RU145581U1

RU145581U1 - MAGNETIC FIELD SENSOR

Info

Publication number: RU145581U1
Application number: RU2014117325/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Петров; Дмитрий Александрович Петров
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-09-20

Abstract

Датчик магнитного поля, содержащий биморфный пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из скрепленных между собой пьезоэлектрических слоев, поляризованных в противоположных направлениях и жестко закрепленных с одной из сторон, двух постоянных магнитов, прикрепленных на свободном конце преобразователя, и выводов, нанесенных на противоположные поверхности пьезоэлектрического преобразователя параллельно его закреплению.A magnetic field sensor containing a bimorph piezoelectric transducer, consisting of piezoelectric layers bonded to each other, polarized in opposite directions and rigidly fixed on one side, two permanent magnets attached to the free end of the transducer, and terminals applied to opposite surfaces of the piezoelectric transducer parallel to it consolidation.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть применена для преобразования магнитного поля в электрическое напряжение в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления, а также в качестве питающего элемента.The utility model relates to measuring technique and can be used to convert a magnetic field into electric voltage as part of measuring equipment and in various automatic control systems, as well as as a power supply.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например, датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы. Под действием тока I и магнитной индукции B, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины L и толщины датчика, тока I, коэффициента Холла R_H и магнитной индукции B:Known devices for measuring magnetic induction, for example, sensors using the Hall effect. Structurally, they are a rectangular semiconductor wafer. Under the action of current I and magnetic induction B, the vectors of which are mutually perpendicular, a measuring voltage appears on the sensor plates.The magnitude of this voltage depends on the geometry (length L and thickness of the sensor, current I, Hall coefficient R _H and magnetic induction B:

Материалами для изготовления датчика Холла как правило служат полупроводниковые материалы: кремний, арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb) и др.Semiconductor materials are generally used as materials for the manufacture of a Hall sensor: silicon, indium arsenide (InAs), indium antimonide (InSb), etc.

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и низкая точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом необходимо в значительной степени увеличивать протекающий ток, а также недостаточный диапазон измерения магнитных полей. Кроме того, датчики Холла являются активными элементами и всегда требуют для своей работы дополнительное питание из-за особенностей применения в них полупроводниковых материалов.The disadvantage of such devices is the low sensitivity and low accuracy of measurements, especially in the region of small values of induction, since it is necessary to significantly increase the flowing current, as well as an insufficient range of measurement of magnetic fields. In addition, Hall sensors are active elements and always require additional power for their work due to the peculiarities of using semiconductor materials in them.

Известен магнитоэлектрический (МЭ) материал, который, благодаря наличию в нем магнитоэлектрического эффекта, позволяет преобразовывать переменное магнитное поле в электрическое напряжение без дополнительных затрат энергии. Такие МЭ материалы могут применяться в датчиках магнитного поля.Known magnetoelectric (ME) material, which, due to the presence of a magnetoelectric effect in it, allows you to convert an alternating magnetic field into electrical voltage without additional energy costs. Such ME materials can be used in magnetic field sensors.

Прототипом предлагаемой полезной модели является пассивный датчик переменного магнитного поля (см. №95137, G01R 33/02, 10.06.2010). Датчик содержит подложку и, по меньшей мере, один магниточувствительный элемент из многослойного или объемного магнитоэлектрического композиционного материала, содержащего магнитострикционную и пьезоэлектрическую фазы, на торцы которого нанесены токопроводящие обкладки. Датчик содержит также постоянный магнит, вектор магнитного поля которого сонаправлен с вектором поляризации пьезоэлектрической фазы магниточувствительного элемента.The prototype of the proposed utility model is a passive variable magnetic field sensor (see No. 95137, G01R 33/02, 06/10/2010). The sensor contains a substrate and at least one magnetically sensitive element of a multilayer or bulk magnetoelectric composite material containing a magnetostrictive and piezoelectric phase, on the ends of which are conductive plates. The sensor also contains a permanent magnet, the magnetic field vector of which is aligned with the polarization vector of the piezoelectric phase of the magnetically sensitive element.

Основные недостатки такого датчика - наличие магнитострикционной компоненты и подмагничивающего поля.The main disadvantages of such a sensor are the presence of a magnetostrictive component and a magnetizing field.

Технической задачей при разработке полезной модели является создание датчика магнитного поля, который не требует для своей работы наличия магнитострикционной компоненты и наличия дополнительного питания.The technical problem in the development of a utility model is the creation of a magnetic field sensor, which does not require the presence of a magnetostrictive component and the presence of additional power.

Поставленная задача достигается тем, что датчик магнитного поля содержит биморфный пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из скрепленных между собой пьезоэлектрических слоев, поляризованных в противоположных направлениях и жестко закрепленных с одной из сторон, двух постоянных магнитов прикрепленных на свободном конце преобразователя и выводами, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрического преобразователя параллельно его закреплению.This object is achieved in that the magnetic field sensor contains a bimorph piezoelectric transducer, consisting of piezoelectric layers bonded to each other, polarized in opposite directions and rigidly fixed on one side, two permanent magnets attached to the free end of the transducer and terminals applied to opposite surfaces of the piezoelectric transducer parallel to its fixing.

