напряжения, проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной его продольной оси и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно его продольной оси, при этом концы его соединены с измерителем напряжения, а источник переменного тока соединен с катушкой индуктивности и выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие
где
- продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника;
H_A = H_K + N_ZM_O - эффективное поле анизотропии проводника;
H_K = 2K₁/M_O;
K₁ - константа анизотропии проводника;
M_O - намагниченность насыщения проводника;
N_Z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.

Условие выбора материала проводника с указанными магнитной анизотропией и магнитной структурой необходимо для преобразования энергии из возбуждаемой источником переменного тока поперечной моды колебаний в продольную моду колебаний, при этом коэффициент указанного преобразования является мерой измеряемого магнитного поля. При несоблюдении этого условия при указанной амплитуде возбуждающего тока от источника тока необходимое преобразование не происходит.

Указанное условие выбора амплитуды тока в проводнике, либо в катушке индуктивности чувствительного элемента и связанной с ней амплитуды переменного магнитного поля необходимо для создания процессов высокочастотного перемагничивания линейного (обратимого) характера. Для этого достаточно, чтобы переменное поле в окрестности проводника чувствительного элемента, создаваемое током в проводнике или, в другом варианте, в катушке индуктивности, было по крайней мере меньше эффективного поля анизотропии H_A, задаваемого формулой.

H_A = H_K + N_ZM_O, H_K = 2K₁/M_O,
где
K₁ - константа анизотропии структуры;
M_O - намагниченность насыщения;
N_Z - фактор размагничивания вдоль длинной оси эллипсоида.

Соблюдение предлагаемого условия выбора амплитуды позволяет получить максимальную чувствительность устройства к измеряемому полю. При несоблюдении этого условия характер процессов будет нелинейным и чувствительность резко упадет.

Таким образом, выполнение проводника с указанной анизотропией и структурой, а также выбор амплитуды переменного тока обеспечивают высокую чувствительность устройства.

Изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 изображена схема устройства с проводником чувствительного элемента, соединенным с источником тока, на фиг.2 изображена схема устройств с катушкой индуктивности, соединенной с источником тока; на фиг.3 показан пример магнитной структуры проводника чувствительного элемента; на фиг.4 демонстрируется график зависимости коэффициента передачи мощности от источника переменного тока в измерительную цепь от прикладываемого внешнего поля; на фиг.5 изображен график зависимости выходного напряжения устройства от измеряемого магнитного поля.

Устройство для измерения слабых магнитных полей содержит чувствительный элемент, выполненный в виде ферромагнитного проводника 1, окруженного катушкой индуктивности 2, источник переменного тока 3, измеритель напряжения 4.

При этом проводник 1 имеет магнитную анизотропию, ориентированную перпендикулярно его продольной оси, и магнитную структуру в скин-слое с результирующим магнитным моментом, направленным перпендикулярно его продольной оси в отсутствии внешнего поля.

В первом варианте устройства концы проводника 1 чувствительного элемента соединены с источником переменного тока 3, а катушка индуктивности 2 соединена с измерителем напряжения 4. Амплитуда тока в проводнике 1 от источника тока 3 выбрана с возможностью реализации условия

где
- поле тока на поверхности проводника;
H_A = H_K + N_ZM_O - эффективное поле анизотропии проводника;
H_K = 2K₁/M_O;
K₁ - константа анизотропии проводника;
M_O - намагниченность насыщения проводника;
N_Z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.

Во втором варианте устройства концы проводника 1 чувствительного элемента соединены с измерителем напряжения 4, а катушка индуктивности 2 соединена с источником переменного тока 3. Источник переменного тока 3 соединен с катушкой индуктивности 2, причем амплитуда тока в катушке 2 от источника тока 3 выбран с возможностью реализации условия

где
- продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника;
H_A = H_K + N_ZM_O - эффективное поле анизотропии проводника;
H_K = 2K₁/M_O;
K₁ - константа анизотропии проводника;
M_O - намагниченность насыщения проводника;
N_Z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.

