УДК 620.179.14
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МАГНИТОИМПЕДАНСНЫХ
ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
© 2022 г. С.В. Щербинин1,2,*, И.В. Бекетов1,2, К.А. Ярушин2
1Институт электрофизики УрО РАН, Россия 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
2Уральский Федеральный Университет, Россия 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19
E-mail: *scher@iep.uran.ru
Поступила в редакцию 29.06.2022; после доработки 27.09.2022
Принята к публикации 07.10.2022
Рассматривается повышение чувствительности магнитоимпедансных (металлических) датчиков магнитного поля за
счет включения в высокочастотный резонансный контур. Представлены различные схемы резонансных контуров, позволя-
ющие увеличить чувствительность металлического магнитоимпедансного датчика на частоте 75 МГц. Наилучшие результа-
ты получены для контура с умножением добротности, дающим увеличение коэффициента передачи датчика от напряжен-
ности внешнего магнитного поля с 31 %/Э до 132 %/Э при сужении полосы пропускания до 2,5 МГц, что в результате обе-
спечивает возрастание на порядок отношения сигнал/шум. Данный подход с применением квадратурной демодуляции сиг-
нала позволяет различать сигналы переменного магнитного поля амплитудой 1 нТл при отношении сигнал/шум на уровне
10 дБ. Предложенный метод может быть применен для магнитоимпедансных, магниторезистивных датчиков магнитного
поля, а также и для металлических тензометрических датчиков при проведении высокочувствительных измерений.
Ключевые слова: повышение чувствительности, резонансный метод, магнитоимпедансный датчик, квадратурный
демодулятор.
DOI: 10.31857/S0130308222120041, EDN: BUXJYU
ВВЕДЕНИЕ
Магнитоимпедансные датчики широко применяются в измерительной технике благодаря мало-
му уровню собственных шумов. В тензометрии используются датчики на основе медно-никеле-
вых, никель-хроможелезных сплавов, нихрома, алюминия и т.п., обладающие сопротивлением в
единицы Ом [1]. Для регистрации слабых магнитных полей используются датчики на основе
магнитоимпедансного и магниторезистивного эффекта, сопротивление которых может составлять
от долей до сотен Ом [2—6].
Одним из путей увеличения чувствительности датчиков является возможность включения дат-
чика в резонансный контур и повышение частоты преобразования сигнала [7, 8], что не исключает
использование низкоомных датчиков в мостовых схемах и дифференциальных каскадах [9].
В статье рассмотрен метод повышения чувствительности магнитоимпедансного датчика,
включенного в контур с умножением добротности, при работе на частоте 75 МГц в составе детек-
тора с квадратурной демодуляцией сигнала.
ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДАТЧИКОВ ЗА СЧЕТ ПЕРЕНОСА СПЕКТРА
СИГНАЛА В ВЫСОКОЧАСТОТНУЮ ОБЛАСТЬ
Повышение чувствительности датчиков, как правило, сопровождается увеличением времени
формирования сигнала. Таким образом, характерные времена процессов, регистрируемых чувстви-
тельными датчиками магнитного поля, варьируются от миллисекунд до десятков секунд. В результа-
те, спектр исследуемых процессов лежит в области т.н. фликкер-шума (рис. 1а). Для регистрации
слабых сигналов на фоне шума на низких частотах спектр сигнала датчика необходимо перенести в
более высокочастотную область (рис. 1б). Удобным образцом для исследований на высоких частотах
является микропроволока на основе бериллиевой латуни диаметром 100 мкм с электроосажденным
слоем пермаллоя Fe19Ni81, толщиной 1 мкм, которая применялась в 1970-х годах для изготовления
блоков памяти в компьютерах, таких, например, как UNIVAC [10]. В проводниках на высоких часто-
тах в десятки мегагерц за счет скин-эффекта электромагнитное поле концентрируется в тонком при-
поверхностном слое. Это позволяет использовать для магнитоимпедансного датчика только внешний
слой пермаллоя, обладающий циркулярной анизотропией, а сердцевину микропроволоки изготовить
из проводящего материала, обладающего необходимыми механическими свойствами, например, из
бериллиевой латуни. Поэтому значительно снижается влияние магнитных шумов, наблюдаемых в
сердцевине ферромагнитного провода на высоких частотах [11]. Исследования проведены на частоте
36
С.В. Щербинин, И.В. Бекетов, К.А. Ярушин
а
б
104
104
Фликкер-шум
Фликкер-шум
103
103
102
102
Диапазон исследований
ВЧ
Белый шум
Белый шум
1
10
0
101
10
104
108
100
104
108
F, Гц
F, Гц
Рис. 1. Спектр полезного сигнала датчика в зоне влияния фликкер-шума (а) и перенос спектра в высокочастотную
область (б).
