RU2526293C1 - Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля - Google Patents
Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля Download PDFInfo
- Publication number
- RU2526293C1 RU2526293C1 RU2013109316/28A RU2013109316A RU2526293C1 RU 2526293 C1 RU2526293 C1 RU 2526293C1 RU 2013109316/28 A RU2013109316/28 A RU 2013109316/28A RU 2013109316 A RU2013109316 A RU 2013109316A RU 2526293 C1 RU2526293 C1 RU 2526293C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- difference
- value
- intensity
- capacitor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой дифференциальный датчик постоянного магнитного поля. Датчик состоит из конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещенный между катушками Гельмгольца, создающими заданное переменное магнитное поле. При помещении датчика в измеряемое постоянное магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов, представляющая собой сумму двух сигналов - с обычной частотой, величина которого пропорциональна произведению напряженностей постоянного и переменного магнитного полей, и с удвоенной частотой, величина которого пропорциональна квадрату напряженности переменного магнитного поля, и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. Использование предлагаемого датчика позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении. 1 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного магнитного поля.
Для измерения напряженности постоянного магнитного поля в настоящее время используются датчики, принцип действия которых основан на следующих эффектах [см. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под редакцией Е.Г.Шрамкова, М., Высшая школа, 1972, 520 с.]:
1. магнитометрические датчики, основанные на действии магнитного поля на магнитную стрелку;
2. индукционные датчики, основанные на измерении эдс, возникающей в результате явления электромагнитной индукци;
3. пондеромоторные датчики, основанные на измерении силы, действующей на образец в неоднородном магнитном поле;
4. датчики Холла, основанные на измерении ЭДС Холла, возникающей на образце в результате эффекта Холла.
Магнитометрические датчики просты в исполнении, однако имеют большую погрешность.
Индукционные датчики связаны с необходимостью вращать, либо передвигать контур и также имеют небольшую чувствительность.
Датчики Холла имеют максимальную чувствительность до 1 мВ/Э [см. Бараночников М.Л. Микромагнетоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001, 554 с.] и основаны на измерении постоянного сигнала, что значительно понижает его помехоустойчивость.
Известны также датчики, получившие название «сквид» (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device «сверхпроводящий квантовый интерферометр») [см. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применение. М.: Мир, 1984, 639 с.]. Их принцип действия основан 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.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является датчик 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].
Недостатком данного способа является использование при измерениях большого импульса тока, вследствие чего необходимо обеспечить хороший теплообмен с подложкой.
Задача изобретения - упростить конструкцию датчика, повысить чувствительность и помехоустойчивость измерений напряженности постоянного магнитного поля при обычных температурах.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном датчике постоянного магнитного поля, содержащем чувствительный элемент из магнитоэлектрического композита с нанесенными на него токопроводящими контактами, чувствительный элемент расположен между катушками Гельмгольца, создающими переменное магнитное поле, причем, при помещении чувствительного элемента в постоянное магнитное поле, возникающая разность амплитудных значений двух соседних максимумов пропорциональна напряженности постоянного магнитного поля.
Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи.
На фиг.1 представлена конструкция датчика.
На фиг.2 представлена типичная осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора.
На фиг.3 представлены выходные характеристики датчика магнитного поля.
Датчик магнитного поля состоит из конденсатора, представляющего собой образец 1, изготовленный из магнитострикционно-пьезоэлектрического композита, на который нанесены токопроводящие контакты 2. Образец расположен между катушек Гельмгольца 3, создающих переменное магнитное поле.
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 напряжение 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.
В основу теоретического описания принципа работы положены основные уравнения, связывающие между собой электрические, магнитные и упругие свойства материала. 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, в низкочастотной области спектра определяется выражением:
Здесь Н - 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, 
- безразмерный параметр, 
- квадрат коэффициента электромеханической связи.
Если магнитное поле представляет сумму двух полей, переменного H(t)=Hmcos(ωt) с амплитудой Нm и постоянного величиной Н0, то амплитуда выходного сигнала на конденсаторе будет пропорциональна квадрату результирующего поля, т.е.
U(t)=C-(Hmcos(ωt)+H0)2, (2)
где 
- постоянная величина, зависящая от магнитострикционных, пьезоэлектрических и упругих свойств структуры.
В результате выходной сигнал будет представлять сумму двух сигналов:
U(t)=U1(t)+U2(t), (3)
где U1(t)=C(Hmcos(ωt))2 - переменный сигнал с удвоенной частотой, U2(t)=C -Н0Нmcos(ωt) - переменный сигнал с обычной частотой ω.
Разность двух соседних амплитудных значений сигнала будет в этом случае пропорциональна величине постоянного магнитного поля, т.е.
ΔUm=2C HmH0, (4)
Используя формулу (4), для величины постоянного магнитного поля получим выражение
ΔUm=k*H0, (5)
где чувствительность k=2CHm.
На фиг.2 представлена осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора при помещении его в переменное магнитное поле с частотой ω и постоянное магнитное поле напряженностью H0.
Разность величины сигнала в двух соседних максимумах будет пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.
В таблице 1 представлены результаты измерений разности амплитудных значений напряжения двух соседних максимумов, в зависимости от величины постоянного магнитного поля при различных значениях напряженности переменного магнитного поля Нm. 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.
