Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики магнитного поля. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.
А.А. Захаров, А.А. Швачко
ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Учебное пособие
Для магистрантов направления «Электроника
и наноэлектроника» при изучении дисциплин «Измерения
в радиоэлектронике», «Датчики в электронных системах»
Саратов 2019
УДК 621.317.3
ББК 32. 96-04
З-38
Рецензенты:
Кафедра физики твердого тела
Саратовского национального исследовательского государственного
университета имени Н.Г. Чернышевского
Доктор физико-математических наук, профессор
Д.А. Усанов
Доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник
АО «Научно-производственный центр «Алмаз – Фазотрон», г Саратов
В.А. Коломейцев
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Захаров А.А.
З-38 Датчики магнитного поля: учеб. пособие / А.А. Захаров,
А. А. Швачко. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2019. 78 с.
ISBN 978-5-7433-3294-6
В учебном пособии рассмотрены широко распространенные
физические эффекты, на базе которых создаются датчики магнитного
поля, области их применения, элементы технологии изготовления и
области использования первичных преобразователей магнитной
индукции.
Пособие предназначено для магистрантов направления
«Электроника и наноэлектроника» при изучении дисциплин
«Измерения в радиоэлектронике», «Датчики в электронных системах»
и выполнении выпускных квалификационных работ, а также
представляет интерес для инженерно-технических и научных
работников, занимающихся разработкой первичных измерительных
преобразователей и измерением магнитного поля.
УДК 621.317.3
ББК 32. 96-04
© Саратовский государственный
технический университет, 2019
ISBN 978-5-7433-3294-6 © Захаров А.А., Швачко А.А., 2019
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................... 4
1. Основные понятия и классификации датчиков ................................ 5
2. Базовые физические эффекты, используемые для создания
датчиков магнитного поля .................................................................... 11
3. Эффект Холла как основа создания первичных измерительных
преобразователей магнитного поля. .................................................... 13
3.1. Принципы работы датчиков на эффекте Холла
и магнитосопротивления .................................................................... 13
3.2. Типовые конструкции датчиков Холла ..................................... 16
3.3. Параметры датчиков Холла ....................................................... 18
3.4. Магниторезистивный эффект .................................................... 25
3.5. Эффект Холла в газовом разряде ............................................... 29
3.6. Технологии изготовления датчиков Холла
и магниторезисторов .......................................................................... 30
3.7. Применение датчиков Холла и магниторезисторов ................. 33
4. Эффект гигантского магнитосопротивления .................................. 40
4.1 Физические основы эффекта ГМС ............................................. .40
4.2. Конструкции датчиков на основе гигантского
магнитосопротивления ....................................................................... 42
5. Магнитные датчики на эффекте Джозефсона ................................ 47
5.1. Физические основы эффекта Джозефсона ................................ 47
5.2. Применение приборов на эффекте Джозефсона (Сквиды) ...... 50
6. Магнитооптические эффекты ........................................................... 54
6.1. Физические основы магнитооптических эффектов. ................. 54
6.2. Конструкции датчиков на магнитооптических эффектах ....... .59
7. Измерение градиента магнитного поля ........................................... 66
8. Ядерный магнитный резонанс ......................................................... 68
9. Измерение магнитного момента ..................................................... .71
Заключение ............................................................................................ 74
Список литературы ............................................................................... 75
3
ВВЕДЕНИЕ
В литературе и практическом использовании существуют
несколько определений понятия «датчик». Приведем основные.
Датчик – это преобразователь измеряемой (контролируемой)
физической величины в величину, удобную для дальнейшего
измерения или преобразования.
Датчик – средство измерений, предназначенное для
формирования сигнала измерительной информации в форме, удобной
для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения,
но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Датчик – чувствительный элемент или конструктивно
объединенная группа чувствительных элементов.
Датчик является важнейшим элементом измерительных
систем. Без датчиков в современном мире невозможны ни измерение
физических величин, ни контроль за состоянием сложных объектов.
Без последних достижений современной науки развитие
существующих и построение новейших датчиков становятся
затруднительными. В некоторых случаях дальнейшее
совершенствование датчиков происходит на стыке нескольких наук.
В основе работы любого измерительного датчика лежит
процесс преобразования энергии, в том числе энергии одного вида в
другой. Преобразования, наблюдаемые при измерении различных
величин, базируются на двух фундаментальных законах: законе
сохранения энергии и принципе обратимости. Типы преобразуемых
энергий могут быть самыми разнообразными в зависимости от типа
датчика и от физической природы измеряемой величины.
4
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ДАТЧИКОВ
Измеряемая величина – это физическая величина m,
характеризующая объект измерений. Процессом измерения называют
совокупность операций, нацеленных на измерение физической
величины. Как правило, для измерения физической величины
необходимо преобразовать измеряемую величину в эквивалентную
электрическую величину. Для этого используют преобразователи.
Преобразователями называют различные устройства, которые
преобразуют одни физические величины (или один вид энергии) в
другую физическую величину (или другой вид энергии). То есть
преобразователь – это устройство, преобразующее, например,
индукцию магнитного поля в электрический сигнал, напряжение
одного уровня – в напряжение другого.
Таким образом, измерительное преобразование – это отражение
размера одной величины размером другой величины. Измерительный
преобразователь – это устройство, построенное на определенном
физическом принципе, выполняющее одно измерительное
преобразование.
Преобразование непосредственно измеряемой физической
величины до удобного для человеческого восприятия вида энергии
нередко претерпевает множество уровней. Преобразователи бывают
первичные, вторичные и др.
Первичный измерительный преобразователь – это техническое
устройство, которое непосредственно взаимодействует с
материальным объектом измерения и предназначено для
преобразования входной физической величины в другую физическую
величину (выходную), удобную для дальнейшего использования.
Чувствительный элемент – конструктивный элемент,
воспринимающий измеряемую физическую величину.
Чувствительный элемент является первичным измерительным
преобразователем в измерительной цепи. В зависимости от типа
измеряемой величины всегда происходит передача энергии от
исследуемого объекта к преобразователю.
5
В различных источниках также используют термины датчик,
приёмник, зонд, детектор и т. д.
Датчик – это устройство, которое, подвергаясь
непосредственному воздействию физической величины, выдаёт
эквивалентный сигнал, обычно электрической природы, являющийся
функцией измеряемой величины[1]:
, (1)
где s – выходная величина датчика, m – входная величина.
Соотношение (1) выражает в общем виде физические законы,
положенные в основу работы датчиков. Для всех датчиков
характеристика преобразования (соотношения (1)) в численной форме
определяется экспериментально в процессе градуировки.
Для удобства измерений любой датчик стараются построить
так, чтобы существовала линейная зависимость между малыми
приращениями выходной и входной величин:
(2)
где S – чувствительность датчика.
Рис. 1. Изменение во времени измеряемой величины
и соответствующая реакция датчика
6
Несмотря на практически полное совпадение смысла
терминов «датчик» и «преобразователь», между ними существует
некоторое различие. Датчик чувствует физическую величину, а
преобразователь её преобразует.
Одной из важнейших проблем, стоящих перед инженерами и
конструкторами, является обеспечение постоянства
чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от
значения m, от воздействия других физических величин,
характеризующих не сам объект, а его окружение. По видам
входных и выходных величин измерительные преобразователи
можно разделить на следующие классы:
электрических величин в электрические, например
непрерывных во времени в прерывистые (цифровые);
неэлектрических величин в неэлектрические, например
давления в перемещение мембраны;
электрических величин в неэлектрические, например тока в
отклонение стрелки прибора;
неэлектрических величин в электрические.
Одной из важнейших классификаций датчиков является
классификация по физическому принципу действия, основанному
на конкретном физическом эффекте.
По принципу действия (физического эффекта) датчики
различают: резистивные, электромагнитные, магнитные,
электрохимические, оптоэлектрические, электростатические,
гальваномагнитные, тепловые, пьезоэлектрические,
спектрометрические и др.
Датчики разделяются на генераторные (активные) и
параметрические.
Генераторным датчикам внешний источник энергии не
нужен, а выходной величиной являются различные электрические
величины (напряжение, заряд, ток).
Параметрическому датчику для получения выходного
сигнала требуется внешний источник энергии. В таких датчиках
под действием измеряемой физической величины меняется какойлибо из его параметров (например, электрическое сопротивление).
7
По функциональному назначению датчики разделяются на:
измерительные (непосредственно измеряющие физическую
величину)
индикаторные (датчик выдаёт информацию о наличии или
отсутствии физической величины в удобной для визуального
потребления форме).
комбинированные.
Как отмечалось выше, величина от своей измеряемой формы
до понятной человеку с визуальной точки зрения формы может
претерпеть множество стадий преобразования. Так, по методу
преобразования физической величины датчики делятся[2]:
датчики прямого одно- или многоступенчатого
преобразования, в которых измеряемая физическая величина
преобразуется непосредственно в сигнал датчика;
датчик непрямого преобразования, в которых измеряемая
физическая величина преобразуется в промежуточную величину, а
уже затем преобразуется в выходной сигнал;
датчики комбинированного типа.
По типу взаимодействия и количеству элементов датчики
могут быть:
стационарными или подвижными;
контактными и бесконтактными;
пространственно-распределенными (многоэлементными);
сосредоточенными (одноэлементными).
В настоящее время все большее распространение получают
датчики с вмонтированными электронными и вычислительными
устройствами, которые производят предварительную обработку
выходного сигнала датчика. Например, осуществляют
корректировку погрешности датчика.
По виду уравнения преобразования (функция
преобразования) датчики делят на преобразователи с линейной и
нелинейной зависимостями выходного сигнала от измеряемой
величины.
8
По виду выходного сигнала датчики делят на датчики с
аналоговым выходным сигналом и датчики с дискретным
(цифровым) сигналом.
Помимо воздействия только измеряемой величины датчик во
время своей эксплуатации переносит действие ряда других
физических величин, способных повлиять в той или иной мере на
его показания и способствовать появлению погрешности.
Основными факторами, влияющими на погрешность
датчиков, являются:
температура, которая влияет на механические и
электрические параметры датчиков;
давление, ускорения, вибрации, вызывающие определенные
деформации различных элементов датчиков и способные повлиять
на их чувствительность или вовсе вывести из строя;
влажность, способная повлиять на электрическое
сопротивление его элементов (диэлектрическая проницаемость или
удельное сопротивление);
постоянное или переменное электромагнитное поле,
индуцирующее в полупроводниках ЭДС, которое, в свою очередь,
накладывается на полезный сигнал. Также магнитное поле может
изменить электрические характеристики датчика ( например,
удельное сопротивление магниторезисторов);
изменение параметров питающего напряжения.
Таким образом, обозначив величины (или факторы),
влияющие на датчик как g1, g2 и т. д., выражение (1) можно
записать в виде
. (3)
В этом случае для того, чтобы определить измеряемую
величину без увеличения погрешности, необходимо:
снизить значения влияющих величин (минимизировать
воздействие внешних факторов) посредством построения защиты
датчика (например, магнитные экраны);
стабилизировать влияющие величины и проградуировать
датчик исходя из внешних условий;
9
сконструировать такую схему, которая позволит
скомпенсировать влияние паразитных величин.
В качестве примера можно привести мост Уитстона , в основу
которого заложен принцип использования двух датчиков, один из
которых непосредственно измеряет величину, а второй
компенсирует погрешности, вызванные воздействием внешних
факторов.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]