На фиг. 1 представлен датчик магнитного поля.In FIG. 1 shows a magnetic field sensor.

На фиг. 2 представлен график зависимости МЕ коэффициентов от частоты.In FIG. 2 shows a plot of the ME coefficients versus frequency.

Датчик магнитного поля содержит биморфный пьезоэлектрический преобразователь 1, состоящий из скрепленных между собой пьезоэлектрических слоев, поляризованных в противоположных направлениях и жестко закрепленных с одной из сторон зажимом 2, двух постоянных магнитов 3, прикрепленных на свободном конце преобразователя и выводами 4, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрического преобразователя параллельно его закреплению.The magnetic field sensor contains a bimorph piezoelectric transducer 1, consisting of piezoelectric layers bonded to each other, polarized in opposite directions and rigidly fixed on one side by a clamp 2, two permanent magnets 3 attached to the free end of the transducer and pins 4 applied to opposite surfaces of the piezoelectric transducer parallel to its fixing.

Датчик магнитного поля работает следующим образом. При приложении к биморфному пьезоэлектрическому преобразователю, находящемуся в постоянном магнитном поле магнита, магнитного поля, за счет магнитного взаимодействия приводит к появлению вращательного момента и изменению пьезоэлектрического преобразователя, вследствие чего появляется измерительное напряжение на поверхности пьезоэлектрического преобразователя.The magnetic field sensor operates as follows. When a magnet is applied to a bimorph piezoelectric transducer located in a constant magnetic field, the magnetic field due to magnetic interaction leads to the appearance of a torque and a change in the piezoelectric transducer, as a result of which a measuring voltage appears on the surface of the piezoelectric transducer.

Максимальный МЭ эффект достигается подбором величины магнитного поля постоянного магнита и выбором объемных долей биморфного пьезоэлектрического преобразователя.The maximum ME effect is achieved by selecting the magnitude of the magnetic field of the permanent magnet and selecting volume fractions of the bimorph piezoelectric transducer.

На фиг. 2 представлен график зависимости МЕ коэффициентов от частоты датчика магнитного поля (фиг. 1). Следующие параметры материала были использованы для вычисления: Y=0.65·10¹¹ N/m², плотность ρ пьезоэлектрических слоев ρ=7.7·10³ kg/m³, d₃₁=-1750·10^-12 m/V, ε₃₃/ε₀=1750 Ф/м, m=5 g, ε₀J=0.9 Т. Размеры биморфного пьезоэлектрического преобразователя: 50,7×6×0,3. Размеры магнитов (неодимовые NdFeB неодим-железо-бор): 6,35×9,5. Как видно из графика, расчетное значение МЭ коэффициента от частоты достигает 30 В/Э. Зависимость МЕ коэффициентов от частоты носит линейный характер.In FIG. 2 shows a graph of the dependence of ME coefficients on the frequency of the magnetic field sensor (Fig. 1). The following material parameters were used to calculate: Y = 0.65 · 10 ¹¹ N / m ² , density ρ of the piezoelectric layers ρ = 7.7 · 10 ³ kg / m ³ , d ₃₁ = -1750 · 10 ^-12 m / V, ε ₃₃ / ε ₀ = 1750 f / m, m = 5 g, ε ₀ J = 0.9 T. Dimensions of a bimorph piezoelectric transducer: 50.7 × 6 × 0.3. Dimensions of magnets (neodymium NdFeB neodymium-iron-boron): 6.35 × 9.5. As can be seen from the graph, the calculated value of the ME coefficient of frequency reaches 30 V / Oe. The dependence of ME coefficients on frequency is linear.

Использование предложенной полезной модели позволяет измерять магнитные поля и не требует для своей работы наличия магнитострикционной компоненты и дополнительных затрат энергии. Кроме того, повышается чувствительность и расширяется диапазон измеряемых магнитных полей за счет достижения максимального МЭ эффекта в чувствительном элементе датчика магнитного поля.Using the proposed utility model allows one to measure magnetic fields and does not require the presence of a magnetostrictive component and additional energy costs for its work. In addition, the sensitivity is increased and the range of measured magnetic fields is expanded by achieving the maximum ME effect in the sensitive element of the magnetic field sensor.

При изготовлении датчика магнитного поля применяются хорошо отработанные технологии для получения биморфного пьезоэлектрического преобразователя, что обуславливает его более низкую себестоимость и высокую надежность по сравнению с датчиками магнитного поля на эффекте Холла.In the manufacture of a magnetic field sensor, well-developed technologies are used to obtain a bimorph piezoelectric transducer, which leads to its lower cost and high reliability compared to Hall effect magnetic field sensors.

Claims

A magnetic field sensor containing a bimorph piezoelectric transducer, consisting of piezoelectric layers bonded to each other, polarized in opposite directions and rigidly fixed on one side, two permanent magnets attached to the free end of the transducer, and terminals applied to opposite surfaces of the piezoelectric transducer parallel to it consolidation.