RU94721U1 - MAGNETIC FIELD SENSOR - Google Patents

Abstract

Датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, выполненный из пьезоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и наружной поверхностях которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, и элемент возбуждения на наружной поверхности сердечника, выполненный с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний сердечника, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде пьезоэлектрического диска с центральным отверстием, а элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки, соединенного по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности и подключенного к источнику переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического диска. A magnetic field sensor containing a hollow cylindrical core made of piezoelectric material polarized along the radius, on the inner and outer surfaces of which electrodes are deposited for communication with a voltage recording device on these electrodes, and an excitation element on the outer surface of the core, made with the possibility of communication with the source current for excitation with a frequency corresponding to the resonance of the natural radial vibrations of the core, characterized in that the core is made in the form of a piezo an electric disk with a central hole, and the excitation element is made in the form of a split metal ring or a piece of wire unconnected by ends connected to a piezoelectric disk along its outer surface and connected to an AC source for excitation with a frequency corresponding to the resonance of the piezoelectric radial oscillations drive.

Description

Полезная модель относится к области твердотельной электроники и измерительной техники и может быть использовано при создании датчиков магнитного поля.The utility model relates to the field of solid-state electronics and measuring equipment and can be used to create magnetic field sensors.

Датчики магнитного поля, работающие по классическому индукционному способу регистрации переменного магнитного поля, используют эффекте магнитной индукции Фарадея. В соответствии с этим эффектом в замкнутом контуре проводника, расположенном в пространстве с переменным магнитным полем, будет наведена (индуцирована) электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС является в индукционном способе информационным сигналом, регистрирующим наличие в пространстве переменного магнитного поля. С учетом того, что магнитный поток через контур может быть существенно увеличен с помощью ферромагнитного сердечника с относительной магнитной проницаемостью µ>>1, а контур может включать не один, а «n» витков проводника, данное устройство является одним из самых чувствительных к переменному магнитному полю в достаточно широкой области радиочастот. Значение информационного сигнала в таком устройстве определяется скоростью изменения во времени напряженности магнитного поля, параметрами контура (S, n) и охватываемой им среды. Ограничением сверху для размеров индукционного контура и числа витков в нем, а следовательно, и для значения информационного сигнала являются собственная емкость и индуктивность контура, определяющие резонансную частоту контура.Magnetic field sensors operating according to the classical induction method of detecting an alternating magnetic field use the Faraday magnetic induction effect. In accordance with this effect, an electromotive force (EMF) will be induced (induced) in a closed conductor loop located in a space with a variable magnetic field. EMF is in the induction method an information signal that registers the presence of an alternating magnetic field in space. Given that the magnetic flux through the circuit can be significantly increased using a ferromagnetic core with a relative magnetic permeability μ >> 1, and the circuit can include not one but “n” turns of the conductor, this device is one of the most sensitive to variable magnetic field in a fairly wide range of radio frequencies. The value of the information signal in such a device is determined by the rate of change in time of the magnetic field strength, the parameters of the circuit (S, n) and the medium it covers. The upper limit for the dimensions of the induction circuit and the number of turns in it, and therefore for the value of the information signal, are the own capacitance and inductance of the circuit, which determine the resonant frequency of the circuit.

Характерная чувствительность классического индукционного способа зависит от частоты принимаемого магнитного поля и составляет по порядку величины 10^-11 Тл. Типичные частоты измеряемого магнитного поля лежат в диапазоне длинных и средних волн: 10⁵-5·10⁶ Гц.The characteristic sensitivity of the classical induction method depends on the frequency of the received magnetic field and is in order of magnitude 10 ^-11 T. Typical frequencies of the measured magnetic field lie in the range of long and medium waves: 10 ⁵ -5 · 10 ⁶ Hz.

Очевидный недостаток такого устройства - невозможность измерения параметров постоянного магнитного поля и магнитного поля в области низких частот в силу соответственно нулевого или малого значения dH_n/dt.An obvious drawback of such a device is the impossibility of measuring the parameters of a constant magnetic field and magnetic field in the low frequency region due to, respectively, zero or small values of dH _n / dt.

