CC BY
10
УДК 62131739 а. и. чередов
DOI: 10.25206/1813-8225-2022-184-96-100 "
а. в. щелканов
Омский государственный технический университет, г. Омск
МАГНИТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
ОСЦИЛЛИСТОРНОГО ЭФФЕКТА
Одним из наиболее распространенных видов неразрушающего контроля является магнитный контроль, при проведении которого используются различные аналоговые магнитоизмерительные первичные измерительные устройства: феррозондовые, на основе эффектов Гаусса и Холла и др. Перспективным направлением исследований в области неразрушающего контроля и технической диагностики представляется разработка измерительных преобразователей с цифровым выходным сигналом или сигналом, легко преобразующимся в код.
В статье рассматривается магнитоизмерительный преобразователь на основе осциллисторного эффекта, который носит пороговый характер и заключается в возникновении колебаний электрического тока, протекающего по полупроводниковому образцу, помещенному в продольные электрическое и магнитное поля. Представлены результаты экспериментальных исследований зависимости пороговой напряженности электрического поля от напряженности магнитного поля.
Приведена схема преобразователя, осуществляющего преобразование индукции магнитного поля в число импульсов электрического напряжения и диаграммы его работы.
Чувствительность преобразователя зависит от частоты генератора образцовой частоты и коэффициента преобразования генератора линейно возрастающего напряжения.
Ключевые слова: контроль, преобразователь, магнитное поле, напряженность, индукция, осциллистор.
Введение. В процессе эксплуатации изде- определяет силу воздействия на перемещающийся
лий происходит изменение их свойств. При этом электрический заряд (ток) в магнитном поле, на-
во многих случаях возникают различные дефекты, правленной в перпендикулярном направлении ско-
которые могут приводить к отказам. Для прогнози- рости движения.
рования появления и выявления дефектов исполь- Приборы для измерения параметров магнитного зуются различные средства и методы диагностики поля (магнитометры) можно разделить на две груп-и неразрушающего контроля, который является по- пы: 1) магнитометры для измерения внешних последней технологической операцией, позволяющей лей, создаваемых объектами; 2) магнитометры для выявлять недопустимые дефекты в технических исследования магнитных свойств вещества. объектах [1]. Неразрушающий контроль (НК) полу- Магнитометры включают в себя первичный из-чил широкое применение. В зависимости от физи- мерительный преобразователь (ПИП) и устройство ческих явлений, положенных в основу, выделяют обработки выходного сигнала ПИП. Первичный 9 видов НК [2], которые, в свою очередь, состоят преобразователь осуществляет преобразование из методов. Одним из наиболее распространенных магнитной величины в величину, обычно элек-видов НК является магнитный контроль, основан- трическую (например, напряжение), подающуюся ный на регистрации магнитных полей рассеяния, на измерительный прибор (например, вольтметр). возникающих над дефектами, или на определе- Первичные преобразователи магнитных величин нии магнитных свойств объекта контроля. Одним называют магнитоизмерительными преобразова-из важнейших параметров магнитного поля явля- телями.
ется напряженность «Н», под которой понимается В зависимости от принципа действия данные
векторная величина, определяемая как величина преобразователи можно разбить на несколько
и направление силы, воздействующей в данной групп: феррозондовые; магниторезисторные; пре-
точке на единичный «магнетик» или на «элемент образователи на эффекте Холла; индукционные;
тока». Вторым параметром магнитного поля явля- квантовые. Информативным параметром выходно-
ется индукция «В» — векторная величина, которая го сигнала большинства известных магнитоизмери-
тельных преобразователей является изменение его амплитуды.
В данной работе рассматривается магнитоизме-рительный преобразователь на основе осциллистор-ного эффекта.
Теория. Магниторезисторные преобразователи (магниторезисторы) представляют собой резисторы, сопротивление которых изменяется под действием магнитного поля. Действие данных преобразователей основано на эффекте Гаусса [3]. Различают продольный и поперечный эффекты. Изменение сопротивления при продольном эффекте мало. На практике при создании магниторезисторов в основном применяется поперечный эффект.
