RU222118U1 - Магнитометр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области магнитных измерений с использованием анизотропных магниторезистивных датчиков и может быть использована в научных и прикладных применениях для прецизионного измерения индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком интервале температур. Устройство содержит датчик магнитного поля (ДМП), представляющий собой измерительный мост из анизотропных магниторезисторов и расположенную в непосредственной близости от измерительного моста и связанную с ним магнитной связью катушку индуктивности, источник опорного напряжения (ИОН), вход которого подключен к первичному низковольтному источнику постоянного напряжения (ПНИ), источник стабилизированного напряжения (ИСН), выходные выводы которого подключены к выводам диагонали питания моста, а опорный вход - к выходу ИОН, аналоговый коммутатор, последовательно соединенные инструментальный усилитель, буферный каскад (БК), аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки данных и блок приема-передачи данных. Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик устройства. Отличие от известных состоит в том, что устройство дополнительно содержит расположенный вблизи ДМП датчик температуры (ДТ), выход которого подключен к управляющему входу ИСН, выполненного регулируемым, причем вход ИСН подключен ко второму ПНИ. Дополнительно регулируемый ИСН выполнен по схеме линейного компенсационного стабилизатора; ДТ содержит специализированную микросхему и повторитель напряжения; БК содержит масштабирующий усилитель и фильтр нижних частот. Технический результат: повышение точности измерения, расширение диапазона рабочих температур, сокращение времени подготовки к измерениям, расширение области применения устройства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область применения

Устройство относится к области магнитных измерений, в частности к магнитометрам с анизотропными магниторезистивными датчиками, и может быть использовано в различных научных и прикладных применениях для прецизионного измерения индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком интервале температур окружающей среды.

Уровень техники

Из существующего уровня техники известен магнитометр, содержащий датчик магнитного поля с нечетной линейной передаточной характеристикой, представляющий собой измерительный мост из анизотропных магниторезисторов (AMP), причем ориентация магнитных доменов пары магниторезисторов, подключенных к любому из выводов моста, имеет противоположное направление. Соответственно, разбаланс моста под воздействием внешнего магнитного поля приводит к возникновению между выводами измерительной диагонали моста разности потенциалов с амплитудой, пропорциональной индукции магнитного поля, и полярностью, зависящей от направления поля. Устройство также содержит последовательно соединенные инструментальный усилитель, входные выводы которого подключены к выводам измерительной диагонали моста, буферный усилитель со смещением, пассивный RC-фильтр нижних частот (ФНЧ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Диагональ питания моста включена между шиной нулевого потенциала и внешним высокостабильным источником постоянного напряжения, к которому также подключены входы опорного напряжения буферного усилителя и АЦП (ADAF1080 Integrated AMR Magnetic Field Sensor and Signal Conditioner Datasheet //https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adaf1080.pdf [1]). Недостатком устройства является низкая точность измерений, так как на выходе измерительного моста присутствует напряжение смещения, обусловленное дисбалансом сопротивлений магниторезисторов моста, величина которого зависит от температуры, причем температурная зависимость дрейфа смещения нестабильна по времени. Кроме того, при воздействии магнитного поля большой напряженности может возникнуть нарушение ориентации доменной структуры АМР-элементов измерительного моста, приводящее в итоге к снижению чувствительности магнитометра.

Известно также устройство для измерения индукции магнитного поля, содержащее датчик магнитного поля, представляющий собой измерительный мост из АМР-элементов, последовательно соединенные инструментальный усилитель, входные выводы которого через фильтры высоких частот подключены к выводам измерительной диагонали моста, ФНЧ, АЦП и блок обмена данными с удаленным управляющим персональным компьютером. Устройство также содержит стабилизированный источник постоянного тока, выходы которого соединены с диагональю питания измерительного моста и управляемый генератор импульсов тока. Датчик магнитного поля дополнительно содержит расположенную в непосредственной близости от измерительного моста и связанную с ним магнитной связью катушку индуктивности, предназначенную для формирования короткого импульса магнитного поля, направленного вдоль оси легкого намагничивания АМР-элементов датчика, которое восстанавливает их доменную структуру и, соответственно, чувствительность всего устройства перед проведением измерений. Катушка индуктивности включена между шиной нулевого потенциала и выходом управляемого генератора импульсов тока, вход которого соединен с выходом управления блока обмена данными (Jiang J., Pan Z., Zhou H. Motor harmonic current detection system based on magnetic sensor // Proceedings of the 4th International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering. 2015. P. 1450-1455 [2]). Недостатком данного устройства является невозможность измерения постоянного магнитного поля, а также относительно узкий диапазон равномерного участка сквозной амплитудно-частотной характеристики устройства. Также недостатком устройства является нестабильность коэффициента преобразования при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне, связанная с температурной зависимостью чувствительности датчика магнитного поля на основе АМР-элементов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является высокочувствительный широкополосный магниторезистивный магнитометр, содержащий датчик магнитного поля, источник опорного напряжения, источник стабилизированного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам питания датчика поля, аналоговый коммутатор, последовательно соединенные инструментальный усилитель, входные выводы которого подключены к выходным выводам датчика поля, буферный каскад, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки данных и блок приема-передачи данных (Bertoldi A., Bassi D., Ricci L., Covi D., Varas S. Magnetoresistive magnetometer with improved bandwidth and response characteristics // Review of Scientific Instruments. 2005. Vol. 76. No. 6. P. 065106 [3]).

В состав датчика магнитного поля входит измерительный мост из анизотропных магниторезисторов и перемагничивающая катушка индуктивности, расположенная в непосредственной близости от измерительного моста и связанная с ним магнитной связью. Выводы перемагничивающей катушки соединены с выходными выводами аналогового коммутатора, включенного между первичным низковольтным источником постоянного напряжения и шиной нулевого потенциала.

Вход источника опорного напряжения (ИОН) подключен к первичному низковольтному источнику постоянного напряжения. К выходу ИОН подключены опорные входы источника стабилизированного напряжения и АЦП.

Управляющие выходы блока управления и обработки данных соединены с управляющими входами АЦП и аналогового коммутатора. Посредством блока приема-передачи данных информационный выход блока управления и обработки данных соединен с информационным выходом всего устройства, а управляющий вход всего устройства соединен с управляющим входом блока управления и обработки данных. Информационный выход и управляющий вход устройства соединены через линию связи с удаленным персональным компьютером.

Блок управления и обработки данных выполнен на основе программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ) и энергонезависимой памяти, в которой хранятся данные конфигурации ППВМ.

Недостатком известного устройства является снижение точности измерений при изменении температуры окружающей среды. Это обусловлено тем, что использованный в устройстве способ динамической компенсации смешения анизотропного магниторезистивного датчика путем вычитания результатов двух последовательных измерений выходного напряжения датчика, полученных при прямой и инверсной (зеркальной) передаточной характеристике (наклон характеристики датчика меняется за счет изменения полярности периодических коротких импульсов тока, формируемых в перемагничивающей катушке индуктивности), исключает также температурный дрейф смещения, но не устраняет температурный дрейф чувствительности датчика, величина которого соизмерима или превышает дрейф смещения.

Также недостатком известного устройства является значительное время подготовки к измерениям (около 1 часа), обусловленное временем стабилизации, при условии постоянства температуры окружающей среды, температуры перемагничивающей катушки и всего измерительного моста.

Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик устройства.

Техническими результатами, на достижение которых направлена полезная модель, являются: повышение точности измерения индукции магнитного поля; расширение диапазона рабочих температур устройства; сокращение времени подготовки к измерениям; расширение области применения устройства.

Технический результат достигается тем, что известное устройство, содержащее датчик магнитного поля, представляющий собой измерительный мост из анизотропных магниторезисторов и расположенную в непосредственной близости от измерительного моста и связанную с ним магнитной связью катушку индуктивности, источник опорного напряжения, вход которого подключен к первичному низковольтному источнику постоянного напряжения, источник стабилизированного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам диагонали питания моста, а опорный вход - к выходу источника опорного напряжения, аналоговый коммутатор, включенный между первичным низковольтным источником постоянного напряжения и шиной нулевого потенциала, выходные выводы которого соединены с выводами катушки индуктивности датчика поля, последовательно соединенные инструментальный усилитель, входные выводы которого подключены к выводам измерительной диагонали моста, буферный каскад, аналого-цифровой преобразователь, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, блок управления и обработки данных и блок приема-передачи данных, причем управляющие выходы блока управления и обработки данных соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и аналогового коммутатора, информационный выход через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, а управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом блока управления и обработки данных, согласно заявленному устройству дополнительно содержит расположенный вблизи датчика магнитного поля датчик температуры, выход которого подключен к управляющему входу источника стабилизированного напряжения, выполненного регулируемым, причем вход источника подключен ко второму первичному низковольтному источнику постоянного напряжения.

Возможны варианты выполнения заявленного устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- регулируемый источник стабилизированного напряжения содержал усилитель сигнала рассогласования, регулирующий элемент, три резистора и параллельно включенные резистивный делитель напряжения и конденсатор, причем вывод верхнего плеча делителя напряжения был подключен к выходу регулирующего элемента и первому выводу диагонали питания измерительного моста, а вывод нижнего плеча делителя - к шине нулевого потенциала и второму выводу диагонали питания измерительного моста, вход регулирующего элемента был подключен к первичному низковольтному источнику постоянного напряжения, а управляющий вывод - к выходу усилителя сигнала рассогласования, измерительный вход которого был соединен с центральным выводом делителя напряжения, а опорный вход через первый резистор был соединен с выходом датчика температуры, через второй резистор - с выходом источника опорного напряжения, а через третий резистор - с шиной нулевого потенциала.

