Датчики и приборы для измерения характеристик магнитного поля

Для исследования полей низкой частоты большое распространение получили приборы и системы измерения, основанные на следующих принципах:

¾ эффект Виганда (? Для низкой частоты подходит?);

¾ применения магниторезистивные;

¾ индукционные;

¾ работающие на эффекте Холла;

Принцип действия приборов с датчиками «Виганда» [3], основан на так называемом эффекте Виганда, который заключается в спонтанном изменении магнитной поляризации ферромагнитной проволоки, имеющую специальный химический состав и физическую структуру, при ее помещении в магнитное поле, напряженность которого превышает некоторое пороговое значение.

Таким образом, изменение состояния проволоки можно регистрировать при помощи обмотки, намотанной вокруг проволоки или размещенной рядом с ней.

Датчик Виганда представляет собой двухполюсник, реагирующий на магнитные поля и вырабатывающий сигналы до нескольких вольт при условии, что напряженность управляющего магнитного поля превышает величину напряженности порога зажигания.

Датчики Виганда не требуют какого-либо источника питания, их выходной сигнал практически не зависит от частоты изменения поля, и их можно использовать в широком диапазоне рабочих температур (–196...+175°С).

Чувствительные элементы Виганда применяются в расходомерах, датчиках скорости, угла поворота и положения. Кроме того, одно из наиболее частых применений этого элемента — системы считывания идентификационных карт. Принцип действия такой системы основан на изменении напряженности поля вблизи датчика Виганда при внесении (прикладывании) в область датчика намагниченной карты.

Конструкция датчиков Виганда представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1¾ К описанию конструкции датчиков Виганда

Следующим типом датчиков магнитного поля являются магниторезистивные датчики [4], которые в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения омического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов.

Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

Влияние магнитного поля на магниторезистивные датчики показано на рисунке 1.2.

Рис.1.2 ¾ Влияние магнитного поля на магниторезистивные датчики

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках — ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино. Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется — под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

Датчики такого типа имеют следующие недостатки:

¾ низкая чувствительность;

¾ нелинейность;

¾ невозможность определить направление поля.

Также для исследования магнитного поля часто применяются индукционные датчики магнитного поля [5], которые относятся к генераторному типу датчиков. Конструкции и назначения таких датчиков различна. Они могут использоваться для определения параметров переменных и стационарных магнитных полей. Рассмотрим принцип работы датчика, работающего в постоянном магнитном поле.

Принцип работы индукционных датчиков базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.

Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.

По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.

Рис.1.3 ¾ Конструкция индукционных датчиков

Конструкция датчика показана на рисунке 1.3. Он состоит из проводника, в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенная на валу электродвигателя. Передача напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.

Недостатком этого датчика является невысокая точность измерений.

Также для измерения магнитного поля широко применяются датчики магнитного поля на эффекте Холла [2].

Датчики магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.

Суть эффекта показана на рисунке 1.4. Через полупроводниковую пластину протекает ток от внешнего источника.

Рис.1.4¾ К пояснению принципа работы датчика на эффекте Холла

Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока.

В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, то есть возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения ¾напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля.

Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или накладываются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.

Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.

К числу главных недостатков относятся:

¾ относительно сложная технология;

¾ большой разброс параметров;

¾ относительно не высокий КПД.