Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ГИГАНТСКОГО МАГНИТНОГО ИМПЕДАНСА

Устройство для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса относится к области измерительной техники и может найти применение для измерения слабых магнитных полей, например, при обнаружении природных магнитных аномалий, разведки месторождений, а также в биомедицинских и технических приложениях.

Известно устройство для измерения слабых магнитных полей (Патент RU №2118834. Устройство для измерения слабых магнитных полей (варианты) / А.С. Антонов и др. - опубл. 10.09.1998), которое содержит магниточувствительный элемент (МЧЭ), выполненный в виде проводника из аморфного ферромагнитного микропровода (АФМ), катушку индуктивности, источник переменного тока и измеритель напряжения на концах катушки индуктивности. При этом проводник имеет магнитную анизотропию с легкой осью, направленной перпендикулярно к продольной оси провода (циркулярная анизотропия). Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля результирующий магнитный момент вблизи поверхности провода направлен циркулярно, то есть перпендикулярно к его продольной оси. Особенностью такого устройства являются, с одной стороны, жесткие требования к характеристикам используемого АФМ (т.е. наличие строгой циркулярной анизотропии и отсутствие структурных дефектов), а с другой - упрощенный вариант схемы регистрации полезного сигнала, который не позволяет учитывать, например, знак регистрируемого магнитного поля.

Также известно устройство для измерения компоненты индукции магнитного поля вдоль продольной оси микропровода (Патент ЕР №1343019. Magnetic field detection device / Sumi Kasumasa et al. - publ. data 10.09.2003.). В этом устройстве, содержащем МЧЭ, выполненный из АФМ в стеклянной оболочке, используют токовое возбуждение от импульсного генератора. При этом АФМ размещен внутри приемной многовитковой катушки, выход которой подключен к входу ключевого фазового детектора, управляемого импульсами от импульсного генератора возбуждения. Выход ключевого фазового детектора подключен к накопительному конденсатору и соединен с входом усилителя постоянного тока. Выход усилителя постоянного тока соединен с регистратором и через цепь отрицательной обратной связи связан с дополнительной катушкой, намотанной вокруг приемной катушки.

Недостатком последнего является сложность оптимизации параметров импульсов возбуждения генератора, необходимых для получения передаточной характеристики с максимальной линейностью и крутизной в процессе настройки. Это связано с тем, что постоянная и переменная составляющие возбуждающих импульсов взаимосвязаны. Также к недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести возможное прямое воздействие электромагнитных помех в широкой полосе частот на приемную катушку от внешних источников и порождение нежелательных переходных процессов в приемной катушке за счет импульсного характера возбуждения АФМ с относительно высокой скважностью следования импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению, т.е. прототипом, является магнитометр на эффекте гигантского магнитного импеданса (Патент RU №130409 U1 Магнитометр на эффекте гигантского магнитного импеданса / Гудошников С.А. и др., опубл. 20.07.2013), который содержит МЧЭ, выполненный из АФМ в стеклянной оболочке, источник постоянного тока смещения с ограничительным резистором, два разделительных конденсатора, генератор возбуждения, узкополосный усилитель, фазовращатель, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, цепь отрицательной обратной связи и регистратор. При этом АФМ размещен внутри приемной многовитковой катушки, источник постоянного тока смещения подключен к АФМ через ограничительный резистор. Генератор возбуждения представляет собой генератор синусоидального сигнала, первый выход которого через первый разделительный конденсатор соединен с АФМ, а второй выход через фазовращатель соединен со вторым входом фазового детектора, первый вход которого подключен к выходу узкополосного усилителя, вход которого через второй разделительный конденсатор соединен с выходом приемной многовитковой катушки. Выход фазового детектора через усилитель постоянного тока подключен к регистратору и через резистор отрицательной обратной связи к выходу приемной многовитковой катушки.

Недостаток прототипа заключается в том, что вследствие наличия геликоидальной магнитной структуры АФМ, передаточная центрально-симметричная характеристика магнитометра смещена относительно нулевого значения магнитного поля. Это приводит к появлению смещения выходного напряжения магнитометра и соответствующей систематической ошибки в показаниях значения магнитного поля.

