Czujniki pola magnetycznego

Transkrypt

1 Czujniki pola agnetyznego (opraował: Sławoir Tuańki) Wtęp Czujniki pola agnetyznego przetwarzają ygnał proporjonalny do indukji lub natężenia pola agnetyznego w powietrzu na ygnał elektryzny: napięie, zianę rezytanji, zętotliwość. Ponieważ indukja pola agnetyznego w powietrzu lub próżni jet śiśle powiązana z natężenie tego pola: (1) B (gdzie = 41-7 V/A), to jet w zaadzie obojętne w jakih jednotkah pole agnetyzne jet ierzone. Spotyka ię agnetoetry wykalowane w jednotkah natężenia pola agnetyznego A/, ale powzehniejze jet kalowanie w jednotkah indukji pohodnyh teli, najzęśiej w T. W Pole obowiązuje układ SI (a wię A/ lub T) ale w literaturze aerykańkiej i w środowiku fizyków wiąż używane ą tare jednotki: gau G jako jednotka indukji, i oerted Oe jako jednotka natężenia pola agnetyznego. Tabela 1 przedtawia konwerję iedzy tyi jednotkai. Tabela 1. Wpółzynniki konwerji iędzy najzęśiej używanyi jednotkai agnetyznyi tela T A/ gau G oerted Oe A/ 1, , ,561-3 Oe ,6 1 1 T 1 7, G ,6 1 1 Przy zybkih przelizeniah podtawowyh jednotek ożna toować natępująą regułę: 1 Oe 1 G 1 T 79,6 A/,796 A/ Tabela. Typowe zakrey poiarowe głównyh zujników pola agnetyznego Czujnik Mierzone pole agnetyzne 1nT 1 T 1 T 1 T Pole agnetyzne środowika Z wyjątkie poiarów w pejalnyh poiezzeniah ekranowanyh (toowanyh głównie w badaniah bioagnetyznyh) więkzośi poiarów pola agnetyznego towarzyzy pole środowika, naturalne ziekie oraz wytwarzane przez złowieka. 18,99 18,84 1,31 1,15 45,89 o T 49 T B [T] Belk B B y B z tie [hr] Ry.. Pole agnetyzne ziekie w pobliżu Warzawy kładowe pola, ziana pola w yklu dobowy SQUID SWIATŁOWÓD POMPOWANIE OPTYCZNE REZONANS PROTONOWY CZUJNIK INDUKCYJNY AMR TRANSDUKTOR GMI TMI ALLOTRON GMR POLE ZIEMSKIE Wbrew nazwie zujniki pola agnetyznego tylko w niewielki topniu wykorzytywane ą bezpośrednio do poiaru paraetrów pola agnetyznego. Podtawowe zatoowanie zujników pola agnetyznego (zzególnie hallotronów i agnetorezytorów) to beztykowe poiary przeunięć, prędkośi obrotowej, kąta i prądu. Nieal wzytkie głowie odzytowe toowane przy zapiie inforaji, w paięiah dykowyh i taśowyh to zujniki agnetorezytanyjne. Tabela przedtawia typowe zakrey poiarowe głównyh zujników pola agnetyznego [1-6]. Ry.3. Kierunek pola agnetyznego ziekiego odhylenie od półnoy, wartość kładowej pozioej 1

2 Na ryunku a przedtawiono pole agnetyzne ziekie w pobliżu Warzawy. Pole to kierowane jet pod kąte około 65 do dołu tak wię przy wartośi tego pola rzędu 49 T kładowa pozioa wynoi tylko 19 T. Polka jet w doyć korzytnej ytuaji, gdyż kopa wkazuje rzezywiśie półno pole agnetyzne odhylone jet tylko około na whód (dokładnie na półno pole agnetyzne kierowane jet w pobliżu nazej zahodniej graniy). Na ryunku 3a przedtawiono apę ilutrująa kierunek pola agnetyznego (deklinaję). Rozkład pola agnetyznego nie jet jednorodny w kali globu (ry.3, gdyż na jego wartość ają wpływ także złoża ineralne podza gdy w Pole kładowa pozioa jet około T, to już w pobliżu Indonezji a ona wartość bliko dwukrotnie więkzą. Jak to pokazuje ryunek b pole agnetyzne ziekie zienia ię (około nt w yklu dobowy i około 3 nt roznie). W zaie burzy agnetyznej ziany hwilowe ogą być nawet rzędu pojedynzyh T. Czujniki indukyjne Z danyh przedtawionyh w tabeli wynika, że najbardziej uniweralny jet zujnik indukyjny. I rzezywiśie zujnik ten (ang. earh oil, pik-up oil, B- oil, indution enor) harakteryzuje ię wieloa zaletai. Najważniejzą jet protota działania i kontrukji. Jet to w zaadzie jedyny zujnik, który łatwo ożna wykonać we włany zakreie