Патент на изобретение №2211506
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК
(57) Реферат: Изобретение относится к технике магнитометрии и может быть использовано для выделения низкочастотной составляющей амплитудно-модулированного магнитного поля. Технический результат: расширение преобразовательных возможностей датчика с V-образной статической вольт-эрстедной характеристикой за счет непосредственного преобразования амплитудно-модулированного магнитного поля в электрическое напряжение низкой частоты, эквивалентное модулирующему сигналу. Сущность изобретения: параллельно чувствительному элементу датчика, содержащему одну или несколько магниторезистивных полосок, подключен конденсатор соответствующей емкости. На выходе датчика выделяется напряжение с частотой колебаний, равной частоте модулирующего сигнала. 4 ил. Магниторезистивный датчик относится к технике магнитометрии и может быть использован при создании средств контроля и коммуникаций. Известны многослойные тонкопленочные магниторезистивные датчики (МРД), чувствительные элементы которых изготовленны из ферромагнитных сплавов и обладают анизотропным магнитнорезистивным эффектом /1/. Чувствительные элементы такого рода МРД выполняются в виде отдельных напыленных на изоляционном материале МР полосок микронных размеров /2, 3/ и толщиной не более 1 мкм, а также в виде МР полосок, объединенных в мостовую схему /4/. Отдельная МР полоска имеет V-образную статическую вольт-эрстедную характеристику (СВЭХ), а мостовые МРД обладают либо V-образной СВЭХ /4/, либо S-образной (линейной вблизи нуля) /5/. Практически, перечисленные типы МРД используются для преобразования напряженности Н магнитного поля (МП) малого уровня в электрический сигнал. Рабочими участками СВЭХ перечисленных МРД являются линейные и квазилинейные участки. Вследствие этого переменное МП (в общем случае это магнитная составляющая электромагнитного поля) частотой  , преобразуется в напряжение той же частоты. Следовательно, при воздействии МП частотой , амплитудно-модулированного (AM) информационным сигналом низкой частоты  , на выходе МРД образуется AM напряжение той же частоты , с аналогичной модуляцией.
Целью предлагаемого изобретения является расширение преобразовательных возможностей МРД с V-образной СВЭХ за счет непосредственного преобразования АММП высокой частоты в электрическое напряжение низкой частоты, эквивалентное модулирующему сигналу.
Технический результат достигается посредством гальванического подключения параллельно выходу чувствительного элемента в виде МР полоски или в виде мостовой схемы, содержащей одну или несколько МР полосок, конденсатора емкость С.
Выходное сопротивление чувствительного элемента R и емкость С образуют зарядно-разрядную цепочку с постоянной времени  =RC. Величина емкости конденсатора выбирается из следующего условия: 1/R<R, где – циклическая частота несущего колебания магнитного поля, – модулирующая частота колебаний магнитного поля.
Конечным результатом данного технического решения является упрощение схемы демодуляции АММП за счет исключения специального блока амплитудного детектирования. При этом упростилась и схема самого амплитудного детектора, так как разрядная цепь не содержит особого разрядного резистора. Его роль выполняет выходное сопротивление чувственного элемента.
На фиг. 1а представлена электрическая схема МРД с чувствительным элементом в виде одной МР полоски, а на фиг.1б – в виде мостовой схемы.
К магниторезистору (фиг.1а) или к мостовому чувствительному элементу R (фиг. 1б) подводится питающий постоянный ток Iп и воздействующее переменное МП Нп, в общем случае, в сумме с постоянным МП Нz, используемом как магнитное смещение, необходимое для выбора рабочей точки.
Из литературы /6/ известно, что ход кривой V-образной СВЭХ (начальный и средний участки) в аналитической записи может быть представлен как где  R – величина анизотропного МР эффекта, соответствующего воздействующему МП;R0 – максимальная величина анизотропного эффекта;Нн – значение напряженности МП насыщения, приблизительно равное полю анизотропии. Подставим в (1) величину H = Ho+Hм(1+Mcos t)cost, где Нм – амплитуда колебаний МП несущей частоты ; М – коэффициент амплитудной модуляции; – частота модулирующего сигнала.
В результате подстановки появляется HЧ(<<), составляющая изменения сопротивления магниторезистора  Данное выражение представляет собой формулу квадратичного амплитудного детектирования” МП (демодуляции), аналогичную формуле квадратичного детектирования AM электрического сигнала диодом /7/. При воздействии на МРД с V-образной СВЭХ АММП большой амплитуды (фиг.2) образуется AM циклоида выходного напряжения. Подключение фильтрующего элемента (например, конденсатора) к чувствительному элементу позволяет выделить НЧ составляющую. Такое “детектирование” МП аналогично двухполупериодному детектированию электрического AM сигнала посредством диодного моста с НЧ фильтром /7/. На фиг.3 представлена электрическая схема предлагаемого МРД. Чувствительный элемент 1, включающий в себя одну или несколько МР тонкопленочных многослойных ферромагнитных полосок (например, мостовая схема), с суммарной толщиной каждой не более 1 мкм, и имеющий V-образную СВЭХ, запитывается постоянным током Iп. К выходу чувствительного элемента 1 подключен фильтрующий элемент 2, например, конденсатор С. В общем случае фильтрующий элемент 2 может представлять собой законченный функциональный узел – пассивную или активную схему ФНЧ или ПЧ. МРД (фиг. 3) работает следующим образом. На чувствительный элемент 1, содержащий магниторезистор R (МР полоску или мостовую схему) подается постоянный электрический ток питания Iп. При этом появляется напряжение, равное Uвых ==IпR. Воздействие АММП Н=Нм(1+Мcos t) cost на магниторезистор R чувствительного элемента 1 приводит к появлению переменного выходного напряжения Uвых =, содержащего высокочастотные, с частотами, пропорциональными , составляющие и низкочастотную, частотой . Фильтрующий элемент 2, в нашем случае конденсатор С, выбирается таким образом, что на частоте и выше его сопротивление 1/C<.Эпюры напряжений, представленные на фиг.4, иллюстрируют процесс преобразования АММП в НЧ напряжение. Фиг.4а – вид АММП. Фиг.4б – AM циклоида на выходе чувствительного элемента 1. Фиг.4в – эпюра напряжения на выходе фильтрующего элемента 2. Экспериментально, преобразование АММП в НЧ напряжение на одиночной МР полоске из тонкопленочного многослойного ферромагнетика было получено в диапазоне частот от единиц герц до 600МГц. Литература 2. Патент США 5243316, 1993 г. 3. А.с. СССР 1807534. 1991 г. 4. Патент РФ 2066504, 1994 г. 5. Патент РФ 2139602, 1999 г. Формула изобретения Магниторезистивный датчик для выделения низкочастотной составляющей амплитудно-модулированного магнитного поля, содержащий чувствительный элемент в виде одной или нескольких тонкопленочных магниторезистивных полосок и имеющий V-образную статическую вольт-эрстедную характеристику, причем параллельно чувствительному элементу подключен конденсатор с емкостью C, выбранной из условия  где R – сопротивление чувствительного элемента; – несущая частота магнитного поля; – модулирующая частота магнитного поля.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
