KR20000043360A - Apparatus for measuring low magnetic field - Google Patents
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Abstract
Description
기존 자기장을 측정하는 장치로는 HALL센서를 사용하는 Gaussmeter, Fluxgatemagnetometer 등이 있지만 이러한 종류의 측정장치는 지자기장과 같은 작은 자기장의 측정이 어려우며, 또한 SQUlD는 저자기장을 측정할 수 있지만 가격이 매우 고가이고 휴대용으로 사용하기에는 불편함이 많다. 본 발명은 휴대용으로 사용이 용이하고 저가의 비용으로 제작이 가능하며 또한 우수한 정밀도로 저자기장을 측정하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.Conventional magnetic field measuring devices include Gaussmeter and Fluxgatemagnetometer using HALL sensor, but this type of measuring device is difficult to measure small magnetic field such as geomagnetic field, and SQUlD can measure low magnetic field, but it is very expensive It is inconvenient to use as a portable. An object of the present invention is to provide a method for measuring low magnetic field with high precision, which is easy to use and can be manufactured at low cost.
철, 니켈, 크롬과 같은 금속을 끌어당기는 성질을 자성이라 하며 2000년 전에 그리스 사람들은 어떤 종류의 돌은 철 조각을 끌어당긴다는 것을 알고 있었으며 12C부터 항해를 위하여 나침반을 사용하였다는 기록이 있다. 지상에서 나침반이 남북을 가리키는 것은 지구가 한 개의 커다란 자석으로 되어 있기 때문이다. 이와 같이 지구를 커다란 자석이라 생각할 때 지구 주위에 형성되는 자기장을 지자기장이라하며 그 세기는 지역 및 시간에 따라 다르다. 이 지자기장은 그 세기가 매우 약하여 그 속에서 생활하면서도 지자기장이 있다는 것을 느끼지 못하며 또한 저자기장의 세기를 정량적으로 측정하기는 매우 어렵다.The attraction of metals such as iron, nickel, and chromium is called magnetism. Before 2000, the Greeks knew that some kind of stone attracted pieces of iron, and there was a record of the use of compasses for navigation since 12C. The compass points north and south on the ground because the earth is made up of one large magnet. As such, when the earth is considered to be a large magnet, the magnetic field formed around the earth is called a geomagnetic field, and its intensity varies according to region and time. This geomagnetic field is so weak that it does not feel that there is a geomagnetic field while living in it, and it is very difficult to quantitatively measure the intensity of the author field.
기존 자기장을 측정할 수 있는 방법으로 탄동 검류계가 있는데 이는 고전적인 방법으로 현재는 거의 실시되지 않고 있다. 또한, Hall 효과를 이용한Gaussmeter, Aschenbrenner와 Frster에 의해 개발된 Fluxgatemagnetometer, 초전도 양자간섭 장치(SQUID) 등이 있다. 일반적으로 자기장을 측정하기 위해서는 Gaussmeter를 사용할 수 있지만 지자기장보다 더 작은 자기장을 측정할 수 있는 정밀한 측정장치는 가격이 매우 비싸다. 이 중에서 SQUID는 극저자기장을 측정할 수 있는 유일한 장치로 알려져 있다. 이러한 SQUID는 심전도 측정, 정밀한 자기장 측정 등에 이용되고 있으나 액체 헬륨을 냉매로 사용하기 때문에 매우 고가이고 휴대할 수 없다.An existing method of measuring magnetic fields is a ballistic galvanometer, which is a rare method currently used in the classical method. Also, Gaussmeter, Aschenbrenner and F using Hall effect Fluxgatemagnetometer and superconducting quantum interference device (SQUID) developed by rster. Generally, a Gaussmeter can be used to measure the magnetic field, but a precise measuring device capable of measuring a smaller magnetic field than the geomagnetic field is very expensive. Of these, SQUID is known as the only device capable of measuring very low magnetic fields. Such SQUID is used for electrocardiogram measurement and precise magnetic field measurement, but it is very expensive and not portable because liquid helium is used as a refrigerant.
본 발명에서는 지자기장보다 훨씬 작은 값의 저자기장을 측정할 수 있고 휴대용으로 활용할 수 있는 저자기장 측정장치를 개발하기 위하여 금속의 연자성 특성을 이용한다. 특히, 연자성 특성이 매우 뛰어난 비정질 금속의 특성상 외부 자기장이 있으면 자기 투자율이 민감하게 달라지므로 자기 투자율 변화에 대응하는 전기신호로 변환하고 변화된 전기신호의 값에 따라 외부 자기장의 세기를 측정한다. 즉, 본 발명에서는 비정질 금속의 연자성 특성을 이용하여 저자기장을 측정할 수 있도록 한다.In the present invention, the soft magnetic property of the metal is used to develop a low magnetic field measuring device which can measure a low magnetic field much smaller than the geomagnetic field and can be used in a portable manner. In particular, the magnetic magnetic permeability is sensitively changed when there is an external magnetic field due to the characteristics of amorphous metal having excellent soft magnetic properties. Therefore, the magnetic magnetic permeability is converted into an electric signal corresponding to the change in magnetic permeability, and the strength of the external magnetic field is measured according to the changed electric signal value. That is, in the present invention, the low magnetic field can be measured using the soft magnetic property of the amorphous metal.
