ES2340117A1 - Magnetic field gradient measurement system. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Sistema de medida de gradiente de campo magnético.Field Gradient Measurement System magnetic.
Los sistemas de gradiometría magnética se emplean en aplicaciones en las que se quiere determinar alguna de las características tensoriales del campo magnético.Magnetic gradiometry systems are used in applications where you want to determine any of the tensor characteristics of the magnetic field.
Los gradiómetros mecánicos, por sus reducidas dimensiones, se pueden emplear en sistemas con limitación de espacio o en los que se requieren medidas muy localizadas. Las aplicaciones con limitación de espacio se encuentran en dispositivos móviles relacionados con los sectores aerospacial, naval y automovilístico.Mechanical gradiometers, due to their reduced dimensions, can be used in systems with limited space or where very localized measures are required. The applications space-limited are found on mobile devices related to aerospace, naval and motoring.
Los gradiómetros mecánicos son estructuras en las que, debido a corrientes eléctricas o bien a la presencia de material magnético, se produce una flexión en presencia del gradiente de campo magnético a medir.Mechanical gradiometers are structures in which, due to electric currents or the presence of magnetic material, flexion occurs in the presence of Magnetic field gradient to be measured.
Las estructuras mecánicas pueden ser puentes o lengüetas. Un puente es una tira de material anclada a un soporte por sus extremos o por cuatro puntos simétricamente situados. La lengüeta es una tira de material con un extremo fijo y el otro en voladizo. En ambas estructuras se mide la flexión de una zona de la tira de material. En la lengüeta se mide la flexión del extremo libre, que está correlacionada con la longitud total de la tira de material (dl) y con su curvatura. En el puente se mide la flexión de la estructura en una zona intermedia entre los puntos de anclaje y el centro de la tira de material (dp). La medida en el puente está correlacionada con la distancia del punto de medida al centro de la estructura y con la curvatura de la tira de material.The mechanical structures can be bridges or tabs A bridge is a strip of material anchored to a support at its ends or by four symmetrically located points. The tongue is a strip of material with a fixed end and the other in cantilever In both structures the flexion of an area of the material strip. The flexion of the end is measured on the tongue free, which is correlated with the total length of the strip material (dl) and with its curvature. In the bridge the flexion of the structure in an intermediate zone between the anchor points and the center of the material strip (dp). The measure on the bridge is correlated with the distance of the measurement point to the center of the structure and with the curvature of the material strip.
A igualdad de dimensiones de la tira de material, la distancia (dp) es menor que (dl). El radio de curvatura es también menor en el puente debido a los puntos de anclaje. Por ello, la sensibilidad es mucho mayor en una lengüeta que en un puente.Equal dimensions of the strip material, the distance (dp) is less than (dl). Radius of curvature It is also smaller on the bridge due to anchor points. By this, the sensitivity is much higher in a tongue than in a bridge.
Sin embargo, los sistemas gradiométricos mecánicos en forma de lengüeta, pueden presentar problemas, produciendo medidas erróneas del gradiente de campo magnético listos problemas tienen origen diverso: orientación en el campo del material magnético; magnetostricción; dilataciones térmicas. Para evitar estos problemas, los sensores se suelen realizar en forma de puente. En gradiometría y en las técnicas de magnetometría de torque y fuerza, el uso de lengüetas ha quedado reducido a aplicaciones en las que se tiene conocimiento previo de la dirección de los campos magnéticos y sus gradientes y, en general, a aplicaciones con campos magnéticos de alta intensidad y temperaturas criogénicas.However, gradiometric systems tongue-shaped mechanics, may present problems, producing erroneous measurements of the magnetic field gradient ready problems have diverse origins: guidance in the field of magnetic material; magnetostriction; thermal expansion For avoid these problems, the sensors are usually performed in the form of bridge. In gradiometry and torque magnetometry techniques and strength, the use of tongues has been reduced to applications in those who have prior knowledge of the direction of the fields magnetic and its gradients and, in general, to applications with fields High intensity magnetic and cryogenic temperatures.
El sistema permite usar lengüetas para medir gradientes de campo magnético evitando el posible error ocasionado por otros efectos diferentes.The system allows to use tabs to measure magnetic field gradients avoiding the possible error caused for other different effects.
