ecosnos.ru |
Главная Микромагнитоэлектроника: направление технологии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 Барабан Магнит насьпцения Магнит гашения вых -► а Рис. 2.110. Использование датчика Виганда с одной обмоткой: а - в качестве датчика угла вращения; б - вид выходного сигнала Для того чтобы исключить установку двух подвижных магнитов, магнит гашения (30 мТл) можно расположить очень близко к датчику (рис. 2.111 .а). При фиксированном магните гашения, в качестве подвижного магнита насьпцения должен использоваться более сильный магнит, чтобы компенсировать поле магнита гашения. В этом заключается достоинство датчика, который всегда видит поле любого магнита, и, следовательно, менее восприимчив к внешним полям. Барабан 1тчик Виганда Головка воспроизведения Рис. 2.111. Использование датчика Виганда с одной обмоткой и постоянным магнитом: а- в качестве датчика угла вращения; б - вид выходного сигнала Если требуется получить более одного импульса за один оборот, можно воспользоваться другой конструкцией. Проволоки Виганда равномерно распределяют вокруг барабана из цветного металла и ориентируют параллельно его оси. Проволоки получаются подвижными и отделенными от обмотки датчика, которая вместе с двумя магнитами располагается в головке воспроизведения. По сравнению с датчиком с вращаюпщмися магнитами в этом случае изменяются параметры проволоки и магнита. Вследствие меньшего диаметра проволоки угловое разрешение этого датчика угла враш;ения может быть значительно увеличено. Стержневые магниты и обмотка датчика между ними ориентированы параллельно проволокам. Магниты имеют противоположную полярность, и их индукция соответственно равняется ±60 мТл [71]. При некотором изменении конструкции датчика, он может быть использован в качестве двухнаправленного прибора. Необходимо только повернуть плоскость движения почти на 90° вокруг датчика в противоположную к нему плоскость. Затем датчик необходимо переместить на центральную линию, симметричную относительно плоскости полюсов. Напряженность статического поля будет равна нулю. Если стержень приблизится с одной стороны датчика, то он будет насьщаться полем соответствуюш;его знака, генерируя импульс такой же полярности. Если стержень приблизится с другой стороны датчика, то поле и полярность амплитуды изменятся, индицируя направление движения. При этом выходной сигнал примет вид, показанный на рис. 2.112, (подробнее см. [71, 72]). Магнит насыщения - 80 мТл Рабочий зазор -1 мм Диаметр барабана - 84 Рис. 2.112. Вид выходного сигнала двухнаправленного датчика Виганда Датчики вращательного движения можно легко модифицировать в датчики линейного движения. Рассматривая описанные варианты датчиков вращательного движения в интересующем нас аспекте получения датчика линейного движения, проще всего вставить проволоки между полосками пластиковой или алюминиевой фольги. Эти полоски крепятся к поверхностям с помощью клея, зажимных приспособлений или прессованием, соблюдая линии изгиба соответствующего радиуса. Подобные датчики используют совместно с одно- и двухнаправленными головками воспроизведения с разрешением 2 мм. Производство таких датчиков экономично. Вследствие остаточной намагниченности проволока Виганда остается в намагниченном состоянии до тех пор, пока поле возбуждения, достаточно сильное для того, чтобы преодолеть коэрцитивную силу проволоки, не переключит ее в противоположное состояние. Это свойство может быгь использовано для хранения информации так , как это происходит в хорошо известной памяти на магнитных сердечниках. Способность датчика к хранению информации остается стабильной до тех пор, пока она не будет уменьшена в результате воздействия сильных внешних полей. Так как хранение информации не требует какой-либо электрической энергии, ключи на основе эффекта Виганда очень удобны для ввода данных с циклическим опросом. Вследствие запоминания данных, скорость опроса может быгь значительно снижена. В случае отключения питания подключенной схемы опроса ни одно действие ключа не будет потеряно. Способность проволоки Виганда хранить данные очень успешно используется в считываемых идентификационных картах. Они состоят из двух рядов коротких кусков проволоки, представляюпщх О и 1 (максимальная ёмкость 56 бит), которые вставлены в пластиковые карты точно установленного размера. Перед тем, как карта поступит на устройство считьшания, все проволоки должны быгь насьпцены в одном и том же направлении магнитного насьпцения. Следовательно, информация станет полностью независимой от воздействия внешних полей, которые могут изменять магнитное состояние проволок перед считьшанием. Информация основана только на геометрической конфигурации проволок и поэтому не изменяется [71,72,73, 74]. В главе 16 тома 2 приводятся основные параметры некоторых типов датчиков Виганда. 2.11. Феррозондовые П]У1П Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняюпргхся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. На рис. 2.113 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов. Сердечник Сердечник н и в Рис. 2.113. Варианты конструкций феррозондов: а - одноэлементный стержневой; б - дифференциальный с разомкнутым сердечником; в - дифференциальный с замкнутым сердечником В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находяпрпсся на нем двух катушек: катушки возбуждения ((ff-), питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки (IPj). Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью. На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 кГц до 300 кГц. (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора). В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля (HJ, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле (Н^), то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющее ЭДС,. величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания. Феррозонды подразделяются на: стержневые одноэлементные (рис. 2.113.а), дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис. 2.113.6) и дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис. 2.113.в). Дифференциальный феррозонд (рис. 2.113.б,в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда. Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10 -Ю^ А/м (~10 -10 Тл). Подробнее см. [3, 64]. Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см, а для магнитометра Г74 трехкомпонентный феррозонд вписывается в куб со стороной 15 мм [64]. В качестве примера на рис. 2.114 приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда. Измерительная обмотка Обмотка возбужден Рис. 2.114. Конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений. Сердечник феррозонда изготовлен из пермаллоя. Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую нанесена измерительная обмотка. Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1,5x10) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования время-импульсного сигнала. Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет от ±50 А/м до ±100 А/м (от ±0,06 до ±0,126 мТл). Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет от 30 до 40 мкА/м (м х Гц -) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3-3,5 раза вьппе. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками [64]. Промышленные образцы феррорезонансных магнитных датчиков в качестве примера рассмотрим технические характеристики феррорезонансных магнитных датчиков APS533 и APS544, вьшускаемых фирмой Applied Physics Systems (США). Основные параметры датчиков приведены в табл. 2.16, а на рис. 2.115 и 2.116 показан их внешний вид. 38,2 макс APPLIED PHYSICS SYSTEMS ------------ Рис. 2.115. Внешний вид и габариты датчика APS533 APS533 0 25,4 Рис. 2.116. Внешний вид и габариты датчика APS544 APPLIED PHYSICS SYSTEMS F~6 2 116,8 макс
APS544 |