Sistema de medida de gradiente de campo magnético.Dispositivo para la medida de gradientes de campo magnético,

formado por tres gradiómetros mecánicos, G1, G2 y G3, con forma de lengüeta, dispuestos coplanarmente y de modo radial en torno a un mismo punto.Los gradiómetros micro-electro-mecánicos (MEMS) en forma de lengüeta pueden producir medidas erróneas del gradiente debido a diversas circunstancias: flexiones o torsiones de la lengüeta de origen térmico o magnetostrictivo; orientación de la lengüeta bajo la acción de un campo magnético intenso. Estos problemas se suelen evitar empleando otras estructuras, puentes en vez de lengüetas, lo que conlleva una merma de la sensibilidad.La distribución espacial de los gradiómetros en el sistema permite obtener una medida conjunta de forma correcta del gradiente de campo magnético, aún cuando las medidas proporcionadas por cada gradiómetro, de forma independiente, sean erróneas

Sistema de medida de gradiente de campo magnético.

Sector técnico

Los sistemas de gradiometría magnética se emplean en aplicaciones en las que se quiere determinar alguna de las características tensoriales del campo magnético.

Los gradiómetros mecánicos, por sus reducidas dimensiones, se pueden emplear en sistemas con limitación de espacio o en los que se requieren medidas muy localizadas. Las aplicaciones con limitación de espacio se encuentran en dispositivos móviles relacionados con los sectores aerospacial, naval y automovilístico.

Estado de la técnica

Los gradiómetros mecánicos son estructuras en las que, debido a corrientes eléctricas o bien a la presencia de material magnético, se produce una flexión en presencia del gradiente de campo magnético a medir.

Las estructuras mecánicas pueden ser puentes o lengüetas. Un puente es una tira de material anclada a un soporte por sus extremos o por cuatro puntos simétricamente situados. La lengüeta es una tira de material con un extremo fijo y el otro en voladizo. En ambas estructuras se mide la flexión de una zona de la tira de material. En la lengüeta se mide la flexión del extremo libre, que está correlacionada con la longitud total de la tira de material (dl) y con su curvatura. En el puente se mide la flexión de la estructura en una zona intermedia entre los puntos de anclaje y el centro de la tira de material (dp). La medida en el puente está correlacionada con la distancia del punto de medida al centro de la estructura y con la curvatura de la tira de material.

A igualdad de dimensiones de la tira de material, la distancia (dp) es menor que (dl). El radio de curvatura es también menor en el puente debido a los puntos de anclaje. Por ello, la sensibilidad es mucho mayor en una lengüeta que en un puente.

Sin embargo, los sistemas gradiométricos mecánicos en forma de lengüeta, pueden presentar problemas, produciendo medidas erróneas del gradiente de campo magnético listos problemas tienen origen diverso: orientación en el campo del material magnético; magnetostricción; dilataciones térmicas. Para evitar estos problemas, los sensores se suelen realizar en forma de puente. En gradiometría y en las técnicas de magnetometría de torque y fuerza, el uso de lengüetas ha quedado reducido a aplicaciones en las que se tiene conocimiento previo de la dirección de los campos magnéticos y sus gradientes y, en general, a aplicaciones con campos magnéticos de alta intensidad y temperaturas criogénicas.

El sistema permite usar lengüetas para medir gradientes de campo magnético evitando el posible error ocasionado por otros efectos diferentes.

Explicación de la invención

El sistema de medida de campo magnético permite usar lengüetas para medir gradientes de campo magnético evitando el posible error ocasionado por otros efectos diferentes. El sistema de medida de campo magnético se caracteriza porque se emplean tres gradiómetros de campo magnético mecánicos, G1, G2 y G3, en forma de lengüeta, dispuestos de forma co-planar radialmente en torno a un mismo punto. La dirección perpendicular al plano es (z). El campo magnético co-planar es (H) Se quiere detectar el gradiente vertical de campo co-planar (∂ialH/∂ialz).

La respuesta de cada detector a este gradiente es diferente puesto que el campo magnético (H) forma un ángulo diferente con cada uno de ellos.

En cambio, la flexión producida por efectos magnetostrictivos, dilataciones térmicas o debida a la orientación de los gradiómetros en un campo (H_z), perpendicular al plano definido por el gradiómetros, es la misma en las tres lengüetas.

La distribución espacial de los gradiómetros en el sistema permite obtener una medida conjunta de forma correcta del gradiente de campo magnético, aún cuando las medidas proporcionadas por cada gradiómetro, de forma independiente, sean erróneas.

El sistema hace uso de tres gradiómetros y no de dos. En este último caso, el sistema proporcionaría medidas erróneas en el caso particular de que el campo (H) formase el mismo ángulo con ambos gradiómetros, debido a que el efecto del gradiente (∂ialH/∂ialz) sería el mismo para ambas lengüetas. Con tres gradiómetros, en cambio, se puede medir el valor del gradiente, aún cuando se produzca alguno de los efectos mencionados, debido a que el gradiente de campo genera una señal diferente en cada detector.

El procedimiento de medida y el parámetro medido en cada detector dependen del tipo de gradiómetro empleado. En cualquier caso no se requiere la resolución analítica de ninguna ecuación para obtener el gradiente: una red neuronal entrenada proporciona la medida. Las redes neuronales para el sistema de tres gradiómetros tienen la misma arquitectura que las empleadas para la discriminación de olores con conjuntos de sensores de diferente sensibilidad a cada olor, como las empleadas por A. Bermak, S.B. Belhouari, M. Shi, D. Martínez (2006), a pesar de las diferencias entre las aplicaciones.

En general, en el sistema se puede emplear cualquier tipo de gradiómetro, con independencia de que haga uso de corrientes eléctricas o de material magnético, de forma que, cada gradiómetro proporciona medidas con independencia de los otros dos.

En el caso particular de los gradiómetros de lengüeta realizados con material magnético blando, se requiere un campo magnético aplicado transversal a cada gradiómetro que sature el material. No es problemático si los bobinados se encuentran integrados en cada uno de los gradiómetros. Sin embargo, empleando bobinas externas como, por ejemplo, un par de carretes Helmholtz, la distribución geométrica de los gradiómetros impide que esto se pueda realizar en los tres detectores al tiempo.

Una solución se encuentra en la aplicación de un campo magnético rotante, co-planar a las lengüetas, que satura el material magnético cuando los gradiómetros están realizados con material magnético blando sin bobinados integrados.

Si los detectores funcionan de forma estática, es decir, si a pesar de la variación cíclica del campo magnético aplicado, las lengüetas no oscilan a su frecuencia de resonancia mecánica, se determina el gradiente de campo a partir de la medida de la máxima flexión de cada lengüeta producida en cada ciclo del campo magnético, debido a la correlación existente entre esta medida y el gradiente.

Tomando una de las lengüetas como referencia, gradiómetro G1, las otras dos forman con ésta los ángulos α, para el gradiómetro G2 y β, para el gradiómetro G3. El campo magnético (H) cuyo gradiente en la dirección (z) se quiere medir, forma un ángulo en el plano de las lengüetas (γ) con la lengüeta, gradiómetro G1, de referencia.

Esta distribución geométrica permite distinguir el efecto de un gradiente del campo (H) en la dirección (z), del efecto de orientación producido por un campo magnético aplicado en la dirección z, o de efectos de dilatación térmicos o magnetostrictivos.

Entonces, si (μ₀) es la permeabilidad, (m) es el momento dipolar del material magnético saturado, las fuerzas máximas ejercidas por el gradiente sobre cada una de las lengüetas de los gradiómetros, G1, G2 y G3, en cada ciclo, son:

Otra opción es hacer resonar los gradiómetros. En caso de que los bobinados no se encuentren integrados y se use un campo magnético rotante, las lengüetas son iguales y la frecuencia de rotación del campo magnético es igual a la frecuencia de resonancia mecánica de las lengüetas, lo que provoca la oscilación resonante de las lengüetas. En el caso resonante, la información sobre el gradiente vertical de campo co-planar a los gradiómetros se obtiene a partir de la amplitud máxima de oscilación de cada gradiómetro, por estar ambos parámetros correlacionados.

Al emplear un campo magnético rotante, no sólo se puede obtener la información a partir de las amplitudes, sino también de la fase de las oscilaciones.

Si existe un campo magnético vertical, el efecto de orientación en el campo provoca la oscilación de las lengüetas, pero con igual amplitud, y la diferencia en la fase de la oscilación depende solo de los ángulos que forman las lengüetas: α y β.

En cambio, en presencia...

1. Sistema de medida de gradiente de campo magnético caracterizado porque se emplean tres gradiómetros de campo magnético mecánicos, G1, G2 y G3, en forma de lengüeta, dispuestos de forma co-planar radialmente en torno a un mismo punto y que permite obtener una medida conjunta de forma correcta del gradiente vertical ∂ialH/∂ialz del campo magnético H co-planar a los tres gradiómetros, aún cuando las medidas proporcionadas por cada gradiómetro, de forma independiente, sean erróneas.

2. Sistema de medida de gradiente de campo magnético según reivindicación 1 caracterizado porque los gradiómetros están realizados con material magnético blando sin bobinados integrados y se aplica un campo magnético rotante, co-planar a las lengüetas, que satura el material magnético.

3. Sistema de medida de gradiente de campo magnético según reivindicación 2, caracterizado porque los tres gradiómetros G1, G2 y G3 están configurados para funcionar de forma estática, y porque el dispositivo está configurado para determinar el gradiente vertical ∂ialH/∂ialz del campo magnético H a partir de la medida de la máxima flexión de cada lengüeta producida en cada ciclo del campo magnético.

4. Sistema de medida de gradiente de campo magnético según reivindicación 3, caracterizado porque el dispositivo está adicionalmente configurado para determinar la dirección, en el plano definido por las lengüetas, del campo magnético cuyo gradiente se quiere medir, a partir de la diferencia de la fase de la flexión de cada lengüeta producida en cada ciclo del campo magnético.

5. Sistema de medida de gradiente de campo magnético según reivindicación 2, caracterizado porque las lengüetas de los 3 gradiómetros G1, G2 y G3 son iguales y con frecuencia de resonancia mecánica idéntica a la frecuencia de rotación del campo magnético, y porque el dispositivo está configurado para determinar el gradiente vertical ∂ialH/∂ialz del campo magnético H a partir de la amplitud máxima de oscilación de cada gradiómetro.

6. Sistema de medida de gradiente de campo magnético según reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo está adicionalmente configurado para determinar la dirección, en el plano definido por las lengüetas, del campo magnético cuyo gradiente se quiere medir, a partir de la diferencia de la fase de las oscilaciones de los tres gradiómetros.