RU2118834C1 - Device measuring weak magnetic fields ( versions ) - Google Patents
Device measuring weak magnetic fields ( versions ) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2118834C1 RU2118834C1 RU97112353A RU97112353A RU2118834C1 RU 2118834 C1 RU2118834 C1 RU 2118834C1 RU 97112353 A RU97112353 A RU 97112353A RU 97112353 A RU97112353 A RU 97112353A RU 2118834 C1 RU2118834 C1 RU 2118834C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conductor
- field
- magnetic
- anisotropy
- source
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей, в частности, при обнаружении магнитных аномалий, отображении функций головного мозга, разведки месторождений, измерении слабых токов и т.д. The invention relates to measuring technique and can be used to measure weak magnetic fields, in particular, when detecting magnetic anomalies, displaying brain functions, exploration of deposits, measuring low currents, etc.
Основным требованием к измерительному устройству является высокая чувствительность к полю, достигающая 10-6 - 10-8 Э. В условиях флуктуирующего во времени магнитного поля Земли (флуктуации составляют ≈ 10-4 Э) важной задачей является создание пары датчиков с идентичными характеристиками для построения дифференциальной схемы измерения, когда однородное в пространстве магнитное поле, действующее на пару датчиков, исключается как синфазная помеха. В этом случае может быть измерено магнитное поле, создаваемое локализованным источником. Таким образом, вторым требованием к чувствительному элементу является некритичная зависимость характеристики его чувствительности от таких внешних параметров как геометрические размеры, магнитостатические параметры, величина измеряемого магнитного поля и т.п. Известные устройства с подобной чувствительностью к полю либо громоздки и требуют сложного дополнительного оборудования (СКВИД, квантовый оптический магнитометр), либо обладают критической зависимостью чувствительности от параметров ферромагнитного проводника (ГМИ).The main requirement for the measuring device is high sensitivity to the field, reaching 10 -6 - 10 -8 Oe. Under the conditions of the Earth's magnetic field fluctuating in time (fluctuations are ≈ 10 -4 Oe) an important task is to create a pair of sensors with identical characteristics to construct a differential measurement schemes when a spatially uniform magnetic field acting on a pair of sensors is excluded as in-phase interference. In this case, the magnetic field generated by the localized source can be measured. Thus, the second requirement for a sensitive element is the non-critical dependence of its sensitivity characteristics on such external parameters as geometric dimensions, magnetostatic parameters, magnitude of the measured magnetic field, etc. Known devices with such sensitivity to the field are either bulky and require complex additional equipment (SQUID, quantum optical magnetometer), or have a critical dependence of sensitivity on the parameters of the ferromagnetic conductor (GMI).
Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля [1], содержащее чувствительный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с магнитной анизотропией, ориентированной в плоскости элемента перпендикулярно его продольной оси, причем концы чувствительного элемента подключены к выходным зажимам регулируемого источника постоянного тока. Измерение сопротивления переменному току, пропускаемому через чувствительный элемент в измеряемом магнитном поле, направленном вдоль оси, приводит к пропорциональному измерению напряжения на его зажимах, которое является выходным сигналом устройства. A device for measuring magnetic field strength [1] is known, comprising a sensor made of a ferromagnetic material with magnetic anisotropy oriented in the plane of the element perpendicular to its longitudinal axis, the ends of the sensor being connected to the output terminals of an adjustable constant current source. Measuring the resistance to alternating current passed through the sensor in a measured magnetic field directed along the axis leads to a proportional measurement of the voltage at its terminals, which is the output signal of the device.