Так как в проводниках эффект Гаусса проявляется слабо, поэтому в качестве материалов чувствительных элементов магниторезистивных ИП используются полупроводники, из которых наибольшее применение получили антимонид индия (1пБЬ) и арсенид индия (1пЛб).
Зависимость сопротивления магниторезистивно-го ИП от индукции магнитного поля имеет вид [4]:
81П ф
1 + (ц„ • В)2 • ф
(1)
где ЯБ — сопротивление магниторезистивного ИП при воздействии магнитного поля (В = ВНОМ); Я0 — сопротивление магниторезистивного ИП при отсутствии магнитн ого по^1 (В = 0); цп — подвижность носителей заряда; ф — угол между векторами напряженности электрического г магнитного полей.
Магниторезистивные преобразователи имеют низкие шумы и характеризуются малым старением. К недост аткам магнитн рези стивных преобразователей следует отнестг низкую чувствительность, нелинейность характеристики преобразования.
Подтбны е преобразователи позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля до 1 МГц в диапазоне от 1 мТл до 1 Тл [5]. Также они применяются для контроля перемещений объектов, измере н ия угловой координаты, для построения бесконтактных датчиков тока с гальванической развязкой.
Феррозондовые магниточувствительные преобразователи представляют собой устройство (рис. 1), состоящее из двух ферромагнитных сердечников 1 и 2, имеющих возбуждающие 3 и измерительные 4 обмотки. Принцип действия феррозонда основан на изменении магнитного состояния ферромагнитных сердечников под воздействием двух магнитных полей разных частот [6].
При одновременном воздействии на сердечники 1 и 2 (рис. 1) постоянного измеряемого магнитного поля Нх и переменного поля Н, создаваемого обмотками возбуждения 3, на измерительных обмотках 4 возникает ЭДС.
Для измерения напряженности постоянного магнитного поля Нх обмотки возбуждения 3 включаются встречно, а измерительные обмотки 4 — согласно. В случае согласного соединения измерительных обмоток они могут быть заменены одной, охватывающей оба сердечника. В отсутствие измеряемого поля сердечники 1 и 2 перемагничиваются симметрично и на измерительных обмотках возникает напряжение, состоящее из нескомпенсированных нечетных гармоник. Если внешнее магнитное поле не равно нулю и возбуждение осуществляется переменным током синусоидальной формы, сердечни-
Рис. 1. Феррозондовый преобразователь: 1 и 2 — ферромагнитный сердечник; 3 — обмотки возбуждения; 4 — измерительные обмотки
Рис. 2. Преобразователь Холла
ки 1 и 2 перемагничиваются несимметрично. При этом в измерительной обмотке преобразователя наводится напряжение, которое нпходится по выражению [7]:
и(^ = 6яеиш а3НхЗвт 51п (ВШ)
(2)
где 5 — площадь поперечного сечения сердечников, мм2; пИ — число оитков в измерительной обмотке преобразователя; е — частота тока возбуждения, рад/с; НВт — амплитуда поля гозбуждения; а3 — третий коэффициент аппроксимации кривой намагничивания.
Таким образот, выходной сигнал феррозондо-вого преобразователя содержит полезную составляющую, пропорци ональную измеряемой индукции постоянного магнитного поля только на удвоенной частоте возбуждения 2ю.
Следует оыметить, что полезная информация о значении измернемого поля содержится и на других четных частотах 4ю и 6ю.
На практике в феррозондовых магнитометрах в качестве выходного сигнала в основном используется вторая гармоника, выделяемая с помощью узкополосного фильтра.
Феррозондовые преобразователи работают в полях напряженностью до 2104 А/м. Чувствительность феррозондовых преобразователей достигает 10-2 Вм/А.
Для измерения индукции магнитного поля широкое применение нашли преобразователи на основе эффекта Холла, который заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС
ныно
ныно
и
н
о
о
Холла) на противоположных боковых гранях пластины, помещенной в магнитное поле В, при протекании по ней электрического тока I (рис. 2).
