Měření slabých magnetických polí a jejich stínění

Transkript

1 Měření slabých magnetických polí a jejich stínění doc.ing.petr Kašpar,CSc. Katedra měření ČVUT FEL 2005 Kontakt: kaspar@fel.cvut.cz

2 Obsah přednášky: Definice příliš relativního pojmu slabé magnetické pole Magnetické pole Země Základní používané vektorové senzory mg. pole -Hallova sonda -Sondy typu fluxgate -Feromagnetické magnetorezistory (AMR, GMR, SDT) Magnetické pole a hygienické normy Vliv magnetického pole na CRT monitory Rušivá magnetická pole v Praze Základní teorie stínění slabých DC magnetických polí reálný stínící kryt

3 Připomenutí Intenzita magnetického pole, H [A/m] Vektorová veličina, základní fyzikální veličina používaná pro popis magnetického pole Jednotkou v soustavě SI je 1A/m, v anglosaské literatuře často 1 Oe (Oersted) = 1000/(4π) A/m Magnetická indukce, B [T] Vektorová veličina, Jednotkou v SI je 1 T (Tesla), v anglosaské literatuře často G (Gauss) = 10-4 T Ve vzduchu platí 1 G = 1 Oe

4 Rozsah hodnot magnetické indukce 100 T Pulsní pole 10 T Supravodivé magnety 2 T Elektromagnet 0.5 T Povrch silných permanentních magnetů (NdFeB) 0.1 T Povrch levných magnetů (ferit) 1 mt Silové kabely 50 µt Zemské pole (variace 10 nt) 1 µt běžné pole provázející činnost technických zařízení 10 ft Lidský mozek

5 Magnetické pole Země

6 Evropa - totální pole [nt]

7 Evropa - vertikální pole [nt]

8 Evropa horizontální pole [nt]

9 Evropa - inklinace[ o ]

10 Evropa - deklinace[ o ]

11 Belgie-Dourbes, , denní variace

12 Základní vektorové senzory mg. pole Hallova sonda (desítky µt jednotky T) Automobilismus, často dvoustavový výstup Integrace na čip Materiál GaAs, InSb, Si Sondy typu fluxgate (stovky pt jedn. mt) Teplotní závislost 30 ppm/k Feromagnetické magnetorezistory Anizotropní magnetorezistory (AMR) (Jednotky nt mt) Teplotní závislost ~ 500 ppm/k Giant magnetoresistance (GMR) Novinka - Spin Dependent Tunneling (SDT)

13 Hallova sonda V oblastech rozumných polí (mt) uspokojivá linearita Tempco ~ 800ppm/K, drift offsetu ~ 5uT/K Pro zvýšení citlivosti možno použít mg. pólové nástavce (koncentrátory pole)» nestabilita µ» magnetická remanence» nelinearita

14 Hallova sonda Použití pólových nástavců: Materiál nástavců feromagnetikum (Py) Používá se i u magnetoresistorů

15 Hallova sonda Nové trendy Integrace Hallovy sondy na čip společně s elektronikou (smart sensor), periodické přepínání elektrod (kompenzace offsetu). Programovatelné Hallovy sondy (Micronas HAL 800, tři vývody, podle úrovně připojeného napětí přepínání režimu) Typické použití Hall. sondy detekce přítomnosti objektu s výstupem ano/ne.

16 Sonda typu fluxgate indukční senzor Nejcitlivější vektorové senzory pracující při pokojové teplotě Měří v oblastech až do 1 mt s rozlišením kolem 100 pt Využívají nelineární magnetovací charakteristiku feromagnetického jádra.

17 Sonda typu fluxgate Základní princip Feromagnetické jádro Budicí a snímací cívka V ind Jádro je periodicky přesycováno pomocí budicí cívky; ve stavu přebuzení klesá µ r, toto se děje dvakrát za periodu -> detekce na 2. harmonické. I exc (t) µ(t) Fig N B(t) B o

18 Sonda typu fluxgate Základní princip V nepřítomnosti vnějšího pole je jádro přesycováno symetricky do obou polarit H. B(Φ) t B(Φ) H m H H exc V i t Vnější pole způsobí posunutí -> nesymetrie se projeví i ve výstupu. Φ V i Φ a) t H 0 t H m H H exc +H 0 V i t b) t Fig. 3.2.

19 Sonda typu fluxgate Konstrukční uspořádání V popsaném uspořádání by indukované napětí na 1. harmonické bylo mnohem větší než měronosný signál -> jiná konstrukční řešení.

20 Sonda typu fluxgate Měřicí uspořádání Rezonanční budicí a výstupní obvod recyklace energie zdůraznění 2. harmonické složky Synchronní detekce Kompenzační mód Zvýšení linearity Zlepšení teplotních závislostí

21 Sonda typu fluxgate Měřicí uspořádání C 1 OSC 4kHz 8kHz X PSD C 2 R U X Y PSD C 2 R U Y Z PSD C 2 R U Z

22 Sonda typu fluxgate Klasické fluxgate Precizní, ale Drahé Poměrně velké

23 Feromagnetické magnetorezistory AMR Anizotropic Magnetoresistance Vzniká v tenkých filmech feromagnetika, obvykle Py (81Ni, 19Fe) Proudu tekoucímu ve směru magnetizace magnetického materiálu je kladen větší odpor, než proudu tekoucímu kolmo ke směru magnetizace. Poměr největšího a nejmenšího odporu činí kolem 4% ( MR poměr )

24 Feromagnetické magnetorezistory AMR základní princip H y měřené pole působí v rovině proužku, kolmo k jeho ose závislost odporu na úhlu mezi proudem a magnetizací je silně nelineární, navíc nepoznám orientaci vnějšího pole

25 Feromagnetické magnetorezistory AMR - linearizace Linearizace Barber Poles struktura Na proužek napařeny pod úhlem 45 proužky Al, který má výrazně větší vodivost než Py -> proud teče mezi Al proužky pod úhlem 45 k ose Py proužku -> posun charakteristiky

26 Feromagnetické magnetorezistory AMR - flipping Problém AMR: Silné vnější mg. pole může zničit vnitřní uspořádání domén chybná funkce senzoru Řesení - možnost obnovení vnitřní magnetizace silným mg. polem = flipping Magnetizace má dva stabilní stavy -> možnost flipováni mezi těmito stavy (to s sebou přináší řadu výhod)

27 Feromagnetické magnetorezistory AMR - flipping Výhody periodického flipování: Odolnost vůči silným polím Snížení hystereze senzoru (bez flippingu v řádu jednotek %, s flippingem setiny %) Periodická reverzace charakteristiky -> v můstkové konfiguraci střídavý výstup Nevýhody: Snížení šířky pásma Zvýšení spotřeby

28 Feromagnetické magnetorezistory AMR elektromagnetická zpětná vazba Pro zvýšení linearity a potlačení vlivu teploty na citlivost se zavádí zpětná vazba Vnější pole kompenzováno vestavěnou kompenzační cívkou senzor pracuje jako indikátor nuly Nevýhoda citelné zvýšení spotřeby

29 Feromagnetické magnetorezistory AMR měřicí uspořádání Dva páry komplementárních AMR v plném Wheatstoneově můstku (Philips KMZ 10) Ve stejném pouzdře integrována flipovací a kompenzační cívka (Philips KMZ 51) Synchronní detektor, integrátor, zpětnovazební smyčka Měronosnou veličinou velikost kompenzačního proudu

30 Srovnání diskutovaných senzorů Pro méně náročné aplikace (dvoustavový výstup) stále Hallovy sondy Ve stejné oblasti nasazovány MR, navíc čtecí hlavy, čtečky karet, kompasy apod. Přesná měření fluxgate (hledačky bomb a kovových objektů, monitorování zemského pole ze satelitu)

31 Mg. pole a hygienické normy-vyhláška Tabulka č Referenční úrovně pro magnetickou indukci B nepřetržitá expozice Zaměstnanci Ostatní osoby frekvence f /Hz B /tesla frekvence f /Hz B /tesla < 1 0,28 * a) < 1 0,056 * 1 8 0,2 / f ,04 / f ,025 / f ,005 / f / f ,005 / f , , , , /f ,92 / f /f ,92 / f , , f 0, , f 0, , , * Špičková hodnota a) časový průměr magnetické indukce ve směně při expozici zahrnující trup nebo hlavu; nejvyšší hodnota magnetické indukce přitom nesmí být v žádném okamžiku vyšší než 2 tesla.