В качестве материала проводника 1 чувствительного элемента могут быть использованы материалы на основе ферромагнитных сплавов с небольшой отрицательной константой магнитострикции, которые в результате термомагнитной технологической обработки приобретают необходимую магнитную анизотропию и магнитную структуру. Примерами таких материалов могут служить аморфные сплавы на основе кобальта CoFeSiB с известным стехиометрическим составом, сплавы типа Finemet, пермаллой и др.

Компактность устройства обеспечивается малыми размерами чувствительного элемента (1·1·5 мм³), малой потребляемой мощностью источника переменного тока.

Быстродействие устройства обеспечивается возможностью работы его на высокой частоте переменного тока (до нескольких гигагерц) при этом верхняя частота гармоники измеряемого поля может достигать нескольких сот мегагерц.

Устройство работает следующим образом. Указанные соединения проводника 1 и катушки индуктивности 2 с источником тока 3 и измерителем напряжения 4 позволяют возбуждать ортогональные по отношению к полю переменного тока колебания магнитного поля и в результате регистрировать индуцированное ими напряжение, которое является мерой измеряемого внешнего поля.

При работе устройства по первому варианту переменный ток от источника 3, протекающий по проводнику 1 чувствительного элемента, вследствие гиротропных свойств его материала, чувствительных к измеряемому внешнему полю, трансформируется в переменный ток в катушке индуктивности 2, при этом коэффициент трансформации зависит от магнитного состояния проводника 1 чувствительного элемента, которое задается измеряемым магнитным полем. ЭДС индукции на выводах катушки 2 регистрируется измерителем напряжения 4.

При работе устройства по второму варианту переменный ток от источника 3, протекающий через катушку индуктивности 2, возбуждает переменное магнитное поле, направленное вдоль оси проводника 1. Вследствие гиротропных свойств его материала, чувствительных к измеряемому внешнему полю, на поверхности проводника возбуждается компонента магнитного поля, перпендикулярная оси проводника 1, которая индуцирует ток, вызывающий разность потенциалов на концах проводника 1, регистрируемую измерителем напряжения 4.

Магнитная проницаемость анизотропного проводника 1 чувствительного элемента, также как и поверхностный импеданс представляют собой тензор, недиагональная компонента которого в осях, связанных с главными осями элемента, ответственна за возникновение переменного магнитного поля ортогонального полю тока. Это поле в первом варианте устройства возбуждает напряжение на концах катушки индуктивности 2, амплитуда которого зависит от величины измеряемого внешнего поля; во втором варианте возникающее переменное поле приводит к возникновению напряжения на концах проводника 1, которое также зависит от величины измеряемого поля. В общем случае коэффициент трансформации энергии из одной из вышеуказанных мод в другую, ей ортогональную, пропорционален компоненте тензора поверхностного сопротивления металла,

где
ζ_zϕ(H) - зависящая от внешнего измеряемого поля H компонента тензора поверхностного импеданса чувствительного элемента в осях, в которых индекс ϕ соответствует оси в направлении переменного магнитного поля тока, а z - ей ортогональной и лежащей в плоскости, касательной к поверхности проводника 1 чувствительного элемента.

На фиг. 3 приведен пример магнитной структуры проводника 1 чувствительного элемента. Здесь изображен случай однодоменной структуры поверхностного слоя с результирующим магнитным моментом . Его проекциями в цилиндрической системе координат {ρ,ϕ,z} являются {0,M_ϕ,M_z}. Момент направлен под углом Θ к направлению легкой оси в присутствии внешнего поля , направленного вдоль оси проводника, и перпендикулярен оси проводника в отсутствие поля. Для случая коаксиальной линии передачи, нагружаемой коаксиальным короткозамкнутым устройством, в котором проводник 1 чувствительного элемента с магнитной структурой, изображенной на фиг.3, является центральным проводником, а внешний проводник устройства имеет размер внешнего проводника коаксиальной линии, коэффициент трансформации в условиях сильного скин-эффекта в проводнике чувствительного элемента
ζ(H) = Reζ_zϕ(H){P+Reζ_ϕϕ(H)}^-1, (3)
где
ζ_ϕϕ(H) - диагональная компонента тензора поверхностного импеданса. Параметр P характеризует внешнюю по отношению к проводнику 1 электрическую цепь: P = (a/l)ln(b/a_o), a_o - радиус центрального стержня коаксиальной линии передачи, l - длина проводника 1 чувствительного элемента, b - радиус внешнего проводника коаксиальной линии. Компоненты тензора поверхностного импеданса весьма чувствительны к величине поля H в диапазоне полей, когда направление магнитного момента на поверхности проводника 1 чувствительного элемента изменяется на противоположное. Этим обусловлена высокая чувствительность данного устройства.

