ES2333575B1 - Sensor de campo magnetico de bajo consumo. - Google Patents
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Abstract
Sensor de campo magnético de bajo consumo.
Con un consumo inferior a 50 miliwatios y
estando destinado a la medida de campos magnéticos en un rango de
frecuencias de 0 a 5000 Hz, el dispositivo de la invención consiste
en un microhilo (1) de material magnético amorfo con una longitud
comprendida entre los 20 y los 30 milímetros y un diámetro
comprendido entre las 20 y las 80 micras. Dicho microhilo tiene un
dominio magnético en forma de huso, dirigido según su eje, cuyo
ciclo de histéresis presenta un comportamiento biestable, microhilo
(1) que se establece en el interior de una matriz de material no
conductor, sobre la que se disponen un arrollamiento de detección
(2) y otro de compensación y medida (5); con la particularidad de
que dicho microhilo (1) está sujeto por sus extremos a un circuito
dotado de una fuente de alimentación alterna que hace circular una
corriente alterna excitadora de frecuencia f por el microhilo
produciendo una variación del volumen del dominio magnético
longitudinal de frecuencia 2 f. El microhilo podrá estar obtenido
por enfriamiento ultrarrápido o por depósito electrolítico.
Description
Sensor de campo magnético de bajo consumo.
La presente invención, según se expresa en el
enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sensor
magnético de pequeñas dimensiones, con un consumo inferior a 50
miliwatios, destinado a la medida de campos magnéticos en un rango
de frecuencias de 0 a 5000 Hz y a su procedimiento de fabricación.
El dispositivo es un sensor que se basa en la estructura de
dominios magnéticos que presenta, debido a su geometría, un
microhilo ferromagnético amorfo, que puede ser fabricado por
enfriamiento ultrarrápido o por electrodeposición. El campo técnico
de esta invención se enmarca en el área del Magnetismo.
En la bibliografía científica se describe una
amplia variedad de sensores magnéticos de diferentes tipos,
utilizados para la medida de campos magnéticos continuos (DC) o
alternos (AC): "fluxgates", magnetorresistivos, de efecto
Hall, etc. Estos sensores resultan especialmente aplicables en la
detección de objetos metálicos magnéticos, en investigación espacial
y submarina, determinando rumbos de navegación y en la detección e
identificación de buques, submarinos y aviones; en el ámbito de los
ferrocarriles para la detección de paso de unidades móviles, en
geofísica, para medir las variaciones en el campo magnético
terrestre, etc. El principio de funcionamiento depende del tipo de
sensor.
Los sensores tipo "fluxgate" más
convencionales consisten en dos núcleos ferromagnéticos provistos
de sendos arrollamientos de excitación y de detección. En la
bibliografía aparece un sensor de campo, patente de invención nº
ES2021539, constituido por una matriz cilíndrica de material no
magnético y en su interior un hilo amorfo ferromagnético con
anisotropía helicoidal. Sobre la matriz se establecen
arrollamientos de detección y compensación. Otra patente sobre
sensor "fluxgate" es nº ES2021540, que incorpora un núcleo de
material amorfo, y sobre él tres matrices cilíndricas, coaxiales y
no magnéticas sobre las que se arrollan dos bobinas de excitación
conectadas en serie en sentido opuesto, y una bobina de detección.
La patente nº GB204460 describe un "fluxgate" con un núcleo en
forma de anillo y bobinados toroidalmente a su alrededor, tres
arrollamientos secundarios, dos de ellos dispuestos en sentido
opuesto.
El principal problema de estos sensores es su
apreciable tamaño, del orden de varios centímetros, impuesto por la
forma del núcleo ferromagnético y los bobinados, así como un peso y
un consumo de potencia apreciables, que limitan su uso en
determinadas aplicaciones.
Aparecen además, en la bibliografía, otros
sensores micro "fluxgate" como el que se describe en la
patente nº US2005024050, de dimensiones reducidas, pero realizados
con técnicas de microfabricación mucho más sofisticadas, costosas y
complejas.
El sensor objeto de esta memoria utiliza un
único arrollamiento detector, tiene un tamaño de 30 milímetros de
largo por 1 mm de diámetro, un peso inferior a 5 gramos y un
consumo inferior a 50 miliwatios.
El objeto de esta nueva invención es la
disminución del tamaño, peso y consumo de los sensores actuales,
consiguiendo un sensor mucho más ligero y reducido, con alta
sensibilidad y muy bajo consumo energético, que lo hace apto para
su aplicación en entornos restrictivos como la investigación
espacial.