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-Нm=10Э, 2-Нm=20Э, 3-Нm=30Э, 4-Нm=40Э.
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.
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 C. Затем, зная чувствительность прибора, производят измерение разности потенциалов, и по формуле (5) определяют величину постоянного магнитного поля.
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 датчика.
Использование предлагаемого датчика позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении.
| Таблица 1 | ||||
| Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля | ||||
| Напряженность постоянного поля Н0, Э | Разность амплитудных значений напряжения напряженности переменного поля | ΔU, мВ при | ||
| Hm=10 Э | Нm=20 Э | Нm=30 Э | Нm=40 Э | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0.34 | 0.6 | 1.38 | 2.0 | 3.33 |
| 0.68 | 1.15 | 2.75 | 4.25 | 6.66 |
| 1.03 | 1.75 | 4.0 | 6.75 | 10.0 |
| 1.71 | 2.9 | 6.63 | 11.25 | 16.7 |
| 2.39 | 4.2 | 9.13 | 16.0 | 24.4 |
| 3.42 | 6.25 | 13.25 | 23.0 | 34.4 |
| 5.13 | 9.13 | 20.0 | 34.0 | 51.4 |
Claims (1)
- Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля, содержащий чувствительный элемент из магнитоэлектрического композита с нанесенными на него токопроводящими контактами, отличающийся тем, что чувствительный элемент расположен между катушками Гельмгольца, создающими переменное магнитное поле, причем, при помещении чувствительного элемента в постоянное магнитное поле, возникающая разность амплитудных значений двух соседних максимумов пропорциональна напряженности постоянного магнитного поля.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013109316/28A RU2526293C1 (ru) | 2013-03-01 | 2013-03-01 | Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013109316/28A RU2526293C1 (ru) | 2013-03-01 | 2013-03-01 | Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2526293C1 true RU2526293C1 (ru) | 2014-08-20 |
Family
ID=51384797
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013109316/28A RU2526293C1 (ru) | 2013-03-01 | 2013-03-01 | Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2526293C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU169461U1 (ru) * | 2016-11-21 | 2017-03-21 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Дифференциальный измеритель постоянного тока |
| RU2642497C1 (ru) * | 2016-10-19 | 2018-01-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" | Магнитоэлектрический преобразователь ток - напряжение с удвоением частоты |
| RU198261U1 (ru) * | 2019-12-17 | 2020-06-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Вмт Сенсорс" | Датчик электрического поля магнитоэлектрический |
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 (ru) * | 2003-06-16 | 2005-01-10 | Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого | Датчик постоянного магнитного поля |
-
2013
- 2013-03-01 RU RU2013109316/28A patent/RU2526293C1/ru 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 (ru) * | 2003-06-16 | 2005-01-10 | Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого | Датчик постоянного магнитного поля |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2642497C1 (ru) * | 2016-10-19 | 2018-01-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" | Магнитоэлектрический преобразователь ток - напряжение с удвоением частоты |
| RU169461U1 (ru) * | 2016-11-21 | 2017-03-21 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Дифференциальный измеритель постоянного тока |
| RU198261U1 (ru) * | 2019-12-17 | 2020-06-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Вмт Сенсорс" | Датчик электрического поля магнитоэлектрический |
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 | |
| Oh | Kim | |
| CN103575960B (zh) | 巨磁阻效应电流传感器 | |
| CN110927428B (zh) | 一种宽量程宽频高精度磁平衡式电流测量装置 | |
| Lu et al. | Zero-biased magnetoelectric composite Fe73. 5Cu1Nb3Si13. 5B9/Ni/Pb (Zr1− x, Tix) O3 for current sensing | |
| RU2526293C1 (ru) | Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля | |
| CN110389308A (zh) | 磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁力梯度探头 | |
| Babu et al. | An efficient readout scheme for simultaneous measurement from multiple wireless passive $ LC $ sensors | |
| Yu et al. | A slice-type magnetoelectric laminated current sensor | |
| CN111323737B (zh) | 一种阻抗敏感型磁传感器及其硬件检测电路 | |
| Yao et al. | Influence of magnetic fields on the mechanical loss of Terfenol-D/PbZr0. 52Ti0. 48O3/Terfenol-D laminated composites | |
| RU138798U1 (ru) | Разностный датчик магнитного поля | |
| Nibir et al. | Characterization of magnetoresistors for contactless current sensing in power electronic applications | |
| Benavides et al. | High sensitivity pressure transducer based on the phase characteristics of GMI magnetic sensors | |
| RU2522128C1 (ru) | Способ измерения постоянного магнитного поля | |
| 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 | |
| Petrov et al. | Magnetoelectric Current Sensor. | |
| Tavakkoli et al. | A CMOS hybrid magnetic field sensor for real-time speed monitoring | |
| RU136189U1 (ru) | Датчик переменного магнитного поля | |
| Cheng et al. | Open-loop linear differential current sensor based on dual-mode Hall effect | |
| Sundara-Rajan et al. | Fringing electric and magnetic field sensors | |
| Gao et al. | Hardware Implementation and Evaluation of Electromagnetic Flow Tomography System for Water-Continuous Flows | |
| McKinzie et al. | Systematic Errors in Alternating Current Hall Effect Measurements | |
| RU2464586C2 (ru) | Пассивный датчик переменного магнитного поля |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150302 |