На фиг.4 демонстрируются графики зависимости коэффициента передачи мощности, возбуждаемой источником переменного тока 3, от прикладываемого внешнего поля в схеме фиг.1 (вариант 1) и в схеме фиг.2 (вариант 2) при частоте переменного тока от источника тока 50 МГц. В качестве проводника 1 чувствительного элемента в обоих вариантах использовалась аморфная проволока из сплава (Fe₆Co₉₄)_72.5Si_12.5B₁₅ длиной 5 мм и диаметром 30 μm. Отрицательная величина константы магнитострикции данного сплава λ≈-10^-7 обусловила циркулярную магнитную анизотропию поверхностного слоя проводника, соответствующую изображенной на фиг.3. Эффективное поле анизотропии проводника H_A = 2K₁/M_O + N_ZM_O с учетом величины константы анизотропии K₁ = 200 эрг/см³, намагниченности насыщения M_o = 500 Гс, размагничивающего фактора N_Z = 0,001 составило 1,511 Э. Циркулярное поле тока от источника 3 с амплитудой 50 мкА в проводнике 1 на его поверхности в варианте 1 и продольное поле, создаваемое током от источника с амплитудой 0,4 мА в катушке индуктивности 2 в варианте 2 не превышало 0,05 Э, что удовлетворяет условию Число витков в катушке индуктивности длиной 1,5 мм и диаметром 1 мм было 15.

Из графика видно, что коэффициент преобразования резко меняется в диапазоне полей -1 - +1Э, что позволяет получить высокую чувствительность устройства для измерения магнитных полей.

На фиг.5 приведена зависимость выходного напряжения устройства, выполненного по схеме фиг.1 от величины измеряемого поля.

Коэффициент преобразования составил 10,5 В/Э, при этом зависимость выходного напряжения от величины измеряемого поля в диапазоне 0 - 0,4 Э линейная в пределах погрешности измерений 0,5%. Линейная зависимость дает возможность создания идентичных датчиков магнитного поля для дифференциальных методов измерения без специальных схемных решений, включающих отрицательную обратную связь. Оценка тепловых шумов, являющихся основным фактором, влияющим на отношение сигнал/шум для данной магнитно системы, дает величину пороговой чувствительности 10^-7 - 10^-8 Э. Экспериментальное достижение пороговой чувствительности возможно в условиях отфильтрования магнитных флуктуирующих помех.

Источники информации:
1. РФ, патент N 2059259, "Магниточувствительный элемент", опубл. в БИ, 1996 г., N 12, МКИ: G 01 R 33/02.

2. И.Л.Берштейн. Об одном новом типе магнетометра (эрстедметр).- Известия Академии наук СССР, Серия Физическая, VIII, 1944, N 4, c.189-193.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения слабых магнитных полей, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, причем проводник последовательно соединен с источником переменного тока, а катушка индуктивности соединена с измерителем напряжения на ее концах, отличающееся тем, что проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной к его продольной оси, и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствие внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно к его продольной оси, а источник переменного тока выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие

где поле тока на поверхности проводника;
H = H_k + N₂M_o - эффективное поле анизотропии проводника;
H_k = 2K₁/M_o;
K₁ - константа анизотропии проводника;
M_o - намагниченность насыщения проводника;
N_z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.

2. Устройство для измерения слабых магнитных полей, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, источник переменного тока и измеритель напряжения, отличающееся тем, что проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной к его продольной оси, и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствие внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно к его продольной оси, при этом концы его соединены с измерителем напряжения, а источник переменного тока соединен с катушкой индуктивности и выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие

где - продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника;
H_a = H_к + N_zM_o - эффективное поле анизотропии проводника;
H_к = 2K₁/M_o;
K₁ - константа анизотропии проводника;
M_o - намагниченность насыщения проводника;
N_z - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.

РИСУНКИ

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