RU2053521C1 - Magnetic field meter - Google Patents
Magnetic field meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2053521C1 RU2053521C1 SU4925075A RU2053521C1 RU 2053521 C1 RU2053521 C1 RU 2053521C1 SU 4925075 A SU4925075 A SU 4925075A RU 2053521 C1 RU2053521 C1 RU 2053521C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensors
- hall
- field
- meter
- case
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к магнитным измерениям в различной электрофизической аппаратуре, создающей плоское неоднородное магнитное поле, преимущественно в магнитных системах ускорителей заряженных частиц и системах проводки внешних пучков этих частиц. The invention relates to magnetic measurements in various electrophysical equipment, creating a flat inhomogeneous magnetic field, mainly in magnetic systems of charged particle accelerators and wiring systems of external beams of these particles.
Известны миниатюрные датчики Холла, пригодные для измерения любых неоднородных полей (в частности, и плоских). Known miniature Hall sensors suitable for measuring any inhomogeneous fields (in particular, and flat).
Недостаток известных датчиков состоит в малой чувствительности к магнитному полю, связанной с малой шириной датчика. A disadvantage of the known sensors is the low sensitivity to the magnetic field associated with the small width of the sensor.
Известен зонд для измерения магнитной индукции, состоящий из датчиков Холла и принятый за прототип. A known probe for measuring magnetic induction, consisting of Hall sensors and adopted as a prototype.
Недостаток этого зонда состоит в том, что он не годится для измерений неравномерных полей, когда в пределах габарита датчика существенно сказывается неоднородность поля. При применении миниатюрных датчиков можно обеспечить измерение неоднородного поля, однако чувствительность зонда при этом резко снижается. The disadvantage of this probe is that it is not suitable for measuring non-uniform fields, when field inhomogeneity significantly affects the size of the sensor. When using miniature sensors, it is possible to measure the inhomogeneous field, however, the sensitivity of the probe is sharply reduced.
Цель изобретения обеспечение точечности измерения плоского неоднородного магнитного поля при одновременном повышении чувствительности измерителя. The purpose of the invention is to ensure the measurement accuracy of a planar inhomogeneous magnetic field while increasing the sensitivity of the meter.
Цель достигается тем, что в измерителе, содержащем одинаковые датчики Холла, согласно изобретению, последние расположены параллельно друг другу и одинаково ориентированы, их центры находятся на общей нормали к плоскостям датчиков, обеспеченных раздельным питанием по управляющему току и соединенных последовательно по холловской эдс, а общая высота с набора датчиков зависит от их ширины b и равна c в случае двух датчиков; c b в случае нечетного числа (2N+1) датчиков, где N=1; 2; 3 а датчики равномерно распределены по высоте набора с.The goal is achieved in that in a meter containing the same Hall sensors, according to the invention, the latter are parallel to each other and are equally oriented, their centers are on the common normal to the planes of the sensors, provided with separate power supply for the control current and connected in series along the Hall emf, and the common the height from a set of sensors depends on their width b and is equal to c in case of two sensors; cb in the case of an odd number (2N + 1) of sensors, where N = 1; 2; 3 a, the sensors are evenly distributed over the height of the set s.
Раздельное питание по управляющему току необходимо для того, чтобы ток не ответвлялся, искажая сигналы датчиков, в измерительную цепь, где последовательно соединены сигнальные эдс Холла, что позволяет измерить поле в центре измерителя на основании суммы сигнальных эдс отдельных датчиков и при этом с большой чувствительностью, поскольку в измерителе можно при надлежащих соотношениях между геометрическими параметрами ( c при двух датчиках, c b при нечетном числе (2N+1) датчиков) применять не миниатюрные, а обычные датчики Холла. При отклонении от указанных геометрических соотношений в конструкции измерителя последний будет давать погрешность в величине измеряемого поля, поскольку начнет реагировать не только на поле в центре датчика, но и на пространственные производные поля.Separate power supply for the control current is necessary so that the current does not branch, distorting the sensor signals, into the measuring circuit where the Hall signal emfs are connected in series, which allows you to measure the field in the center of the meter based on the sum of the signal emfs of the individual sensors and with great sensitivity, since in the meter it is possible with the proper ratios between geometric parameters (c with two sensors, cb with an odd number (2N + 1) of sensors) use not miniature, but conventional Hall sensors. If you deviate from the indicated geometric relationships in the meter design, the latter will give an error in the magnitude of the measured field, since it will begin to respond not only to the field in the center of the sensor, but also to the spatial derivatives of the field.
