RU2563600C1 - Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур - Google Patents
Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2563600C1 RU2563600C1 RU2014131157/28A RU2014131157A RU2563600C1 RU 2563600 C1 RU2563600 C1 RU 2563600C1 RU 2014131157/28 A RU2014131157/28 A RU 2014131157/28A RU 2014131157 A RU2014131157 A RU 2014131157A RU 2563600 C1 RU2563600 C1 RU 2563600C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- temperature
- microcontroller
- magneto
- working temperatures
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой сверхчувствительный интеллектуальный магнитометрический датчик (МИ датчик) с расширенным диапазоном рабочих температур области. Датчик включает магнитоимпедансный элемент (МИ элемент) с двумя катушками, выполненными одна над другой, аналоговый ключ, усилитель, температурный датчик, микроконтроллер, блок терморезистора. МИ элемент с двумя катушками позволяет расширять измерительную шкалу, проводить калибровку датчика. Микроконтроллер выполняет оцифровку данных, управляет всеми узлами датчика (МИ элементом, аналоговым ключом, усилителем), проводит математическую обработку данных. Температурный датчик и блок терморезистора обеспечивают работу датчика в широком температурном диапазоне. Техническим результатом является повышение функциональных возможностей МИ датчика (интеллектуализация), расширение пределов измерительной шкалы и диапазона рабочих температур, повышение точности измерений, получение дополнительной информации о температуре. 6 ил.
Description
Изобретение относится к области построения высокочувствительных магнитных сенсоров, основанных на магнитоимпедансном эффекте.
Явление зависимости высокочастотного импеданса от магнитного поля было известно довольно давно, однако эффект гигантского магнитоимпеданса (МИ) в том виде, как его понимают в настоящее время, был открыт сравнительно недавно - в 90-х годах XX столетия. МИ включает очень большое (около 100%) и чувствительное (характерные поля составляют единицы Эрстед) изменение высокочастотного напряжения на миниатюрных магнитных проводящих элементах при изменении их магнитной структуры. Такое изменение может быть вызвано не только влиянием внешнего магнитного поля, но и механическими напряжениями или изменением температуры.
В данной разработке интеллектуального магнитного датчика предлагается интегрировать микроконтроллер в конструкцию датчика для компенсации температурного воздействия, повышения точности измерения, оцифровки аналоговых данных, последующего кодирования в необходимый формат.
Конструкция магнитоимпедансного датчика, наиболее подходящая для предлагаемого в данном изобретении технического решения, описана в аналоге (Патент ЕР 2423697 А1, опубл. 29.02.2012 г., Сверхчувствительный магнитоимпедансный датчик). В указанном патенте излагается принцип возбуждения и схемная реализация предварительной обработки и усиления сигнала, снимаемого с МИ элемента.
Блок-схема включения МИ элемента, указанная в патенте, состоит из импульсного генератора, МИ элемента, аналогового ключа, схемы временной задержки и усилителя. Для работы МИ элемента необходимо возбуждение импульсным током, эту роль выполняет импульсный генератор, от которого сигнал поступает как на сам МИ элемент, так и на схему формирования временной задержки, которая осуществляет синхронизацию сигнала от МИ элемента и аналогового ключа. Сигнал от МИ элемента через аналоговый ключ, который замыкается в момент пиковой амплитуды сигнала, поступает на операционный усилитель, выход усилителя является выходом магнитоимпедансного датчика.
Недостатками описанной разработки являются ограниченная функциональность датчика, температурная нестабильность работы, ограниченная шкала и невысокая точность измерения.
Технический результат заключается в повышении функциональных возможностей датчика, увеличении точности измерений, расширении диапазона шкалы измеряемых магнитных полей, температурной стабилизации работы устройства.
Технический результат достигается путем добавления в выше описанную конструкцию магнитоимпедансного датчика следующих элементов: микроконтроллера для управления магнитоимпедансным элементом, его периферией и математической обработки данных, магнитоимпедансного элемента с двойной обмоткой (одна над другой) для калибровки и изменения предела измерения шкалы, температурного датчика для точной температурной компенсации, блока терморезистора для грубой температурной компенсации в расширенном температурном диапазоне.