El sistema de medida de campo magnético permite usar lengüetas para medir gradientes de campo magnético evitando el posible error ocasionado por otros efectos diferentes. El sistema de medida de campo magnético se caracteriza porque se emplean tres gradiómetros de campo magnético mecánicos, G1, G2 y G3, en forma de lengüeta, dispuestos de forma co-planar radialmente en torno a un mismo punto. La dirección perpendicular al plano es (z). El campo magnético co-planar es (H) Se quiere detectar el gradiente vertical de campo co-planar (\partialH/\partialz).The magnetic field measurement system allows use tabs to measure magnetic field gradients avoiding the Possible error caused by different effects. System magnetic field measurement is characterized because three are used mechanical magnetic field gradiometers, G1, G2 and G3, in the form of tab, arranged radially co-planar around the same point. The direction perpendicular to the plane is (z). The co-planar magnetic field is (H) Wanted detect the vertical gradient of co-planar field (\ partialH / \ partialz).
La respuesta de cada detector a este gradiente es diferente puesto que el campo magnético (H) forma un ángulo diferente con cada uno de ellos.The response of each detector to this gradient it is different since the magnetic field (H) forms an angle Different with each of them.
En cambio, la flexión producida por efectos magnetostrictivos, dilataciones térmicas o debida a la orientación de los gradiómetros en un campo (H_{z}), perpendicular al plano definido por el gradiómetros, es la misma en las tres lengüetas.In contrast, the bending produced by effects magnetostrictive, thermal expansion or due to orientation of the gradiometers in a field (H_ {z}), perpendicular to the plane defined by the gradiometers, it is the same in all three tabs.
La distribución espacial de los gradiómetros en el sistema permite obtener una medida conjunta de forma correcta del gradiente de campo magnético, aún cuando las medidas proporcionadas por cada gradiómetro, de forma independiente, sean erróneas.The spatial distribution of the gradiometers in the system allows to obtain a joint measure correctly of the magnetic field gradient, even when the measurements provided for each gradiometer, independently, they are wrong.
El sistema hace uso de tres gradiómetros y no de dos. En este último caso, el sistema proporcionaría medidas erróneas en el caso particular de que el campo (H) formase el mismo ángulo con ambos gradiómetros, debido a que el efecto del gradiente (\partialH/\partialz) sería el mismo para ambas lengüetas. Con tres gradiómetros, en cambio, se puede medir el valor del gradiente, aún cuando se produzca alguno de los efectos mencionados, debido a que el gradiente de campo genera una señal diferente en cada detector.The system makes use of three gradiometers and not of two. In the latter case, the system would provide erroneous measures. in the particular case that the field (H) formed the same angle with both gradiometers, because the effect of the gradient (\ partialH / \ partialz) would be the same for both tabs. With three gradiometers, however, you can measure the value of the gradient, even when any of the aforementioned effects occur, due to that the field gradient generates a different signal in each detector.
El procedimiento de medida y el parámetro medido en cada detector dependen del tipo de gradiómetro empleado. En cualquier caso no se requiere la resolución analítica de ninguna ecuación para obtener el gradiente: una red neuronal entrenada proporciona la medida. Las redes neuronales para el sistema de tres gradiómetros tienen la misma arquitectura que las empleadas para la discriminación de olores con conjuntos de sensores de diferente sensibilidad a cada olor, como las empleadas por A. Bermak, S.B. Belhouari, M. Shi, D. Martínez (2006), a pesar de las diferencias entre las aplicaciones.The measurement procedure and the measured parameter in each detector they depend on the type of gradiometer used. In in any case the analytical resolution of any Equation to obtain the gradient: a trained neural network Provide the measurement. Neural networks for the three system gradiometers have the same architecture as those used for odor discrimination with different sensor sets sensitivity to each smell, such as those used by A. Bermak, S.B. Belhouari, M. Shi, D. Martínez (2006), despite the differences Between the applications
En general, en el sistema se puede emplear cualquier tipo de gradiómetro, con independencia de que haga uso de corrientes eléctricas o de material magnético, de forma que, cada gradiómetro proporciona medidas con independencia de los otros dos.In general, the system can be used any type of gradiometer, regardless of the use of electrical currents or magnetic material, so that, each gradiometer provides measurements independently of the others two.
