ES2339622A1 - Method and device for measuring magnetic gradient and magnetic susceptibility of a material - Google Patents
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Abstract
Description
Método y dispositivo para la medición de gradiente magnético y susceptibilidad magnética de un material.Method and device for measuring Magnetic gradient and magnetic susceptibility of a material.
La presente invención se refiere a un dispositivo y a un método para la medición del gradiente magnético.The present invention relates to a device and a method for measuring the gradient magnetic.
El dispositivo propuesto puede trabajar también como susceptómetro, puesto que puede medir el gradiente de campo magnético producido por un material magnético imanado situado cerca del sistema.The proposed device can also work as a susceptometer, since it can measure the field gradient magnetic produced by a magnetized magnetic material located nearby of the system.
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La medida del gradiente magnético es importante en muchos ámbitos científicos tales como aplicaciones médicas (medida de actividad neuronal), geológicas (yacimientos y prospecciones) o militares (detección de minas antipersonas). Han sido varias las técnicas utilizadas para este tipo de medidas. Para valores muy bajos de gradiente se han propuesto medidores basados en magnetómetros SQUID (superconducting quantum interference devices). Sin embargo estos presentan la desventaja de trabajar a temperaturas criogénicas, por lo que el sistema resultante es muy complejo.The measurement of the magnetic gradient is important in many scientific fields such as medical applications (measure of neuronal activity), geological (deposits and surveys) or military (detection of antipersonnel mines). Han There have been several techniques used for this type of measurement. For Very low gradient values have been proposed based on SQUID magnetometers (superconducting quantum interference devices). However, these have the disadvantage of working at temperatures cryogenic, so the resulting system is very complex.
También se han propuesto medidas de gradiente magnético utilizando fluxgates, fibras ópticas unidas a materiales magnetostrictivos o recubiertas parcialmente con ellos, magnetómetros con núcleos de material magnetostrictivo, etc. En todos los casos la medida se basa en la diferencia de campo magnético en las posiciones de los magnetómetros separados físicamente. Esto hace que la medida lleve implícita un error en la determinación del gradiente.Gradient measures have also been proposed. Magnetic using fluxgates, material-bound optical fibers magnetostrictive or partially coated with them, magnetometers with magnetostrictive material cores, etc. In All cases measure is based on the field difference magnetic in the positions of the separated magnetometers physically. This causes the measure to imply an error in the gradient determination.
Se han sugerido medidores de gradiente con un solo elemento transductor. En este caso se utiliza un sistema resonante al que se añade un material magnéticamente blando que se imana con una frecuencia que coincide con la de resonancia del sistema. Sin embargo presenta varios inconvenientes. El primero es que necesita un sistema de control de campos magnéticos uniformes puesto que, en caso de no tenerlo, la muestra magnéticamente blanda podría imanarse de forma incontrolada. Este sistema de control puede hacerse inviable si el valor del campo magnético del entorno es alto. Además, la imanación del material de forma sinusoidal no es trivial si tenemos en cuenta la histéresis del proceso.Gradient meters have been suggested with a single transducer element. In this case a system is used resonant to which a magnetically soft material is added that is magnet with a frequency that matches the resonance of the system. However, it has several drawbacks. The first is that you need a uniform magnetic field control system since, if you don't have it, the magnetically soft sample It could be magnetized uncontrollably. This control system can become unfeasible if the value of the surrounding magnetic field is tall. In addition, the magnetization of the sinusoidal material is not trivial if we consider the hysteresis of the process.
Algunas patentes conocidas relacionadas con este
sector de la técnica son: EP0773449, US2003222649,
US4549135,
y US4918371.Some known patents related to this sector of the art are: EP0773449, US2003222649,
US4549135, and US4918371.
