RU2522128C1 - Measuring method of constant magnetic field - Google Patents
Measuring method of constant magnetic field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522128C1 RU2522128C1 RU2012156573/28A RU2012156573A RU2522128C1 RU 2522128 C1 RU2522128 C1 RU 2522128C1 RU 2012156573/28 A RU2012156573/28 A RU 2012156573/28A RU 2012156573 A RU2012156573 A RU 2012156573A RU 2522128 C1 RU2522128 C1 RU 2522128C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- constant magnetic
- measuring
- difference
- capacitor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного магнитного поля.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the intensity of a constant magnetic field.
Для измерения напряженности постоянного магнитного поля в настоящее время используются несколько способов [см. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под ред. Е.Г.Шрамкова. -М., Высшая школа, 1972, 520 с.] основными из которых являются следующие:Several methods are currently used to measure the constant magnetic field strength [see Electrical measurements. Means and methods of measurement. Ed. E.G.Shramkova. -M., High School, 1972, 520 pp.] The main of which are the following:
1 - магнитометрический способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку;1 is a magnetometric method based on the action of a magnetic field on a magnetic needle;
2 - способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате явления электромагнитной индукции. К этому способу относится баллистический способ, основанный на измерении заряда, индуктируемого в магнитной катушке при изменении пронизывающего ее магнитного потока;2 - a method based on the measurement of the emf resulting from the phenomenon of electromagnetic induction. This method includes a ballistic method based on measuring the charge induced in a magnetic coil when the magnetic flux penetrating it changes;
3 - пондеромоторный способ, основанный на измерении силы, действующей на образец в неоднородном магнитном поле;3 - ponderomotive method based on measuring the force acting on a sample in an inhomogeneous magnetic field;
4 - способ, основанный на измерении эдс Холла, возникающей в результате эффекта Холла.4 is a method based on measuring the Hall emf resulting from the Hall effect.
Способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку, прост в исполнении, однако имеет большую погрешность.A method based on the action of a magnetic field on a magnetic needle is simple to implement, but it has a large error.
Способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате электромагнитной индукции, связан с необходимостью вращать либо передвигать контур и также имеет небольшую чувствительность.A method based on measuring the emf resulting from electromagnetic induction is associated with the need to rotate or move the circuit and also has little sensitivity.
Способ, основанный на измерении эдс Холла, имеет максимальную чувствительность до 1 мВ/Э [см. Бараночников М.Л. Микромагнетоэлектроника. -М.: ДМК Пресс, 2001, 554 с.] и основан на измерении постоянного сигнала, что значительно понижает его помехоустойчивость.The method based on the measurement of the Hall emf has a maximum sensitivity of up to 1 mV / O [see Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectronics. -M .: DMK Press, 2001, 554 pp.] And is based on the measurement of a constant signal, which significantly reduces its noise immunity.
Известен также способ [см. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применение. -М.: Мир, 1984, 639 с.], основанный на измерении разности фаз, возникающей при прохождении электронов через сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона в магнитном поле. Этот способ имеет максимальную чувствительность, однако его применение связано с использованием веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии, что значительно осложняет его использование при проведении измерений.There is also a known method [see Barone A., Paterno J. Josephson Effect. Physics and application. -M .: Mir, 1984, 639 p.], Based on measuring the phase difference that occurs when electrons pass through a superconducting ring with two Josephson junctions in a magnetic field. This method has maximum sensitivity, however, its use is associated with the use of substances in the superconducting state, which greatly complicates its use in the measurement.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ измерения магнитного поля, основанный на измерении напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитоэлектрический материал, при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока [см. Патент RU №2244318, G01R 33/02, 10.01.2005].The closest technical solution adopted for the prototype is a method of measuring the magnetic field, based on measuring the voltage occurring on the plates of a capacitor, the dielectric of which is a magnetoelectric material, when a current pulse is applied to a magnetizing coil [see Patent RU No. 2244318, G01R 33/02, 01/10/2005].
Недостатком данного способа является использование при измерениях большого импульса тока, вследствие чего необходимо обеспечить хороший теплообмен с подложкой.The disadvantage of this method is the use of a large current pulse when measuring, so that it is necessary to ensure good heat transfer with the substrate.
Задача изобретения - упростить способ, повысить чувствительность и помехоустойчивость измерений напряженности постоянного магнитного поля при обычных температурах.The objective of the invention is to simplify the method, increase the sensitivity and noise immunity of measuring the intensity of a constant magnetic field at ordinary temperatures.
Для решения данной задачи предложен способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения переменного напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, при помещении его в переменное и постоянное магнитное поле, причем измеряют разность двух соседних максимумов гармонического сигнала, величина которой равна произведению напряженности постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры.To solve this problem, a method is proposed for measuring a constant magnetic field by measuring the alternating voltage arising on the plates of a capacitor, the dielectric of which is a magnetostrictive piezoelectric composite, when it is placed in an alternating and constant magnetic field, and the difference between two adjacent maxima of the harmonic signal, which is equal to the product of the constant magnetic field strength by an amount characterizing the sensitivity of the structure.
При помещении конденсатора в магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов. Поскольку магнитострикция является квадратичным по намагниченности эффектом [Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. -М: Наука, 1987, 160 с.], то в области, далекой от насыщения, величина механических напряжений пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. Вследствие этого, возникающее на обкладках конденсатора электрическое поле также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой ω на обкладках конденсатора возникает электрическое напряжение с удвоенной частотой.When a capacitor is placed in a magnetic field in the magnetostrictive phase of the composite, mechanical stresses arise, which are transferred to the piezoelectric phase, as a result of which a potential difference arises on the plates of the capacitor. Since magnetostriction is a quadratic magnetization effect [Belov K.P. Magnetostrictive phenomena and their technical applications. -M: Nauka, 1987, 160 pp.], Then in a region far from saturation, the magnitude of mechanical stresses is proportional to the square of the magnetic field strength. As a result of this, the electric field arising on the capacitor plates will also be proportional to the square of the magnetic field strength. This leads to the fact that when a capacitor is placed in an alternating magnetic field with a frequency ω, an electric voltage with a double frequency occurs on the plates of the capacitor.
Используя уравнения движения среды и материальные уравнения, можно показать [Филиппов Д.А. Теория магнитоэлектрического эффекта в гетерогенных структурах на основе ферромагнетик-пьезоэлектрик // ФТТ, 2005, т.47, №6, с.1082-1084], что величина разности потенциалов U, возникающей на обкладках конденсатора, определяется выражением:Using the equations of motion of the medium and material equations, we can show [Filippov D.A. The theory of the magnetoelectric effect in heterogeneous structures based on a ferromagnet-piezoelectric // FTT, 2005, v. 47, No. 6, pp. 1082-1084], that the value of the potential difference U arising on the capacitor plates is determined by the expression:
здесь H - напряженность магнитного поля, tm, tp - толщина магнитострикционного и пьезоэлектрического слоя, Ym, Yp - модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, d - пьезоэлектрический модуль, pε - диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, g=δ2λ/(δH)2 - магнитострикционный коэффициент, λ - магнитострикционная деформация,
На фиг.1 представлены осциллограммы входного напряжения (1) на катушках Гельмгольца, создающих переменное магнитное поле, и выходного напряжения (2) на обкладках конденсатора. Как видно из фиг.1, частота выходного напряжения равна удвоенной частоте входного напряжения.Figure 1 shows the waveforms of the input voltage (1) on the Helmholtz coils, creating an alternating magnetic field, and the output voltage (2) on the capacitor plates. As can be seen from figure 1, the frequency of the output voltage is equal to twice the frequency of the input voltage.
Если магнитное поле представляет сумму двух полей, переменного H(t)=Hmcos(ωt) и постоянного величиной H0, то амплитуда выходного сигнала на конденсаторе будет пропорциональна квадрату результирующего поля, т.е. пропорциональна величине (Hmcos(ωt)+Н0)2, т.е.If the magnetic field represents the sum of two fields, variable H (t) = H m cos (ωt) and a constant value H 0 , then the amplitude of the output signal on the capacitor will be proportional to the square of the resulting field, i.e. is proportional to (H m cos (ωt) + Н 0 ) 2 , i.e.
где
В результате выходной сигнал будет представлять сумму двух сигналов:As a result, the output signal will represent the sum of two signals:
где U1(t)=С ( H m cos (ωt))2 - переменный сигнал с удвоенной частотой, U2(t)=С·Umcos(ωt) - переменный сигнал с обычной частотой ω.where U 1 (t) = С ( H m cos (ωt)) 2 is an alternating signal with a double frequency, U 2 (t) = С · U m cos (ωt) is an alternating signal with a usual frequency ω.
Разность двух соседних амплитудных значений сигнала будет в этом случае пропорциональна величине постоянного магнитного поля, т.е.The difference of two adjacent amplitude values of the signal will in this case be proportional to the value of the constant magnetic field, i.e.
Используя формулу (4, для величины постоянного магнитного поля получим выражениеUsing formula (4, for the value of the constant magnetic field, we obtain the expression
где чувствительность k=2CHm.where the sensitivity is k = 2CH m .
На фиг.2а представлена осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора при помещении его в переменное магнитное поле с частотой ω и постоянное магнитное поле напряженностью H0. Рядом, для сравнения, на фиг.2б представлен график функции f(x)=cos(2х)+0.5*cos(x).On figa presents an oscillogram of the output voltage on the plates of the capacitor when it is placed in an alternating magnetic field with a frequency ω and a constant magnetic field with intensity H 0 . Next, for comparison, Fig.2b presents a graph of the function f (x) = cos (2x) + 0.5 * cos (x).
Разность величины сигнала в двух соседних максимумах будет пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.The difference in signal magnitude at two adjacent maxima will be proportional to the magnitude of the dc magnetic field.
В таблице 1 представлены результаты измерения разности амплитудных значений напряжения двух соседних максимумов в зависимости от величины постоянного магнитного поля при различных значениях напряженности переменного магнитного поля Hm. В качестве диэлектрика конденсатора использовалась структура пермендюр-цирконат-титанат-свинца-пермендюр. Образцы имели прямоугольную форму. Длина образца 20 мм, ширина 5 мм, толщина пьезоэлектрика - 0,35 мм и толщина одной пластины пермендюра - 0,175 мм.Table 1 presents the results of measuring the difference in the amplitude values of the voltage of two neighboring maxima depending on the magnitude of the constant magnetic field for various values of the intensity of the alternating magnetic field H m . The structure of permendur-zirconate-titanate-lead-permendur was used as the dielectric of the capacitor. The samples had a rectangular shape. The length of the sample is 20 mm, the width is 5 mm, the thickness of the piezoelectric is 0.35 mm, and the thickness of one permendura plate is 0.175 mm.
На фиг.3 представлены графики полученных зависимостей разности амплитудных значений напряжения ΔU от величины постоянного магнитного поля H0 при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля Hm·1-Hm=10Э, 2-Hm=20Э, 3-Hm=30Э, 4-Hm=40Э.Figure 3 presents graphs of the obtained dependences of the difference in the amplitude values of the voltage ΔU on the magnitude of the constant magnetic field H 0 for various values of the amplitude of the alternating magnetic field H m · 1-H m = 10E, 2-H m = 20E, 3-H m = 30E , 4-H m = 40 Oe.
Как следует из данных, представленных в таблице 1 и графиков, представленных на фиг.3, в полном соответствии с формулой (4), наблюдается линейная зависимость разности амплитудных значений напряжения между соседними максимумами при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля. Чувствительность способа зависит от величины напряженности переменного магнитного поля, возрастая с ее величиной. Для данных значений магнитного поля она достигает величины 10 мВ/Э при амплитудных значениях напряженности переменного магнитного поля 40Э, что превосходит чувствительность датчиков Холла.As follows from the data presented in table 1 and the graphs presented in figure 3, in full accordance with formula (4), there is a linear dependence of the difference in the amplitude values of the voltage between adjacent maxima at different values of the amplitude of the alternating magnetic field. The sensitivity of the method depends on the magnitude of the intensity of the alternating magnetic field, increasing with its value. For these values of the magnetic field, it reaches 10 mV / Oe with amplitude values of the intensity of an alternating magnetic field of 40 Oe, which exceeds the sensitivity of Hall sensors.
Перед проведением измерений сначала производят калибровку структуры, определяя ее чувствительность. Для этого измеряют разность амплитудных значений напряжения при помещении конденсатора в переменное и постоянное магнитные поля известной величины и определяют величину С. Затем, зная чувствительность прибора, производят измерение разности потенциалов и по формуле (5) определяют величину постоянного магнитного поля.Before taking measurements, the structure is first calibrated to determine its sensitivity. To do this, the difference in the amplitude values of the voltage is measured when the capacitor is placed in alternating and constant magnetic fields of known magnitude and the value C is determined. Then, knowing the sensitivity of the device, the potential difference is measured and the magnitude of the constant magnetic field is determined by formula (5).
Особо следует отметить, что поскольку оба сигнала (с одинарной и удвоенной частотой) формируются от одного источника, то разность фаз между ними остается постоянной, что позволяет суммировать разность амплитудных значений в течение некоторого отрезка времени, что значительно повышает чувствительность способа.It should be especially noted that since both signals (with a single and doubled frequency) are generated from the same source, the phase difference between them remains constant, which allows you to summarize the difference in amplitude values over a certain period of time, which significantly increases the sensitivity of the method.