wytarzy nawinąć ewkę. B E Ry.6. Czujnik indukyjny Czujnik indukyjny wykorzytuje prawo Faraday a. Napięie indukowane w ewe zależy od indukji ziennego pola agnetyznego B int d dt () e z fzb o t Ry.4. Pole agnetyzne wolnozienne zierzone na terenie Politehniki Warzawkiej Obok pola agnetyznego ziekiego ały za towarzyzy na pole agnetyzne wytwarzane przez złowieka głównie o zętotliwośi 5 z (i jej haroniznyh). Ryunek 4 przedtawia wyznazone przez autora ziany pola agnetyznego wolnoziennego (do około 1 z) zierzone agnetoetre tranduktorowy na terenie Politehniki Warzawkiej. Jet ono o wartośi około 5 nt przy zy aleje poniżej dzieięiu nt w godzinah 4 4, a wię kiedy przetają kurować trawaje. Warto zauważyć, że te trawaje kurowały bliko kiloetr od ieja poiaru. Także złowiek, przede wzytki jego yte nerwowy, wytwarza pola agnetyzne. Na ryunku 5 przedtawiono typowe zakrey tyh pól. Wpółzene etody poiarowe uożliwiają poiar pola ózgu (agnetoenefalografi nawet poniżej pojedynzyh ft (fentotetli 1-15 T). Jak nieziernie zułe ą naze urządzenia nieh świadzy prote oblizenie pole rzędu 1 fentoteli powtaje w odległośi k od przewodu przez który przepływa prąd zaledwie 1 A. 1-4 B [T] pole ziekie Warto zwróić uwagę, że we wzorze () nie wytępują paraetry ateriałowe (na ogół będąe źródłe błędów teperaturowyh) tała przetwarzania zależy jedynie od wyiarów (powierzhni ), lizby zwojów z oraz zętotliwośi f. Paraetry te ożna utalić z dużą dokładnośią, a wię zujnik indukyjny jet dokładny zzególnie w przypadku badania pól tałyh kiedy zętotliwość f jet zętotliwośią wyuzonego ruhu zujnika (np. prędkość obrotowa ilnizka zy zętotliwość drgań podłoża kwarowego). Inne ważne zalety zujnika indukyjnego to brak prądu wzbudzenia i eleentów ferroagnetyznyh o pozwala na badania pola agnetyznego praktyznie bezinwazyjne. Wady zujnika indukyjnego to, relatywnie ała zułość (w porównaniu z innyi zujnikai), poiar tylko ygnałów przeiennyh oraz zależność ygnału wyjśiowego od zętotliwośi indukji, o twarza itotne probley przy analizie przebiegów odkztałonyh. Sygnał wyjśiowy zujnika nie zależy wprot od indukji B, ale od jej pohodnej db/dt. Koniezne jet wię toowanie układu ałkująego na wyjśiu zujnika układy takie ogą być źródłe dodatkowyh błędów. U wy dla =ont 1 < < 1 = zuy w ieśie pole era pole oka pole ózgu pole iatkówki oka 3 < f r Ry.7. Zależność zułośi zujnika indukyjnego od zętotliwośi ygnału i rezytanji obiążenia R ( = R /R,R rezytanja zujnik f Ry.5. Pola agnetyzne generowane przez złowieka W elu otrzyania dużej zułośi należy zwiękzać wyiary zujnika i lizbę zwojów. Tak na przykład pierwzy udany ekperyent z przeprowadzenie agnetokardiograu przeprowadzono wykorzytują

3 zujnik indukyjny, w który ewka lizyła bliko ilion zwojów. Ozywiśie lizby zwojów nie ożna zwiękzać bez ogranizeń rozdzielzość zujnika jet bowie liitowana zuai ieplnyi zależnyi od rezytanji ewki. Możliwe jet przeprowadzenie optyalizaji kontrukji zujnika [4]. Szuy zujników indukyjnyh ogą oiągać wartośi nawet poniżej 5 pt/z. Czułość zależy od zętotliwośi typowa zułość optyalizowanego zujnika wynoi 1 V/T przy f =.1 z oraz 5 V/nT przy f = z. Generalnie przyjuje ię, że zujnik indukyjny nieruhoy pozwala na detekje tylko pól przeiennyh. Stoowane obenie zułe wzaniaze pozwalają na wykorzytywanie zujników indukyjnyh nawet przy zętotliwośi,1 z, a wię do poiaru pól quai-tałyh. Ry.8. Czujnik indukyjny; z korektore ałkująy, obiążony ałą rezytanją. Na ryunku 7 przedtawiono typową harakterytykę zętotliwośiową zujnika indukyjnego. W tanie jałowy ( = ) zułość wzrata w przybliżeniu liniowo aż do