За счет применения в конструкции датчика микроконтроллера, становится возможным без усложнения схемотехники значительно повысить функциональность устройства без увеличения себестоимости его изготовления. Микроконтроллер в рассматриваемой конструкции является интеллектуальным ядром датчика. Именно контроллер оценивает внешние факторы, воздействующие на датчик, и подстраивает под них его работу, а также позволяет проводить математическую обработку данных, самодиагностику и автокалибровку, передавать данные пользователю в удобном для него виде. Для микроконтроллера разрабатывается специальный пакет программного обеспечения, который программируется на этапе изготовления датчика.
Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. 1 изображены:
1 - первая обмотка (верхняя) - выполняет генерацию магнитного поля, входит в состав МИ элемента, позволяет проводить калибровку и изменение пределов измерительной шкалы;
2 - вторая обмотка (нижняя) - выполняет роль детектирующей катушки МИ элемента;
3 - магнитоимпедансный (МИ) элемент, состоящий из МИ проводников и двух обмоток, обмотки наматываются друг на друга (одна под другой);
4 - аналоговый ключ - выполняет функцию выпрямления аналогового переменного сигнала от МИ элемента (в данной конструкции невозможно применение диодного выпрямителя из-за нелинейности его вольт-амперной характеристики в начальной области);
5 - операционный усилитель - усиливает выпрямленный сигнал с МИ элемента до уровней приемлемых для работы с АЦП;
6 - микроконтроллер - является интеллектуальным ядром датчика;
7 - широтно-импульсный модулятор (ШИМ) - встроенный в микроконтроллер модуль, выдает сигнал возбуждения МИ элементу;
8 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - встроенный в микроконтроллер модуль, выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой;
9 - температурный датчик - необходим для измерения текущей тампературы датчика;
10 - блок терморезистора - необходим для температурной стабилизации в расширенном температерном диапазоне.
Описание работы датчика. Как видно из блок-схемы (Фиг. 1) применение отдельного генератора для возбуждения МИ элемента нецелесообразно, поскольку с подобной задачей справляется микроконтроллер (6). В присутствии магнитного поля на концах детектирующей катушки (2) возникает переменный сигнал. Этот сигнал от МИ элемента проходит через аналоговый ключ (4), который также управляется микроконтроллером (6), выпрямляется и попадает на операционный усилитель 5. При необходимости микроконтроллер (6) изменяет коэффициент усиления для получения более точных данных и изменения предела измерительной шкалы. Усиленный сигнал попадает во встроенный в микроконтроллер (6) модуль аналогово-цифрового преобразователя (8), где происходит его преобразование в цифровой формат. Параллельно с этим происходит обработка данных с температурного датчика (9). Перед выдачей результатов измерения на выход устройства происходит перерасчет данных по температуре (компенсируется температурная зависимость МИ элемента), обработанные данные могут быть дополнительно кодированы в необходимый формат и выданы пользователю. Также микроконтроллер имеет выход для управления первой катушкой МИ элемента. При помощи этой катушки датчик калибруется и изменяется предел измерительной шкалы.
Для дополнительного расширения температурного диапазона работы датчика до уровня военного или космического применения (Military/Space -55°C…+125°C) необходимо применение блока терморезистора (10) с обратным коэффициентом ТКС. На рисунке (Фиг. 2) приведен график температурной зависимости амплитуды выходного сигнала МИ элемента при постоянном внешнем магнитном поле, равном 1,5Э. График состоит из двух температурных кривых, соответствующих однопроводному и двупроводному МИ элементам, для более наглядной оценки различия температурных кривых МИ элементы подобраны с одинаковой амплитудой выходного сигнала в нормальных условиях. Из графика (Фиг. 2) видно, что при возрастании температуры выше +50°С происходит изменение амплитуды сигнала, которое можно компенсировать математическим пересчетом с помощью микроконтроллера и температурного датчика. При температуре +130°С амплитуда сигнала двупроводного МИ элемента уменьшается почти в 1,5 раза, в этом случае математический пересчет начинает негативно сказываться на точности измерений. Следовательно, необходимо изменить температурную кривую МИ элемента при помощи блока терморезистора (10). Блок терморезистора (Фиг. 3) состоит из одного полупроводникового терморезистора (11) и двух тонкопленочных или чип-резисторов (12). При возрастании температуры сопротивление блока терморезистора (10) будет уменьшаться, а ток через МИ проводник - возрастать, что в свою очередь вызовет увеличение амплитуды сигнала, в результате, температурная зависимость МИ элемента (Фиг. 3) будет скомпенсирована.
