2. Фізичні основи, конструкції і область застосування магніторезистивних перетворювачів.
Для перетворення магнітної
індукції в електричний сигнал в
перетворювачах магнітоопору (синонімічна
назва - перетворювачі Гауса) використовується
ефект зміни електричного опору в
магнітному полі. Перші магнітоопори
виготовлялись з металів (в основному з
вісмуту) у вигляді об’ємної або плоскої
спіралі. Така форма дозволяла збільшити
значення опору перетворювача і спростити
будову вимірювальної апаратури. Через
малу чутливість до поля і квадратичну
залежність опору від магнітної індукції
вісмутові спіралі широкого використання
в приладобудуванні не отримали. Останнім
часом для виготовлення перетворювачів
магнітоопору використовуються, головним
чином, напівпровідникові матеріали
групи
- антимонід і арсенід індію (InSb,
InAs),
в яких внаслідок надзвичайно високих
значень рухомості носіїв заряду ефект
магнітоопору набагато сильніший, ніж
у металах.
Форма перетворювача магнітоопору суттєво впливає на його чутливість і вигляд градуювальної кривої.
В основному перетворювачі магнітоопору виготовляються двох типів: у вигляді дисків Корбіно і у вигляді прямокутників.
Перетворювачі магнітоопору у вигляді диску Корбіно мають форму плоского напівпровідникового диску з двома електродами, один з яких припаяний в центрі диску, а інший – вздовж його периметра (рис. 4.1, а). Переваги такої форми перетворювачів магнітоопору в тому, що при протіканні струму через диск в радіальному напрямі ефект Холла практично відсутній і ефект зміни опору в магнітному полі виявляється найсильніше.
Рисунок 4.1 - Перетворювачі магнітоопору
У
перетворювачів
магнітоопору,
які
виконані
у
вигляді
прямокутної
пластини
(рис.
4.1, б),
ефект
магнітоопору
виявляється
не
так
сильно,
як
у
дисків
Корбіно,
що
пояснюється
наявністю
ефекту
Холла.
Водночас
прямокутні перетворювачі володіють
досить вагомими перевагами у порівнянні
з дисками Корбіно. Залежність
для прямокутних перетворювачів носить
квадратичний характер тільки в полях
з магнітною індукцією до десятих долей
Тесла. В більш сильних полях залежність
наближається до лінійної, причому
відхилення від лінійності звичайно не
перевищує декількох відсотків. Остання
обставина має особливе значення при
побудові схем вимірювачів індукції
сильних полів.
Для введення виразу чутливості перетворювачів магнітоопору скористаємося аналітичною формулою їхньої градуювальної характеристики:
,
(4.1)
де
- значення опору при відсутності
магнітного поля;
-
постійна магнітоопору.
Диференціюючи (4.1) по , отримаємо формулу для чутливості перетворювача магнітоопору у вигляді диску Корбіно:
.
(4.2)
З отриманої залежності очевидно, що диференційна чутливість дисків Корбіно зростає пропорційно магнітній індукції .
Оскільки
у перетворювачів магнітоопору у вигляді
прямокутника залежність
має квадратичний характер тільки в
слабких і середніх полях і практично
лінійна в полях, починаючи від (0,3 - 0,4)
Тл, то диференційна чутливість прямокутних
перетворювачів магнітоопору описується
виразом (4.2) стосовно слабких і середніх
полів. В сильних магнітних полях:
,
(4.3)
де
- коефіцієнт форми, який залежить від
відношення довжини магнітоопору l
до ширини a.
Із зменшенням відношення
коефіцієнт форми збільшується, що
приводить до збільшення відносної зміни
магнітоопору
,
хоча чутливість перетворювачів
магнітоопору, яка розраховується за
формулою (4.3), залишається практично
незмінною внаслідок зменшення
.
Серійних приладів неруйнівного контролю з використанням перетворювачів Гауса практично немає, за винятком магнітних статичних товщиномірів. Внаслідок нелінійності градуювальних характеристик перетворювачів Гауса і недосконалості технічних рішень перших серійних давачів з літературних джерел відсутня інформація про їх застосування в дефектоскопії.
Широке застосування знайшли напівпровідникові магнітні перетворювачі у структуроскопах і товщиномірах, які призначені для контролю якісних параметрів магнітних матеріалів і їх покрить, Ще однією із областей практичного застосування магнітних перетворювачів є прилади для вимірювання градієнта магнітної індукції, які носять назву градієнтометрів. Перетворювачі Гауса приєднуються до мостових вимірювальних кіл.
3. Фізична суть резонансного методу і його застосування.