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Un medidor de gradiente magnético mide derivadas direccionales de campo magnético pero es insensible a campos magnéticos homogéneos. En la presente invención se mide el gradiente magnético a través de las variaciones de la frecuencia, fase o amplitud de resonancia de un sistema compuesto por una estructura resonante tal como una lengüeta, fleje, una membrana o un muelle, sobre los que se fija solidariamente un material magnético duro.A magnetic gradient meter measures derivatives directional magnetic field but is insensitive to fields homogeneous magnetic In the present invention the gradient is measured magnetic through variations of frequency, phase or resonance amplitude of a system composed of a structure resonant such as a tongue, strap, a membrane or a spring, on which a hard magnetic material is fixed in solidarity.
El conjunto material duro-estructura vibrante se hace vibrar a su frecuencia de resonancia mediante la aplicación de un gradiente de campo magnético sobre el material magnético duro, producido por unos medios generadores de campo magnético, por ejemplo una serie de bobinas que actúan sobre el material magnético. La aplicación de un gradiente externo produce una fuerza sobre el material magnético que se transmite a la estructura y hace que cambie la frecuencia de resonancia, la fase y la amplitud.The material set vibrating hard-structure is vibrated at its resonance frequency by applying a gradient of magnetic field on the hard magnetic material, produced by some magnetic field generating means, for example a series of coils that act on the magnetic material. The application of a external gradient produces a force on the magnetic material that it is transmitted to the structure and causes the frequency of resonance, phase and amplitude.
Una de las ventajas de la presente invención, es que no es necesario imanar el material magnético de manera alterna para conseguir que el sistema entre en resonancia.One of the advantages of the present invention is that it is not necessary to magnetize the magnetic material alternately to get the system to resonate.
El dispositivo objeto de la invención comprende un elemento mecánico sobre el que se fija solidariamente un imán o cualquier material magnéticamente duro, entendiendo por ello aquel material que presenta un valor constante de la imanación cuando se le somete a variaciones de campo magnético menores de 10^{-2} T. Cuando se aplica una fuerza magnética alterna a dicho material magnético el conjunto vibra y la vibración resultante, que puede ser detectada mediante cualquiera de los métodos convencionales, está relacionada con la fuerza aplicada sobre el material magnéticamente duro y, por tanto, con el gradiente magnético que genera esta fuerza y el momento del material magnéticamente duro.The device object of the invention comprises a mechanical element on which a magnet is fixed jointly or any magnetically hard material, meaning that material that presents a constant value of the magnetization when subject you to magnetic field variations of less than 10 -2 T. When an alternating magnetic force is applied to said material magnetic the set vibrates and the resulting vibration, which can be detected by any of the conventional methods, it is related to the force applied on the magnetically material hard and therefore with the magnetic gradient generated by this force and the moment of magnetically hard material.
Cuando en el vacío un campo magnético H actúa sobre un material magnético se produce sobre dicho material un par definido por:When a magnetic field H acts on a magnetic material in vacuum, a pair defined by:
y actúa una fuerza sobre él definida por:and a force acts on him defined by:
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donde \mu_{0} es la permeabilidad magnética en el vacío, m el momento magnético del material y H el campo magnético que actúa sobre él. Por lo tanto, si m es constante, sólo se ejercerá una fuerza sobre el sistema si el campo magnético H presenta variaciones espaciales en la posición del material magnéticamente duro o imán. Desarrollando la anterior ecuación obtenemos que el valor de la fuerza es:where \ mu_ {0} is the magnetic permeability in vacuum, m the magnetic moment of the material and H the magnetic field acting on it. Therefore, if m is constant, a force will only be exerted on the system if the magnetic field H exhibits spatial variations in the position of the magnetically hard material or magnet. Developing the previous equation we obtain that the value of the force is:
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Por lo tanto la aplicación de un campo magnético que presente variaciones espaciales, esto es, la aplicación de un gradiente magnético llevará a que sobre el imán o material magnéticamente duro actúe una fuerza. Si suponemos que la imanación de dicho material está orientada en la dirección Z, la fuerza sobre ese material será:Therefore the application of a magnetic field that presents spatial variations, that is, the application of a Magnetic gradient will lead to that on the magnet or material magnetically hard act a force. If we assume that the magnetization of said material is oriented in the Z direction, the force on that material will be:
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En la presente invención el material magnéticamente duro se situará de tal manera que la vibración detectada sea la producida por la fuerza ejercida en la dirección Z, esto es,In the present invention the material magnetically hard will be positioned in such a way that the vibration detected is that produced by the force exerted in the Z direction, this is,
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Este material magnéticamente duro o imán se fija solidariamente mediante cualquiera de las técnicas convencionales a una estructura vibrante que puede ser un muelle, una lengüeta, una membrana, etc. Estas técnicas pueden ser el pegado mediante un pegamento, resina, etc. Alternativamente se puede realizar el crecimiento directo del material magnéticamente duro o imán sobre cualquiera de las estructuras vibrantes anteriormente mencionadas (sputtering, etc). Otra posible técnica de fijación del material magnético duro a la estructura vibrante, puede ser mediante otro material magnético situado en la otra cara de la estructura, ya sea crecido directamente sobre la estructura vibrante o bien pegado mediante fuerza magnética al primer imán.This magnetically hard material or magnet is fixed jointly and severally using any of the conventional techniques to a vibrant structure that can be a spring, a tongue, a membrane, etc. These techniques can be pasted by a glue, resin, etc. Alternatively you can perform the direct growth of magnetically hard material or magnet on any of the vibrating structures mentioned above (sputtering, etc.) Another possible material fixing technique hard magnetic to the vibrating structure, it can be by other magnetic material located on the other side of the structure, either grown directly on the vibrating structure or stuck by magnetic force to the first magnet.
Con el fin de optimizar el movimiento producido por el gradiente magnético sobre el sistema oscilante, se hace vibrar dicho sistema a su frecuencia de resonancia mecánica o a cualquiera de sus harmónicos. Para ello se utiliza excitación magnética, mediante la aplicación de un campo que puede ser nulo en el lugar donde se sitúa el material magnéticamente duro, pero con un alto gradiente en dicho punto.In order to optimize the movement produced by the magnetic gradient on the oscillating system, it is done vibrate said system at its mechanical resonance frequency or at any of its harmonics. For this excitation is used magnetic, by applying a field that can be null in the place where the magnetically hard material is located, but with a high gradient at that point.
Otro aspecto de la invención se refiere a un método para la medición del momento magnético de un material, que comprende disponer un material magnético duro sobre un elemento vibrante, y aplicar un campo magnético sobre dicho material y elemento vibrante.Another aspect of the invention relates to a method for measuring the magnetic moment of a material, which comprises arranging a hard magnetic material on an element vibrant, and apply a magnetic field on said material and vibrant element.
Dicho campo magnético está determinado para hacer que la estructura vibrante formada por el material magnético y el elemento vibrante, vibren en la frecuencia de resonancia del conjunto o alguno de sus armónicos. En el método se mide la variación de las características de vibración de la estructura vibrante, cuando dicha estructura se ve sometida a un gradiente magnético externo producido por una muestra magnética.Said magnetic field is determined to make the vibrating structure formed by the magnetic material and the vibrating element, vibrate at the resonance frequency of the set or any of its harmonics. In the method the variation of the vibration characteristics of the structure vibrant, when said structure is subjected to a gradient external magnetic produced by a magnetic sample.
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:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as an integral part of said description, a set of drawings where with character Illustrative and not limiting, the following has been represented:
La figura 1.- muestra un esquema general que ilustra la técnica objeto de esta invención para la medición de gradiente magnético o el momento magnético de una muestra.Figure 1 shows a general scheme that illustrates the technique object of this invention for the measurement of Magnetic gradient or magnetic moment of a sample.
