Диссертация (1098006), страница 9
Текст из файла (страница 9)
На МИ провод подается импульсный ток с характерным временемнарастания/спада порядка 5-20 нс. При этом характерные частоты возбуждениясоответствуют20-100 МГц.Сигнал снимается с катушки, то есть используетсянедиагональный МИ. Следует отметить, что импульсный сигнал возбуждения содержитнизкочастотные компоненты, которые генерируют постоянное круговое магнитное поле.Это важно для устранения доменной структуры. Потребление энергии в такой схеме52мало- не более 10 мW.
Схема позволяет получить разрешение для постоянного поля10нТ, а для переменного поля частоты выше 100 Гц- 100 пТ.Vdd+R1Qfeed-back coilpick-up coilC1QMI sampleswitch+R2QC2QEout–-Vdd+Рисунок 1.24. Импульсная схема возбуждения МИ сенсорного элемента.
Схемавключает C-MOS IC мультивибратор с инверторами (Q), дифференциальную схему (C1R1), аналоговый синхронный переключатель, выпрямитель(R2-C2), дифференциальныйусилитель и отрицательную обратную связь.Рисунок 1.25. Электронный компас для векторного (3D) измерения магнитногополя, использующий МИ провода.Импульсное возбуждение МИ датчиков, как правило, реализуется с помощьюлогического инвертора в интегральном исполнении [157-158] или микроконтроллера53[159-160].
Несмотря на простоту схемы, генерация импульсов описывается большимчислом входных параметров: пиковое значение тока возбуждения, частота повторенийимпульсов, длительность импульса, форма импульса (время нарастания и спада), и всеони влияют на характеристики датчика. Сложность исследования влияния всех этихфакторов затрудняет определение оптимальных параметров возбуждения.
Поэтомубольшое значение имеет разработка МИ сенсоров с использованием гармоническоговозбуждения [161-163].Field detectionresolutionРисунок 1.26. Схема одночастотного возбуждения с использованием векторногоанализатора цепей (верхний рисунок). На нижнем рисунке представлено разрешение пополю в данной схеме в зависимости от частоты для пленки состава CoNbZr толщиной4.4 микрона, шириной 30 микрон и длиной 5 мм.
Частота возбуждения – 370 МГц.Гармоническое возбуждение обоснованно используется с МИ пленочнымиэлементами, которые интегрируются в микрополозковую линию [138-139, 164-165].Сенсорная система по сути является анализатором цепей с определенной частотой, какпоказано на Рисунке 1.26. Выходной сигнал определяется рассогласованием импедансов54известной нагрузки и сенсорного элемента. Сигнал возбуждения создается портативнымгенератором на кристалле, отраженный сигнал отделяется от сигнала возбужденияпосредством направленного делителя.В данной схеме обычно используетсядиагональный МИ. Для сдвига рабочей точки в линейную область можно использоватьдополнительные слои из магнитожесткого материала [166-168].Учитывая электродинамическую природу МИ эффекта, сенсоры на его основеможно сравнить с магнитомодуляционными (МД). МД сенсоры подразделяются на 2категории: параллельные и ортогональные, что связано с взаимной ориентациейнаправлений полей возбуждения и детектирования [169-170].
В обоих случаях принципработы основан на периодическом намагничивании сердечника в противоположныхнаправлениях в возбуждающем поле. Регистрируемое поле нарушает периодичностьиндуцируемого напряжения, что приводит к возникновению четных гармоник (какправило, измеряется вторая гармоника). МИ сенсоры так же могут подразделяться на 2типа- диагональные и недиагональные, что определяется матрицей импеданса общеготипа в система с геликоидальной намагниченностью.При этом диагональный МИсоответствует ортогональности поля возбуждения и внешнего поля, а недиагональныйМИ – параллельности этих полей. Следует отметить, что оба типа МД сенсоров можнобыло бы рассматривать в рамках концепции матрицы поверхностного импеданса внелинейном режиме.Рисунок 1.27.
Конфигурация недиагонального МИ элемента, использующегоаморфную ленту и катушку. Возбуждающий высокочастотный ток протекает черезленту, а выходной сигнал снимается с катушки.55Отметим, что ортогональные МД сенсоры были предложены с целью упрощенияконструкции, так как в данном случае не требуется возбуждающая катушка.Диагональный МИ вообще не требует использования катушек, поэтому в этом случаекажется, что недиагональный МИ приводит к усложнениям сенсорной схемы (Рисунок1.27).Между тем, для практических применений недиагональный МИ имеет рядпреимуществ.
Прежде всего выходной сигнал может быть антисимметричнымотносительно внешнего поля, то есть возможно определение величины и направлениявнешнегополя[171-172].Высокочастотныйток,текущийпопроводникусгеликоидальной намагниченностью, индуцирует в нем как циркулярные, так ипродольные переменные намагниченности. Соответственно, переменная продольнаянамагниченность индуцирует напряжение в катушке, что и используется как выходнойсигнал.Внешнее магнитное поле, направленное вдоль оси МИ элемента, изменяетгеликоидальную намагниченность и соответственно, напряжение в катушке. Приизменении направления внешнего поля фаза напряжения в катушке по отношению квозбуждающему току сдвигается на rad, поэтому можно определить направлениевнешнего поля.