датчик температуры содержал последовательно соединенные специализированную интегральную микросхему аналогового датчика температуры с выходом по напряжению и повторитель напряжения.

буферный каскад содержал последовательно соединенные масштабирующий усилитель со смещением, опорный вход которого был соединен с выходом источника опорного напряжения, и фильтр нижних частот.

Сущность полезной модели и ее преимущества могут быть более детально пояснены нижеследующими рисунками, на которых изображены:

На фиг. 1 - функциональная схема устройства.

На фиг. 2 - эпюры, поясняющие работу устройства.

На фиг. 3 - температурные зависимости: нормированной

чувствительности датчика магнитного поля на основе анизотропных магниторезисторов S(T); напряжения питания датчика U_ПМ(7), которое соответствует условию термокомпенсации; нормированное значение чувствительности датчика магнитного поля, полученное при работе схемы термокомпенсации S_ТК(T).

Магнитометр (см. фиг. 1) содержит датчик магнитного поля 1, представляющий собой измерительный мост из анизотропных магниторезисторов 2 и расположенную в непосредственной близости от измерительного моста 2 и связанную с ним магнитной связью катушку индуктивности 3, источник опорного напряжения 4, вход которого подключен к первичному низковольтному (+5 В) источнику постоянного напряжения 5, источник стабилизированного напряжения 6, выходные выводы которого подключены к выводам диагонали питания моста 2, а опорный вход - к выходу источника опорного напряжения 4, аналоговый коммутатор 7, включенный между первичным низковольтным источником постоянного напряжения 5 и шиной нулевого потенциала, выходные выводы которого соединены с выводами катушки индуктивности 3 датчика поля 1, последовательно соединенные инструментальный усилитель 8, входные выводы которого подключены к выводам измерительной диагонали моста 2, буферный каскад 9, аналого-цифровой преобразователь 10, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 4, блок управления и обработки данных 11 и блок приема-передачи данных 12, причем управляющие выходы блока управления и обработки данных 11 соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 10 и аналогового коммутатора 7, информационный выход через блок приема-передачи данных 12 соединен с информационным выходом устройства, а управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных 12 соединен с управляющим входом блока управления и обработки данных 11. Дополнительно устройство содержит расположенный вблизи датчика магнитного поля датчик температуры 13, выход которого подключен к управляющему входу источника стабилизированного напряжения 6, выполненного регулируемым. Вход источника 6 подключен ко второму первичному низковольтному (+12 В) источнику постоянного напряжения 14.

В качестве датчика магнитного поля 1, включающего измерительный мост 2 и катушку индуктивности 3, может быть использована микросхема датчика на основе анизотропного магниторезистивного эффекта НМС1021 компании Honeywell. Датчик имеет встроенную перемагничивающую катушку и обладает широким диапазоном рабочих температур (от -55 до 150°С), высокой чувствительностью (10 мВ/В/мТл), высокой степенью линейности передаточной характеристики и низким уровнем собственных шумов, как в области фликкер-шума, так и в широкой полосе (размах амплитуды эквивалентного входного магнитного шума: 2.7 нТл в полосе частот 0.01-10 Гц; 5 нТл в полосе до 1 кГц).

В качестве высокостабильного источника опорного напряжения (ИОН) 4 может быть использована микросхема прецизионного, сверхмалошумящего ИОН с выходным напряжением +3 В ADR4530B фирмы Analog Devices. Особенностью микросхемы является сочетание низкого уровня выходного шума (размах амплитуды напряжения шумов в частотном диапазоне фликкер-шума 0.1-10 Гц менее 1.6 мкВ), малого температурного дрейфа (температурный коэффициент напряжения не более 2 ppm/°С), высокой начальной точности и долговременной стабильности (начальная погрешность выходного напряжения не превышает ±0.02%; типовой долговременный дрейф составляет 25 ppm/1000 часов).

В качестве аналогового коммутатора 7 может быть использован полностью управляемый интегральный мостовой коммутатор на основе n-канальных МОП-транзисторов DRV8220 фирмы Texas Instruments. Особенностью мостового коммутатора является возможность независимого управления парами диагонально расположенных ключей с помощью двух логических сигналов. Коммутатор обеспечивает значительное быстродействие (типовые длительности нарастания, спада и задержки фронта тока составляют -150 нc), максимальный коммутируемый ток до 1.8 А и небольшое, относительно активного сопротивления катушки 3 (~7.5 Ом), суммарное сопротивление открытой пары ключей - 1 Ом.

