RU2829013C1 - Small-sized broadband sensor of weak magnetic fields - Google Patents
Small-sized broadband sensor of weak magnetic fields Download PDFInfo
- Publication number
- RU2829013C1 RU2829013C1 RU2024114900A RU2024114900A RU2829013C1 RU 2829013 C1 RU2829013 C1 RU 2829013C1 RU 2024114900 A RU2024114900 A RU 2024114900A RU 2024114900 A RU2024114900 A RU 2024114900A RU 2829013 C1 RU2829013 C1 RU 2829013C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- small
- magnetic fields
- magnetic film
- thin magnetic
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения магнитных полей в широком диапазоне частот.The invention relates to measuring equipment and is intended for measuring magnetic fields in a wide frequency range.
Известен датчик слабых магнитных полей [Патент РФ № 2682076, МПК G01R 33/24, опубл. 14.03.2019, Бюл. №8], содержащий СВЧ-генератор, чувствительный элемент на основе тонкой магнитной пленки, помещенной в микрополосковый резонатор, магнитную систему, амплитудный детектор, операционный усилитель, модуляционный ВЧ-генератор, компенсационную схему и схему синхронного детектирования. Направления высокочастотного магнитного поля и постоянного магнитного поля смещения совпадают с осью трудного намагничивания (ОТН) тонкой магнитной пленки. Направления измеряемого, компенсационного и модулирующего поля перпендикулярны ОТН тонкой магнитной пленки.A weak magnetic field sensor is known [RU Patent No. 2682076, IPC G01R 33/24, published 14.03.2019, Bulletin No. 8], comprising a microwave generator, a sensitive element based on a thin magnetic film placed in a microstrip resonator, a magnetic system, an amplitude detector, an operational amplifier, a modulation RF generator, a compensation circuit and a synchronous detection circuit. The directions of the high-frequency magnetic field and the constant magnetic bias field coincide with the hard magnetization axis (HMA) of the thin magnetic film. The directions of the measured, compensation and modulating fields are perpendicular to the HMA of the thin magnetic film.
Известен тонкопленочный магнитометр слабых магнитных полей [Патент РФ № 2712926, МПК G01R 33/05, опубл. 03.02.2020, Бюл. №4], содержащий тонкую магнитную пленку, размещенную в микрополосковом резонаторе; СВЧ-генератор; амплитудный детектор; низкочастотный генератор тока; синхронный детектор; модуляционные кольца Гельмгольца; компенсационные кольца Гельмгольца. Под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки с помощью модуляционных колец Гельмгольца и низкочастотного генератора тока формируется модулирующее поле, причем амплитуда этого поля больше величины поля анизотропии тонкой магнитной пленки.A thin-film magnetometer for weak magnetic fields is known [RU Patent No. 2712926, IPC G01R 33/05, published 03.02.2020, Bulletin No. 4], comprising a thin magnetic film placed in a microstrip resonator; a microwave generator; an amplitude detector; a low-frequency current generator; a synchronous detector; Helmholtz modulation rings; Helmholtz compensation rings. At an angle α to the axis of difficult magnetization of the thin magnetic film, a modulating field is formed using the Helmholtz modulation rings and the low-frequency current generator, and the amplitude of this field is greater than the anisotropy field of the thin magnetic film.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является широкополосный высокочувствительный датчик слабых магнитных полей [Патент РФ № 2761319, G01R 33/24, опубл. 07.12.2021 (прототип)], содержащий СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи и катушку обратной связи.The closest analogue in terms of the set of essential features is a broadband highly sensitive sensor of weak magnetic fields [Patent of the Russian Federation No. 2761319, G01R 33/24, published 07.12.2021 (prototype)], containing a microwave generator, two microstrip resonators with thin magnetic films, two amplitude detectors, an adder, a magnetic system, a compensation measurement circuit including a repeater, a high-pass filter, an operational amplifier, a feedback resistance and a feedback coil.