La figura 2.- muestra una representación esquemática de una realización preferente del dispositivo objeto de la invención. Las cruces y puntos en las bobinas denotan el sentido del campo generado.Figure 2.- shows a representation schematic of a preferred embodiment of the device object of the invention. The crosses and points on the coils denote the direction of the generated field.
La figura 3.- muestra una representación similar a la anterior con el sistema de calibración. Las cruces y puntos en las bobinas denotan el sentido del campo generado.Figure 3.- shows a similar representation to the previous one with the calibration system. The crosses and points in the coils denote the direction of the generated field.
La figura 4.- muestra una representación esquemática del dispositivo cuando se aplica sobre una muestra magnética. Las cruces y puntos en las bobinas denotan el sentido del campo generado.Figure 4.- shows a representation device schematic when applied on a sample magnetic The crosses and points on the coils denote the direction of the generated field
La figura 5.- muestra una representación esquemática del dispositivo junto con un ejemplo de sistema de detección de la vibración. En la parte superior derecha de esta misma figura, se ha representado una vista ampliada y en planta de la fibra óptica empleada para la detección de la vibración. Al igual que en las figuras precedentes, las cruces y puntos en las bobinas denotan el sentido del campo generado.Figure 5.- shows a representation device schematic together with an example system of vibration detection In the upper right of this same figure, an enlarged and plan view of the optical fiber used for vibration detection. As than in the preceding figures, the crosses and points on the coils denote the meaning of the generated field.
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En la figura 1 se muestra un esquema general de la invención, en el que se aprecia unos medios generadores de campo magnético (1) para aplicar una excitación (2) sobre una estructura vibrante (3), que está compuesta por un material magnéticamente duro (5) y un elemento vibrante (4). Debido a una perturbación magnética externa (6), se produce una respuesta (7) del sistema, medida mediante unos medios de medición de variación de la vibración (8).A general scheme of the invention, in which field generating means are appreciated magnetic (1) to apply an excitation (2) on a structure vibrating (3), which is composed of a magnetically hard material (5) and a vibrant element (4). Due to a magnetic disturbance external (6), a response (7) of the system is produced, measured by means of measuring vibration variation (8).
Algunos ejemplos de materiales magnéticamente duros que se pueden emplear son: SmCo o NdFeB.Some examples of magnetically materials Hard that can be used are: SmCo or NdFeB.
En la figura 2 se ha representado un ejemplo práctico para llevar a la estructura vibrante (3) a su resonancia mecánica. Un material magnético duro (5), está unido solidariamente a un elemento vibrante (4), en este caso una membrana elástica (9), que a su vez está montada sobre un elemento fijo como puede ser un bastidor o marco (14).An example is shown in figure 2 Practical to bring the vibrating structure (3) to its resonance mechanics. A hard magnetic material (5), is joined in solidarity to a vibrating element (4), in this case an elastic membrane (9), which in turn is mounted on a fixed element such as a frame or frame (14).
Para conocer la frecuencia de resonancia de la estructura vibrante, se puede hacer vibrar el conjunto mediante cualquier técnica conocida, efectuando un barrido de frecuencias para detectar el máximo de la amplitud de la señal.To know the resonant frequency of the vibrating structure, the set can be vibrated by any known technique, performing a frequency sweep to detect the maximum signal amplitude.
Los medios generadores de campo consisten en este ejemplo en una primera, segunda, tercera y cuarta bobinas (10, 11, 12,13), adecuadamente dispuestas y alimentadas para generar un campo magnético que produce un gradiente magnético alterno en el lugar donde se sitúa el material magnético duro (5). Por las bobinas (10, 11, 12, 13) se hace pasar una corriente eléctrica alterna, la cual genera un campo que es nulo en el lugar ocupado por el material magnéticamente duro o imán (5), pero que crea un alto valor pico a pico de gradiente magnético.Field generating means consist of this example in a first, second, third and fourth coils (10, 11, 12,13), properly arranged and fed to generate a magnetic field that produces an alternating magnetic gradient in the place where the hard magnetic material is located (5). By coils (10, 11, 12, 13) an alternating electric current is passed, the which generates a field that is null in the place occupied by the material magnetically hard or magnet (5), but that creates a high peak value at magnetic gradient peak.