При пропускании через пластину (рис. 2), помещенную в магнитное поле, постоянного тока I = const на одной грани пластинки сконцентрируются отрицательные заряды, а на противоположной симметрично расположенной грани сконцентрируются положительные заряды. Между этими зарядами, как между обкладками пластин плоского конденсатора, возникнет электрическое поле напряженностью Е, которое принято называть электрическим полем Холла. Значение ЭДС Холла будет зависеть только от индукцикс (напряженности) поперечного магнитного поля и может быть найдено по формуле:
Их1ЧР f 1
d I b
лютной винтовой неустойчивости электронно-дырочной плазмы [10].
Частота колебаний тока зависит от значений напряженности электрического и магнитного полет, размеров и параметр о в электро нно-ды р очной плазмы образца. Для образца из близкого к собственному полупроводника частота колебаний тока в области слабых магнитных полей пропорциональна магнитной индукциа и в линейной области может быть рассчитана по формуле
0,7Ш„ (ц „ -ц р )
ч
(4)
(3)
где Ях — постоянная Хо;оа; с° — толщина пластины; I — номинальный ток.
В качестве материалов преобразователей Холла используются полугроводники с высокой подвижностью, например, германтд, кремлий, арсенид галлия, антимонид индия и др. Преобразователи чаще выполняют в виде плартин прямоугольной или крестообразной формы. Толщина преобразователя составляет десятые доли (и 0,2 мм), размеры активной части — единицы мирлимекрр в.
Преимуществами преолразовлтелей Холла являются их малые размеры, малая масса. Они работают как в постоянных, так и в переменных магнитных полях. Диапазон преобразования лежит от тысячных до единиц (~210-3 — 2) Тл [8].
Действие квантовых магнитоизмерительных преобразователей основано на взаимодействии ядер молекул вещества с магнитным полем. К таким преобразователям относятся: преобразователи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР); ядерные и атомные преобразователи и др.
Квантовые преобразователи характеризуются высокой чувствительностью и точностью. Существенным недостатком является сложность конструкции.
Как отмечено ранее, информативным параметром выходного сигнала большинства используемых на практике магнитоизмерительных преобразователей является изменение его амплитуды, то есть преобразователь представляет собой аналоговое устройство. Это обстоятельство при сопряжении преобразователя с цифровыми устройствами обусловливает необходимость преобразования аналоговой величины (амплитуды) в цифровую. Выходной сигнал преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), одним из элементов которого является преобразователь «параметр-частота».
Открытие во второй половине XX века ряда «новых» физических эффектов позволяет создать преобразователи, которые осуществляют прямое преобразование измеряемой величины в частоту. Одним из таких эффектов является осциллистор-ный эффект [9], заключающийся в возникновении в полупроводниковом образце (осциллисторе), помещенном в продольные электрическое и магнитное поля, колебаний электрического тока. Эффект проявляется при превышении напряженностей электрического Е и магнитного Н полей пороговых значений Е>ЕП и Н>ВП и основан на явлении абсо-
где /0 — состапляющая частрты, обусловленная ам-биполярным сносомтднтовогл возмущения; Б — коэффициент амбиполярной диффузии; |1п и |1р — подвижности пле ктронов и дырок; а — поперечный размер образца.
Пороговый характер эффекта и зависимость частоты электричерких колебаний от индукции магнитного поля позвеллют ислользовать его для построения магнитоизмерительных преобразователей.
Зависимость частоты от индукции магнитного поля позволяет создать преобразователи магнитной индукции и напряженности в частоту электрических колебаний. а нарота [11] рассмот]зены характеристики преобразователя магнитной индукции в частоту, чувствительный элемент которого выполнен из германия марта чЭС-45. Чубствиттльность преобразователя в диапазоне (0,4—1,2) Тл составляла 20 кГц/Тл.
Пороговая напряжанность электрического пола ЕП связана с напряженкнсиью магнитнооо поло Н соотношением [12]:
7D„
__kL
шац чИЧ H
(5)
где |т — биполяунар п ндвижность; т — мода колебаний; к1 — коэффицие нт.
