Структура магниторезистивного датчика. Утилитарные устройства магниторезистивных преобразователей и их основные параметры

Рассмотрев основные вопросы, касающиеся природы магниторезистивных явлений, следует сказать, что как правило, схемотехника датчиков, построенных на их основе достаточно однообразна. Так, например, на рис. 6.4. приведена структура мостового датчика, рабочим телом которого является тонкопленочный АМР-преобразователь. Подобные структуры актуальны и для большинства прочих первичных магниторезистивных измерительных преобразователей.

Рис. 6.4. Базовая структура магниторезистивного датчика

Обычно, использование подобной структуры в чистом виде, по ряду причин, не обеспечивает возможность с надлежащей точностью регистрировать параметры магнитных полей.

С целью повышения эффективности (с точки зрения метрологических характеристик), предлагается модернизировать базовую структуру магниторезистивного датчика, представленную на рис. 6.4, до варианта, представленного
на рис. 6.5.

Так, введенный в базовую конструкцию элемент подмагничивания, в виде плоской катушки индуктивности (позиция 4 на рис. 6.5), призван способствовать повышению чувствительности магниторезистивного преобразователя и лианеризации выходного сигнала (согласно выражениям (4.22), (4.25), (5.13)), тем самым увеличивая его разрешающую способность и точность проводимых измерений. Контур же компенсации постоянной составляющей магнитных помех, в свою очередь (позиция 2 на рис. 6.5) способствует нейтрализации нулевого поля смещения.

Рис. 6.5. Модернизированная структура магниторезистивного датчика

Далее предлагается рассмотреть вопросы проектирования и расчета основных характеристик названных утилитарных устройств более детально.

· Устройство подмагничивания

Технически, устройство подмагничивания может быть реализовано как по средствам постоянного магнита, так и по средствам электромагнита, расположенного в непосредственной близости от рабочего тела датчика. На практике, в большинстве случаев, по причине стабильности характеристик магнитного поля, возможности управления полярностью и амплитудой генерируемого поля, а также малых массогабаритных показателей, чаще всего устройства подмагничивания реализуют на базе плоских катушек индуктивности, интегрированных непосредственно в корпус магниторезистивного датчика.

На рис. 6.6 представлены наиболее распространенные варианты реализации плоской катушки индуктивности. Основной параметр, а именно индуктивность такого устройства, в зависимости от его геометрии, рассчитывается согласно выражениям (6.6) и (6.7) для квадратной (рис. 6.6, а) и круглой (рис. 6.6, б) спиралевидных катушек соответственно: [25]

(6.6)

(6.7)

где – средний диаметр спирали, [см]; – длина средней стороны квадрата, [см]; t – радиальная ширина намотки, [см]; N – количество витков.

Рис. 6.6. Варианты исполнения плоских катушек индуктивности

Расчет магнитной индукции, генерируемой данными устройствами в их геометрических центрах, предлагается производить следующим образом.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа, индукция магнитного поля, создаваемая элементом тока dl на расстоянии r от него определяется в соответствии с выражением:

В случае единственного замкнутого витка с током (рис. 6.7) имеем: α = π /2; sin(α)=1. Если вектор элементарной индукции d B представить в виде двух составляющих d B _x и d B _y, то сумма всех горизонтальных составляющих будет равна нулю, другими словами для решения данной задачи необходимо просуммировать вертикальные составляющие d B _y:

(6.8)

Рис. 6.7. Магнитное поле замкнутого витка с током

Перед интегрированием уравнения (6.8) необходимо учесть, что:

Таким образом:

(6.9)

Очевидно, что в центре витка, где h = 0, выражение (6.9) примет следующий вид:

При значительном удалении от плоскости витка (h > > R) магнитная индукция на его оси определится следующим образом:

Рассматривая плоскую катушку индуктивности как совокупность витков с током различного радиуса, расположенных на одной оси и в одной плоскости, учитывая принцип суперпозиции, запишем выражения для магнитной индукции в геометрическом центре спиралевидной плоской катушки:

(6.10)

Выражение (6.10), при некоторых допущениях можно переписать в виде выражений (6.11) и (6.12) для спиралевидной квадратной и круглой катушки соответственно.

(6.11)

(6.12)

· Устройство компенсации постоянной составляющей магнитных помех

В том случае, если частотный спектр информационного сигнала находится в ультранизкой области частот, сопоставимых с 0 Гц, отсекая высокочастотную составляющую, по средствам специальных технических средств (ФНЧ), возникает проблема выделения полезного информационного сигнала на фоне общего низкочастотного спектра.

Источниками таких искажений, служат, как правило, геомагнитное поле Земли и его вариации, а также различные ферромагнитные объекты, располагающиеся в непосредственной близости от магниторезистивного измерительного преобразователя (детали крепежа, корпуса электронных элементов и блоков, разъемы, контакты и т. п.). Исключить влияние данных факторов на результат проведения замеров, технически достаточно сложно.

По этой причине магнитные датчики укомплектовываются специальным компенсирующим магнитным контуром (рис. 6.5), активизируя которой представляется возможным (по принципу суперпозиции) компенсировать постоянную составляющую внешних магнитных наводок.

Магнитная индукция, наводимая данным контуром, будет определяться в соответствии с выражением (6.9), или в соответствии с выражениями (6.11) – (6.12), в зависимости от конкретного варианта реализации компенсирующего элемента.

Таким образом, целесообразное применение описанных выше устройств, позволяет в значительной степени повысить метрологические характеристики как магниторезистивного датчика в частности, так и магнитометрической ИИС, построенной на его основе, в целом.