75 МГц (рис. 2), что продиктовано отсутствием вблизи рабочей зоны радиовещательных станций, а
также наличием и ценой соответствующей элементной базы.
Измерения с помощью спектроанализатора DSA815-TG позволили определить активную R и
реактивную X составляющие импеданса отрезка ферромагнитной проволоки длиной 12 мм на
частоте 75 МГц (см. рис. 2). Что, в свою очередь, позволяет определить модуль импеданса
2
2
180°
Z =
Z
= R
+X
и аргумент
ϕ=
arg
(
Z
)
(рис. 3).
π
а
б
F, МГц
F, МГц
H, Э
H, Э
Рис. 2. Активная (а) и реактивная (б) составляющие импеданса проволоки с электроосажденным слоем пермаллоя во
внешнем магнитном поле.
а
б
16
80
14
70
12
2,3 Э
10
60
8
3,9 Э
50
6
4
40
0
5
10
15
0
5
10
15
H, Э
H, Э
Рис. 3. Модуль (а) и аргумент (б) импеданса чувствительного элемента.
Дефектоскопия
№ 12
2022
Метод повышения чувствительности магнитоимпедансных датчиков магнитного поля
37
Таким образом, на частоте 75 МГц для обеспечения максимальной чувствительности по моду-
лю импеданса для данного элемента необходимо приложить постоянное поле смещения на уровне
3,9 Э (рис. 3а), а на уровне 2,3 Э — для обеспечения максимальной чувствительности по аргумен-
ту (рис. 3б).
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Принципиальная электрическая схема одного из вариантов датчика представлена на рис. 4.
Датчик содержит чувствительный элемент Z длиной 12 мм, вставленный в катушку индуктивно-
сти, подключенную к прецизионному источнику тока на основе LT3092 с исключительно низкой
спектральной плотностью шума 2,7 пА/ Гц. Источник тока обеспечивает необходимое постоян-
ное поле смещения для достижения максимальной чувствительности на частоте 75 МГц. В состав
датчика также входит усилитель высокой частоты, собранный из немагнитных компонентов
(рис. 5). Выступ печатной платы с чувствительным элементом вставляется в катушку подмагничи-
вания, содержащую 2200 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,1 мм. Датчик собран в цилиндриче-
ском медном корпусе диаметром 18 мм и длиной 70 мм.
L2
100 мкГн
+5В
C4
C5
C6
-5В
+ C7
VT1 BF998A
0.1
R2
1000
0.1
10.0
4,7K
LC-контур
Усилитель
Вход
Выход
A1
C3
1
L1
R4
Вход
Выход
C1
6.8
C8
1M
C2
z
1000
R1
R3
R5
50
Z
2,7K
50
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема датчика с усилителем высокой частоты (а) и соответствующая структурная
схема (б).
а
б
Рис. 5. Плата датчика с одноконтурной (а) и двухконтурной (б) входными цепями. Катушка подмагничивания (не пока-
зана) надевается на выступ платы с чувствительным элементом (слева).
Дефектоскопия
№ 12
2022
38
С.В. Щербинин, И.В. Бекетов, К.А. Ярушин
На высоких частотах чувствительность датчика может быть увеличена за счет включения маг-
нитоимепедансного чувствительного элемента Z в LC-контур. Параметры контура подбираются
таким образом, чтобы при малых изменениях сопротивления элемента происходило значительное
изменение добротности и, соответственно, коэффициента передачи контура. Колебательный кон-
тур должен также ослаблять влияние индустриальных помех и радиовещательных станций на
результаты измерений. Различные варианты включения магнитоимпедансного элемента в колеба-
тельный контур рассмотрены на рис. 6—8.
