Аннотация
Рассмотрены системы возбуждения известных ферроиндукционных преобразователей (ФИП). Предложен вариант ФИП с новым мультифакторным способом возбуждения, основанным на совместном действии электромагнитно-акустического (ЭМА) и магнитомодуляционного (ММЭ) эффектов. Описан вариант конструктивного решения феррозондового датчика (ФД), реализующего предложенный способ возбуждения. Подробно рассмотрены физические процессы, положенные в основу данного технического решения. Показано, что в предложенном датчике одновременно реализуются пять режимов функционирования, сопровождаемые соответствующими физическими эффектами: 1) режим мостового индуктивно-емкостного делителя напряжения; 2) режим ЭМА-преобразователя, реализующего процесс возникновения пространственно-периодических акустических волн; 3) режим -преобразования за счет ЭМА-эффекта; 4) режим индуктора, при котором измерительные катушки помимо своего прямого назначения дополнительно выполняют функции элементов формирования возбуждающего магнитного поля; 5) режим -преобразования за счет ММЭ. Проведенный анализ возникающих физических эффектов и их аналитическое описание показали, что предлагаемый ФД с мультифакторным режимом возбуждения обладает следующими преимуществами: 1) существенным конструктивным упрощением, которое связано с тем, что измерительные катушки совмещают такие две функции, как генерация переменного магнитного поля возбуждения и регистрация информационного сигнала; 2) повышенной помехозащищенностью за счет использования измерительных катушек в качестве плечевых элементов емкостно-индуктивного измерительного моста с разностным сигналом его измерительной диагонали, что обеспечивает компенсацию синфазных составляющих помехи и последствий температурного дрейфа; 3) повышенной чувствительностью без ухудшения точности преобразования за счет использования различных физических эффектов при резонансном воздействии соответствующими физическими полями; 4) пониженным энергопотреблением.
Ключевые слова
ферроиндукционный преобразователь, феррозондовый датчик, электромагнитное поле, электромагнитно-акустический эффект, акустические волны, напряженность переменного магнитного поля, вихревые токи, модуляция магнитной проницаемости
1. Средства измерений параметров магнитного поля / Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Хореев В.Н., Чечурина Е.Н., Щелкин А.П. Л.: Энергия, 1979. 320 с.
2. Ripka P. Magnetic Sensors and Magnetometers. Boston: Artech house, 2000. 494 p.
3. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы обнаружения скрытых объектов: борьба с терроризмом, гуманитарное разминирование, защита информации, контроль подземных коммуникаций, археология, экология. М.: Эльф ИПР, 2011. 503 с.
4. Толмачев И.И. Магнитные методы контроля и диагностики. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 216 с.
5. Голев И.М., Никитина Е.А. Технические аспекты измерения магнитного поля Земли для решения задач воздушной навигации // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2017. № 1. С. 273-279.
6. Трехкоординатный индукционный датчик переменного магнитного поля для магнитометрических систем локальной навигации / И.М. Голев, Т.И. Заенцева, Е.А. Никитина, И.О. Бакланов // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2019. № 12. С. 91-99.
7. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2002. Т.2. 691 с.
8. Lenz J.E., Edelstein A.S., Magnetic Sensors and Their Applications // IEEE Sensors Journal. 2006. No. 3(6). Pp. 631-649. doi: 10.1109/JSEN.2006.874493
9. Tumanski S. Modern magnetic field sensors – a review // Przeglad Elektrotechniczn. 2013. No. 89(10). Pp. 1-12.
10. Ripka P. Advances in Magnetic Field Sensors // IEEE Sensors Journal. 2010. No. 6(10). Pp. 1108-1116. doi:10.1109/JSEN.2010.2043429
11. Брякин И.В. Магнитодинамический магнитометр для задач дефектоскопии // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 3(144). С. 35-41.
12. Брякин И.В. Магнитометр с тестовым алгоритмом функционирования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. 18(1). C. 49-56. doi: 10.17587/mau.18.49-56
13. Can H., Topal U. Design of Ring Core Fluxgate Magnetometer as Attitude Control Sensor for Low and High Orbit Satellites // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism March. 2015. No. 3(28). Рp. 1093-1096. doi: 10.1007/s10948-014-2788-5
14. Bryakin I.V., Bochkarev I.V., Khramshin R.R. Two-Axis Fluxgate Magnetometer with a New Principle of Excitation // International Russian Automation Conference (RusAutoCon). IEEE, 2020. Pp. 693-698. doi: 10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208228
15. Bochkarev I.V., Bryakin I.V., Khramshin V.R. Ferroprobe Magnetometer with Preset Excitation Field Induction Mode // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon) IEEE, 2021. Pp. 31-36. doi: 10.1109/UralCon52005.2021.9559463
16. Пат. 2768528 Российская Федерация, МПК G 01 V 3/00. Способ возбуждения феррозондов и устройство модулятора для его реализации / Брякин И.В., Бочкарев И.В.; заявитель ГОУ ВПО «Кыргызско-Российский Славянский университет». № 2020133609, заявл. 12.10.2020, опубл. 24.03.2022.
17. Магнитные измерения / Гуржин С.Г., Жулев В.И., Лукьянов Ю.А., Никитин С.В. Рязань: РГРТУ, 2006. 72 с.
18. Брякин И.В., Денисов Г.С. Феррозондовый датчик с упругим возбуждением сердечника // Проблемы автоматики и управления. 2017. №1(32). С. 50-59.
19. Сазонов Ю.И. Волновые электромагнитно-акустические явления в конденсированных средах. М.: Физматлит, 2007. 340 с.
20. Новацкий В. Электромагнитные эффекты в твердых телах. М.: Мир, 1986. 157 с.
21. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Рыскин Н.М. Нелинейные колебания. М.: Физматлит, 2005. 292 с.
22. Сазонов Ю.И. Гидроакустические эмиконы с активной диафрагмой // Прикладная математика и техническая физика. 2000. №2. С. 41-43.
23. Прянишников В.А. Теоретические основы электротехники. СПб.: Корона Принт, 2004. 368 с.
24. Аполлонский С.М. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. СПб.: Лань, 2018. 592 c.
25. Шенберг Д. Магнитные осцилляции в металлах. М.: Мир, 1986680 с.
26. Филиппов Б.Н., Танкеев А.П. Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой. М.: Наука, 1987. 215 с.
27. Петрищев О.Н. Ультразвуковые магнитострикционные волноводные системы. К.: Изд-во Киев. ун-та, 1989. 132 с.
28. Гурбатов С.И., Руденко О.В., Саичев А.И. Волны и структуры в нелинейных средах без дисперсии. М.: Физматлит, 2008. 496 с.
Брякин И.В., Бочкарев И.В. Феррозонд c мультифакторным режимом возбуждения // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 2(59). С. 73-83. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-2(59)-73-83