Данное устройство имеет ограничение диапазона полей областью положительной крутизны кривой зависимости сопротивления от поля. Для реализации максимальной чувствительности устройства эта область должна быть как можно меньшей. На практике она составляет доли эрстед. Кроме того, амплитуда переменного напряжения на зажимах магниточувствительного элемента имеет непропорциональную зависимость от величины измеряемого поля, поэтому чувствительность датчика зависит от величины этого поля. This device has a limited range of fields to the area of positive slope of the curve of the dependence of resistance on the field. To realize the maximum sensitivity of the device, this area should be as small as possible. In practice, it is the share of oersted. In addition, the amplitude of the alternating voltage at the terminals of the magnetically sensitive element has a disproportionate dependence on the magnitude of the measured field, so the sensitivity of the sensor depends on the magnitude of this field.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения слабых магнитных полей [2], содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде ферромагнитного проводника, окруженного катушкой индуктивности и последовательно соединенного с источником переменного тока, при этом концы катушки индуктивности соединены с измерителем напряжения. Принцип действия его основан на нелинейности используемого в качестве проводника чувствительного элемента ферромагнетика. Устройство позволяет определять абсолютную величину и направление магнитного поля, однако с низкой чувствительностью (10-2 - 10-3Э). В данном устройстве амплитуда переменного тока, запитывающего проводник чувствительного элемента должна быть больше некоторой критической величины для того, чтобы обеспечивать перемагничивание ферромагнетика по полной петле гистерезиса. Это приводит к большому потреблению энергии, что является недостатком устройства. Кроме того, устройство может работать лишь на небольших частотах измеряемого магнитного поля, когда толщина скин-слоя в проводнике больше минимального размера проводника. При больших частотах чувствительность данного устройства резко падает. Размеры устройства велики.Closest to the claimed is a device for measuring weak magnetic fields [2], containing a sensing element made in the form of a ferromagnetic conductor surrounded by an inductor and connected in series with an alternating current source, while the ends of the inductor are connected to a voltage meter. The principle of its operation is based on the nonlinearity of the ferromagnet used as a conductor of the sensitive element. The device allows you to determine the absolute value and direction of the magnetic field, however, with low sensitivity (10 -2 - 10 -3 Oe). In this device, the amplitude of the alternating current supplying the conductor of the sensing element must be greater than a certain critical value in order to ensure magnetization reversal of the ferromagnet along the complete hysteresis loop. This leads to high energy consumption, which is a disadvantage of the device. In addition, the device can operate only at low frequencies of the measured magnetic field, when the thickness of the skin layer in the conductor is greater than the minimum size of the conductor. At high frequencies, the sensitivity of this device drops sharply. The dimensions of the device are large.
Предлагаемое изобретение расширяет арсенал устройств для измерения слабых постоянных и переменных магнитных полей и решает задачу создания компактного устройства для измерения слабых магнитных полей с высокой чувствительностью. The present invention expands the arsenal of devices for measuring weak constant and variable magnetic fields and solves the problem of creating a compact device for measuring weak magnetic fields with high sensitivity.
Варианты изобретения относятся к объектам одного назначения - высокочувствительным устройствам для измерения магнитных полей в широком диапазоне по сравнению с устройствами со сравнимой чувствительностью и основаны на одном принципе - линейной межмодовой трансформации переменного тока в проводнике чувствительного элемента. Variants of the invention relate to objects of one purpose - highly sensitive devices for measuring magnetic fields in a wide range compared to devices with comparable sensitivity and are based on one principle - linear intermode transformation of alternating current in the conductor of the sensing element.
Использование предлагаемого устройства позволит увеличить чувствительность к постоянному полю до 10-7 - 10-8Э, а к переменным полям с частотой до 1 ГГц до 10-5 - 10-6Э на верхнем краю частотного диапазона. Диапазон измеряемых полей составит несколько эрстед, при этом выходной сигнал устройства строго пропорционален напряженности измеряемого магнитного поля во всем диапазоне. Кроме того, быстродействие измерений составит 10-8с. Возможна эксплуатация устройства в условиях ударных нагрузок и в диапазоне температур (-50) - 150oC.Using the proposed device will increase the sensitivity to a constant field to 10 -7 - 10 -8 Oe, and to alternating fields with a frequency of up to 1 GHz to 10 -5 - 10 -6 Oe at the upper edge of the frequency range. The range of the measured fields will be several oersteds, while the output signal of the device is strictly proportional to the strength of the measured magnetic field in the entire range. In addition, the measurement performance will be 10 -8 s. The operation of the device under shock loads and in the temperature range (-50) - 150 o C.
Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для измерения слабых магнитных полей, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, причем проводник последовательно соединен с источником переменного тока, а катушка индуктивности соединена с измерителем напряжения на ее концах, проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной его продольной оси, и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно его продольной оси, а источник переменного тока выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие
где
- циркулярное поле тока на поверхности проводника;
HA = HK + NZMO - эффективное поле анизотропии проводника;
HK = 2K1/MO;
K1 - константа анизотропии проводника;
MO - намагниченность насыщения проводника;
NZ - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.The essence of the invention lies in the fact that in a device for measuring weak magnetic fields containing a sensing element made in the form of a conductor of ferromagnetic material surrounded by an inductor, the conductor being connected in series with an alternating current source, and the inductor connected to a voltage meter at its ends , the conductor of the sensing element is made with magnetic anisotropy perpendicular to its longitudinal axis, and a magnetic structure in the skin layer with the resulting magnetic moment in the absence of an external magnetic field directed perpendicularly to its longitudinal axis, and the AC source is made with a current amplitude such that the condition
Where
- circular current field on the surface of the conductor;
H A = H K + N Z M O is the effective anisotropy field of the conductor;
H K = 2K 1 / M O ;
K 1 is the anisotropy constant of the conductor;
M O is the saturation magnetization of the conductor;
N Z is the demagnetizing factor along the axis of the conductor.
Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве для измерения слабых магнитных полей, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, источник переменного тока и измеритель напряжения, проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной его продольной оси и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно его продольной оси, при этом концы его соединены с измерителем напряжения, а источник переменного тока соединен с катушкой индуктивности и выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие
где
- продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника;
HA = HK + NZMO - эффективное поле анизотропии проводника;
HK = 2K1/MO;
K1 - константа анизотропии проводника;
MO - намагниченность насыщения проводника;
NZ - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.The essence of the invention lies in the fact that in a device for measuring weak magnetic fields containing a sensitive element made in the form of a conductor of ferromagnetic material surrounded by an inductor, an alternating current source and voltage meter, the sensor conductor is made with magnetic anisotropy perpendicular to its longitudinal axis and magnetic structure in the skin layer with the resulting magnetic moment in the absence of an external magnetic field directed perpendicular to its the longitudinal axis, while its ends are connected to a voltage meter, and the AC source is connected to the inductor and is made with a current amplitude for which the condition
Where
- the longitudinal field created by the current in the coil on the surface of the conductor;
H A = H K + N Z M O is the effective anisotropy field of the conductor;
H K = 2K 1 / M O ;
K 1 is the anisotropy constant of the conductor;
M O is the saturation magnetization of the conductor;
N Z is the demagnetizing factor along the axis of the conductor.
Условие выбора материала проводника с указанными магнитной анизотропией и магнитной структурой необходимо для преобразования энергии из возбуждаемой источником переменного тока поперечной моды колебаний в продольную моду колебаний, при этом коэффициент указанного преобразования является мерой измеряемого магнитного поля. При несоблюдении этого условия при указанной амплитуде возбуждающего тока от источника тока необходимое преобразование не происходит. The condition for selecting a conductor material with the indicated magnetic anisotropy and magnetic structure is necessary for converting energy from the transverse vibrational mode excited by the alternating current source to the longitudinal vibrational mode, and the coefficient of said transformation is a measure of the measured magnetic field. If this condition is not met with the specified amplitude of the exciting current from the current source, the necessary conversion does not occur.
Указанное условие выбора амплитуды тока в проводнике, либо в катушке индуктивности чувствительного элемента и связанной с ней амплитуды переменного магнитного поля необходимо для создания процессов высокочастотного перемагничивания линейного (обратимого) характера. Для этого достаточно, чтобы переменное поле в окрестности проводника чувствительного элемента, создаваемое током в проводнике или, в другом варианте, в катушке индуктивности, было по крайней мере меньше эффективного поля анизотропии HA, задаваемого формулой.The specified condition for selecting the current amplitude in the conductor or in the inductance coil of the sensing element and the associated amplitude of the alternating magnetic field necessary to create processes of high-frequency magnetization reversal of a linear (reversible) nature. For this, it is sufficient that the alternating field in the vicinity of the conductor of the sensing element created by the current in the conductor or, in another embodiment, in the inductor, be at least less than the effective anisotropy field H A given by the formula.