Известен виброзонд (SU №612194, опубл. 25.06.1978), содержащий обмотку (контур), выполненную из пьезокерамического материала, электроды, проводники. При подаче напряжения на электроды, расположенные на обмотке, которая изгибается и удлиняется в результате пьезоэффекта, площадь витков уменьшается и увеличивается в резонанс с напряжением. При постоянном магнитном поле, действующем вдоль оси обмотки, в электродах возникает ЭДС, пропорциональная индукции внешнего магнитного поля, и ее измеряют на клеммах проводников.Known vibration probe (SU No. 612194, publ. 06/25/1978) containing a winding (circuit) made of piezoceramic material, electrodes, conductors. When voltage is applied to the electrodes located on the winding, which bends and lengthens as a result of the piezoelectric effect, the area of the turns decreases and increases in resonance with the voltage. With a constant magnetic field acting along the axis of the winding, an EMF appears in the electrodes proportional to the induction of an external magnetic field, and it is measured at the terminals of the conductors.

Недостатками данного устройства является то, что обмотка выполнена в виде самонесущей конструкции, имеет консольное крепление, помимо удлинения осуществляет еще и колебательные движения, в связи с чем не может в силу массогабаритных и конструктивных принципов осуществлять достаточно высокочастотные колебания в режиме резонанса или вынужденные высокочастотные колебания без разрушения конструкции.The disadvantages of this device is that the winding is made in the form of a self-supporting structure, has a cantilever mount, in addition to lengthening, it also performs oscillatory movements, and therefore, due to its weight and design principles, it cannot carry out sufficiently high-frequency oscillations in resonance mode or forced high-frequency oscillations without structural failure.

Известен акустоустойчивый индукционный датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, на котором расположена многовитковая измерительная обмотка, при этом сердечник датчика выполняется в виде расположенных друг за другом ферритовых колец одинаковой формы из магнитомягкого материала, а ферритовые кольца выполняются попеременно из материала с положительным знаком магнитострикции и с отрицательным знаком магнитострикции (RU №1422859, G01R 33/02, опубл. 1996.12.10).A soundproof induction magnetic field sensor containing a hollow cylindrical core on which a multi-turn measuring coil is located is known, wherein the sensor core is made in the form of ferrite rings of the same shape arranged one after the other from soft magnetic material, and the ferrite rings are alternately made of a material with a positive magnetostriction sign and with a negative sign of magnetostriction (RU No. 1422859, G01R 33/02, publ. 1996.12.10).

Недостатком данного датчика является его слабая добротность и возможность измерения только слабых переменных магнитных полей.The disadvantage of this sensor is its weak quality factor and the ability to measure only weak alternating magnetic fields.

Известен датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, вокруг которого расположена многовитковая обмотка катушки возбуждения, сердечник датчика выполнен в виде цилиндра из пьезоактивного материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, а катушка возбуждения выполнена с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра сердечника (RU №83139, G01R 33/02, опубл. 20.05.2009).A known magnetic field sensor containing a hollow cylindrical core around which a multi-turn winding of the excitation coil is located, the core of the sensor is made in the form of a cylinder of piezoelectric material polarized along the radius, on the inner and outer surface of which electrodes are applied to communicate with the voltage registration device on these electrodes , and the excitation coil is configured to communicate with a current source for excitation with a frequency corresponding to the resonance of its own radial oscillations of the core cylinder (RU No. 83139, G01R 33/02, publ. 05.20.2009).

Недостаток данного датчика заключается в его габаритах, обусловленных наличием многовитковой обмотки катушки возбуждения. Современное развитие электронных технологий и построения приборов требует использования миниатюризированных компонентов или компонентов с небольшими габаритными показателями.The disadvantage of this sensor is its size, due to the presence of a multi-turn winding of the excitation coil. The modern development of electronic technology and the construction of devices requires the use of miniaturized components or components with small overall dimensions.

Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по изменению конструкции датчика магнитного поля путем исключения влияния многовитковой обмотки на габариты датчика.This useful model is aimed at solving the technical problem of changing the design of a magnetic field sensor by eliminating the influence of a multi-turn winding on the dimensions of the sensor.

Достигаемый при этом технический результат заключается в уменьшении габаритных показателей при сохранении механической добротности и надежности при регистрации магнитной индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот.The technical result achieved in this case is to reduce the overall performance while maintaining mechanical quality and reliability during registration of magnetic induction of constant and variable magnetic fields in a wide frequency range.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем полый цилиндрический сердечник, выполненный из пьзоактивното материала поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, и элемент возбуждения на наружной поверхности сердечника, выполненный с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний сердечника, сердечник выполнен в виде пьезоэлектрического диска с центральным отверстием, а элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки, соединенного по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности и подключенного к источнику переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического диска.The specified technical result is achieved by the fact that in a magnetic field sensor containing a hollow cylindrical core made of piezoactive material polarized along the radius, on the inner and outer surface of which electrodes are applied to communicate with a voltage recording device on these electrodes, and an excitation element on the outer surface core, configured to communicate with a current source for excitation with a frequency corresponding to the resonance of the natural radial oscillations of the core a, the core is made in the form of a piezoelectric disk with a central hole, and the excitation element is made in the form of a split metal ring or a piece of wire unconnected by the ends connected by a generatrix to the piezoelectric disk along its outer surface and connected to an alternating current source for excitation with a frequency corresponding to the resonance of the natural radial vibrations of the piezoelectric disk.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result.