zętotliwośi rezonanowej f r. Powzehnie toowaną etodą uniezależnienia ię od zian zętotliwośi jet dołązenie na wyjśiu zujnika układu ałkująego (ry.8. Jak wynika w harakterytyk przedtawionyh na ryunku 7 inną (niej znaną) etodą uniezależniania ię od wpływu zętotliwośi na zułość zujnika jet obiążenie zujnika relatywnie ała rezytanją. Na ryunku 8b przedtawiono przykład przetwornika prąd/napięie tanowiąego obiążenie zujnika ałą rezytanją. Czujnik tranduktorowy Czujnika tranduktorowy (ang. flu-gate enor) był opatentowany w 1931 roku i do dziś jet podtawowy zujnikie łabyh pól agnetyznyh. W zaie drugiej wojny światowej był używany do wykrywania łodzi podwodnyh, a w 1958 roku znalazł ię w kooie (na pokładzie Sputnika 3) jako zujnik pola agnetyznego. ' " e ' e " Ry.9. Rozwiązania układowe zujnika tranduktorowego Rdzeń ferroagnetyzny (w potai paka ry.9a lub pierśienia ry.9 jet agneowany do nayenia (pole ). Jeśli zewnętrzne pole agnetyzne jet równe zeru ( = ) to obie połówki okreu napięia wtórnego e ą dokładnie takie ae. Napięie wtórne kłada ię wię tylko ze kładowyh nieparzytyh. Przy założeniu, że napięie agneująe a kztałt trójkąta napięie wtórne dla = opiuje równanie [6]: (3) e e 16 zf 16 zf 3 in in o t 3 o 3t 3... gdzie: f,z, jak we wzorze (), a, paraetry pętli hiterezy odpowiednio natężenie nayenia, tzw. kolano, oraz natężenie koerji. Jeśli teraz pojawi ię zewnętrzne pole agnetyzne to punkt pray na harakterytye agneowania ulegnie przeunięiu o wartość. Obie połówki okreu napięia wtórnego będą różne, o powoduje pojawienie ię w ygnale e haroniznyh parzytyh. Napięia wyjśiowe będą teraz opiywane równaniai (4) e 16 zf 8zf 8zf in e 16 zf in in o t in t in in t... o t... Druga haronizna ygnału wtórnego oże być wię iarą pola. Jeśli połązyć uzwojenia wtórne przeiwobnie (jak na ryunku 9) to kładowe haronizne nieparzyte kopenują ię i na wyjśiu pozotaną tylko kładowe parzyte. Aplituda drugiej haroniznej będzie opiana równanie: (5) E 16zf in Wprowadzają do równania (5) wpółzynnik odagneowania N otrzyujey: (6) E 16zf in 1 N Z równania (6) wynika ważny praktyznie wnioek. Jeśli tylko przenikalność ateriału rdzenia będzie dotateznie duża to równanie to przyjie potać: (7) E zf 1 16 in N 3

4 Tak wię ygnał wyjśiowy nie zależy od właśiwośi ateriału, w ty jego zian teperaturowyh. Podtawiają do równania przybliżoną zależność na N rdzenia w kztałie paka (N 5/l gdzie l jet długośią pak oraz typowa wartość = otrzyujey (8) E 1, 5zf l Z równania (8) wynika, że hą otrzyać dotateznie dużą zułość należy zwiękzać lizbę zwojów z, ale przede wzytki zwiękzać długość rdzenia l. W literaturze ożna znaleźć opi ondy o długośi,5, lizbie zwojów z = 4 i zętotliwośi pray f = 1 kz która harakteryzowała ię zułośią 1 V/nT. Typowe paraetry ondy to: z 1 = z = 1, l = 6, = 3,1, f = 3 kz, I za = 1 A. Taka onda uożliwia otrzyanie zułośi 1 V/nT. Najważniejzą zaletą ondy tranduktorowej jet fakt, że ygnał wyjśiowy jet ygnałe przeienny o określonej zętotliwośi. Można wię go łatwo oddzielić od ygnałów teperaturowego pełzania zera, jak i zuów. Uożliwia to poiar pól agnetyznyh w zakreie 1 nt 1 T z błęde nie więkzy niż %. Przy pozornej protoie kontrukji zujnika i zaady działania zułość i błędy poiaru bardzo zależą od jakośi ateriału agnetyznego (zuy agnetyzne) i preyzji wykonania. Czujnik nadprzewodnikowy SQUID SQUID (Supeonduting Quantu Interferene Devie) tworzy pierśień nadprzewodząy z jedny lub dwoa złązai Joephona (złązai dwóh nadprzewodników przedzielonyh bardzo ienką wartwa izolaji). Jako ateriał nadprzewodnika najzęśiej wykorzytuje ię niob uiezzony w iekły helu. Jeśli przez SQUID przepływa prąd o odpowiedniej wartośi to napięie na ty eleenie zależy od truienia agnetyznego objętego pierśienie w przybliżeniu inuoidalnie, z okree równy kwantowi truienia (ry.1). Kwant truienia (fluon) jet równy = h/e =,71-15 Wb. Przy powierzhni SQUIDu rzędu kilku okre zian napięia wyjśiowego odpowiada indukji,1 1 T. Wykorzytują tylko zboze harakterytyki okreowej U = f() uzykuje ię zułośi rzędu kilkudzieięiu V/nT. I U U wzaniająy jedynie ygnał o zętotliwośi generatora odulująego. Wyjśiowy ygnał prądowy wytwarza pole agnetyzne przężenia zwrotnego SZ (ry.11) zujnik SQUIDowy działa wię jak detektor zera. Sheat blokowy typowego agnetoeteru ze SQUIDe DC przedtawiony jet na ryunku 11. Zailaz DC Krioregion z ewki gradioetru Wz AC Detektor fazozuły Generator Integrator Ry.11. Sheat blokowy agnetoetru ze SQUIDe d O rozdzielzośi zujnika deydują zuy. W dobryh kontrukjah ą one rzędu 1 ft/z. Pozwala to na poiar pól agnetyznyh o wartośiah nawet niejzyh niż 1 ft. Czujnik rezonanowy Czujnik agnetoetru rezonanu protonowego tanowi nazynie wypełnione iezą o dużej zawartośi atoów wodoru, na przykład woda. Nazynie uiezzone jet wewnątrz ewki o oi kierowanej protopadle do ierzonego pola agnetyznego. W pierwzy yklu poiaru przez ewkę przepuzza ię prąd tały polaryzująy iez pole o natężeniu rzędu kilku ka/. Natępnie po wyłązeniu prądu ewkę podłąza ię do wzaniaza (ry.1). Moent agnetyzny protonów wraa ruhe preeyjny do położenia wyjśiowego (zgodnie z kierunkie ierzonego pola agnetyznego) o objawia ię indukowanie w ewe napięia o alejąej aplitudzie i tałej zętotliwośi. Czętotliwość ta zależy od wartośi ierzonego pola przy zy wpółzynnikie proporjonalnośi jet wpółzynnik żyroagnetyzny równy dla rezonanu protonowego =4, Mz/T. Przy poiarze pola agnetyznego ziekiego zętotliwość preeji jet równa zaledwie kilka kz. Wytarza to jednak do poiaru indukji pola agnetyznego z rozdzielzośią lepzą niż 1 nt. Ponadto dzięki dokładnej znajoośi wartośi wpółzynnika żyroagnetyznego ożliwy jet poiar indukji z bardzo dobrą dokładnośią, nawet lepza niż,%. Typowe agnetoetry protonowe uożliwiają odzyt ześiu yfr z otatnia yfrą 1nT lub,1 nt. I GEN Ry.11. Zaada działania SQUIDu d Mierzony truień agnetyzny dotarzany jet do złąza za pośrednitwe tranforatora truienia, którego ewka pierwotna ą dwie (lub więej) ewki w układzie gradioetru. Stoowane ą dwie kontrukje SQUID rf (z jedny złąze Joephon i SQUID d z dwoa złązai. Napięie z pierśienia nadprzewodząego dołązane jet do wzaniaza. Aby eliinować zuy i polepzyć rozdzielzość touje ię wzaniaz hoodynowy z detektore fazozuły B WZM LICZNIK Ry.1. Zaada działania agnetoetru protonowego 4

5 Magnetoetry protonowe ą powzehnie toowane w geofizye oraz przy wykonywaniu ap rozkładu pola (np. przy wykrywaniu złóż lub łodzi podwodnyh). Ih wada jet tounkowo duży roziar zujnika (nazynie o pojenośi,5 l lub 1 l). Inną wadą jet, że w etodzie tej ierzy ię tylko oduł wektora indukji pola agnetyznego. Nieo bardziej złożone kontrukyjnie, ale i zulze ą zujniki wykorzytujae zjawiko Zeeana, tzw. zujniki z popowanie optyzny. Spolaryzowane kołowo światło jet przepuzzane przez nazynie wypełnione parai izotopu ezu, rubidu lub helu. Czętotliwość zwiękzonej aborpji tego światła zależy od wartośi zewnętrznego pola agnetyznego. Tak na przykład wpółzynnik żyroagnetyzny dla Rb 87 wynoi = 6996 Mz/T. (1) R R y k dla ( y + k ) elektrody Barber-pole wartwa peralojowa MR Czujniki agnetorezytanyjne AMR Anizotropowe zjawiko agnetorezytanyjne (AMR) zotało odkryte w 1857 roku przez Thoona (lorda Kelvin, ale zatoowanie w kontrukji zujników znalazło dopiero w latah ześćdzieiątyh XX wieku w wyniku rozwoju tehnologii ienkowartwowyh. Opraowano wiele różnyh kontrukji zujników ienkowartwowyh [3]. Dziś praktyznie tylko kontrukja typu Barber-pole (ry.13) jet wykorzytywana. Zaada działania zujnika AMR Barber-pole jet natępująa. Jeśli pole zewnętrzne = ienka wartwa jet naagneowana w kierunku paka (na kutek wpływu anizotropii indukowanej w proeie wytwarzania wartwy). Mierzone pole jet kierowane protopadle do oi paka (w płazzyźnie wartwy) i powoduje obrót wektora naagneowania. Ziana rezytanji R/R zależy od kąta iędzy kierunkie wektora naagneowania a kierunkie przepływu prądu: R (9) in R Wpółzynnik agnetorezytywnośi dla typowej ienkiej wartwy peralojowej (81/19 NiFe) jet równy ok. %. Kierunek wektora naagneowania zleży od wartośi pola agnetyznego : (1) in y gdzie: kładowa pola protopadła do oi paka, y kładowa pola wzdłuż oi paka, k pole anizotropii (( k = ko +Mt/w), ko pole anizotropii ateriału wartwy (dla peraloju ok. 5 A/), t grubość wartwy, w zerokość paka, M agnetyzaja. Na podtawie równań (9) i (1) zależność ziany rezytanji od pola ożna napiać w potai: (11) R o o R k in 1 y k y k y k gdzie jet kąte iędzy kierunkie wektora naagneowania a kierunkie prądu dla =. Czujnik jet wię liniowy jeśli = 45, gdyż równanie (11) przyjuje wtedy potać: Ry.13. Magnetorezytory typu AMR zujnik Barber-pole, zujnik w układzie otkowy Kontrukja Barber-pole pełnia warunek = 45, gdyż dodatkowe elektrody z ateriału dobrze przewodząego (złoto lub aluiniu) wyuzają kierunek prądu jak to pokazano na ryunku 13a. Prąd przepływająy przez elektrody pełnia dodatkową rolę, wytwarzają pole agnetyzne yo wtępnie podagneowująe wartwę i zabezpiezająe ją przed rozagneowanie. Zwykle ztery agnetorezytory łązy ię w układ otkowy (ry.13, i wówza ygnałe wyjśiowy zujnika jet ziana napięia (ry.14) U wy [V] [ka/] Ry.14. Charakterytyka przetwarzania typowego zujnika typu Barber-pole (zujnik KMZ1B prod. Philip) Czujniki agnetorezytanyjne GMR zawory pinowe Gigantyzny agnetoopór (GMR giant agnetoreitane) wytępuje w zujniku złożony z dwóh ienkih wartw przedzielonyh bardzo ienką przekładką (wartwą) z ateriału przewodząego. W tanie pozątkowy (dla = ) obie wartwy naagneowane ą antyrównolegle. Uiezzenie zujnika w polu agnetyzny powoduje, że obie wartwy ą naagneowane równolegle. Przejśiu od tanu antyrównoległego naagneowania do równoległego 5

6 naagneowania towarzyzy duża zian rezytanji nawet rzędu kilkuet %. Stan pozątkowego naagneowania antyrównoległego ożna uzykać w poób naturalny w agnetorezytorah w któryh przekładka jet bardzo ienka o grubośi kilku atoów. Wówza na kutek przężenia iędzy dwoa wartwai agneują ię one antyrównolegle. W tego typu kontrukjah wykryto zjawiko GMR po raz pierwzy. Ale wartwy ilnie przężone wyagają znaznyh wartośi pola agnetyznego do pokonania tego przężenia. Czujniki takie były wię o ałej zułośi. Dlatego w innej kontrukji, nazwanej zawore pinowy (pin valve) zwiękzono grubość przekładki a naagneowanie antyrównolegle uzykuje ię w poób ztuzny artifiial nanozą na jedną z wartw dodatkową wartwę podagneowująą z antyferroagnetyka (najzęśiej FeMn). przewodzenia. Nietety zjawiko to efektywnie wytępuje tylko w nikih teperaturah i przy ilnyh polah agnetyznyh. Czujniki typu GMI gigantyzna agnetoipedanja W zujnikah typu GMI (giant agnetoipedane) wykorzytuje ię zianę ipedanji ienkiej wartwy lub ienkiego drutu zailanego napięie o zętotliwośi kilkadzieiąt kilkaet Mz. Ziana ipedanji wynika ze ziany głębokośi efektu nakórkowego i ziany