Инструментальный усилитель 8 может быть выполнен по типовой схеме измерительного усилителя на основе трех операционных усилителей (ОУ), в качестве которых может быть использована микросхема ADA4522 фирмы Analog Devices с топологией модулятор-демодулятор (МДМ-ОУ) и встроенными цепями автоматической коррекции смещения и подавления высокочастотных пульсаций. Такая топология обеспечивает плоскую частотную зависимость спектральной плотности напряжения шумов во всей полосе частот ОУ, включая частотный диапазон фликкер-шума - 0.1-10 Гц, в пределах которого размах амплитуды напряжения шумов не превышает 120 нВ. Кроме того, микросхема обладает малым током смещения (<50 пА), малым напряжением смещения (<5 мкВ) и его температурным дрейфом - не хуже 22 нВ/°С. Приведенные характеристики позволяют использовать ОУ ADA4522 для построения прецизионных, малошумящих каскадов обработки сигналов в частотном диапазоне от постоянного тока до сотен кГц.

В качестве аналого-цифрового преобразователя 10 может быть использована микросхема AD7691BRMZ 18-разрядного высокоскоростного (до 250 кВыб/с) АЦП последовательного приближения с дифференциальным входом.

Блок управления и обработки данных 11 может быть выполнен на основе микроконтроллера, в качестве которого может быть использован высокопроизводительный микроконтроллер с AVR архитектурой ATmegal68PA (Microchip), работающий на тактовой частоте 20 МГц.

В качестве блока приема-передачи данных 12 может быть использован преобразователь протоколов USB-UART, реализованный на микросхеме универсального асинхронного приемопередатчика FT232RL.

Регулируемый источник стабилизированного напряжения 6 содержит усилитель сигнала рассогласования 15, регулирующий элемент 16, три резистора 17, 18, 19 и параллельно включенные резистивный делитель напряжения 20 и конденсатор 21. Вывод верхнего плеча делителя напряжения 20 подключен к выходу регулирующего элемента 16 и первому выводу диагонали питания измерительного моста 2. Вывод нижнего плеча делителя напряжения 20 подключен к шине нулевого потенциала и второму выводу диагонали питания измерительного моста 2. Вход регулирующего элемента 16 подключен к первичному низковольтному источнику постоянного напряжения 14, а управляющий вывод подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования 15. Измерительный вход усилителя сигнала рассогласования 15 соединен с центральным выводом делителя напряжения 20. Опорный вход усилителя сигнала рассогласования 15 через первый резистор 17 соединен с выходом датчика температуры 13, через второй резистор 18 соединен с выходом источника опорного напряжения 4, а через третий резистор 19 соединен с шиной нулевого потенциала.

В качестве регулирующего элемента 16 может быть использован р-канальный МОП-транзистор с антипараллельным диодом IRLML9301 фирмы Infineon Technologies, имеющий малый «открывающий» заряд затвора, что позволяет подключить вывод затвора транзистора 16 напрямую к выходу усилителя сигнала рассогласования 15, в качестве которого также может быть использован МДМ-ОУ ADA4522. Делитель напряжения 20 может быть выполнен из двух резисторов для поверхностного монтажа (SMD) сопротивлением 100 кОм и 10 кОм (верхнее и нижнее плечо делителя, соответственно). В качестве конденсатора 21 может быть использован танталовый SMD-конденсатор номинальной емкостью 10 мкФ и рабочим напряжением 25 В, например, 293D106X9025D. В качестве резисторов 17 и 18 могут быть использованы несколько параллельно включенных SMD-резисторов, обеспечивающих суммарное сопротивление 21.0605 кОм для резистора 17 и 23.275 кОм - для резистора 18. В качестве резистора 19 может использоваться резистор поверхностного монтажа сопротивлением 10 кОм.

Для того, чтобы при увеличении опорного напряжения или уменьшении напряжения обратной связи усилителя сигнала рассогласования 15 р-канальный транзистор 16 «приоткрывался», потенциал его затвора должен уменьшаться. Поэтому опорное напряжение с общего (объединенного) вывода трех резисторов 17, 18, 19 подается на инвертирующий вход усилителя сигнала рассогласования 15, а напряжение обратной связи с центрального вывода делителя 20 - на прямой вход.

Датчик температуры 13 содержит последовательно соединенные специализированную интегральную микросхему аналогового датчика температуры с выходом по напряжению 22 и повторитель напряжения 23. В качестве микросхемы 22 может быть использован интегральный высокоточный температурный датчик TMP36FSZ, формирующий выходное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре в градусах Цельсия. Для согласования относительно высокого выходного сопротивления микросхемы 22 с суммирующим входом усилителя 15, применен повторитель напряжения с высокоомным входом 23, в качестве которого может быть использован МДМ-ОУ ADA4522.

