Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1589 / 255 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 12:

Магнитные сенсоры. Сенсоры на сквидах. Индуктивные сенсоры

Ответы

Ответы на вопросы

1. К классу электромагнитных относятся сенсоры, в которых первичные сигналы об исследуемом объекте или явлении возникают в виде изменения магнитного поля или в виде сигналов электромагнитной индукции.

2. Радиоволны по длине волны разделяют на диапазоны:

  • длинных волн (ДВ, длина волны 1...10 км, частота 300...30 кГц);
  • средних волн (СВ, длина волны 100...1000 м, частота 3...0,3 МГц);
  • коротких волн (КВ, длина волны 10...100 м, частота 30...3 МГц);
  • ультракоротких или метровых волн (УКВ, длина волны 1...10 м, частота 300...30 МГц, англ. VHF - Very High Frequecy);
  • дециметровых волн (англ. UHF - Ultra High Frequecy, длина волны 1...10 дм, частота 3000...300 МГц);
  • сантиметровых волн (длина волны 1...10 см, частота 30...3 ГГц);
  • миллиметровых волн (длина волны 1...10 мм, частота 300...30 ГГц).

3. Магнитодиагностика – это методика контроля механических свойств и микроструктуры материалов, соблюдения технологических режимов их изготовления посредством измерения их магнитных свойств.

4. Примерами интеллектуальных магнитных сенсоров являются устройства магнитной памяти, аудио- и видеомагнитофоны, устройства для считывания информации с магнитных дорожек пластиковых карточек и т.п.

5. Термин "сквид" происходит от английского названия "Super-conducting Quantum Interference Device" (сокращенно SQUID) и обозначает "сверхпроводящий квантовый интерферометр". Он представляет собой электрический контур из сверхпроводников, разделенный одним или двумя переходами Джозефсона. Сквид весьма чувствителен к изменениям внешнего магнитного поля.

6. "Магнитокардиограф" – это интеллектуальный магнитный сенсор, позволяющий отслеживать незначительные изменения магнитного поля, связанные с работой сердца, и точнее диагностировать на основе этого функционирование сердца пациента. Поскольку изменения магнитного поля, связанные с работой сердца, весьма малы, то для их улавливания применяют сверхпроводящие магнитометры на сквидах.

7. "Магнитоэнцефалограф" – это интеллектуальный магнитный сенсор, позволяющий отслеживать незначительные изменения магнитного поля, связанные с работой мозга, и точнее диагностировать на основе этого функционирование головного мозга пациента. Поскольку изменения магнитного поля, связанные с работой мозга, весьма малы, то для их улавливания применяют сверхпроводящие магнитометры на сквидах.

8. "Сканирующий сквид-микроскоп" – это интеллектуальный магнитный сенсор на сквидах, формирующий увеличенное в десятки-сотни раз двух- или трёхмерное изображение магнитного поля исследуемого объекта. По сравнению с традиционными методами магнитной, ультразвуковой и радиографической дефектоскопии сквид-микроскопия, благодаря сверхвысокой чувствительности, позволяет обнаруживать скрытые, значительно меньшие по размерам, глубоко погруженные в материал дефекты, даже под защитным слоем.

9. "Индуктивными" называют сенсоры, в которых для получения первичных электромагнитных информационных сигналов используют свойства катушек индуктивности.

10. Основными видами индуктивных сенсоров являются "поперечные" и "вихревые" индуктивные сенсоры и "дифференциальные трансформаторы".

Ответы к упражнениям

Упражнение 12.1.

Вариант 1. Между скоростью распространения, частотой и длиной волны электромагнитных волн существует известное соотношение: с=\lambda f. Отсюда f = c/\lambda. Поэтому частота радиоволн с длиной волны 1410 м равна f = 3\times 10^8/1410 = 212800 \text{ Гц} = 212,8 \text{ кГц}.

Вариант 2. Период электромагнитных колебаний связан с их частотой соотношением T = 1/f = \lambda / 3\times 10^8. Поэтому у "коротких" радиоволн с длиной волны 16 м период колебаний T = 16 / 3\times 10^8 = 5,333\times 10^{–8} \text{ с} = 53,33 \text{ нс}.

Вариант 3. f = 3\times 10^8/0,03 = 10^{10} \text{ Гц} = 10 \text{ ГГц}.

Вариант 4. f = 3\times 10^8/0,00006 = 5\times 10^{12} \text{ Гц}.

Вариант 5. \lambda = 3\times 10^8/f = 3\times 10^8/(3\times 10^{14}) = 10^{–6} \text{ м} = 1 \text{ мкм}.

Вариант 6. f =  3\times 10^8/(550*10^{–9})= 5,45\times 10^{14} \text{ Гц}.

