. Гальваномагнітні перетворювачі

Гальваномагнітні ефекти спостерігаються при розміщенні провідника або напівпровідника із струмом у магнітному полі і полягають в зміні їх електричного стану або властивостей. До них, зокрема, відносять ефект утворення е.р.с. (ефект Холла) і ефект зміни електричного опору (ефект Гаусса). Перетворювачі, побудо­вані на ефекті Холла, звичайно називають генераторами Холла або магнітогенераторами, а перетворювачі, побудовані на другому ефекті,— магніторезисторами.

Ці ефекти можуть спостерігатися в будь-якому провіднику чи напівпровіднику, проте найкраще вони виявляються в матері­алах з чисто електронною або дірковою провідністю (германій, кремній, вісмут, арсенід індію, антимонід індію), з яких і виготов­ляють гальваномагнітні перетворювачі. Гальваномагнітні ефекти відчутніші в матеріалах з високою рухомістю носіїв струму й низь­кою їх концентрацією.

Якщо тонку прямокутну пластинку розмістити в магнітному полі і до вузьких бічних граней підвести струм, то на широких — утворюється е.р.с. і її опір зростає.

Утворення зазначених ефектів пояснюється дією сил Лоренца на рухомі носії струму в магнітному полі. Під дією цих сил траєк­торія руху носіїв струму змінюється, електрони зміщуються до бічних граней, внаслідок чого на них утворюються електричні потенціали. Разом з тим збільшується шлях, який проходять но­сії струму, що рівносильно зменшенню їх рухомості і збільшенню опору пластинки.

Отже, обидва ефекти утворюються одночасно, але проявля­ються вони не в однаковій мірі, що істотно залежить від форми і співвідношення геометричних розмірів перетворювача.

Перетворювач Холла являє собою чотириполюсник, викона­ний у вигляді тонкої пластинки (рис. 160). Якщо через таку пластин­ку проходить електричний струм і одночасно діє магнітне поле, вектор магнітної індукції якого перпендикулярний до площини пластинки, то на протилежних бічних гранях, паралельних напрямку струму, утворюється е. р. с. Холла

де R_хл — стала Холла, значення якої залежить від властивостей матеріалу пластинки; /—керуючий струм перетворювача; В — маг­нітна індукція; d—товщина пластинки.

Е. р. с. Холла може бути сталою або змінною залежно від того, в яке поле поміщений перетворювач і яким струмом він живиться. Якщо індукція досліджуваного поля і струм живлення постійні, то £_хл—стала. Якщо індукція поля постійна, а струм живлення змінний (і навпаки), то £_хл буде змінною і тієї ж часто­ти, що й частота змінної вхідної величини.

Перетворювачі Холла найчастіше виготовляють у вигляді тонких пластинок (d = 0,1-г-0,5 мм) або плівок. Плівкові перетворювачі разом з виводами виготовляють випаровуванням у вакуумі вихідної речовини, яка осаджується тонким шаром на ізоляційній підкладці. Вони можуть бути надзвичайно малих розмірів (до часток квадрат­ного міліметра).

У гальваномагнітному перетворювачі е. р. с. Холла спричинює поперечне електричне поле Холла, яке зрівноважує сили Лоренца. В перетворювачах Холла носії зарядів, зміщені силою Лоренца, будуть рухатись паралельно до бічних граней пластинки і зміна довжини їх шляху буде незначною. Тому в таких конструкціях ефект Гаусса проявляється слабо. Для сильного прояву ефекту Гаусса треба, щоб електричне поле Холла було слабке або зовсім відсутнє, тоді буде максимальне викривлення траєкторії руху носіїв заряду. Цього досягають підбором відповідної конструктивної форми перетворювача (рис. 161, а).

Значного послаблення електричного поля Холла (тим самим посилення ефекту Гаусса) досягають у конструкціях, Де довжина пластинки значно менша від її ширини. Тому чутливість магніторезисторів за інших рівних умов тим вища, чим менше відношення довжини перетворювача до його ширини (рис. 162).

Магніторезистивні перетворювачі слабких магнітних полів виго­товляють з плоских напівпровідникових пластинок, з'єднаних послі­довно і розділених провідниковою прокладкою (рис. 161, б). Елек­тричне поле Холла практично відсутнє в диску Корбіно, у якому

один електрод розміщують в центрі, а другий — по колу (рис. 161, в). У магніторезисторів, виконаних у формі дисьа Корбіно, ефект Гаусса проявляється найсильніше.

Відносна зміна опору магніторезистора в області слабких маг­нітних полів (до 0,3—0,5 Т) пропорційна квадрату індукції дослі­джуваного поля

де A_гс—коефіцієнт, що залежить від форми і розмірів перетворю­вача, а також від фізико-хімічних властивостей матеріалу.