Буферный каскад 9 содержит последовательно соединенные масштабирующий усилитель со смещением 24, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 4, и фильтр нижних частот 25. Масштабирующий усилитель со смещением 24 может быть выполнен по типовой схеме преобразования биполярного напряжения в однополярные дифференциальные сигналы на основе двух ОУ, на неинвертирующие входы которых подается напряжение смещения, снимаемое с резистивных делителей, подключенных к источнику опорного напряжения 4. В масштабирующем усилителе 24 также могут быть использованы МДМ-ОУ ADA4522. Фильтр нижних частот 25 может быть выполнен по стандартной схеме пассивного RC-фильтра первого порядка с использованием SMD-резисторов номиналом 100 Ом и SMD-конденсаторов емкостью 10 нФ.

Работает магнитометр следующим образом.

Эпюры, поясняющие работу предлагаемого устройства, приведены на фиг. 2. С управляющих выходов «РВ1» и «РВ2» блока управления и обработки данных 11 на управляющие входы «JN1» и «IN2» аналогового коммутатора 7 поступают логические импульсные последовательности «SET» и «RESET» с частотой следования импульсов Импульсы «SET» и «RESET» сдвинуты по фазе на 180° (по времени на Т_изм/2, где Т_изм - период следования, определяемый, как: ). Длительность импульсов Δt_изм является фиксированной и составляет 1.5 мкс. Соответственно, аналоговый коммутатор 7 формирует в перемагничивающей катушке индуктивности 3 датчика магнитного поля 1 на основе анизотропного магниторезистивного эффекта (AMP) разнонаправленные импульсы тока (I_K(t) на фиг. 2). Магнитное поле катушки 3, возникающее при прохождении импульсов тока «установки» I_уст(t) ориентирует магнитные домены АМР-элементов измерительного моста 2 таким образом, что передаточная характеристика датчика - зависимость выходного дифференциального напряжения U_ДПМ от магнитной индукции измеряемого поля U_дмп=S(B) - имеет положительный знак (положительным значениям индукции В соответствует напряжение U_дмп положительной полярности). Аналогичным образом, прохождение импульсов тока «сброса» I_сбр(t) формирует «зеркальную» передаточную характеристику датчика поля (меняет знак наклона) - U_дмп=S(B).

Длительность импульсов тока I_K(t) в катушке индуктивности 3 с учетом задержки и времени фронта/спада, определяемых динамическим характеристиками аналогового коммутатора 7, составляет ~2.5 мкс. Амплитуда импульсов тока I_уст(t) и I_сбр(t) при питании аналогового коммутатора 7 от первичного низковольтного источника 5 напряжением +5 В, определяемая сопротивлением катушки индуктивности 3 (-7.5 Ом) и суммарным сопротивлением открытых ключей аналогового коммутатора 7 (-1 Ом) составляет -0.6 А. Такие амплитудно-временные параметры импульсов тока I_K(t) соответствуют требованиям к перемагничивающим импульсам используемого датчика магнитного поля 1 (длительность - не менее 2 мкс, амплитуда - более 0.4 А) и обеспечивают надежное восстановление чувствительности датчика после изменения ориентации магнитных доменов АМР-элементов измерительного моста 2.

Измерение устройством напряжения U_ИЗМ(B), пропорционального магнитной индукции, осуществляется на интервале Т_изм и упрощенно определяется выражением:

где - напряжение на выходе инструментального усилителя 8, измеренное после импульсов тока «установки» и «сброса», соответственно (см. фиг. 2).

Выходное напряжение U_ИМ измерительного моста 2 является суммой напряжения, пропорционального магнитному полю, и напряжения смещения U_СМ:

где: S - чувствительность датчика поля, U_ПМ - напряжение питания измерительного моста, В - проекция индукции поля на ось максимальной чувствительности датчика (далее выражение «магнитное поле» будет относиться именно к компоненте магнитного поля, направленной вдоль чувствительной оси датчика 1).

Подставляя соотношение (2) в (1) и учитывая коэффициент усиления k_U инструментального усилителя 8 и инверсию чувствительности датчика 1 после импульса «сброса» (S(B)), получаем:

Таким образом, реализуемый устройством способ динамической компенсации смещения, включающий две фазы последовательного измерения и , а затем - обработку результатов в соответствии с (1), позволяет исключить смещение датчика магнитного поля и его температурный дрейф.

Выборка входного сигнала аналого-цифрового преобразователя 10 (АЦП) осуществляется в конце периода следования импульсов тока I_K(t) по окончании переходных процессов установления выходного напряжения датчика 1 и достижении последним максимальной чувствительности (см. зависимость U_ИУ(t) на фиг. 2). Длительность интервала выборки (Δt_выб на фиг. 2) фиксирована и составляет 3 мкс. Затем следует интервал обработки данных (Δt_обр на фиг. 2), в течение которого выполняется цикл аналого-цифрового преобразования, передача цифровых данных с выхода АЦП 10 по SPI интерфейсу в блок управления и обработки данных 11 и дальнейшая обработка данных в соответствии с микропрограммой.

