RU2059259C1

RU2059259C1 - Magnetic-sensitive unit

Info

Publication number: RU2059259C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Безруков; Ю.К. Левин; В.А. Лопатин; В.Е. Махоткин; Б.П. Шурухин
Original assignee: Махоткин Вячеслав Евгеньевич
Priority date: 1992-04-06
Filing date: 1992-04-06
Publication date: 1996-04-27

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device is designed as metal core, which is made from magnetically soft material and which magnetic anisotropy is oriented in device plane in perpendicular to its longitudinal axis. In addition ends of magnetic-sensitive unit are connected to output terminals of controlled direct current power supply. Device is designed as series of pieces which are positioned on one side of insulated substrate in parallel to each other and which are connected in series by jumpers at their ends. Device may be designed as ribbon which is bent as rectangular torus, which magnetic anisotropy is oriented in parallel to rotation symmetry axis of torus. Ribbon is wound around torus twice. Device is mounted on flat piezoelectric element, which terminals are connected to terminals of controlled voltage power supply. Longitudinal axis of parallel pieces of magnetic-sensitive device is directed towards maximal bend line of piezoelectric element or jumpers which connect ends of parallel pieces of magnetic-sensitive device in perpendicular direction are identical them and directed towards maximal bend line of piezoelectric element. EFFECT: facilitated manufacturing, increased sensitivity, increased precision, low noise level, decreased disturbance, increased functional capabilities, which provide increased range of frequency and amplitude of measured magnetic fields, decreased size, decreased use of power. 7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к созданию средств контроля напряженности магнитного поля. The invention relates to the creation of means for controlling the magnetic field strength.

Известен феррозонд с взаимно перпендикулярными полями [1] представляющий собой проволочный сердечник магниточувствительный элемент (МЧЭ), по которому пропускается ток. Магнитная проницаемость μ и характер доменной структуры МЧЭ зависят от величины измеряемого поля. С изменением внешнего поля эти параметры изменяются, что приводит к изменению выходного сигнала, индуцируемого в катушке, намотанной на сердечник. Known flux-gate with mutually perpendicular fields [1] representing a wire core magnetically sensitive element (MCE), through which current is passed. The magnetic permeability μ and the nature of the domain structure of the MCE depend on the magnitude of the measured field. With a change in the external field, these parameters change, which leads to a change in the output signal induced in the coil wound on the core.

Наиболее близким к предлагаемому является МЧЭ в датчике магнитного поля [2] металлический сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного сплава и имеющий продольную магнитную анизотропию. Closest to the proposed is the MCE in the magnetic field sensor [2] a metal core made of a soft magnetic ferromagnetic alloy and having longitudinal magnetic anisotropy.

Принцип действия этого МЧЭ основан на зависимости толщины скин-слоя, а следовательно, импеданса МЧЭ от величины внешнего магнитного поля. The principle of operation of this MCE is based on the dependence of the thickness of the skin layer and, consequently, the MES impedance on the magnitude of the external magnetic field.

Недостаток известных устройств состоит в снижении чувствительности МЧЭ в области малых измеряемых полей из-за наличия пологого начального участка у кривой намагничивания МЧЭ с продольной анизотропией. В результате снижаются помехоустойчивость, линейность, точность измерений поля. A disadvantage of the known devices is to reduce the sensitivity of the MCE in the region of small measured fields due to the presence of a gentle initial portion of the magnetization curve of the MCE with longitudinal anisotropy. As a result, noise immunity, linearity, and accuracy of field measurements are reduced.

Предложенный МЧЭ обеспечивает высокую технологичность и низкую стоимость изделий, высокую линейность, точность и помехоустойчивость реализуемых на его основе датчиков магнитного поля, а также функциональную гибкость устройств. The proposed MCE provides high manufacturability and low cost of products, high linearity, accuracy and noise immunity of magnetic field sensors implemented on its basis, as well as the functional flexibility of devices.

Предлагаемый МЧЭ выполнен в виде металлического сердечника из магнитомягкого ферромагнитного сплава и имеет магнитную анизотропию, ориентированную в плоскости МЧЭ перпендикулярно его продольной оси. Кроме того, МЧЭ выполнен в виде серии отрезков, расположенных по крайней мере на одной стороне изолированной подложки параллельно друг другу, соединенных в одну, например, последовательную электрическую цепь перемычками на концах (фиг.1). The proposed MCE is made in the form of a metal core made of a soft magnetic ferromagnetic alloy and has magnetic anisotropy oriented in the plane of the MEC perpendicular to its longitudinal axis. In addition, the MCE is made in the form of a series of segments located at least on one side of the insulated substrate parallel to each other, connected to one, for example, a serial electrical circuit with jumpers at the ends (Fig. 1).