przenikalnośi ateriału agnetyznego wraz ze zianą zewnętrznego pola agnetyznego. enor V E out R/R [%] E/E [%] [ka/] [ka/] Ry.16. Czujnik GMI w układzie generatora ( oraz harakterytyka wyjśiowa układu ( Ry.15. Kontrukja i harakterytyka przetwarzania typowego zujnika typu zawór pinowy Na ryunku 15 przedtawiono kontrukję i harakterytykę typowego zujnika typu zawór pinowy. Czujniki te ą obenie najzęśiej toowanyi zujnikai typu GMR. Nie wykazują one tak znaznej ziany rezytanji jak klayzne - naturalne zujniki GMR. Ziana rezytanji jet rzędu kilku do kilkunatu %, ale wytępuje ona przy polah bliko dzieięć razy niejzyh niż w przypadku zujników klayznyh GMR. Kilkanaśie proent to i tak kilkakrotnie więej niż a to ieje w zujnikah AMR. Obenie duże nadziej wiąże ię z pewną nową odianą zujnika typu zawór pinowy z zujnikai typu TMJ (tunnel agneti juntion). W zujnikah tyh przekładkę z ateriału przewodząego zatępuje ię przekładką z izolatora (najzęśiej utlenionego aluiniu Al O 3). W agnetyznyh złązah tunelowyh ziana rezytanji jet rzędu kilkanaśie proent, ale do jej uzykania potrzebne jet pole agnetyzne znaznie niejze niż w przypadku zaworów pinowyh. Czujniki typu TMJ oiągają zułośi konkurenyjne w porównaniu z zujnikai AMR. Wiąż jednak kozty produkji zujników TMJ ą znazne uzykanie wartwy izolatora o grubośi kilku atoów nie jet bowie łatwe. Pewne nadzieje wiązano z zujnikai CMR oloal agnetoreitane. Zjawiko koloalnego agnetooporu wytępuje w ateriałah z grupy zie rzadkih (lantanowah). Jet ono rzezywiśi koloalne ziana rezytanji w praktye od tanu izolaji do tanu Czujnik GMI ożna bezpośrednio włązać w układ generatora Colpitta (ry.16. Ziana ipedanji zujnika powoduje zianę napięia wyjśiowego rzędu kilkuet % (ry.16. Ponadto do uzykania tej ziany wytarzy niewielkie pole zewnętrzne. Dzięki teu zujniki GMI pozwalają uzykać zułośi porównywalne z zujnikai tranduktorowyi przy znaznie tańzej i protzej kontrukji. allotrony Nazwa hallotron pohodzi od nazwika odkrywy zjawika E.. alla, który opiał je po raz pierwzy w 1879 roku. allotrony ą zujnikai pola agnetyznego produkowanyi w ilośi ilionów ztuk hoiaż więkzość tej produkji, to tanie eleenty ygnałowe, a nie zujniki poiarowe. Najważniejze zalet hallotronów to ałe wyiary, w praktye nieinwazyjny harakter poiaru (a eleent jet nieagnetyzny), względna protota kontrukji. Przy relatywnie protej produkji nie udaje ię jednak uzykać odpowiedniej powtarzalnośi harakterytyk i eliinaji błędów teperaturowyh dlatego dobre hallotronowe zujniki poiarowe ą wiąż drogie. Ry.17. Zaada działania hallotronu 6

7 Mehaniz zjawika alla polega na wykorzytaniu ziany drogi przepływu prądu w eleenie na kutek oddziaływania pola agnetyznego (oddziaływania iły Lorenz. W wyniku tego oddziaływania na jedny brzegu eleentu groadzą ię ładunki dodatnie, na drugi ujene. Powtała różnia potenjału jet iarą pola agnetyznego, gdyż: (13) E = -R [J B] gdzie R jet wpółzynnikie alla (R = 1/ne, n konentraja elektronów, e ładunek elektronu). Jako ateriał należy wie wykorzytywać związki harakteryzująe ię dużą wartośią R dużą ruhliwośią nośników energii. allotrony najzęśiej wytwarza ię z odpowiednio doiezkowanyh InSb, InGaA, Si, GaA. Czułość hallotronu jet rzędu.1 1 V/T o powoduje, że najwiękze zatoowanie znajdują one w obzarze pól ilnyh, powyżej 1 T. Rozdzielzość ogranizona jet zuai i teperaturowy pełzanie zera poiar pól niejzyh niż 1T wyaga już toowania dość wyrafinowanyh etod poiarowyh. Itotną zaletą hallotronów jet łatwość ih integraji z innyi eleentai elektroniznyi w jedny obwodzie alony. Dlatego obenie oraz zęśiej