Como es sabido, en los materiales amorfos la
anisotropía de forma, debida a la geometría, determina la
estructura de dominios magnéticos y, por tanto, los procesos de
imanación. En el caso de un microhilo dicha anisotropía da lugar a
la aparición de un dominio con imanación longitudinal, en forma de
huso, a lo largo del eje de revolución del hilo y el ciclo de
histéresis de dicho hilo presenta un comportamiento biestable de la
imanación de remanencia. Desde la remanencia a la saturación, el
volumen de este dominio puede variar por la acción de un campo
magnético o, en microhilos magnetoestrictivos, por la acción de una
tensión mecánica.
El sensor que se presenta consiste en un
microhilo de aleación amorfa, base Fe, que puede ser fabricado por
enfriamiento ultrarrápido o por electrodeposición, por el que se
hace circular una corriente alterna, I_{f}, de unos
miliamperios de intensidad y de una frecuencia f de decenas
de kilohercios, que genera un campo excitador azimutal
\vec{\mathit{H}_{\phi}} de la misma frecuencia que la corriente.
En estas condiciones el volumen del dominio magnético longitudinal
del hilo disminuye al aumentar la intensidad del campo azimutal,
siendo mínimo cuando dicho campo es máximo, y máximo cuando dicho
campo es nulo. Esto ocurre dos veces por período del campo. Una
bobina detectora, coaxial con el microhilo, detecta el cambio de
flujo magnético debido a la variación de volumen de dicho dominio
longitudinal, induciéndose en ella una señal de tensión
V_{2f} de doble frecuencia que la del campo excitador
azimutal. La presencia de un campo magnético externo axial
\vec{\mathit{H}_{ext}} en la dirección del eje del hilo tiene,
sobre el dominio de imanación longitudinal, el mismo efecto que una
variación de la anisotropía longitudinal, dando lugar a una
variación en la intensidad de la señal de doble frecuencia inducida
en la bobina. Esta variación es detectada por el sistema
electrónico.
Este dispositivo utiliza una electrónica
descrita en un "proceeding" de la 1ª Asamblea Hispano
Portuguesa de Geodesia y Geofísica, realizada en Almería, España,
en 1998, que tiene autores comunes con la presentada aquí, por lo
que no se describe su funcionamiento con detalle. Está constituida
por una etapa de generación de señales, una etapa de excitación y
una etapa de detección y medida.
Cuando se detecta un cambio en el voltaje
V_{2f} inducido en el arrollamiento de detección, el
sistema electrónico hace pasar una corriente eléctrica por un
arrollamiento de compensación y medida, que crea un campo opuesto
al campo externo hasta que la señal de voltaje V_{2f},
inducida en dicho arrollamiento de detección, recupera el valor
inicial. En ese momento el campo compensador axial
\vec{\mathit{H}}comp, creado por el arrollamiento de
compensación y medida, tiene la misma intensidad que el campo
externo axial \vec{\mathit{H}}ext, obteniéndose así el
valor de dicho campo externo \vec{\mathit{H}}ext.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática de un sensor de campo magnético realizado de acuerdo
con el objeto de la presente invención.
La figura 2.- Muestra un esquema del circuito
electrónico en la etapa de alimentación: generación de señales.
La figura 3.- Muestra un esquema del circuito
electrónico en la etapa de alimentación: excitación.
La figura 4.- Muestra un esquema del circuito
electrónico en la etapa de salida: detección y medida.
La figura 5.- Muestra una representación similar
a la de la figura 1, en la que junto al sensor aparecen
representados los diferentes elementos adicionales que participan
en la invención, tales como generador y receptor
"lock-in", tensión aplicada, bobinas Helmholtz,
amperímetro y generador de corriente continua.
La figura 6.- Muestra, finalmente, las curvas
obtenidas para la realización de la invención cuando se aplica una
tensión de 6.87 MPa (1) y 13.75 MPa (2) respectivamente.
A la vista de las figuras reseñadas, y en
especial de la figura 1, puede observarse como en el dispositivo de
la invención participa un micro-hilo (1) sobre el
que se arrolla un bobinado (2), microhilo (1) por el que se hace
circular una corriente alterna I_{f}, generando un campo excitador
azimutal \vec{\mathit{H}_{\phi}} de la misma frecuencia que la
corriente.
