11.2 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

11.2 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Преобразователь магнитного поля (ПМП) является основным элементом любого изделия микромагнитоэлектроники и широкого круга наиболее распространенных технических измерительных устройств. ПМП преобразует магнитный поток в электрический сигнал.

Преобразователь магнитного поля представляет собой магниточувствительный  элемент (МЧЭ), размещенный на подложке-держателе и снабженный выводам необходимыми для соединения с электронной схемой усиления и обработки  сигнала (рис.11.12).«МЧЭ является частью изделия, осуществляющей функцию восприятия контролируемых  параметров среды или объекта и адекватного преобразования их   значений в значения собственных электрических параметров» .

Магниточувствительный элемент изготавливается из материала, изменяющего свои свойства при воздействии внешнего магнитного поля. При создании магниточувствительных элементов используются различные физические явления, происходящие в полупроводниках и металлах при взаимодействии их с магнитным полем (МП).

Наиболее известны МЧЭ, использующие эффекты Холла и Гаусса, магнитосопротивления, а также магнитодиодный и магнитогальвано-рекомбинационный эффекты и др.

Наибольшим спросом пользуются МЧЭ, реализованные в виде элементов Хол­ла, магниторезисторов, магнитодиодов и магнитотранзисторов.

Каждый из перечисленных магниточувствительных элементов имеет опреде­ленный набор параметров и характеристик, преимуществ и особенностей, кото­рые должны учитываться при проектировании, как преобразователей магнитного поля, так и аппаратуры.

Основным критерием, характеризующим преобразователь магнитного поля, является его выходная характеристика, определяющая зависимость выходного сигнала ПМП от величины индукции воздействующего магнитного поля.

Коэффициент нелинейности преобразования ПМП определяют графическим путем, для чего используют характеристику, приведенную на рис. .

Через начало координат выходной характеристики проводят прямую таким образом, чтобы максимальное отклонение (ε) над прямой и под ней по возможно­сти было одинаковым (рис.11.13 в). Например, для элементов Холла это соответ­ствует использованию оптимального сопротивления нагрузки, когда

Rн = Rопт . Максимальное отклонение вычисляется по следующей формуле:

                          ε =△Uвых=U1-U2.                           (11.29)

Коэффициент нелинейности △F характеристики определяется по выходной характеристике чувствительности (рис. ):

                       △F =( ε / Uвых макс)х100%                  (11.30)                                    

где Uвых макс – напряжение на выходе ПМП при В=Вмакс.

По характеристике, приведенной на рис.11.14, определяют диапазон индукций магнитного поля, в котором характеристика преобразователя линейна. Этот диа­пазон лежит в пределах от – Вмакс – до + Вмакс. Величина динамического диапазона Dв рассчитывается по формуле :

                     Dв=Вмакс/Вмин                                                (11.31)

Вмакс

Рис.11.13. Выходная характеристика преобразователя магнитного поля

К основным параметрам ,определяющим выбор и основные характеристики преобразователей магнитного поля относятся.

1.Номинальное напряжение питания Un (В),приложенное к входным выводам преобразователя и обеспечивающее его номинальные параметры при длительной работе.

2.Номинальное значение тока управления Iуп.ном (мА),значение тока управления ,протекающего через преобразователь при номинальном напряжении питания. То-есть тока, протекание которого через магниточувствительный элемент ,находящийся в воздушной  среде ,не вызывает его нагрева выше чем на 10-150С температуры окружающей среды.

3.Максимальное значение тока управления Iуп.макс (мА),максимальный ток при котором возможна длительная работа преобразователя. Это значение определяется условиями эксплуатации, т.е. условиями теплоотвода и температурой окружающей среды .а также максимально допустимой температурой нагрева магниточувствительного элемента.

4.Максимальная электрическая мощность ,рассеиваемая преобразователем Рмакс (Вт),мощность при которой отклонение параметров преобразователей от номинальных значений не превышает установленных пределов при длительной работе.

5.Номинальное значение индукции управляющего магнитного поля Вном (Тл).Предельное значение индукции управляющего магнитного поля , гарантирующее заданную линейность преобразования.

6.Предельный интервал индукций управляющего магнитного поля Вмакс (Тл).Максимальное значение индукции магнитного поля , при котором нелинейность преобразования не превышает установленной в паспорте нормы. Определяется графическим путём по энергетической характеристике преобразователя в рабочем диапазоне индукций управляющего магнитного поля от–Вмакс до +Вмакс.

7.Порог чувствительности Вn (Тл).Среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на магнитный элемент модулированного магнитного потока, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала  равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока.

8.Порог чувствительности в единичной полосе пропускания Bm.Порог чувствительности преобразователя магнитного поля ,приведенный к единичной полосе частот усилителя сигнала  элемента. Он определяет минимальный уровень магнитного поля ,регистрируемый преобразователем магнитного поля при соотношении сигнал/шум равном единице Bn 1= Bn /△f.

9.Интервал рабочих температур Траб .Интервал рабочих температур окружающей среды ,при котором гарантируются параметры преобразователя.                                                                                      При разработке высокочувствительной аппаратуры для регистрации магнитных по­лей наиболее существенными являются пороговые характеристики МЧЭ. Минимальный порог чувствительности преобразователя регламентируется так называемой «мертвой зоной», расположенной в диапазоне от –Вмин, до +Вмин (Рис 11.14).

Рис.11.14.Определение динамического диапазона преобразователя магнитного поля

Эта зона для различных типов преобразователей магнитного поля определяется их параметрами и характеристиками. Например, для элемента Холла «мертвая зона» регламентируется величиной его остаточного напряжения Uост и уровнем его собственных шумов.В таблице  11 .1 приведены наиболее распространенные типы преобразователей маг­нитного поля, используемые в изделиях микромагнитоэлектроники.

В зависимости от режимов работы ПМП, магнитоэлектронные  устройства можно условно разделить на три группы.

Назначением ПМП первой группы является индикация магнитной индукции. Функция преобразования может быть нелинейной, однако чувствительность ПМП к магнитному полю должна быть по возможности более высокой. В данной группе устройств используются элементы Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, ГМР преоб­разователи и магнитотранзисторы, причем нельзя однозначно сказать, что какой-либо из этих преобразователей предпочтителен. Вопрос выбора конкретного вида решается на основании сопоставления функционального назначения магнитоэлектронного устрой­ства. а также исходя из конструктивных, технологических, экономических и других сооб­ражений.

             Таблица.11.1.   Наиболее распространенные типы

                                     преобразователей магнитного поля.

К первой группе магнитоэлектронных устройств относятся бесконтактные реле; инди­каторы положения перемещающихся объектов; бесконтактные клавиши для ручного вво­да информации; преобразователи угла поворота типа «угол-код»; бесколлекторные дви­гатели постоянного тока; считывающие элементы в твердотельных запоминающих, переключающих и логических устройствах, использующих цилиндрические магнитные домены; бесконтактные коммутаторы и др.

Ко второй группе относятся магнитоэлектронные устройства, в которых преобразова­тели магнитного поля служат для измерения магнитной индукции, воздействующей на них. В этом случае выходной сигнал ПМП должен быть прямо пропорционален значению магнитной индукции, что требует линейности функции преобразования. С учетом свойств ПМП наиболее предпочтительным для этой группы является использование элементов Холла, а также магниторезисторов и ГМР преобразователей.

К указанной группе магнитоэлектронных устройств относятся измерители напряжен­ности магнитных полей; измерители электрических токов и напряжений; измерители очень малых перемещений; устройства для магнитодефектоскопии; воспроизводящие магнитофонные головки; головки для считывания информации, записанной на магнит­ных носителях, и др.

К третьей группе относятся устройства, в которых используется свойство ПМП служить аналоговым перемножителем двух подаваемых на его вход электрических сигналов. Пе­ремножительные свойства ПМП эффективно используются при построении аналоговых математических блоков, реализующих помимо операции перемножения двух величин также операции возведения в степень, извлечения корня, деления.

К этой же группе относятся измерители электрической мощности и энергии; измерите­ли механической мощности; измерители электромагнитной мощности электрических машин; смесители и преобразователи частот; анализаторы периодических и случайных процессов и др.