RU2782984C1 - Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (варианты) - Google Patents
Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782984C1 RU2782984C1 RU2022101869A RU2022101869A RU2782984C1 RU 2782984 C1 RU2782984 C1 RU 2782984C1 RU 2022101869 A RU2022101869 A RU 2022101869A RU 2022101869 A RU2022101869 A RU 2022101869A RU 2782984 C1 RU2782984 C1 RU 2782984C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- hall sensor
- excitation current
- current source
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 7
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 235000019800 disodium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Группа изобретений относится к измерительной технике. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен со входом устройства селекции по времени, его управляющий вход соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным. Технический результат – повышение точности измерений индукции постоянного магнитного поля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, и может быть использовано для измерения индукции постоянного магнитного поля, создаваемого магнитными системами на базе постоянных магнитов или электромагнитов, а также в составе систем управления индукцией магнитного поля, в частности, в системах управления поляризующим магнитным полем спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Известен измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (User’s Manual Model 425 Gaussmeter, Rev.1.0, P/N 119-053, 24 March 2010, Lake Shore Cryotronics, Inc. 575 McCorkle Blvd. Westerville, Ohio 43082-8888 USA, www.lakeshore.com) (Фиг. 1), который содержит тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), выход которого через конденсатор, блокирующий постоянную составляющую сигнала (5) соединен с сигнальным входом синхронного детектора (6), опорный вход синхронного детектора соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), а выход со входом фильтра нижних частот (7), выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (8), вход запуска которого соединен с третьим выходом тактирующего устройства (1), а выход АЦП соединен с управляющим микропроцессорным устройством (9), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока на частоте 5.4 кГц так, что одну половину периода этой частоты величина тока равняется оптимальному рабочему току датчика Холла, а вторую половину - нулю, на опорный вход синхронного детектора подается прямоугольная волна напряжения, синхронная с волной возбуждающего тока, полоса пропускания фильтра НЧ на выходе синхронного детектора составляет 400 Гц, а частота выборок АЦП определяется желаемой частотой обновления результатов.
Недостатками данного технического решения являются низкая точность измерений, обусловленная значительным уровнем случайной ошибки (шумов), имеющихся на полезном сигнале после его обработки, и с систематическими ошибками, обусловленными неэквипотенциальностью потенциальных выходов датчика Холла (смещение), температурных коэффициентов смещения и магнитной чувствительности, а также, нелинейности датчика. Кроме того, данное устройство не отличается высокой стабильностью и повторяемостью результатов измерений, а также гибкостью настройки, что связано с использованием аналогового метода обработки сигнала.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (User’s Manual, Model 475 DSP Gaussmeter, Revision:2, P/N 119-036, 18 June 2010, Lake Shore Cryotronics, Inc. 575 McCorkle Blvd. Westerville, Ohio 43082-8888 USA, www.lakeshore.com) (Фиг. 2), содержащий тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), выход которого через конденсатор, блокирующий постоянную составляющую сигнала (5) соединен со входом АЦП (6), вход запуска которого соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), а цифровая выходная шина подключена к одному из входов цифрового перемножителя (синхронного детектора) (7), на второй вход которого подается логический сигнал (0 или 1), синхронный с волной возбуждающего тока, а выход соединен со входом цифрового конфигурируемого фильтра нижних частот (8), к выходу которого подключено управляющее микропроцессорное устройство (9), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока на частоте 5 кГц так, что одну половину периода этой частоты величина тока равняется оптимальному рабочему току датчика Холла, а вторую половину - нулю, частота выборок АЦП (50 кГц) выбрана так, чтобы соответствовать критерию Найквиста (50 кГц/5 кГц = 10 > 2).
Преимущество прототипа перед аналогом объясняется общими преимуществами цифровой обработки сигналов перед аналоговой, а именно, стабильностью работы,
повторяемостью результатов, надежностью, и отсутствием необходимости индивидуальной настройки прибора. Однако алгоритм обработки сигнала при переходе от аналогового метода обработки к цифровому не изменился и основывается на классической модуляционной схеме измерений, направленной на устранение избыточного шума типа 1/f, путем гетеродинирования сигнала с целью переноса информационного спектра в видеополосу и частотной селекции информационного сигнала при помощи фильтра нижних частот, который устраняет не несущие информации области спектра и выполняет функции накопления сигнала в течение его постоянной времени. В то же время селекция сигналов по частотному критерию (фильтрация в частотной области) не позволяет избавиться от помех, спектр которых попадает в полосу пропускания фильтра. Такими помехами будут,
в частности, вклады от переходных процессов на возрастающем и падающем фронтах модулирующего импульса при манипуляции тока датчика Холла.
