CZ302404B6

CZ302404B6 - AMR magnetometr s korekcí kolmého magnetického pole

Info

Publication number: CZ302404B6
Application number: CZ20080163A
Authority: CZ
Inventors: Ripka@Pavel
Original assignee: CVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2011-05-04
Also published as: CZ2008163A3

Abstract

AMR magnetometr s korekcí kolmého magnetického pole je tvorený alespon jedním jednoosým AMR senzorem (1) pripojeným na napájecí obvod (2), kde tento alespon jeden AMR senzor (1) obsahuje magnetické jádro (1.2) a flipovací vinutí (1.1) pripojené na flipovací obvod (3). AMR magnetometr má na svém výstupu zarazenu aritmetickou jednotku (6) pro zpracování výstupního signálu AMR senzoru (1) a urcení složek magnetického pole AMR senzoru (1), a to tak, že výstup kladného výstupního napetí V.sup.+.n. a záporného výstupního napetí V.sup.-.n..sub. .n.každého AMR senzoru (1) je na vstup této aritmetické jednotky (6) pripojen prímo pres analogove-císlicový prevodník (5).

Description

AMR magnetometr s korekcí kolmého magnetického pole

Oblast techniky

Vynález se týká magnetometru s AMR senzorem, který využívá flipování ke korekci chyby způsobené kolmým magnetickým polem a případně přímo počítá dvě složky vnějšího magnetického pole. Takový magnetometr může být určen k přesnému měření jedné, dvou nebo tří složek magnetického pole.

Dosavadní stav techniky

Anizotropní magnetorezistory, označované jako AMR senzory, se používají pro měření magnetických polí např. v navigaci, pro měření polohy a pro bezkontaktní měření elektrických proudů. Významné je i jejich použití pro detekci vozidel a dalších feromagnetických předmětů a pro snímání otáček. Nejčastěji se používají jednoosé AMR senzory, v některých případech se skupina dvou nebo tří vzájemně kolmých jednoosých AMR senzorů integruje do jednoho pouzdra. Doposud každýjednoosý AMR senzor měří magnetické pole v jednom směru.

AMR senzory mají často integrovánu zpětnovazební a flipovací cívku. Proud zavedený do zpětnovazební cívky může kompenzovat měřené magnetické pole H_y. Proudový puls zavedený do flipovací cívky nastaví remanentní magnetizaci AMR senzoru do směru +x nebo -x. Směr této magnetizace je určen polaritou flipovacího pulsu. Změna polarity ílipovacího pulsu způsobí změnu orientace remanentní magnetizace a tím také změnu polarity výstupního napětí AMR senzoru. Například flipovací puls kladné polarity orientuje remanentní magnetizaci AMR senzoru do směru +x a pro kladné měřené magnetické pole H_y je pak výstupní napětí senzoru V⁺ kladné. Následný flipovací puls záporné polarity orientuje remanentní magnetizaci AMR senzoru do směru -x a pro kladné měřené magnetické pole Hy je pak výstupní napětí senzoru V~ záporné.

AMR magnetometr obsahuje kromě samotného AMR senzoru nebo senzorů také obvody pro jeho/jejich napájení a zpracování jeho/jejich signálu. Kromě toho AMR magnetometr může obsahovat obvody pro zpětnovazební kompenzaci a flipování a další bloky a obvody. Pokud AMR magnetometr slouží jako kompas, někdy je označován jako AMR kompas. AMR kompas může obsahovat dvojici nebo trojici AMR senzorů a navíc může rovněž obsahovat inklinoměr nebo dvojici inklinoměrů. V takovém případě říkáme, že AMR magnetometr je součástí AMR kompasu.

Jednou z hlavních nevýhod dosavadních magnetometrů s AMR senzory je crossfíeld chyba, to jest chyba způsobená vlivem kolmého pole, tzv. corssfield efekt nebo orthogonal field effect. Důsledkem tohoto efektu může být např. chyba přes 1 úhlový stupeň při určování azimutu, pokud se AMR senzory používají v kompasu. Další nevýhodou je nutnost použití jednoho jednoosého AMR senzoru pro každý směr měření.

V současné době existují tři metody potlačení crossfíeld chyby:

První metodou je kompenzování měřeného pole. Vlastní senzor je zde doplněn zpětnovazebnými obvody a kompenzační cívkou. Měřené poleje automaticky kompenzováno, takže senzor pracuje jako nulový indikátor a jeho crossfíeld chyba se neuplatní.

Druhá metoda spočívá v numerické korekcí s využitím údaje kolmého senzoru.

Třetí metoda spočívá v analogovém odečtením výstupů senzoru V+ a V- během flipování. Výstupy V+ a V-jsou vzorkovány a rozdílovým členem odečteny. Výsledné analogové napětí je méně zatíženo crossfíeld chybou než jednotlivá napětí V+ a V-.

CZ 302404 Β6

Nevýhodou metody kompenzování měřeného pole je zvýšená spotřeba magnetometru a snížení jeho kmitočtového rozsahu. Proto tato metoda není v některých případech, například pro bateriově napájené magnetometry nebo pro měření magnetických polí rychle proměnných v čase, vhodná.