Решаемая техническая задача заключается в минимизации смещения передаточной характеристики магниточувствительного элемента, увеличению крутизны преобразования его передаточной характеристики в два раза и увеличению помехозащищенности, что приводит к повышению точности измерений и уменьшению систематической ошибки выходного сигнала магнитометра в целом. Предлагаемый подход состоит в модернизации конструкции МЧЭ и условий его возбуждения, которые приводят к решению поставленной задачи.

Технически поставленная задача решается следующим образом.

Конструктивно в МЧЭ добавляют второй АФМ, идентичный первому (по составу и геометрическим размерам) и располагают его параллельно, рядом с первым АФМ внутри катушки. При этом возбуждающий токовый сигнал проходит через катушку, создающую возбуждающее переменное магнитное поле, а измерение полезного сигнала осуществляют с двух АФМ с помощью дифференциального усилителя.

В отличие от прототипа, в котором высокочастотный токовый сигнал проходит через АФМ, расположенный внутри приемной катушки, в предлагаемом устройстве высокочастотный токовый сигнал поступает в катушку, аналогичную по исполнению используемой в прототипе, но выполняющую роль возбуждающей, внутри которой располагаются два АФМ, выполняющих роль приемных элементов. За счет использования двух АФМ, соединенных последовательно и помещенных внутрь возбуждающей катушки, осуществляется удвоение полезного сигнала и компенсация несимметричности характеристики АФМ.

В предлагаемое устройство, содержащее МЧЭ, источник постоянного тока смещения, генератор возбуждения, второй выход которого соединен через фазовращатель с одним из входов детектора, а его выход через усилитель постоянного тока подключен к регистратору и цепи отрицательной обратной связи, дополнительно введены, разделительный конденсатор и ограничительный резистор. При этом, МЧЭ выполнен из двух идентичных АФМ в стеклянной оболочке или с удаленной стеклянной оболочкой, соединенных последовательно между собой и параллельно размещенных внутри многовитковой катушки возбуждения. Источник постоянного тока смещения через два (первый и дополнительный) ограничительных резистора подключен к двум последовательно соединенным АФМ, другой вход фазового детектора соединен с выходом дифференциального усилителя, имеющего два входа, которые через разделительные конденсаторы соединены с соответствующими концами двух АФМ. Выход усилителя постоянного тока через резистор цепи отрицательной обратной связи соединен с возбуждающей многовитковой катушкой.

Предлагаемое решение иллюстрируется следующим графическим материалом:

На рис. 1 представлена блок-схема устройства для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса;

На рис. 2 представлены графики зависимостей выходного сигнала устройства от приложенного внешнего магнитного поля для схемы с высокочастотным возбуждением от многовитковой катушки, при регистрации сигнала от АФМ 1 (кривая 1), при регистрации сигнала от АФМ 1* (кривая 2) и при регистрации сигнала от двух АФМ (предлагаемое решение, кривая 3).

На рис.1 два АФМ 1 и 1*, подсоединены через ограничительные резисторы R1 и R1* к источнику постоянного тока смещения 3. При этом оба АФМ 1 и 1* размещены внутри (на рис. 1 не показано) возбуждающей многовитковой катушки 4, соединенной через разделительный конденсатор С1 с генератором возбуждения 2. При этом оба АФМ 1 и 1* соединены также через разделительные конденсаторы С2 и С2* с соответствующими входами дифференциального усилителя 5, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 6, а второй вход фазового детектора 6 соединен с генератором возбуждения 2 через фазовращатель 7. Выход фазового детектора 6 соединен с входом усилителя постоянного тока 8, выход которого соединен через резистор цепи отрицательной обратной связи R2 с возбуждающей многовитковой катушкой 4, а также со входом регистратора 9.

Работает устройство следующим образом.

Находящиеся во внешнем магнитном поле АФМ 1 и 1*, через которые пропускается постоянный ток через резисторы R1 и R1* от источника постоянного тока смещения 3, возбуждаются от высокочастотного сигнала возбуждающей многовитковой катушки 4, по которой через конденсатор С1 протекает переменный ток от генератора возбуждения 2 с частотой ƒ.

