Датчик для измерения величины постоянного и переменного тока контактного и бесконтактного типов разработали студенты Политехнического института Новгородского университета. Его уникальность заключается в том, что он измеряет ток по создаваемому им магнитному полю. Поэтому измерительный прибор необязательно врезать в электрическую цепь и нарушать ее целостность.
Ноу-хау разработки — заложенный в её основу чувствительный элемент, который измеряет силу тока. Этот элемент представляет собой многослойный магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, состоящий из пьезокерамической пластины ЦТС (Цирконат-Титанат-Свинца) и приклеенных к ее боковым поверхностям тонких пластин магнитострикционного сплава (аморфный металл) Метглас.
Толщина пластины ЦТС при этом составляет 0,38 мм, длина — 10 мм, ширина — 1 мм. А толщина одного слоя Метгласа — 0,02 мм, толщина клеевого слоя — не более 2 мкм.
Принцип работы этого элемента основан на магнитoэлектрическом эффекте. Переменное магнитное поле, создаваемое измеряемым током, вызывает механическую деформацию магнитострикционного слоя. Он, в свою очередь, воздействует на пьезоэлектрик, который преобразует полученную деформацию в электрический сигнал. Этот сигнал пропорционален величине тока и по формуле можно рассчитать ее значение.
Таким образом, чувствительный элемент датчика обладает компактностью, малым весом, высокой чувствительностью и возможностью работы как в нерезонансном, так и в резонансном режимах. Это обеспечивает универсальность его применения в измерительных, транспортных системах, системах безопасности, космической и робототехнике.
При контактном типе датчик необходимо включать в разрыв цепи, где и надо измерять величину тока. Этот тип хорошо подходит при проектировании новых устройств и не нуждается в калибровке.
Бесконтактный же датчик можно использовать в существующих системах без нарушения их целостности. Правда, с калибровкой при монтаже.
— Представьте такую ситуацию: при запуске новых спутниковых аппаратов не предусмотрели системы контроля. И во время полета по орбите произошли магнитные бури, — рассказал куратор проекта, директор Научно-исследовательского центра полупроводникового материаловедения НовГУ Виктор Леонтьев. — Безусловно, при таких перегрузках начнут происходить сбои в системах, которые могут привести к серьезным последствиям как в космосе, так и на Земле. А при наличии отечественных систем, таких как магнитоэлектрический датчик тока контактного типа, произойдет временное отключение конкретного узла, который снова заработает после стабилизации аппарата (либо его можно будет заменить при поломке). Таким образом, датчик будет не только выполнять свою прямую функцию по измерению величины тока, но и будет служить неким предохранителем в системе.
Какие еще преимущества есть у разработки? Во-первых, как отмечалось выше, в высокой чувствительности датчика к магнитному полю. Она в резонансном режиме выше, чем у типичных датчиков на эффекте Холла. Это обусловлено оптимальным подбором материалов, конструкцией многослойного композита и дает преимущество устройству в способности фиксировать даже микротоки.
Во-вторых, в высокой точности измерения. Малая нелинейность (менее 0,5 %) датчика достигается благодаря работе в линейном участке зависимости магнитострикции от магнитного поля и точной настройке смещающего магнитного поля.
В-третьих, в радиационной стойкости. Она обеспечивается за счет использования в составе датчика неорганических материалов (пьезокерамики и других). Они слабо подвержены деградации под действием ионизирующего излучения. Это делает датчик пригодным для космических применений.
И в-четвертых, в быстродействии, которое связано с работой на частотах вплоть до сотен килогерц и отсутствием медленных промежуточных преобразований сигнала. Это позволяет фиксировать быстрые изменения тока.
Кроме того, стоит отметить еще одну немаловажную деталь в условиях востребованного сегодня импортозамещения. Датчик сможет заменить зарубежные аналоги, так как уже сейчас на 90% состоит из материалов и элементов отечественного производства. И разработчики хотят довести эту цифру до 100.
Так, первые партии устройства были выпущены на мощностях новгородского химического предприятия ПАО «Акрон», которое заинтересовано в подобных устройствах.
— Конечно, в мире давно существуют аналоги нашему датчику, — отметил Виктор Леонтьев. — Например, работающие на эффекте Холла, магниторезистивном эффекте или других физических принципах. И эти устройства не плохие. Но с развитием технологий возникает потребность в более современных и энергоэффективных устройствах. То есть чтобы датчики потребляли мало энергии. Нашей разработке достаточно «есть» около 2,5 мА (против 9–19 мА у аналогов). Это достигается за счет прямого преобразования магнитного поля в электрический сигнал без сложных электронных схем усиления.
На данный момент устройство находится на уровне технологической готовности (УТГ-7) и успешно прошло ряд испытаний. Сейчас разработчики готовят документацию, чтобы запустить серийное производство изделия.
В планах — дальнейшая модернизации устройства и уменьшение его размеров. Это позволит интегрировать датчик в компактные электронные устройства и робототехнические модули, где критична масса и занимаемый объем (текущие габариты изделия — порядка 30 × 20 × 10 мм).
Также в Лаборатории микро- и нанотехнологий Политехнического института Новгородского университета продолжаются вестись исследования по поиску новых комбинаций материалов, которые значительно улучшат тактико-технические характеристики разработки. Авторы проекта хотят добиться еще более высокой чувствительности датчика, расширенного рабочего диапазона токов, снижения шумов и работоспособности устройства при различных температурах воздуха.
Данная научно-исследовательская работа стала возможной благодаря многолетним теоретическим и практическим исследованиям одной из ведущих научных школ НовГУ «Физика и техника магнитоэлектрических явлений» под руководством доктора наук, профессора, почетного гражданина Новгородской области Мирзы Имамовича Бичурина.
Датчик был разработан при грантовой поддержке Российского научного фонда, Российский фонда фундаментальных Исследований и Фонда содействия инновациям.
Материал подготовлен при грантовой поддержке Минобрнауки России, в рамках Десятилетия науки и технологий.