На фиг. 1 изображена активная пластина датчика Холла; на фиг. 2-5 показано, как нужно при измерении плоского поля располагать по отношению к последнему различные варианты измерителей, а также и отдельную холловскую пластину (фиг. 2). In FIG. 1 shows the active plate of the Hall sensor; in FIG. 2-5, it is shown how, when measuring a flat field, it is necessary to arrange, in relation to the latter, various versions of the meters, as well as a separate Hall plate (Fig. 2).
Измеритель содержит набор из одинаковых параллельных друг другу датчиков Холла, центры которых расположены на общей нормали к плоскостям датчиков, обеспеченных раздельным питанием по управляющему току и соединенных последовательно по холловской эдс. Общая высота с набора датчиков зависит от ширины b и равна c в случае двух датчиков; c b в случае нечетного числа (2N+1) датчиков, где N=1; 2; 3 а датчики равномерно распределены по высоте набора с.The meter contains a set of identical Hall sensors parallel to each other, the centers of which are located on a common normal to the planes of the sensors, provided with separate power supply for the control current and connected in series along the Hall emf. The total height from a set of sensors depends on the width b and is equal to c in case of two sensors; cb in the case of an odd number (2N + 1) of sensors, where N = 1; 2; 3 a, the sensors are evenly distributed over the height of the set s.
Активная пластина датчика Холла показана отдельно на фиг. 1, где введена ее система координат α, β, γ и обозначены геометрические параметры. Управляющий ток i1 пропускается вдоль оси β, а сигнальная эдс U снимается с точек 1 и 2. На фиг. 2-5 показано, как нужно располагать для измерения плоского неоднородного поля отдельную пластину Холла (фиг. 2), либо изображенные на фиг. 3-5 предлагаемые измерители. Считается, что силовые линии поля лежат либо в плоскости чертежа, либо в других параллельных ей плоскостях и что на любой нормали к этим плоскостям поле постоянно. При использовании одной отдельной пластины Холла (фиг. 2) нужно ее центp совместить с точкой измерения и направить ось β по нормали к плоскостям, в которых лежат силовые линии. Вращая датчик вокруг оси β, ориентируют ось γ в направлении измеряемой компоненты поля.The active plate of the Hall sensor is shown separately in FIG. 1, where its coordinate system α, β, γ is introduced and the geometric parameters are indicated. The control current i 1 is passed along the axis β, and the signal emf U is removed from
С каждым измерителем (фиг. 3-5) связывается система координат x, y, z, имеющая начало в центре устройства. Ось z совпадает с осями γ датчиков, входящих в состав измерителя, а ось y параллельна осям β тех же датчиков. При измерении нужно совместить начало координат системы x, y, z измерителя с точкой измерения и направить ось y по нормали к плоскостям, в которых лежат силовые линии (т.е. к плоскости чертежа на фиг. 3-5). Вращая измеритель вокруг оси y, ориентируют ось z вдоль измеряемой компоненты поля. Для единообразия система x, y, z введена также и на фиг. 2. Each meter (Fig. 3-5) is associated with a coordinate system x, y, z, having a beginning in the center of the device. The z axis coincides with the γ axes of the sensors included in the meter, and the y axis is parallel to the β axes of the same sensors. When measuring, you need to combine the origin of the x, y, z system of the meter with the measuring point and direct the y axis along the normal to the planes in which the lines of force lie (i.e., to the drawing plane in Figs. 3-5). Rotating the meter around the y axis, orient the z axis along the measured field component. For consistency, the system x, y, z is also introduced in FIG. 2.
Во всех рассматриваемых ниже примерах вводить поправку в сигнальную эдс из-за существования планарного эффекта не нужно. Поправка равна нулю, потому что (как это видно из фиг. 2-5) угол между управляющим током любой пластины Холла и компонентной измеряемого поля, лежащей в плоскости той же пластины, равен 90о. Поэтому для датчика на фиг. 2 можно записать сигнальную эдс в виде
U Bz(x,z)dx, (1) где К чувствительность пластины Холла в равномерном поле.In all the examples discussed below, it is not necessary to introduce a correction in the signal emf due to the existence of a planar effect. The correction is zero, because (as can be seen from Fig. 2-5) the angle between the control current of any Hall plate and the component of the measured field lying in the plane of the same plate is 90 about . Therefore, for the sensor in FIG. 2, you can write the signal emf as
U B z (x, z) dx, (1) where K is the sensitivity of the Hall plate in a uniform field.