도 1은 자기이력곡선1 is the hysteresis curve
도 2는 투자율의 변화율2 is the rate of change of permeability
도 3은 상대 투자율의 변화율과 외부자기장3 is the change rate of the relative permeability and the external magnetic field
도 4는 본 발명의 구성도4 is a block diagram of the present invention
101 : 자기장센서, 102 : 투자율-주파수 변환장치,101: magnetic field sensor, 102: permeability-frequency converter,
103 : 주파수-자기장 변환 및 표시장치103: frequency-magnetic field conversion and display device
도 5는 본 발명의 제1실시예5 is a first embodiment of the present invention.
도 6은 C 시료의 상대 투자율의 변화율(△μ/μ)과 외부 자기장(Η)6 shows the rate of change (Δμ / μ) of the relative permeability of the C sample and the external magnetic field (Η).
본 발명에서는 비정질 물질의 투자율 μ가 외부 자기장에 따라 변화하는 자기적 특징을 이용한다, 투자율 μ의 변화를 전기신호로 변환하는 본 발명의 원리 및 실시 예를 설명하도록 한다.In the present invention, the magnetic permeability μ of the amorphous material changes according to an external magnetic field. The principle and the embodiment of the present invention for converting the change in permeability μ into an electrical signal will be described.
물질의 자기적인 반응은 도 1과 같이 자기이력곡선을 분석함으로써 연구될 수 있다. 도 2에서 μi를 초기 투자율,μ를 평균 투자율,μ△를 투자율의 변화율(증분 투자율)이라 하며, 외부 자기장이 Ηb인 지점에서 자기장의 변화량 △B=μ△·△Η 이다. 여기서 외부 자기장의 변화량이 매우 작을 때 증분 투자율은 평균 투자율과 거의 같다. 또한, 자기이력곡선의 기울기가 투자율이므로 투자율은 외부 자기장에 따라 변하게 된다. 일반적인 상대 투자율의 변화율은 도 3과 같다. 자기이력곡선으로 둘러싸인 면적은 자화되거나 비자화되는 비과역적 과정에서 열로 손실되는 에너지량에 비례한다. 만일 자기이력효과가 작아 그 면적이 거의 없다면 에너지 손실이 거의 없음을 의미하며 이러한 물질을 "자기적으로 연하다"하여 연자성체라고 한다. 이러한 연자성 물질들은 큰 에너지 손실 없이 자기장을 변화시키기 위한 목적으로 변압기의 철심에 사용된다. 본 발명은 이 연자성 물질을 자기장 측정을 위한 센서로 사용한다.The magnetic response of the material can be studied by analyzing the magnetic history curve as shown in FIG. In Fig. 2, μ i is the initial permeability, μ is the average permeability, μ Δ is the change rate of permeability (incremental permeability), and the change amount of the magnetic field ΔB = μ Δ · △ Η at the point where the external magnetic field is Η b . Here, when the change in the external magnetic field is very small, the incremental permeability is almost equal to the average permeability. In addition, since the slope of the magnetic hysteresis curve is the permeability, the permeability changes according to the external magnetic field. The change rate of the general relative permeability is shown in FIG. 3. The area enclosed by the hysteresis curve is proportional to the amount of energy lost to heat in the nonreversible process of magnetization or non-magnetization. If the magnetic hysteresis effect is small and there is little area, it means that there is little energy loss. These materials are called "magnetically soft" and are called soft magnetic material. These soft magnetic materials are used in the iron core of transformers for the purpose of changing the magnetic field without significant energy loss. The present invention uses this soft magnetic material as a sensor for magnetic field measurement.
이다. 여기서 μ를 물질의 투자율(permeability), μo를 자유 공간의 투자율이라 한다. 상대 투자율은 차원이 없는 수이며to be. Where μ is the permeability of the material and μ o is the permeability of free space. Relative permeability Is a number without dimensions
에 의해 정의되어진다. B는 Η에 따라 선형적으로 변하지 않기 때문에 상대투자율은 상수가 아니라 온도, 물질의 자기장, 혹은 물질이 만들어지는 과정에 의존하는 값이다.의 최대값은 포화자화보다 훨씬 적은 자화에서 나타난다. 비정질 금속에서 super permalloy를 능가하는 0.0030e의 작은 항자력, 기계적 강인성 및 큰전기저항의 우수한 고주파 특성을 갖는 고투자율의 연자성 재료가 발견되고 있다.Is defined by Since B does not vary linearly with Η, the relative permeability is not a constant but a value that depends on temperature, the magnetic field of the material, or the process by which the material is made. The maximum value of is at much less magnetization than at saturation magnetization. High permeability soft magnetic materials have been found that have excellent high frequency properties of small coercive force, mechanical toughness and large electrical resistance of 0.0030e that surpass super permalloy in amorphous metals.