При создании электричоссого поля в образце приложением намряжения к электродам, выполненным на его торцах, пороговая иапряженность ЕП может быть выражена в виде:
E ,
U
п i
L
где Ь — длина образцм
На рис. 3 показана завиллмость порогового напряжения от напряженности магнитного поля для образца из германия марки ГЭС 45, размерами (1x1x4) мм2.
Из выражения (3) следует, что, определив пороговое напряжение, можно найти индукцию магнитного поля, в которое помещен образец.
На рис. 4 показана схема преобразователя напряженности магнитного поля в число импульсов и временные диаграммы его работы (рис. 5).
Работает устройство следующим образом. Импульсом и1 тактового генератора 1 триггер 5 устанавливается в состояние, при котором напряжение и5 соответствует логической единице. Это напряжение подается на один из входов схемы 6 (схема «И»), на второй вход которой подаются импульсы и? с генератора образцовой частоты 7. Эти импульсы и6 проходят на выход схемы 6. Импульс и1 также запускает работу генератора 2, формирующего ли-
t = to +
2
а
Ux =
E п =
Рис. 3. Зависимость порогового напряжения от индукции магнитного поля
Рис. 4. Преобразователь напряженности магнитного поля в число импульсов: 1 — генератор тактовой частоты; 2 — генератор линейно нарастающего напряжения; 3 — полупроводниковый образец; 4 — формирователь импульса; 5 — триггер; 6 — схема «И»; 7 — генератор образцовой частоты
нейно нарастающее напряжение Ц, которое подается на торцевые электроды образца 3. Напряжение создает электрическое поле в образце 3, равное
и2 = к2и
(6)
где к2 — постоянный коэффициент; ( — время.
При достижении напряжения порогового значения иП в образа,е 3 возникают колебания поперечного потенцинеа !/3. С помощью эеектродов, выполненных на боковых гранях образца, они подаются на вход формироватеея иапзльсон 4. Ившул>-сы и4 подаются на триггер 5 и устанавливают его в состояние логимескыгн ны;ш. При этом на одном из входов схемы 6 форморуется напряжение логического нуля, и прохождение импульсов генератора 7 на выход схемы 6 пне+ращается.
Число импульсов N на выхоае схемы 6 зависит от частоты f0 генератора 7 и интервала времени Т:
Та Г/
(7)
При выполненти нсмовия и= иП из выражений (5) — (7) получим:
N ы
Д 2 НТ0 ДН
ы Л 1
н
(8)
Выражения (4) и (5) показывают, что значение частоты электрических колебаний и порогового электрического поля зависят от различных факторов: размеров полупроводникового образца; параметров электронно-дырочной плазмы. Изменяя эти величины, можно регулировать чувствительность преобразователя. Например, уменьшение поперечного размера а с 0,5 мм до 0,3 мм позволяет существенно повысить чувствительность до (40 — 45) кГц/Тл. Но при этом увеличивается значение пороговой магнитной индукции, т.е. возрастает значение нижнего предела преобразования магнитной индукции.
В преобразователе магнитной индукции в число импульсов регулировка чувствительности осуществляется изменением частоты генератора образцовой частоты и коэффициента преобразования ге-
Рис. 5. Временные диаграммы работы преобразователя напряженности магнитного поля в число импульсов
нератора линейно нарастающего напряжения. При этом диапазон преобразования не изменяется.
Рассмотренные магнитоизмерительные преобразователи позволяют измерять индукцию и напряженность однородных магнитных полей.
Важной характеристикой неоднородного магнитного поля является градиент напряженности магнитного поля — производная абсолютной величины напряженности в какой-либо точке поля по направлению наибольшего увеличения напряженности.
