Pierwszenstwo: Zgloszenie ogloszorio: 30.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 20.06. 1975 75734 KI. 42k,45/03 MKP G011 1/12 Vl3i Urzedu Pa*»nt* * wpt { Twórcy wynalazku: Henryk Lachowicz, Andrzej Hildebrandt, Maciej Kwie¬ cien, Krystyna Burkiewicz Uprawniony z patentu tymczasowego: Polska Akademia Nauk (Instytut Fizyki), Warszawa (Polska) Sposób przetwarzania sily na sygnal elektryczny oraz uklad do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób przetwarza¬ nia sily na sygnal elektryczny oraz uklad do sto¬ sowania tego sposobu.Wsród wielu metod przetwarzania sily na sygnal elektryczny znane sa takze sposoby przetwarzania sily na sygnal elektryczny z wykorzystaniem cien¬ kiej warstwy magnetycznej. Jeden ze znanych spo¬ sobów wykorzystuje zjawisko galwanomagnetyczne i polega na tym, ze cienka warstwa ferromagnety¬ czna o jednoosiowej anizotropii poddawana jest dzialaniu mierzonej sily, która wywoluje w war¬ stwie naprezenia jednoosiowe. Jednoczesnie przez warstwe jest przepuszczany prad elektryczny do¬ prowadzany do niej za pomoca pary elektrod pra¬ dowych. Druga para elektrod, tak zwane elektrody napieciowe, zbieraja napiecie wyjsciowe. Wartosc napiecia wyjsciowego jest miara sily dzialajacej na warstwe.Wada omówionego wyzej sposobu jest to, ze za¬ leznosc pomiedzy zmiana napiecia wyjsciowego i sila jest uwarunkowana zarówno ustawieniem w warstwie wektora namagnesowania, jak tez ani¬ zotropia magnetyczna, zewnetrznym polem magne¬ tycznym oraz kierunkiem naprezenia wywolanego dzialaniem sily wzgledem kierunku pradu. Stad tez wystepuje ograniczony zakres proporcjonalnosci sy¬ gnalu wyjsciowego do mierzonej sily.Znany jest takze sposób przetwarzania sily na sygnal elektryczny z wykorzystaniem cienkiej warstwy ferromagnetycznej polegajacy na tym, ze 10 15 w warstwie ferromagnetycznej obciazonej sila wy¬ woluje sie zjawisko rezonansu ferromagnetycz¬ nego o uzyskany impuls rezonansowy przetwarza sie w ukladzie elektronicznym na napiecie propor¬ cjonalne do interwalu czasu miedzy impulsem po¬ czatkowym i impulsem rezonansowym. Interwal czasu miedzy tymi impulsami jest miara sily przy¬ lozonej do warstwy.Urzadzenie do stosowania opisanego wyzej spo¬ sobu zawiera cienka warstwe ferromagnetyczna o je¬ dnoosiowej anizotropii, o poobwodowym kierunku osi latwego magnesowania, naniesiona na sprezyste niemagnetyczne podloze w postaci drutu. Warstwa ferromagnetyczna jest umieszczona w polu magne¬ tycznym wytworzonym przez obwód generatora autodynowego o czestosci radiowej oraz w po^ lu magnetycznym wytworzonym przez obwód ge¬ neratora pradu o przebiegu piloksztaltnym. Cienka warstwa jest tak usytuowana, ze pole magnetycz¬ ne wytworzone przez obwód generatora autodyno¬ wego jest równolegle do latwej osi anizotropii ma¬ gnetycznej, a pole wytworzone przez obwód gene¬ ratora pradu o przebiegu piloksztaltnym jest pro¬ stopadle do tej osi.Impulsy z wyjscia generatora autodynowego sa podawane do multiwibratora dwustabilnego. Na wyjsciu multiwibratora otrzymuje sie fale prosto¬ katna o czestotliwosci równej czestotliwosci prze¬ biegu piloksztaltnego i o wypelnieniu proporcjo¬ nalnym do odstepu czasowego pomiedzy impulsem 7573475734 3 4 poczatkowym