На фиг.1 - датчик магнитного поля;Figure 1 - magnetic field sensor;

фиг.2 - приведена зависимость амплитуды генерируемого кольцом напряжения u от частоты/тока, протекающего через электрод;figure 2 - shows the dependence of the amplitude of the voltage generated by the ring u from the frequency / current flowing through the electrode;

фиг.3 - показаны зависимости напряжения u, на резонансной частоте от поля Нfigure 3 - shows the dependence of the voltage u, at the resonant frequency from the field H

при разных токах I_O через электрод кольца;at different currents I _O through the ring electrode;

фиг.4 - приведена зависимость амплитуды напряжения u, генерируемого структурой на резонансной частоте, от силы тока через электрод;figure 4 - shows the dependence of the amplitude of the voltage u generated by the structure at the resonant frequency, on the strength of the current through the electrode;

фиг.5 - приведена зависимость сигнала генерируемого напряжения от угла ориентации поля относительно плоскости структуры датчика.5 - shows the dependence of the generated voltage signal on the field orientation angle relative to the plane of the sensor structure.

Устройство датчика приведено на фиг 1. Он содержит сердечник в виде диска 1 с центральным отверстием, выполненного из пьзоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены металлические электроды 2 и 3 соответственно для связи с устройством регистрации напряжения 4 на указанных электродах. Элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки 5, расположенного вокруг сердечника. Кольцо соединено по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности. Его контакты связаны с источником 6 переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра сердечника.The sensor device is shown in Fig 1. It contains a core in the form of a disk 1 with a central hole made of piezoactive material polarized along the radius, on the inner and outer surfaces of which are applied metal electrodes 2 and 3, respectively, for communication with the voltage registration device 4 on these electrodes. The excitation element is made in the form of a split metal ring or an unconnected ends of a piece of wire 5 located around the core. The ring is connected along a generatrix with a piezoelectric disk on its outer surface. Its contacts are connected to an alternating current source 6 for excitation with a frequency corresponding to the resonance of natural radial vibrations of the core cylinder.

Таким образом, в данной заявке предлагается датчик постоянного магнитного поля в виде пьезоэлектрического кольца с металлическими электродами, принцип действия которого также основан на комбинации силы Ампера и пьезоэффекта. Датчик отличается простотой конструкции и за счет использования акустического резонанса кольца имеет на два порядка более высокую чувствительность, чем датчик на основе диска. Для описанной конструкции чувствительность составляла -32 мВ/Тл при амплитуде переменного тока 1 А.Thus, in this application, a constant magnetic field sensor in the form of a piezoelectric ring with metal electrodes is proposed, the principle of which is also based on a combination of Ampere force and piezoelectric effect. The sensor is simple in design and, due to the use of acoustic resonance, the ring has two orders of magnitude higher sensitivity than a disk-based sensor. For the described construction, the sensitivity was -32 mV / T with an alternating current amplitude of 1 A.

Датчик работает следующим образом. На катушку возбуждения 3 подается напряжение U_возб с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра 1. При этом в электродах 2 будут наводиться токи магнитной индукции, если датчик поместить в аксиальное магнитное поле Н, то на электроды будет действовать переменная сила Фарадея с частотой резонанса. В результате в цилиндре возникнут механические колебания на собственном резонансе, а на электродах появится переменный ток U_вых пропорциональный как постоянному магнитному полю, так и величине тока в катушке возбуждения. Отсюда следует, что датчик может регистрировать как постоянное магнитное поле, так и переменное на частоте резонанса. Работа датчика на частоте резонанса пьезоактивного кольца обусловлена значительным усилением эффекта, определяемой механической добротностью.The sensor operates as follows. A voltage U _exc with a frequency corresponding to the resonance of the natural radial vibrations of cylinder 1 is supplied to the excitation coil 3. In this case, magnetic currents will be induced in the electrodes 2, if the sensor is placed in an axial magnetic field H, then an alternating Faraday force with a resonance frequency will act on the electrodes . As a result, mechanical oscillations will occur in the cylinder at their own resonance, and alternating current U _o proportional to both the constant magnetic field and the magnitude of the current in the excitation coil will appear on the electrodes. It follows that the sensor can detect both a constant magnetic field and a variable at the resonance frequency. The operation of the sensor at the resonance frequency of the piezoelectric ring is due to a significant increase in the effect, determined by the mechanical quality factor.