Длительность интервала Δt_обр зависит от длительности периода T_изм получения одного дискретного значения индукции поля (Δt_выб+Δt_обр=T_изм/2). Максимальной частоте(40 кГц для предлагаемого устройства) соответствует минимальная длительность интервала Δt_o6p - 9.5 мкс.

Режимом работы АЦП 10 управляет логический сигнал («CNV» на фиг. 2), поступающий с управляющего выхода «РВО» блока управления и обработки данных 11 на управляющий вход АЦП 10. При низком логическом уровне сигнала «CNV» АЦП 10 осуществляет выборку входного напряжения (интервал Δt_выб). По фронту установления высокого логического уровня сигнала «CNV» АЦП 10 переходит в режим преобразования данных (интервал Δt_обр), при котором вход АЦП 10 находится в высокоимпедансном состоянии. Одновременно на управляющих выходах «РВ1» и «РВ2» блока управления и обработки данных 11 в соответствии с фазой обработки формируется импульс «SET» или «RESET» управления аналоговым коммутатором 7.

Таким образом, блок управления и обработки данных 11 с частотой формирует дискретные числовые значения В_n, полученные за две последние выборки в соответствии с (1) и эквивалентные значению магнитной индукции В_ИЗМ (без влияния смещения магниторезистивного моста), измеренной на интервале Т_изм. Для численного значения В_n справедливо соотношение: где N - разрядность АЦП 10, а ΔU_АЦП - диапазон изменения его входного напряжения.

Далее дискретные значения измеряемой индукции В_n могут либо в режиме реального времени поступать с информационного выхода блока управления и обработки данных 11 (вывод «TXD» на фиг. 1) через блок приема-передачи данных 12 на удаленный персональный компьютер (ПК), либо предварительно подвергаться первичной обработке (например, цифровой фильтрации). В этом случае на удаленный ПК передаются уже результаты обработки. В обратном направлении от ПК через блок приема-передачи данных 12 на управляющий вход блока управления и обработки данных 11 (вывод «TXD» на фиг. 1) поступают команды, позволяющие при необходимости изменить настройки магнитометра, связанные с цифровой обработкой данных - частоту дискретизации АЦП 10, режим обработки данных, интервал измерения Т_изм.

Для компенсации зависимости чувствительности датчика магнитного поля 1 на основе АМР-элементов от температуры в заявленном устройстве используется электронная температурная компенсация, которая обеспечивается совместной работой датчика температуры 13 и регулируемого источника стабилизированного напряжения 6. Используемая в устройстве в качестве датчика магнитного поля 1 микросхема НМС1021 в рабочем температурном диапазоне магнитометра - от -25 до +50°С - имеет обратно пропорциональную зависимость чувствительности, выраженной в мВ/В/Гс, от температуры. На фиг. 3 приведена температурная зависимость чувствительности S_н нормированной к напряжению питания U_ПМ измерительного моста 2, равному 9.5 В (для данного значения U_ПМ чувствительность датчика S_H при температуре 25°С составляет 10 мВ/Гс). Нормированная чувствительность имеет размерность мВ/Гс, а ее зависимость от температуры в°С (S(T) на фиг. 3) численно описывается выражением: S(T)=-0.032-Т+10.8.

Для компенсации температурной зависимости чувствительности датчика магнитного поля 1 необходимо при увеличении температуры повышать питающее напряжение U_ПМ измерительного моста 2, формируемое регулируемым источником стабилизированного напряжения 6, в соответствии с требуемой компенсирующей зависимостью (U_ПМ(T) на фиг. 3) - U_ПМ (Т)=0.02736-Т+8.816. Учитывая температурную зависимость выходного напряжения U_ДТ используемой в устройстве микросхемы датчика температуры 22 - U_ДТ(Т)=0.01 Т+0.5, где Т - температура в °С, зависимость выходного напряжения регулируемого источника стабилизированного напряжения 6 от выходного напряжения датчика температуры 13 должна соответствовать:

Регулируемый источник стабилизированного напряжения 6 выполнен по схеме линейного стабилизатора компенсационного типа. Выходное напряжение стабилизатора через делитель напряжения 20 поступает на измерительный вход усилителя сигнала рассогласования 15, где сравнивается с опорным напряжением, которое является суммой напряжений, поступающих с выхода датчика температуры 13 и выхода ИОН 4. Напряжение рассогласования с выхода усилителя сигнала рассогласования 15 поступает на затвор р-канального МОП-транзистора 16, выполняющего роль регулирующего элемента. Выходное напряжение U_ПМ источника стабилизированного напряжения 6 поддерживается таким, чтобы сохранялось равенство напряжений на двух входах усилителя сигнала рассогласования 15. Таким образом, стабильность выходного напряжения U_ПМ не зависит от стабильности первичного низковольтного источника постоянного напряжения 14 и определяется только шумовыми и дрейфовыми характеристиками усилителя сигнала рассогласования 15, точностью и стабильностью выходных напряжений датчика температуры 13 и ИОН 4.