Tal y como se ha comentado anteriormente la
bobina (2) detecta el cambio de flujo magnético debido a la
variación del volumen del dominio longitudinal (8) en forma de
huso, induciéndose en ella una señal de tensión V_{2f} de doble
frecuencia que la del campo excitador azimutal, variación que es
detectada por el sistema electrónico mostrado en las figuras 2 a 4,
sistema convencional, en el que en la etapa de alimentación y
generación de señales participa un oscilador (9) asociado a un
divisor programable (10) asociado a un contador BCB (11). Por su
parte, y tal y como se puede observar en la figura 3, en la etapa
de alimentación/excitación participa un filtro digital
pasa-banda (12) a cuya salida se establece un
amplificador y tras éste se conecta según el eje X el primer
arrollamiento (14) de la bobina
(2).
(2).
Finalmente, y tal y como se puede observar en la
figura 4, en el circuito electrónico o etapa de salida de detección
y medida, la señal (15) es enviada a un amplificador (16), asociado
a un multiplicador analógico (17) asociado a un filtro de paso alto
(18) y a un filtro de paso bajo (19), este último asociado
igualmente a un integrador (20).
De acuerdo con la realización preferente de la
invención, la mostrada en la figura 5, el microhilo (1) y el
bobinado (2) están conectados a un generador y receptor
"lock-in" (3), habiéndose representado la
tensión aplicada con (4), estableciéndose una pareja de bobinas
Helmoltz (5) enfrentadas a los extremos de dicho microhilo (1),
conectadas a un amperímetro (6) y a un generador de corriente
continua (7).
A partir de esta estructuración, la capacidad de
detección del sensor basado en microhilo magnético ha sido
confirmada utilizando un microhilo magnético amorfo de base hierro
de 80 \mum de diámetro y longitud 4 cm. Dicho microhilo se
encuentra en el interior de un cilindro hueco, sobre el que se ha
dispuesto un arrollamiento de detección y otro de compensación y
medida. El experimento se ha realizado haciendo pasar una corriente
a través del microhilo. Dicha corriente, de frecuencias
comprendidas entre 1 y 11 KHz, es generada por el
"lock-in" (3). El voltaje utilizado es
constante y de 500 mV. La corriente que circula por el microhilo
varía según la frecuencia y está comprendida entre 9.94 mA y 7.29
mA. El voltaje generado en el arrollamiento de detección es
detectado por el amplificador "lock-in"
(3).
\newpage
El campo magnético a detectar se genera mediante
los carretes Helmholtz (5) de constante 1 Oesterd/Amperio. La
medida se realiza desde campo cero hasta 0.8 Oesteds realizándose
incrementos, entre punto y punto, del orden de 0.005 Oe.
El experimento se realiza aplicado cierta
tensión al hilo (1). En particular se han aplicado tensiones de
6.87 MPa y 13.75 MPa.
Claims (3)
1. Sensor de campo magnético de bajo consumo,
caracterizado porque está constituido por un microhilo (1)
de material magnético amorfo con una longitud comprendida entre los
20 y los 30 milímetros y un diámetro comprendido entre las 20 y las
80 micras; habiéndose previsto que dicho microhilo tenga un dominio
magnético en forma de huso, dirigido según su eje, cuyo ciclo de
histéresis presenta un comportamiento biestable, microhilo (1) que
se establece en el interior de una matriz de material no conductor,
sobre la que se disponen un arrollamiento de detección (2) y otro de
compensación y medida (5); con la particularidad de que dicho
microhilo (1) está sujeto por sus extremos a un circuito dotado de
una fuente de alimentación alterna que hace circular una corriente
alterna excitadora de frecuencia f por el microhilo
produciendo una variación del volumen del dominio magnético
longitudinal de frecuencia 2f.
2. Sensor de campo magnético de bajo consumo,
según reivindicación 1ª, caracterizado porque el citado
circuito se materializa en una placa de circuito impreso, en la que
el microhilo (1), los arrollamiento de detección y compensación
(2), la fuente de corriente alterna y el circuito electrónico de
medida (6) quedan integrados.
3. Sensor de campo magnético de bajo consumo,
según reivindicación 1ª, caracterizado porque el microhilo
(1) está obtenido por enfriamiento ultrarrápido o por depósito
electrolítico.
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BARANOV, S.A. et al. Domain structure of Fe-based microwires, Physica B: Condensed Matter, Vol. 372, Núm. 1-2, Proceedings of the Fifth International Symposium on Hysteresis and Micromagnetic Modeling, 1 Febrero 2006, Páginas 324-327, ISSN 0921-4526. * |
VAZQUEZ M, et al. Giant magnetoimpedance effect in soft magnetic wires for sensor applications; Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 59, Núm. 1-3, 1st European magnetic sensors and actuators conference, Abril 1997, Páginas 20-29, ISSN 0924-4247. * |
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