В області сильних магнітних полів залежність відносної зміни опору від магнітної індукції практично лінійна.

З допомогою перетворювачів Холла можна вимірювати індук­цію магнітного поля від 0,01 до 2 Т і напруженість поля від 0,1 до 10^ А/см. їх можна застосовувати для вимірювань як постійних, так і змінних магнітних полів у широкому діапазоні частот — до десятків мегагерців. Магніторезистори знаходять переважне застосу­вання для вимірювання індукції сильних постійних і змінних маг­нітних полів (від 0,3 до 2,5 Т). Похибки вимірювання гальваномаг­нітними перетворювачами становлять 1—2%.

Основним недоліком гальваномагнітних перетворювачів е віднос­но велика температурна похибка. Для її зменшення застосовують відповідні схеми температурної компенсації або термостатування перетворювачів. Є також гальваномагнітні перетворювачі з тем­пературним коефіцієнтом, не більшим за 0,1%/К (для перетворю­вачів Холла) і 0,03%/К (для магніторезисторів). Особливо темпе-ратуростабільними є плівкові перетворювачі, виготовлені із селе­ніду та телуриду ртуті.

Перетворювачам Холла властива ще й нееквіпотенціальність точок приєднання вихідних електродів, що проявляється в наяв­ності нульового сигналу (до десятків мікровольтів) і його залежності від температури. Нееквіпотенціальність можна зменшити, вми­каючи коректуючі ланки. Крім того, розроблено перетворювачі, в яких температурний дрейф нульового сигналу доведено до 1 мкВ/К.

Чутливість перетворювачів Холла та Гаусса сильно зростає при низьких температурах (нижче —150° С), що відкриває нові перспективи їх застосування.

Останнім часом розроблено нові гальваномагнітні перетворю­вачі — магнітодіоди, що являють собою напівпровідниковий діод з несиметричним р—n-переходом, у яких провідність однієї об­ласті значно вища, ніж іншої. В магнітному полі опір такого діода збільшується пропорційно індукції, що приводить до зменшення струму через діод, а при забезпеченні незмінної сили струму — до збільшення спаду напруги на діоді. Чутливість таких перетво­рювачів у десятки разів вища за чутливість перетворювачів Холла і Гаусса.

Квантові перетворювачі

При вимірюванні магнітних величин із застосуванням індук­ційних, фероіндукційних або гальваномагнітних перетворювачів похибка вимірювання¹ в кращому випадку може бути зведена до 19/6. Сучасна техніка, зокрема техніка магнітних вимірювань в ядерних реакторах, при дослідженнях магнітного поля Землі, вимагає значно вищої точності. З похибкою до 0,01 — 0,005% і мен­шою можна вимірювати магнітні величини з допомогою квантових вимірювальних перетворювачів (ядерних, атомних і електронних).Ядерні перетворювачі грунтуються на використанні ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Відомо, що для ядер атомів багатьох речовин механічний момент кількості руху ядра 7 і його магнітний момент ji_n збігаються за напрямком і пов'язані залежністю

де γ — гідромагнітне відношення ядра, значення якого як фізичної константи відоме з точністю до 10~⁴%.

При дії на елементарний одиночний магнітний диполь ядра зовнішнього магнітного поля Н (рис. 163), напрямленого під деяким кутом до вектора f*_n, спостерігається безперервна регулярна прецесія вектора \І_П навколо напрямку цього поля. При цьому частота пре­цесії, що носить назву Ларморової, пов'язана з зовнішнім магнітним полем залежністю

Проте слід зазначити, що безперервна регулярна прецесія е можливою лише для одиночного, не зв'язаного з навколишнім середовищем ядра, тобто при відсутності втрат. У ідеальному випад­ку, коли магнітні моменти групи ізольованих ядер збігатимуться за напрямком, а їх сумарний момент дорівнюватиме М = ∑µ_пі-, ви­користовуючи метод ядерної індукції (рис. 164), можна було б на затискачах котушки L спостерігати появу е. р. с. з частотою о)₀. Поява такої е. р. с. пояснюється зміною потокозчеплення, зумовле­ною зміною в часі проекції на вісь котушки вектора магнітного моменту групи ядер.