본 발명은 비정질 금속의 연자성 특성을 이용한다. 일부 비정질 자성 금속은 투자율 μ가 외부 자기장에 따라 변화하는 자기적 특징이 있는데, 이는 재료와 제조과정, 제조후 열처리 등에 따라서 매우 달라진다.The present invention takes advantage of the soft magnetic properties of amorphous metals. Some amorphous magnetic metals have a magnetic characteristic in which the magnetic permeability μ varies with the external magnetic field, which is very dependent on the material, manufacturing process, and post-fabrication heat treatment.
도 4는 본 발명의 구성도이다. 외부 자기장이 센서(101)인가되면 센서(101)에는 연자성의 비정질 금속이 내재되어 있으며 인가된 자기장의 세기에 따라서 비정질금속의 투자율 μ가 변하게 된다. 투자율-주파수 변환기(102)는 센서(101)의 투자율을 입력으로 하여 이에 상응하는 주파수를 발생한다. 주파수-자기장 변환 및 표시장치(103)는 투자율-주파수 변환기(102)의 주파수를 해석하여 각 주파수에 대한 자기장의 세기를 계산하여 이를 표시한다. 도 5는 본 발명의 제1실시예이다. 투자율 μ가 외부 자기장에 따라 변화하는 자기적 특징을 전기적 신호로 변환하기 위해서 제1실시 예에서는 쌍안정 멀티바이브레이터(bistable multivibrator) 회로를 이용한다. 2개의 트랜지스터 베이스에 양의 바이어스의 전압을 걸어 2개의 ON·0FF 상태를 가지게 한 회로로, 코일과 서로 교차되게 연결하였다. 두 코일 중 한 코일에 비정질의 연자성 시료를 넣는다. 외부 자기장이 있으면, 비정질 금속의 특성상 자기 투자율이 변화하고, 이에 따라 해당 코일의 L값이 변하게 되고 이로 인해 회로에 서로 비대칭이 되게 기전력이 발생되어 결과적으로 외부 자기장에 따라 발진 주파수가 변하게 된다. 비정질 금속으로는 A 시료(FexBxSx), B 시료(CoxFexNiBxSix), C시료(B 시료를 330℃-360℃로 단순 열처리) 등을 사용한다. 도 6은 제1실시예에 의해 제작된 자기측정장치의 저자기장의 변화에 따른 상대 투자율의 변화율 △μ/μ을 측정한 것이다. 이와 같은 성질을 이용하여 저자기장을 측정하게 된다.4 is a block diagram of the present invention. When an external magnetic field is applied to the sensor 101, a soft magnetic amorphous metal is embedded in the sensor 101, and the permeability μ of the amorphous metal changes according to the intensity of the applied magnetic field. Permeability-frequency converter 102 takes the permeability of sensor 101 as an input and generates a corresponding frequency. The frequency-magnetic field conversion and display device 103 interprets the frequencies of the permeability-frequency converter 102 to calculate and display the strength of the magnetic field for each frequency. 5 is a first embodiment of the present invention. In the first embodiment, a bistable multivibrator circuit is used to convert a magnetic characteristic whose magnetic permeability μ varies with an external magnetic field into an electrical signal. A positive bias voltage was applied to the two transistor bases so as to have two ON 占 FF states. Put an amorphous soft magnetic sample in one of the two coils. If there is an external magnetic field, the magnetic permeability changes due to the characteristics of the amorphous metal, thereby changing the L value of the coil, thereby causing electromotive force to be asymmetrical to the circuit, and as a result, the oscillation frequency changes according to the external magnetic field. As the amorphous metal, an A sample (Fe x B x S x ), a B sample (Co x Fe x NiB x Si x ), a C sample (a simple heat treatment of the B sample at 330 ° C to 360 ° C), and the like are used. FIG. 6 shows the change rate Δμ / μ of relative permeability according to the change of the low magnetic field of the magnetic measuring device manufactured by the first embodiment. Using this property, the author's length is measured.
본 발명은 지자기장과 같은 작은 자기장을 측정할 수 있고 휴대할 수 있으며, 또한 가격이 저가이고 정밀도가 우수한 측정장치의 제작이 가능하도록 하여 저자기장 측정은 물론 자북방향의 측정, 복각 측정, 자성체 탐지 등에도 본 발명을 사용할 수 있는 효과가 있다.The present invention can measure and carry a small magnetic field such as a geomagnetic field, and it is possible to manufacture a measuring device with low cost and high precision, so that the magnetic field measurement as well as magnetic north direction measurement, dip measurement, magnetic body detection There is an effect that the present invention can also be used.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20170092300A (en) * | 2016-02-03 | 2017-08-11 | 고려대학교 세종산학협력단 | Apparatus and method for measuring magnetic field using spin-hall effect |
-
1998
- 1998-12-29 KR KR1019980059731A patent/KR20000043360A/en not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20170092300A (en) * | 2016-02-03 | 2017-08-11 | 고려대학교 세종산학협력단 | Apparatus and method for measuring magnetic field using spin-hall effect |
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