Диапазон напряженностей магнитных полей, в которых осуществляется измерение градиента напряженности, лежит в очень широких пределах, от слабых магнитных полей с индукцией 10 13 Тл и менее (например, магнитное поле земли 510-5 Тл) до сверхсильных магнитных полей с индукцией десятки и тысячи тесла (например, поля сверхпроводящих магнитов). Одним из основных элементов градиентометра является первичный измерительный (магнитоизмерительный) преобразователь, в качестве которого могут использоваться магниторезисторные, феррозондовые и другие преобразователи.
В настоящее время наибольшее распространение получили феррозондовые преобразователи. Подобные преобразователи работают в диапазоне слабых магнитных полей и широко применяются в дефектоскопии. В работе [13] описан преобразователь градиента магнитного поля в частоту, для работы в диапазоне сильных магнитных полей, работа которого основана на осциллисторном эффекте.
Заключение. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований зависимости параметров осциллисторов от напряженности магнитного поля показал возможность их использования для построения магнитоизмерительных преобразователей параметров однородных и неоднородных магнитных полей, обладающих достаточно высокой чувствительностью и работающих в сравнительно сильных магнитных полях.
Библиографический список
1. Ковшов Е. Е., Косач А. А., Стебулянин М. М. Системный подход к цифровому неразрушающему контролю // Вестник МГТУ Станкин. 2018. № 4. С. 111-114.
2. ГОСТ Р 56542-2019. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Введ. 2020-11-01. Москва: Стан-дартинформ, 2019. 12 с.
3. Sadovskov I. D., Zaharov A. A. Sensors Of Magnetic Field Based On Magnetoresistive Effect // 2012 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. 2012. P. 402-408. DOI: 10.1109/Apede.2012.6478090.
4. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. В 2 т. Москва: ДМК Пресс, 2011. Т. 1. 544 с. ISBN 5-94074-078-2.
5. Ripka P., Janosek M. Advances in magnetic field sensors // IEEE Sensors Journal. 2010. Vol. 10 (6). P. 1108-1116. DOI: 10.1109/JSEN.2010.2043429.
6. Eren H., Webster J. G. Measurement Instrumentation and Sensors Handbook: Spatial, Mechanical, Thermal, and Radiation Measurement. New-York: CRC Press, 2014. 3559 с.
7. Баранова В. Е. Измерение слабого магнитного поля на основе феррозондового датчика: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2015. 134 с.
8. Буслов И., Бауткин В., Драпезо А [и др.]. Датчики слабых магнитных полей на эффекте Холла // Современная электроника. 2011. № 1. С. 12-17.
9. Иванов Ю. Л., Рывкин М. Возникновение колебаний тока в образцах германия, помещенных в электрическое и продольное магнитное поле // Журнал технической физики. 1958. Т. 28. С. 54-56.
10. Gliksman M. Instabilities of a cylindrical electron-hole plasma in a magnetic field // Phys. Rev. 1961. Vol. 124. P. 16551664.
11. Cheredov A. I., Shchelkanov A. V. Metrological characteristics of measuring converters based on oscillistor effect // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818993.
12. Hurwitz С. Е., McWhorter A. L. Growing helical density waves in a semiconductor plasmas // Physical Review Letters. 1964. Vol. 134 (4A). P. 1033-1050. DOI: 10.1103/PhysRev.134. A1033.
13. Cheredov A. I., Shchelkanov A. V., Akhmedzhanov R. A., Korenev E. O. Magnetically sensitive converter of the magnetic field gradient based on oscillistor // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2017. P. 1-3. DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239443.
ЧЕРЕДОВ Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), г. Омск. SPIN-код: 6957-1660 AuthorID (РИНЦ): 471995
ЩЕЛКАНОВ Андрей Владимирович, старший преподаватель кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ, г. Омск. SPIN-код: 2564-1461 AuthorID (SCOPUS): 56447045400 ORCID: 0000-0002-1354-8708 ResearcherID: P-9053-2015
Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Чередов А. И., Щелканов А. В. Магнитоизмерительный преобразователь на основе осциллисторного эффекта // Омский научный вестник. 2022. № 4 (184). С. 96-100. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-184-96-100.
Статья поступила в редакцию 10.10.2022 г. © А. И. Чередов, А. В. Щелканов