De manera más concreta, se puede considerar que la membrana elástica (9) está situada en un plano imaginario horizontal, y las bobinas están dispuestas por parejas con su eje perpendicular a dicho plano.More specifically, it can be considered that the elastic membrane (9) is located in an imaginary plane horizontal, and the coils are arranged in pairs with their axis perpendicular to said plane.
La figura 3 es una representación similar a la figura anterior, en la que interviene un sistema de calibración, formado en este caso por una espira (15) de momento magnético conocido que se sitúa en el eje del sistema, en este caso dispuesta coaxialmente con el material magnético (5), y a una distancia adecuada.Figure 3 is a representation similar to the previous figure, in which a calibration system is involved, formed in this case by a spiral (15) of magnetic moment known to be located on the axis of the system, in this case arranged coaxially with the magnetic material (5), and at a distance adequate.
La calibración del sistema puede hacerse mediante la utilización de una pequeña espira (15) por la que pasa una corriente eléctrica. Al aplicar una intensidad de corriente a la espira (15), ésta genera un campo magnético inhomogéneo que crea un gradiente de valor conocido en la posición del material magnético (5). Una calibración adecuada mediante la espira de corriente nos proporciona la relación entre variación de frecuencia, fase o amplitud y el gradiente magnético.System calibration can be done. by using a small loop (15) through which it passes an electric current By applying a current intensity to the spiral (15), this generates an inhomogeneous magnetic field that creates a gradient of known value in the position of the magnetic material (5). A proper calibration by means of the current loop provides the relationship between frequency variation, phase or amplitude and magnetic gradient.
El dispositivo se introduce en un apantallador de campo magnético. Esta espira (15) se sitúa a una distancia del dispositivo tal que pueda suponerse que el campo magnético producido en el sistema es el de un dipolo magnético:The device is inserted into a shield of magnetic field. This loop (15) is located at a distance of device such that it can be assumed that the magnetic field produced In the system it is that of a magnetic dipole:
donde r es la distancia entre el centro de la espira y el centro del imán, m es el momento magnético de la espira y cuyo valor es m=I.S, donde I es la corriente eléctrica y S el área de dicha espira. Si el sistema se diseña para medir la derivada direccional en la dirección Z de imanación del imán entonces el valor de campo magnético en esa dirección viene dado por:where r is the distance between the center of the loop and the center of the magnet, m is the magnetic moment of the loop and whose value is m = IS , where I is the electric current and S is the area of the loop. If the system is designed to measure the directional derivative in the magnetization direction Z of the magnet then the magnetic field value in that direction is given by:
Y el gradiente producido será:And the gradient produced be:
En caso de que la espira se situara lo suficientemente cerca del sistema como para que no sirva la aproximación dipolar, se utilizarían las ecuaciones exactas del valor del campo magnético generado por una espira que pueden encontrarse por ejemplo en la publicación E.Durand, Magnétostatique, Masson et Cie, Paris, 1968.In case the loop is placed, close enough to the system not to serve the dipole approximation, the exact equations of the value of the magnetic field generated by a loop that can found for example in the publication E.Durand, Magnétostatique, Masson et Cie, Paris, 1968.
La figura 4 muestra el efecto de una muestra magnética (16) cerca del sistema, la cual crea un gradiente de campo magnético que modifica los parámetros de vibración del sistema. Cuando se somete el sistema a un gradiente de campo magnético externo, distinto del creado por las bobinas, cambian la frecuencia de resonancia, la fase y también la amplitud de oscilación del sistema. La medida de la variación de cualquiera de estas magnitudes puede ser usada en la detección de dicho gradiente.Figure 4 shows the effect of a sample magnetic (16) near the system, which creates a field gradient magnetic that modifies the vibration parameters of the system. When the system is subjected to a magnetic field gradient external, different from the one created by the coils, change the frequency resonance, phase and also the amplitude of oscillation of system. The measure of the variation of any of these quantities It can be used in the detection of said gradient.