HA = HK + NZMO, HK = 2K1/MO,
где
K1 - константа анизотропии структуры;
MO - намагниченность насыщения;
NZ - фактор размагничивания вдоль длинной оси эллипсоида.H A = H K + N Z M O , H K = 2K 1 / M O ,
Where
K 1 is the anisotropy constant of the structure;
M O is the saturation magnetization;
N Z is the demagnetization factor along the long axis of the ellipsoid.
Соблюдение предлагаемого условия выбора амплитуды позволяет получить максимальную чувствительность устройства к измеряемому полю. При несоблюдении этого условия характер процессов будет нелинейным и чувствительность резко упадет. Compliance with the proposed conditions for the choice of amplitude allows you to get the maximum sensitivity of the device to the measured field. If this condition is not met, the nature of the processes will be non-linear and the sensitivity will drop sharply.
Таким образом, выполнение проводника с указанной анизотропией и структурой, а также выбор амплитуды переменного тока обеспечивают высокую чувствительность устройства. Thus, the implementation of the conductor with the specified anisotropy and structure, as well as the choice of the amplitude of the alternating current provide high sensitivity of the device.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 изображена схема устройства с проводником чувствительного элемента, соединенным с источником тока, на фиг.2 изображена схема устройств с катушкой индуктивности, соединенной с источником тока; на фиг.3 показан пример магнитной структуры проводника чувствительного элемента; на фиг.4 демонстрируется график зависимости коэффициента передачи мощности от источника переменного тока в измерительную цепь от прикладываемого внешнего поля; на фиг.5 изображен график зависимости выходного напряжения устройства от измеряемого магнитного поля. The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a diagram of a device with a sensing element conductor connected to a current source, Fig. 2 shows a diagram of devices with an inductor connected to a current source; figure 3 shows an example of a magnetic structure of the conductor of the sensing element; figure 4 shows a graph of the dependence of the power transfer coefficient from an alternating current source into the measuring circuit from the applied external field; figure 5 shows a graph of the dependence of the output voltage of the device from the measured magnetic field.
Устройство для измерения слабых магнитных полей содержит чувствительный элемент, выполненный в виде ферромагнитного проводника 1, окруженного катушкой индуктивности 2, источник переменного тока 3, измеритель напряжения 4. A device for measuring weak magnetic fields contains a sensitive element made in the form of a
При этом проводник 1 имеет магнитную анизотропию, ориентированную перпендикулярно его продольной оси, и магнитную структуру в скин-слое с результирующим магнитным моментом, направленным перпендикулярно его продольной оси в отсутствии внешнего поля. In this case, the
В первом варианте устройства концы проводника 1 чувствительного элемента соединены с источником переменного тока 3, а катушка индуктивности 2 соединена с измерителем напряжения 4. Амплитуда тока в проводнике 1 от источника тока 3 выбрана с возможностью реализации условия
где
- поле тока на поверхности проводника;
HA = HK + NZMO - эффективное поле анизотропии проводника;
HK = 2K1/MO;
K1 - константа анизотропии проводника;
MO - намагниченность насыщения проводника;
NZ - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.In the first embodiment of the device, the ends of the
Where
- current field on the surface of the conductor;
H A = H K + N Z M O is the effective anisotropy field of the conductor;
H K = 2K 1 / M O ;
K 1 is the anisotropy constant of the conductor;
M O is the saturation magnetization of the conductor;
N Z is the demagnetizing factor along the axis of the conductor.
Во втором варианте устройства концы проводника 1 чувствительного элемента соединены с измерителем напряжения 4, а катушка индуктивности 2 соединена с источником переменного тока 3. Источник переменного тока 3 соединен с катушкой индуктивности 2, причем амплитуда тока в катушке 2 от источника тока 3 выбран с возможностью реализации условия
где
- продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника;
HA = HK + NZMO - эффективное поле анизотропии проводника;
HK = 2K1/MO;
K1 - константа анизотропии проводника;
MO - намагниченность насыщения проводника;
NZ - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.In the second embodiment of the device, the ends of the
Where
- the longitudinal field created by the current in the coil on the surface of the conductor;
H A = H K + N Z M O is the effective anisotropy field of the conductor;
H K = 2K 1 / M O ;
K 1 is the anisotropy constant of the conductor;
M O is the saturation magnetization of the conductor;
N Z is the demagnetizing factor along the axis of the conductor.
В качестве материала проводника 1 чувствительного элемента могут быть использованы материалы на основе ферромагнитных сплавов с небольшой отрицательной константой магнитострикции, которые в результате термомагнитной технологической обработки приобретают необходимую магнитную анизотропию и магнитную структуру. Примерами таких материалов могут служить аморфные сплавы на основе кобальта CoFeSiB с известным стехиометрическим составом, сплавы типа Finemet, пермаллой и др. As the material of the
Компактность устройства обеспечивается малыми размерами чувствительного элемента (1•1•5 мм3), малой потребляемой мощностью источника переменного тока.The compactness of the device is ensured by the small size of the sensitive element (1 • 1 • 5 mm 3 ), low power consumption of the AC source.
Быстродействие устройства обеспечивается возможностью работы его на высокой частоте переменного тока (до нескольких гигагерц) при этом верхняя частота гармоники измеряемого поля может достигать нескольких сот мегагерц. The performance of the device is ensured by the possibility of operating it at a high frequency of alternating current (up to several gigahertz), while the upper harmonic frequency of the measured field can reach several hundred megahertz.
Устройство работает следующим образом. Указанные соединения проводника 1 и катушки индуктивности 2 с источником тока 3 и измерителем напряжения 4 позволяют возбуждать ортогональные по отношению к полю переменного тока колебания магнитного поля и в результате регистрировать индуцированное ими напряжение, которое является мерой измеряемого внешнего поля. The device operates as follows. The indicated connections of the
При работе устройства по первому варианту переменный ток от источника 3, протекающий по проводнику 1 чувствительного элемента, вследствие гиротропных свойств его материала, чувствительных к измеряемому внешнему полю, трансформируется в переменный ток в катушке индуктивности 2, при этом коэффициент трансформации зависит от магнитного состояния проводника 1 чувствительного элемента, которое задается измеряемым магнитным полем. ЭДС индукции на выводах катушки 2 регистрируется измерителем напряжения 4. When the device is operated according to the first embodiment, the alternating current from the
При работе устройства по второму варианту переменный ток от источника 3, протекающий через катушку индуктивности 2, возбуждает переменное магнитное поле, направленное вдоль оси проводника 1. Вследствие гиротропных свойств его материала, чувствительных к измеряемому внешнему полю, на поверхности проводника возбуждается компонента магнитного поля, перпендикулярная оси проводника 1, которая индуцирует ток, вызывающий разность потенциалов на концах проводника 1, регистрируемую измерителем напряжения 4. When the device according to the second embodiment is operated, an alternating current from a
Магнитная проницаемость анизотропного проводника 1 чувствительного элемента, также как и поверхностный импеданс представляют собой тензор, недиагональная компонента которого в осях, связанных с главными осями элемента, ответственна за возникновение переменного магнитного поля ортогонального полю тока. Это поле в первом варианте устройства возбуждает напряжение на концах катушки индуктивности 2, амплитуда которого зависит от величины измеряемого внешнего поля; во втором варианте возникающее переменное поле приводит к возникновению напряжения на концах проводника 1, которое также зависит от величины измеряемого поля. В общем случае коэффициент трансформации энергии из одной из вышеуказанных мод в другую, ей ортогональную, пропорционален компоненте тензора поверхностного сопротивления металла,
где
ζzφ(H) - зависящая от внешнего измеряемого поля H компонента тензора поверхностного импеданса чувствительного элемента в осях, в которых индекс φ соответствует оси в направлении переменного магнитного поля тока, а z - ей ортогональной и лежащей в плоскости, касательной к поверхности проводника 1 чувствительного элемента.The magnetic permeability of the
Where
ζ zφ (H) is the component of the surface impedance tensor of the sensitive element depending on the external measured field H in the axes in which the index φ corresponds to the axis in the direction of the alternating magnetic field of the current, and z to it is orthogonal and lying in a plane tangent to the surface of the
На фиг. 3 приведен пример магнитной структуры проводника 1 чувствительного элемента. Здесь изображен случай однодоменной структуры поверхностного слоя с результирующим магнитным моментом . Его проекциями в цилиндрической системе координат {ρ,φ,z} являются {0,Mφ,Mz}. Момент направлен под углом θ к направлению легкой оси в присутствии внешнего поля , направленного вдоль оси проводника, и перпендикулярен оси проводника в отсутствие поля. Для случая коаксиальной линии передачи, нагружаемой коаксиальным короткозамкнутым устройством, в котором проводник 1 чувствительного элемента с магнитной структурой, изображенной на фиг.3, является центральным проводником, а внешний проводник устройства имеет размер внешнего проводника коаксиальной линии, коэффициент трансформации в условиях сильного скин-эффекта в проводнике чувствительного элемента
ξ(H) = Reζzφ(H){P+Reζφφ(H)}-1, (3)
где
ζφφ(H) - диагональная компонента тензора поверхностного импеданса. Параметр P характеризует внешнюю по отношению к проводнику 1 электрическую цепь: P = (a/l)ln(b/ao), ao - радиус центрального стержня коаксиальной линии передачи, l - длина проводника 1 чувствительного элемента, b - радиус внешнего проводника коаксиальной линии. Компоненты тензора поверхностного импеданса весьма чувствительны к величине поля H в диапазоне полей, когда направление магнитного момента на поверхности проводника 1 чувствительного элемента изменяется на противоположное. Этим обусловлена высокая чувствительность данного устройства.In FIG. 3 shows an example of the magnetic structure of the
ξ (H) = Reζ zφ (H) {P + Reζ φφ (H)} -1 , (3)
Where
ζ φφ (H) is the diagonal component of the surface impedance tensor. The parameter P characterizes the electric circuit external to the conductor 1: P = (a / l) ln (b / a o ), a o is the radius of the central rod of the coaxial transmission line, l is the length of
На фиг.4 демонстрируются графики зависимости коэффициента передачи мощности, возбуждаемой источником переменного тока 3, от прикладываемого внешнего поля в схеме фиг.1 (вариант 1) и в схеме фиг.2 (вариант 2) при частоте переменного тока от источника тока 50 МГц. В качестве проводника 1 чувствительного элемента в обоих вариантах использовалась аморфная проволока из сплава (Fe6Co94)72.5Si12.5B15 длиной 5 мм и диаметром 30 μm. Отрицательная величина константы магнитострикции данного сплава λ≈-10-7 обусловила циркулярную магнитную анизотропию поверхностного слоя проводника, соответствующую изображенной на фиг.3. Эффективное поле анизотропии проводника HA = 2K1/MO + NZMO с учетом величины константы анизотропии K1 = 200 эрг/см3, намагниченности насыщения Mo = 500 Гс, размагничивающего фактора NZ = 0,001 составило 1,511 Э. Циркулярное поле тока от источника 3 с амплитудой 50 мкА в проводнике 1 на его поверхности в варианте 1 и продольное поле, создаваемое током от источника с амплитудой 0,4 мА в катушке индуктивности 2 в варианте 2 не превышало 0,05 Э, что удовлетворяет условию Число витков в катушке индуктивности длиной 1,5 мм и диаметром 1 мм было 15.Figure 4 shows graphs of the dependence of the power transfer coefficient excited by the alternating
Из графика видно, что коэффициент преобразования резко меняется в диапазоне полей -1 - +1Э, что позволяет получить высокую чувствительность устройства для измерения магнитных полей. The graph shows that the conversion coefficient varies sharply in the field range -1 - + 1E, which allows to obtain a high sensitivity device for measuring magnetic fields.