i impulsem rezonansowym. Przebieg ten jest nastepnie calkowany w integratorze. War-' tosc napiecia na wyjsciu integratora jest propor¬ cjonalna do wypelnienia przebiegu prostokatnego, a wiec i do sily dzialajacej na warstwe magnety¬ czna. Wyjscie integratora jest polaczone z mierni¬ kiem lub rejestratorem.Opisany sposób, aczkolwiek zapewnia wieksza dokladnosc pomiarów niz sposób wykorzystujacy zjawisko galwanomagnetyczne, ma równiez wady.Przede wszystkim wymaga stosowania ukladu elek¬ tronicznego zawierajacego generator autodynowy, a wiec ukladu podatnego na zaklócenia zewnetrzne oraz zmieniajacego swe parametry w funkcji tem¬ peratury. Ponadto dokladnosc pomiaru jest tu szczególnie zalezna od dyspersji anizotropii war¬ stwy ferromagnetycznej. Wynika to z tego, ze sze¬ rokosc impulsu rezonansowego jest zalezna od dy¬ spersji anizotropii, zas wlasnie szerokosc impulsu wplywa bezposrednio na dokladnosc pomiaru.Zmiana szerokosci impulsu rezonansowego dodaje sie bowiem do interwalu czasowego bedacego mia¬ ra mierzonej sily.Celem wynalazku jest rozwiazanie zagadnienia przetwarzania sily na sygnal elektryczny z wyko¬ rzystaniem cienkiej warstwy ferromagnetycznej, w kierunku zwiekszenia dokladnosci pomiarów i wyeliminowania wplywów zewnetrznych zródel zaklócajacych.Cel ten zostal osiagniety w sposobie wedlug wy¬ nalazku przez to, ze warstwe ferromagnetyczna poddawana dzialaniu sily magnesuje sie w kierun¬ ku osi trudnego magnesowania zewnetrznym po¬ lem o wartosci mniejszej od wartosci pola anizotro¬ pii warstwy i jednoczesnie z magnesowaniem do¬ konuje sie odczytu wartosci strumienia magnetycz¬ nego warstwy przetwarzajac go na napiecie. Ma¬ gnesowanie prowadzi sie zmieniajac tak wartosc pradu magnesujacego, aby utrzymana byla stala amplituda odczytywanego napiecia. Zmiany warto¬ sci pradu magnesujacego odwzorowuje sie w mier¬ niku lub rejestratorze i sa one miara sily przylo¬ zonej do warstwy. Magnesowanie warstwy prowa¬ dzi sie korzystnie pradem przemiennym o przebie¬ gu sinusoidalnym.Do stosowania sposobu wynalazek przewiduje urzadzenie zawierajace czujnik z cienka warstwa ferromagnetyczna poddawana dzialaniu sily. Istot¬ nym wedlug wynalazku jest to, ze czujnik z war¬ stwa ferromagnetyczna jest umieszczony wspólosio¬ wo w dwóch cewkach, z których cewka zewnetrzna jest cewka magnesujaca a cewka wewnetrzna jest cewka odczytu, a obie cewki sa wlaczone w obwód sprzezenia zwrotnego wzmacniacza o regulowanym wzmocnieniu sterowanego z generatora napiecia sinusoidalnego. Cewka magnesujaca jest dolaczona do wyjscia wzmacniacza, zas cewka odczytu jest polaczona poprzez detektor wartosci szczytowej z sumatorem, do którego jest takze doprowadzane napiecie odniesienia. Wyjscie sumatora jest pola¬ czone z elementami regulujacymi wzmocnienie wzmacniacza. Do wyjscia wzmacniacza, równolegle z cewka magnesujaca jest dolaczony takze detektor z miernikiem i/lub rejestratorem.Sposób oraz urzadzenie wedlug wynalazku poz¬ walaja uzyskac w szerokim zakresie proporcjo¬ nalnosc napiecia do zmian strumienia magnetyczne¬ go warstwy, przy czym mozliwa jest praca urza¬ dzenia w zakresie odksztalcen wzglednych rzedu 1-10-8.Przedmiot wynalazku zostanie blizej omówiony na przykladzie