Кроме того, сердечник МЧЭ выполнен из ленты, намотанной в виде тора прямоугольного сечения с магнитной анизотропией, ориентированной параллельно оси симметрии вращения тора (фиг.2). При этом намотка тора может быть выполнена бифилярной (фиг.3). Кроме того, сердечник МЧЭ закреплен на плоском пьезоэлектрическом элементе, а продольная ось параллельных отрезков сердечника ориентирована в направлении наибольшего изменения длины пьезоэлектрического элемента. Кроме того, сердечник МЧЭ закреплен на изолированной гибкой пластине с механической подстройкой удлинения. Кроме того, сердечник МЧЭ закреплен на изолированном плоском пьезоэлектрическом элементе, а перемычки, соединяющие концы параллельных отрезков сердечника, перпендикулярны им, идентичны им по составу и поперечному сечению и ориентированы в направлении наибольшего изгиба пьезоэлектрического элемента. In addition, the core of the MCE is made of tape wound in the form of a torus of rectangular cross section with magnetic anisotropy, oriented parallel to the axis of symmetry of rotation of the torus (figure 2). While winding the torus can be made bifilar (figure 3). In addition, the MCE core is mounted on a flat piezoelectric element, and the longitudinal axis of the parallel segments of the core is oriented in the direction of the greatest change in the length of the piezoelectric element. In addition, the core of MCE is fixed on an insulated flexible plate with mechanical adjustment of the elongation. In addition, the MCE core is mounted on an insulated flat piezoelectric element, and the jumpers connecting the ends of the parallel segments of the core are perpendicular to them, identical in composition and cross section, and oriented in the direction of the greatest bend of the piezoelectric element.

На фиг. 1 показан предлагаемый МЧЭ, вариант выполнения; на фиг.2 МЧЭ в виде тора; на фиг.3 МЧЭ в виде тора с бифилярной намоткой; на фиг.4 зависимость сопротивления МЧЭ от напряженности магнитного поля. In FIG. 1 shows the proposed MCE, an embodiment; figure 2 MCE in the form of a torus; figure 3 MChE in the form of a torus with bifilar winding; figure 4 the dependence of the resistance of the MCE from the magnetic field.

На чертежах позициями обозначены: отрезок 1 магниточувствительного сплава, изолированная подложка 2, перемычка 3, лента 4 из магниточувствительного сплава. In the drawings, the positions indicated: segment 1 of the magnetically sensitive alloy, insulated substrate 2, jumper 3, tape 4 of the magnetically sensitive alloy.

Принцип работы МЧЭ состоит в следующем. The principle of operation of the MCE is as follows.

Сердечник МЧЭ лента из аморфного металлического сплава, сопротивление которой зависит от толщины скин-слоя. С изменением величины внешнего поля изменяется магнитная проницаемость ленты μ, а значит, и ее сопротивление. МЧЭ запитывается калиброванным переменным током, поэтому изменение его сопротивления приводит к пропорциональному изменению напряжения на зажимах МЧЭ, которое является выходным сигналом датчика. При этом график зависимости сопротивления от магнитного поля для МЧЭ с поперечной магнитной анизотропией имеет резкий провал в области нулевого поля, как показано на фиг.4. Этим и обеспечивается повышение чувствительности предлагаемого МЧЭ. The core of the MCE is an amorphous metal alloy ribbon whose resistance depends on the thickness of the skin layer. With a change in the magnitude of the external field, the magnetic permeability of the tape μ changes, and hence its resistance. The MCE is powered by a calibrated alternating current, therefore, a change in its resistance leads to a proportional change in the voltage at the terminals of the MCE, which is the output signal of the sensor. In this case, the graph of the resistance versus magnetic field for the MCE with transverse magnetic anisotropy has a sharp dip in the region of the zero field, as shown in Fig. 4. This provides an increase in the sensitivity of the proposed MCE.

