Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10297
(13) U
(46) 2014.08.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
G 01N 27/72 (2006.01)
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ
В ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ
(21) Номер заявки: u 20130975
(22) 2013.11.22
(71) Заявитель: Белорусский государст-
венный университет (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексее-
вич (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах, содержащее
сердечник, намагничивающую катушку, охватывающую этот сердечник, коксиально с ней
расположенную немагнитную цилиндрическую подложку, на которой размещен хотя бы
один магниточувствительный преобразователь накладного типа, содержащий пару кон-
тактных площадок для подведения электрических проводов и включающий Г-образный
магнитопровод, контактирующий с ферромагнитным объектом измерений, и магниточув-
ствительный элемент, выполненный в форме круга, а также электрическую схему питания
указанного магниточувствительного преобразователя и регистрации его выходного сигнала,
отличающееся тем, что указанные сердечник, катушка, цилиндрическая подложка с магни-
точувствительным преобразователем выполнены как единое целое с возможностью поворо-
та в диапазоне углов от 0 до 360 угловых градусов в плоскости контролируемого объекта
с электронными датчиками любого типа для определения упомянутого угла поворота,
Фиг. 1
BY10297U2014.08.30

2. BY 10297 U 2014.08.30
2
а указанный магниточувствительный элемент выполнен на основе полупроводниковой
структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом и L-образной вольт-амперной характери-
стикой, частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного
поля, превышающей 30 мТл, но менее 1000 мТл, который размещен в специально выпол-
ненном узком воздушном зазоре соответствующего Г-образного магнитопровода, причем
магниточувствительный элемент электрически соединен через частотный и аналого-
цифровой преобразователи с микропроцессором, а плюс схемы питания источника посто-
янного напряжения подключен к p-области полупроводниковой структуры.
(56)
1. А.с. СССР 1821725, МПК G 01N 27/72, 1993 (прототип).
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 544 с.
ил. (Серия "Учебник") Электронная версия. - С. 87.
3. А.с. СССР SU 1739402, МПК H 01L29/06, 1992.
Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, предназначена для из-
мерения анизотропии свойств ферромагнитных материалов и может быть использована в
электротехнической и металлургической промышленности для контроля качества элек-
тротехнической стали неразрушающим методом, например для определения механиче-
ских напряжений в сталях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является дат-
чик для измерения анизотропии [1] (прототип), который содержит сердечник, намагничи-
вающую катушку, коксиально с ней расположенную немагнитную цилиндрическую
подложку, на которой размещено n тонкопленочных Г-образных магниточувствительных
преобразователей из магнитомягкого материала (магнитоповодов), расположенных ради-
ально по окружности, накладного типа, причем каждый из которых содержит по две пары
контактных площадок для подведения токовых и сигнальных проводов соответственно.
Часть пленочной ветви магнитопровода в форме круга представляет собой чувствитель-
ный к магнитному полю элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла. По
проводам подмагничивающей катушки пропускают заданный ток, а через каждый пла-
нарный элемент Холла, имеющий токовые контакты, пропускается постоянный ток вели-
чины 100-200 мА и снимается с сигнальных проводов ЭДС, пропорциональная величине
индукции магнитного поля в каждом тонкопленочном элементе. Все ЭДС подаются на
масштабирующий усилитель, коэффициенты усиления которого подобраны так, что вы-
ходные сигналы равны между собой для случая измерения изотропного материала кон-
тролируемого материала (ферромагнитного объекта). В случае магнитной анизотропии
магнитные потоки, проходящие по ветвям магнитопровода, изменяются, что и фиксирует-
ся каждым тонкопленочным преобразователем. Число преобразователей выбрано из усло-
вий 36≤n≤360.
Это техническое решение [1] имеет ряд недостатков. Низкая точность измерения ани-
зотропии на маленьких или локальных участках ферромагнитного объекта обуславливает-
ся дискретным числом преобразователей 36≤n≤360, а следовательно, и точек измерений.
Чувствительный к магнитному полю элемент, функционирующий на планарном эффекте
Холла, имеет сравнительно небольшую чувствительность, что требует использования
прецизионной усилительной аппаратуры. Кроме того, к каждому планарному элементу
Холла подводятся по две пары проводов, что усложняет конструкцию в целом и создает
условия для наведения электромагнитных помех, т.е. датчик имеет слабую помехоустой-
чивость к электромагнитным полям. Планарный элемент Холла, выполненный тонкопле-
ночным из магнитомягкого материала, обладает магнитным гистерезисом, который также
снижает точность измерений.