а
б
в
C1
C3
C3
C1
L1
C3
L1
L1
Вход
C1
C2
C2
C2
Z
Z
R1
50
Z
Рис. 6. Включение чувствительного элемента в LC-контур (ав).
а
б
C3
C2
Вход
Вход
L1
L2
L3
L1
L2
C1
C3
C2
Z
Z
Рис. 7. Схема с индуктивной связью на входе (а); двухконтурная входная цепь (б).
C5 0,1
+12 В
C4
0,01
R3
R4
100K
4,7K
L1
Вход
C2
C1
6,8
C3 1
R2
560
VT1
BF998A
R1
Z
50
C6
0,01
Рис. 8. Схема включения чувствительного элемента в колебательный контур с умножением добротности.
Дефектоскопия
№ 12
2022
Метод повышения чувствительности магнитоимпедансных датчиков магнитного поля
39
Номиналы элементов резонансных контуров (см. рис. 6—8) определены из условия максиму-
d
K
ма чувствительности по внешнему магнитному полю
на частоте 75 МГц и согласования
dH
2
2
входных и выходных сопротивлений, где
| K|=
(ReK)
+
(ImK)
— модуль коэффициента пере-
ImK
дачи цепи;ψ=
arg
— аргумент коэффициента передачи цепи; H — напряженность внеш-
ReK
него магнитного поля. Например, коэффициент передачи цепи для контура рис. 6а:
Z
jωC
Z
16
1
26
K
=
Z
,
2
36
(1)
R
+
Z
1
C
M+ jωC
Z
g
16
1
1
26
где
2
R
1
(
1
C
1
M
)
Z
=
;
(2)
16
2
jωR
C
+1
C
M
1
1
1
(
jω
(
L
+
M
)
+
Z
)(
jω
(
L
+
M
)
+
Z
)
2
2
46
Z
26
=
;
(3)
jω
(
L
+
L
+
2
M
)
+
Z
+
Z
1
2
46
1
+ ω
R
3
L
Z
36
=
;
(4)
2
j
ω
(
L
+
M
)(
j
ω
(
C
+C
)
−ω
C
C
R
)
+1+ ω
R
1
2
3
2
3
L
3
L
M =k L
L
(5)
1
2
— взаимная индуктивность верхней (L1) и нижней (L2) по схеме частей катушки L1; k — коэффи-
циент связи; Z — импеданс чувствительного элемента; Rg, RL — сопротивление генератора и
нагрузки соответственно.
Для всех схем включения чувствительного элемента, представленных на рис. 6—8, проведено
моделирование в программе Micro-Cap 12 [12] и проверена работа узлов на печатных платах
(см. рис. 5). С помощью анализатора спектра DSA815-TG измерены амплитудно-частотные харак-
теристики и фазочастотные характеристики контуров. На основе полученных в результате измере-
ний АЧХ рассчитаны такие параметры датчика, как максимальное изменение коэффициента пере-
K
дачи от напряженности внешнего магнитного поля
(максимальная чувствительность),
H
max
напряженность поля подмагничивания и ширина полосы пропускания по уровню -3 дБ в области
максимального изменения коэффициента передачи (табл. 1). На основе ФЧХ рассчитаны макси-
∂ψ
мальные чувствительности измеряемых цепей по фазе сигнала
(см. табл. 1).
H
max
Семейство амплитудно-частотных характеристик при изменении поля подмагничивания для
схемы с последовательным включением чувствительного элемента (см. рис. 6а) представлено на
рис. 9а. Соответствующее семейство фазочастотных характеристик представлено на рис. 9б.
В табл. 1 представлены основные параметры резонансных контуров с чувствительным элемен-
том Z, которые возможно использовать для повышения чувствительности датчика.