На суммирующий вход усилителя сигнала рассогласования 15, соединенный с шиной нулевого потенциала резистором 19 (R19), через повторитель напряжения 23 и резистор 17 (R17) подается выходное напряжение U_ДТ микросхемы датчика температуры 22, а через резистор 18 (R18) - напряжение U_REF=+3B с выхода ИОН 4. Для такой схемы зависимость выходного напряжения U_ПМ регулируемого источника стабилизированного напряжения 6, питающего измерительный мост 2, от напряжения U_ДТ описывается, как:

где: R_ДНВ, R_ДНН - сопротивление верхнего и нижнего плеча делителя напряжения 20, соответственно; R18⏐⏐R19 и R17⏐R19 эквивалентное сопротивление параллельно соединенных соответствующих резисторов. Выражение (4) позволяет найти номиналы резисторов R17, R18, R19, обеспечивающих выполнение зависимости (3).

При изменении температуры датчика магнитного поля 1 в диапазоне -25 -+50°С выходное напряжение U_ПМ регулируемого источника стабилизированного напряжения 6 изменяется в диапазоне от 8.13 В до 10.18 В.

Таким образом, применение цепи термостабилизации, включающей датчик температуры 13 и регулируемый источник стабилизированного напряжения 6, обеспечивает во всем интервале рабочих температур магнитометра постоянство нормированного значения 10 мВ/Гс чувствительности измерительного моста из анизотропных магниторезисторов 2 (зависимость S_TK(T) на фиг. 3).

При чувствительности датчика 10 мВ/Гс диапазону измерения магнитного поля ±6 Гс (±600 мкТл) используемого в устройстве датчика магнитного поля 1 будет соответствовать диапазон выходного напряжения датчика ±60 мВ. Снимаемое с измерительной диагонали моста 2 дифференциальное напряжение подается на вход инструментального усилителя 8, выходное напряжение которого, поступающее на вход буферного каскада 9, составляет 0±3 В. Коэффициент усиления по напряжению инструментального усилителя 8 (k_U=50) задается отношением сопротивлений резисторов R_У=4081.63 Ом и R_OC=100 кОм (см. фиг. 1) в соответствии с выражением: k_U=1+2⋅ROC/R_У.

Используемая в качестве АЦП 10 микросхема AD7691 имеет дифференциальный вход. Диапазон напряжения на входных выводах АЦП 11 (выводы «AIN+» и «AIN-» на фиг. 1) относительно шины нулевого потенциала составляет, соответственно, от 0 до U_REF и от U_REF до 0, где U_REF=+3 В - опорное напряжение, формируемое источником опорного напряжения 4 (ИОН). Масштабирующий усилитель со смещением 24 выполняет масштабирование и сдвиг уровня входного сигнала, приводя диапазон изменения биполярного выходного напряжения инструментального усилителя 8 (от -3 до +3 В) к диапазонам противофазных напряжений на дифференциальных входах АЦП 10 (0-3 В и 3-0 В). Фильтр нижних частот (ФНЧ) 25 буферного каскада 9 улучшает отношение сигнал/шум на входе АЦП 10 за чет ограничения полосы пропускания аналогового тракта до необходимого значения.

Предлагаемое устройство является адаптивным с точки зрения ограничения частотного диапазона. При измерении индукции магнитного поля в широкой полосе частот эквивалентная полоса пропускания магнитометра ограничена частотой Котельникова-Найквиста - 20 кГц при частоте равной 40 кГц. При измерении индукции относительно низкочастотных магнитных полей полоса пропускания магнитометра с целю улучшения шумовых характеристик устройства может быть ограниченна за счет применения в блоке управления и обработки данных 11 алгоритмов цифровой фильтрации или усреднения по заданному временному интервалу. Заявленное устройство использовалось как в широкополосном режиме, так и для измерения индукции магнитного поля, создаваемого источниками промышленной частоты. В последнем случае полоса пропускания магнитометра ограничивалась до диапазона 0-1 кГц за счет применения в блоке управления и обработки данных 11 цифрового ФНЧ второго порядка.

Кроме того, возможно ограничение полосы пропускания магнитометра путем изменения частоты среза ФНЧ 25, а также за счет снижения частоты что одновременно позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на активном сопротивлении катушки индуктивности 3, и снизить температуру датчика магнитного поля 1.

Применение в заявленном устройстве схемы термостабилизации, выполненной на основе введенного в устройство датчика температуры и выполненного регулируемым источника стабилизированного напряжения, питающего датчик магнитного поля, позволило скомпенсировать температурную зависимость чувствительности датчика из анизотропных магниторезисторов и повысить точность измерения индукции магнитного поля по сравнению с ближайшим аналогом - в диапазоне температур от -25 до +50°С суммарная погрешность заявленного устройства составляет ±0.035% от полного диапазона измерений, а аналогичная величина для устройства-прототипа -±3%.

Заявленное устройство позволяет также уменьшить длительность подготовки к измерениям, определяемой в предлагаемом устройстве временным интервалом завершения переходных процессов схемы термостабилизации, - выход на рабочий режим устройства происходит на 7-минутном интервале (для устройства-прототипа это время составляет ~1 час).

Используемая как в ближайшем аналоге, так и в заявленном устройстве динамическая компенсация смещения датчика поля, исключающая влияние температурного дрейфа АМР-элементов измерительного моста и инструментального усилителя, позволяет также уменьшить эквивалентный входной магнитный шум устройства в полосе фликкер-шума 0.1-10 Гц. Однако в эквивалентной полосе пропускания устройства подъем частотной зависимости входного эквивалентного магнитного шума в диапазоне частот 0.1-10 Гц сохраняется и является определяющим фактором, ограничивающим разрешающую способность устройства по измеряемой индукции поля. За счет применения схемы питания измерительный моста на основе регулируемого стабилизатора напряжения компенсационного типа в заявленном устройстве удалось снизить размах амплитуды эквивалентного входного магнитного шума в полосе частот 0.1-10 Гц (16 нТл) по сравнению с ближайшим аналогом (20 нТл), и тем самым повысить разрешение устройства по индукции магнитного поля.

Наиболее успешно заявленное устройство может быть использовано в различных научных и прикладных применениях, требующих высокоточного измерения индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды, например, при проведении измерений в полевых условиях. В частности, предлагаемое устройство может быть использовано как прецизионный канал измерения индукции в двух- и трехкомпонентных магнитометрах, а также для дистанционного мониторинга геоиндуцированных токов, протекающих в линиях электропередачи под воздействием геомагнитных возмущений, методом дифференциальной магнитометрии [4].

Источники информации

1. ADAF1080 Integrated AMR Magnetic Field Sensor and Signal Conditioner Datasheet // https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adafl 080.pdf.

2. Jiang J., Pan Z., Zhou H. Motor harmonic current detection system based on magnetic sensor // Proceedings of the 4th International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering. 2015. P.1450-1455.

3. Bertoldi A., Bassi D., Ricci L., Covi D., Varas S. Magnetoresistive magnetometer with improved bandwidth and response characteristics // Review of Scientific Instruments. 2005. Vol. 76. No. 6. P. 065106.

4. Пилипенко B.A. Воздействие космической погоды на наземные технологические системы. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. №3. С. 73-110.

Claims (3)

1. Магнитометр, содержащий датчик магнитного поля, представляющий собой измерительный мост из анизотропных магниторезисторов и расположенную в непосредственной близости от измерительного моста и связанную с ним магнитной связью катушку индуктивности, источник опорного напряжения, вход которого подключен к первичному низковольтному источнику постоянного напряжения, источник стабилизированного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам диагонали питания моста, а опорный вход - к выходу источника опорного напряжения, аналоговый коммутатор, включенный между первичным низковольтным источником постоянного напряжения и шиной нулевого потенциала, выходные выводы которого соединены с выводами катушки индуктивности датчика магнитного поля, последовательно соединенные инструментальный усилитель, входные выводы которого подключены к выводам измерительной диагонали моста, буферный каскад, аналого-цифровой преобразователь, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, блок управления и обработки данных и блок приема-передачи данных, причем управляющие выходы блока управления и обработки данных соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и аналогового коммутатора, информационный выход через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, а управляющий вход устройства через блок приема-передачи данных соединен с управляющим входом блока управления и обработки данных, отличающийся тем, что дополнительно содержит расположенный вблизи датчика магнитного поля датчик температуры, а источник стабилизированного напряжения выполнен регулируемым и включает усилитель сигнала рассогласования, регулирующий элемент, три резистора и параллельно включенные резистивный делитель напряжения и конденсатор, причем вывод верхнего плеча делителя напряжения подключен к выходу регулирующего элемента и первому выводу диагонали питания измерительного моста, а вывод нижнего плеча - к шине нулевого потенциала и второму выводу диагонали питания измерительного моста, вход регулирующего элемента подключен ко второму первичному низковольтному источнику постоянного напряжения, а управляющий вывод - к выходу усилителя сигнала рассогласования, измерительный вход которого соединен с центральным выводом делителя напряжения, а опорный вход через первый резистор соединен с выходом датчика температуры, через второй резистор - с выходом источника опорного напряжения, а через третий резистор - с шиной нулевого потенциала.

2. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что датчик температуры содержит последовательно соединенные специализированную интегральную микросхему аналогового датчика температуры с выходом по напряжению и повторитель напряжения.

3. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что буферный каскад содержит последовательно соединенные масштабирующий усилитель со смещением, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, и фильтр нижних частот.

Images