32 Mg. pole a hygienické normy-vyhláška Referenční a mezní referenční úrovně pro magnetickou indukci B B / µt B zaměstnanci B ostatní osoby B mezní - zaměstnanci B mezní - ostatní osoby zamě stnan ci krátce zaměstnanci - ruce a nohy frekvence f / Hz

33 Co vyplývá z hygienické normy Hygienická norma pro magnetické pole připouští zejména pro velmi nízké frekvence takové hodnoty magnetického pole, které je neslučitelné s činností některých technických zařízení. Pro kmitočty pod 1 Hz 56 mt (špičková hodnota), krátkodobě 2 T!!! pro 50 Hz 100 µt Přes hygienické předpisy cesta nevede.

34 Vliv mg. pole na CRT monitory Některé technické zdroje magnetických polí převyšují přírodní změny pole až o 3 řády (více než 100% pole zemského). U CRT monitorů a TV obrazovek změny barev, případně deformace a posuv obrazu. V profesionálním provozu sekundárně zvyšuje neuropsychickou zátěž pracovníků. Na specializovaných DTP pracovištích i malé variace pole (5-10µT) zcela vylučují nasazení CMS (Color Management System). Citlivost monitoru na magnetické pole roste s jeho uhlopříčkou. Posuv obrazu u 17 až 21 monitoru činí asi 5-20 mm/100µτ.

35 Vliv mg. pole na CRT monitory

36 Typické zdroje rušení Dělení podle kmitočtu a charakteru zdroje. Příčinou DC a LF polí převážně trakce, zejména potom metro, resp. tramvaje a trolejbusy. U rušivých polí průmyslových kmitočtů (50Hz) nejčastěji nevhodně vedené napájecí přívody a rozdílné potenciály zemí, blízké transformátory. Charakter zdroje: - pole přímého vodiče - pole nekompenzovaných přívodů. Typický pokles pole podle 1/x, DC i AC. Velmi záludné bludné proudy. - Magnetický dipól - pole se vzdáleností klesá podle 1/x 3. AC-transformátory, DC-filtrační cívky v trakčních měnírnách a zmagnetované masivní feromagnetické části

37 Ochrana proti rušivým polím Z výše uvedeného vyplývá, že velmi účinná může být ochrana útěkem Stínění celých místností je technicky a ekonomicky nereálné V krajním případě nutno stínit jednotlivé monitory-nákladné a neestetické řešení.

38 Rušivá mg. pole v Praze 6 7 9, 10 8 NAPÁJEČ NAPÁJEČ ODPOJOVAČ

39 Rušivá mg. pole v Praze ŽELEZNICE TRAFO- STANICE

40 Zdroj mg. Pole v Husinecké ul. 2. patro patro přízemí 2 1 chodník vozovka nevykompenzovaný proudovodič cca 1200A

41 Husinecká bod B [µt] S-J V-Z Vert čas [s]

42 Husinecká bod B [µt] S-J V-Z Vert čas [s]

43 Základní teorie stínění Stínící efekt S krychle není konstantní v celém vnitřním prostoru. Je nižší ve středu než blízko povrchu stěn. Pro střední hodnotu stínícího faktoru platí: S = 4 5. µ r. a d + 1 a = délka hrany d = tloušťka stěny

44 Vliv otevřených částí = + So Sop Sp

45 S 01 Vícenásobné stínění d1 = µ r. S D 1 02 = µ. r d D 2 2 pro D 1 >D 2 S = S. S.[ 1 ( D / D ) ] + S + S + 1 D d 1, d 2 jsou tloušťky stěn jednotlivých vrstev D 1,D 2 jsou průměry jednotlivých vrstev V krajním případě pro D 1 D 2 efekt dvou stínění se mění na součet a vzorec je: S S S D =

46 Určující faktory pro návrh stínícího krytu 1. Funkce co nejtěsnější obemknutí monitoru (snížení a ) co největší přesah před obrazovku co nejsilnější plech žádné větrací otvory 2. Vzhled alespoň konický tvar co nejmenší přesah před obrazovku 3. Realizace jednoduchý tvar 4. Chlazení větrací otvory nebo ventilátor 5. Cena jednoduchý tvar, slabý plech, materiál nevyžadující žíhání po mechanickém zpracování

47 Navržený tvar krytu pro monitor

48 Odezva vnitřního pole na skok vnějšího pole 40 µt 10 Levá stěna Šířka Levá třetina Pravá třetina Skok magnetické indukce [ T] Pravá stěna Zadní stěna Zadní čtvrtina Polovina hloubky Přední čtvrtina 0 Přední otevření Hloubka

49 Konec prezentace

50 Stínící faktor krytu z amorfního materiálu S added magnetic field [µt]

51 Stínící faktor permalloyového krytu před a po mechanických úpravách S added magnetic field [µt]