Вариант 7. T = 15\times 10^{–9}/3\times 10^8 = 5\times 10^{–17} \text{ с}.

Вариант 8. \lambda =  3\times 10^8/(3\times 10^{20}) = 10^{–12} \text{ м} = 1 \text{ пм}.

Упражнение 12.2.

Вариант 1. Магнитодиагностика изделий из железа, стали, чугуна и других ферромагнитных материалов основана на том, что как механические, так и магнитные свойства этих материалов, прямо определяются их составом, микрокристаллической структурой и технологией изготовления. Поэтому, измеряя магнитные свойства таких материалов – магнитную проницаемость, коэрцитивную силу, магнитную индукцию насыщения и т.д., – можно контролировать соблюдение технологических режимов их изготовления, микроструктуру и механические свойства.

Вариант 2. Магнитная дефектоскопия основана на том, что при протягивании контролируемой детали рядом с магнитопроводом величина магнитной индукции в промежутке, где расположен магниточувствительный элемент, заметно изменяется, если внутри этой детали имеются невидимые извне дефекты. Это обусловлено нарушениями однородности материала –наличием пустот, трещин, посторонних включений и связанным с этим изменением конфигурации пронизывающего деталь магнитного поля.

Вариант 3. Для проведения магнитоструктурного анализа снимается полная кривая гистерезиса контролируемого материала или её характерные участки. Для этого под управлением микропроцессора программно изменяется величина напряженности внешнего магнитного поля и измеряется индукция внутреннего магнитного поля. Микропроцессор может построить и вывести на дисплей всю кривую гистерезиса или заданный ее участок, вычислить магнитную проницаемость и коэрцитивную силу материала детали, найти магнитную индукцию насыщения и т.п. Основываясь на этих данных, он может выдавать и определенные диагностические выводы. Взаимодействуя с пользователем, микропроцессор может подготовить и вывести на печать готовый протокол анализа, передать накопленные данные внешнему компьютеру или в компьютерную сеть.

Вариант 4. Аббревиатура "ЭМР" расшифровывается как "экстраординарный магниторезистивный эффект". Он уже используется в считывающих головках для сверхбыстрой и сверхбольшой магнитной памяти. Преимущества, которые он даёт, состоят в возможности очень быстрого считывания данных с весьма малых ячеек памяти. Можно обеспечить плотность считывания до 1015 бит/дюйм2.

Упражнение 12.3.

Вариант 1. При очень низких температурах, ниже т.н. критической температуры (для каждого материала своя), ряд металлов и сплавов становятся сверхпроводящими. В сверхпроводящем состоянии они не оказывают никакого сопротивления протеканию электрического тока. "Спин" – это особая квантовая характеристика частиц, которая может иметь только целые и полуцелые значения и определяет собственный вращательный момент частицы. Сверхпроводимость обусловлена квантовомеханическим взаимодействием между электронами с противоположно направленными "спинами". Благодаря этому взаимодействию при определенных условиях электроны объединяются в устойчивые пары, которые в честь первооткрывателя часто называют "куперовскими парами". Каждая куперовская пара ведет себя как квазичастица с нулевым спином и с электрическим зарядом вдвое больше, чем заряд одного электрона. Спаренные электроны не могут рассеиваться на атомах, ионах, дефектах кристаллической решетки, из-за чего и пропадает электрическое сопротивление.

Вариант 2. На частицы с целым спином не распространяется принцип Паули. Все они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, описываются общей волновой функцией, иначе говоря, являются когерентными. Куперовские пары электронов в сверхпроводнике с нулевым спином как раз и являются такими частицами. Поэтому волновые функции всех куперовских пар могут интерферировать, т.е. синфазно складываться. Это и называют "макроскопической квантовой интерференцией". И если плотность тока остается ниже критической, то в замкнутом контуре из сверхпроводников макроскопическая квантовая интерференция приводит к тому, что суммарный магнитный поток, пронизывающий контур (он состоит из магнитных потоков, обусловленных внешним магнитным полем и электрическим током в контуре), может принимать лишь дискретные значения. Все они кратны величине \Phi_0 = h/(2e) = 2,07\times 10^{–15}\text{ Вб}, где h – известная постоянная Планка, e – электрический заряд электрона. Эту величину называют квантом магнитного потока.

Вариант 3. Основные типы переходов Джозефсона: а) переход типа SIS (сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник) – чаще всего это очень тонкий (толщиной около 2 нм) слой окисла между двумя пленочными сверхпроводниками; б) переход типа SNS (сверхпроводник – нормальный металл – сверхпроводник) – слой нормального металла может иметь толщину порядка 10 нм; в) переход типа "мостик" – узкая перемычка между двумя относительно широкими пленочными сверхпроводниками. В качестве сверхпроводников при создании переходов Джозефсона чаще всего используют ниобий и его соединения.