Si un material ferromagnético se acerca al sistema puede generar un gradiente de campo magnético similar al de un dipolo magnético, dependiendo de la relación entre su tamaño y la distancia al sistema. De este modo el sistema propuesto puede usarse también como un susceptómetro, presentando frente al magnetómetro de muestra vibrante (VSM) o al magnetómetro de gradiente alterno (AGM) la ventaja de no tener que mover la muestra durante la medida.If a ferromagnetic material approaches the system can generate a magnetic field gradient similar to that of a magnetic dipole, depending on the relationship between its size and the system distance In this way the proposed system can be used also as a susceptometer, presenting in front of the magnetometer of vibrating sample (VSM) or alternating gradient magnetometer (AGM) the advantage of not having to move the sample during the measurement.
El sistema de detección de la vibración del sistema puede realizarse mediante cualquiera de las técnicas conocidas hasta el momento, por ejemplo, piezoelectricidad, variaciones de capacidad eléctrica o métodos ópticos.The vibration detection system of the system can be done using any of the techniques known so far, for example, piezoelectricity, variations in electrical capacity or optical methods.
La figura 5 muestra uno de los posibles sistemas de detección de la vibración del sistema. Sobre el eje del sistema, a una distancia apropiada del imán o material magnéticamente duro (5) o de la membrana (9) se sitúa una fibra óptica (17), formada preferentemente por uno o varios elementos adecuados para medir por procedimientos ópticos la deflexión de la estructura. Tal y como aparece detallado en la parte superior derecha de esta figura, el método óptico de detección consiste en una disposición coaxial de fibras ópticas (17). Una fibra central transmite luz hasta el elemento vibrante y las fibras laterales recogen la luz reflejada sobre su superficie. La medida de la reflexión de la superficie sin contacto y sin medios eléctricos, supone una gran ventaja respeto de otros medios convencionales como las piozorresistencias, las galdas extensiométricas, etc.Figure 5 shows one of the possible systems of system vibration detection. On the axis of the system, at an appropriate distance from magnet or magnetically hard material (5) or of the membrane (9) an optical fiber (17) is formed, formed preferably by one or several elements suitable for measuring by optical procedures the deflection of the structure. Just like appears detailed in the upper right of this figure, the optical detection method consists of a coaxial arrangement of optical fibers (17). A central fiber transmits light to the vibrating element and side fibers collect reflected light on its surface. The measurement of surface reflection without contact and without electrical means, it is a great advantage respect for other conventional means such as piozorresistenciancias, las galdas strain gauges, etc.
La sensibilidad del sistema dependerá del sistema vibrante usado (de sus constantes elásticas) así como de la imanación y del volumen de material magnéticamente duro que se utilice.The sensitivity of the system will depend on the vibrating system used (of its elastic constants) as well as of the magnetization and the volume of magnetically hard material that use
Diversas posibilidades de realizaciones prácticas de la invención, se describen en las adjuntas reivindicaciones dependientes.Various possibilities of realizations Practices of the invention are described in the attached dependent claims.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.In view of this description and game of figures, the expert in the field may understand that the Embodiments of the invention that have been described may be combined in multiple ways within the object of the invention. The invention has been described according to some embodiments. Preferred, but for the person skilled in the art it will be clear that multiple variations can be introduced in said preferred embodiments without exceeding the purpose of the claimed invention.
Claims (8)
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| ES200701467A ES2339622B1 (en) | 2007-05-29 | 2007-05-29 | METHOD AND DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF MAGNETIC GRADIENT AND MAGNETIC SUSCEPTIBILITY OF A MATERIAL. |
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2008
- 2008-05-29 WO PCT/ES2008/000386 patent/WO2008145794A1/en active Application Filing
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