Указанный тип анизотропии может быть сформирован путем отжига МЧЭ в поперечном магнитном поле, а также за счет магнитострикции лент, из которых изготовлен МЧЭ. Их растяжение или сжатие с помощью пьезоэлектрического элемента, управляемого источником постоянного напряжения, меняет тип доменной структуры и магнитные характеристики МЧЭ, что позволяет регулировать параметры МЧЭ вышеуказанным способом. Аналогичный результат получается при размещении МЧЭ на изолированной пластине с регулируемым изгибом. The indicated type of anisotropy can be formed by annealing the MCE in a transverse magnetic field, as well as by magnetostriction of the ribbons of which the MEC is made. Their tension or compression using a piezoelectric element controlled by a constant voltage source changes the type of domain structure and the magnetic characteristics of the MCE, which allows you to adjust the parameters of the MCE in the above way. A similar result is obtained when placing the MCE on an insulated plate with an adjustable bend.

Следует также отметить, что измерение поля невозможно в некоторой области вблизи максимума выходной характеристики (фиг.4). Однако при изменении положения этого максимума за счет изменения тока, пропускаемого через МЧЭ, либо за счет введения механического напряжения с помощью пьезоэлектрического элемента удается обеспечить перекрытие диапазонов в режиме измерения больших и малых напряженностей магнитного поля. It should also be noted that field measurement is not possible in a certain region near the maximum of the output characteristic (Fig. 4). However, when changing the position of this maximum due to a change in the current passed through the MCE, or due to the introduction of mechanical stress using a piezoelectric element, it is possible to ensure overlapping ranges in the measurement mode of large and small magnetic fields.

Кроме того, следует отметить дополнительную возможность расширения диапазона измеряемых сигналов с помощью МЧЭ, выполненного в виде серии параллельных отрезков за счет использования коротких перемычек, которые могут обеспечить измерение напряженностей поля, приходящихся на зону нечувствительности МЧЭ, представленного серией более длинных параллельных отрезков, имеющих меньшее значение размагничивающего фактора. In addition, it should be noted that there is an additional possibility of expanding the range of measured signals with the help of MCE made in the form of a series of parallel segments due to the use of short jumpers, which can provide a measurement of the field strengths attributable to the dead band of the MEC represented by a series of longer parallel segments having a lower value demagnetizing factor.

При выполнении МЧЭ в виде тора исчезает зависимость намагниченности МЧЭ от направления поля и сохраняется зависимость от модуля поля, что расширяет функциональные возможности МЧЭ. Бифилярность намотки спирали уменьшает индуктивную компоненту импеданса МЧЭ, сохраняя его резистивный характер, поскольку токи соседних слоев спирали не ослабляют друг друга при взаимодействии их магнитных полей. When performing MCE in the form of a torus, the dependence of the magnetization of MCE on the direction of the field disappears and the dependence on the field modulus is preserved, which extends the functionality of the MEC. The bifilarity of the spiral winding reduces the inductive component of the impedance of the MCE, while maintaining its resistive nature, since the currents of the neighboring layers of the spiral do not weaken each other when their magnetic fields interact.

Предлагаемый МЧЭ отличается более высокой чувствительностью, линейностью, помехоустойчивостью при измерении малых значений поля по сравнению с известными устройствами. The proposed MCE is characterized by higher sensitivity, linearity, noise immunity when measuring small field values in comparison with known devices.

Claims

1. MAGNETIC SENSITIVE ELEMENT containing a core made of a soft magnetic ferromagnetic alloy, characterized in that the core is made with magnetic anisotropy, oriented in the plane of the element perpendicular to its longitudinal axis.

2. The element according to claim 1, characterized in that the core is made in the form of parallel cores located on one side of the insulated substrate and connected by jumpers at the ends in a parallel electrical circuit.

3. The element according to claim 1, characterized in that the core is made of a tape wound in the form of a torus of rectangular cross section with magnetic anisotropy parallel to the axis of the torus.

4. The element according to claim 3, characterized in that the winding of the torus is made bifilar.

5. The element according to claims 1 and 2, characterized in that the core is mounted on an insulated flat piezoelectric element, and the longitudinal axis of the parallel segments of the magnetically sensitive element is oriented in the direction of the greatest change in the length of the piezoelectric element.

6. The element according to claims 1 and 2, characterized in that the core is mounted on an insulated flexible plate with mechanical adjustment of the deformation.

7. The element according to claim 2, characterized in that it is mounted on an insulated flat piezoelectric element, and the jumpers connecting the ends of parallel segments of the magnetically sensitive element are perpendicular to them, identical to them in composition and cross section and oriented in the direction of the greatest bend of the piezoelectric element.