Преобразователи на основе эффекта Виганда

Принцип действия датчика основан на эффекте Виганда [2, 4]. Этот эффект проявляется в том, что если ферромагнитную проволоку, имеющую специальный химический состав и физическую структуру, внести в магнитное поле, то при превышении определенного значения величины МП направление намагничивания спонтанно изменится. Этот порог называется порогом зажигания. Изменение состояния проволоки можно регистрировать с помощью обмотки, намотанной вокруг проволоки или размещенной рядом с ней.

Рис. 29. Датчик Виганда

Пример конструкции простейшего датчика Виганда показан на рис. 29. Датчик состоит из проволоки Виганда 2, на которую намотана обмотка из тонкого провода 1 (обычно более тысячи витков). Если величина внешнего МП превысит порог зажигания, то в обмотке возникнет импульс напряжения амплитудой несколько вольт и длительностью .

Таким образом, датчики Виганда не требуют какого-либо вспомогательного источника энергии, их выходной сигнал практически не зависит от частоты изменения поля.

Рис. 30. Структура проволоки Виганда

Магнитно-бистабильная проволока Виганда изготавливается из сплава «Викалой» (10 % V, 52 % Co, 38 % Fe). Точный состав материала проволоки, как правило, является секретом фирмы. Проволока Виганда (рис. 30) представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины 2 и магнитотвердой внешней оболочки 1, окружающей сердцевину. Получение такой структуры достигается за счет использования специальной технологии изготовления. Обычно диаметр проволоки составляет , длина от 5 до 40 мм.

На рис. 31 показано изменение во времени импульса, возникшего в обмотке датчика Виганда (нижний график), при превышении величины порога зажигания внешнего МП (верхний график). Амплитуда и длительность импульсов не зависят от скорости изменения магнитного поля, так что датчики указанного типа могут применяться даже при скоростях, близких к нулю. Поэтому индуктивные методы уступают в таких случаях данному способу измерения. Обычно порог зажигания равен нескольким мТл.

Рис. 31. Принцип работы датчика Виганда

Достоинствами датчика Виганда являются: отсутствие вспомогательного источника энергии, большая величина сигнала, независимость величины выходного сигнала от скорости изменения величины МП, широкий температурный диапазон применения.

Датчики Виганда можно использовать как индикаторы наличия или отсутствия МП. Их широко применяют в измерительных системах и устройствах контроля.

Магнитоиндуктивные

Магнитоиндуктивные датчики относительно новы. Первый патент на них выдан в 1989 году [патент получен фирмой Precision Navigation Inc. (США)] [24]. В последнее время они получили очень широкое применение.

Этот датчик прост, содержит всего одну обмотку, намотанную на ферромагнитном сердечнике, который изменяет свою относительную магнитную проницаемость даже под воздействием небольшого МП Земли. Изменение магнитной проницаемости от величины внешнего поля вызвано нелинейной зависимостью индукции в ферромагнетике сердечника от напряженности МП (рис. 10). Таким образом, под воздействием внешнего МП изменяется индуктивность катушки датчика. Если такую индуктивность использовать как времязадающую цепь в генераторе, то частота генератора будет изменяться от величины внешнего МП.

Рис. 32. Магнитоиндуктивный датчик

Пример релаксационного генератора приведен на рис. 32. Магнитоиндуктивный датчик включен в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя (ОУ или компаратора) и является времязадающим элементом генератора. Резистор создает ток смещения в катушке , среднее значение которого равно . Этот ток создает в сердечнике датчика постоянное подмагничивающее поле, смещающее рабочую точку ферромагнетика датчика в область, где зависимость величины индуктивности от величины внешнего МП становится линейной. Условия генерации в этой схеме возникают благодаря положительной обратной связи, образованной резисторами и . Изменение индукции воздействующего МП приводит к изменению частоты выходного сигнала генератора. Причем поворот датчика на 90° относительно линий индукции МП может вызвать изменение частоты до 100 %. Импульсный выходной сигнал датчика может быть подан непосредственно на вход таймера/счетчика микроконтроллера, где программно производится пересчет частоты измеренного сигнала в величину индукции измеряемого МП.

Магнитоиндуктивные датчики просты в конструкции, недороги, потребляют небольшую мощность. К недостаткам датчика можно отнести относительно небольшой температурный диапазон измерений (от –20 до 70 °C), плохую повторяемость датчиков, из-за чего приходится каждый датчик индивидуально тарировать (разброс ±0,2 мТл), и относительно невысокую точность измерения.

Ведущим производителем магнитоиндуктивных датчиков и устройств на их основе является фирма Preсision Navigation Inc. Динамический диапазон измерения выпускаемых этой фирмой датчиков лежит в пределах 1 ÷ 200 мТл при разрешающей способности»0,01 мТл. Наиболее широко эти датчики применяют для построения электронных компасов.