SENSOR DE CAMPO MAGNETICO DE BAJO CONSUMO.

Con un consumo inferior a 50 miliwatios y estando destinado a la medida de campos magnéticos en un rango de frecuencias de 0 a 5000 Hz,

el dispositivo de la invención consiste en un microhilo (1) de material magnético amorfo con una longitud comprendida entre los 20 y los 30 milímetros y un diámetro comprendido entre las 20 y las 80 micras. Dicho microhilo tiene un dominio magnético en forma de huso, dirigido según su eje, cuyo ciclo de histéresis presenta un comportamiento biestable, microhilo (1) que se establece en el interior de una matriz de material no conductor, sobre la que se disponen un arrollamiento de detección (2) y otro de compensación y medida (5); con la particularidad de que dicho microhilo (1) está sujeto por sus extremos a un circuito dotado de una fuente de alimentación alterna que hace circular una corriente alterna excitadora de frecuencia f por el microhilo produciendo una variación del volumen del dominio magnético longitudinal de frecuencia 2 f. El microhilo podrá estar obtenido por enfriamiento ultrarrápido o por depósito electrolítico

Sensor de campo magnético de bajo consumo.

Objeto de la invención

La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sensor magnético de pequeñas dimensiones, con un consumo inferior a 50 miliwatios, destinado a la medida de campos magnéticos en un rango de frecuencias de 0 a 5000 Hz y a su procedimiento de fabricación. El dispositivo es un sensor que se basa en la estructura de dominios magnéticos que presenta, debido a su geometría, un microhilo ferromagnético amorfo, que puede ser fabricado por enfriamiento ultrarrápido o por electrodeposición. El campo técnico de esta invención se enmarca en el área del Magnetismo.

Antecedentes de la invención

En la bibliografía científica se describe una amplia variedad de sensores magnéticos de diferentes tipos, utilizados para la medida de campos magnéticos continuos (DC) o alternos (AC): "fluxgates", magnetorresistivos, de efecto Hall, etc. Estos sensores resultan especialmente aplicables en la detección de objetos metálicos magnéticos, en investigación espacial y submarina, determinando rumbos de navegación y en la detección e identificación de buques, submarinos y aviones; en el ámbito de los ferrocarriles para la detección de paso de unidades móviles, en geofísica, para medir las variaciones en el campo magnético terrestre, etc. El principio de funcionamiento depende del tipo de sensor.

Los sensores tipo "fluxgate" más convencionales consisten en dos núcleos ferromagnéticos provistos de sendos arrollamientos de excitación y de detección. En la bibliografía aparece un sensor de campo, patente de invención nº ES2021539, constituido por una matriz cilíndrica de material no magnético y en su interior un hilo amorfo ferromagnético con anisotropía helicoidal. Sobre la matriz se establecen arrollamientos de detección y compensación. Otra patente sobre sensor "fluxgate" es nº ES2021540, que incorpora un núcleo de material amorfo, y sobre él tres matrices cilíndricas, coaxiales y no magnéticas sobre las que se arrollan dos bobinas de excitación conectadas en serie en sentido opuesto, y una bobina de detección. La patente nº GB204460 describe un "fluxgate" con un núcleo en forma de anillo y bobinados toroidalmente a su alrededor, tres arrollamientos secundarios, dos de ellos dispuestos en sentido opuesto.

El principal problema de estos sensores es su apreciable tamaño, del orden de varios centímetros, impuesto por la forma del núcleo ferromagnético y los bobinados, así como un peso y un consumo de potencia apreciables, que limitan su uso en determinadas aplicaciones.

Aparecen además, en la bibliografía, otros sensores micro "fluxgate" como el que se describe en la patente nº US2005024050, de dimensiones reducidas, pero realizados con técnicas de microfabricación mucho más sofisticadas, costosas y complejas.

El sensor objeto de esta memoria utiliza un único arrollamiento detector, tiene un tamaño de 30 milímetros de largo por 1 mm de diámetro, un peso inferior a 5 gramos y un consumo inferior a 50 miliwatios.

Descripción de la invención

El objeto de esta nueva invención es la disminución del tamaño, peso y consumo de los sensores actuales, consiguiendo un sensor mucho más ligero y reducido, con alta sensibilidad y muy bajo consumo energético, que lo hace apto para su aplicación en entornos restrictivos como la investigación espacial.

Como es sabido, en los materiales amorfos la anisotropía de forma, debida a la geometría, determina la estructura de dominios magnéticos y, por tanto, los procesos de imanación. En el caso de un microhilo dicha anisotropía da lugar a la aparición de un dominio con imanación longitudinal, en forma de huso, a lo largo del eje de revolución del hilo y el ciclo de histéresis de dicho hilo presenta un comportamiento biestable de la imanación de remanencia. Desde la remanencia a la saturación, el volumen de este dominio puede variar por la acción de un campo magnético o, en microhilos magnetoestrictivos, por la acción de una tensión mecánica.

El sensor que se presenta consiste en un microhilo de aleación amorfa, base Fe, que puede ser fabricado por enfriamiento ultrarrápido o por electrodeposición, por el que se hace circular una corriente alterna, I_f, de unos miliamperios de intensidad y de una frecuencia f de decenas de kilohercios, que genera un campo excitador azimutal vec{mathit{H}_φ} de la misma frecuencia que la corriente. En estas condiciones el volumen del dominio magnético longitudinal del hilo disminuye al aumentar la intensidad del campo azimutal, siendo mínimo cuando dicho campo es máximo, y máximo cuando dicho campo es nulo. Esto ocurre dos veces por período del campo. Una bobina detectora, coaxial con el microhilo, detecta el cambio de flujo magnético debido a la variación de volumen de dicho dominio longitudinal, induciéndose en ella una señal de tensión V_2f de doble frecuencia que la del campo excitador azimutal. La presencia de un campo magnético externo axial vec{mathit{H}_ext} en la dirección del eje del hilo tiene, sobre el dominio de imanación longitudinal, el mismo efecto que una variación de la anisotropía longitudinal, dando lugar a una variación en la intensidad de la señal de doble frecuencia inducida en la bobina. Esta variación es detectada por el sistema electrónico.

Este dispositivo utiliza una electrónica descrita en un "proceeding" de la 1ª Asamblea Hispano Portuguesa de Geodesia y Geofísica, realizada en Almería, España, en 1998, que tiene autores comunes con la presentada aquí, por lo que no se describe su funcionamiento con detalle. Está constituida por una etapa de generación de señales, una etapa de excitación y una etapa de detección y medida.

Cuando se detecta un cambio en el voltaje V_2f inducido en el arrollamiento de detección, el sistema electrónico hace pasar una corriente eléctrica por un arrollamiento de compensación y medida, que crea un campo opuesto al campo externo hasta que la señal de voltaje V_2f, inducida en dicho arrollamiento de detección, recupera el valor inicial. En ese momento el campo compensador axial vec{mathit{H}}comp, creado por el arrollamiento de compensación y medida, tiene la misma intensidad que el campo externo axial vec{mathit{H}}ext, obteniéndose así el valor de dicho campo externo vec{mathit{H}}ext.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una representación esquemática de un sensor de campo magnético realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.

La figura 2.- Muestra un esquema del circuito electrónico en la etapa de alimentación: generación de señales.

La figura 3.- Muestra un esquema del circuito electrónico en la etapa de alimentación: excitación.

La figura 4.- Muestra un esquema del circuito electrónico en la etapa de salida: detección y medida.

La figura 5.- Muestra una representación similar a la de la figura 1, en la que junto al sensor aparecen representados los diferentes elementos adicionales que participan en la invención, tales como generador y receptor "lock-in", tensión aplicada, bobinas Helmholtz, amperímetro y generador de corriente continua.

La figura 6.- Muestra, finalmente, las curvas obtenidas para la realización de la invención cuando se aplica una tensión de 6.87 MPa (1) y 13.75 MPa (2) respectivamente.

Realización preferente de la invención

A la vista de las figuras reseñadas, y en especial de la figura 1, puede observarse como en el dispositivo de la invención participa un micro-hilo (1) sobre el que se arrolla un bobinado (2), microhilo (1) por el que se hace circular una corriente alterna I_f, generando un campo excitador azimutal vec{mathit{H}_φ} de la misma frecuencia que la corriente.

1. Sensor de campo magnético de bajo consumo, caracterizado porque está constituido por un microhilo (1) de material magnético amorfo con una longitud comprendida entre los 20 y los 30 milímetros y un diámetro comprendido entre las 20 y las 80 micras; habiéndose previsto que dicho microhilo tenga un dominio magnético en forma de huso, dirigido según su eje, cuyo ciclo de histéresis presenta un comportamiento biestable, microhilo (1) que se establece en el interior de una matriz de material no conductor, sobre la que se disponen un arrollamiento de detección (2) y otro de compensación y medida (5); con la particularidad de que dicho microhilo (1) está sujeto por sus extremos a un circuito dotado de una fuente de alimentación alterna que hace circular una corriente alterna excitadora de frecuencia f por el microhilo produciendo una variación del volumen del dominio magnético longitudinal de frecuencia 2f.

2. Sensor de campo magnético de bajo consumo, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el citado circuito se materializa en una placa de circuito impreso, en la que el microhilo (1), los arrollamiento de detección y compensación (2), la fuente de corriente alterna y el circuito electrónico de medida (6) quedan integrados.

3. Sensor de campo magnético de bajo consumo, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el microhilo (1) está obtenido por enfriamiento ultrarrápido o por depósito electrolítico.