En el caso particular de los gradiómetros de lengüeta realizados con material magnético blando, se requiere un campo magnético aplicado transversal a cada gradiómetro que sature el material. No es problemático si los bobinados se encuentran integrados en cada uno de los gradiómetros. Sin embargo, empleando bobinas externas como, por ejemplo, un par de carretes Helmholtz, la distribución geométrica de los gradiómetros impide que esto se pueda realizar en los tres detectores al tiempo.In the particular case of the gradiometers of tongue made with soft magnetic material, a applied magnetic field transverse to each saturation gradiometer the material. It is not problematic if the windings are found integrated into each of the gradiometers. However, using external coils such as a pair of Helmholtz reels, the geometric distribution of gradiometers prevents this from being possible Perform on all three detectors at the same time.
Una solución se encuentra en la aplicación de un campo magnético rotante, co-planar a las lengüetas, que satura el material magnético cuando los gradiómetros están realizados con material magnético blando sin bobinados integrados.A solution is found in the application of a rotating magnetic field, co-planar to the tabs, which saturates the magnetic material when the gradiometers are made with soft magnetic material without windings integrated.
Si los detectores funcionan de forma estática, es decir, si a pesar de la variación cíclica del campo magnético aplicado, las lengüetas no oscilan a su frecuencia de resonancia mecánica, se determina el gradiente de campo a partir de la medida de la máxima flexión de cada lengüeta producida en cada ciclo del campo magnético, debido a la correlación existente entre esta medida y el gradiente.If the detectors work statically, that is, if despite the cyclic variation of the magnetic field applied, the tabs do not oscillate at their resonance frequency mechanical, the field gradient is determined from the measurement of the maximum flexion of each tongue produced in each cycle of the magnetic field, due to the correlation between this measure and the gradient.
Tomando una de las lengüetas como referencia, gradiómetro G1, las otras dos forman con ésta los ángulos \alpha, para el gradiómetro G2 y \beta, para el gradiómetro G3. El campo magnético (H) cuyo gradiente en la dirección (z) se quiere medir, forma un ángulo en el plano de las lengüetas (\gamma) con la lengüeta, gradiómetro G1, de referencia.Taking one of the tabs as a reference, gradiometer G1, the other two form the angles α with it, for the G2 and β gradiometer, for the G3 gradiometer. Field magnetic (H) whose gradient in the direction (z) is to be measured, it forms an angle in the plane of the tabs (γ) with the tab, gradiometer G1, reference.
Esta distribución geométrica permite distinguir el efecto de un gradiente del campo (H) en la dirección (z), del efecto de orientación producido por un campo magnético aplicado en la dirección z, o de efectos de dilatación térmicos o magnetostrictivos.This geometric distribution allows to distinguish the effect of a gradient of the field (H) in the direction (z) of orientation effect produced by a magnetic field applied in the z direction, or thermal expansion effects or magnetostrictive
Entonces, si (\mu_{0}) es la permeabilidad, (m) es el momento dipolar del material magnético saturado, las fuerzas máximas ejercidas por el gradiente sobre cada una de las lengüetas de los gradiómetros, G1, G2 y G3, en cada ciclo, son:So, if (\ mu_ {0}) is permeability, (m) is the dipole moment of the saturated magnetic material, the maximum forces exerted by the gradient on each of the tabs of the gradiometers, G1, G2 and G3, in each cycle, are:
Otra opción es hacer resonar los gradiómetros. En caso de que los bobinados no se encuentren integrados y se use un campo magnético rotante, las lengüetas son iguales y la frecuencia de rotación del campo magnético es igual a la frecuencia de resonancia mecánica de las lengüetas, lo que provoca la oscilación resonante de las lengüetas. En el caso resonante, la información sobre el gradiente vertical de campo co-planar a los gradiómetros se obtiene a partir de la amplitud máxima de oscilación de cada gradiómetro, por estar ambos parámetros correlacionados.Another option is to resonate the gradiometers. In case the windings are not integrated and a rotating magnetic field, the tabs are equal and the frequency of rotation of the magnetic field is equal to the frequency of mechanical resonance of the tabs, which causes oscillation resonant of the tongues. In the resonant case, the information on the vertical gradient of co-planar field at gradiometers are obtained from the maximum oscillation amplitude of each gradiometer, because both parameters are correlated.