Технической задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего получение более высокой точности измерения за счет уменьшения как случайной, так и систематической ошибок при невысокой сложности реализации.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном измерителе индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (Фиг. 3), содержащем тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), его выход соединен со входом АЦП (5), вход запуска которого соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), согласно изобретению дополнительно содержит устройство селекции по времени (6), вход которого соединен с выходом АЦП, управляющий вход с третьим выходом тактирующего устройства (1), а выход - с первым входом цифрового перемножителя (7), на второй вход которого с четвертого выхода тактирующего устройства подается цифровой сигнал (-1 или 1), а выход соединен со входом цифрового накопителя (8), к выходу которого подключено управляющее микропроцессорное устройство (9), к которому также подключен измеритель температуры (10) датчика Холла (3), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока так, что одну половину периода оптимальный рабочий ток датчика Холла имеет одно направление, а вторую половину - противоположное, а частота прямоугольной волны выбирается так, чтобы ее период значительно превышал длительность переходного процесса переключения направления тока, частота выборок АЦП выбирается так, чтобы интервал между выборками был меньше длительности переходного процесса.
Как вариант, данная задача решается за счет того, что в заявленном измерителе индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (Фиг. 4), содержащем тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), его выход соединен со входом АЦП (5), вход запуска которого соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), выход АЦП соединен с первым входом цифрового перемножителя (7), на второй вход которого с третьего выхода тактирующего устройства подается цифровой сигнал (-1 или 1), согласно изобретению дополнительно содержит устройство селекции по времени (6), вход которого соединен с выходом перемножителя, управляющий вход с четвертым выходом тактирующего устройства (1), а выход соединен со входом цифрового накопителя (8), к выходу которого подключено управляющее микропроцессорное устройство (9), к которому также подключен измеритель температуры (10) датчика Холла (3), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока так, что одну половину периода оптимальный рабочий ток датчика Холла имеет одно направление, а вторую половину - противоположное, а частота прямоугольной волны выбирается так, чтобы ее период значительно превышал длительность переходного процесса переключения направления тока, частота выборок АЦП выбирается так, чтобы интервал между выборками был меньше длительности переходного процесса.
Источник возбуждающего тока (2) (Фиг. 5) содержит источник постоянного стабильного тока (11), выходы которого соединены с одной из диагоналей моста, образованного быстродействующими ключами (12, 13, 14, 15), вторая диагональ моста соединяется с токовыми клеммами датчика Холла, а управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест (12 и 14) и (13 и 15) соединены параллельно и соединены, соответственно, со входом инвертора (16), на который подается управляющий логический сигнал и выходом инвертора.
Работает измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (Фиг.3) следующим образом.
Тактирующее устройство (1) вырабатывает цифровой тактовый сигнал (меандр) на заданной частоте (как правило, 102 ÷ 103 Гц), управляющий источником знакопеременного питающего тока (2), выполненного в виде быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного (постоянного) тока, управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.
В результате, питающий датчик Холла ток постоянно сохраняет свою номинальную величину, но дважды за период меняет направление на обратное. Использование знакопеременной волны тока имеет преимущество перед волной с отключением тока на полпериода, поскольку удваивает эффективное время наблюдения сигнала, что увеличивает отношение сигнал/шум.
Выходное напряжение датчика Холла (3), подаваемое на входы дифференциального усилителя (4) предназначенного для отделения полезного дифференциального сигнала от синфазного и предварительного его усиления имеет форму прямоугольной волны с чередующейся каждые полпериода полярностью, а амплитуда является функцией индукции магнитного поля, в которое помещен датчик.
Выходное напряжение усилителя оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (5), причем частота оцифровки, определяемая управляющим сигналом с тактирующего устройства (1), значительно (в 100 и более раз) превышает частоту переключения тока, питающего датчик. Таким образом, на одном периоде питающего тока укладываются сотни (и более) выборок АЦП.