Общим недостатком всех известных датчиков слабых магнитных полей является сложность конструкции и большие габариты датчика, обусловленные наличием, как правило, двух резонаторов с тонкими магнитными пленками и необходимостью использования многосекционной компенсационной катушки.A common disadvantage of all known weak magnetic field sensors is the complexity of the design and large dimensions of the sensor, due to the presence, as a rule, of two resonators with thin magnetic films and the need to use a multi-section compensation coil.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение его конструкции и уменьшение габаритов устройства без повышения уровня собственных шумов и уменьшения ширины полосы частот измеряемых магнитных полей.The technical result of the claimed invention is the simplification of its design and the reduction of the dimensions of the device without increasing the level of its own noise and reducing the bandwidth of the measured magnetic fields.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в малогабаритном широкополосном датчике слабых магнитных полей, содержащем печатный узел с СВЧ-генератором, микрополосковый резонатор, тонкую магнитную пленку, амплитудный детектор, а также компенсационную катушку и постоянный магнит новым является то, что используется один резонатор, расположенный в центре односекционной компенсационной катушки, выполненный в виде катушки индуктивности из двух или более витков изолированного провода, где сердечником является тонкая магнитная пленка.The claimed technical result is achieved by the fact that in a small-sized broadband sensor of weak magnetic fields, containing a printed unit with a microwave generator, a microstrip resonator, a thin magnetic film, an amplitude detector, as well as a compensation coil and a permanent magnet, what is new is that one resonator is used, located in the center of a single-section compensation coil, made in the form of an inductance coil of two or more turns of insulated wire, where the core is a thin magnetic film.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что использование одного резонатора, расположенного в центре отклоняющейся односекционной компенсационной катушки и выполненного в виде катушки индуктивности из двух или более витков изолированного провода, позволяет увеличить индуктивную связь между тонкой магнитной пленкой и катушкой резонатора. Таким образом, заявляемое устройство отличается простотой конструкции и малыми габаритами устройства, в сравнении с прототипом и позволяет измерять магнитные поля в широкой полосе частот с низким уровнем собственных шумов.A comparative analysis with the prototype shows that the use of one resonator located in the center of the deflecting single-section compensation coil and made in the form of an inductance coil of two or more turns of insulated wire allows increasing the inductive coupling between the thin magnetic film and the resonator coil. Thus, the claimed device is distinguished by its simple design and small dimensions of the device, in comparison with the prototype, and allows measuring magnetic fields in a wide frequency band with a low level of intrinsic noise.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция малогабаритного широкополосного датчика слабых магнитных полей с разнесенными частями. На фиг. 2 показана конструкция малогабаритного широкополосного датчика магнитных полей с поднятой верхней крышкой, а блок-схема устройства показана на фиг. 3. Экспериментальные исследования датчика показаны на фиг. 4.The essence of the invention is explained by the drawings: Fig. 1 shows the design of a small-sized broadband sensor of weak magnetic fields with spaced parts. Fig. 2 The design of a small-sized broadband magnetic field sensor with the top cover raised is shown, and the block diagram of the device is shown in Fig. 3. Experimental studies of the sensor are shown in Fig. 4.
Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей содержит (фиг. 1) печатный узел (1) с расположенным на нем СВЧ-генератором и амплитудным детектором, резонатор (2), тонкую магнитную пленку (3). СВЧ-генератор и амплитудный детектор печатного узла (1) экранированы от влияния внешнего электромагнитного поля экраном (4). Тонкая магнитная пленка (3) расположена на краю печатного узла (1) в центре индуктивной части резонатора (2), выполненного в виде обмотки из нескольких витков одножильного изолированного провода. Резонатор (2) с тонкой магнитной пленкой (3) находятся в центре односекционной компенсационной катушки (5), магнитное поле которой направлено ортогонально высокочастотному магнитному полю резонатора (2). На катушке закреплен постоянный магнит (6), поле которого направлено ортогонально магнитному полю компенсационной катушки (5). Внутренние элементы малогабаритного широкополосного датчика слабых магнитных полей закреплены (фиг. 2) в круглом корпусе (7), с крышкой (8).A small-sized broadband sensor of weak magnetic fields comprises (Fig. 1) a printed circuit board (1) with a microwave generator and an amplitude detector located thereon, a resonator (2), and a thin magnetic film (3). The microwave generator and the amplitude detector of the printed circuit board (1) are shielded from the influence of an external electromagnetic field by a screen (4). The thin magnetic film (3) is located on the edge of the printed circuit board (1) in the center of the inductive part of the resonator (2), made in the form of a winding of several turns of single-core insulated wire. The resonator (2) with the thin magnetic film (3) is located in the center of a single-section compensation coil (5), the magnetic field of which is directed orthogonally to the high-frequency magnetic field of the resonator (2). A permanent magnet (6) is fixed to the coil, the field of which is directed orthogonally to the magnetic field of the compensation coil (5). The internal elements of the small-sized broadband weak magnetic field sensor are fixed (Fig. 2) in a round housing (7), with a cover (8).
Малогабаритный широкополосный датчик слабых магнитных полей работает следующим образом. На фиг. 3 показана блок-схема работы устройства. Сигнал от СВЧ-генератора поступает на резонатор (2), возбуждающий высокочастотное переменное магнитное поле в области тонкой магнитной пленки (3). Сигнал с выхода резонатора (2) поступает на вход амплитудного детектора, работающего в режиме удвоения сигнала. С выхода детектора полезный сигнал поступает на вход усилителя, один из выходов которого соединен с компенсационной катушкой (5), а другой служит выходом устройства. Особенностью работы устройства является необходимость регулировки направления магнитного поля компенсационной катушки (5) относительно оси чувствительности тонкой магнитной пленки в диапазоне ±25 градусов, что обеспечивается предложенной круглой конструкцией корпуса устройства.The small-sized broadband sensor of weak magnetic fields operates as follows. Fig. 3 shows the block diagram of the device operation. The signal from the microwave generator arrives at the resonator (2), exciting a high-frequency alternating magnetic field in the region of the thin magnetic film (3). The signal from the resonator (2) output arrives at the input of the amplitude detector operating in the signal doubling mode. From the detector output, the useful signal arrives at the input of the amplifier, one of the outputs of which is connected to the compensation coil (5), and the other serves as the output of the device. A special feature of the device operation is the need to adjust the direction of the magnetic field of the compensation coil (5) relative to the sensitivity axis of the thin magnetic film in the range of ±25 degrees, which is ensured by the proposed round design of the device housing.
Заявляемое устройство было изготовлено и испытано. Проведенные экспериментальные исследования (результаты измерений представлены на фиг. 4) показали, что упрощение конструкции и уменьшение габаритов устройства позволяет проводить измерения слабых магнитных полей в широком диапазоне частот – от 0,1 Гц до 1 МГц с уровнем собственных шумов устройства не более 12 пТл/Гц½.The claimed device was manufactured and tested. The experimental studies (the measurement results are shown in Fig. 4) showed that simplifying the design and reducing the dimensions of the device allows for measurements of weak magnetic fields in a wide frequency range – from 0.1 Hz to 1 MHz with a device noise level of no more than 12 pT/Hz ½ .
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2829013C1 true RU2829013C1 (en) | 2024-10-22 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU43654U1 (en) * | 2004-10-19 | 2005-01-27 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ЗАВОД имени Г.И. ПЕТРОВСКОГО | MAGNETIC FIELD SENSOR |
| JP2005090971A (en) * | 2003-09-12 | 2005-04-07 | Nec Tokin Corp | Magnetic sensor |
| RU2743321C1 (en) * | 2020-06-22 | 2021-02-17 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН) | Magnetometer on thin magnetic film |
| RU2761319C1 (en) * | 2021-04-26 | 2021-12-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Broadband highly sensitive variable magnetic field sensor |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005090971A (en) * | 2003-09-12 | 2005-04-07 | Nec Tokin Corp | Magnetic sensor |
| RU43654U1 (en) * | 2004-10-19 | 2005-01-27 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ЗАВОД имени Г.И. ПЕТРОВСКОГО | MAGNETIC FIELD SENSOR |
| RU2743321C1 (en) * | 2020-06-22 | 2021-02-17 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН, КНЦ СО РАН) | Magnetometer on thin magnetic film |
| RU2761319C1 (en) * | 2021-04-26 | 2021-12-07 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Broadband highly sensitive variable magnetic field sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bracke et al. | A broadband magneto-electric transducer using a composite material | |
| FI73320C (en) | NMR SPOLARRANGEMANG. | |
| JP2007511316A (en) | RF coil for ultra high magnetic field (SHF) MRI | |
| CN112596012B (en) | Circuit with a sensor for detecting a disturbance associated with the circuit | |
| JPH09117435A (en) | Measuring device of the basic magnetic field of the magnet of the nuclear spin tomography device | |
| RU163174U1 (en) | SMALL HIGH FREQUENCY MAGNETOMETER | |
| US10295573B2 (en) | Compensated rogowski coil | |
| JPH01259848A (en) | Magnetic resonance apparatus | |
| RU2682076C1 (en) | Sensor of weak magnetic fields | |
| JPS62235553A (en) | Magnetic resonance imaging device | |
| US5551158A (en) | Method for measuring position and angle | |
| US6150817A (en) | Magnetic resonance apparatus having reduced "dead time" | |
| RU2829013C1 (en) | Small-sized broadband sensor of weak magnetic fields | |
| Babitskii et al. | A magnetometer of weak quasi-stationary and high-frequency fields on resonator microstrip transducers with thin magnetic fields | |
| US5451874A (en) | Method and system for providing heterodyne pumping of magnetic resonance | |
| US3321702A (en) | Magnetometer and electrometer utilizing vibrating reeds whose amplitude of vibration is a measure of the field | |
| GB2438057A (en) | Magnetic sensor with electromagnetic radiation compensation | |
| RU2712926C1 (en) | Thin-film magnetic field of weak magnetic fields | |
| RU2816554C1 (en) | Broadband sensor of weak magnetic fields | |
| RU2828619C1 (en) | Magnetometer on yig film with oscillating magnetization | |
| KR100662744B1 (en) | Optical high current / high voltage sensor | |
| RU2793577C1 (en) | Device for measuring noise of thin magnetic films in the microwave range | |
| IL129471A (en) | Magnetic resonance apparatus having reduced "dead time" | |
| JP2019211422A (en) | Magnetic field detection coil and EMI antenna | |
| RU2687557C1 (en) | Thin-film gradiometer |