Сравнение различных схем включения чувствительного элемента во входную цепь показывает,
что наилучшими параметрами обладает схема с умножением добротности (см. рис. 8). Несмотря
на то, что пассивные схемы (см. рис. 6б, в) характеризуются значительным изменением коэффици-
ента передачи от внешнего магнитного поля (109 %/Э и 188 %/Э), достигается это за счет неоправ-
данно большой ширины полосы пропускания (11,4 МГц и 9,2 МГц). Двухконтурные входные цепи
позволяют сузить полосу пропускания, но усложняют настройку, снижают общий коэффициент
передачи, увеличивают габариты датчика. Пример одной из возможных двухконтурных цепей
Дефектоскопия
№ 12
2022
40
С.В. Щербинин, И.В. Бекетов, К.А. Ярушин
а
в
0
0
-10
-10
-20
-20
-30
-30
-40
-40
60
70
80
90
60
70
80
90
F, МГц
F, МГц
б
г
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
60
70
80
90
60
70
80
90
F, МГц
F, МГц
Рис. 9. АЧХ и ФЧХ-цепи с последовательным включением чувствительного элемента в контур (а, б) и цепи с умноже-
нием добротности (в, г).
Таблица
1
Макс. чувствительность
Макс. чувствительность
Коэффициент
Ширина полосы
Схема
d
K
Поле подмагничивания
передачи1
пропускания2
(75 МГц)
dψ (75 МГц)
dH
dH
Z в линии
2,3 дБ/Э
9 °/Э
-16.2 дБ
3.8 Э
-
50 Ом
31 %/Э
(75 МГц)
3,2 дБ/Э
33 °/Э
Рис. 6а
-23,2 дБ
3,6 Э
5,6 МГц
45 %/Э
(72 МГц)
6,4 дБ/Э
64 °/Э
Рис. 6б
-25,7 дБ
2,6 Э
11,4 МГц
109 %/Э
(67 МГц)
9,2 дБ/Э
48 °/Э
Рис. 6в
-34 дБ
2,8 Э
9,2 МГц
188 %/Э
(70 МГц)
7,3 дБ/Э
48 °/Э
Рис. 8
-9,4 дБ
1,5 Э
2,5 МГц
132 %/Э
(74 МГц)
1Коэффициент передачи в области максимальной чувствительности (75 МГц).
2Ширина полосы пропускания по уровню -3 дБ в области макс. чувствительности (75 МГц).
Дефектоскопия
№ 12
2022
Метод повышения чувствительности магнитоимпедансных датчиков магнитного поля
41
представлен на рис. 7б. На рис. 7а показано, что вместо частичного включения возможно приме-
нение индуктивной трансформаторной связи, что позволяет упростить настройку входной цепи, но
ведет к усложнению конструкции и образованию высокочастотных паразитных контуров.
Трансформаторная связь также может быть полезной, если необходимо развязать гальванически
генератор сигналов и детектор [13].
Пассивные цепи (см. рис. 6, 7) не требуют дополнительного источника питания, обладают
минимальными собственными шумами, но могут значительно ослабить входной сигнал. Тем не
менее схема с умножением добротности (см. рис. 8) при сопоставимой со схемами (см. рис. 6б, в)
чувствительностью (132 %/Э) обладает минимальной из всех испытанных шириной полосы про-
пускания (2,5 МГц) и максимальным коэффициентом передачи (-9,4 дБ). АЧХ и ФЧХ резонансной
цепи с датчиком представлены на рис. 9в и г соответственно.
Немаловажным является и тот факт, что максимальное изменение фазы в схеме с умножением
добротности наблюдается на частоте, близкой к 75 МГц, что позволяет выбрать режим в квадра-
турном демодуляторе с одновременным мониторингом амплитуды и фазы сигнала. Достоинством
применения данной схемы является также возможность значительного снижения напряженности
постоянного поля подмагничивания (H = 1,5 Э), к чему стремятся многие разработчики магнито-
импедансных датчиков [14], поскольку при меньшем поле подмагничивания меньше нагрев катуш-
ки и меньше влияние шумов источника постоянного тока.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ДАТЧИКА С КВАДРАТУРНЫМ ДЕМОДУЛЯТОРОМ СИГНАЛА
Датчик слабых магнитных полей с умножителем добротности испытан в составе детектора на
основе квадратурного демодулятора сигнала. Структурная схема детектора представлена на рис. 10.
Умножитель
ФНЧ ФВЧ
U4'(t)
UQ(t)
Фазо-
АЦП
Генератор
вращатель
U1(t)
ПФ
Усилитель
ЦОС
U2(t)
U3(t)
A2
ФНЧ ФВЧ
Датчик
U4(t)
UI(t)
LC-контур
Усилитель
АЦП
A1
Умножитель
Источник
Lп Z
тока
Контроль тока
АЦП
подмагничивания
Рис. 10. Структурная схема детектора на основе квадратурного демодулятора сигнала.
