RU2564383C1

RU2564383C1 - Variable magnetic field sensor

Info

Publication number: RU2564383C1
Application number: RU2014116175/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Резнев; Александр Николаевич Сауров; Владимир Викторович Амеличев; Владимир Сергеевич Суханов; Александр Валерьевич Сватков; Владимир Федорович Веселов
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-09-27

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: sensor includes a magnetosensitive sensor, the control conductor of which is connected with its ends to an external conductor so that a closed circuit is formed. The closed circuit formed with the control conductor and the external conductor connected to it is earthed on the middle of length of the external conductor. In the magnetosensitive sensor, the magnetosensitive element and the control conductor are separated with an insulating layer. The magnetosensitive sensor is arranged inside a cover from magnetically soft material with insulation by a dielectric layer from it. Inside the closed circuit there can be arranged a ferromagnetic concentrator with a multiturn coil wound on it, which is connected with its ends to the realigned capacitor.

EFFECT: providing stable measurement of a magnetic field at movement of the sensor itself in low-frequency and constant magnetic fields of the Earth, surrounding magnetised objects and electromagnetic instruments, improvement of interference immunity of the sensor, including against electrical pulse interference.

7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к датчикам и преобразователям физических величин, и может быть использовано в приборах контроля и измерения переменного магнитного поля.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to sensors and converters of physical quantities, and can be used in instruments for monitoring and measuring an alternating magnetic field.

Известна конструкция датчика, содержащего, по меньшей мере, один контур (петлю) из сверхпроводящего материала и расположенного рядом магниторезистивного элемента (Патент на изобретение США №8405390, G01R 33/05, G01R 33/02, опубл. 26.03.2013 г.). Устройство содержит также нагревательный элемент.A known design of the sensor, containing at least one circuit (loop) of a superconducting material and adjacent magnetoresistive element (US patent No. 8405390, G01R 33/05, G01R 33/02, publ. 03/26/2013). The device also contains a heating element.

Получению требуемого технического результата препятствует необходимость выполнения контура их сверхпроводящего материала и использование нагревательного элемента.Obtaining the desired technical result is hindered by the need to perform a circuit of their superconducting material and the use of a heating element.

Известно устройство для измерения магнитного поля по заявке США №20060226827, G01R 15/18, опубл. 12.10.2006 г. Указанное устройство является наиболее близким к заявляемому изобретению. С существенными признаками заявляемого изобретения совпадают следующие признаки: наличие, по меньшей мере, одного магниточувствительного датчика, управляющий проводник которого подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура, причем в магниточувствительном датчике магниточувствительный элемент и управляющий проводник разделены изоляционным слоем.A device for measuring a magnetic field is known according to the application of US No. 20060226827, G01R 15/18, publ. 10/12/2006, The specified device is the closest to the claimed invention. The following features coincide with the essential features of the claimed invention: the presence of at least one magnetosensitive sensor, the control conductor of which is connected at its ends to an external conductor with the formation of a closed loop, and in the magnetosensitive sensor, the magnetosensitive element and the control conductor are separated by an insulating layer.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограничение площади замкнутого контура, определяющего чувствительность устройства; пониженная помехозащищенность устройства к электрическим наводкам; ограниченные функциональные возможности по проведению измерений во время перемещения устройства, т.к. изменения индукции приводят к искажению принятого сигнала за счет мультипликативных преобразований в магниточувствительном датчике.Obtaining the required technical result is hindered by limiting the area of the closed loop, which determines the sensitivity of the device; reduced noise immunity of the device to electrical interference; limited functionality for taking measurements while moving the device, as changes in induction lead to distortion of the received signal due to multiplicative transformations in the magnetically sensitive sensor.

Задачей изобретения является создание магниторезистивного датчика измерения переменного магнитного поля.The objective of the invention is to provide a magnetoresistive sensor for measuring an alternating magnetic field.