Использование предлагаемого способа позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении.Using the proposed method can increase the sensitivity of measurements and improve noise immunity during measurement.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012156573/28A RU2522128C1 (en) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | Measuring method of constant magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012156573/28A RU2522128C1 (en) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | Measuring method of constant magnetic field |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012156573A RU2012156573A (en) | 2014-06-27 |
RU2522128C1 true RU2522128C1 (en) | 2014-07-10 |
Family
ID=51216135
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012156573/28A RU2522128C1 (en) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | Measuring method of constant magnetic field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2522128C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2642497C1 (en) * | 2016-10-19 | 2018-01-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" | Magnetoelectric current-voltage transducer with frequency doubling |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6580271B2 (en) * | 1999-07-20 | 2003-06-17 | Spinix Corporation | Magnetic field sensors |
US6809516B1 (en) * | 1999-04-05 | 2004-10-26 | Spinix Corporation | Passive magnetic field sensors having magnetostrictive and piezoelectric materials |
RU2244318C1 (en) * | 2003-06-16 | 2005-01-10 | Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого | Constant magnetic field detector |
-
2012
- 2012-12-25 RU RU2012156573/28A patent/RU2522128C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6809516B1 (en) * | 1999-04-05 | 2004-10-26 | Spinix Corporation | Passive magnetic field sensors having magnetostrictive and piezoelectric materials |
US6580271B2 (en) * | 1999-07-20 | 2003-06-17 | Spinix Corporation | Magnetic field sensors |
RU2244318C1 (en) * | 2003-06-16 | 2005-01-10 | Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого | Constant magnetic field detector |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2642497C1 (en) * | 2016-10-19 | 2018-01-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" | Magnetoelectric current-voltage transducer with frequency doubling |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012156573A (en) | 2014-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Annapureddy et al. | A pT/√ Hz sensitivity ac magnetic field sensor based on magnetoelectric composites using low-loss piezoelectric single crystals | |
Duong et al. | The lock-in technique for studying magnetoelectric effect | |
JP6281677B2 (en) | Magnetic measuring device | |
Geliang et al. | Design of a GMI magnetic sensor based on longitudinal excitation | |
Burdin et al. | High-sensitivity dc field magnetometer using nonlinear resonance magnetoelectric effect | |
Lu et al. | Zero-biased magnetoelectric composite Fe73. 5Cu1Nb3Si13. 5B9/Ni/Pb (Zr1− x, Tix) O3 for current sensing | |
Bian et al. | A resonant magnetic field sensor with high quality factor based on quartz crystal resonator and magnetostrictive stress coupling | |
CN106291406B (en) | A kind of coil Magnetic Sensor | |
Yu et al. | A slice-type magnetoelectric laminated current sensor | |
Lu et al. | Magnetoelectric composite Metglas/PZT-based current sensor | |
Yao et al. | Influence of magnetic fields on the mechanical loss of Terfenol-D/PbZr0. 52Ti0. 48O3/Terfenol-D laminated composites | |
RU2526293C1 (en) | Differential sensor of permanent magnetic field | |
Fetisov et al. | Wide-band magnetoelectric characterization of a ferrite-piezoelectric multilayer using a pulsed magnetic field | |
Benavides et al. | High sensitivity pressure transducer based on the phase characteristics of GMI magnetic sensors | |
Mermelstein | A magnetoelastic metallic glass low-frequency magnetometer | |
RU2522128C1 (en) | Measuring method of constant magnetic field | |
Ma et al. | High sensitive nonlinear modulation magnetoelectric magnetic sensors with a magnetostrictive metglas structure based on bell-shaped geometry | |
CN101592715A (en) | The electricity of magnetoelectric material is induced magnetic conversion coefficient proving installation and method of testing | |
RU138798U1 (en) | DIFFERENT MAGNETIC FIELD SENSOR | |
Burdin et al. | Static deformation of a ferromagnet in alternating magnetic field | |
Wu et al. | Giant circumferential magnetoelectric effect in Pb (Zr, Ti) O3/Mn-Zn-ferrite cylindrical composite | |
Lalwani et al. | Hall-effect sensor technique for no induced voltage in AC magnetic field measurements without current spinning | |
Apicella et al. | Experimental evaluation of external and built-in stress in Galfenol rods | |
Petrov et al. | Magnetoelectric Current Sensor. | |
Nagendran et al. | Transient eddy current NDE system based on fluxgate sensor for the detection of defects in multilayered conducting material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141226 |