В дійсності ядерні моменти атомів орієнтовані в просторі по-різному і їх сумарний магнітний момент дорівнює нулю. Дія зовнішнього магнітного поля зводиться до орієнтації сумарного магнітного моменту одиниці об'єму речовини в напрямі поля Н, тобто до ядерної намагніченості М_й = k₀H, де k_a — статична па­рамагнітна сприйнятливість. Для спостереження сигналу прецесії речовину можна поляризувати, наприклад, з допомогою сильного магнітного поля, вектор якого Нр напрямлений під деяким кутом до вектора досліджува­ного поля. При поляризації ядерна намагніченість зростає до значення М = k₀(H + Нр). Після зникнення поля поляризації вектор М починає прецесувати довкола вектора Н, зменшуючись за модулем поступово до М_й через наявність втрат. Отже, поляри­зація дає змогу збільшити амплітуду сигналу прецесії за рахунок збільшення ядерної намагніченості. Але частота прецесії і в цьому випадку визначається тільки напруженістю досліджуваного поля Н. Зменшення проекції вектора М здійснюється за експоненці­альним законом з сталою часу Т1, яка називається сталою поз­довжньої релаксації. Для виникнення ядерної прецесії треба, щоб час, протягом якого поляризуюче поле зменшилось до нуля, був значно меншим за Т1. Крім того, час поляризації має бути більшим за Ті, щоб ядерна намагніченість досягла усталеного значення і була орієнтована вздовж поля Нр.При встановленні нової орієнтації ядерного магнітного мо­менту змінюється й проекція вектора М в горизонтальній площині. При вільній прецесії ця зміна відбувається за експоненціальним законом з сталою часу Т₂, що називається сталою поперечної релак­сації. Отже, в реальних умовах сигнал вільної прецесії має зату­хаючий характер. Поряд з методом ядерної індукції використовують й інші методи визначення частоти прецесії. Наприклад, метод ядерного резонансного поглинання, при якому на речовину одночасно діють вимірюване поле Н і перпендикулярне до нього високочас­тотне Я_, частоту якого можна змінювати. ' Коли частоти прецесії протонів і частоти змінного підмагнічуючого поля збігаються, то має місце явище поглинання енергії протонами і, як наслідок цього, зменшення амплітуди генерованих високочастотних ко­ливань. Перетворювачі електронного парамаг­нітного резонансу (ЕПР) грунтуються на використанні резонансу електронів тих речовин, атоми яких мають неспарені електрони, завдяки чому елект­ронна оболонка має магнітний дипольний момент. Гіромагнітне відно­шення електрона γ_e = е/2т_ес (е і т_е — заряд і маса електрона; с — швидкість світла) приблизно в 10³ разів більше за гіромаг­нітне відношення протона. Отже, і частота електронного парамаг­нітного резонансу в стільки ж разів більша від частоти ядерного магнітного резонансу. Сигнал ЕПР на декілька порядків переви­щує сигнал ЯМР. Це дає змогу застосувати перетворювачі ЕПР для вимірювання дуже малих напруженостей магнітного поля. Правда, похибки ЯМР-перетворювачів можуть бути в декілька разів більшими, ніж похибки ^ЛІР-перетворювачів. Методика і апаратура для виявлення частоти резонансу подібна до методики і апаратури для досліджень при ЯМР. В атомних перетворювачах використовують прецесію магніт­них моментів атомів. При застосуванні таких перетворювачів у слабких магнітних полях для збільшення резонансного сигналу можна використати метод оптичної орієнтації атомів деяких речо­вин, що перебувають у газоподібному чи пароподібному стані. На цьому принципі грунтуються атомні квантові перетворювачі з оптичним накачуванням.

Оптична орієнтація магнітних моментів можлива для атомних систем, які крім енергетичних рівнів 1 і 2 (рис. 165), утворених зовнішнім постійним магнітним полем, мають енергетичний рівень З, віддалений від рівнів 1 і 2 оптичним переходом. Якщо опромі­нювати такі атомні системи світлом, що випромінює кванти енергії f_onh (h — стала Планка; /_оп — частота світла), які дорівнюють різниці енергій рівнів 3 і / (Е₃ — Е_г), то відбувається орієнтація атомів і їх перехід з енергетичного рівня 1 на рівень 3. Така орієн­тація супроводжується поглинанням світла.

З рівня 3 атоми можуть перейти на рівень 2 або 1. При цьому перехід з рівня 2 на 1 відбувається лише під дією теплового руху, а стала часу переходу на декілька порядків вища від сталої часу переходу з рівня 3 на 2. Таким чином, в результаті такого меха­нізму переходів майже всі атоми з рівня 1 перейдуть через рівень З на рівень 2. Поглинання світла тоді припиниться, і газ матиме максимальну оптичну прозорість.

Якщо на газ додатково подіяти високочастотним магнітним полем, що випромінює кванти енергії fph = Е₂ — Е₁ частотою fp, яка дорівнює частоті прецесії атомів у цьому магнітному полі, то це приведе до переходу атомів з рівня 2 на /. Газ знову почне поглинати світло, і його прозорість зменшиться. Вимірюючи частоту високочастотного магнітного поля, при якій наступає змен­шення прозорості газу, можна визначити напруженість досліджу­ваного зовнішнього магнітного поля. В атомних перетворювачах звичайно використовується резонанс атомів рубідію, цезію, гелію.

