Гальваномагниторекомбинационные преобразователи

Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП) основаны на изменении средней концентрации носителей заряда под действием магнитного поля, проявляющемся в проводниках, которые имеют поверхности с разной скоростью рекомбинации носителей зарядов [75]. ГМРП обычно представляет собой тонкую полупроводниковую пластинку (рис. 6.2), у которой одна из боковых поверхностей (1) грубо обработана (пескоструйка, грубая шлифовка), а другая (2) – отполирована. Вследствие этого у поверхности 1 скорость рекомбинации носителей зарядов на 2–3 порядка больше, чем у поверхности 2.

Если ГМРП находиться в магнитном поле так, что вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно вектору плотности тока через ГМРП и параллельно плоскостям рекомбинации, то под действием силы Лоренца произойдет смещение носителей к одной из боковых поверхностей. Если направление магнитного поля таково, что заряды перемещаются к поверхности 1, то общая концентрация носителей зарядов уменьшается и соответственно возрастает сопротивление ГМРП. При обратном направлении вектора магнитной индукции изменяется направление силы Лоренца, что приведет к перемещению зарядов к поверхности 2, у которой малая скорость рекомбинации, и к общему увеличению концентрации зарядов, т.е. к уменьшению сопротивления ГМРП.

Таким образом, в отличие от магниторезисторов, у которых изменение сопротивления не зависит от полярности магнитной индукции, у ГМРП изменение сопротивления зависит от направления вектора магнитной индукции. При неизменном направлении магнитной индукции изменения знака приращения сопротивления можно достигнуть изменением направления тока через ГМРП. Следовательно, в магнитном поле ГМРП имеет свойства, аналогичные свойствам диода. В табл. 6.1 приведены параметры некоторых типов ГМРП.

Таблица 6.1.

Параметры гальваномагниторекомбинационных преобразователей

ГМРП обычно включается последовательно с сопротивлением нагрузки в цепь, питаемую от стабилизированного источника постоянного или переменного напряжения. При питании ГМРП переменным током (рис. 6.3, а) и воздействии постоянного магнитного поля происходит модуляция сопротивления ГМРП R _г, обусловливающая переход цепи в режим квадратичного детектирования, что приводит к появлению на зажимах ГМРП постоянной составляющей, пропорциональной значению магнитной индукции.

При питании ГМРП постоянным током и воздействии переменного магнитного поля (рис. 6.3, б) на зажимах ГМРП возникает переменная составляющая падения напряжения. На рис. 6.4 приведены зависимости выходного напряжения от магнитной индукции (а), тока (б) и температуры (в) для ГМРП типа ГМР–1.

Как видно из табл. 6.1 и рис. 6.4, а, чувствительность к магнитной индукции ГМРП

S_В= Δ U_вых/ Δ В (6.6)

на 2–3 порядка больше чувствительности преобразователей Холла.

Однако порог чувствительности ГМРП из-за сильной зависимости сопротивления ГМРП от температуры, влияния шумов и выпрямляющего действия контактов такого же порядка, как у преобразователей Холла. Частотный диапазон указанных типов ГМРП составляет 0–10¹⁴ Гц. В переменных магнитных полях достигнут порог чувствительности ГМРП 5×10^-7 Тл.

ГМРП применяется для измерений магнитной индукции переменных и постоянных магнитных полей, а также для бесконтактного измерения токов и малых перемещений.

Датчики Виганда

Новейшей разработкой в области датчиков магнитного поля является датчик Виганда [76]. Он состоит из предварительно обработанной механически проволоки из сплава «Викалой» (10% V, 52% Со, 38% Fe) диаметром около 0,3 мм, намотанной в виде катушки длиной 15 мм, имеющей около 1300 витков. Если эту катушку поместить в магнитное поле, то при превышении определенной величины напряженности поля направление намагничивания спонтанно изменится. В результате этого изменения возникает импульс напряжения длительностью 20 мкс и амплитудой около 2,5 В.

Достоинствами датчика Виганда являются: отсутствие необходимости в источнике питания, большая величина сигнала (несколько вольт), широкий температурный диапазон (минус 196…плюс 175°С), конструктивная защищенность от коротких замыканий, искробезопасность.

На рис. 6.5, а показано изменение во времени импульса, возникшего в магнитно-бистабильной проволоке. Амплитуда и длительность импульсов не зависит от скорости изменения магнитного поля, так что датчики указанного типа могут применяться при скоростях, даже близких к нулю. Поэтому индуктивные методы уступают в таких случаях данному способу измерения. На рис. 6.5, б показано применение такого датчика для измерения скорости вращения.