Вариант 4. Пары связанных электронов могут проходить сквозь тонкий переход Джозефсона (ПД) благодаря туннельному эффекту. Джозефсон обнаружил, что, если ток через переход не превышает некоторое критическое значение I_c, то сверхпроводимость не разрушается, и падение напряжения на переходе равно нулю. Вследствие макроскопической интерференции между волновыми функциями куперовских пар с двух сторон ПД устанавливается постоянная разность фаз \varphi, которая и определяет величину сверхпроводящего электрического тока через ПД: I=I_c\sin\varphi. Если величина электрического тока через ПД превышает критическое значение, то на ПД появляется не нулевое напряжение U, которое синусоидально зависит от магнитного потока, пронизывающего сквид. Если к ПД в сверхпроводящем состоянии приложить постоянное напряжение U, то через ПД течет переменный ток с частотой, пропорциональной приложенному напряжению:

\omega=2eU/\hbar\approx 483.6\text{ (МГц/мкВ) }U.

Упражнение 12.4.

Вариант 1. Различают сверхпроводящие магнитометры на сквидах постоянного и переменного тока. Типичная функциональная схема сверхпроводящего магнитометра на сквиде постоянного тока показана на рисунке:


Через сквид 1 от источника 2 пропускают постоянную составляющую электрического тока ("транспортный ток"). Когда этот ток превышает критическое значение I_c, то на ПД появляется напряжение U, которое измеряет узел 3. Зависимость этого напряжения от магнитного потока, пронизывающего сквид, показана справа. Из неё видно, что, измеряя напряжение на сквиде 1 с помощью электронного узла 3, можно определять величину магнитного потока с точностью до долей магнитного кванта. Регулируя постоянный ток от источника 2, можно подбирать средний уровень напряжения на сквиде, а с помощью катушки подмагничивания 4, можно выбрать наиболее удобное расположение рабочей точки на шкале магнитного потока или пропорциональной ему магнитной индукции.

Используют и вариант работы, когда на катушку 4 от узла 3 подается небольшой модулированный переменный ток. Тогда напряжение на выходе сквида пульсирует с той же частотой, а амплитуда пульсаций зависит от потока магнитной индукции сквозь контур сквида. При фиксированной площади сквида это будет зависимость от проекции вектора магнитной индукции на нормаль к его плоскости.

Вариант 2. Различают сверхпроводящие магнитометры на сквидах постоянного и переменного тока. Принцип действия сверхпроводящего магнитометра на сквиде переменного тока объясняет рисунок:


Здесь используют сквид 1 с одним ПД, возле которого размещают колебательный контур 2. Между ними возникает индуктивная связь, показанная штриховой стрелкой. На колебательный контур от генератора 3 подают переменный ток с частотой, близкой к резонансной частоте контура. В этом случае импеданс контура 2 становится очень чувствительным к изменениям внешнего магнитного потока \Phi, пронизывающего сквид. Выходным сигналом является падение переменного напряжения на контуре.

Вариант 3. Пациента укладывают на койку, которую можно перемещать так, чтобы точно установить магнитометры в нужную позицию относительно сердца пациента. Сверхпроводящие магнитометры на сквидах находятся в криостате, установленном над койкой, на которой лежит пациент. Параллельно с записью магнитокардиограммы регистрируют электрокардиограмму. Опорные сигналы ЭКГ поступают в ПК и в электронный блок, где используются для фильтрации магнитных сигналов и выделения только тех из них, которые синхронизированы с работой сердца. Магнитные сигналы принимаются многоканальным магнитометром на сквидах, расположенных в четырех или более разных точках. Компьютер по этим данным сначала строит магнитокардиограммы, синхронизированные с электрокардиограммой и усредненные по нескольким последовательным сердечным циклам. Вычисляет ряд заданных медико-диагностических параметров, которые характеризуют динамику работы участков сердца, нарушение сердечных ритмов и т.п. Затем на компьютере численно решается так называемая "обратная задача" теории поля. Исходя из пространственного распределения магнитного поля, находится пространственное распределение его источников. По этим данным строятся и выводятся на экран монитора изображения электрических токов, которые и являются источниками магнитного поля, в соответствующем сечении сердечной мышцы в разных фазах сердечного цикла. Это позволяет надежно определить локализацию в сердце аритмогенных зон и т.д.