Ниже предлагаются на примере конкретного исполнения датчика результаты исследований датчика с таким миниатюризированным построением. Кольцо из пьезоэлектрика со средним радиусом г, шириной b и толщиной a поляризовано в радиальном направлении. На внутреннюю и внешнюю поверхности кольца нанесены проводящие электроды толщиной S. Один из электродов разрезан и по нему пропускается переменный ток I(f)=I_ocos(2πt) с амплитудой I_o и частотой f. Постоянное поле Н приложено перпендикулярно к плоскости структуры. Генерируемое переменное напряжение u(f)=ucos(2πt) снимается с электродов кольца.Below are presented on the example of a specific implementation of the sensor the results of studies of the sensor with such a miniaturized construction. A piezoelectric ring with an average radius r, width b and thickness a is polarized in the radial direction. Conducting electrodes of thickness S are deposited on the inner and outer surfaces of the ring. One of the electrodes is cut and an alternating current I (f) = I _o cos (2πt) with amplitude I _o and frequency f is passed through it. A constant field H is applied perpendicular to the plane of the structure. The generated alternating voltage u (f) = ucos (2πt) is removed from the ring electrodes.

Найдем амплитуду генерируемого структурой напряжения. На каждый участок электрода с током I со стороны поля Н в радиальном направлении действует сила Ампера. Эта сила передается кольцу и создает в нем касательные растягивающие или сжимающие напряженияFind the amplitude of the voltage generated by the structure. Ampere force acts on each section of the electrode with current I from the field H in the radial direction. This force is transmitted to the ring and creates tangential tensile or compressive stresses in it.

В пьезоэлектрическом кольце электрическая индукция D и деформация S связаны с механическим напряжением Т и электрическим полем Е соотношениями:In a piezoelectric ring, the electric induction D and the deformation S are related to the mechanical stress T and the electric field E by the relations:

В формулах (1) и (2) обозначено: µ_o и е₀ - магнитная и электрическая постоянные, d₃₁ и s₁₁ - пьезомодуль и коэффициент податливости пьезоэлектрика, индексы «1» и «3» отвечают касательным и радиальным компонентам величин.In formulas (1) and (2) it is indicated: μ _o and e ₀ are the magnetic and electric constants, d ₃₁ and s ₁₁ are the piezoelectric module and the coefficient of compliance of the piezoelectric, indices “1” and “3” correspond to the tangent and radial components of the quantities.

Для случая разомкнутой цепи (D₃=0) из уравнения (2а) находим связь напряженности поля в пьезоэлектрике с механическим напряжением Е₃=-d₃₁T₁/(εε₀). Окончательно, используя соотношение (1), получаем формулу для напряженияFor the case of an open circuit (D ₃ = 0), from equation (2a) we find the relationship between the field strength in the piezoelectric and the mechanical stress E ₃ = -d ₃₁ T ₁ / (εε ₀ ). Finally, using relation (1), we obtain the formula for the voltage

Из (3) видно что величина u зависит от электрических параметров материала пьеюэлектрика, радиуса и ширины кольца, линейно растет с увеличением тока I_o и напряженности поля Н, однако не зависит от частоты тока f.From (3) it can be seen that the quantity u depends on the electrical parameters of the material of the dielectric, the radius and width of the ring, increases linearly with increasing current I _o and field strength H, but does not depend on the frequency of the current f.

При совпадении частоты f тока с частотой радиальных механических колебаний кольца f_r=I/2πr√(Y/γ) (Y и γ - модуль Юнга и плотность пьезоэлектрика, соответственно), величина деформаций в кольце резонансно увеличивается и амплитуда напряжения возрастет в Q (добротность) раз.When the frequency f of the current coincides with the frequency of radial mechanical vibrations of the ring f _r = I / 2πr√ (Y / γ) (Y and γ are Young's modulus and density of the piezoelectric, respectively), the strain in the ring resonantly increases and the voltage amplitude increases in Q ( quality factor) times.

В экспериментах использовали кольцо из цирконата титаната свинца состава Рb_{0, 48} Zr_0,52TiO₃ (PZT) со следующими параметрами: r=8,5 мм, b=4 мм, a=1 мм, ε=1750, d₃₁-175×10^-12 C/N. Толщина электродов из серебра, нанесенных метолом вжиганил на поверхности PZT, составляли δ~2 µm. Кольцо поляризовали в радиальном направлении, нагревая до 100°С и подавая на электроды напряжение 1 kV. Сопротивление разрезанного электрода равнялось 0,1Ω, а емкость структуры составляла 20 pF. Кольцо помещали между полюсами электромагнита в однородное поле напряженностью до 14 кОе. На электрод через ферритовый трансформатор подавали напряжение от внешнего генератора с частотой f=1-200 kHz, что приводило к возбуждению в нем тока силой до 1,5 А. Генерируемое структурой напряжение измеряли с помощью цифрового осциллографа.In the experiments, a lead titanate zirconate ring of the composition Pb _{0, 48} Zr _0.52 TiO ₃ (PZT) with the following parameters was used: r = 8.5 mm, b = 4 mm, a = 1 mm, ε = 1750, d ₃₁ - 175 × 10 ^-12 C / N. The thickness of silver electrodes deposited by fired metol on the PZT surface was δ ~ 2 μm. The ring was radially polarized, heating to 100 ° C and applying a voltage of 1 kV to the electrodes. The resistance of the cut electrode was 0.1 Ω, and the capacitance of the structure was 20 pF. The ring was placed between the poles of an electromagnet in a uniform field with a strength of up to 14 kOe. The voltage from an external generator with a frequency of f = 1-200 kHz was applied to the electrode through a ferrite transformer, which led to the excitation of a current of up to 1.5 A in it. The voltage generated by the structure was measured using a digital oscilloscope.

На фиг.2 приведена измеренная зависимость амплитуды генерируемого кольцом напряжения u от частоты/тока, протекающего через электрод, при I₀=0,3 А и поле Н=1кОе. На частоте f_r=60,34 kHz виден резонанс с амплитудой в максимуме u_r=0,73 V и добротностью Q=118, соответствующей возбуждению в кольце низшей моды радиальных акустических колебаний. Оценка частоты резонанса по приведенной выше формуле дает значение ~61,05 kHz, хорошо совпадающее с измеренным. Амплитуда напряжения наводки, не зависящей от поля Н, в области частот f>20 kHz оставалась постоянной и не превышала u_n~14 mV.Figure 2 shows the measured dependence of the amplitude of the voltage u generated by the ring on the frequency / current flowing through the electrode at I ₀ = 0.3 A and field H = 1 kOe. At a frequency f _r = 60.34 kHz, a resonance is seen with an amplitude at a maximum of u _r = 0.73 V and a Q factor of 118 = corresponding to excitation in the ring of the lowest mode of radial acoustic vibrations. Estimation of the resonance frequency using the above formula gives a value of ~ 61.05 kHz, which is in good agreement with the measured value. The amplitude of the pickup voltage, independent of the field H, in the frequency range f> 20 kHz remained constant and did not exceed u _n ~ 14 mV.

На фиг.3 показаны зависимости напряжения u_r на резонансной частоте от поля HFigure 3 shows the dependence of the voltage u _r at the resonant frequency on the field H

при разных токах I_О через электрод кольца. Зависимости имели линейный вид с точностью лучше 2%. С увеличением I_О от 0,1 А до 1,5 А измеренная чувствительность датчика к постоянному полю возрастала от 0,2 V/T до 2 V/T. Оценка чувствительности датчика по формуле (3) с использованием параметров PZT кольца и измеренной добротности структуры дает значение 1,8 V/(TA), хорошо согласующееся с данными измерений. Видно, что использование акустического резонанса позволило в ~10² повысить чувствительность датчика по сравнению с известными датчиками.at different currents I _O through the ring electrode. The dependencies were linear with an accuracy of better than 2%. With an increase in I _O from 0.1 A to 1.5 A, the measured sensitivity of the sensor to a constant field increased from 0.2 V / T to 2 V / T. Assessing the sensitivity of the sensor by formula (3) using the parameters of the PZT ring and the measured Q factor of the structure gives a value of 1.8 V / (TA), which is in good agreement with the measurement data. It is seen that the use of acoustic resonance made it possible to increase the sensitivity of the sensor by ~ 10 ² in comparison with the known sensors.