Технический результат заключается в обеспечении:The technical result is to ensure:

- стабильности измерения переменного магнитного поля при перемещении самого датчика в постоянных и низкочастотных магнитных полях Земли, окружающих намагниченных предметов и электромагнитных источников;- the stability of the measurement of an alternating magnetic field when moving the sensor itself in the constant and low-frequency magnetic fields of the Earth, surrounding magnetized objects and electromagnetic sources;

- повышения помехозащищенности датчика от электрических помех (например, электропотенциалов высокого уровня);- increase the noise immunity of the sensor from electrical noise (for example, high-level electric potentials);

- повышения чувствительности датчика;- increase the sensitivity of the sensor;

- возможности перестройки по частоте принимаемого узкополосного переменного магнитного сигнала.- the possibility of tuning the frequency of the received narrowband alternating magnetic signal.

Для достижения вышеуказанного технического результата датчик переменного магнитного поля содержит, по меньшей мере, один магниточувствительный датчик, в котором магниточувствительный элемент отделен от управляющего проводника изоляционным слоем, а управляющий проводник подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура, который заземлен, магниточувствительный датчик размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем.To achieve the above technical result, the variable magnetic field sensor contains at least one magnetically sensitive sensor, in which the magnetically sensitive element is separated from the control conductor by an insulating layer, and the control conductor is connected at its ends to an external conductor with the formation of a closed loop that is grounded, the magnetosensitive sensor is placed inside the shell of soft magnetic material with insulation from it with a dielectric layer.

В частных случаях выполнения изобретения замкнутый контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика, соединенного своими концами с внешним проводником, заземлен в точке, расположенной на половине своей длины.In particular cases of the invention, a closed loop formed by the control conductor of a magnetically sensitive sensor connected at its ends to an external conductor is grounded at a point located half its length.

В частных случаях выполнения изобретения внешний проводник выполнен с сужением в местах подключения к управляющему проводнику магниточувствительного датчика.In particular cases of the invention, the outer conductor is made narrowing at the points of connection of the magnetically sensitive sensor to the control conductor.

В частных случаях выполнения изобретения толщина изоляционного слоя между управляющим проводником и магниточувствительным элементом более чем в два раза меньше, чем толщина диэлектрического слоя между управляющим проводником и оболочкой.In particular cases of the invention, the thickness of the insulating layer between the control conductor and the magnetically sensitive element is more than two times less than the thickness of the dielectric layer between the control conductor and the sheath.

В частных случаях выполнения изобретения внутри замкнутого контура размещен концентратор магнитного поля с размещенной на нем многовитковой катушкой, соединенной с переменным конденсатором.In particular cases of the invention, a magnetic field concentrator is placed inside a closed loop with a multi-turn coil placed on it, connected to a variable capacitor.

В частных случаях выполнения изобретения концентратор магнитного поля выполнен в виде ферритового стержня.In particular cases of the invention, the magnetic field concentrator is made in the form of a ferrite rod.

В частных случаях выполнения изобретения концентратор магнитного поля выполнен пленочным.In particular cases of the invention, the magnetic field concentrator is made of film.

В частных случаях выполнения изобретения концентратор магнитного поля выполнен с сужением, расположенным в месте размещения в замкнутом контуре.In particular cases of the invention, the magnetic field concentrator is made with a constriction located at a location in a closed loop.

От наиболее близкого аналога предлагаемое изобретение отличается следующими признаками: заземлением контура, образованного внешним и подключенным к нему управляющим проводником, и размещением магниточувствительного датчика внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим материалом.The present invention differs from the closest analogue by the following features: grounding of the circuit formed by the external and connected to it by the control conductor, and the placement of the magnetosensitive sensor inside the shell of magnetically soft material with insulation from it with a dielectric material.

Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.Between the totality of essential features and the achieved technical result, there is a causal relationship.

Электрическое «заземление» замкнутого контура закорачивает паразитные токи, возбуждаемые наведенными электрическими потенциалами, что исключает их протекание через участок замкнутого контура - проводник управления магниточувствительного датчика, и тем самым исключает регистрацию им помехового сигнала.The electrical “grounding” of the closed loop shorts the stray currents excited by the induced electric potentials, which excludes their flow through the closed loop section, the control conductor of the magnetically sensitive sensor, and thereby excludes the registration of an interference signal.