На фиг.5 приведена зависимость выходного напряжения устройства, выполненного по схеме фиг.1 от величины измеряемого поля. Figure 5 shows the dependence of the output voltage of the device, made according to the scheme of figure 1 from the magnitude of the measured field.
Коэффициент преобразования составил 10,5 В/Э, при этом зависимость выходного напряжения от величины измеряемого поля в диапазоне 0 - 0,4 Э линейная в пределах погрешности измерений 0,5%. Линейная зависимость дает возможность создания идентичных датчиков магнитного поля для дифференциальных методов измерения без специальных схемных решений, включающих отрицательную обратную связь. Оценка тепловых шумов, являющихся основным фактором, влияющим на отношение сигнал/шум для данной магнитно системы, дает величину пороговой чувствительности 10-7 - 10-8 Э. Экспериментальное достижение пороговой чувствительности возможно в условиях отфильтрования магнитных флуктуирующих помех.The conversion coefficient was 10.5 V / O, and the dependence of the output voltage on the measured field in the range 0 - 0.4 Oe is linear within the measurement error of 0.5%. Linear dependence makes it possible to create identical magnetic field sensors for differential measurement methods without special circuit solutions, including negative feedback. Evaluation of thermal noise, which is the main factor affecting the signal-to-noise ratio for a given magnetic system, gives a threshold sensitivity value of 10 -7 - 10 -8 E. Experimental achievement of the threshold sensitivity is possible under conditions of filtering out magnetic fluctuating noise.
Источники информации:
1. РФ, патент N 2059259, "Магниточувствительный элемент", опубл. в БИ, 1996 г., N 12, МКИ: G 01 R 33/02.Sources of information:
1. RF, patent N 2059259, "Magnetosensitive element", publ. in BI, 1996, N 12, MKI: G 01 R 33/02.
2. И.Л.Берштейн. Об одном новом типе магнетометра (эрстедметр).- Известия Академии наук СССР, Серия Физическая, VIII, 1944, N 4, c.189-193. 2. I.L. Bershtein. About one new type of magnetometer (erstedmeter) .- Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR, Physical Series, VIII, 1944, No. 4, p. 189-193.
Claims (2)
где поле тока на поверхности проводника;
H = Hk + N2Mo - эффективное поле анизотропии проводника;
Hk = 2K1/Mo;
K1 - константа анизотропии проводника;
Mo - намагниченность насыщения проводника;
Nz - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.1. A device for measuring weak magnetic fields, containing a sensitive element made in the form of a conductor of ferromagnetic material surrounded by an inductor, the conductor being connected in series with an AC source, and the inductor connected to a voltage meter at its ends, characterized in that the conductor the sensitive element is made with magnetic anisotropy perpendicular to its longitudinal axis, and a magnetic structure in the skin layer with the resulting magnetic moment in of an external magnetic field, directed perpendicular to its longitudinal axis, and AC source is configured such current amplitude, for which the condition is realized
Where current field on the surface of the conductor;
H = H k + N 2 M o is the effective anisotropy field of the conductor;
H k = 2K 1 / M o ;
K 1 is the anisotropy constant of the conductor;
M o is the saturation magnetization of the conductor;
N z is the demagnetizing factor along the axis of the conductor.