Для работы датчика необходима разработка программного обеспечения. Программное обеспечение определяет все функции и алгоритмы обработки данных внутри датчика.
Общая структура блок-схемы показана на Фиг. 4. Сразу после включения питания начинается загрузка микроконтроллера. После завершения загрузки микроконтроллер переходит к работе с основным циклом, который бесконечно выполняет, «отвлекаясь» только на прерывание (прием и обработка данных от пользователя для изменения настроек).
Блок-схема загрузки показана на Фиг. 5. Загрузка начинается с инициализации портов и внутренних модулей микроконтроллера (17), далее происходит калибровка встроенного аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) (18), после чего микроконтроллер включает всю периферию (19): выдает сигнал возбуждения МИ элементу, замыкает аналоговый ключ, включает усилитель и температурный датчик. Следующим шагом микроконтроллер выполняет калибровку МИ элемента (20) при помощи встроенной в него второй катушки. На последнем этапе загрузки происходит чтение из внутренней памяти микроконтроллера и установка настроек (последних или исходных) (21).
Упрощенная блок-схема основного цикла программы логико-математической работы микроконтроллера изображена на Фиг. 6. Основной цикл начинается с оцифровки аналоговых данных (22) от МИ элемента, температурного датчика и других вспомогательных параметров. Затем следует их логический анализ (23), проверяется правильность установленных настроек усилителя, предела измерения шкалы МИ элемента и контрольных параметров, далее происходит ветвление алгоритма (24). В случае если данные не корректны, происходит изменение параметров настроек (26) и основной цикл повторяется сначала. В случае если данные не корректны 10 раз подряд, происходит перезагрузка (28) микроконтроллера, микроконтроллер переходит к началу алгоритма. В случае если данные корректны следующим шагом, микроконтроллер, зная текущую температуру, пересчитывает данные (25), компенсируя температурную зависимость МИ элемента, после чего микроконтроллер подвергает данные кодированию и передает данные пользователю (27).
Таким образом, можно отметить следующие отличительные признаки предложенного магнитоимпедансного датчика:
- датчик содержит микроконтроллер, который управляет МИ элементом, принимает и обрабатывает данные;
- датчик содержит МИ элемент с двойной обмоткой (одна поверх другой);
- датчик снабжен встроенным датчиком температуры;
- датчик с расширенным диапазоном температурной стабильности содержит блок терморезистора.
Использование указанных отличительных признаков для выполнения поставленной цели ранее авторам не известно.