Размещение магниточувствительного датчика внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем экранирует датчик от регистрации непосредственно магниточувствительным элементом внешних постоянных и переменных полей. Регистрируется магнитное поле только от тока, протекающего через управляющий проводник. Для исключения гальванических замыканий в управляющем проводнике и магниточувствительном элементе проводящим материалом магнитномягкой оболочки, между ней и магниточувствительным датчиком расположены изоляционные слои из диэлектрического материала.Placing the magnetosensitive sensor inside the shell of magnetically soft material with insulation from it with a dielectric layer shields the sensor from registering directly the magnetically sensitive element of external constant and variable fields. The magnetic field is recorded only from the current flowing through the control conductor. To eliminate galvanic short circuits in the control conductor and the magnetically sensitive element by the conductive material of the soft magnetic shell, insulating layers of dielectric material are located between it and the magnetically sensitive sensor.

Электрическое «заземление» замкнутого контура, по существу, представляет собой гальваническую связь выбранного участка замкнутого контура с магнитной оболочкой магниточувствительного датчика и одним из его выводов, имеющих нулевой потенциал.The electrical "grounding" of the closed loop, in essence, is a galvanic connection of a selected portion of the closed loop with the magnetic shell of the magnetically sensitive sensor and one of its terminals having zero potential.

Размещение ферромагнитного концентратора внутри замкнутого контура приводит к увеличению (концентрации) переменного магнитного потока, проходящего через замкнутый контур. Поток еще больше концентрируется в сужении концентратора, что приводит к повышенному уровню возбуждения переменного тока в замкнутом контуре. Размещение на концентраторе многовитковой катушки, соединенной с переменным конденсатором (резонансного контура) позволяет настраиваться на частоту принимаемого сигнала переменного магнитного поля.Placing a ferromagnetic concentrator inside a closed loop results in an increase (concentration) of the alternating magnetic flux passing through the closed loop. The flow is even more concentrated in the narrowing of the hub, which leads to an increased level of excitation of alternating current in a closed loop. Placing a multi-turn coil connected to a variable capacitor (resonant circuit) on the hub allows you to tune to the frequency of the received signal of an alternating magnetic field.

Изобретение поясняется чертежом, гдеThe invention is illustrated in the drawing, where

на фиг. 1 представлена схема датчика переменного магнитного поля;in FIG. 1 is a diagram of a variable magnetic field sensor;

на фиг. 2 представлена схема (разрез) размещения магниточувствительного элемента с управляющим проводником внутри оболочки.in FIG. 2 shows a diagram (section) of the arrangement of a magnetically sensitive element with a control conductor inside the shell.

Датчик переменного магнитного поля содержит, по меньшей мере, один магниточувствительный датчик 1, управляющий проводник 2 которого подключен своими концами к внешнему проводнику 3 с образованием замкнутого контура 4. Замкнутый контур 4, образованный управляющим проводником 2 и подключенный к нему внешним проводником 3, имеет «заземление» в точке 5. В магниточувствительном датчике 1 (фиг. 2) магниточувствительный элемент 6 и управляющий проводник 2 разделены изолирующим слоем 7. Магниточувствительный датчик 1 размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала 8 с изоляцией от нее диэлектрическим слоем 9.The variable magnetic field sensor contains at least one magnetically sensitive sensor 1, the control conductor 2 of which is connected at its ends to the external conductor 3 to form a closed loop 4. The closed circuit 4 formed by the control conductor 2 and connected to it by an external conductor 3 has grounding "at point 5. In the magnetosensitive sensor 1 (Fig. 2), the magnetosensitive element 6 and the control conductor 2 are separated by an insulating layer 7. The magnetosensitive sensor 1 is placed inside the shell of magnesium soft material 8 with isolation from it by a dielectric layer 9.

Толщина изоляционного слоя 7 между управляющим проводником и магниточувствительным элементом более чем в два раза меньше, чем толщина диэлектрического слоя 9 между управляющим проводником и оболочкой.The thickness of the insulating layer 7 between the control conductor and the magnetically sensitive element is more than two times less than the thickness of the dielectric layer 9 between the control conductor and the sheath.

Замкнутый контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика 2, соединенным своими концами с внешним проводником 3, имеет «заземление» 5, представляющее собой гальваническое соединение с помощью, например, проводника, участка на внешнем проводнике 3, оболочки из магнитомягкого материала 8 и электрического вывода магниточувствительного элемента датчика 1, имеющего нулевой электрический потенциал.The closed loop formed by the control conductor of the magnetosensitive sensor 2, connected at its ends to the external conductor 3, has an “earth” 5, which is a galvanic connection using, for example, a conductor, a section on the external conductor 3, a sheath of soft magnetic material 8, and an electrical output of the magnetically sensitive element of the sensor 1 having zero electric potential.

Внутри замкнутого контура может быть размещен концентратор магнитного поля 10, который имеет сужение 11 в области пролегания внешнего проводника 3. На концентраторе 10 размещена многовитковая катушка 12, соединенная с переменным конденсатором 13.Inside the closed loop, a magnetic field concentrator 10 can be placed, which has a narrowing 11 in the region of the outer conductor 3. The multi-turn coil 12 is placed on the hub 10, connected to a variable capacitor 13.

Концентратор магнитного поля 10 может быть выполнен в виде ферритового стержня или пленочным.The magnetic field concentrator 10 may be made in the form of a ferrite rod or film.

Внешний проводник 3 может быть выполнен с сужением в местах подключения к управляющему проводнику 2 магниточувствительного датчика 1.The external conductor 3 can be made narrowing at the points of connection to the control conductor 2 of the magnetically sensitive sensor 1.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика 2, соединенным своими концами с внешним проводником 3, в указанном контуре возникает электрический кольцевой ток. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника - так возникает индукционный ток. Индукционный ток возбуждается в замкнутом контуре по правилу Ленца и всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Заземление при данных условиях не оказывает воздействия на работу датчика. При использовании в датчике концентратора сигнал от переменного магнитного поля концентрируется (усиливается), во-первых, в концентраторе магнитного поля 10 и, во-вторых, в его суженом участке 11. Посредством колебательного контура, состоящего из катушки 12 и перестраиваемого конденсатора 13, проводится резонансная настройка на частоту колебаний переменного магнитного сигнала. В результате, в данном колебательном контуре возбуждается переменный ток, который благодаря концентратору 10 трансформируется во внешний проводник 3 и управляющий проводник 2. Данный ток, благодаря соотношению витков катушки 12 и внешнего проводника 3, а также сужению 11, усиливается и регистрируется, благодаря возникающему вокруг управляющего проводника 2 магнитному полю. При этом указанное магнитное поле проходит без потерь через изолирующий слой 7.When the magnetic flux penetrating the circuit formed by the control conductor of the magnetosensitive sensor 2 connected at its ends to the external conductor 3 changes in time, an electric ring current arises in the circuit. An alternating magnetic field generates a vortex electric field. If a closed conductor is located in an alternating magnetic field, then the vortex electric field drives the charged particles of this conductor - this is how the induction current arises. The induction current is excited in a closed loop according to the Lenz rule and is always directed so that the magnetic field created by it prevents the magnetic flux causing the induction current from changing. Grounding under these conditions does not affect the operation of the sensor. When using a concentrator in the sensor, the signal from the alternating magnetic field is concentrated (amplified), firstly, in the magnetic field concentrator 10 and, secondly, in its narrowed section 11. By means of an oscillating circuit consisting of a coil 12 and a tunable capacitor 13, resonant tuning to the oscillation frequency of an alternating magnetic signal. As a result, an alternating current is excited in this oscillatory circuit, which, thanks to the hub 10, is transformed into an external conductor 3 and a control conductor 2. This current, due to the ratio of the turns of the coil 12 and the external conductor 3, as well as the narrowing 11, is amplified and registered, due to the arising around control conductor 2 to the magnetic field. Moreover, the specified magnetic field passes without loss through the insulating layer 7.