Nevýhodou metody numerické korekce s využitím údaje kolmého senzoru je nutnost použít další AMR senzor. Korekce vyžaduje iterační numerický výpočet, takže měřicí proces komplikuje a zpomaluje. Proto tato metoda není v některých případech vhodná, zejména při měření magnetického pole, které rychle mění svůj směr, jako například při umístění magnetometru na pohyblivé platformě.

Nevýhodou metody analogového odečtení výstupů senzoru V+ a V-je skutečnost, že tato metoda potlačuje crossfield chybu pouze částečně a proto pro přesnější aplikace nepostačuje.

Podstata vynálezu

Shora uvedené nedostatky AMR magnetometrů odstraňuje AMR magnetometr s korekcí kolmého magnetického pole tvořený alespoň jedním jednoosým AMR senzorem připojeným na napájecí obvod. Tento alespoň jeden AMR senzor obsahuje magnetické jádro a flipovací vinutí připojené na flipovací obvod. AMR magnetometr má na svém výstupu zařazenu aritmetickou jednotku pro zpracování výstupního signálu AMR senzoru a určení složek magnetického pole AMR senzoru. Podstatou nového řešeni je, že výstup každého AMR senzoru je spojen se vstupem aritmetické jednotky přímo, takže postupným vzorkováním aritmetická jednotka načte přímo obě hodnoty kladného výstupního napětí V a záporného výstupního napětí V' bez analogového vzorkování. To je možno řešit zejména tak, že mezi každý senzor a aritmetickou jednotkou je zařazen jeden A/D převodník, před kterým může být zařazen diferenční zesilovač. Alternativně mohou být jednotlivé senzory přepínány na vstup jednoho A/D převodníku, toto řešení však má podstatné nevýhody.

V jednom možném provedení obsahuje aritmetická jednotka obvod součinu kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V a obvody rozdílu kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V', jejichž výstupy jsou spojeny se vstupem dělicího obvodu.

Aritmetická jednotka může také obsahovat obvod pro součet kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V’, jehož výstup je spojen s dělicím obvodem, který má přepínatelné vstupy.

Podstatou řešení tedy je, že aritmetická jednotka zpracovává výstupy AMR senzoru pro obě polarity remanentni magnetizace, tedy kladné a záporné výstupní napětí V⁺ a V. Výstupem aritmetické jednotky je pak složka pole v ose citlivosti AMR senzoru H_y a případně také složka kolmá H_x.

Zásadní výhodou AMR magnetometru s korekcí kolmého poleje skutečnost, že crossfield chyba může být potlačena s použitím jediného nekompenzovaného jednoosého AMR senzoru.Tento magnetometr také umožňuje změřit velikost kolmého pole, a tak s využitím jediného AMR senzoru měřit dvě složky magnetického pole, to jest magnetické pole ve dvou kolmých směrech.

Přehled obrázků na výkrese

Zjednodušené schéma základní funkční části AMR senzoru je na obr. 1. Na obr. 2 je uveden příklad jednoduchého provedení AMR magnetometru s korekcí kolmého magnetického pole. Na obr. 3 je příklad provedení aritmetické jednotky.

Příklady provedení vynálezu

Základní částí AMR senzoru, viz obr. 1, je feromagnetický proužek 0. Elektrický odpor tohoto feromagnetického proužku 0 se měří průchodem proudu mezi svorkami + a -. Bez přítomnosti vnějšího magnetického pole H leží vlivem anizotropie vektor magnetizace M tohoto feromagnetického proužku 0 ve směru osy +x nebo -x. Tuto magnetizaci lze buď stabilizovat, nebo otočit do opačného směru impulzem flipovacího pole ve směru +x nebo -x. Jestliže na tento feromagnetický proužek 0 působí měřené magnetické pole H_x, vektor magnetizace se natočí ze směru x o úhel o, což je provázeno snížením elektrického odporu mezi svorkami + a -. Jestliže zároveň působí kolmé magnetické pole H_x, natočení vektoru magnetizace a tedy i měřený odpor se změní, což u nekompenzovaných magnetometrů vede k chybě určení měřeného pole H_x.

Ve skutečnosti bývá směr měřicího proudu odkloněn o 45°, což vede k linearizaci AMR senzoru. Pro zvýšení teplotní stability a linearity bývá AMR senzor zapojen jako Wheatstoneův můstek.

Na obr. 2 je uveden příklad jednoduchého provedení AMR magnetometru s korekcí kolmého pole. AMR senzor i obsahuje flipovací vinutí 1.1 připojené na flipovací obvod 3 a magnetické jádro 1.2. kterým protéká měřicí proud vytvořený v napájecím obvodu 2. AMR senzor | je svým výstupem připojen ke vstupu diferenčního zesilovače 4, jehož výstup je přímo přes analogověčíslicový převodník 5 připojen na vstup aritmetické jednotky 6.

AMR magnetometr pracuje tak, že flipovací obvod 3 vyšle do flipovacího vinutí 1.1 impulz jedné polarity a analogově-číslicový převodník 5 následně provede odměr výstupního kladného napětí V⁺. Poté flipovací obvod 3 vyšle do flipovacího vinutí 1.1 impulz opačné polarity. Výstupní napětí AMR senzoru i může být zesíleno diferenčním zesilovače 4. Analogově-číslicový převodník 5 provede odměr výstupního záporného napětí V. Aritmetická jednotka 6 pak zpracuje digitalizované kladné a záporné napětí V* a Va vypočte hodnotu měřeného pole H_x a případně také kolmého pole Η*.

V jednoduchém provedení AMR magnetometr podle vynálezu používá zjednodušené vztahy uvedené např. v B. B. Pant, M. Caruso, Magnetic Sensor Cross-Axis Effect, AN 205, Honeywell.

_r- _r . ^kti, kde H_o je konstanta (výsledné efektivní anizotropní pole) a k je citlivostní konstanta použitého AMR senzoru 1.

Tyto vztahy platí dostatečně přesně pro malé hodnoty magnetického pole H_x. Jsou-li změřena napětí V⁺ a V’, mohou z těchto vztahů být jednoznačně spočtena magnetická pole H_y, H_x.

Ve výhodném provedení lze použít výpočet magnetických polí H_x, Η* podle vztahů

= ^k2 v + yv⁺-v~ kde k| a k₂ jsou konstanty zpravidla zjištěné při kalibraci.

V tomto případě aritmetická jednotka 6 pro výpočet magnetického pole Ηγ na obr. 3 obsahuje přepínač 6.1, který rozděluje hodnoty kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V. Na výstup přepínače 6.1 je připojen jednak vstup obvodu 6.2 součinu kladného a záporného výstupního napětí V’ a V a jednak vstup obvodu 6.3 rozdílu kladného a záporného výstupního napětí

CZ 302404 Β6

V⁺ a V\ jejichž výstupy jsou spojeny se vstupem prvního dělicího obvodu 64. Ten je svým výstupem připojen k prvnímu obvodu 6.5 násobení konstantou odpovídající konstantě použitého vztahu. Na výstupu tohoto obvodu je pak vypočtená hodnota magnetického pole Ηγ.

V případě určení hodnoty magnetického pole Η* aritmetická jednotka 6 obsahuje ještě další obvod, a to obvod 6.6 součtu kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V’, který je připojen na výstup přepínače 6.1 a jehož výstup je spojen s druhým dělicím obvodem 6.7 majícím svůj výstup připojený na vstup druhého obvodu 6.8 násobení konstantou, která opět odpovídá konstantě použitého vztahu. Na výstupu tohoto obvodu je pak vypočtená hodnota magnetického pole

Místo uvedených zjednodušených vztahů mohou být použity komplikovanější vzorce, které přesněji popisují chování AMR senzoru i v oblasti vyšších magnetických polí. Zapojení aritmetické jednotky 6 je pak odlišné.

Průmyslová využitelnost

AMR magnetometr s korekcí kolmého pole lze použít například jako kompas k určování azimutu nebo pro bezkontaktní měření elektrických proudů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. AMR magnetometr s korekcí kolmého magnetického pole tvořený alespoň jedním jednoosým AMR senzorem připojeným na napájecí obvod, kde tento alespoň jeden AMR senzor obsahuje magnetické jádro a flipovací vinutí připojené na flipovací obvod a kde tento AMR magnetometr má na svém výstupu zařazenu aritmetickou jednotku pro zpracování výstupního signálu AMR senzoru a určení složek magnetického pole AMR senzoru, vyznačující se tím, že výstup kladného výstupního napětí V⁺ a záporného výstupního napětí V každého AMR senzoru (1) je na vstup aritmetické jednotky (6) připojen přímo přes analogově-číslicový převodník (5)·
2. AMR magnetometr podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi výstup kladného výstupního napětí V⁺ a záporného výstupního napětí V' AMR senzoru (1) a vstup analogově číslicového převodníku (5) je zařazen diferenční zesilovač (4).
3. AMR magnetometr podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že aritmetická jednotka (6) obsahuje přepínač (6.1), na jehož výstup připojen jednak vstup obvodu (6.2) součinu kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V’ a jednak vstup obvodu (6.3) rozdílu kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V’, jejichž výstupy jsou spojeny se vstupem prvního dělicího obvodu (6.4), který je svým výstupem připojen k prvnímu obvodu (6.5) násobení konstantou odpovídající konstantě použitého vztahu.
4. AMR magnetometr podle nároku 3, vyznačující se tím, že aritmetická jednotka (6) obsahuje obvod (6.6) součtu kladného a záporného výstupního napětí V⁺ a V, který je připojen na výstup přepínače (6.1) a jehož výstup je spojen s druhým dělicím obvodem (6.7) majícím svůj výstup připojený na vstup druhého obvodu (6.8) násobení konstantou odpovídající konstantě použitého vztahu.