В корпусе датчика кроме чувствительного элемента собран также предварительный усилитель
на малошумящем двухзатворном КМОП-транзисторе BF998A, что позволило значительно снизить
наводки на коаксиальный кабель от радиостанций УКВ диапазона. Предварительный усилитель
также необходим для согласования импеданса LC-контура (см. рис. 10) с волновым сопротивлени-
ем кабеля и входным сопротивлением 50 Ом полосового фильтра FTR-3874. Полосовой фильтр
(ПФ) с резонансным усилителем (А2) обеспечивают выделение полезного сигнала частотой
75 МГц за счет сужения полосы пропускания тракта до 30 кГц (по уровню -3 дБ).
Далее в квадратурном демодуляторе полезный сигнал перемножается в умножителях, выпол-
ненных на AD831, с опорным сигналом и смещенным по фазе на 90° опорным сигналом. Фильтры
низких частот (ФНЧ) с частотой среза 2,5 кГц не пропускают на вход АЦП высокочастотные про-
Дефектоскопия
№ 12
2022
42
С.В. Щербинин, И.В. Бекетов, К.А. Ярушин
Рис. 11. Окно программы в режиме просмотра полученных данных.
дукты перемножения. Фильтры высоких частот (ФВЧ) с частотой среза 0,1 Гц предназначены для
ограничения регистрации медленных флуктуаций магнитного поля, влияющих на смещение нуле-
вого уровня высокочувствительного детектора. Синфазный и квадратурный сигналы преобразуют-
ся в цифровой вид в четырехканальном 14-бит АЦП E20-10 [15], работающем с частотой дискре-
тизации 250 кГц. На один из каналов АЦП подается также сигнал с источника тока (см. рис. 10)
для контроля тока подмагничивания чувствительного элемента. Цифровые сигналы считываются
с АЦП программой, работающей под управлением ОС Windows 10. Программа обладает удобным
интерфейсом, позволяющим оператору наблюдать за изменением магнитного поля в режиме
реального времени, записывать результаты работы детектора на жесткий диск ноутбука, а также
просматривать записанные файлы [16]. В режиме просмотра программа позволяет оператору мас-
штабировать полученные графики по осям X и Y, выделять зону интереса, находить значения полу-
ченных данных в определенных точках (рис. 11). Программа позволяет производить с полученны-
ми данными такие функции цифровой обработки сигналов, как вычисление амплитуды и фазы
сигнала, определение скользящего среднего, вычисление быстрого преобразования Фурье.
УРОВЕНЬ ИЗМЕНЕНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ФИКСИРУЕМЫЙ ДАТЧИКОМ
Для калибровки и оценки чувствительности детектора слабых магнитных полей датчик поме-
щен в систему компенсации магнитного поля Земли (рис. 12). Кроме того, пара катушек
Гельмгольца подключена к выходу генератора DG-3121 для создания калибровочного переменного
магнитного поля частотой от 0,01 Гц до 2,5 кГц. Сигнал снимается с нагрузочного сопротивления
R2, равного 50 Ом (см. рис. 12).
L4
Генератор
Аттенюатор
R1 50
R3
247
R4
R5
Датчик
61
61
L1
L2
R2 50
L3
К осциллографу
B1
Рис. 12. Схема установки для калибровки детектора слабых магнитных полей.
Дефектоскопия
№ 12
2022
Метод повышения чувствительности магнитоимпедансных датчиков магнитного поля
43
Для калибровки детектора генератор DG-3121 формирует прямоугольные импульсы амплитудой
от 9,99 В до 10 мВ. Прямоугольные импульсы амплитудой 1 мВ формируются с использованием
аттенюатора (20 дБ, 50 Ом). Амплитудное значение силы тока в катушках Гельмгольца L1L2 измере-
но за счет падения напряжения на нагрузочном сопротивлении R2 с помощью осциллографа
Tektronix TDS-1021 (см. рис. 12). При амплитуде прямоугольных импульсов 9,99 В амплитуда силы
тока составила Im = 98 мА. Собственное сопротивление R = 1,9 Ом и индуктивность L = 2,3 мГн
катушек L1L2 вносят незначительную погрешность на низких частотах. Соответственно, амплитуда
напряженности магнитного поля в центре между катушками L1L2:
I
N
А
m
H
=
0,716
=
7,7
,
(6)
m
r
м
где N = 27 — число витков в катушке; r = 245 мм — радиус катушек Гельмгольца.