где - продольное поле, создаваемое током в катушке на поверхности проводника;
Ha = Hк + NzMo - эффективное поле анизотропии проводника;
Hк = 2K1/Mo;
K1 - константа анизотропии проводника;
Mo - намагниченность насыщения проводника;
Nz - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.2. A device for measuring weak magnetic fields, containing a sensitive element made in the form of a conductor made of ferromagnetic material surrounded by an inductor, an alternating current source and a voltage meter, characterized in that the sensitive element conductor is made with magnetic anisotropy perpendicular to its longitudinal axis, and a magnetic structure in the skin layer with the resulting magnetic moment in the absence of an external magnetic field directed perpendicular to its longitudinal axis, while Its cells are connected to a voltage meter, and the AC source is connected to an inductor and is made with a current amplitude such that the condition
Where - the longitudinal field created by the current in the coil on the surface of the conductor;
H a = H k + N z M o is the effective anisotropy field of the conductor;
H k = 2K 1 / M o ;
K 1 is the anisotropy constant of the conductor;
M o is the saturation magnetization of the conductor;
N z is the demagnetizing factor along the axis of the conductor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97112353A RU2118834C1 (en) | 1997-07-10 | 1997-07-10 | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97112353A RU2118834C1 (en) | 1997-07-10 | 1997-07-10 | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2118834C1 true RU2118834C1 (en) | 1998-09-10 |
RU97112353A RU97112353A (en) | 1998-12-20 |
Family
ID=20195469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97112353A RU2118834C1 (en) | 1997-07-10 | 1997-07-10 | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2118834C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2638918C1 (en) * | 2016-11-18 | 2017-12-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" | Sensor of magnetic field based on brillouin scattering |
CN112415168A (en) * | 2020-12-31 | 2021-02-26 | 深圳万知达科技有限公司 | Water quality monitoring management system based on internet |
RU2805248C1 (en) * | 2022-12-05 | 2023-10-12 | Роман Александрович Соколов | Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet |
-
1997
- 1997-07-10 RU RU97112353A patent/RU2118834C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
2. Берштейн И.Л. Об одном новом типе магнетометра (эрстедметр). Известия АН СССР, Серия Физическая, VIII, N 4, 1944, с.189-193. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2638918C1 (en) * | 2016-11-18 | 2017-12-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" | Sensor of magnetic field based on brillouin scattering |
CN112415168A (en) * | 2020-12-31 | 2021-02-26 | 深圳万知达科技有限公司 | Water quality monitoring management system based on internet |
RU2805248C1 (en) * | 2022-12-05 | 2023-10-12 | Роман Александрович Соколов | Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ripka et al. | Advances in magnetic field sensors | |
US7859260B2 (en) | Nuclear magnetic resonance tool using switchable source of static magnetic field | |
Hauser et al. | Giant magnetoimpedance sensors | |
Sandacci et al. | Off-diagonal impedance in amorphous wires and its application to linear magnetic sensors | |
US7489134B2 (en) | Magnetic sensing assembly for measuring time varying magnetic fields of geological formations | |
Thiel et al. | Demagnetization of magnetically shielded rooms | |
US7492151B2 (en) | Magnetic anomaly detector and method using the microwave giant magnetoimpedence effect | |
US9030780B2 (en) | Method and apparatus for reading a non-volatile memory using a spin torque oscillator | |
Ando et al. | " Residence times difference" fluxgate magnetometers | |
US3271665A (en) | Thin film field sensor | |
RU2367982C1 (en) | Method of logging with application of nuclear-magnetic resonance and device for its realisation | |
Pirota et al. | Angular dependence of giant magnetoimpedance in an amorphous Co-Fe-Si-B ribbon | |
Panina | Asymmetrical giant magneto-impedance (AGMI) in amorphous wires | |
Vetoshko et al. | Epitaxial yttrium iron garnet film as an active medium of an even-harmonic magnetic field transducer | |
Babitskii et al. | Low noise wideband thin-film magnetometer | |
US11243276B2 (en) | Magnetometer based on spin wave interferometer | |
Mermelstein | A magnetoelastic metallic glass low-frequency magnetometer | |
Hauser et al. | Wirelessly interrogable magnetic field sensor utilizing giant magneto-impedance effect and surface acoustic wave devices | |
Deak et al. | A low‐noise single‐domain fluxgate sensor | |
Krishnan et al. | Harmonic detection of multipole moments and absolute calibration in a simple, low-cost vibrating sample magnetometer | |
RU2118834C1 (en) | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) | |
Vincueria et al. | Flux-gate sensor based on planar technology | |
Fan et al. | Low power orthogonal fluxgate sensor with electroplated Ni80Fe20∕ Cu wire | |
Wen et al. | Ferromagnetic resonance vector magnetic sensor with high sensitivity and ultrawide working range | |
Nielsen et al. | A new amorphous ribbon fluxgate sensor based on torsional-creep-induced anisotropy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090711 |