potyka ię hallotrony zintegrowane ze wzaniaze, układai korekji zy konentratorai truienia. Czujniki agnetooptyzne W zujnikah agnetooptyznyh wykorzytuje ię zjawiko Faraday'a (kręenie płazzyzny polaryzaji światła przehodząego przez ateriał w wyniku oddziaływania pola agnetyznego) lub zjawiko Kerra (ziana kąta odbiia światł. Szzególnie zjawiko Kerra znalazło zerokie zatoowanie w badaniu ateriałów agnetyznyh ponieważ jet to w praktye jedyna etoda nieinwazyjnego badania rozkładu indukji (naagneowani. Pewne nadzieje wiązano z wykorzytanie światłowodów w eleentah agnetoelatyznyh. Poiarowi podlega ziana drogi światła w światłowodzie uiezzony w płazzu z ateriału agnetoelatyznego. Ponieważ etodai interferoetryznyi ożna ierzyć długość drogi światła z olbrzyią rozdzielzośią zujnik taki uożliwia poiar indukji w zakreie zbliżony do najzulzyh etod SQUIDowyh. Stworzyło to ożliwość detekji bardzo łabyh pól bez konieznośi toowania kriotatów. Ni wię dziwnego, że główny zaintereowany takii zujnikai jet przeył ilitarny do wykrywania łodzi podwodnyh. Poduowanie W przedtawiony wyżej przeglądzie przedtawiono nieal wzytkie najzęśiej aktualnie używane zujniki pola agnetyznego. Zaadniza nowośią otatnih lat ą zujniki z grupy giant GMR, MTJ i GMI. Rzezywiśie zujniki te odnioły pektakularny uke naukowy i koeryjny, ale to za prawą wykorzytania ih jako głowie dykowyh paięi agnetyznyh i eleenty paięi agnetyznyh typu MRAM. W zatoowaniah poiarowyh zujniki te w zaadzie ą ało konkurenyjne w tounku do zujników typu AMR, tranduktorowyh zy hallotronów. Ale trzeba odnotować, że konern Sieen zrezygnował otatnio z produkji agnetorezytorów półprzewodnikowyh zatępują je zujnikai GMR. Dzięki bardzo dużej zianie rezytanji zujniki te ogą praować jako zujniki kąta lub prędkośi obrotowej bez konieznośi toowania wzaniaza (ygnał wyjśiowy rzędu kilkuet V). Można ię podziewać, że zujniki GMI będą poważny konkurente zujników tranduktorowyh dzięki porównywalnej zułośi i protzej kontrukji (ożliwa aowa produkj. Wyraźnie dotrzegalny kierunkie rozwoju zujników pola agnetyznego jet ih iniaturyzaja i integrowanie z elektroniką. Na rynku pojawiły ię na przykład zujniki tranduktorowe w potai układu hybrydowego zawierająego obok eleentu zujnika (wykonanego w tehnie ienkowartwowej) także układ generatora i detektora fazozułego. Podobnie hallotrony wytępują już doś zęto w potai zintegrowanej np. z układi wzaniaza zy układi korekji. W zaadzie utalił ię pewien tały obzar zatoowań różnyh zujników. Do poiarów pól bardzo ałyh (nt i niej) oraz powzehniej touje ię etody nadprzewodnikowe. Magnetoetry SQUIDowe tają ię oraz tańze i ih używanie whodzi do powzehnej praktyki (nowośią na przykład ą zatoowania tyh zujników w defektokopii). Pola ałe (od nt do T) to obzar zatoowań zujników tranduktorowyh i etod rezonanowyh. Pola średnie (etki T) to zatoowanie zujników agnetorezytanyjnyh AMR. I wrezie pola duże (powyżej 1 T) to zatoowanie hallotronów (i ewentualnie zujników GMR). LITERATURA [1] Ripka P. (ed) Magneti enor and agnetoeter, Arteh oue, 1 [] Boll R, Overhott K.J. (ed) - Magneti enor, VC Publ, 1989 [3] Tuańki S. Thin fil agnetoreitive enor, IOP Publ., 1 [4] Tuańki S. Analiza ożliwośi zatoowania agnetoetrów indukyjnyh do poiaru indukji łabyh pól agnetyznyh, Przegl. Elektr,. N.4 (1986), [5] Tuańki S. Właśiwośi tranduktorowyh ierników łabyh pól agnetyznyh, Rozpr. Elektr., 3 (1986), [6] Popovi R.S., Flanagan J.A., Bee P.A. The future of agneti enor, Senor and Atuator, A56 (1996), WYKONANIE ĆWICZENIA Cele ćwizenia jet zbadanie zujnika agnetorezytanyjnwego