Кроме того, недиагональный импеданс позволяет увеличить выходнойсигналиувеличитьхарактеристикишумачувствительностьвыходного[173-175]. Это связаноснапряжения,тем,чтоначтоулучшаетданномэтапечувствительность МИ сенсора (и разрешение) ограничены шумовыми характеристикамиэлектронной схемы, которые оказываются значительно выше, чем внутренниемагнитные шумы МИ элемента [176]. Следовательно, разрешение МИ сенсоров можетбыть улучшено с помощью увеличения чувствительности выходного напряжения(конечно, до уровня, при котором шумы от различных источников становятсясравнимы).Чувствительностьнедиагональногосенсораможетбытьувеличенаприувеличении числа витков детектирующей катушки, а также частоты возбуждения.Однако, поскольку детектирующая схема составляет резонансный RLC контур, которыйимеет собственную резонансную частоту, оптимальное число витков диктуетсярезонансной частотой.
Возбуждение на резонансной частоте приводит к максимальномувыходному сигналу и максимальной чувствительности (Рисунок 1.28) . Следовательно,числовитковдетектирующейичастотасхемы.возбужденияВэтомдолжныотношении,отвечатьусловиюгармоническоерезонансавозбуждение56предпочтительней,таккакразличныепараметрымогутбытьтщательносбалансированы. Из рисунка также видно, что увеличение чувствительности приводит кснижению эквивалентных магнитных шумов.Рисунок 1.28. Измеренные характеристики чувствительности по напряжению,RMS шумовые характеристики в единицах напряжения и магнитного поля.Поскольку МИ эффект зависит от механического напряжения, температуры,можно его использовать для разработки соответствующих сенсоров[177-180].1.7 Применение МИ эффекта в ферромагнитных проводах дляуправления электромагнитными свойствами композитныхматериаловСовременное развитиемикроволновой технологии в таких областях какмобильная связь, телеметрия, неразрушающий контроль, и медицинская техникануждается в материалах с определенными электродинамическими характеристиками.Многие желаемые свойства, включая частотную селективность, управляемость,многофункциональность,сверхразрешение,затруднительноилиневозможнореализовать, используя традиционные материалы и подходы, но осуществимыискусственных диэлектриках и магнетиках.вСтруктурированные материалы могутхарактеризоваться эффективными параметрами, соответствующими усредненному на57больших масштабах отклику.
Манипулируя внутренней структурой, возможно созданиематериалов с аномальными значениями и пространственно-частотной дисперсиейдиэлектрической и магнитной проницаемостей. Например, в проволочных средахэффективнаядиэлектрическаяпроницаемость имеетрезонансную(короткиесегменты) [12,181-183] или плазмонную (непрерывные провода) [11,184-186] частотнуюдисперсиювГГцобласти,чтоопределяетсяструктурнымигеометрическимипараметрами (Рисунок 1.29).(a)(b)Рисунок 1.29 Иллюстрация структуры проволочных композитов: (a)- системаплазмонного типа с длинными проводами; (b)- система резонансного типа с короткимипроводами.В композитах с короткими проводами возможен антенный резонанс. В областирезонансных частот реальная часть уменьшается с ростом частоты и можетпринимать отрицательные значения, тогда как мнимая часть имеет локальныймаксимум.Такаядисперсионнаяхарактеристикаотвечаетрезонансномуилирелаксационному поведению системы в целом.
Это резко отличается от поведенияприродных диэлектриков, для которых осцилляции зарядов и резонансы становятсясущественны на оптических частотах.В композитах с непрерывными проводамиреальная часть имеет сильно отрицательные значения при частотах, меньшеплазмонной частоты. Аномальные частотные дисперсии обусловлены распределениемнаведенных токов в тонких проводах, ненулевой импеданс которых вносит затухание[187,188].В случае ферромагнитных проводов с МИ эффектом возможно изменениезатухания с помощью внешних факторов, влияющих на высокочастотный импеданс, какбыло впервые предложено в работах [189-190] и одновременно в наших работах. Приэтом оказывается, что эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от58магнитной структуры провода благодаря эффекту гигантского магнитного импеданса.Среды с магнитными проводами могут также обладать управляемой отрицательнойрефракцией и киральными свойствами.Исследования в области управляемых электромагнитных материалов, которыенужны для большого количества приложений, довольно обширны (см.
недавний обзор[191]).Прежде всего, рассматривается возможность использования различныхуправляемых электронных элементов [192-194].Более общий подход состоит виспользовании нелинейных элементов. Например, с помощью нелинейной переменнойемкости можно управлять посредством электрического поля резонансными частотами вструктурах, содержащих split-ring резонаторы [195-196] . В композитах с ферритовымиэлементами резонансная частота может быть изменена в присутствии магнитного поляза счет ферромагнитного резонанса [197-201].В обоих случаях существенныеизменения возможны в довольно сильных полях, что может быть существеннойпроблемой для технических приложений. Кроме сдвига резонансной частоты, можноуширять или ссужать диапазон частотной дисперсии, если управлять потерями всистеме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