Поток цифровых данных с выхода АЦП поступает на устройство селекции по времени (6), которое по сигналам управления от тактирующего устройства (1) исключает из потока выборки, полученные в интервалы времени, когда направление питающего тока переключается и его значение не совпадает с номинальным, а также, непосредственно после переключения, когда конвейер АЦП (при наличии конвейера) еще не обновился полностью. В результате, на выходе устройства селекции по времени (6) имеются только данные, полученные при токе, равном номинальному (но разного знака).
Далее, под управлением сигналов с тактирующего устройства (1) умножитель на ±1 (7) изменяет знак выборок, взятых при одной из полярностей тока (например, отрицательной). Иными словами, это устройство производит цифровое умножение потока данных на +1 или на -1, в зависимости от того, на какой фазе питающего тока была получена данная выборка. В данном случае, такое умножение вырождается в отсутствие каких-либо действий с данными при положительной полярности тока и смене знака данных, при отрицательной.
Полученный таким образом поток данных поступает на накопитель (8), аккумулирующий данные в течение заданного времени, определяющего время измерения. Огромная кратность накопления (порядка 105 и более для времени измерения 1 секунда) эффективно устраняет случайную погрешность измерения, связанную с шумами в измерительном устройстве и работает как фильтр НЧ с частотной характеристикой типа определяя полосу пропускания приемного канала. На выходе накопителя оказываются полностью подавлены вклады в сигнал, не меняющие знак при изменении направления тока.
Поскольку операции временной селекции и умножения на ±1 коммутативны, возможен вариант, когда выборки АЦП вначале подвергаются цифровому умножению, а затем селекции по времени (Фиг. 4).
Последним этапом цифровой обработки данных является этап устранения систематических погрешностей измерений, связанных, в первую очередь, с отклонением поведения датчика Холла от идеального. Основными источниками погрешностей такого рода являются неэквипотенциальность выходов датчика и ее температурная зависимость, температурная зависимость магнитной чувствительности датчика и его нелинейность. Для значительного подавления таких систематических погрешностей искомое значение измеряемой величины (индукции магнитного поля) вычисляется как полином достаточно высокого порядка (в ряде случаев достаточно второго), аргументами которого являются результат накопления данных накопителем (8) и значение температуры датчика Холла в момент проведения измерений для ряда значений индукции магнитного поля в диапазоне измерения и ряда температур в рабочем диапазоне измерителя, а коэффициенты индивидуальны для каждого экземпляра устройства и должны быть найдены в процессе калибровки. Информация о температуре поступает с измерителя температуры датчика Холла (10), конструктивно размещенным в тепловом контакте с датчиком Холла, а вычисления полинома производятся микропроцессорным вычислительным устройством (9). Значения полинома для каждой точки калибровки (индукция, температура) определяются при помощи эталонного измерителя индукции магнитного поля, например ЯМР магнетометра. Калибровка производится однократно в процессе производства измерителя.
Знакопеременный ток для питания датчика Холла может быть получен с помощью быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, а вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного (постоянного) тока. Управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.
Таким образом, предложено техническое решение для построения измерителя индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, характеризующееся высокой точностью измерений, связанной с использованием селекции полезных сигналов во временном пространстве с последующим накоплением результатов и подавлением систематических погрешностей путем использования калибровочных данных, а также простотой, дешевизной и малым энергопотреблением, что определяется простотой аппаратной реализации устройства, в частности, цифрового канала обработки данных.
Claims (4)
1. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, содержащий тактирующее устройство, источник возбуждающего тока, датчик Холла, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой перемножитель и микропроцессорное вычислительное устройство, при этом выходные клеммы источника возбуждающего тока соединены с токовыми контактами датчика Холла, вход управления источника возбуждающего тока соединен с первым выходом тактирующего устройства, потенциальные контакты датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя, а его выход - со входом АЦП, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен со входом устройства селекции по времени, его управляющий вход соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным.
2. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла по п.1, отличающийся тем, что источник возбуждающего тока выполнен в виде быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного, постоянного тока, управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно, соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.
3. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, содержащий тактирующее устройство, источник возбуждающего тока, датчик Холла, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой перемножитель и микропроцессорное вычислительное устройство, при этом выходные клеммы источника возбуждающего тока соединены с токовыми контактами датчика Холла, вход управления источника возбуждающего тока соединен с первым выходом тактирующего устройства, потенциальные контакты датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя, а его выход - со входом АЦП, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - со входом устройства селекции по времени, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным.
4. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла по п.3, отличающийся тем, что источник возбуждающего тока выполнен в виде быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного, постоянного тока, управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно, соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2782984C1 true RU2782984C1 (ru) | 2022-11-08 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799103C1 (ru) * | 2023-02-06 | 2023-07-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт "Международный томографический центр" Сибирского отделения Российской академии наук (МТЦ СО РАН) | Контроллер магнитного поля |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1390584A1 (ru) * | 1986-07-07 | 1988-04-23 | Предприятие П/Я В-8117 | Цифровой измеритель магнитной индукции |
SU1704114A1 (ru) * | 1989-01-06 | 1992-01-07 | Научно-исследовательский институт "Квант" | Цифровой измеритель посто нной магнитной индукции |
CN103576103A (zh) * | 2012-04-13 | 2014-02-12 | 陈廷 | 基于霍尔效应的磁感应强度测量装置 |
CN204142940U (zh) * | 2014-10-22 | 2015-02-04 | 黄通领 | 一种脉冲磁场高斯计 |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1390584A1 (ru) * | 1986-07-07 | 1988-04-23 | Предприятие П/Я В-8117 | Цифровой измеритель магнитной индукции |
SU1704114A1 (ru) * | 1989-01-06 | 1992-01-07 | Научно-исследовательский институт "Квант" | Цифровой измеритель посто нной магнитной индукции |
CN103576103A (zh) * | 2012-04-13 | 2014-02-12 | 陈廷 | 基于霍尔效应的磁感应强度测量装置 |
CN204142940U (zh) * | 2014-10-22 | 2015-02-04 | 黄通领 | 一种脉冲磁场高斯计 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799103C1 (ru) * | 2023-02-06 | 2023-07-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт "Международный томографический центр" Сибирского отделения Российской академии наук (МТЦ СО РАН) | Контроллер магнитного поля |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Clarke et al. | Principles and theory of wattmeters operating on the basis of regularly spaced sample pairs | |
JP5235015B2 (ja) | オフセットを受けるセンサ信号を処理するための方法及びその方法を実行するために設計されるセンサ装置 | |
US9871442B2 (en) | Zero-offset voltage feedback for AC power supplies | |
TW201034394A (en) | Multi-level feed-back digital-to-analog converter using a chopper voltage reference for a switched capacitor sigma-delta analog-to-digital converter | |
EP0106029B1 (en) | Method and apparatus for measuring the amplitude of a noise-affected periodic signal without phase reference | |
EP0104999B1 (en) | Gain switching device with reduced error for watt meter | |
RU2782984C1 (ru) | Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (варианты) | |
US5256979A (en) | Method and apparatus for measuring an unknown voltage, and power meter employing the same | |
Jeanneret et al. | Josephson-voltage-standard-locked sine wave synthesizer: Margin evaluation and stability | |
KR101702842B1 (ko) | 아날로그/디지털 변환 동안 오프셋, 오프셋 드리프트, 및 1/f 잡음을 억제시키기 위한 회로 어레인지먼트, 아날로그/디지털 컨버터, 그래디언트 증폭기, 및 방법 | |
JP2010008340A (ja) | コイル用電流センサ回路 | |
JP2838102B2 (ja) | 磁気共鳴画像装置用rf発生器 | |
US6304202B1 (en) | Delay correction system and method for a voltage channel in a sampled data measurement system | |
JP2003057271A (ja) | ホール素子を用いた電力量計 | |
Schuster | Thermal instrument for measurement of voltage, current, power, and energy at power frequencies | |
US20120306583A1 (en) | Apparatus and method for oscillator resonator power control | |
JPH0261689B2 (ru) | ||
Qu et al. | Low frequency noise elimination technique for 24-bit Σ-Δ data acquisition systems | |
RU2235336C1 (ru) | Измеритель мощности свч | |
JPH06207955A (ja) | π/2移相回路並びにこれを用いた無効電力量計および複合計器 | |
Mastner et al. | Electronic instrumentation for heterodyne holographic interferometry | |
RU2686519C1 (ru) | Цифровой феррозондовый магнитометр | |
Chu et al. | Simple, inexpensive double ac Hall measurement system for routine semiconductor characterization | |
CN111736016B (zh) | 一种交流传输特性检测电路 | |
Gerritsma et al. | An on-line digital phase sensitive detector in the range 2 mHz-2 kHz |