Fluxgate senzory slouží k meření velmi slabých magnetických polí, kde již nepracují magnetorezistory ani Hallovy sondy, tj. indukce řádu nT až mikroT. Jejich princip je znám už delší dobu, ale až v posledních letech se povedlo je integrovat do provedení malinkých CMOS senzorů. Více o principu a struktuře těchto velmi zajímavých senzorů je v následujícím článku.

Existují v praxi případy, kdy je nutné měřit nebo i jen detekovat velmi slabá magnetická pole v rozsahu jednotek nanoTesla (nT) až mikroTesla (µT), jako například magnetické pole země. To však nedokáží ani nejmodernější Hallovy senzory či magnetorezistivní snímače. Pro takové případy jsou tu k dispozici tzv. FLUXGATE SENZORY (někdy také Fluxgate magnetické senzory). Princip těchto magnetoindukčních senzorů relativně jednoduché konstrukce umožňuje miniaturní provedení a v současnosti již i integrované.

Obr. 1. Příklady provedení některých komerčních fluxgate senzorů a snímačů

ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI

Sondy a senzory typu FLUXGATE se vyznačují následujícími vlastnosti:

 

• měření mag. indukci v rozsahu stovky nT až jedn. mT
• rozlišením až 100 pT (u integrovaných CMOS senzorů v řádu nT)
• teplotní závislostí okolo 30 ppm/K
• i nejcitlivější magnetické senzory pracující při pokojové teplotě
• měří v oblastech až do 1 mT s rozlišením 100 pT
• využívají nelineární magnetizační křivku ferromagnetického jádra
• odolné provedení
• výstup - obvykle napětí úměrné magnetickému poli
• teplotní rozsah cca -40°C až +85 °C
• miniaturizaci

POUŽITÍ

• Elektronické kompasy
• Navigační zařízení
• Slabých magnetických polí v letadlech
• Měření a zkoumání geomagnetického pole Země
• Detekce mag. pole od silového vedení
• Senzory pro měření vzdálenost
• Řízení dopravy, automobilový průmysl
• Kontrola a hlídání materiálů a balení
• Měření zbytkového pole
• Magnetický podpis
• Ochranná a zabezpečovací zařízení

ZÁKLADNÍ PRINCIP A STRUKTURA

V hardwarovém nejjednodušším provedení je samotný fluxgate snímač tvořen toroidním jádrem (toroidal magnetic core), na kterém jsou navinuty jedna, nejčastěji dvě nebo i více cívek. Vždy je jedna cívka tzv. budící (driving coil), která periodicky magnetizuje jádro, a ostatní cívky jsou již snímací (Sense coil), citlivé na měřené vnější mag. pole - viz obrázek 2. Takové uspořádání je určeno pro měření pole v jednom směru (v jedné ose - single axis), které je kolmé na snímací cívku. V provedení s pouze jednou cívkou pak vinutí slouží jak k buzení jádra, tak jako snímací. Vyhodnocovací elektronika však musí zajistit potlačení budícího signálu a zároveň zesílit ten nasnímaný.

 

Základní ideu funkce fluxgate senzorů lze vzdáleně přirovnat k přílivu a odlivu moře způsobené malou gravitací Měsíce. Stejně jako gravitace Měsíce způsobuje zvýšení hladiny moře v místě země, kde je Měsíc blíže, dojde k posuvu hysterezní smyčky, vlivem např. slaboučkého magnetického pole země, při magnetizaci od feromagnetického jádra od jedné saturaci k druhé - viz obrázek 3.

Když je jádro totiž magneticky saturováno, stane se pro okolní magnetické pole jakoby neviditelné a neovlivňuje ho. Když jádro není v saturaci, zakřivuje jeho siločáry a je na něj citlivé. Při opakované periodické saturaci feromagnetického jádra tak dochází k hradlování (přerušování) vlivu okolního magnetického pole a na základě Faradayova zákona, proměnné magnetické pole indukuje v závitech vodiče snímací cívky elektrický proud. Ten je tak úměrný právě okolnímu slabému magnetickému poli, které lze tak měřit za běžné pokojové teploty, bez žádného chlazení nebo supravodivosti.

 

Na obrázkách 4. a 5. jsou signálové průběhy proudu indukovaného ve vinutí snímací cívky pro sinusový budící signál, přičemž pokud na snímač nepůsobí okolní magnetické pole je průběh kladné a záporné půlvlny signálu shodný (viz obr. 4.). Pokud je však v okolí snímače i jen malé pole, dojde ke zkreslení signálu snímací cívky a kladná půlvlna již není shodná se zápornou (viz obr. 5.). Na vyhodnocovací elektronice pak závisí, jak je zkreslení detekováno a převedeno na obvyklou lineární závislost výstupního napětí na mag. poli.

