кандидатская

/ =jbd

здесь магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла Vx:

Vx = Exb = RHj/d

Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Холла эффект относится к не­ чётным гальваномагнитным явлениям.

Более детальный анализ сенсоров магнитного поля, принцип действия которых основывается на эффекте Холла, выявил следующий ряд недостатков относительно области исследований:

-нелинейность, сложность в калибровке и настройке;

-относительно низкая чувствительность, дрейф чувствительности.

Таким образом, в качестве первичного преобразователя при дальнейших исследованиях выбор датчика, принцип действия которого основан на эффекте Холла нецелесообразен, и приводит к заранее предсказуемым существенным ошибкам измерений.

СКВИД (от начальных букв английских слов Superconducting Quantum Interference Device - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство); используется для измерений слабых магнитных полей (до 10 ~18 Тл), токов (до 10 "10 А) и напряжений (до 10"15 В) на основе эффекта Джозефсона и явления квантования магнитного потока.

В общем случае, сверхпроводимость - это явление резкого возрастания электропроводимости материала, при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю. Такая температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние (Тк ).

41

Явление сверхпроводимости найдено у более чем 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк= 23° К), а также у керамик (Т к > 77,4° К — высокотемпературные сверхпроводники). Сверхпроводимость материалов с Т к =23° К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки. Образуются единый сверхпроводящий конденсат, так как все пары электронов находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам.

СКВИД представляет собой планарную тонкопленочную структуру в виде кольца диаметром от сотен до десятков микрометров из сверхпроводящего материала, нанесенного на подложку из диэлектрика. Эти преобразователи магнитного потока в напряжение имеют уникальную чувствительность по магнитному потоку - 10" -10" Вб/Гц , работают в широком частотном диапазоне: от постоянных магнитных полей до полей, осциллирующих с частотой в сотни килогерц и имеют большой, (>120 дБ), динамический диапазон. Специальные схемы регистрации сигналов СКВИДа позволяют расширить частотный диапазон до десятков ГГц [65].

С помощью СКВИДа можно измерять слабые пространственные вариации магнитных полей. Высокая чувствительность позволяет регистрировать сигналы от малоразмерных дефектов, вплоть до микронных размеров и дает возможность проводить измерения на больших расстояниях датчика от тестируемого образца. Широкий динамический диапазон позволяет сквидам сохранять высокую чувствительность в присутствии относительно сильных постоянных или шумовых полей.

К недостатком магнитометров со СКВИДом можно отнести следующие положения:

42

- необходимость поддержания условий сверхпроводимости в объеме чувствительного элемента с помощью жидкого гелия или азота (4 К). Необходимо отметить, что современные СКВИД имеют область рабочих температур порядка 255 К, что значительно упрощает их техническую реализацию, но тем не менее находится далеко за границами температурного диапазона нормальных условий. Обозначенная специфика применения СКВИД значительно усложняет конструкцию магнитометров на их основе и делает нецелесообразно энергозатратным их последующую эксплуатацию, ремонт, и калибровочно-настроечные работы;

- сверхвысокая чувствительность датчиков обязывает к синтезу серьезной помехозащитной системе, что помимо существенного усложнения конструкции устройства неминуемо негативно отразится на показателях надежности оборудования и материальных затратах при проведении исследований;

нижний предел минимального прогнозируемого веса

СКВИД - магнитометра определяется как 10-11кг. Что в свою очередь не приемлемо, для решения тех задач, которые рассматриваются в рамках данной работы.

Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.

Рисунок - 1.4. Изменение направления намагниченности слоя пермаллоя

43

Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) (рисунок 1.4) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления[57].

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 3 нТл) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.

- долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Мостовые магниторезистивные датчики представляют собой сенсоры магнитного поля, работающие на магниторезистивном эффекте. Характеризуются высокой чувствительностью. Датчики этого типа можно использовать для измерения силы тока и напряжённости магнитного поля. Помимо этого они находят применение в счётчиках оборотов, датчиков приближения и системах позиционирования. Их внутренняя структура содержит сбалансированный магниторезистивный мост.

Таким образом, мостовые магниторезистивные датчики, являются разновидностью сборки магниторезистивных сенсоров, и могут удовлетворять требованиям задач, рассматриваемых в данной работе, при условии грамотного выбора конкретной модели, а также схемы его включения, и алгоритма работы.

44

Обобщая вышесказанное, систематизируем существующие современные подходы к контролю внешних магнитных полей, как показано на рисунке 1.5.

Основные методы и подходы к колпичественной оценке вектора магнитнойиндукции

Рисунок 1.5 - Методы наблюдения магнитного поля

Таким образом, рассмотрев основные известные подходы к оценке параметров магнитных полей различных амплитудно-частотных диапазонов, и произведя их критический анализ, сделаем заключение о целесообразности использования в дальнейших исследованиях метода, основанного на магниторезистивном эффекте.

1.5Постановка задач исследований

Визвестных работах (Г.Р. Броуна, В.Н. Бигни, В.Г. Гусева, В.А.Троицкой, А.Л. Бучаенко, Введенского В.Л. и др.) дается весьма объективное представление о природе возмущений магнитного поля Земли и классических методах их количественной оценки. С другой стороны существуют разрозненные данные о вреде, наносимом организму человека магнитными вариациями различной природы и различного амплитудночастотного диапазона (А.Л. Чижевский, В.Н. Бигни, В.И. Ожогин).

45

Но при всем имеющимся на сегодняшний день разнообразии специализированных информационно-измерительных систем, очевидным пробелом является отсутствие такой ИИС, которая позволила бы автоматизировано в реальном времени вести регистрацию параметров геомагнитных возмущений, в области низких и сверхнизких частот, вариации МП в рамках которых наиболее негативно сказываются на жизнедеятельность человека.

Анализируя первичные измерительные преобразователи магнитного поля, а так же руководствуясь результатами известных научных трудов Гусева В.Г., Мейзда, Г.В. Миловзорова и др., в рамках проводимых исследований выявлена наиболее перспективная морфология датчика МП, (как показано на рисунке 1.6) позволяющая преобразовывать вектор магнитной индукции ориентированный в трехмерном пространстве в пропорциональный электрический сигнал.

Рисунок. 1.6-Схема мостового магниточувствительного трехкомпонентного модуля, позволяющего оценивать вектор магнитной индукции, ориентированный в 3-мерном пространстве

46

Таким образом, ток в измерительной диагонали IG каждого из 3 мостов в общем случае будет вычисляться согласно выражению:

Rl, R2, R3, R4 — магниторезистры, Е- ЭДС, N-указатель на принадлежность к одной из трех ортогонально ориентированных осей координат.

Магнитометрические ИИС реализованные на базе рассмотренной выше схемы построения трехкомпонентных магниточувствительных модулей как правило имеют классическую структуру, представленную на рисунке 1.7.

Трехкомпонентный

магниторезистивный

датчик

Усилитель сигнала

Ж.

ФНЧ

АЦП

Система преобразования сигнала в измеряемую величину

Система индикации

Рисунок 1.7 - Классическая структура магнитометрических ИИС, на базе трехкомпонентных магниторезистивных модулей

47

Подобные структуры обеспечивают количественную оценку вектора магнитной индукции, в рабочем диапазоне с определенной точностью, но ни одна из известных магнитометрических ИИС не адаптирована для автоматизированного анализа и регистрации параметров ГМВ в субгармоническом спектре информационных сигналов.

Таким образом, обозначив объект измерения, рассмотрев известные подходы к оценке параметров МП, а так же проведя критический анализ классических магнитометрических ИИС регистрации параметров ГМВ, поставим и сформулируем одну из основных задач проводимых исследований.

Согласно актуальности проводимых исследований, необходимо разработать информационно-измерительную систему регистрации параметров геомагнитных возмущений, которая позволит в автоматизированном режиме вести регистрацию параметров геомагнитных возмущений в реальном времени, особенно в субгармонической области информационного сигнала. Магнитометрическая ИИС должна производить регистрацию параметров ГМВ в амплитудно-частотном диапазоне определяемом как:

(0<|В|<200 мкТл, 0<f<100 Гц).

Учитывая ступенчатый характер воздействия МП на организм человека [5], ИИС должна обеспечивать чувствительность не ниже 0.25 мкТл, откуда абсолютная погрешность задается как ДВ=±0.125 мкТл.

Кроме того, необходимо разработать соответствующее математическое, методическое и программно-алгоритмическое обеспечение для ИИС контроля параметров геомагнитных возмущений, включающее автоматизированную регистрацию и обработку информационных сигналов с применением методов цифровой фильтрации в субгармонической области, а так же выполнить комплекс экспериментальных исследований

48

информационно-измерительной системы регистрации параметров

геомагнитных возмущений и внедрить результаты работы.

49

Результаты и выводы

1. Выявлено, что геомагнитные возмущения естественного характера

•з

колеблются в диапазоне ДВ=(10 нТл -^2*10 нТл). Также подчеркнуто, что искусственно созданная в процессе жизнедеятельности человека техносфера Земли непосредственным и сильнейшим образом влияет на изменение состояния магнитного поля локальных участков планеты.

2.Анализ установленных научных фактов выявил непосредственное и косвенное влияние состояния магнитосферы Земли на ее биосферу, и в частности - на человека.

3.Обоснованна актуальность регистрации параметров геомагнитных возмущений, амплитудно-частотный диапазон которых определяется как:

(0<|В|<200 мкТл, 0<f<100 Гц).

4. Обзор и анализ известных работ и разработок в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей выявил, что при регистрации параметров ГМВ (в амплитудно-частотном диапазоне

5е[-200,200]л*к7л,/е[0,100]Л/) наиболее целесообразным является метод, основанный на магниторезистивном эффекте (разрешающая способность современных трехкомпонентных магниторезистивных датчиков составляет до 4 нТл, при амплитудном диапазоне измерений ±200 мкТл и чувствительности 1 В/ЮОмкТл).

5. Поставлены, обоснованны и сформулированы основные задачи проводимых исследований и намечены наиболее перспективные пути для их решения.

50