Al emplear un campo magnético rotante, no sólo se puede obtener la información a partir de las amplitudes, sino también de la fase de las oscilaciones.By employing a rotating magnetic field, not only the information can be obtained from the amplitudes, but also of the oscillation phase.
Si existe un campo magnético vertical, el efecto de orientación en el campo provoca la oscilación de las lengüetas, pero con igual amplitud, y la diferencia en la fase de la oscilación depende solo de los ángulos que forman las lengüetas: \alpha y \beta.If there is a vertical magnetic field, the effect of orientation in the field causes the oscillation of the tabs, but with equal amplitude, and the difference in the phase of the oscillation it depends only on the angles that form the tabs: α and \beta.
En cambio, en presencia de un gradiente, las amplitudes de oscilación son diferentes y la diferencia de fase depende también del ángulo que forma el campo con cada lengüeta: \alpha, \beta y \gamma. Así pues, si se emplea un campo magnético rotante, la dirección, en el plano definido por las lengüetas, del campo magnético cuyo gradiente se quiere medir se obtiene a partir de la diferencia de la fase de las oscilaciones de los tres gradiómetros, debido a la correlación entre estos parámetros.Instead, in the presence of a gradient, the oscillation amplitudes are different and the phase difference It also depends on the angle formed by the field with each tongue: α, β and γ. So, if a field is used rotating magnetic, the direction, in the plane defined by the tabs, of the magnetic field whose gradient you want to measure is obtained from the phase difference of the oscillations of the three gradiometers, due to the correlation between these parameters
A partir de la amplitud y la fase de las oscilaciones se puede obtener tanto la dirección (\gamma) del campo co-planar (H) como su gradiente en la dirección perpendicular al plano formado por los detectores (\partialH/\partialz).From the amplitude and phase of the oscillations you can get both the direction (γ) of the co-planar field (H) as its gradient in the direction perpendicular to the plane formed by the detectors (\ partialH / \ partialz).
Fig. 1: Distribución espacial del sistema formado por tres gradiómetros en forma de lengüeta, G1, G2 y G3. Se distribuyen co-planarmente y de forma radial en torno a un mismo punto. El campo co-planar a los gradiómetos (H) forma un ángulo (\gamma) respecto de uno de los gradiómetros, que se toma como referencia (G1).Fig. 1: Spatial distribution of the system formed by three tongue-shaped gradiometers, G1, G2 and G3. Be distribute co-planarly and radially in around the same point. The co-planar field to gradiometers (H) forms an angle (γ) relative to one of the gradiometers, which is taken as a reference (G1).
Se realizan los tres gradiómetros, mediante las tecnologías estándar en la fabricación de MEMS, dispuestos co-planarmente y de forma radial en torno a un mismo punto. La mejor situación se obtiene cuando el ángulo entre cada uno de ellos es de 120 grados.The three gradiometers are made, using standard technologies in the manufacture of MEMS , arranged co-planarly and radially around the same point. The best situation is obtained when the angle between each of them is 120 degrees.
En el caso más complejo, que es el de los gradiómetros realizados con material magnético blando sin bobinados integrados, el campo magnético rotante se puede aplicar usando dos carretes Helmholtz rotados 90 grados y con las corrientes de excitación desfasadas \pi/2 la una respecto de la otra.In the most complex case, which is that of gradiometers made with soft magnetic material without windings integrated, the rotating magnetic field can be applied using two Helmholtz reels rotated 90 degrees and with the currents of out of phase excitation \ pi / 2 relative to each other.
A partir de la amplitud y la fase de las oscilaciones se puede obtener la dirección del campo y su gradiente. Una red neuronal entrenada, como las desarrolladas por A. Bermak, S.B. Belhouari, M. Shi, D. Martínez (2006), obtiene dicha información.From the amplitude and phase of the oscillations you can get the direction of the field and its gradient. A trained neural network, such as those developed by A. Bermak, S.B. Belhouari, M. Shi, D. Martínez (2006), obtains said information.
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| ES2340117B2 ES2340117B2 (en) | 2010-12-09 |
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| US4492923A (en) * | 1982-06-21 | 1985-01-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Apparatus for measuring the spatial scalar variation of a magnetic field with vector magnetic sensors on a moderately stable moving platform |
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2007
- 2007-12-21 ES ES200703422A patent/ES2340117B2/en active Active
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