9.Новые материалы, устройства, технологии, услуги

9.1 Датчики магнитных полей для электротехнологических систем и установок

Вниманию руководителей предприятий средств связи, приборостроительной, радиотехнической, электротехнической, машиностроительной и металлургической промышленности!

Предлагаем организовать совместный промышленный выпуск новых волоконно-оптических датчиков магнитных полей на основе полумагнитных полупроводников, для различных электротехнологических систем и установок.

ООО "Геоид" разработали и предлагаем организовать совместный промышленный выпуск принципиально новых волоконно-оптических датчиков магнитных полей на основе полумагнитных полупроводниковых материалов, для измерения различных импульсных, стационарных и переменных магнитных и электромагнитных полей.

В основу работы датчиков заложен эффект Фарадея. В качестве магниточувствительных элементов приборов применяем разработанные разработчиками полумагнитные полупроводниковые кристаллы и тонкие пленки полумагнитных полупроводниковых материалов кадмий - марганец - теллур, обладающих гигантским Фарадеевским вращением. Датчики различных конструкций состоят из источников монохроматического излучения, оптического волокна, поляризаторов, линз, магнитооптического материала, зеркал, анализаторов, фотоприемников, измерительных преобразователей и приборов.

Схема однокоординатного волоконно-оптического датчика магнитного поля на основе ячейки Фарадея приведена на рис.1. Здесь световые лучи передаются от источника света 1 в светочувствительную часть датчика 5 с помощью оптического волокна 2, линзы 3 и поляризатора 4. На выходе из активного элемента 5 свет через анализатор 6, линзу 3 и стекловолокно поступает на светоприемное устройство 7. Поляризатор 4 и анализатор 6 скрещены между собой под углом 45о и в отсутствии внешнего магнитного поля Нвн не пропускают световой поток в светоприемное устройство 7.

Рис. 1. Однопроходная схема волоконно-оптического датчика продольного магнитного поля:
1 – источник света; 2 – оптическое волокно; 3 – линзы; 4 – поляризатор; 5 – ячейка Фарадея;
6 – анализатор; 7 – светоприемное устройство; 8 – усилитель (преобразователь); 9 – устройство обработки и вывода информации.

При подаче внешнего магнитного поля (или внесении ячейки Фарадея 5 во внешнее магнитное поле), напряженностью Нвн ячейка Фарадея 5 вращает плоскость поляризации проходящего вдоль него света на угол φf и тем самым на светоприемное устройство 7 поступает световой поток соответствующей интенсивности. В качестве светоприемного устройства могут быть использованы светодиоды, фотосопротивления, и другие элементы. Сигнал от светоприемного устройства 7 усиливается (или преобразуется) усилителем 8 и поступает в устройство обработки и вывода информации 9. В качестве источника света 1 могут быть использованы светоизлучающие лазеры, светодиоды и другие источники монохроматического излучения определенной длины волны. Для передачи светового излучения может быть использовано как многомодовое, так и одномодовое оптическое волокно.

Для материалов с большими значениями константы Верде (кадмий - марганец – теллур), датчики могут быть изготовлены с двухпроводной схемой и однократным отражением света рис.2. В качестве ячейки Фарадея здесь могут быть использованы монокристаллы, микрокристаллы, квантовые структуры и тонкие пленки. Угол отражения γ в микрокристаллах, квантовых структурах и тонких пленках достаточно малый – меньше 1о. Поэтому с достаточно высокой точностью можно считать, что датчик измеряет поле Нх распределенное вдоль оси 0Х оптического материала.

Рис.2. Двухпроводная схема датчика магнитного поля:
1 – волокно подводящее свет; 2 – линза; 3 – ячейка Фарадея; 4 – зеркало; 5 – излучающее волокно.

Кроме того, в этой схеме измерения используется только одна микролинза, что удешевляет ее конструкцию. Тонкие пленки и микрокристаллы магнитооптических материалов также обычно значительно дешевле крупных монокристаллов.

Так как оптические волокна обладают высокой эластичностью (минимальный радиус изгиба 2мм), то конструктивно датчики могут выполняться поворотными и измерять напряженность поля в двух координатной системе, например, по осям 0Х и 0Y (рис.3). Механизм поворота измерительной системы с ячейкой Фарадея не всегда является удобным в исследованиях. Однако простота конструкции, наличие одного светоприемного и усилительного устройства, а также не сложного устройства обработки и вывода информации делает эти поворотные схемы весьма перспективными для исследований двумерных электромагнитных полей.

Рис. 3 (а, б). Схема поворотного датчика магнитного поля:
а – измерение поля распределенного по оси ОХ; б – измерение поля распределенного по оси ОУ;
1 – волокно подводящее свет; 2 – измерительная система с ячейкой Фарадея;3 – механизм поворота измерительной системы; 4 – рама крепления; 5 – излучающее волокно.

Наглядное и одновременное измерение двухмерных и трехмерных электромагнитных полей позволяют датчики с независимыми источниками распространения света по различным осям ячейки Фарадея и датчики с разветвлением интенсивности подводящего светового излучения, приведенные на рис.4 и рис.5.

Рис.4. Схема двухмерного датчика магнитного поля с независимыми источниками света:
1 – источники света; 2 – волокно подводящее свет; 3 – ячейка Фарадея; 4 – излучающее волокно; 5 – светоприемные устройства.

Рис. 5. Схема трехмерного датчика магнитного поля с разветвлением интенсивности светового излучения:
1 – источник света; 2 – волокно с разветвлением подводящего света; 3 – ячейка Фарадея; 4 – излучающее волокно; 5 – светоприемные устройства.

В качестве ячейки Фарадея здесь могут быть использованы монокристаллы, микрокристаллы и тонкие пленки которые обычно имеют различные линейные размеры. Так, например, в двухмерном датчике, приведенном на рис.4, измерение напряженностей магнитного поля по осям 0Х и 0Y определяются длинами ячейки Фарадея 0X1 и 0Y1, по которым проходят световые потоки. Соответственно разрешающая способность датчика по различным осям различна. При измерении и сравнении полей это учитывается коэффициентами линейного размера ячейки Фарадея по измеряемым осям и настройкой светоприемных устройств или устройств обработки и вывода информации.

Тонкие пленки обычно имеют разные размеры по осям. Конструирование и настройка трехмерных датчиков на основе тонких пленок технологически более сложно, чем для микрокристаллов. Применение в качестве ячейки Фарадея кубических микрокристаллов (рис. 5) обеспечивает одинаковое разрешение по всем осям трехкоординатной системы.

Наглядный вывод характера распределения трехмерного поля может осуществляться устройствами обработки и вывода информации на экран дисплея. Применение современных ЭВМ и их программное обеспечение (Windows 2000, Windows XP, Exel и др.) позволяет в наглядной форме выводить на экран и печать распределение магнитных полей по различным осям трехкоординатной системы различными цветами, определять результирующее поле в рассматриваемой точке или в не большом объеме и др.

Результирующая напряженности трехмерного магнитного поля трехмерного датчика (рис. 5) определяется по формуле:

Однопроходная схема датчика магнитного поля на основе тонкопленочных элементов (ячеек) может быть выполнена так, как это показано на рис .6. Входное 1 и выходное 2 оптические волокна (светопроводы) в этом случае могут быть различных типов и размеров.

Рис.6. Однопроходная схема датчика магнитного поля на основе тонкопленочных элементов:
1 – одномодовое светопроводящее оптическое волокно; 2 – многомодовое светоприемное излучающее оптическое волокно; 3 – элемент (пленка, микрокристалл) Фарадея; 4 – пленочный поляризатор; 5 – пленочный анализатор; 6 – крепление измерительной ячейки Фарадея.

Достоинством датчиков на основе тонкопленочных элементов является то, что они являются достаточно компактными, не содержат микролинз, не сложны в исполнении и могут быть достаточно дешевыми. Элемент Фарадея 3 и не дорогие пленочный поляризатор 4 и анализатор 5 сравнительно легко собираются с помощью креплений 6 (склеиванием, свинчиванием и т.п.).

Преимущество разработанных датчиков на основе полумагнитных полупроводниковых материалов в том, что они:

  1. Обладают высокой чувствительностью;

  2. Могут быть использованы для измерения от сверхслабых (0,5 Э) до сверхсильных магнитных полей (до 106 Э);

  3. Способны измерять одновременно магнитные поля в трех координатной системе;

  4. Работают в широком интервале температур;

  5. Могут работать в различных жидких и газообразных средах;

  6. Позволяют анализировать спектральный и частотный состав полей;

  7. Позволяют измерять импульсные и сверхвысокочастотные поля в широком диапазоне частот (до 5 ГГц);

  8. Достаточно компактны;

  9. Могут быть использованы для измерения магнитных полей на достаточно большом расстоянии (до 1 км) от регистрирующих приборов;

  10. Позволяют измерять поля в малом объеме - в локальной точке диаметром до 1 мм;

  11. Не содержат металлических материалов (потери в них только от tg ) и измеряют не возмущающие поля;

  12. Позволяют измерять поля сразу во многих точках пространства без возмущений работы одного датчика на другой;

  13. Практически без инерционны (отсутствует собственная индуктивность);

  14. Электробезопасны;

  15. И другие.

Разработанные датчики могут быть использованы для исследований, конструирования и оптимизации различных электротехнологических систем и установок, промышленных индукционных нагревательных, плавильных, закалочных и других высокочастотных установок.

Так, использование их для индукционных нагревательных и закалочных установок, позволяет грамотно подходить к вопросам конструирования экранов для защиты обслуживающего персонала от действия электромагнитных полей, тестировать и разрабатывать новые экраны, магнитные и магнитодиэлектрические материалы, исследовать различные пространственные средства управления температурным полем индукционных нагревателей, выдавать сигналы на управление мощными индукционными нагревателями для получения требуемого качества нагрева заготовок по длине и сечению и т.п.

Датчики выдерживают достаточно высокие и низкие температуры (ограниченны температурной стойкостью стекловолокна), и так как не несут на себе электричества, то они взрывобезопасны и могут быть использованы для регистрации магнитных полей в вакуумных и взрывоопасных средах, в различных индукционных химических аппаратах и др.

Разработанные датчики могут быть использованы для исследований процессов упрочнения различного режущего инструмента, штамповой оснастки, деталей машин и механизмов в различных импульсных электромагнитных полях. Форма импульсов, их длительность, частота следования, мощность, параметры поля, все это влияет на достижение требуемых параметров повышения износостойкости инструмента.

Кроме того, они позволяют решать экологические вопросы по влиянию различных бытовых и промышленных электрических аппаратов (радиотелефонов, микроволновых печей и т.п.), источников питания, высокочастотных преобразователей (тиристорных, ламповых) и других источников переменного тока на окружающую среду и человека.

Фотографии некоторых разработанных и изготовленных нами датчиков для исследований различных импульсных полей показаны на рис.7 и рис.8.

Рис.7. Датчики магнитного поля с соединительными устройствами для передачи измеряемого сигнала по светопроводу на большие расстояния.

Рис.8. Конструкция датчика с устройством вывода измеряемых параметров электромагнитного поля на осциллограф.

Разработанные датчики использовались нами для исследований различных процессов высокочастотного нагрева заготовок и исследований упрочнения различного режущего инструмента импульсными магнитными полями. Так исследовались процессы магнитно-импульсного упрочнения режущего инструмента и штампово-прессовой оснастки. Показано, что различные формы профиля электромагнитного импульса и их значения оказывают существенное влияние на износостойкость режущего инструмента и штампово-прессовой оснастки. Некоторые примеры форм профилей электромагнитных импульсов воздействующих на режущий инструмент, помещенный в цилиндрический индуктор с магнитопроводом из магнитодиэлектрика и измерение (отклик) импульсов с помощью разрабатываемых датчиков (нижние осциллограммы) показаны на рис.9-рис.12.

Рис.9. Форма импульса, приближающаяся к трапеции и отклик датчика.

Рис.10. Комбинированная форма импульса и отклик датчика.

Рис.11. Треугольный крутой фронт импульса и отклик датчика.

Рис. 12. Форма мощного импульса, приближающаяся к равнобедренному треугольнику и отклик «тонкого» датчика с параметрами его вращения плоскости поляризации.

В настоящее время нами отработан технологический процесс получения и выращивания монокристаллов полумагнитных полупроводниковых материалов кадмий - марганец – теллур и некоторых других материалов. Для этих целей нами разработаны специальные электрические печи сопротивления и определено необходимое вспомогательное оборудование. Отработан техпроцесс получения монокристаллов различной длины, микрокристаллов, квантовых структур и тонких пленок.

Нами проработаны почти все технологические аспекты конструирования и подготовки к серийному изготовлению разработанных нами датчиков магнитных полей (рис.1-рис.6). Для вывода измеряемой информации с датчиков магнитных полей разработаны некоторые измерительные устройства.

Для организации промышленного выпуска разработанных датчиков магнитных полей приглашаем Отечественных и зарубежные инвесторов и предпринимателей.

На взаимовыгодных условиях, можем поставить заинтересованным лицам и организациям необходимую техническую и технологическую документацию. Наш интерес- получение в дальнейшем от производителей, различных монокристаллов требуемых нам размеров.

В настоящее время разработанные нами датчики мы изготавливаем по индивидуальным договорам. Срок изготовления датчиков от 2 до 3 месяцев, со дня поступления авансового платежа на расчетный счет исполнителя.

Стоимость изготовления и поставка требуемых датчиков договорная.

За дополнительной информацией обращаться по адресам и телефонам,
указанным на  странице контактов

На главную


© 2009 - 2016 Научный руководитель работ к.т.н. Никитин Сергей Иванович.
моб. телефон:  8-905-344-00-79,  e-mail:  iofran@mail.ru