Existuje několik způsobů, jak vyhodnocovat a zpracovávat signál fluxgate snímače:

• měření druhé harmonické frekvence budícího signálu
• měření rozdílu mezi amplitudou kladné a záporné vlny signálu
• sledování frekvence oscilátoru

Na obrázku 6. je příklad blokového schéma vyhodnocení a zpracování signálu ze snímače z obrázku 2 metodou měření druhé harmonické. Využívá se zde synchronního demodulátoru, který ze signálu snímací cívky vybírá právě 2. harmonickou, jejíž amplituda určuje zkreslení budícího signálu vlivem působení měřeného vnějšího mag. pole.

.

Obr. 7. Upravené provedení fluxgate snímače pro vyhodnocování 2. harmonické frekvence signálu

Na obrázku 7. a 8. je pak vylepšené provedení snímače a elektroniky zajišťující snížení tzv. paměti feromagnetického jádra. Tím se zvyšuje citlivost a stabilita měření. Jádro je složeno ze 16 permaloyových kroužků a třech cívek. Zatímco cívka Nm je klasická budící a Nd pak snímací, cívka Nc je kompenzační cívka. Nejvýhodnější je jejich namotání dle bočního nákresu na obrázku 7. Budící cívka Nd je napájená obdélníkovým nebo sinusovým průběhem signálu s velkým rozkmitem. Pokud se cívka nachází v oblasti saturace kroužků, které jsou jí omotány, způsobí to, že okolní mag. pole nezmění interní magnetický tok jádra. V lineární oblasti hysterezní smyčky, tj. v oblasti okolo nuly, se magnetická indukce jádra okolním mag. pole zvýší. To způsobí rozdílnou indukci napětí ve vinutí Nd. Toto napětí je zesíleno a zpracováno ve fázovém detektoru, který vybere 2. harmonickou frekvenci, jejíž napětí je zesíleno výstupním zesilovačem. Výstupní signál - proud Ic navíc je přiveden do vinutí kompenzační cívky, kde vytvoří kompenzační pole tak, že napětí na cívce Nd je nulové. Detekují se tak pouze okamžité změny mag. pole.

CMOS FLUXGATE MAGNETOMETER

Většina dnešních aplikací vyžaduje miniaturní senzory s nízkými náklady, nízkou spotřebu a vysokou citlivostí a přesností. To se samozřejmě vyžaduje i od fluxgate senzorů. Proto byli vyvinuty integrované CMOS fluxgate senzory založené na proužkách amorfního feromagnetického materiálu. Dnes komerčně používané amorfní slitiny již dosahují výborných mechanických, elektrických i magnetických vlastností, v porovnání s konvenčními polykrystalickými materiály. Dnes už je možné integrovat feromagnetické proužky přímo na křemíkovou podložku.

Planární 2D mikro-fluxgate senzor například umožňuje jednoduše vyrobit zařízení na bázi elektronického kompasu apod. Vynikající vlastnosti spočívají v zajímavé konstrukci cívky. Trik spočívá v diagonálním umístění dvou ortogonálních větví překřížených feromagnetických jader nad čtvercovou budící cívkou (ferromagnetic cross core location) - viz obrázek 9. Taková struktura vytváří kompaktní symetrický 2D magnetický senzor na ploše 5.3 mm2 křemíkovém chipu. Řídící elektronika vytváří pulsní magnetické pole, které při nízké spotřebě 12.5 mW dosahuje citlivosti 3760 V/T v rozsahu 60 µT při budícím špičkovém proudu 17 mA. Tyto vlastnosti při funkci jako elektronický kompas znamenají chybu určení polohy pouze 1.5° na horizontální magnetickém poli země. Tato chyba koresponduje k chybě určení magnetického pole menší než 0.5 µT. V budoucnu by však neměl být problém dosáhnout u mikro-fluxgate senzorů chyby výrazně menší než 10 nT.

Závěr

V tomto první dílu článku o tzv. FLUXGATE senzorech jsem se stručně zabýval jejich principech a klasickou i integrovanou strukturou. Stejně je zajímavé i komerční provedení senzorů, které můžeme najít v nabídkách firem a také jejich použití v komerční i vědecké sférě (např. v družicích a kosmických lodích). O tom všem budu psát v příštím díle článku, který do konce srpna naleznete na stránkách HW serveru o automatizaci - automatizace.hw.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• S. Moskowicz: "Fluxgate Sensor with a Special Permalloy Core - Construction and Investigation", MEASUREMENT SCIENCE REVIEW, Volume 3, Section 3, 2003
  
• Dennis Steward: "Fluxgate Sensor Analysis", prezentace firmy Ansoft Corporation Pittsburgh, PA
• L. Chiezi, P. Kejik, R. S. Popovic: "CMOS fluxgate magnetometer", Microsystems Institute, Lausanne,Switzerland , 2002
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz