... il campo magnetico..
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- Giustino Tarantino
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1 .... il campo magnetico.. E' così chiamato il campo vettoriale di forze prodotto da un magnete, da una corrente elettrica, oppure da un campo elettrico variabile nel tempo. Grandezza vettoriale ampiezza direzione verso 1
2 .... il campo magnetico.. Campo magnetico terrestre Campo principale Campo crostale Campo esterno Campo d induzione elettromagnetica 2
3 .... il campo magnetico.. Solenoide Magnete 3
4 Perché misurare il campo magnetico? Ricerca delle rotte Compatibilità elettromagnetica Inquinamento elettromagnetico Applicazioni biomediche Memorie per archiviazione dati Indagini non invasive Etc... 4
5 I sensori di campo magnetico B < 1 mt = 10G Sensori di campo magnetico B > 1 mt = 10 G Magnetometers Gaussmeters Scalari Vettoriali Scalari Vettoriali Precessione del nucleo Optically pumped Search coil Fluxgate SQUID Magnetoresistivi Fibre ottiche Effetto Hall Magnetoresistivi Magnetodiodi Magnetotransistor 5
6 I sensori di campo magnetico Applicazioni Inquinamento elettromagnetico Esame Geofisico Applicazioni Biomagnetiche Campo magnetico (Tesla) NDE μt nt pt ft Tecnologia dei sensori magnetici SQUID FIBRE OTTICHE OPTICALLY PUMPED PRECESSIONE DEL NUCLEO BOBINE AVVOLTE MAGNETORESIST. ANISOTR. FLUX GATE MAGNETOTRANSISTOR MAGNETODIODE SENSOR MAGNETO-OPTICAL GMR SENSORI A EFFETTO HALL RANGE DEL CAMPO RILEVABILE (Tesla)*
7 I sensori di campo magnetico magnetic field 7
8 Perché tante tipologie di sensori? Tante sono le applicazioni sia per la misura diretta di campo magnetico che indiretta di altre grandezze, ognuna delle quali con le proprie esigenze che definiscono quale possa essere il sensore più adatto Campo di misura Sensibilità Risposta in frequenza Dimensioni Potenza dissipata Costo Linearità Isteresi Complessità del condizionamento Etc... 8
9 Search coil - Bobine N=3 t H d Spira v d w La sensibilità dipende da: - permeabilità del nucleo - sezione della bobina - numero di spire - frequenza del campo misurato 2 2 d t 3 t K = μo N π d 4 d V Legge di Faraday Lenz dφ d = = B n da dt dt a 9
10 Caratteristiche Misuratore vettoriale bidirezionale Campo di misura: 10e-10 10e4 [T] Sensibilità: variabile Banda passante: 1Hz 1MHz Dimensioni tipiche: 5cm x 12cm Potenza dissipata: < 10mW Costo: medio-basso Semplice realizzazione Robusto Necessità di un elevato numero di spire Semplice condizionamento Search coil - Bobine 10
11 Condizionamento Search coil - Bobine Amplificazione di tensione Amplificazione di corrente Il condizionamento con amplificazione di tensione è più adatto ad applicazioni a banda stretta o addirittura per un unica frequenza Il condizionamento con amplificazione di tensione è più indicato per applicazioni a banda larga. In entrambi i casi la frequenza massima di misura è limitata dalla frequenza di risonanza della bobina 11
12 Effetto Hall Effetto Hall (E.Hall 1879) V y =K H i(t) B(t) K H = costante di Hall f (B, temperatura, dim. piastra) In un materiale conduttore o semiconduttore sottoposto ad un campo di induzione magnetica Bz normale al flusso di una corrente elettrica di intensità Ix, si manifesta una d.d.p. Vy in direzione perpendicolare alle direzioni sia di Bz sia di Ix. Le cariche elettriche in moto con velocità v entro il campo B sono soggette ad una forza di Lorentz diretta perpendicolarmente sia a v che a B. Tale movimento origina un eccesso, di cariche negative su una faccia della piastra e cariche positive sull altra, originando la d.d.p. 12
13 Caratteristiche Effetto Hall Misuratore vettoriale Campo di misura: 0.1 3*10e4 [mt] Sensibilità: 10mV/T a 1.4 V/T Banda passante: DC 100MHz Dimensioni tipiche: ordine del cm Potenza dissipata: < variabile Costo: medio Robusto 13
14 Condizionamento Effetto Hall Generazione e controllo della corrente e del campo normale Amplificazione della tensione 14
15 SQUID Superconducting Quantum Interference Device Sono basati sull ausilio di due principi fisici: - Superconduttività dei materiali - Effetto Josephson (1962) Temperatura di esercizio: -270 C 15
16 SQUID Superconducting Quantum Interference Device Caratteristiche Misuratore vettoriale Campo di misura: 10e [mt] Sensibilità: elevata Banda passante: DC 5Hz Dimensioni tipiche: Potenza dissipata: ordine del W Costo: alto (5k ) Necessità di raffreddamento in elio liquido Poco robusto ridotte per l elemento sensibile ingombranti per il condizionamento 16
17 Fluxgate H V DRIVE 10 khz V OUT ΔV=f(H) 17
18 Caratteristiche Fluxgate Misuratore vettoriale Campo di misura: 10e [mt] Sensibilità: buona Banda passante: DC 2kHz Dimensioni: ridotte Potenza dissipata: ridotta Costo: medio (70 ) Poco robusto Costruttivamente semplice 18
19 Condizionamento Fluxgate Alimentazione della bobina di eccitazione Amplificazione e demodulazione del segnale di uscita dalla bobina di pickup 19
20 Fluxset V (b) (c) Pickup (a) He Driving t nucleo (a) Segnale di driving (b) segnale di pick-up in assenza di un campo magnetico esterno (c) segnale di pick-up in presenza di un campo magnetico esterno Il livello del segnale di pick-up non dipende dal campo magnetico esterno 20
21 Caratteristiche Fluxset Misuratore vettoriale Campo di misura: 30*10e-6 10 [mt] Sensibilità: buona Banda passante: DC 20 khz Dimensioni: ridotte (5mm) Potenza dissipata: ridotta Costo: basso (5 ) Poco robusto Costruttivamente semplice 21
22 Fluxset Condizionamento Alimentazione della bobina di eccitazione Demodulazione del segnale di uscita dalla bobina di pickup 22
23 Condizionamento: estrazione del campo 1. aree 2. tempi Fluxset 3. Analisi in frequenza 23
24 Fluxset 24
25 AMR Anisotropic MagnetoResistance Sono basati su una scoperta di William Thompson che nel 1856 ha osservato l'effetto magnetoresistivo nei metalli ferromagnetici. Ovvero che l applicazione di un campo magnetico ad un materiale ferromagnetico ne causa la variazione della resistività. E solo dopo 100 anni che tale scoperta è stata sfruttata per la realizzazione di un sensore. 25
26 AMR Anisotropic MagnetoResistance Caratteristiche Misuratore vettoriale Campo di misura: 10e-3 5 [mt] Sensibilità: buona Banda passante: DC 10 MHz Dimensioni: ridotte (5mm) Potenza dissipata: ridotta Costo: basso (5 ) Robusto Condizionamento on chip 26
27 AMR Anisotropic MagnetoResistance Condizionamento Rilevare la variazione di resistenza Trasformarla in una variazione di tensione 27
28 GMR Giant MagnetoResistance a) Materiale amagnetico b) Materiale magnetico 28
29 GMR Giant MagnetoResistance Caratteristiche Misuratore vettoriale Campo di misura: 10e-3 5 [mt] Sensibilità: buona Banda passante: DC 10 MHz Dimensioni: ridotte (5-10mm) Potenza dissipata: ridotta Costo: basso (5 ) Robusto Precondizionamento on chip 29
30 GMR Giant MagnetoResistance Condizionamento Rilevare la variazione di resistenza Trasformarla in una variazione di tensione Limitare gli effetti dei fenomeni di isteresi e non linearità 30
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