Феррозондовый магнитометрический датчик

Авторы патента:

G01R33/05 - в тонкопленочных элементах

Владельцы патента RU 2757650:

Соколов Николай Александрович (RU)

Изобретение относится к области радиоизмерений. Феррозондовый магнитометрический датчик содержит магнитопровод, а также сердечники на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилитель возбуждения, обмотки возбуждения, два приемных колебательных контура с измерительными обмотками и конденсаторами, усилители тока, включенные в режиме повторителей напряжения, обмотка отрицательной обратной связи, резистор отрицательной обратной связи, усилитель постоянного тока в цепи обратной связи. Техническим результатом является создание феррозондового магнитометрического датчика, который обладает малым уровнем собственных шумов, возможностью функционирования в высокочастотных диапазонах, при питании от низковольтных источников тока. 3 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений и радиотехники и может быть использовано для регистрации возмущений электромагнитного поля, а так же в различных радиотехнических системах для измерения компонент вектора индукции магнитного поля.

Известен цифровой феррозондовый магнитометр (RU 2316781 С1, МПК G01R 33/02, опубл. 10.02.2008), содержащий задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, цифроаналоговые преобразователи, логический блок и устройства выборки-хранения, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов. Первый выход логического блока управления соединен с входом источника питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей. Вход логического блока управления соединен с выходом задающего генератора. Каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю.

Недостатком данного устройства является структурная сложность, низкая надежностью работы и, в связи с этим, большое энергопотребление.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитометрический датчик (прототип - см. патент на изобретение RU 2436112 С1, МПК: G01R 33/02, опубл. 10.12.2011), содержащий магнитопровод, две магнитные антенны, генератор тока, при этом в него введены устройство управления разностью фаз между током и напряжением, фильтр отсечки постоянного тока, фильтр отсечки переменного тока, при этом магнитные антенны расположены на расстоянии друг от друга со встречно направленными полями, направленность которых определяется магнитными осями соответствующих магнитных антенн, а взаимодействующий с указанными полями магнитопровод, расположенный между магнитными антеннами так, что гальванически не связан с этими магнитными антеннами, выполнен в виде экрана, изготовленного из материала, являющегося магнетиком, причем каждая из магнитных антенн выполнена в виде спиральной антенны, соединена с соответствующей емкостью и образует с ней резонансный контур, частотные резонансные характеристики которого соответствуют рабочей частоте магнитометрического датчика, магнитные оси упомянутых антенн совмещены, каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока, а генератор тока выполнен в виде генератора постоянного тока и соединен с каждой магнитной антенной через фильтр отсечки переменного тока, причем, выход фильтра отсечки постоянного тока является выходом магнитометрического датчика.

Недостатком магнитометрического датчика является сложность конструктивного исполнения и изготовления, низкая надежностью работы и, в связи с этим, большое энергопотребление.

Задачей настоящего изобретения является увеличение полосы рабочих частот феррозондового магнитометрического датчика в сторону регистрации возмущений электромагнитного поля в высокочастотных диапазонах, уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции и снижение энергопотребления датчика.

Технический результат выражается в создании феррозондового магнитометрического датчика, который обладает малым уровнем собственных шумов, возможностью функционирования в высокочастотных диапазонах, при питании от низковольтных источников тока.

Результат достигается тем, что в феррозондовый магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, введены сердечники на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилитель возбуждения, обмотки возбуждения, два приемных колебательных контура с измерительными обмотками и конденсаторами, усилители тока, включенные в режиме повторителей напряжения, обмотка отрицательной обратной связи, резистор отрицательной обратной связи, усилитель постоянного тока в цепи обратной связи.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема феррозондового магнитометрического датчика, на фиг. 2 - общий вид феррозондового магнитометрического датчика, на фиг.3 - осциллограммы входных и выходных сигналов феррозондового магнитометрического датчика.

Феррозондовый магнитометрический датчик (фиг. 1) состоит из сердечников 1 ленточного магнитопровода на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилителя 2 возбуждения; обмоток 3, 4 возбуждения; измерительных обмоток 5, 6, конденсаторов 7, 8, усилителей тока 9, 10, включенных в режиме повторителей напряжения, обмотки 11 отрицательной обратной связи, резистора 12 отрицательной обратной связи, усилителя 13 постоянного тока в цепи обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

Основной канал феррозондового датчика образован из обмоток 3, 4 возбуждения, включенных последовательно. На вход цепи возбуждения подается опорное напряжение с переменным током заданной частоты. Для создания в объеме сердечников 1 магнитного поля обмотки 3,4 возбуждаются переменным током через усилитель 2.

