Método y dispositivo para la medición de gradiente magnético y susceptibilidad magnética de un material.

La invención se refiere a un método y a un dispositivo para la medición del gradiente magnético y/o susceptibilidad magnética de un material. Un material magnéticamente duro está fijado solidariamente a un elemento vibrante, y mediante cualquier técnica conocida se hace vibrar el conjunto a la frecuencia de resonancia o sus harmónicos y se miden las variaciones de frecuencia, fase o amplitud que se producen cuando un gradiente externo actúa sobre el material magnéticamente duro

Método y dispositivo para la medición de gradiente magnético y susceptibilidad magnética de un material.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo y a un método para la medición del gradiente magnético.

El dispositivo propuesto puede trabajar también como susceptómetro, puesto que puede medir el gradiente de campo magnético producido por un material magnético imanado situado cerca del sistema.

Antecedentes de la invención

La medida del gradiente magnético es importante en muchos ámbitos científicos tales como aplicaciones médicas (medida de actividad neuronal), geológicas (yacimientos y prospecciones) o militares (detección de minas antipersonas). Han sido varias las técnicas utilizadas para este tipo de medidas. Para valores muy bajos de gradiente se han propuesto medidores basados en magnetómetros SQUID (superconducting quantum interference devices). Sin embargo estos presentan la desventaja de trabajar a temperaturas criogénicas, por lo que el sistema resultante es muy complejo.

También se han propuesto medidas de gradiente magnético utilizando fluxgates, fibras ópticas unidas a materiales magnetostrictivos o recubiertas parcialmente con ellos, magnetómetros con núcleos de material magnetostrictivo, etc. En todos los casos la medida se basa en la diferencia de campo magnético en las posiciones de los magnetómetros separados físicamente. Esto hace que la medida lleve implícita un error en la determinación del gradiente.

Se han sugerido medidores de gradiente con un solo elemento transductor. En este caso se utiliza un sistema resonante al que se añade un material magnéticamente blando que se imana con una frecuencia que coincide con la de resonancia del sistema. Sin embargo presenta varios inconvenientes. El primero es que necesita un sistema de control de campos magnéticos uniformes puesto que, en caso de no tenerlo, la muestra magnéticamente blanda podría imanarse de forma incontrolada. Este sistema de control puede hacerse inviable si el valor del campo magnético del entorno es alto. Además, la imanación del material de forma sinusoidal no es trivial si tenemos en cuenta la histéresis del proceso.

Algunas patentes conocidas relacionadas con este sector de la técnica son: EP0773449, US2003222649, US4549135, y US4918371.

Descripción de la invención

Un medidor de gradiente magnético mide derivadas direccionales de campo magnético pero es insensible a campos magnéticos homogéneos. En la presente invención se mide el gradiente magnético a través de las variaciones de la frecuencia, fase o amplitud de resonancia de un sistema compuesto por una estructura resonante tal como una lengüeta, fleje, una membrana o un muelle, sobre los que se fija solidariamente un material magnético duro.

El conjunto material duro-estructura vibrante se hace vibrar a su frecuencia de resonancia mediante la aplicación de un gradiente de campo magnético sobre el material magnético duro, producido por unos medios generadores de campo magnético, por ejemplo una serie de bobinas que actúan sobre el material magnético. La aplicación de un gradiente externo produce una fuerza sobre el material magnético que se transmite a la estructura y hace que cambie la frecuencia de resonancia, la fase y la amplitud.

Una de las ventajas de la presente invención, es que no es necesario imanar el material magnético de manera alterna para conseguir que el sistema entre en resonancia.

El dispositivo objeto de la invención comprende un elemento mecánico sobre el que se fija solidariamente un imán o cualquier material magnéticamente duro, entendiendo por ello aquel material que presenta un valor constante de la imanación cuando se le somete a variaciones de campo magnético menores de 10^-2 T. Cuando se aplica una fuerza magnética alterna a dicho material magnético el conjunto vibra y la vibración resultante, que puede ser detectada mediante cualquiera de los métodos convencionales, está relacionada con la fuerza aplicada sobre el material magnéticamente duro y, por tanto, con el gradiente magnético que genera esta fuerza y el momento del material magnéticamente duro.

Cuando en el vacío un campo magnético H actúa sobre un material magnético se produce sobre dicho material un par definido por:

y actúa una fuerza sobre él definida por:

donde μ₀ es la permeabilidad magnética en el vacío, m el momento magnético del material y H el campo magnético que actúa sobre él. Por lo tanto, si m es constante, sólo se ejercerá una fuerza sobre el sistema si el campo magnético H presenta variaciones espaciales en la posición del material magnéticamente duro o imán. Desarrollando la anterior ecuación obtenemos que el valor de la fuerza es:

Por lo tanto la aplicación de un campo magnético que presente variaciones espaciales, esto es, la aplicación de un gradiente magnético llevará a que sobre el imán o material magnéticamente duro actúe una fuerza. Si suponemos que la imanación de dicho material está orientada en la dirección Z, la fuerza sobre ese material será:

En la presente invención el material magnéticamente duro se situará de tal manera que la vibración detectada sea la producida por la fuerza ejercida en la dirección Z, esto es,

Este material magnéticamente duro o imán se fija solidariamente mediante cualquiera de las técnicas convencionales a una estructura vibrante que puede ser un muelle, una lengüeta, una membrana, etc. Estas técnicas pueden ser el pegado mediante un pegamento, resina, etc. Alternativamente se puede realizar el crecimiento directo del material magnéticamente duro o imán sobre cualquiera de las estructuras vibrantes anteriormente mencionadas (sputtering, etc). Otra posible técnica de fijación del material magnético duro a la estructura vibrante, puede ser mediante otro material magnético situado en la otra cara de la estructura, ya sea crecido directamente sobre la estructura vibrante o bien pegado mediante fuerza magnética al primer imán.

Con el fin de optimizar el movimiento producido por el gradiente magnético sobre el sistema oscilante, se hace vibrar dicho sistema a su frecuencia de resonancia mecánica o a cualquiera de sus harmónicos. Para ello se utiliza excitación magnética, mediante la aplicación de un campo que puede ser nulo en el lugar donde se sitúa el material magnéticamente duro, pero con un alto gradiente en dicho punto.

Otro aspecto de la invención se refiere a un método para la medición del momento magnético de un material, que comprende disponer un material magnético duro sobre un elemento vibrante, y aplicar un campo magnético sobre dicho material y elemento vibrante.

Dicho campo magnético está determinado para hacer que la estructura vibrante formada por el material magnético y el elemento vibrante, vibren en la frecuencia de resonancia del conjunto o alguno de sus armónicos. En el método se mide la variación de las características de vibración de la estructura vibrante, cuando dicha estructura se ve sometida a un gradiente magnético externo producido por una muestra magnética.

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 un esquema general que ilustra la técnica objeto de esta invención para la medición de gradiente magnético o el momento magnético...

1. Dispositivo para la medición del gradiente magnético, caracterizado porque comprende:

una estructura vibrante formada por un elemento vibrante y un material magnético duro unido solidariamente a dicho elemento vibrante,

medios generadores de un gradiente de campo magnético estando dichos medios generadores configurados para generar un gradiente de campo magnético capaz de hacer vibrar dicha estructura vibrante en su frecuencia de resonancia o alguno de sus armónicos,

medios de medición de la variación de la vibración de la estructura vibrante.

2. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque dichos medios generadores de un gradiente de campo magnético, comprenden al menos una bobina posicionada para aplicar un gradiente de campo magnético alterno sobre la estructura vibrante.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el elemento vibrante se selecciona entre: una lengüeta, un fleje en voladizo, una membrana flexible, o un muelle.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los medios de medición de variación de las características de vibración, se seleccionan entre: al menos una fibra óptica, elemento piezoeléctrico, o un elemento con capacidad eléctrica variable.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque los medios de medición de variación de las características de vibración comprenden un grupo de fibras ópticas alrededor de una fibra central con sus ejes paralelos.

6. Dispositivo según la reivindicación 5 caracterizado porque una fibra óptica central está adaptada para transmitir luz hacia el elemento vibrante, y las fibras laterales están adaptadas para recoger la luz reflejada.

7. Método para la medición del momento magnético de una muestra de material, caracterizado porque comprende:

disponer un material magnético duro unido solidariamente a un elemento vibrante formado una estructura vibrante,

hacer vibrar dicha estructura vibrante en su frecuencia de resonancia o alguno de sus armónicos,

someter a la estructura vibrante a un gradiente magnético externo producido por dicha muestra de material,

medir la variación de la vibración de la estructura vibrante tras ser sometida a dicho gradiente externo,

determinar el momento magnético de la muestra a partir de la medida obtenida de dicha variación de la vibración de la estructura vibrante.

8. Método según la reivindicación 7 caracterizado porque la medición de la variación de la vibración de la estructura vibrante, comprende la medición de la frecuencia de resonancia del conjunto, la fase y/o la amplitud de la vibración de la estructura vibrante.