Глава 4. Многоэлементные и многоканальные преобразователи МП

Для создания систем магнитной диагностики и дефектоскопии используются многоканальные магнитоэлектронные устройства.

Основную группу многоканальных МЭУ составляют многоэлементные преобразователи магнитного поля,

которые различаются по принципам работы и размещения МЧЭ, по способам их соединения и обработки

сигнала.

Элементы строк

а - ширина элемента; b - длина элемента; с - межэлементный зазор; L - длина линейки.

Рис. 4.1. Варианты размещения магниточувствительных элементов: а-линейка; б-матрица Многоэлементные ПМП делятся на несколько групп по следующим основным признакам:

по характеру взаимного расположения магниточувствительных элементов:

- линейные (ЛПМП), в которых магниточувствительные элементы располагаются в один ряд (строку), при этом размеры МЧЭ и зазоры между ними могут быгь как одинаковыми, так и различными (рис. 4.1.а);

- матричные (МПМП), в которых МЧЭ располагаются по строкам и столбцам (рис. 4.1.6); по принципу преобразования магнитного поля в электрический сигнал:

- мгновенного действия;

- с частичным накоплением;

- с полным накоплением;

по физическому принципу действия и способу организации отдельньгх магниточувствительных ячеек:

- гальваномагнитные (элементы Холла);

- магниторезисторные;

- магнитодиодные;

- магнитотранзисторные; -другие;

по принципу коммутации электрического сигнала:

- с внешней коммутацией;

- с полной электрической развязкой отдельных МЧЭ друг от друга;

- с внутренними электрическими связями между элементами;

- с внутренней электронной коммутацией; по способу выборки информации:

- с параллельной выборкой (информация со всех элементов структуры снимается одновременно по параллельным каналам);

- с последовательной выборкой (информация снимается поочередно, в соответствии с номером элемента в структуре);

- со словарной выборкой (информация считьшается одновременно со всех элементов выбранной строки);

- с регистровой выборкой (информация считьшается со всех элементов выбранного столбца);

- с произвольной выборкой (выборка элементов в структуре может производитсься по любому, заранее заданному схемой управления закону).

Многоэлемептные магнитоэлектронные устройства мгновенного действия

К данной группе относятся многоэлементные магнитоэлектронные устройства (структуры) двух типов: с полной электрической развязкой отдельных элементов и с внутренними электрическими связями между МЧЭ.

Структуры первого типа формируются путем набора их из отдельных магниточувствительных элементов (иногда даже из готовых одноэлементных ПМП) или вьщелений отдельных МЧЭ на единой подложке методами фотолитографии или прецизионной резки. Между элементами существует полная электрическая развязка.

Каждый элемент имеет свой самостоятельный канал обработки сигнала с регулируемым коэффициентом усиления. В наборной матрице из готовых ПМП (такие матрицы иногда называют мозаиками ) не может быть обеспечена высокая плотность размещения МЧЭ. Однако при необходимости путем индивидуального отбора образцов достигается высокая равномерность параметров для всех элементов матрицы. Примечание.

Магниточувствительные элементы многоэлементных ПМП монтируются на подложке из немагнитного материала, иначе возникает магнитная связь между МЧЭ, что приводит к ухудшению геометрической разрешающей способности аппаратуры.

Для получения максимальной разрешающей способности геометрические размеры МЧЭ и зазоры между ними устанавливаются минимальными.

Общим недостатком структур такого типа является наличие большого числа вьшодов (2п - число элементов), занимающих большой объем, что накладьшает существенные ограничения на количество МЧЭ в структуре, а также длительное время подключения структуры к электронному тракту, особенно при измерении параметров. Реализация такого принципа построения многоэлементных магнитоэлектронных устройств для большого числа МЧЭ при малом шаге между элементами сопряжена со значительными технологическими и схемотехническими трудностями.

Указанными обстоятельствами объясняется то, что число МЧЭ (или каналов) в подобных структурах не превьппает нескольких десятков, а это, в сочетании с высокой стоимостью приборов, ограничивает область их применения.

+Un?

ь

в, в, в1 в I

Ь

Rb-n

ь

0У-№

Rh-n

Выход

К электронному коммутатору б)

Выход

N-ro

К электронному коммутатору а)

Рис. 4.2. Многоэлементные линейные структуры МЭУ: а-на основе магниторезисторов; б-на основе

элементов Холла

Более перспективными с точки зрения практического использования являются линейные и матричные структуры, магниточувствительные элементы в которых по электрическим цепям связаны между собой. Простейшими из этой группы являются устройства, у которых от каждого элемента имеется только по одному вьшоду, а вторые - объединены. Общее число вьшодов такой структуры равно п+1, где п - число элементов. Эта структура показана на рис. 4.2.

Наибольшее распространение получилиы матричные многоэлементные структуры с взаимно ортогональными контактными шинами. Примеры матричных многоэлементных структур с различными ПМП приведены на рис. 4.3.

К коммутатору столбцов

К коммутатору столбцов Y Y

К коммутатору столбцов Y У

Рис. 4.3. Примеры матричных МЭУ с различными ПМП: а - магниторезисторное; б - магнитодиодное;

в - магниторезистор-диодное.

2х (тхп) (т + п)

(4.1)

где тип - соответственно число строк и столбцов.

К недостаткам использования структур с внутренней электрической связью относятся утечки по токоведупщм шинам и по подложке, коммутационные переходные процессы и перекрестные связи.

Перекрестные связи, проявляющееся в наложении сигналов с неопрашиваемых элементов на сигнал с опрашиваемого элемента, приводят к искажению сигнала с опрашиваемого элемента, а иногда и к полной его потере. Это происходит потому, что, хотя источник питания подключается непосредственно к опрашиваемому элементу, через сопротивление нагрузки идет ток не только от опрашиваемого элемента, но и со всех остальных элементов, причем степень вклада в обпщй ток, проходяпщй через нагрузку, токов с неопрашиваемых элементов зависит от способа коммутации сигнала.

Магниточувствительные элементы, скомпонованные в многоэлементную матрицу с адресными шинами, могут коммутироваться внешним коммутатором различными способами. На рис. 4.4 приведена функциональная схема магнитоприемного устройства на основе магниторезисторной матрицы, на примере которой могут рассматриваться несколько способов внешней коммутации МЧЭ.

Рис. 4.4. Функциональная схема магнитоприемного устройства на основе матрицы

магниторезисторов

Эти устройства (рис. 2.3) позволяют сократить число впешпих коммутационных соединений за счет использования группового параллельного присоединения магниточувствительных элементов к взаимно перпендикулярным токоведущим шинам, где элементы столбцов присоединены к отдельным вертикальным шинам, а элементы строк - к горизонтальным.

Опрос элементов в таких приборах в заданной последовательности осуществляется электрическим способом с ПОМОПР.Ю вертикального и горизонтального коммутирующих устройств .

Наличие внутренних электрических связей между элементами (если их число в структуре, равном m х п) ,позволяет при последовательном опросе каждого элемента использовать внешние коммутаторы с числом каналов тип.

Вьшгрыш в количестве необходимых коммутируемых каналов по сравнению со структурой с полной электрической развязкой составляет: