Měření slabých magnetických polí a jejich stínění doc.Ing.Petr Kašpar,CSc. Katedra měření ČVUT FEL 2005 Kontakt:
[email protected]
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
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
Rozsah hodnot magnetické indukce 100 T 10 T 2T 0.5 T 0.1 T 1 mT 50 µT 1 µT 10 fT
Pulsní pole Supravodivé magnety Elektromagnet Povrch silných permanentních magnetů (NdFeB) Povrch levných magnetů (ferit) Silové kabely Zemské pole (variace 10 nT) běžné pole „provázející“ činnost technických zařízení Lidský mozek
Magnetické pole Země
Evropa - totální pole [nT]
Evropa - vertikální pole [nT]
Evropa – horizontální pole [nT]
Evropa - inklinace[o]
Evropa - deklinace[o]
Belgie-Dourbes, 03-06-2001, denní variace
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)
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
Hallova sonda Použití pólových nástavců: • Materiál nástavců – feromagnetikum (Py) • Používá se i u magnetoresistorů
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.
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.
Sonda typu fluxgate Základní princip • Feromagnetické jádro • Budicí a snímací cívka • Jádro je periodicky přesycováno pomocí budicí cívky; ve stavu přebuzení klesá µr, toto se děje dvakrát za periodu -> detekce na 2. harmonické.
Vind Iexc(t)
µ(t)
B(t) N
Fig. 3.1.
Bo
Sonda typu fluxgate B(Φ)
t
H
Hexc
a)
Vi
Hm
t
B(Φ)
Φ
t
Vi
t
H Hexc+H0
b)
Vi
t H0
Hm
t
• V nepřítomnosti vnějšího pole je jádro přesycováno symetricky do obou polarit H. • Vnější pole způsobí posunutí -> nesymetrie se projeví i ve výstupu.
Φ
Základní princip
Fig. 3.2.
Sonda typu fluxgate Konstrukční uspořádání
• V popsaném uspořádání by indukované napětí na 1. harmonické bylo mnohem větší než měronosný signál -> jiná konstrukční řešení.
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
Sonda typu fluxgate Měřicí uspořádání C1 4kHz
OSC
8kHz
X PSD R
UX
R
UY
R
UZ
C2
Y PSD
C2
Z PSD
C2
Sonda typu fluxgate • Klasické fluxgate – Precizní, ale Drahé Poměrně velké
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“)
Feromagnetické magnetorezistory AMR – základní princip Hy
• 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
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
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)
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
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
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
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)
Mg. pole a hygienické normy-vyhláška Tabulka č. 2 480-2000 Referenční úrovně pro magnetickou indukci B – nepřetržitá expozice Zaměstnanci frekvence f /Hz <1
Ostatní osoby B /tesla 0,28
* a)
frekvence f /Hz <1
B /tesla 0,056
*
1–8
0,2 / f 2
1–8
0,04 / f 2
8 – 25
0,025 / f
8 – 25
0,005 / f
25 – 820
25.10-3 / f
25 – 800
0,005 / f
50
500.10-6
50
100.10-6
820 – 3.103
30,7.10-6
800 – 3.103
6,25.10-6
3.103– 65.103
30,7.10-6
3.103 –150.103
6,25.10-6
65.103 – 106
2 /f
150.103 – 106
0,92 / f
106 – 107
2 /f
106 – 107
0,92 / f
107 – 4.108
0,2.10-6
107 - 4.108
0,092.10-6
4.108 – 2.109
10-11. f
0,5
4.108 – 2.109
4,6.10-12 . f
2.109 – 3.1011
0,45.10-6
2.109 – 3.1011
0,20.10-6
0,5
* 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.
Mg. pole a hygienické normy-vyhláška 480-2000 Referenč ní a mezn í referenč ní úro vn ě pro magneti ckou indukci B 107 106 5
10
B / µT
104 103
B zamě stnan ci B ostatn í oso by B m ezní - zamě stnan ci B me zní - ostatn í oso by zamě stnan ci krátce zaměstnanci - ruce a no hy
102 101 100 10-1 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012
frekvence f / Hz
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.
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.
Vliv mg. pole na CRT monitory
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/x3. AC-transformátory, DC-filtrační cívky v trakčních měnírnách a zmagnetované masivní feromagnetické části
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.
Rušivá mg. pole v Praze 7 6
9, 10 8
NAPÁJEČ
NAPÁJEČ
ODPOJOVAČ
Rušivá mg. pole v Praze ŽELEZNICE
TRAFO- STANICE
Zdroj mg. Pole v Husinecké ul.
5 2. patro
4
3
1. patro
2 přízemí
chodník 1
vozovka
nevykompenzovaný proudovodič cca 1200A
Husinecká – bod 3 100 80
B [ µT]
60 S-J V-Z Vert.
40 20 0 0
50
100
150
-20 čas [s]
200
250
Husinecká – bod 1 100 80 60
B [ µT]
40 20 0 -20 0
50
100
150
-40 -60 -80 -100 čas [s]
200
250
S-J V-Z Vert.
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:
4 µ r .d +1 S= . 5 a a = délka hrany d = tloušťka stěny
Vliv otevřených částí 1 1 1 = + S o S op S p
Vícenásobné stínění d1 S 01 = µ r . D1
S 02
d2 = µr. D2
pro D1>D2
S D = S 01 . S 02 .[1 − ( D 2 / D 1 ) ] + S 01 + S 02 + 1 2
d1, d2 jsou tloušťky stěn jednotlivých vrstev D1,D2 jsou průměry jednotlivých vrstev V krajním případě pro D1→D2 efekt dvou stínění se mění na součet a vzorec je:
S D = S 01 + S 02 + 1
Určující faktory pro návrh stínícího krytu 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
• 1. Funkce ⇒
• • • •
Navržený tvar krytu pro monitor 19˝ 590
560 500
480
670
Odezva vnitřního pole na skok vnějšího pole 40 µT
8 7 Levá stěna
6 5
Levá třetina
4
Šířka
3 Pravá třetina
2 1
Pravá stěna Zadní stěna
Zadní čtvrtina
Polovina hloubky Hloubka
Přední čtvrtina
0 Přední otevření
Skok magnetické indukce [
9
T]
10
Konec prezentace
Stínící faktor krytu z amorfního materiálu 20 18 16 S 14 12 10 8 6 4 2 0 -50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
added magnetic field [µT]
60
70
80
90
100
110
120
Stínící faktor permalloyového krytu před a po mechanických úpravách 20 18 16 S
14 12 10 8 6 4 2 0 -50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
added magnetic field [µT]
60
70
80
90
100
110
120