Из (1) можно по сигналу U вычислить поле = , которое имеет физический смысл средней компоненты Bz на участке от X1= -b/2 до X2=b/2. Однако, в общем случае, искомое поле Bz(0,0) отличается от этого среднего значения, и как раз в этом состоит недостаток аналогов, построенных на базе одной отдельной пластины Холла. Добиться точечности измерения, применяя одну холловскую пластину, можно только в случае "миниатюрной пластины", если в пределах ее габаритов можно считать магнитное поле практически равномерным. Однако чувствительность датчика при этом будет малой.From (1), according to the signal U, we can calculate the field = , which has the physical meaning of the average component B z in the region from X 1 = -b / 2 to X 2 = b / 2. However, in the general case, the desired field B z (0,0) differs from this average value, and this is precisely the disadvantage of analogues built on the basis of one separate Hall plate. It is possible to achieve a measurement accuracy using one Hall plate only in the case of a “miniature plate”, if within the limits of its dimensions the magnetic field can be considered almost uniform. However, the sensitivity of the sensor will be low.
В предлагаемых измерителях (фиг. 2-5) входящие в них активные пластины соединяются между собой электрически последовательно и согласно по холловской эдс, для чего применяется раздельное питание по управляющему току i1. Вследствие этого общая чувствительность к магнитному полю у любого устройства на указанных фигурах во столько раз больше, чем у отдельной пластины, чему равно число примененных пластин. Что касается точечности отсчета неравномерного поля, то она достигается путем надлежащего взаимного расположения отдельных холловских пластин (не обязательно "миниатюрных"), входящих в измеритель.In the proposed meters (Fig. 2-5), the active plates included in them are interconnected electrically in series and according to the Hall emf, for which a separate power supply is applied according to the control current i 1 . As a result, the overall sensitivity to the magnetic field of any device in these figures is so many times greater than that of a single plate, which is equal to the number of plates used. As for the point of reference of the non-uniform field, it is achieved by the proper relative positioning of individual Hall plates (not necessarily "miniature") included in the meter.
Для построения теории предлагаемого измерителя представим компоненту поля Bz(x,z) в окрестности начала координат системы x, y, z в виде степенного ряда.To construct the theory of the proposed meter, we represent the field component B z (x, z) in the vicinity of the coordinate system x, y, z in the form of a power series.
Bz(x, z)= hm,nxmzn, (2) где член нулевого порядка h0,0 равен искомому полю Bz(0,0) в точке измерения. Ввиду равенства нулю лапласиана проекции магнитного поля коэффициенты h связаны соотношением
(m+2)(m+1)hm+2,n+(n+2)(n+1)hm,n+2=0 (3)
Поскольку из практики известно, что в разложении поля (2) члены 4 порядка и выше играют незначительную роль, будем принимать во внимание лишь члены не выше 3 порядка.B z (x, z) = h m, n x m z n , (2) where the zero-order term h 0,0 is equal to the desired field B z (0,0) at the measurement point. Since the Laplacian of the magnetic field projection is equal to zero, the coefficients h are related by
(m + 2) (m + 1) h m + 2, n + (n + 2) (n + 1) h m, n + 2 = 0 (3)
Since it is known from practice that terms of order 4 and higher play an insignificant role in the expansion of field (2), we will take into account only terms no higher than 3 orders.
Управляющий ток i1 будет считаться равномерно распределенным по сечению b · t пластин Холла, что допустимо в случае, например, таких материалов, как InSb n-типа, или InAs n-типа, у которых омическое сопротивление мало зависит от магнитного поля. Чувствительности k отдельных датчиков, входящих в состав любого измерителя, уравниваются между собой путем тонкой подстройки соответствующих управляющих токов.The control current i 1 will be considered uniformly distributed over the b · t section of the Hall plates, which is acceptable in the case of, for example, materials such as I n S b n-type, or I n A s n-type, in which the ohmic resistance depends little from the magnetic field. The sensitivity k of the individual sensors that make up any meter are equalized by fine tuning the corresponding control currents.