Claims (1)
- Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур, содержащий магнитоимпедансный элемент, аналоговый ключ, усилитель, отличающийся тем, что датчик содержит микроконтроллер для управления магнитоимпедансным элементом и его периферией и математической обработки данных, температурный датчик точной температурной компенсации, блок терморезистора грубой температурной компенсации в расширенном температурном диапазоне, при этом магнитоимпедансный элемент выполнен с двойной обмоткой, расположенной одна над другой.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014131157/28A RU2563600C1 (ru) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014131157/28A RU2563600C1 (ru) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2563600C1 true RU2563600C1 (ru) | 2015-09-20 |
Family
ID=54147881
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014131157/28A RU2563600C1 (ru) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2563600C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA038521B1 (ru) * | 2015-06-21 | 2021-09-09 | Индустреа Майнинг Текнолоджи Пти Лтд | Система буровых датчиков, способ формирования навигационных данных и узел буровой штанги |
RU2784211C1 (ru) * | 2022-09-23 | 2022-11-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Высокочувствительный магнитоимпедансный датчик градиентных магнитных полей |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7053600B2 (en) * | 2003-06-27 | 2006-05-30 | Victor Company Of Japan, Ltd | Current sensor |
RU2303791C2 (ru) * | 2002-11-29 | 2007-07-27 | Ямаха Корпорейшн | Магнитный датчик и способ компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика |
WO2009111168A1 (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-11 | Allegro Microsystems, Inc. | Two-terminal linear sensor |
EP2423697A1 (en) * | 2009-04-23 | 2012-02-29 | Aichi Steel Corporation | Ultra-sensitive magnetoimpedance sensor |
-
2014
- 2014-07-29 RU RU2014131157/28A patent/RU2563600C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2303791C2 (ru) * | 2002-11-29 | 2007-07-27 | Ямаха Корпорейшн | Магнитный датчик и способ компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика |
US7053600B2 (en) * | 2003-06-27 | 2006-05-30 | Victor Company Of Japan, Ltd | Current sensor |
WO2009111168A1 (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-11 | Allegro Microsystems, Inc. | Two-terminal linear sensor |
EP2423697A1 (en) * | 2009-04-23 | 2012-02-29 | Aichi Steel Corporation | Ultra-sensitive magnetoimpedance sensor |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA038521B1 (ru) * | 2015-06-21 | 2021-09-09 | Индустреа Майнинг Текнолоджи Пти Лтд | Система буровых датчиков, способ формирования навигационных данных и узел буровой штанги |
RU2784211C1 (ru) * | 2022-09-23 | 2022-11-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Высокочувствительный магнитоимпедансный датчик градиентных магнитных полей |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9551765B2 (en) | Method for operating a hall sensor arrangement and hall sensor arrangement | |
US9466417B2 (en) | Self-correcting current transformer system | |
US9404991B2 (en) | Autonomously calibrated magnetic field sensor | |
US8604777B2 (en) | Current sensor with calibration for a current divider configuration | |
US9360533B2 (en) | Reading circuit for a magnetic field sensor with sensititivy calibration, and related reading method | |
US6736540B1 (en) | Method for synchronized delta-VBE measurement for calculating die temperature | |
US9702909B2 (en) | Manufacturing method for current sensor and current sensor | |
US9429605B2 (en) | Techniques for determining a resistance value | |
US10378969B2 (en) | Temperature sensor | |
JP2008513766A (ja) | デジタル温度センサ及びその較正 | |
CN102401884A (zh) | 用于磁场传感器的读取电路以及相关读取方法 | |
JP7070969B2 (ja) | マルチチャネルシステムのためのクロストーク較正 | |
CN104246517B (zh) | 具有罗果夫斯基类型的电流换能器的用于测量电流的装置 | |
US20130317772A1 (en) | Sensor device and related operating methods | |
US10330767B2 (en) | Calibrated measurement system and method | |
KR101375363B1 (ko) | 서미스터를 이용한 온도 측정 장치 | |
RU2563600C1 (ru) | Сверхчувствительный интеллектуальный магнитоимпедансный датчик с расширенным диапазоном рабочих температур | |
De Marcellis et al. | A new single-chip analog lock-in amplifier with automatic phase and frequency tuning for physical/chemical noisy phenomena detection | |
US20130160518A1 (en) | Relative humidity sensor and method for calibration thereof | |
JP4682668B2 (ja) | A/d変換装置、およびa/d変換装置を備えたセンサ装置 | |
JP7170399B2 (ja) | 電流検出装置、電流検出システム、及び電流検出装置の校正方法 | |
JP2005517963A (ja) | 無線周波電力測定 | |
CN111089609A (zh) | 具有偏移补偿的传感器电路 | |
US20230296451A1 (en) | High Accuracy On-Chip Temperature Sensor System and Method Thereof | |
RU143663U1 (ru) | Устройство для измерения электропроводности жидкости |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200730 |