3. BY 10297 U 2014.08.30
3
Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности из-
мерения за счет выполнения непрерывности измерений по крайней мере одним преобра-
зователем, т.е. без использования в конструкции большого числа дискретных идентичных
преобразователей, а также увеличение помехоустойчивости к электромагнитным полям.
Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах содержит сер-
дечник, намагничивающую катушку, охватывающую этот сердечник, коксиально с ней
расположенную немагнитную цилиндрическую подложку, на которой размещен хотя бы
один магниточувствительный преобразователь накладного типа, содержащий пару кон-
тактных площадок для подведения электрических проводов и включающий Г-образный
магнитопровод, контактирующий с ферромагнитным объектом измерений, и магниточув-
ствительный элемент, выполненный в форме круга, а также электрическую схему питания
указанного магниточувствительного преобразователя и регистрации его выходного сигнала.
Оно отличается тем, что указанные сердечник, катушка, цилиндрическая подложка с
магниточувствительным преобразователем выполнены как единое целое с возможностью
поворота в диапазоне углов от 0 до 360 угловых градусов в плоскости контролируемого
объекта с электронными датчиками любого типа для определения упомянутого угла пово-
рота, а указанный магниточувствительный элемент выполнен на основе полупроводнико-
вой структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом [2, 3] и L-образной вольт-амперной
характеристикой, частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции
магнитного поля, превышающей 30 мТл, но менее 1000 мТл, который размещен в специ-
ально выполненном узком воздушном зазоре соответствующего Г-образного магнитопро-
вода, причем магниточувствительный элемент электрически соединен через частотный и
аналого-цифровой преобразователи с микропроцессором, а плюс схемы питания источни-
ка постоянного напряжения подключен к p-области полупроводниковой структуры.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнару-
жено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявля-
емой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить
совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому
результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле
полезной модели.
Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конст-
рукции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой
причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техни-
ки не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности
обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели.
По мнению авторов, устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных мате-
риалах содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих
реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом и
выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует кри-
терию "новизна" по действующему законодательству.
Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-4.
На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство (общий вид).
На фиг. 2 - радиальный разрез.
На фиг. 3 приведена функциональная электрическая блок-схема подключения магни-
точувствительного элемента.
На фиг. 4 приведена зависимость частоты f (B0) частотно-импульсного выходного сиг-
нала магниточувствительного преобразователя от величины индукции магнитного поля
B0, создаваемой намагничивающей катушкой (зависимость I, или градуировочная кривая)
и f (ϕ) - от величины угла поворота ϕ° для двух случаев: изотропного объекта (зависи-
мость II), объекта с локальной анизотропией (зависимость III). Величина Ba - вклад в рас-
пределение магнитного потока, вносимого полем анизотропии.

4. BY 10297 U 2014.08.30
4
Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах содержит маг-
нитомягкий сердечник 1, намагничивающую катушку 2, охватывающую этот сердечник 1,
коксиально с ней расположенную немагнитную цилиндрическую подложку 3, на которой
размещен хотя бы один магниточувствительный преобразователь накладного типа, со-
держащий пару контактных площадок для подведения электрических проводов и вклю-
чающий Г-образный магнитопровод 4, контактирующий с ферромагнитным объектом 5, и
магниточувствительный элемент 6, выполненный в форме круга (миниатюрного сжатого
цилиндра). Магниточувствительный элемент 6 выполнен на основе полупроводниковой
структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом [2, 3] и L-образной вольт-амперной харак-
теристикой, частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнит-
ного поля, превышающей 30 мТл, но менее 1000 мТл [2], который размещен в специально
выполненном узком воздушном зазоре длиной d соответствующего Г-образного магнито-
провода 4, причем магниточувствительный элемент 6 электрически соединен через час-
тотный 7 и аналого-цифровой преобразователи 8 (АЦП) с микропроцессором 9 (МК), а
плюс схемы питания источника постоянного напряжения +Uп подключен к p-области по-
лупроводниковой структуры (обязательно с соблюдением полярности). При этом выход-
ной сигнал U с магниточувствительного элемента 6 снимается с нагрузочного резистора
Rн. Источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС обычно ве-
личиной 5-25 В. Способ формирования p- и n-областей полупроводниковой структуры
подробно описан в [3]. Вектор индукции магнитного поля В(φ) прикладывается в плоско-
сти, параллельной плоскости раздела p- и n-областей. Такие магниточувствительные эле-
менты поставляются фирмой VZ Sensor Ltd, Россия, г. Москва (Институт проблем
управления).
Сердечник 1, намагничивающая катушка 2, цилиндрическая подложка 3 с магнито-
чувствительным преобразователем выполнены как единое целое с возможностью поворо-
та в диапазоне углов ϕ от 0 до 360 угловых градусов в плоскости ферромагнитного
объекта 5 с электронным датчиком 10 угла поворота ϕ (оптические, инфракрасные, маг-
нитные энкодеры, с использованием элементов Холла, резистивные и т.д.). Выполнение
средств поворота может быть разным и допускает различные варианты исполнения. На
наш взгляд, основными частями средств поворота могут быть следующие: полая немаг-
нитная металлическая трубка 11, крышка 12, на которой размещены электронные датчики
10 угла поворота и необходимые идентификационные метки (не изображены). Крепление
неподвижных частей датчика 10 к основе (столу, стенду, земле и т.д.) осуществляется с
помощью опоры 13. Область локальных участков анизотропии 14 находится в ферромаг-
нитном объекте 5, как изображено на фиг. 2.
Устройство работает следующим образом.
Сначала устройство размещается на измеряемом ферромагнитном объекте 5 (преиму-
щественно на плоской части поверхности), и устанавливается ток управления, проходя-
щий через намагничивающую катушку 2, что соответствует установлению индукции
магнитного поля заданной величины В0, которое должно находиться в интервале от 30 до
750-1000 мТл. При этом магниточувствительный элемент 6, обладающий Z-эффектом,
функционирует в режиме, работы, при котором выходной сигнал является частотным.
Следует отметить, что явление управляемой скачковой проводимости (Z-эффект) воз-
никает в структурах с L-образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том,
что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля
проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно,
амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного
процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с S-образной вольт-
амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными фи-
зическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в
шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магнито-

5. BY 10297 U 2014.08.30
5
чувтвительного элемента 6 (полупроводниковой структуры) является способность не
только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на
молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем.
Например, при B0=30 мТл (соответственно без ограничения общности можно считать
ϕ = 0°) магниточувствительный элемент 6 вырабатывает электрические колебания при
чувствительности к магнитному полю 100 кГц/Тл частотой f0 ≈3,4 кГц.
Далее проводится сканирование объекта на предмет выявления анизотропии магнит-
ного характера: локальных участков анизотропии 14, больших участков, обладающих ани-
зотропными свойствами, например анизотропии прокатки и т.д., путем вращения устрой-
ства в диапазоне углов ϕ от 0 до 360 угловых градусов. Угол ϕ определяется по
показаниям электронного датчика 10.
Если измеряемый объект 5 изотропен, то f(ϕ) ≈ константа, что схематично представ-
лено на фиг. 4 зависимостью II. Если контролируемый объект 5 имеет анизотропию, то
магнитный поток, проходящий по ветвям магнитопровода 4 с установленным в его зазоре
величиной d<l,0 мм магниточувствительным элементом 6, изменится вследствие влияния
этой анизотропии (зависимость f(ϕ) может иметь максимум или минимум, как изображено
на фиг. 4 - кривая III). При этом электрические колебания частоты f(ϕ) поступают через
частотный преобразователь 7, преобразующий частоту колебаний в пропорциональное ей
напряжение, и далее поступает в аналого-цифровой преобразователь 8 и на микропроцес-
сор МК 9, который и вычисляет искомую степень анизотропии и ее расположение (диапа-
зон углов ϕ).
Кроме того, предложенная конструкция полезной модели допускает установку не-
скольких магниточувствительных элементов в разные зазоры Г-образного магнтопровода,
например двух, расположенных оппозитно (не изображено).
Следовательно, заявляемая полезная модель относится к приборостроению и предна-
значена для измерения анизотропии свойств ферромагнитных материалов (объектов, пре-
имущественно плоской формы или имеющих плоские части).
Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в
предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с
Z-эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал
высокой амплитуды (до 50 % от напряжения питания) без применения электронных схем
усиления, причем конструкция устройства обеспечивает непрерывный контроль, а не дис-
кретные уровни сигналов от разных магниточувствительных преобразователей (по срав-
нению с прототипом).
Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарак-
теризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с по-
мощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,
поэтому заявляемая полезная модель соответствует требованию "промышленная приме-
нимость" по действующему законодательству.

6. BY 10297 U 2014.08.30
6
Фиг. 2 Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.