Рассмотрим теорию измерителя, состоящего из двух пластин Холла, представленного на фиг. 3. При вычислении холловских эдс U1 и U2 верхней и нижней пластин (соответственно), следует учесть, что координаты Z этих пластин Z1= c/2 и Z2=-c/2 постоянны на поверхности каждой из них. Для нахождения общего сигнала U=U1+U2 нужно использовать формулу (1), в которой вместо Bz(x,z) подставить сумму (2) в составе членов не выше 3 порядка. При этом члены нечетного порядка по Х подставлять не нужно, так как они дают нулевой вклад при интегрировании по Х от (-b/2) до (b/2). Члены нечетного порядка по Z тоже не нужно учитывать, потому что они (даже при четном порядке по Х) дадут нулевой вклад после операции сложения U1+U2. В результате получается
U U1+U2= 2KBz(O,O)+ (h2,0x2+h0,2z2)dx (4)
Учитывая, что Z2= и что, как это следует из (3), h0,2=-h2,0, получим
U 2KBz(O,O)+2Kh (5)
Из (5) видно, что чувствительность измерителя (фиг. 3) к квадратичным членам разложения поля может подавить, если в его конструкции предусмотреть соотношение
c (6)
В результате получим устройство с чувствительностью k0=2k и точечным отсчетом поля Bz(0,0)= (если, конечно, отвлечься от влияния членов разложения поля четвертого и более высших порядков).Consider the theory of a meter consisting of two Hall plates, shown in FIG. 3. When calculating the Hall emfs U 1 and U 2 of the upper and lower plates (respectively), it should be taken into account that the Z coordinates of these plates Z 1 = c / 2 and Z 2 = -c / 2 are constant on the surface of each of them. To find the common signal U = U 1 + U 2, one needs to use formula (1), in which instead of B z (x, z) substitute the sum (2) in the composition of the terms no higher than 3 orders of magnitude. Moreover, members of an odd order in X are not necessary to substitute, since they give a zero contribution when integrating over X from (-b / 2) to (b / 2). Members of an odd order in Z do not need to be taken into account either, because they (even with an even order in X) will give a zero contribution after the addition operation U 1 + U 2 . The result is
UU 1 + U 2 = 2KB z (O, O) + (h 2.0 x 2 + h 0.2 z 2 ) dx (4)
Given that Z 2 = and that, as follows from (3), h 0.2 = -h 2.0 , we obtain
U 2KB z (O, O) + 2Kh (5)
It can be seen from (5) that the sensitivity of the meter (Fig. 3) to the quadratic terms of the field expansion can be suppressed if the ratio
c (6)
As a result, we obtain a device with sensitivity k 0 = 2k and a point reference of the field B z (0,0) = (unless, of course, one distracts from the influence of the terms of the expansion of the field of the fourth and more higher orders).
Измеритель (фиг. 5) имеет общую высоту с и состоит из нечетного числа (2N+1) равномерно распределенных по высоте пластин, средняя из которых находится на высоте Z=0. Присвоив средней пластине номер n=0, найдем ее сигнал U0. Для этого нужно использовать формулы (1)-(3), учитывая в (2) члены не выше 3 порядка. Тогда получим
Uo= KBz(O,O)+Kh2,0 (7)
Остальные пластины, симметрично расположенные относительно плоскости x, y, будем рассматривать парами, присваивая этим парам номера n от 1 до N, по мере удаления соответствующих пластин от центра устройства. Для выражения сигнала Un от пары с номером n можно воспользоваться готовой формулой (5), в которой вместо фигурирующей там величины с подставить высоту пары c. Суммируя сигналы всех пар, получим
Un= 2KNBz(O,O)+Kh n; (8)
Складывая (7) и (8), найдем общий сигнал измерителя
U K(2N+1)Bz(O,O)+Khb2 n (9)
Для подавления чувствительности к члену второго порядка разложения поля (2) здесь нужно выполнить условие
b2 n2 (10) что, с учетом формулы для суммы квадратов чисел натурального ряда, приводит к искомому соотношению между геометрическими параметрами датчика
c b (11)
При соблюдении (11) измеритель (фиг. 5) обладает свойством практически точечного отсчета поля в точке измерения и обеспечивает чувствительность k0= k(2N+1). В частном случае, когда N=1, получается измеритель из трех активных пластин (фиг. 4). Его чувствительность k0=3k, а условие (11) выглядит в этом случае, как
c (12)
Предлагаемое техническое решение, по сравнению с имеющимися, обеспечивает при измерении топографии плоского неоднородного магнитного поля увеличенную (на 1-2 порядка величины) чувствительность аппаратуры, без ухудшения точечности отсчета поля, и расширяет (в сторону малых индукций) диапазон измеряемых плоских неоднородных магнитных полей.The meter (Fig. 5) has a total height c and consists of an odd number (2N + 1) of plates uniformly distributed over the height, the middle of which is at a height of Z = 0. Assigning the number n = 0 to the middle plate, we find its signal U 0 . For this, it is necessary to use formulas (1) - (3), taking into account in (2) the terms not higher than 3 orders of magnitude. Then we get
U o = KB z (O, O) + Kh 2.0 (7)
The remaining plates, symmetrically located relative to the x, y plane, will be considered in pairs, assigning these pairs numbers n from 1 to N, as the corresponding plates move away from the center of the device. To express the signal U n from the pair with number n, you can use the ready-made formula (5), in which instead of the quantity c appearing there, substitute the height of the pair c . Summing the signals of all pairs, we obtain
U n = 2KNB z (O, O) + Kh n ; (8)
Adding (7) and (8), we find the total signal of the meter
UK (2N + 1) B z (O, O) + Kh b 2 n (9)
To suppress the sensitivity to the second-order term of the field expansion (2), here it is necessary to fulfill the condition
b 2 n 2 (10) which, taking into account the formula for the sum of squares of numbers of the natural series, leads to the desired relationship between the geometric parameters of the sensor
cb (eleven)
Subject to (11), the meter (Fig. 5) has the property of an almost point reference of the field at the measurement point and provides sensitivity k 0 = k (2N + 1). In the particular case, when N = 1, a meter of three active plates is obtained (Fig. 4). Its sensitivity is k 0 = 3k, and condition (11) in this case looks like
c (12)
The proposed technical solution, in comparison with the existing ones, provides, when measuring the topography of a plane inhomogeneous magnetic field, an increased (by 1-2 orders of magnitude) sensitivity of the equipment, without deterioration of the point accuracy of the field reading, and extends (towards small inductions) the range of measured plane inhomogeneous magnetic fields.
Claims (1)
- в случае двух датчиков;
- в случае нечетного числа 2N + 1 датчиков, равномерно распределенных по высоте набора C, где b - ширина датчика;
N = 1, 2, 3, ....A MAGNETIC FIELD METER, comprising Hall sensors with separate power supply according to the control current, characterized in that, in order to ensure the accuracy of measuring a plane inhomogeneous magnetic field while increasing the sensitivity to magnetic induction, the sensors are connected in series along the Hall emf, installed in parallel planes and are equally oriented, their centers are located on a common normal to the indicated planes, and the total height C of the set of sensors is
- in the case of two sensors;
- in the case of an odd number of 2N + 1 sensors uniformly distributed over the height of the set C, where b is the width of the sensor;
N = 1, 2, 3, ....
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4925075 RU2053521C1 (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Magnetic field meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4925075 RU2053521C1 (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Magnetic field meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2053521C1 true RU2053521C1 (en) | 1996-01-27 |
Family
ID=21568389
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4925075 RU2053521C1 (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Magnetic field meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2053521C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2490754C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | Microelectromechanical magnetic field sensor |
RU2490753C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | Magnetic flux density sensor |
-
1991
- 1991-04-03 RU SU4925075 patent/RU2053521C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 871107, кл. G 01R 33/06, 1979. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2490754C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | Microelectromechanical magnetic field sensor |
RU2490753C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | Magnetic flux density sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10398341B2 (en) | Magnetic gradiometer element and magnetic gradiometer | |
JPH0711563B2 (en) | Gradation meter | |
CN107636476B (en) | Multi-pin probe supporting parallel measurement | |
WO2017002678A1 (en) | Current sensor | |
JP4871725B2 (en) | Magnetic field measurement probe | |
RU2053521C1 (en) | Magnetic field meter | |
JPS5946558A (en) | Wattmeter | |
Beatty | Mismatch errors in the measurement of ultrahigh frequency and microwave variable attenuators | |
US9829347B2 (en) | Capacitance sensation unit of plane position measurement device | |
DE19813890A1 (en) | Current measurement method | |
CN106247945B (en) | A kind of position sensor and its detection method | |
US10048298B2 (en) | Thin-film sensor type electrical power measurement device | |
JP4607883B2 (en) | Magnetic field measurement probe | |
CN108919368A (en) | A kind of system and method interfered for eliminating microsatellite remanent magnetism | |
RU2352954C2 (en) | Navigation magnetometer (versions) | |
WO2017018056A1 (en) | Magnetic sensor, current sensor equipped with same and power conversion device | |
JPS63212803A (en) | Measuring device for displacement | |
RU211166U1 (en) | Dual sensor for measuring electric field strength | |
JP7329783B1 (en) | magnetic microscope | |
RU2799972C1 (en) | Method for measuring the electric field strength by the equality of two components | |
RU1806391C (en) | Method of measurement of weak geomagnetic fields | |
JP7249865B2 (en) | Magnetic sensor and magnetic sensor module | |
RU2179323C1 (en) | Process of generation of distribution of vector function of magnetic induction of periodic magnetic field | |
Márton | Simple method of the complete result measurement of an inhomogeneously magnetised palaeomagnetic sample on a spinner magnetometer with a coil sensor | |
SU926518A1 (en) | Two-coordinate magnetoresistive displacement sensor /its versions/ |