Высокочастотные сигналы АФМ 1 и 1* частоты ƒ через конденсаторы С2 и С2* поступают на вход дифференциального усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на первый вход фазового детектора 6, а на второй вход фазового детектора 6 подводится опорное напряжение частоты ƒ от генератора возбуждения 2 через фазовращатель 7 для получения максимального коэффициента передачи. Выходное напряжение фазового детектора 6 усиливается усилителем постоянного тока 8. Это напряжение пропорционально величине компоненты внешнего магнитного поля, действующей на оба АФМ 1 и 1* вдоль их продольной оси. Выходное напряжение усилителя постоянного тока 8 поступает через резистор цепи отрицательной обратной связи R2 в возбуждающую многовитковую катушку 4 в виде тока обратной связи и на вход регистратора 9.

Частота ƒ генератора возбуждения 2 обычно выбирается в пределах от 1 до 20 МГц. Следует отметить, что с ростом частоты ƒ сигнал с двух АФМ 1 и 1* возрастает, однако применение более высоких частот возбуждения, по сравнению с указанными выше, может приводить к усложнению конструкции электронных узлов.

В изготовленном макете устройства для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса в качестве двух АФМ использовались два отрезка микропровода длиной 6 мм с ферромагнитной жилой диаметром 21,4 мкм состава Co₆₇Fe_3.85Ni_1.45B_11.5Si_14.5Mo_1.7 в стеклянной оболочке диаметром 26,4 мкм. Оба отрезка АФМ были помещены внутрь возбуждающей катушки диаметром 0,5 мм, внутренний диаметр которой составляет ~ 0,2 мм и содержащей 80 витков.

В режиме настройки устройства для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса обратную связь отключают (разрывают цепь между выходом фазового детектора и резистором R2), а в области расположения АФМ создают тестовое низкочастотное магнитное поле амплитудой ±12 Э, направленное вдоль оси АФМ. Тестовое низкочастотное поле создают с помощью внешней системы колец Гельмгольца. Возбуждение осуществляют через возбуждающую многовитковую катушку 4 синусоидальным током частотой 4 МГц и амплитудой порядка 2 мА. Выходной сигнал устройства для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса, изменяющийся под действием прикладываемого тестового низкочастотного магнитного поля, записывают с помощью регистратора. На рис. 2 приведены графики зависимостей выходного сигнала устройства от приложенного внешнего магнитного поля для схемы с возбуждением от многовитковой катушки, при регистрации сигнала от АФМ 1 (кривая 1), при регистрации сигнала от АФМ 1* (кривая 2) и при регистрации сигнала от двух АФМ (предлагаемое решение, кривая 3).

Как следует из представленных на рис.2 данных, использование предложенной схемы МЧЭ и его возбуждения приводит к значительному уменьшению смещения передаточной характеристики МЧЭ, удвоению крутизны преобразования передаточной характеристики, достижению ее линейности во внешнем магнитном поле в пределах ±H_s=±1 Э. На рис. 2 показано, что величина смещения ΔН, в предлагаемом решении (кривая 3) приближается к нулевому значению.

После окончания настройки устройства для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса, связанной с выбором оптимального постоянного тока смещения, восстанавливают обратную связь (связь между выходом фазового детектора 6 и резистором R2), а тестовое низкочастотное магнитное поле отключают. Включение обратной связи расширяет пределы измерений и дополнительно линеаризует передаточную характеристику устройства для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса, уменьшая тем самым погрешность измерений магнитного поля.

Таким образом, модернизация конструкции МЧЭ и условий его возбуждения позволяет минимизировать смещение передаточной характеристики МЧЭ, увеличить ее крутизну в два раза, снизить проникновение электромагнитных помех в тракт усиления сигнала за счет вычитания синфазной помехи, что приводит к уменьшению систематической ошибки выходного сигнала устройства и повышению в целом точности измерения слабых магнитных полей.

Литература.

1. Патент RU №2118834. Устройство для измерения слабых магнитных полей (варианты) / А.С.Антонов и др. - опубл. 10.09.1998.

2. Патент ЕР №1343019. Magnetic field detection device / Sumi Kasumasa et al. - publ. data 10.09.2003.

3. Патент RU №130409 Ul Магнитометр на эффекте гигантского магнитного импеданса / Гудошников С.А. и др., опубл. 20.07.201