Для определения начальной точки калибровки использован миллитесламетр ТПУ 28134-04.
При амплитуде прямоугольных импульсов 9,99 В амплитуда измеренной индукции была на уровне
Bm = μ0Hm = 9,7 мкТл.
Это позволило определить верхнюю точку калибровочной прямой, а далее пользоваться фор-
мулой (6) для определения чувствительности детектора в широком динамическом диапазоне,
составляющем более 80 дБ.
Для снижения влияния шумов и индустриальных помех после умножителей включены ФНЧ и
ФВЧ, ограничивающие ширину полосы входного сигнала АЦП. Благодаря этому полоса пропуска-
ния детектора магнитного поля по уровню -3 дБ составляет диапазон от 0,5 Гц до 1 кГц (рис. 13).
Меандр
1 мкТл
Синус
1
100 нТл
1
0 дБ
-3 дБ
0,1
10 нТл
0,01
1 нТл
0,1
Уровень
0,1
1
10
100
1000
шума
10
100
F, Гц
F, Гц
Рис. 13. Диапазон частот работы детектора при синусои-
Рис. 14. Регистрируемая детектором амплитуда
дальном и близком к прямоугольному изменениям маг-
первой гармоники сигнала при различных уровнях
нитного поля с максимальной индукцией Bm = 100 нТл.
индукции внешнего магнитного поля.
Показания детектора линейны в частотном диапазоне от единиц до ста герц в области изме-
нений внешнего магнитного поля от 1 нТл до 1 мкТл (рис. 14). Значения уровня белого шума на
графике более чем на 10 дБ ниже величины сигнала на входе АЦП, при которой регистрируется
сигнал амплитудой 1 нТл. Пример регистрации детектором прямоугольных импульсов магнит-
ного поля частотой 13 Гц после цифрового подавления частот, кратных 50 Гц, представлен
на рис. 15.
4
2
0
-2
-4
4
4,2
4,4
4,6
4,8
t, с
Рис. 15. Регистрация детектором прямоугольных импульсов магнитного поля амплитудой 1 нТл и частотой 13 Гц .
Дефектоскопия
№ 12
2022
44
С.В. Щербинин, И.В. Бекетов, К.А. Ярушин
Достигнутая чувствительность слабых переменных магнитных полей амплитудой 1 нТл
при комнатной температуре и в условиях индустриальных электромагнитных помех сопоста-
вима с чувствительностью лучших мировых аналогов [17] и чувствительностью датчиков на
основе феррозондов в области инфранизких частот [18]. Кроме того, предлагаемая методика
позволяет увеличить чувствительность быстродействующих датчиков, поскольку рассчитана
на работу в области частот десятки-сотни мегагерц [19]. При применении квадратурной демо-
дуляции сигнала быстродействие датчика ограничено шириной полосы пропускания полосо-
вого фильтра (ПФ) и может достигать десятков микросекунд. Очевидно, что шумы датчика
могут быть уменьшены за счет снижения температуры чувствительного элемента и за счет
проведения исследований в специальном экранированном помещении, что увеличит достоин-
ства предложенного метода.
ВЫВОДЫ
1) Предложенный метод включения чувствительного магнитоимпедансного элемента на осно-
ве проволоки с электроосажденным пермаллоем в колебательный контур с умножением доброт-
ности позволяет повысить чувствительность датчика магнитного поля (от 31 %/Э до 132 %/Э) при
работе на частоте 75 МГц.
2) Включение чувствительного элемента в контур с умножением добротности сопровождается
сужением полосы входного сигнала до 2,5 МГц, и, в результате, на порядок возрастает отношение
сигнал/шум датчика.
3) Описанный тип включения магнитоимпедансного датчика позволяет снизить напряжен-
ность постоянного магнитного поля смещения с 3,9 Э до 1,5 Э, что значительно упрощает систему
подмагничивания и снижает влияние шумов источника тока.
4) Разработанный резонансный датчик в составе квадратурного демодулятора сигнала позволя-
ет различать изменения магнитного поля на уровне 1 нТл при отношении сигнал/шум 10 дБ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных иссле-
дований, проект № 20-48-660044.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Датчики / Справочное пособие. Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера,
2012. 624 с.
2. Балбашов А.М., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. М.: Энергия,
1979. 216 с.
3. Vazquez M. Giant magneto-impedance in soft magnetic wires // Journal of Magnetism and Magnetic
Materials. 2001. V. 226. P. 693—699.
4. Курляндская Г.В., Волчков С.О., де Кос Д. Магниточувствительные преобразователи для нераз-
рушающего контроля, работающие на основе гигантского магнитоимпедансного эффекта (Обзор) //
Дефектоскопия. 2009. № 6. C. 13—42.
5. Сысоева С. Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые перспективы. Часть 3.
XMR (АМР/ГМР/ТМР) — конкуренты датчиков Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 8.
C. 49—62.
6. Маргелов А. Модульные и компонентные магниторезистивные датчики и компасы Honeywell //
Новости электроники. 2006. T. 10. C.10—14.
7. Shcherbinin S.V., Volchkov S.O., Chlenova A.A., Kurlyandskaya G.V. Load Matching for Giant
Magnetoimpedance Sensor in Coaxial Configuration // Key Engineering Materials. 2019. V. 826. P. 19—24.
8. Le Anh-Tuan, Phan Manh-Huong. Advanced Magnetic Microwires as Sensing Elements for LC-resonant-
type Magnetoimpedance Sensor: a Comprehensive Review // Journal of Superconductivity and Novel
Magnetism. 2012. V. 25. P. 181—195.
9. Nie Xinhua, Pan Zhongming. Differential-type Integrating GMI Magnetic Sensor Based on Orthogonal
Vector Lock-in Amplifier / 2013 Chinese Automation Congress. Publisher: IEEE. Changsha, China.
P. 344—347. DOI: 10.1109/CAC.2013.6775756
10. UNIVAC 9000 Series. Facts and Figures. 1969. Sperry Rand Corporation.
11. Beach R.S., Smith N., Platt C.L., Jeffers F., Berkowitz A.E. Magneto-impedance effect in NiFe plated
wire // Applied Physics Letters. 1996. V. 68. P. 2753.
12. www.spectrum-soft.com
13. Горшелев В.Д., Красноцветова З.Г., Федорцов Б.Ф. Основы проектирования радиоприемников.
Л.: Энергия, 1977. 384 с.
14. Atalay S., Izgi T., Buznikov N.A., Kolat V.S. Asymmetric giant magnetoimpedance effect created by
micro magnets // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. V. 453. P.163—167.
Дефектоскопия
№ 12
2022
Метод повышения чувствительности магнитоимпедансных датчиков магнитного поля
45
15.E20-10. USB 2.0 модуль АЦП / Руководство пользователя. ЗАО «Л-Кард». 2008.
16. Yarushin K.A., Shcherbinin S.V., Kurlyandskaya G.V. DDS control and magneto-impedance sensor
signal lock-in amplifier data reading program. The VII International Researches Conference — Physics,
Technology, Innovations (PTI-2020) // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2313. P. 040022.
17. Uchiyama T., Mohri K., Honkura Y., Panina L.V. Recent advances of pico-Tesla resolution magneto-
impedance sensor based on amorphous wire CMOS IC MI sensor // IEEE Transactions on Magnetics. 2012.
V. 48. № 11. P. 3833—3839.
18. Реутов Ю.Я. Чувствительный феррозондовый магнитометр // Дефектоскопия. 2008. № 6.
C. 18—25.
19. Голубева Е.В., Волчков С.О., Щербинин С.В., Курляндская Г.В. Магнитоимпедансные свойства
аморфной проволоки CoFeSiB в широком частотном диапазоне: фокус на сенсорные приложения //
Дефектоскопия. 2018. № 10. С. 42—50.
Дефектоскопия
№ 12
2022