На фиг.4 приведена зависимость амплитуды напряжения u_r генерируемого структурой на резонансной частоте, от силы тока через электрод при поле Н=5 кОе. Зависимость имеет примерно линейный вид, в соответствии с формулой (3). Отклонение от линейности в области больших токов обусловлено насыщением используемого ферритового трансформатора. Штриховая линия на фиг.4 демонстрирует линейный рост сигнала наводки (увеличена в 10 раз) от нуля до ~30 mV при увеличении тока через электрод от нуля до ~1,5 А.Figure 4 shows the dependence of the amplitude of the voltage u _r generated by the structure at the resonant frequency, on the strength of the current through the electrode at a field of H = 5 kOe. The dependence has an approximately linear form, in accordance with formula (3). The deviation from linearity in high currents is due to the saturation of the used ferrite transformer. The dashed line in Fig. 4 shows a linear increase in the pick-up signal (increased 10 times) from zero to ~ 30 mV with increasing current through the electrode from zero to ~ 1.5 A.

На фиг.5 приведена зависимость сигнала генерируемого напряжения от угла ориентации поля относительно плоскости структуры при Н=1 кОе и I=0,3 А. Как видно, амплитуда генерируемого датчиком напряжения пропорциональна нормальной к плоскости кольца составляющей поля u~Нcosβ, кроме того, напряжение изменяло фазу на π при инверсии направления поля, что позволяет применить датчик для векторных измерений. Незначительное различие величин симметричных максимумов и минимумов кривой может быть связано с влиянием неоднородности поля Н при вращении кольца.Figure 5 shows the dependence of the generated voltage signal on the field orientation angle with respect to the structure plane at H = 1 kOe and I = 0.3 A. As can be seen, the amplitude of the voltage generated by the sensor is proportional to the field component u ~ Нcosβ normal to the ring plane, in addition, the voltage changed the phase by π upon inversion of the field direction, which allows the sensor to be used for vector measurements. An insignificant difference in the values of the symmetric maxima and minima of the curve may be due to the influence of the inhomogeneity of the field H during rotation of the ring.

Таким образом, в заявке предложен датчик постоянного магнитного поля на основе комбинации силы Ампера и пьезоэффекта в пьезоэлектрическом кольце с током. Датчик обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала от поля в диапазоне до 14 кЭ. Амплитуду сигнала датчика легко контролировать в широких пределах, изменяя силу тока. За счет использования акустического резонанса кольца достигнута чувствительность ~2 V/T при силе тока 1 А, что в ~102 раз выше, чем в известных аналогичных конструкциях.Thus, the application proposed a constant magnetic field sensor based on a combination of Ampere force and the piezoelectric effect in a piezoelectric ring with current. The sensor provides a linear dependence of the output signal on the field in the range up to 14 kOe. The amplitude of the sensor signal is easily controlled over a wide range by changing the current strength. Due to the use of acoustic resonance of the ring, a sensitivity of ~ 2 V / T is achieved at a current strength of 1 A, which is ~ 102 times higher than in known similar constructions.

Настоящая полезная модель промышленно применима, изготовлена с использованием известных технологий, а испытания показали достаточно высокую механическую добротность и высокую чувствительность при использовании датчика магнитного поля в динамических условиях работы.This utility model is industrially applicable, manufactured using well-known technologies, and tests have shown a sufficiently high mechanical figure of merit and high sensitivity when using a magnetic field sensor in dynamic operating conditions.

Claims (1)

Датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, выполненный из пьезоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и наружной поверхностях которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, и элемент возбуждения на наружной поверхности сердечника, выполненный с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний сердечника, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде пьезоэлектрического диска с центральным отверстием, а элемент возбуждения выполнен в виде разрезного металлического кольца или несвязанной концами между собой отрезка проволоки, соединенного по образующей с пьезоэлектрическим диском по наружной его поверхности и подключенного к источнику переменного тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний пьезоэлектрического диска.

A magnetic field sensor containing a hollow cylindrical core made of piezoelectric material polarized along the radius, on the inner and outer surfaces of which electrodes are deposited for communication with a voltage recording device on these electrodes, and an excitation element on the outer surface of the core, made with the possibility of communication with the source current for excitation with a frequency corresponding to the resonance of the natural radial vibrations of the core, characterized in that the core is made in the form of a piezo an electric disk with a central hole, and the excitation element is made in the form of a split metal ring or a piece of wire unconnected by ends connected to a piezoelectric disk along its outer surface and connected to an AC source for excitation with a frequency corresponding to the resonance of the piezoelectric radial oscillations drive.