wykonania urzadzenia, którego schemat blokowy jest przedstawiony na rysunku.Wynalazek zawiera czujnik 1 który stanowi cienka warstwa ferromagnetyczna o jednoosiowej anizotropii, o poobwodowym kierunku osi latwego magnesowania, naniesiona na sprezyste niemagne¬ tyczne podloze w postaci drutu. Czujnik 1 jest umieszczony wspólosiowo w dwóch cewkach z któ¬ rych zewnetrzna cewka 2 jest cewka magnesujaca, a wewnetrzna cewka 3 jest cewka odczytu. Cewka magnesujaca 2 sluzy do wytwarzania pola magne¬ sujacego warstwe w kierunku poosiowym. W cew¬ ce odczytu 3 indukuje sie napiecie proporcjonalne do zmian strumienia warstwy w kierunku- poosio¬ wym.Urzadzenie wedlug wynalazku ma generator 4 napiecia sinusoidalnego polaczony z wejsciem wzmacniacza 5 o regulowanym wzmocnieniu. Do wyjscia wzmacniacza 5 jest dolaczona cewka ma¬ gnesujaca 2 oraz detektor 6. Osadzona w cewce magnesujacej 2 cewka odczytu 3 jest polaczona po¬ przez detektor 7 wartosci szczytowej z sumatorem 8, do którego jest doprowadzane napiecie odniesie¬ nia U. Wyjscie sumatora 8 jest polaczone z elemen¬ tami regulujacymi wzmocnienie wzmacniacza 5.Jak z tego widac, obie cewki 2 i 3, detektor 7 war¬ tosci szczytowej oraz sumator 8 tworza petle sprze¬ zenia zwrotnego wzmacniacza 5 o regulowanym wzmocnieniu.Napiecie przemienne, sinusoidalne, o stalej am¬ plitudzie i czestotliwosci, wytwarzane przez gene¬ rator 4, jest zamieniane we wzmacniaczu 5 prado¬ wym na prad, który przeplywa przez cewke ma¬ gnesujaca 2. Wartosc wzmocnienia wzmacniacza 5 jest zalezna od wartosci napiecia na wyjsciu su¬ matora 8. Sumator 8 jest sterowany róznica na¬ piec na wyjsciu detektora 7 wartosci szczytowej i napiecia odniesienia U.Z detektorem 6, dolaczonym do wyjscia wzmac¬ niacza 5, jest polaczony miernik 9 i/lub rejestra¬ tor 10. Detektor 6 i miernik 9 pozwalaja na po¬ miar zmian wartosci pradu magnesujacego.Uklad wedlug wynalazku dazy do zachowania stalej wartosci amplitudy napiecia indukowanego w cewce odczytu 3, czyli do zachowania stalej wartosci amplitudy zmian strumienia magnetycz¬ nego warstwy w kierunku poosiowym. Dokladnosc spelnienia tego warunku zalezy jedynie od war¬ tosci wzmocnienia w petli sprzezenia zwrotnego wzmacniacza 5 zawierajacej czujnik 1. Czujnik 1 reaguje na zmiany pola anizotropii Hk warstwy, wywolane dzialaniem sily F przylozonej do war¬ stwy.Przy zalozeniu, ze proces przemagnesowania w warstwie zachodzi poprzez obrót wektora na¬ magnesowania, jego skladowa w kierunku trud¬ nym HT jest liniowa funkcja pola magnesujacego HT dzialajacego w tym kierunku. Nachylenie cha- 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 75734 6 rakterystyki MT=f(HT), a wiec takze i charakte¬ rystyki £T = f (HT) gdzie ^t oznacza strumien warstwy w kierunku osi trudnego magnesowania — zmienia sie wraz ze zmianami pola anizotropii Hk. Jezeli w czasie zmian Hk zostanie zachowany warunek $T=const, to zmiany HT sa wprost proporcjonalne do zmian Hk, a zatem takze do sily wywolujacej zmiany Hk.Poniewaz wartosc HT jest wprost proporcjonalna do pradu plynacego przez cewke magnesujaca 2, zmiany amplitudy pradu na wyjsciu wzmacniacza 5 sa wprost proporcjonalne od sily F rozciagajacej element cienkowarstwowy czujnika 1.. PL PL