Протекающий в обмотках 3, 4 возбуждения ток создает в объеме сердечников поля, равные по величине, но противоположные по направленности, которые вызывают возбуждение вторичных измерительных обмоток 5, 6, и генерацию переменного тока в колебательном контуре, образованном обмотками 5, 6 и конденсаторами 7, 8. Наилучшие результаты можно получить, если возбуждать обмотки 3,4 знакопеременными прямоугольными импульсами тока с заданной скважностью, длительностью π/4 (π/8). При такой длительности импульсов тока обеспечиваются оптимальные условия для появления выходного напряжения, пропорционального составляющей магнитной индукции внешнего поля, и устойчивого параметрического усиления сигнала второй гармоники в усилителях тока 9, 10, включенных в режиме повторителей напряжения, при этом усилитель 9 усиливает по положительному полупериоду, а усилитель 10 - по отрицательному. При этом потребление мощности снижается в 2 раза.

Внешнее поле в объеме феррозондового магнитометрического датчика уравновешивается (компенсируется) внутренним полем, создаваемым в обмотке 11 отрицательной обратной связи, в которой протекает ток через резистор 12 отрицательной обратной связи и усилитель 13.

Основной канал феррозондового датчика в этом случае выполняет функцию нуль-индикатора, тогда как оценка измеряемого поля производится по измерению величины тока в цепи отрицательной обратной связи обмотки 11, а ток компенсации вырабатывается самим же основным каналом с вторичными измерительными обмотками 5, 6.

Таким образом, погрешность магнитометрического канала уменьшается за счет замены менее стабильной цепи прямого преобразования более стабильной цепью обратного преобразования. Применение сердечников из ленточного магнитопровода, на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава обеспечивает повышение частоты возбуждения до десятков килогерц, что в свою очередь обеспечивает снижение внутренних шумов датчика.

Данная схема принципиально может быть охвачена более глубокой обратной связью, не содержит крупногабаритных радиодеталей, может быть выполнена в микромодульном исполнении и практически не требует настройки.

Максимум амплитуды полезного сигнала будет пропорционален составляющей магнитной индукции внешнего поля, совпадающей по направлению с продольной осью сердечников.

Феррозондовый магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, отличающийся тем, что в его конструкции применены сердечники на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилитель возбуждения, обмотки возбуждения, два приемных колебательных контура с измерительными обмотками и конденсаторами, усилители тока, включенные в режиме повторителей напряжения, обмотка отрицательной обратной связи, резистор отрицательной обратной связи, усилитель постоянного тока в цепи обратной связи, при этом конструкция собрана вокруг единого каркаса, где параллельно по центру установлены сердечники, вокруг каркаса без гальванической связи с другими обмотками намотаны обмотки возбуждения, включенные последовательно, на которые подается опорное напряжение с переменным током заданной частоты через усилитель возбуждения, а намотанные на каркас измерительные обмотки обеспечивают генерацию переменного тока в колебательном контуре, образованном в цепи с конденсаторами, при этом в цепь колебательного контура включены усилители тока в режиме параметрического усиления сигнала, причем оценка измеряемого поля производится по измерению величины тока в цепи обмотки отрицательной обратной связи, намотанной без гальванической связи с другими обмотками на единый каркас, а ток компенсации вырабатывается самим же основным каналом с вторичными измерительными обмотками.

Изобретение относится к измерительной технике. Широкополосный спектрометр ферромагнитного резонанса дополнительно содержит короткозамкнутую несимметричную полосковую линию, размещенную в электромагнитном экране, причем СВЧ-разъем полосковой линии расположен перпендикулярно ее плоскости таким образом, что магнитная система может свободно поворачиваться вокруг нормали к плоскости полосковой линии, при этом магнитная система формирует магнитное поле в плоскости исследуемого образца двумя ортогональными парами колец Гельмгольца, питание которых осуществляется от двух независимых управляемых источников постоянного тока.

Устройство для измерения параметров тонких магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса на радиочастотах // 2747595

Использование: для измерения параметров тонких магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса на радиочастотах. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения параметров тонких магнитных пленок методом ферромагнитного резонанса на радиочастотах содержит ВЧ-генератор, измерительные катушки, являющиеся частью резонансного контура ВЧ-генератора, кольца Гельмгольца, формирующие постоянное магнитное поле, при этом устройство дополнительно содержит блок управления и цифровой обработки сигналов, который посредством приводов может независимо вращать столик с исследуемым образцом тонкой магнитной пленки и измерительную катушку, а также может изменять коэффициент обратной связи ВЧ-генератора, работающего в автодинном режиме.

Сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса // 2747100

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации спектров ферромагнитного резонанса с малых участков исследуемых образцов. Сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса содержит чувствительный элемент – СВЧ-головку, столик, на котором размещается исследуемый образец тонкой магнитной пленки, кольца Гельмгольца, цифровой блок формирования сигнала модуляции, цифровой блок формирования сигнала развертки, систему позиционирования столика, при этом детектирование сигнала осуществляется цифровым квадратурным синхронным детектором, для формирования модулирующего магнитного поля и магнитного поля развертки используются одни общие кольца Гельмгольца, а позиционирование столика полностью автоматизировано.

Свч-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса // 2715082

СВЧ-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса предназначена для измерения спектров поглощения тонкопленочных магнитных образцов. Устройство содержит печатную плату, на верхней стороне которой размещены СВЧ-генератор и амплитудный детектор, а нижняя сторона служит экраном с измерительным отверстием, над которым находится одно-, двух- или многовитковый индуктивный элемент генератора.

Тонкопленочный магнитометр слабых магнитных полей // 2712926

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в магнитометрии. Сущность изобретения заключается в том, что в тонкопленочном магнитометре слабых магнитных полей под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки с помощью дополнительной магнитной системы и низкочастотного генератора прямоугольных импульсов тока формируется модулирующее поле, причем амплитуда модулирующего поля больше величины поля анизотропии тонкой магнитной пленки, выходной сигнал амплитудного детектора подается на первый вход синхронного детектора, на второй вход которого поступает опорный сигнал от низкочастотного генератора, при этом выход синхронного детектора подключен к компенсирующей магнитной системе и одновременно является выходным сигналом устройства.

Тонкопленочная магнитная антенна // 2712922

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения величины и направления слабых магнитных полей в широком диапазоне частот и может использоваться в первую очередь в магнитометрии. Тонкопленочная магнитная антенна содержит СВЧ-генератор, тонкую магнитную пленку, амплитудный детектор, магнитную систему, формирующую постоянное поле смещения, направленное под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки, при этом тонкая магнитная пленка размещается под отрезком полоскового проводника, который является индуктивной частью резонатора СВЧ-генератора.

Способ неразрушающего контроля распределения намагниченности по толщине ферритовой плёнки // 2709440

Изобретение относится к микро- и нанотехнологии. Способ неразрушающего контроля намагниченности эпитаксиальной ферритовой пленки на немагнитной подложке включает одновременное воздействие на пленку постоянного магнитного поля и СВЧ магнитного поля, измерение СВЧ сигналов на выходе пленки и определение параметров намагниченности пленки расчетным путем, при этом постоянное магнитное поле ориентируют по нормали к поверхности ферритовой пленки, воздействие СВЧ магнитным полем осуществляют в импульсном режиме, регулируя величину постоянного магнитного поля и/или частоту заполнения радиоимпульсов до возбуждения в ферритовой пленке радиоимпульсов обменных спиновых волн, бегущих вглубь ферритовой пленки и отражающихся от ее противоположной поверхности, измеряют время задержки отраженных эхоимпульсов обменных спиновых волн и соответствующие величины частоты заполнения радиоимпульса и постоянного магнитного поля.

Чувствительный элемент тонкопленочного магнитометра // 2706436

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - предназначено для измерения слабых магнитных полей, и может использоваться в магнитометрии. Чувствительный элемент состоит из печатной платы, на верхней стороне которой размещаются два СВЧ-резонатора, включающих одну общую диэлектрическую подложку с осажденной на ее нижней стороне тонкой магнитной пленкой.

Графеновый спиновый фильтр // 2585404

Использование: для формирования групп поляризованных электронов с заданной ориентацией спина в устройствах твердотельной электроники. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый спиновый фильтр содержит монослой графена с двумя ферромагнитными электродами, изолирующий слой, расположенный между монослоем графена и каждым из ферромагнитных электродов, и слой благородного металла, в качестве изолирующего слоя использован буферный монослой графена, размеры которого ограничены размерами ферромагнитного электрода, а слой благородного металла расположен между ферромагнитным электродом и буферным монослоем графена, слой благородного металла состоит из монослоя атомов золота.

Датчик слабых высокочастотных магнитных полей // 2536083

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой датчик слабых высокочастотных магнитных полей и может применяться в первую очередь в магнитометрии. Датчик содержит диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой нанесены полосковые проводники двух микрополосковых резонаторов, а на нижней стороне осаждена магнитная пленка, покрытая металлическим слоем, выполняющим роль экрана.