AMR typ KMZ1B firy Philip, wykalowanie tego zujnika, a otateznie poiar kładowyh pola agnetyznego ziekiego przy wykorzytaniu wykalowanego zujnika. Opi tanowika badawzego. Stanowiko badawze kłada ię z trójoiowej ewki elholtza (trzy wzajenie protopadłe ewki), zailazy ewek, zailaza 5V do zailania zujnika, woltoierzy yfrowyh, rezytorów dekadowyh oraz rejetratora XY. Stanowiko poiarowe przedtawione jet na ryunku 18 (pokazano tylko dwie ewki). Sygnał wyjśiowy zujnika zailanego z zailaza 5V podawany jet na wejśie Y rejetratora Y/X. Na wejie X rejetratora oże być podawane napięie proporjonalne do pola agnetyznego (padek napięia na rezytorze R) lub proporjonalne do pola y 7

8 (padek napięia na rezytorze Ry). Pole agnetyzne wytwarzane jet przez ewki elholtza. Tak wię ożliwe jet (przy wykorzytaniu rejetrator kreślenie zależnośi Uwy=f() lub Uwy=f(y). zailaz y Ry zailaz 5V zujnik rejetrator y/ y R zailaz Ry.18. Stanowiko do badania zujnika pola agnetyznego Czujnik KMZ1B Budowę zujnika przedtawiono na ryunku 19a. Czujnik o wyiarah ok. 1 1 kłada ię z ztereh agnetorezytorów połązonyh w układ otkowy. Tak wię przy zailaniu zujnika tały napięie (ok. 5V) na wyjśiu zujnika (na wyjśiu układu otkowego) otrzyujey napięiowy ygnał wyjśiowy. Czujnik uiezzony jet w obudowie o wyiarah 4 5 oznazenie wyjść przedtawione jet na ryunku 19b zailanie zujnika dołązay do nóżek i 4 (do nóżki zwartej plu), wyjśie zujnika jet z nóżek 1 i 3. ) MR hip out+ GND out- V Ry. 19. Kontrukja zujnika KMZ1B 8

9 Uwaga: badany zujnik agnetorezytanyjny KMZ1B reaguje na pole (w kierunku ). W zaadzie zujnik powinien praować prawidłowo, to znazy po uiezzeniu go w polu ka/ na wyjśiu zujnika powinno pojawić ię napięie o wartośi ok. V/(KA/). Jeśli jednak zujnik zotanie przeiążony to oże ule rozagneowaniu i powrót do noralnej pray natąpi po długi zaie. Aby tego uniknąć przed wykonanie ćwizenia i w trakie, gdy zajdzie podejrzenie, że zujnik zotał przeiążony należy przywróić noralny tan pray przez naagneowanie zujnika zwykły agnee trwały (zgodnie z intrukją znajdująą ię przy tanowiku). 4 Uwy [V] 8 Uwy [A/] [ka/] Uza = 5V Ry.. Typowe harakterytyki Uwy=f() zujnika KMZ1B Na ryunku przedtawiono typowe harakterytyki Uwy=f() zujnika KMZ1B. Jeśli pole ierzone nie przekraza wartośi 1 ka/ harakterytyka jet w przybliżeniu liniowa. Powyżej ok. ka/ zujnik ulega rozagneowaniu. Ponieważ ygnał zujnika zależy od kładowyh pola natępująo: U wy S k y (gdzie S jet wpółzynnikie zułośi, a k jet paraetre ateriałowy) to napięie wyjśiowe zależy tez od kładowej pola y. I więkze jet pole y ty zułość zujnika jet niejza, ale za to poprawia ię liniowość i powtarzalność. Dlatego niekiedy produent zalea podagneowanie zujnika tałe pole dodatkowy y o zabezpieza zujnik przed rozagneowanie (dlatego pole to niekiedy nazywane jet pole tabilizująy). Teoretyznie dla = ygnał wyjśiowy powinien nie zależeć od wartośi pola y. Tyzae w zujnikah rzezywityh ygnał wyjśiowy jet równy zeru tylko dla ałyh wartośi y, po przekrozeniu pewnej krytyznej wartośi na wyjśiu zujnika oże pojawić ię ygnał napięiowy. Ilutruje to ryunek 1. Uwy [V],6,5,4,3,, y [A/] Ry.1. Typowa harakterytyka Uwy=f(y) dla = zujnika KMZ1B Proponowany progra ćwizenia 1. Podłązyć zujnik i wyznazyć zależność Uwy=f() dla różnyh wartośi pola y.. Wyznazyć zależność Uwy=f(y) dla różnyh wartośi pola. 3. Na podtawie harakterytyki z pkt. kopenować pole ziekie (zailają odpowiednią ekje ewek elholtza dodatkowy napięie) 4. Wykalować zujnik 5. Przy wykorzytaniu wykalowanego zujnika określić kładowe i kierunki ziekiego pola agnetyznego. 9