Рис. 2. Електрична принципова схема цифрового Тесламетра з датчиком Холла типу ПХЕ

На Рис. 2 приведена схема цифрового тесламетра який зроблений на основі датчику Холла. Коротка інформація про прилад:

Умови експлуатації:

• робоче значення атмосферного тиску від 650 мм рт. ст. до 800 мм рт. ст.

- температура навколишнього середовища від +10 до +35 0C

- відносна вологість повітря до 80 % при температурі навколишнього середовища +20 0C

- навколишнє середовище не вибухонебезпечне , наявність струмопровідного пилу і агресивних речовин неприпустимо

Технічні дані:

- діапазон вимірюваних значень величини індукції магнітного поля 0 ... +1999 мТл ( 3 1/ 2 цифри і індикатор полярності ) , для змінного магнітного поля вимірюється середній модуль індукції (середньо випрямлене значення )

- роздільна здатність 1 мТл ;

- похибка вимірювання не більше 3 % + 1 од. рахунки

- частота вимірювальної змінного магнітного поля 10 ... 300 Гц при вищевказаної похибки вимірювання , 0 ... 1000 Гц при похибки вимірювання , що виходить за межі вищевказаної

- номінальну напругу мережі живлення 220 + 0 В

- число фаз живильної мережі – 1

- номінальна частота живильної мережі 45 ... 65 Гц

- споживана потужність не більше 15 В ∙ А

Принцип роботи Тесламетр заснований на вимірюванні ЕРС Холла , що виникає при наявності магнітного поля в зоні датчика при живленні останнього постійним струмом.

Прилад складається з наступних основних вузлів: джерело струму і вимірювальний підсилювач із стабілізаторами напруги , детектор , цифровий вольтметр з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП ) і світлодіодним індикатором , щуп з датчиком Холла. Живлення приладу здійснюється від мережі змінного струму напругою 220 В частотою 50 Гц через захисний запобіжник FU1 і мережевий вимикач S1. Трансформатор T1 знижує мережеве напругу до необхідного рівня. З вторинної обмотки мережевого трансформатора T1 змінну напругу подається на плату джерела струму і вимірювального підсилювача , де за допомогою випрямляча , фільтрів і стабілізаторів виробляються необхідні для живлення електронних вузлів приладу постійні напруги.

Для живлення датчика Холла використовується стабілізатор струму величиною 100 мА. Щуп з датчиком Холла підключається через роз'єм XS1 " датчика Холла " . Вимірювальний підсилювач підсилює корисний сигнал датчика Холла до рівня 1 вольт / тесла . З виходу вимірювального підсилювача , залежно від різновиду вимірюваного магнітного поля ( постійне або змінне) сигнал через перемикач S2 подається на вхід вольтметра безпосередньо або через детектор. Крім того , цей сигнал виводиться на зовнішній роз'єм XS2 "ВИХІД 1 В / ТЛ" , щоб забезпечити можливість спільної роботи Тесламетр з іншими вимірювальними приладами чи обладнанням.

Детектор зібраний за схемою двухполупериодного випрямляча з фільтром нижніх частот. Вольтметр складається з аналого-цифрового перетворювача ( АЦП) зі світлодіодним семи сегментним індикатором [ 1 ] .Тесламетр виконаний у вигляді переносного приладу . Датчик Холла монтується в щупі С- або М- типу з розбірною або нерозбірними рукояткою , до якої кріпиться кабель для підключення датчика до приладу . На рукоятці щупа є маркування у вигляді знака " +" або стріли , що дозволяє визначати напрямок магнітного поля.

Судячи з опису прилад задовольняє майже всі параметри але головна проблема приладу низька чутливість вимірів. Тобто відсутність діапазону вимірів в мікротесла.

Рис.3. Електрична принципова схема індукційні

На Рис.3 приведена схема мікротесламетра. Головна відмінність від інших методів в використані чутливого елемента приладу використана мікросхема HMC1022 [1] ( GMR - датчик). До складу мікросхеми входять два магніторезистивних датчика, осі максимальної чутливості яких взаємоортогональних.Залежно від типу щупа (С- або М- тип) використовується один з датчиків. За допомогою електронного перетворювача виробляються сигнали управління , що подаються на датчик , і обробляються вихідні сигнали датчика. Вихідна напруга перетворювача вимірюється за допомогою вбудованого цифрового вольтметра [ 2 ] , що складається з аналого-цифрового перетворювача семисегментним індикатором . Для живлення схем приладу використовується акумуляторна батарея із стабілізаторами напруги ( джерело живлення) .Даний прилад задовольняє майже всі можливі вимоги які ставлять в наш час до вимірювальних приладів, але головним недоліком даного типу пристроїв є висока вартість магніторезестивних датчиків.