Вариант 4. Исследуемый образец устанавливают на прецизионный координатный стол сквид-микроскопа. Рядом с образцом, на минимальном расстоянии от него, находятся микроминиатюрные магнитометры на сквидах. Сигналы от них подаются в электронный блок, где усиливаются, фильтруются, обрабатываются и в виде цифровых кодов передаются в микрокомпьютер. По команде оператора компьютер организует перемещения координатного стола, на котором установлен образец, вдоль координат Х и Y. При этом на экране монитора формируется увеличенное в десятки-сотни раз двух- или трёхмерное изображение магнитного поля объекта. Сквид-микроскопия позволяет обнаруживать в объекте мельчайшие магнитные неоднородности, очень слабые коррозионные и вихревые электрические токи. С ее помощью тестируют самые ответственные детали турбин, ракет, самолетов, осуществляют магнитные исследования геологических, минералогических, археологических образцов и проверяют, например, подлинность купюр или важнейших документов, на которые специальными магнитными чернилами нанесены скрытые знаки. "Активная сквид-микроскопия" состоит в том, что в исследуемом образце гальваническими, индукционными или другими методами специально возбуждают электрические или магнитные поля и изучают реакции объекта на них. Это позволяет снимать карты токов, которые текут в многослойных электронных платах и в микросхемах, детально исследуя их функционирование.

Упражнение 12.5.

Вариант 1. В "поперечном" индуктивном сенсоре катушка индуктивности намотана на полукольце из феррита. Когда через катушку пропускают электрический ток, то магнитное поле, выходящее из открытых торцов полукольца, пронизывает часть близлежащего пространства. Если в эту чувствительную зону попадает объект из ферромагнитного материала, то он изменяет конфигурацию магнитного поля, вследствие этого изменяется индуктивность катушки. Это фиксируется измерителем индуктивности. Чем ближе объект к сердечнику, тем лучше замыкает он магнитный поток, тем больше индуктивность катушки. Такого рода сенсоры с успехом применяют, например, для восприятия закрывания/открывания дверей, ворот, крышек, приближения объектов из ферромагнитных материалов и т.д. К этому виду сенсоров относятся и традиционные индуктивные головки для считывания информации с магнитных носителей.

Вариант 2. "Дифференциальный трансформатор" состоит из одной первичной обмотки и двух вторичных с одинаковым числом витков, намотанных навстречу друг другу. На первичную обмотку подают переменное напряжение, которое наводит во вторичных катушках переменные напряжения с противоположной фазой. Исходное положение первичной катушки регулируют так, чтобы суммарное напряжение на выходе последовательно соединенных вторичных катушек стало равным нулю. Если первичная катушка индуктивности начинает перемещаться, то напряжения во вторичных катушках становятся разными, и на выходе дифференциального трансформатора появляется напряжение, отличающееся от нуля. Его величина и фаза являются функциями от координаты первичной катушки. В другом варианте между катушками может попадать и перемещаться ферромагнитная деталь. Тогда индуктивная связь первичной катушки с вторичными изменяется, и на выходе дифференциального трансформатора опять-таки появляется отличный от нуля сигнал. Если есть два объекта, и надо контролировать симметрию их взаимного положения, то вторичные обмотки кинематически связывают с каждым из них, а первичная катушка остается неподвижной.

Вариант 3. В "вихревом" индуктивном сенсоре катушка индуктивности вставляется внутрь круглого ферритового сердечника без замыкающей магнитопровод ферритовой крышки. Катушка является составной частью колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Колебания магнитного поля из открытой стороны ферритового сердечника выходят наружу и остаются довольно сильными до расстояний порядка радиуса сердечника. Если в эту "зону чувствительности" попадает электропроводящий предмет, то в нем индуцируются вихревые электрические токи, которые отбирают часть энергии из колебательного контура. Из-за этого амплитуда колебаний уменьшается. Это уменьшение можно измерять и формировать выходные сигналы, зависящие от расстояния до предмета, от его размеров и от его электропроводности. На этом принципе построены сенсоры приближения предметов из любых электропроводящих материалов. Можно также измерять толщину этих материалов, их электрическое сопротивление, обнаруживать дефекты в металлических изделиях и т.д.

Вариант 4. На вал, который надо контролировать, насаживают пластмассовый измерительный диск. На его выступах размещены металлические или ферромагнитные пластины. Когда во время обращения вала они проходят мимо индуктивного сенсора приближения, то на его выходе появляется сигнал. Если пластины имеют разную толщину, размеры или сделаны из разных металлов, то сенсор приближения выдает разные сигналы, по которым можно определить направление вращения вала, фиксировать "начало" нового витка и т.д. Электронная схема, на которую поступают эти сигналы, распознает их и выдает наружу в заданном формате информацию об угловом положении, направлении и скорости обращения вала. Интеллектуальные индуктивные сенсоры, использующие этот принцип, автоматически регулируют режимы работы так, чтобы обеспечить оптимальное функционирование сложных мощных машин.