При воздействии на датчик переменных электрических полей в отсутствии переменных магнитных полей в контуре, образованном управляющим проводником магниточувствительного датчика 2, соединенным своими концами с внешним проводником 3, кольцевой ток отсутствует. В этом случае контур можно рассматривать как проводник, помещенный в переменное электрическое поле, в котором возникает электростатическая индукция, что вызывает перераспределение заряда на поверхности внешнего проводника 3. При этом наличие заземления, расположенного на половине длины внешнего проводника 3, приводит к тому, что электрические заряды движутся в сторону заземления по линиям внешнего контура 3 от места соединения управляющего проводника 2 с внешним контуром 3 к точке заземления 5, аналогично протеканию зарядов в молниеотводов. Таким образом, заземление предотвращает протекание токов через управляющий проводник 2 магниторезистивного датчика 1 и их регистрацию.When exposed to alternating electric fields in the sensor in the absence of alternating magnetic fields in the circuit formed by the control conductor of the magnetically sensitive sensor 2, connected at its ends to an external conductor 3, there is no ring current. In this case, the circuit can be considered as a conductor placed in an alternating electric field in which electrostatic induction occurs, which causes a redistribution of charge on the surface of the outer conductor 3. In this case, the presence of grounding located at half the length of the outer conductor 3 leads to the fact that electric charges move towards the ground along the lines of the external circuit 3 from the junction of the control conductor 2 with the external circuit 3 to the ground point 5, similar to the flow of charges into the lightning s. Thus, grounding prevents the flow of currents through the control conductor 2 of the magnetoresistive sensor 1 and their registration.

При воздействии на датчик одновременно переменного магнитного и переменного электрического полей через управляющий проводник 2 проходят индукционные токи, а токи, возникающие от электростатической индукции, не влияют на токи, протекающие в управляющем проводнике. Токи, возникающие в управляющем проводнике 2 регистрируются магниточувствительным элементом.When the sensor is exposed to both alternating magnetic and alternating electric fields, induction currents pass through the control conductor 2, and the currents arising from electrostatic induction do not affect the currents flowing in the control conductor. Currents arising in the control conductor 2 are recorded by a magnetically sensitive element.

Датчик может быть изготовлен путем использования планарной технологии на стандартном оборудовании.The sensor can be manufactured using planar technology on standard equipment.

Claims

1. Датчик переменного магнитного поля, содержащий, по меньшей мере, один магниточувствительный датчик, в котором магниточувствительный элемент отделен от управляющего проводника изоляционным слоем, а управляющий проводник подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура, отличающийся тем, что магниточувствительный датчик размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем, а замкнутый контур, образованный управляющим проводником магниточувствительного датчика, соединенным своими концами с внешним проводником, заземлен, причем заземление расположено на половине длины внешнего проводника.1. The variable magnetic field sensor containing at least one magnetically sensitive sensor, in which the magnetically sensitive element is separated from the control conductor by an insulating layer, and the control conductor is connected at its ends to an external conductor with the formation of a closed loop, characterized in that the magnetosensitive sensor is located inside shells of soft magnetic material with insulation from it with a dielectric layer, and a closed loop formed by the control conductor of the magnetically sensitive sensor ka, connected at its ends to an external conductor, is grounded, and the grounding is located at half the length of the external conductor.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что внешний проводник выполнен с сужением в местах подключения к управляющему проводнику магниточувствительного датчика.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the external conductor is made narrowing at the points of connection of the magnetosensitive sensor to the control conductor.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что толщина изоляционного слоя между управляющим проводником и магниточувствительным элементом более чем в два раза меньше, чем толщина диэлектрического слоя между управляющим проводником и оболочкой.3. The sensor according to claim 1, characterized in that the thickness of the insulating layer between the control conductor and the magnetically sensitive element is more than two times less than the thickness of the dielectric layer between the control conductor and the sheath.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что внутри замкнутого контура размещен концентратор магнитного поля с размещенной на нем многовитковой катушкой, соединенной с переменным конденсатором.4. The sensor according to claim 1, characterized in that a magnetic field concentrator with a multi-turn coil located on it connected to a variable capacitor is placed inside the closed loop.

5. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен в виде ферритового стержня.5. The sensor according to claim 4, characterized in that the magnetic field concentrator is made in the form of a ferrite rod.

6. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен пленочным.6. The sensor according to claim 4, characterized in that the magnetic field concentrator is made of film.

7. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен с сужением, расположенным в месте размещения в замкнутом контуре. 7. The sensor according to claim 4, characterized in that the magnetic field concentrator is made with a constriction located at a location in a closed loop.