Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate

Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
KATEDRA MĚŘENÍ
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Autor:
Michal Janošek
Vedoucí práce:
prof. Ing. Pavel Ripka, CSc.
Praha, květen 2007
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Poděkování
Tímto bych chtěl poděkovat všem, kteří realizaci této diplomové práce napomohli, ať už
radou, nebo přímo skutkem. Především všem členům skupiny magnetických měření, a
především Ing. Janu Kubíkovi, Ph.D. za přivedení k tématu diplomové práce a vedoucímu
prof. Ing. Pavlu Ripkovi, CSc. za dozor a odbornou diskuzi nad její realizací. V neposlední řadě
patří poděkování mým rodičům, kteří mě v celém úsilí, nehledě na výsledky, podporovali.
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Anotace
Cílem této diplomové práce byla konstrukce 3–osého magnetometru s miniaturními
senzory fluxgate, s analogovým výstupem a napájením z baterií. Práce shrnuje současné
koncepce magnetometrů a principy jejich funkce. Dále detailně popisuje vývoj nového
miniaturního fluxgate senzoru, který byl v magnetometru použit. Je popsán princip činnosti
magnetometru, včetně elektroniky pro buzení fluxgate senzoru a zpracování jeho výstupního
signálu. Uvedeno je programové vybavení magnetometru a konfigurace měřících systémů pro
jeho charakterizaci. Magnetometr i senzor jsou charakterizovány z hlediska citlivosti, teplotní
stability, linearity a šumových hodnot, dosažené parametry jsou diskutovány v kontextu
předchozích výsledků.
Summary
The goal of this diploma thesis was to develop and construct a 3-axis fluxgate
magnetometer using miniature sensors. Principles of magnetic field measurements and actual
concepts of magnetometers are discussed. Further, the construction of new miniature fluxgate
sensor is described, which allowed to decrease of power consumption of magnetometer. The
principle of operation is described, as well as the excitation and signal extraction electronics. The
software and also the measurement system is described. The parameters of the magnetometer
and sensor are evaluated, and further discussed in the context of recently achieved results.
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci „Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate“
vypracoval samostatně a použil k tomu úplný výčet citací použitých pramenů, které uvádím v
seznamu přiloženém k diplomové práci.
Nemám námitky proti půjčování, zveřejnění a dalšímu využití práce, pokud s tím bude souhlasit
Katedra měření.
V Praze dne 25. května 2007
.....................................................
podpis
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
OBSAH:
1.
ÚVOD..........................................................................................................................................................3
2.
TEORETICKÝ ZÁKLAD ..........................................................................................................................4
3.
2.1.
VÝVOJ POZNATKŮ O MAGNETISMU .........................................................................................................4
2.2.
FYZIKÁLNÍ NÁHLED MAGNETISMU ..........................................................................................................4
2.3.
DYNAMICKÝ ROZSAH MAGNETICKÝCH POLÍ ............................................................................................7
2.4.
MAGNETICKÉ POLE ZEMĚ ......................................................................................................................8
2.4.1.
Původ magnetického pole Země ....................................................................................................8
2.4.2.
Magnetosféra, změny magnetického pole Země .............................................................................9
2.4.3.
Rozložení geomagnetického pole.................................................................................................10
2.5.
PRINCIPY MĚŘENÍ MAGNETICKÉHO POLE ...............................................................................................11
2.6.
SENZORY PRO MĚŘENÍ MAGNETICKÉHO POLE ........................................................................................12
2.6.1.
Hallovy senzory..........................................................................................................................12
2.6.2.
Anizotropní magnetorezistory AMR.............................................................................................13
2.6.3.
Indukční senzory.........................................................................................................................14
2.6.4.
Senzory na rezonančních principech ...........................................................................................18
KONCEPCE FLUXGATE MAGNETOMETRŮ.....................................................................................19
3.1.
4.
TYPY A KONFIGURACE SENZORŮ ..........................................................................................................19
3.1.1.
Vacquierovo uspořádání.............................................................................................................19
3.1.2.
Toroidní senzory.........................................................................................................................19
3.1.3.
Senzory s jádrem race-track........................................................................................................20
3.2.
DRUHY A ZPŮSOBY BUZENÍ ..................................................................................................................21
3.3.
ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU SENZORU ..........................................................................................................22
3.3.1.
Matematický popis výstupního napětí fluxgate senzoru ................................................................22
3.3.2.
Zpracování ve frekvenční oblasti.................................................................................................23
3.3.3.
Zpracování v časové oblasti........................................................................................................24
3.4.
ČINNOST V UZAVŘENÉ ZPĚTNÉ VAZBĚ ..................................................................................................24
3.5.
METODY KOMPENZACE MĚŘENÉHO POLE ..............................................................................................26
3.6.
VYBRANÉ TOVÁRNÍ VÝROBKY A JEJICH PARAMETRY .............................................................................27
KONSTRUKCE MAGNETOMETRU .....................................................................................................28
4.1.
ZÁKLADNÍ KONCEPCE ..........................................................................................................................28
4.2.
PCB FLUXGATE SENZORY ....................................................................................................................29
4.2.1.
Senzory IIA, IIB..........................................................................................................................29
4.2.2.
Vývoj senzoru IIIA ......................................................................................................................30
4.3.
NÁVRH DRŽÁKU SENZORŮ ...................................................................................................................33
4.4.
REALIZACE BUDÍCÍHO OBVODU ............................................................................................................36
4.4.1.
Řídící část ..................................................................................................................................37
-1-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
4.4.2.
4.5.
5.
M.Janošek
Výkonová část ............................................................................................................................39
REALIZACE DETEKČNÍ ČÁSTI ................................................................................................................40
4.5.1.
Vstupní část................................................................................................................................41
4.5.2.
Spínané integrátory ....................................................................................................................41
4.5.3.
Řídící část ..................................................................................................................................44
4.6.
SOFTWAROVÁ REALIZACE ....................................................................................................................45
4.7.
MECHANICKÉ PROVEDENÍ MAGNETOMETRU..........................................................................................47
MĚŘENÍ PARAMETRŮ MAGNETOMETRU.......................................................................................49
5.1.
DEFINICE A METROLOGIE .....................................................................................................................49
5.1.1.
Citlivost, linearita.......................................................................................................................49
5.1.2.
Šum............................................................................................................................................50
5.1.3.
Stabilita offsetu...........................................................................................................................51
5.1.4.
Teplotní stabilita ........................................................................................................................51
5.1.5.
Měřící systém pro stanovení citlivosti,offsetu a linearity ..............................................................53
5.2.
CITLIVOST, LINEARITA MAGNETOMETRU ..............................................................................................55
5.2.1.
Závislost citlivosti, offsetu a linearity na budícím proudu ............................................................55
5.2.2.
Citlivost a linearita magnetometru..............................................................................................59
5.3.
ŠUMOVÉ CHARAKTERISTKY .................................................................................................................61
5.3.1.
Vyhodnocení vlivu regulace amplitudy budícího proudu..............................................................61
5.3.2.
Šum magnetometru .....................................................................................................................61
5.3.3.
Stabilita offsetu...........................................................................................................................63
5.4.
TEPLOTNÍ STABILITA ...........................................................................................................................65
5.4.1.
Vliv elektroniky magnetometru....................................................................................................65
5.4.2.
Vliv senzoru................................................................................................................................68
5.5.
DISKUZE VÝSLEDKŮ ............................................................................................................................70
5.6.
DOSAŽENÉ PARAMETRY MAGNETOMETRU ............................................................................................71
6.
ZÁVĚR......................................................................................................................................................72
7.
POUŽITÁ LITERATURA........................................................................................................................73
8.
PUBLIKAČNÍ ČINNOST.........................................................................................................................74
9.
SEZNAM PŘÍLOH:..................................................................................................................................75
-2-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
1. Úvod
Magnetismus jako jev byl již ve starověkém Řecku a Číně využíván při jeho nejstarší
aplikaci – v navigaci využitím kompasu. Magnetická měření se však započala plně rozvíjet až
v 19. století, díky objevení fyzikálních zákonů provazujících elektrické a magnetické pole.
V současné době jsou realizována magnetometry na různých principech, pokrývají celou škálu
aplikací v oborech lidské činnosti – od družicového mapování geomagnetického pole až po
aplikaci při vyhledávání magnetických cílů (např. nevybuchlé munice), detekci přiblížení apod.
Princip činnosti magnetometru a jeho dosažitelné vlastnosti přímo závisí od použitého
senzoru magnetického pole a požadovaného měřícího rozsahu. Nejvíce rozšířené jsou
v současné době senzory na principu Hallova jevu, ty jsou však málo lineární a především trpí
teplotní nestabilitou. S objevem magnetorezistivního jevu se stále rozšiřují aplikace
anizotropních magnetorezistorů AMR, jejich teplotní nestabilita je ale značná. Nejlepších
výsledků při měření v rozsahu geomagnetického pole (± 50 μT) dosahují senzory magnetoindukční, ačkoliv se řadí mezi nejstarší principy měření magnetického pole. Mezi ně patří např.
detekční cívky, a především od 30. let 20. století senzory fluxgate. Jejich výhodou je vysoká
linearita, nízký teplotní součinitel citlivosti i offsetu a snadné zapojení ve zpětné vazbě,
umožňující zlepšení parametrů magnetometru. Nevýhodou fluxgate senzorů je však nutnost
precizního mechanického provedení a zhoršování jejich parametrů při miniaturizaci, přinášející
také zvýšenou spotřebu elektrické energie. Pokud však požadujeme přesná, časově a teplotně
stabilní měření, realizovaná v běžném teplotním rozsahu, je nutné fluxgate sondy
v magnetometru
použít.
Detailní
přehled
principů
činnosti
magnetometrů
uveden
v kapitole 2.5, užívané konstrukce fluxgate magnetometrů shrnuje kapitola 3.
Cílem a náplní diplomové práce je konstrukce 3-osého přenosného magnetometru
s miniaturními fluxgate senzory, včetně vývoje senzoru nového typu, který umožní snížení
jeho spotřeby. Magnetometr je konstruován pro rozsah geomagnetického pole, důraz na jeho
požadované vlastnosti je kladen především co do teplotní stability a nízkého příkonu, kterého
se dosahuje pulsním buzením fluxgate senzorů. Součástí řešení je, za pomocí vytvořeného
programového vybavení, detailní charakterizování samotného senzoru a ověření základních
charakteristik magnetometru, tj. citlivosti, linearity, šumu a teplotní stability.
-3-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
2. Teoretický základ
2.1.
Vývoj poznatků o magnetismu
Existence magnetických pólů a jejich silová interakce byla popsána až ve 13. století, Gilbert
r. 1600 publikuje myšlenku Země jako permanentního magnetu, zavádí pojem severní a jižní
pól. Prvním fyzikálně popsaným projevem magnetického pole byla síla mezi póly
permanentních magnetů. Ucelená teorie magnetismu se započala rozvíjet až s prokázáním
existence magnetického pole vyvolaného proudem ve vodiči na poč. 19 století. Ampére
rozvinul Oerstedovo pozorování z r. 1821 a definoval silové působení mezi vodiči protékanými
elektrickým proudem, zároveň zavádí vektor magnetické indukce jako tangentu k vektoru
magnetických siločar. Farraday r. 1831 objevuje princip elektromagnetické indukce. Gauss s
Weberem publikují teorii zemského magnetického pole, zavádí pojem magnetického toku.
Biort-Savartův zákon zavedl transformací analogii k Coulombovu zákonu v elektrostatickém
poli, plně konzistentní s Ampérovým zákonem. Lorentzova definice silového působení
magnetického pole na pohybující se nabitou částici byla později experimentálně potvrzena
Thomsonem při výzkumu katodové emise.
Gaussův zákon aplikovaný na magnetické pole definoval magnetické pole jako pole
nezřídlového, vírového charakteru, kde magnetické siločáry jsou uzavřenými křivkami.
Respektovala se tak experimentálně prokázaná neexistence magnetických monopólů. Až s
rozvojem orbitálních elektronových modelů atomu a kvantové mechaniky bylo lze provázat
existenci insitrického magnetického pole s elektrickým proudem i na atomární úrovni.
2.2.
Fyzikální náhled magnetismu
Maxwell r. 1861 shrnul a publikoval ucelenou teorii elektromagnetického pole pomocí osmi
rovnic. Upravil Ampérův zákon a definoval vztah mezi intenzitou magnetického pole H [A.m] a indukcí B [T] přes permeabilitu μ [Wb.m-1].
1 1
1
Dále budou užívány jen jednotky mezinárodní soustavy SI. Přepočty na soustavu CGS jsou definovány
např.v [1.1], str. 8-9
-4-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
4 rovnice, zobecněné a upravené Heavisidem a Gibbsem r. 1884, tvoří základ klasického
náhledu.
Gaussův zákon
r
r
∫∫ D ⋅ dS = ∫∫∫ ρdV
(1)
r r
B
∫∫ ⋅ dS = 0
(2)
S
Gaussův zákon pro magnetické pole
V
S
Farradayův zákon elektromag. indukce
r
r r
∂B r
∫CE ⋅ dl = − ∫∫S ∂t ⋅ dS
(3)
Ampérův zákon (superpozice)
r r
r r d
r r
H
⋅
d
l
=
J
⋅
d
S
+
D
⋅ dS
∫C
∫∫S
dt ∫∫S
(4)
kde D je vektor hustoty elektrického toku, dS elementu plochy, dl elementu délky a J vektor
proudové hustoty.
Magnetický tok Φ [V.s, Wb] definujeme jako plošný integrál magnetické indukce, tedy
magnetická indukce je plošnou hustotou magnetického toku.
r v
Φ = ∫∫ B ⋅ dS
(5)
S
Lorenzova síla působící na pohybující se nabitou částici je definována jako
r
r r
F = Q⋅ v × B
(
)
(6)
Ampérův zákon definuje integrál intenzity magnetického pole na uzavřené křivce,
obepínající proudovodič . Pro magnetostatické pole a bod na kružnici ve vzdálenosti r od
vodiče (kruhová symetrie) platí :
2πr ⋅ H = I → H =
I
2πr
(7)
Biot-Savartův zákon definuje magnetické pole v bodě, generované proudovodičem ve
vzdálenosti r:
r r
r μ 0 I ⋅ dl × rr
dB =
4π
r2
-5-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
(8)
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
pro konstantní, rovnoměrně rozložený proud platí:
r r
μ0
dl × r
B=
I
4π ∫ r 2
(9)
Superpozicí lze z Biort-Savartova zákona, resp. Ampérova zákona vyjádřit pro
magnetické pole v ose solenoidu (cylindrická cívka s l>>d) s N závity
H=
NI
l
( 10 )
V lineárních isotropních materiálech (permeabilita i susceptibilita je obecně tenzor 2.
řádu) dále definujeme magnetizaci M [A.m-1], polarizaci J [T], relativní permeabilitu μr a
susceptibilitu χ pomocí
r
r r
B = μ0 H + J
J = μ0 M
r
r r
B = μ 0 (H + M )
r
r
r
B = μ 0 μ r H = (1 + χ )μ 0 H
kde μ 0 = 4π ⋅ 10 −7 Wb.m-1 je permeabilita vakua.
Polarizace určuje objemovou hustotu magnetických dipólů a je tradičním náhledem na
interakci hmoty na aplikované pole, zatímco magnetizace určuje objemovou hustotu
magnetických momentů a vychází z atomové fyziky - orbitálních a spinových momentů atomu.
-6-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
2.3.
M.Janošek
Dynamický rozsah magnetických polí
Velikosti známých magnetických polí pokrývají přes 20 řádů - od biomagnetických polí a
polí na sub-atomární úrovni (orbitální a spinový moment elektronu) až po magnetická pole
generovaná vesmírnými tělesy.
Biomagnetická pole se pohybují v řádu fT (10-15), velikost zemského pole je cca 50 μT, pole
na povrchu permanentních magnetů od 0,1 do 2,5 T. Tomografie s využitím nukleární
magnetické rezonance pracuje se supravodivými magnety a indukcí až 10 T. Vyšší hodnoty
jsou již realizovatelné jen jako pulsní pole (až 100 T). Intenzita na povrchu vesmírných těles slunce, pulsary, dosahuje řádově od jednotek kT až k desítkám MT.
Obr. 1 ilustruje rozsah jednotlivých magnetických polí dle [1.1], velikosti polí jsou pro
názornost vyneseny v logaritmickém měřítku.
Dynamický rozsah magnetických polí
-Bílý trpaslík
Pulsní pole - lab.
Nukleární fúze
NMR
Laboratorní magnety
Permanentní magnety
Výkonové stroje
Zemské pole
Pozadí elektrický spotřebičů
Vesmírné pozadí
Biomagnetická pole
10fT
1pT
100pT
10nT
1µT
100µT 10mT
1T
100T
10kT
Obr. 1 – Dynamický rozsah magnetických polí, velikosti vyneseny v log. měřítku
-7-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
2.4.
M.Janošek
Magnetické pole Země
2.4.1. Původ magnetického pole Země
Ačkoliv se výzkumu geomagnetického pole věnuje především geofyzika již od poloviny 19.
století, původ magnetického pole Země není dosud dostatečně vysvětlen.
Země se chová v makroskopickém pohledu jako permanentní magnet se severním a jižním
pólem, odlišným od geografického (odchylka magnetické osy činí dnes cca 11°). Pozice obou
pólů se během doby mění, v současné době se oba
póly pohybují o cca 10-30km za rok (např.
Amundsenova expedice nalezla jižní magnetický
pól o 50 km dále, než Rossova výprava o 70 let
dříve). Dalším jevem je reverzace pólů, ke které
dochází v intervalech průměrně 500.000 let,
reverzaci předchází slábnutí magnetického pole
(současný stav).
Původní teorii Země jako permanentního
magnetu se Severním a Jižním pólem nahradila
Obr. 2 -Geodynamo a pohyb magnetického
teorie
pólu. (the [email protected])
geodynama,
kde
tekutá
část
jádra,
pravděpodobně složená z roztavených kovů
(Fe, Ni) vytváří rotací (vlivem termodynamických jevů a Coriolissovy síly) magnetické pole.
Problém je však komplexnější - rotací se vytváří elektrické proudy (generující při toku skrze
jádro magnetické pole) jen díky již existujícímu magnetickému poli. Magnetické pole je tedy
zároveň potřebné ke generování tohoto proudu - [1.2]. V současné době je předmětem
intenzivního výzkumu jednak vlastní princip a fyzikální realizovatelnost teorie geodynama,
zároveň i mechanismus reverzace magnetických pólů, který by byl konzistentní s touto teorií.2
2
Experimentální ověření modelu geodynama ve Forschungszentrum Karlsruhe v r. 2000; počítačová
simulace modelu geodynama publikovaná v [1.3]
-8-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
2.4.2. Magnetosféra, změny magnetického pole Země
Další oblastí, kterou se magnetické pole Země liší od jednoduchého modelu
permanentního magnetu, je existence magnetosféry, objevená na konci 50. let díky rozvoji
satelitních pozorování. Prostřednictvím
magnetosféry
interaguje
magnetické
pole Země s emitovanými nabitými
částicemi ze Slunce („solární vítr“) a s
interplanetárním magnetickým polem.
Magnetosféra
je
sestavou
několika
radiačních pásů, ve kterých jsou díky
zemskému
zadržovány
magnetickému
nabité
částice.
poli
Vnitřní
protonový pás je připisován vlivu
Obr. 3 – Magnetosféra. Adaptováno z [1.32]
vesmírného záření, ve vnějším pásu
díky existenci elektronů a iontů ze slunečního větru vzniká prstencový proud. Disturbance
magnetického pole Země vzniká rapidními změnami v toku slunečního větru, je tedy přímo
závislá od dění na slunci - i slunečních erupcí, které pozorujeme formou slunečních skvrn.
Solární vítr ve své stacionární podobě způsobuje deformování magnetických siločar na obou
stranách polokoule - na bližší straně silokřivky zaobluje, na vzdálenější straně vytváří dlouhý
cylindrický „magnetický chvost“. V této části magnetosféry vzniká díky plazmové vrstvě - která
je vtěsnána mezi dva svazky siločar a směřuje tak k severnímu a jižnímu pólu - během
disturbance polární záře .3 Změny geomagnetického pole se sledují v geomagnetických
observatořích, jejichž vybavením je obvykle kromě vektorového fluxgate magnetometru
referenční protonový magnetometr, nároky na stabilitu a přesnost měření jsou vysoké. Stanice
jsou sdruženy např. v síti INTERMAGNET, Českou Republiku reprezentuje geomagnetická
observatoř Budkov. Magnetogramy slouží k predikci změn v šíření radiových vln,
energetickým sítím aj. Disturbanci geomagnetického pole je nutno vzít v úvahu např. při
měření a především při skalární kalibraci vektorových magnetometrů.
3
Ta se však liší od mechanismu „standardní“ polární záře způsobené interakcí ionosféry a solárního
větru. Více v [1.4].
-9-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
2.4.3. Rozložení geomagnetického pole
Geomagnetického pole Země se dlouhodobě mapuje (již od 19. století), v současné
především magnetometry umístěnými na družicích (Oersted, Astrid-2, CHAMP). Jeho velikost
(„totální intenzita“) se pohybuje v rozsahu od 40 do 60μT, v České republice je to cca 48 μT.
Rozložení v aktuální dekádě je patrno z Obr. 4.
Pro údaj o směru a velikosti vektoru magnetického pole v místě je důležitá znalost
rozdělení do jednotlivých složek - X, Y, Z . To lze provést vektorovým měřením magnetického
pole (tj. vektorovými senzory), nebo i skalárními -
pokud známe absolutní velikost
magnetického pole a jeho místní inklinaci a deklinaci . Inklinací rozumíme úhel svíraný s
pomyslnou
deklinace
vodorovnou
je úhel
mezi
rovinou,
zeměpisnými
poledníky a magnetickými poledníky (tak
jak by byly tvořeny magnetickými póly).
Známe-li místní deklinaci, nebo máme-li
mapy s magnetickými poledníky, lze navíc
pro
účely
navigace
získat
správný
geografický azimut přičtením východní
Obr. 4 - rozložení geomagnetického pole –z [1.31]
(resp. odečtením západní) deklinace. Na
Obr. 5
a Obr. 6 je patrné rozložení
deklinace a inklinace v Mercatorově projekci.
Obr. 6 – Inklinace – z [1.31]
Obr. 5 – Deklinace – z [1.31]
- 10 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
2.5.
M.Janošek
Principy měření magnetického pole
Nejstarším principem měření magnetického pole (především zemského) bylo využití
přitažlivé resp. odpudivé síly opačných pólů magnetických dipólů (kompas). Kvantifikace
měřeného magnetického pole však byla prakticky možná až s rozvojem studia
elektromagnetismu jako fenoménu v 19. století. Měronosnými veličinami se pak stávají
především veličiny elektrické.
V zásadě lze senzory podle principů jejich funkce rozdělit na několik základních
skupin:
1. Principy magneto-galvanické využívající Lorenztovy síly - Hallův jev,
polovodičové magnetorezistory
2. Principy magneto-rezistivní využívající magnetorezistivního jevu ve
feromagnetických materiálech (AMR- Anizotropní magnetorezistory, GMR, TMR)
3. Principy indukční využívající Faradayova indukčního zákona (indukční cívky,
fluxgate)
4. Principy magneto-impedanční využívající změny impedance materiálu (GMI )
5. Principy kvantové využívající Josephsonova jevu (SQUID)
6. Principy rezonanční využívající precesního pohybu nukleárních částic
(Protonový,Cesiový, Overhauserův magnetometr)
7.
Principy ostatní (strunový, rezonátory SAW aj.)
Důležité z hlediska aplikovatelnosti principů v magnetometrech je rozdělení na
principy vektorově citlivé a skalární. Magneto-galvanické, -rezistivní a indukční senzory
mohou pracovat vektorově, magnetometry pracující na rezonančním principu jsou skalární.
Skalární magnetometry mohou být použity tam, kde nevadí a nebo je přímo žádoucí
znát pouze absolutní velikost měřeného magnetického pole (např. geomagnetické pole
vykazuje různou variaci v jednotlivých složkách, ale celková amplituda je časově stabilnější).
Protonové a Overhauserovy magnetometry tak slouží jako reference pro vektorová měření
např. Zemského magnetického pole (v geomagnetických observatořích, při družicovém
- 11 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
mapování geomagnetického pole), letecké vyhledávání podmořských objektů (ponorek),
geofyzikální letecké mapování, detekci nevybuchlé munice atd.
Skalární velikost magnetického pole určujeme jako geometrický průměr z (okamžité) velikosti
jednotlivých vektorových složek:
BT (t ) = Bx (t ) + B y (t ) + Bz (t )
2
2.6.
2
2
( 11 )
Senzory pro měření magnetického pole
V této kapitole je popsán princip činnosti nejdůležitějších používaných vektorových senzorů
magnetického pole - na bázi Hallova jevu, AMR a indukční (především fluxgate); ze skalárních
pak protonové precesní a Overhauserovy magnetometry.
2.6.1. Hallovy senzory
Využívají Hallova jevu (E.H. Hall r. 1879) - vznik příčného elektromotorického napětí UH
(řádově v desítkách mV) v polovodiči (Si, InSb, GaAS) vystaveném magnetickému poli B, které
je kolmé na protékaný proud I. Příčinou je Lorentzova síla působící na nosiče náboje q.
Základní vztah uvádí ( 12 ) a Obr. 7, kde d tloušťka vrstvy, B - aplikovaná indukce, q elementární náboj, n- počet nosičů.
UH =
3 B⋅I
RH
⋅B⋅I =
8⋅n⋅q d
d
( 12 )
Aplikací Hallových senzorů je např.
Obr. 7 - Vznik Hallova napětí (z [1.28])
bezkontaktní
měření
proudů
a
především
„smart“ senzory s dvoustavovým výstupem, kde
vyhodnocovací elektronika je integrována přímo na čipu. Hallovy senzory tvoří naprostou
většinu vyráběných magnetických senzorů. Měřitelným rozsahem je cca 100 nT - 200 mT s
typickou nelinearitou 1-2%. Nevýhodou je značný teplotní koeficient Hallova napětí a nestálost
offsetu (až 0,1%/K a 10 μT).
- 12 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
2.6.2. Anizotropní magnetorezistory AMR
Anizotropní magnetorezistivní jev nastává v tenkých filmech feromagnetických
materiálů přechodových prvků (Py=81%Fe,19%Ni) . Pracují na principu zvýšení, resp. snížení
elektrického odporu materiálu v závislosti na působícím vnějším magnetickém poli vlivem
stáčení magnetizačního vektoru (2-3% dle [1.1]), určujícího směr proudu ve vrstvě. Odpor
struktury je pak určen - anizotropní - rezistivitou v daném směru ( ρ || resp ρ ⊥ na Obr. 8).
Charakteristika (Obr. 9) je unipolární a nelineární především v okolí nuly. Linearizace lze
dosáhnout zavedením offsetu (nevýhodné z hlediska teplotního driftu), příp. můstkovými
zapojením; pro získání bipolární odezvy se používá struktura tzv. Barber-poles. Při vystavení
silným externím polím nastává nebezpečí překlopení směru interní magnetizace a tedy i
charakteristiky senzoru ( Obr. 10). Tomuto jevu se zabraňuje periodickým magnetováním
materiálu v obou směrech (=“flipping“),kromě toho se sníží i hystereze senzoru.
Obr. 8 - Rezistance struktury při změně vektoru
vnitřní magnetizace. Z [1.28]
Obr. 9 - charakteristika AMR senzoru. Hk je
kritická intenzita (vyvolá BS v materiálu). Z [1.28]
Teplotní koeficient magnetorezistorů je
nížší než u Hallových senzorů, odezva rychlá a
díky
pulsnímu
flippování
vykazují
dobrou
stabilitu offsetu. AMR senzory lze provozovat v
kompenzovaném režimu, pak lze dosáhnout
linearity až 0,04 % při měřeném rozsahu 1mT.
Rozlišovací schopnost AMR senzorů může být
lepší než 10nT [1.1] .Z těchto důvodů jsou senzory
Obr. 10 - reverzace charakteristiky z [1.28]
AMR v současné době přímým konkurentem
- 13 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
fluxgate senzorů při aplikaci např. v méně přesných elektronických kompasech, při detekci
přiblížení, bezkontaktním měření proudů aj. Jejich zásadní nevýhodou v přesnějších aplikacích
je teplotní závislost offsetu (typ. 10 nT/K) a vliv kolmých polí, tzv. crossfield effect.
2.6.3. Indukční senzory
Indukční senzory pracují na základě Farradayova indukčního zákona ( 3 ).
Pro
r r
∫ Edl
C
r r
= U i a Φ = ∫∫ B ⋅ dS lze vyjádřit:
S
Ui = −
dΦ
dt
( 13 )
.
Výstupem indukčních senzorů je tedy elektromotorické napětí, úměrné časové změně
magnetického toku.
r
r
Pokud rozepíšeme B = μ 0 μ r H , pak pro cívku s N
závity obepínající plochu S - jejíž
normála svírá s vektorem H úhel α - platí:
Ui = −
d (μ 0 ⋅ μ r ⋅ H ⋅ N ⋅ S ⋅ cos α )
dt
( 14 )
z čehož plynou zásadní mechanismy funkce indukčních senzorů (uvažujeme-li konstatní N, S):
•
proměnná intenzita pole H (indukční cívky)
•
proměnná permeabilita μ (fluxgate senzory)
•
proměnný úhel α svíraný normálou plochy dS s vektorem intenzity pole H (rotační
magnetometry)
Indukční cívky
Indukční cívky měří časově proměnná pole, tj. elektromotorické napětí je z ( 14 ) :
U i = N ⋅ S ⋅ cos α ⋅ μ 0 μ r ⋅
dH
dt
( 15 )
Mohou být realizovány jako vzduchové, nebo s jádrem s permeabilitou μr. Citlivost
vzduchových cívek je nižší, ale jsou stabilnější (nehrozí změna permeability) a mají minimální
vlastní šum (určen pouze tepelným Johnsonovým šumem vinutí).
Výstupní napětí pro magnetické pole periodicky proměnné s periodou T (frekvencí f) je pak :
- 14 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
t2
( 16 )
∫ U i (t )dt = N ⋅ S ⋅ ΔB
t1
a aritmetická střední hodnota za podmínky Bmax=Bmin
t2
U iAVG =
( 17 )
2
U i (t )dt = 4 f ⋅ NS ⋅ Bm
T t∫1
Limitujícím faktorem pro užití indukčních cívek z hlediska frekvenčního rozsahu je
jejich vlastní rezonanční frekvence - ta by měla být až o jeden řád vyšší, než frekvence
měřeného pole. Veškeré cívky však vždy vykazují vlastní - parazitní - kapacitu vinutí. Pro
zvýšení maximální pracovní frekvence se používá proudový režim, kdy je indukční cívka
„zkratována“ do nízké impedance převodníku I-V, v tomto režimu je efektivně potlačen vliv
kapacity vinutí. Navíc pro pracovní frekvenci vyšší než kritickou ω1 = Ls Rs je výstupní napětí
převodníku frekvenčně nezávislé.
Indukční cívky se používají od extrémně nízkých kmitočtů řádu mHz (geofyzika) až do
stovek kHz. Aplikace zahrnují od navigačních senzorů až po oblast elektromagnetické
kompatibility. Citlivosti se pohybují řádově v mV/nT, resp. mA/nT a typickým rozsahem
magnetometrů je 20 Hz - 10 kHz.
Rotující cívky
Realizují vztah ( 18 ), tedy proměnnou efektivní plochu cívky.
U i = − N ⋅ μ0μr ⋅ H ⋅
d (S ⋅ cos α )
dt
( 18 )
Jejich zásadní výhodou při využití v rotačních magnetometrech je frekvenční rozsah
zahrnující stenosměrná pole. Pro konstantní frekvenci otáčení je výstupní napětí
U i = − N ⋅ μ 0 μ r H ⋅ S ⋅ ω sin ωt
( 19 )
Při precizním mechanickém provedení lze u rotačních magnetometrů dosáhnout
rozlišitelnosti pod nT při rozsahu 50 nT - 20 mT. Nevýhodou jsou rozměry zařízení a
pořizovací náklady, metoda však dává rozlišitelnost až 10 pT při adekvátně zvoleném rozsahu
([1.1], str. 69), i přes tyto parametry se rotační cívky používají spíše výjimečně.
- 15 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Fluxgate senzory
Fluxgate senzory jsou v současné době nejcitlivějšími senzory pracujícími při pokojové
teplotě, pracují v rozsahu typicky 0,1 nT- 100 μT s rozlišitelností 100 pT [1.1] a dlouhodobou
stabilitou až 1 nT. Od 30. let 20. století se jejich aplikace neustále rozšiřují - od původního
vyhledávání ponorek a magnetických cílů přes aeriální mapování magnetického pole pro
kartografické, geologické a archeologické účely, nasazení v magnetometrech pracujících na
oběžné dráze (mapování geomagnetického pole), až po „běžná“ nasazení - v nedestruktivní
analýze, navigaci, při bezkontaktním měření proudů aj.
Realizují vztah ( 20 ) - kromě změny permeability je nutné uvažovat i indukční efekt
(např. při měření pro střídavých magnetických polí).
Ui = N ⋅ S ⋅ μ0μr ⋅
dH
dμ
+ N ⋅ S ⋅ μ0μr ⋅ H
dt
dt
( 20 )
Jejich základním principem je periodické
přesycování materiálu jádra pomocí budícího
proudu Iexc (Obr. 11) - permeabilita μ je tedy
proměnná v čase a stejnosměrný tok vytvářený
Obr. 11 - Základní konfigurace fluxgate senzoru
(z lit [1.1])
měřeným polem o indukci B0 je modulován. Při
nulovém vnějším poli a sinusovém průběhu
budícího proudu je tok také sinusový a obsahuje pouze liché harmonické složky. Při nenulovém
vnějším poli je porušena lichá symetrie a objevují se též složky sudé, které jsou pro fluxgate
senzory měronosné z hlediska indukovaného napětí.
Nevýhodou uspořádání na Obr. 11 je
přítomnost
výstupního
napětí
na
základní
harmonické budícího proudu vlivem indukčního
efektu - viz ( 20 ). Potlačení lze dosáhnout např.
použitím
Obr. 12 - Dvoujádrový fluxgate senzor [1.1]
antisériově
dvou
jader
zapojenými
s
budícími
a
snímací
vinutími
cívkou
obepínající obě jádra (Vacquier, 1941) - Obr. 12.
- 16 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Pro tento typ senzoru je na Obr. 13
znázorněno
grafické
odvození
výstupního signálu dle [1.17]. Část B
znázorňuje průběh budícího proudu,
intenzita
jím
vyvolaná
je
superponována s vlivem vnějšího pole
(+, -). Část C vykresluje průběh toku a
indukovaného napětí na obou jádrech.
V části D je znázorněn rozdíl mezi
oběma
indukovanými
frekvenci
rovné
budícího
proudu
napětími,
o
druhé harmonické
a
amplitudě
P
proporcionální vnějšímu poli.
Obr. 13 - grafické znázornění principu činnosti fluxgate
Matematický popis výstupního
napětí senzoru je uveden v kap. 3.3.1,
senzoru, z [1.17]
detailní přehled možných uspořádání
fluxgate senzorů v kap. 3.1
Současným trendem ve vývoji fluxgate senzorů je jejich miniaturizace, která přináší
následující problémy:
•
S rostoucí miniaturizací rostou nároky na výrobu snímacích (a budících vinutí)
•
Obtížná realizace materiálu jader mikrotechnologií - elektrolyticky nanášená přinášejí
větší hysterezi, šum, teplotní koeficient, při užití samostatného materiálu vyvstává
problematika jeho integrace do senzoru
•
Se zmenšováním senzoru klesá jeho citlivost
•
Zvyšují se nároky na příkon budící a případné zpětnovazební části
Jednotlivé problémy jsou v současné době částečně řešeny - např. v PCB senzorech
laminací prefabrikovaného jádra, litografickou technologií výroby vinutí, integrací elektroniky
přímo na čip a v neposlední řadě se příkon snižuje využitím pulsního buzení. Nároky na
výrobu budícího vinutí odpadají u tzv. ortogonálních senzorů, kde budící proud prochází
přímo jádrem senzoru ([1.1], str. 79).
- 17 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
2.6.4. Senzory na rezonančních principech
Magnetometry pracující na rezonančních principech využívají magnetického momentu,
vznikajícího při precesním pohybu nabitých částic v atomovém obalu (protony, elektrony).
Jsou ze svého principu skalární, jejich rozlišitelnost je dána především rozlišitelností
detekčního obvodu (čítač). Používají se při skalární referenci vektorových měření, v geologii,
při detekci feromagnetických objektů a v neposlední řadě v lékařství.
Protonový magnetometr
Využívá jevu nukleární magnetické rezonance (NMR) v atomech vodíku – např. ve
vodě nebo uhlovodících bohatých na vodu. Jednotlivé magnetické momenty jsou silným,
homogenním externím polem zarovnány. Po zániku polarizačního pole nastává reorientace
magnetických momentů do směru měřeného pole – spolu se spinem protonů vytváří tato síla
precesní pohyb (analogicky ke gyroskopu). Rotací nabitých částic vzniká střídavé
elektromagnetické pole, detekované snímací cívkou. Pro frekvenci indukovaného napětí f
platí:
2πf = g ⋅ B
kde g je gyromagnetická konstanta, g = 2,675 ⋅ 10 8
( 21 )
rad
pro H2O, a B je (totální) intenzita
s ⋅T
magnetického pole.
Rozlišitelnost magnetometrů na principu NMR je vysoká (až 100pT) s chybou offsetu
pod 1 nT. Nevýhodou jsou nároky na homogenitu vnějších polí a z principu zpracování signálů
v úrovni řádově μV citlivost na vnější rušení, časová konstanta magnetometru je velmi vysoká
(řádově v sekundách) a z principu není možné měřit malá pole.
Overhauserův magnetometr
Overhauserův magnetometr využívá radiofrekvenční signál (cca 60 MHz), vybuzující
spinovou rezonanci elektronů (ESR4) ve speciálních tekutinách. Ta vyvolává kontinuální
rezonanci protonovou. Výhodou Overhauserova principu je menší spotřeba (absence
polarizační cívky) než u protonových magnetometrů, rychlejší odezva (až 10 odměrů/s) a
především menší citlivost na gradientní pole. Rozlišitelnost může dosáhnout až 10 pT
s dlouhodobou stabilitu offsetu 50 pT / rok - [1.27].
4
Na principu ESR pracuje Cesiový opticky buzený magnetometr
- 18 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
3.
M.Janošek
Koncepce fluxgate magnetometrů
3.1.
Typy a konfigurace senzorů
Z hlediska uspořádání (a prezence) budící cívky lze fluxgate senzory rozdělit na paralelní a
ortogonální. Užívaný materiál jader prošel vývojem a s technologickým pokrokem při výrobě
amorfních materiálů se tyto staly preferovanými – např. VITROVAC 6025X. Nároky na
materiál jádra kladou za cíl maximální permeabilitu, minimální koercivitu, minimální saturační
indukci a nízký Barkhausenův šum - [1.1].
Z hlediska uspořádání a způsobu vytváření budícího pole lze senzory rozdělit na
paralelní a ortogonální. Pro paralelní je identický směr budícího a měřeného pole, ortogonální
senzory využívají budícího pole kolmého k citlivé ose senzoru. Ortogonální senzory nacházejí
uplatnění při miniaturizaci, kdy je nutné využít konstrukci plošných cívek [1.25].V převážné
většině se však využívají senzory v paralelní konfiguraci, nejužívanější typy jsou popsány níže.
3.1.1. Vacquierovo uspořádání
Nejjednoduššího typu uvedeného na Obr. 11, se prakticky neužívá. Vacquierovo
uspořádání dvou jader s antisériově zapojenými vinutími (Obr. 12) je však stále atraktivní
z hlediska jednoduché metody potlačení první harmonické ve výstupním signálu, velmi dobré
šumové vlastnosti senzoru s amorfním jádrem byly publikovány v. [1.21].
3.1.2. Toroidní senzory
Častým uspořádání je senzor s toroidním jádrem (ring-core). Budící vinutí je navinuto na
toroidním jádře, snímací vinutí obepíná celé jádro (Obr. 14). Výhodou je možnost eliminace
rušivých signálů při nulovém vnějším poli natočením jádra ve snímací cívce. Nevýhodou je
menší citlivost vlivem větší demagnetizačního činitele jádra a větší nelineární vliv kolmých polí
(cross-field efekt). Na Obr. 15
je konfigurace toroidního senzoru magnetometru družice
ASTRID-2 [1.19].
- 19 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
Obr. 14 – toroidní senzor [1.1]
M.Janošek
Obr. 15 – toroidní senzor magnetometru
ASTRID-2 [1.19]
3.1.3. Senzory s jádrem race-track
Senzory s oválným jádrem „race-track“ (Obr. 16) kombinují výhody toroidního senzoru a
Vacquierova uspořádání - nízký demagnetizační faktor zlepšuje citlivost senzoru a tvar jádra
zaručuje lepší potlačení vlivu kolmých polí. Senzory s jádrem race-track byly charakterizovány
např.v [1.9]. Jejich nevýhodou je obtížná kompenzace parazitních signálů při nulovém vnějším
poli, v [1.15] je navržen způsob vyvážení posunem snímací cívky po jádře s antisymetricky se
zužujícím profilem.
Race-track senzory byly zhotoveny na katedře měření ČVUT FEL v provedení
s vinutými cívkami a především jako miniaturní integrované senzory vyrobené metodou
plošných spojů. V kap. 4.2 je popsána jejich výroba včetně vývoje nového typu senzoru,
použitého v rámci diplomové práce.
Obr. 16 – senzor s jádrem „race-track“ [1.1]
- 20 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
3.2.
M.Janošek
Druhy a způsoby buzení
Tradičním
způsobem
buzení
fluxgate
senzorů
je
využití
sinusového
resp.
obdélníkového průběhu budícího proudu. Z hlediska detekční části (synchronní detekce) výsledných citlivostí a nelinearit - je tento způsob buzení preferovaným. Nevýhodou je,
především u miniaturních senzorů s malými cívkovými konstantami budícího vinutí,
značná výkonová spotřeba budícího obvodu. Tu lze snížit např. vyladěním budícího
obvodu do rezonance, kdy jsou pokrývány pouze ohmické ztráty. Nevýhodou je nestabilita
řešení, daná změnou obvodových parametrů (Tc použitého kondenzátoru, teplotní změny
indukčnosti vinutí). Obr. 17 ukazuje budící obvod magnetometrů pro družice Oersted a
Astrid. Budící signál je symetrický obdélník, je použit ladící kondenzátor s nízkým
teplotním součinitelem.
Pro snížení příkonu, především miniaturních senzorů, se používá nesymetrické pulsní
buzení. Typickou realizací je využití spínačů v plném můstku. Realizací pulsního buzení
bylo např. v [1.11] možno snížit teplotu mikrosenzoru z 80 na 40°C. Princip pulsního
buzení využívající H - můstku je detailně popsán v kap. 4.4.
Obr. 17 – Budící obvod realizovaný v [1.8] kombinuje výhody pulsního
buzení s vyladěním do rezonance
- 21 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
3.3.
M.Janošek
Zpracování signálu senzoru
Úkolem zpracování výstupního signálu fluxgate senzorů je získání měronosné veličiny
úměrné měřenému magnetickému poli. Tradičním veličinou je výstupní napětí senzoru, je
možné ovšem převodníkem I/V využít výstupního proudu senzoru (což je vhodné pro senzory
s nízkým počtem závitů snímacího vinutí).
3.3.1. Matematický popis výstupního napětí fluxgate senzoru
Matematická kvantifikace výstupního napětí senzoru je obtížná a přímo závisí na
použitém tvaru jádra senzoru a aplikaci superpozičních principů Biort-Savartova resp.
Ampérova zákona. Proudový výstup je z matematického hlediska snáze popsatelný jako funkce
budícího proudu,. v [1.20] byl popsán včetně
způsobu zpracování.
V lit. [1.8] byla analyzována situace pro
toroidní jádro. Z obr. 16 pro sumaci jednotlivých
elementárních příspěvků k celkovému toku platí:
Obr. 18 – konfigurace k výpočtu výstupního
napětí, z [1.8]
⎛
⎞
Φ = μ 0 ⋅ A ⋅ ∑ ⎜⎜ ∑ ht Mδ ⎟⎟
det ⎝ j
⎠
( 22 )
kde δ je délka elementu, ht je elementární tečná intenzita, A průřez jádra, ∑j sumace přes
všechny elementární dipóly jádra a ∑det sumace pro všechny závity detekční cívky.
Nielsenem r. 1992 byla amplituda magnetizace na druhé harmonické stanovena jako
M 2ω =
⎛ 2ωM S
2
H i χ ⋅ sin ⎜⎜
π
⎝ χ dH exc dt
⎞
⎟
⎟
⎠
( 23 )
kde Hi je intenzita pole v jádře senzoru, vyvolaná vnějším polem Ha , χ je susceptibilita jádra a
Hexc intezita budícího pole.
- 22 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Intenzita Hi je určena demagnetizačním faktorem D (tvaru) jádra, tj.
Hi =
Ha
1 + χD
( 24 )
Po dosazení do ( 22 ) a uvažováním Faradayova indukčního zákona pro výstupní napětí
fluxgate senzoru platí [1.8]:
U i 2ω =
⎛ 2ωM s
4
μ 0 χω Aδ sin ⎜⎜
π
⎝ χ dH exc dt
⎞
⎛
⎞
⎟ × ∑ ⎜ ∑ ht H i ⎟
⎟
⎟ det ⎜ j
⎝
⎠
⎠
( 25 )
Z rovnice ( 25 ) plynou následující závěry, konzistentní s pravidly v [1.1]:
•
s menším demagnetizačním faktorem jádra citlivost roste
•
citlivost roste s pracovní frekvencí
•
citlivost roste se susceptibilitou a průřezem jádra
•
citlivost samozřejmě roste s počtem závitů snímací cívky N
•
je nutné najít optimální vztah mezi průběhem budícího proudu, pracovní frekvencí
a vlastnostmi jádra (argument sinového členu).
Parametrického zesílení a zároveň filtrace výstupního napětí senzoru lze dosáhnout při
rezonanci snímacího vinutí na žádané frekvenci (druhé harmonické). Nevýhodou tohoto
postupu jsou ovšem značné nároky na stabilitu řešení (kapacitní člen).
Výstupní napětí, resp. proud senzoru obsahuje kromě základní harmonické budícího
proudu sudé harmonické kmitočty, jejichž zpracování je možné několika základními způsoby.
3.3.2. Zpracování ve frekvenční oblasti
Klasickým způsobem zpracování signálu je synchronní detekce na druhé harmonické
budícího kmitočtu. Synchronnímu detektoru se někdy předřazuje pásmová propust, potlačující
signál na budící frekvenci. Synchronní detekce je kromě spínačového detektoru realizovatelná
také směšovacím obvodem, případně po digitalizaci softwarově v signálních procesorech.
V komerčních aplikacích dominuje využití monolitických IO, např. AD630, v metrologických
aplikacích se využívají „lock-in“ zesilovače (např. SR844 fy Stanford Research system).
- 23 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
3.3.3. Zpracování v časové oblasti
Jednou z možností zpracování je využití špičkového detektoru, nevýhodou je značný šum.
Proto se používají různé konfigurace spínaných integrátorů.
Boxcar integrátory umožňující extrakci signálu ze směsi signál/šum. Výstupní střídavý
průběh pak může být v konstantních intervalech ovzorkován a hodnoty vzorků použity
k určení výsledné amplitudy –[1.22]. Efektivní časová konstanta boxcar integrátorů musí být
menší mnohem menší než doba trvání užitečného výstupního signálu.
Spínané integrátory (s velkou časovou konstantou) umožňují získání přímo stejnosměrné
hodnoty, odpovídající časovému integrálu výstupního signálu. Při použití pasivního
integrátoru je nutné dodržet oblast lineárního režimu, jeho výhodou je minimalizace přídavné
chyby, vnesené použitím aktivních komponent (šum, offset). Vhodným spínaním lze omezit
zpracovávanou oblast signálu pouze na užitečnou a snížit tak šum magnetometru. Příklad
integrátoru použitého v magnetometru satelitu Oersted je uveden na Obr. 19. V kap. 4.5 je
popsán pasivní spínaný integrátor, navrhnutý a použitý v rámci diplomové práce.
Obr. 19 – Spínaný integrátor s vyrovnáváním parazitního náboje,
použitý v magnetometru OERSTED, [1.8]
3.4.
Činnost v uzavřené zpětné vazbě
Typické blokové schéma magnetometru s uzavřenou zápornou zpětnou vazbou je na
Obr. 20. Měronosnou veličinou je proud, vyvolávající v kompenzačním vinutí tok působící
proti vnějšímu, měřenému poli. Tímto uspořádáním se dosáhne efektivního potlačení
- 24 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
nelinearity senzoru a zesilovacích členů, uzavřených ve zpětné vazbě – v případě ideálního
integrátoru by potlačení nelinearity bylo úměrné jeho stejnosměrnému zesílení.
Obr. 20 – Blokové schéma magnetometru s uzavřenou zpětnou vazbou – kompenzovaný
režim
Fluxgate senzor tedy pracuje jako nulový detektor –případný offset senzoru a jeho
stabilita přímo určuje limity rozlišitelnosti a linearity magnetometru. Chyby snímacího
zesilovače a výstupního filtru (mimo zpětnou vazbu) jsou již přímo přítomny ve výstupním
signálu magnetometru – nelinearita, šum, teplotní koeficient offsetu. Snímací rezistor RS
musí být vybrán s minimálním teplotním koeficientem a s hodnotou realizující kompromis
mezi nízkým výkonovým zatížením a maximálním hodnotou realizující největší poměr
signál-šum. V případě větších nároků na výstupní proud integrátoru je vhodné zařadit
převodník V/I, příp. diskrétní výkonový obvod na jeho výstup.
Kromě běžného schématu, kdy je digitalizována až měronosná veličina, existují různé
konfigurace magnetometru s digitálním zpracováním signálu a číslicovou zpětnou vazbou.
Schéma na Obr. 21 bylo realizováno v magnetometru satelitu ASTRID-2. Signál z fluxgate
senzoru je vzorkován, následně v DSP je realizována synchronní detekce a číslicová
integrace zpětnovazebního signálu, který je převeden zpět na analogový signál v D/A
převodníku. Nelinearity D/A převodníku byly pak určovaly dominantní chybu celého
magnetometru - [1.18].
Další možností je použití ΔΣ modulátoru - 1-bitový Č/A převodník ve zpětné
vazbě.zaručuje linearitu 1 LSB, v aplikaci v [1.26] však vlivem integrace elektroniky přímo
do magnetického obvodu neúměrně narostl šum.
- 25 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Obr. 21 – Digitální magnetometr sondy ASTRID-2, z [1.18]
3.5.
Metody kompenzace měřeného pole
Měřené pole lze kompenzovat přímo snímací cívkou (pokud je orientována ve směru
měřeného pole), nebo využitím samostatné kompenzační cívky. Z hlediska úspory materiálu a
eliminace dalšího prvku s teplotní roztažností se většinou používá – stejnosměrně oddělené –
snímací cívky (Obr. 20). Samostatná kompenzační cívka samozřejmě přináší výhodu
v možnosti vytvoření více homogenního pole a snížení potřebného kompenzačního proudu.
Při vektorovém měření s využitím ortogonálního tripletu senzorů vyvstává problematika
vzájemného ovlivňování kompenzačními poli senzorů. Citlivost senzorů na vliv – především
kolmých polí – určuje výslednou linearitu v jednotlivých osách magnetometru.
Řešením, publikovaným v [1.8], je vektorová kompenzace – triplet senzorů je umístěn
v sestavě tří soustředných sférických cívek (CSC – Compact Spherical Coil,
Obr. 23)
aproximovaných souosými závity na sférickém povrchu; tento princip umožňuje kompenzaci
složek měřeného vektoru nezávisle na poloze senzorů uvnitř .
- 26 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
Obr. 22 – individuální kompenzace senzorů
v jednotlivých osách tripletu -[1.19]
3.6.
M.Janošek
Obr. 23 – Compact Spherical Coil. (Primdahl, Jensen
1982) - [1.8]
Vybrané tovární výrobky a jejich parametry
V následující tabulce jsou shrnuty parametry několika vybraných továrních výrobků. Jako
referenční z hlediska dosažitelných parametrů jsou uvedeny též magnetometry, které byly
navrženy pro orbitální mapování magnetického pole v sondách Oersted (s analogovou zpětnou
vazbou) a Astrid-2 (s digitální zpětnou vazbou). Pro srovnání jsou uvedeny parametry
magnetometru s AMR senzory a digitálním výstup Honeywell HMR2300.
Výrobce
Označení
Rozsah
[nT]
Šum
[pT/ Hz ]
1000
Příkon
[W]
± 65 000
Nelinearita
[ppm FS]
100
Watson
Industries
Stefan Mayer
Instr.
Bartington
Instruments
Billingsley
Aerospace
DTU
FGM-301
FL3-100
± 100 000
-
12
0,9
MAG-03
± 70 000
15
10
0,5
TFM 100 G2
± 100 000
150
12
0,4
ATRID-2
± 61 185
30
<50
2
DTU
Oersted
± 65 536
4
6
1,1
Honeywell - AMR
HMR-2300
± 200 000
5000
3000
0,5
Tab. 1
- 27 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
0,2
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
4. Konstrukce magnetometru
4.1.
Základní koncepce
Koncepce magnetometru vyplývá z Obr. 24. Magnetometr je napájený z bloku
akumulátorů (4x 1,2V AA). Mikrokontrolér PIC 16F737 je napájen stále, s odběrem max 1 μA
v režimu sleep [1.30] . Po vlastním zapnutí magnetometru je napájecí napětí přivedeno do
budící části (kap. 4.4) a do elektroniky realizující referenční signály pro detekční obvod (kap.
4.5). Analogová, detekční část pracující v uzavřené zpětné vazbě, je napájena z DC/DC
měniče 5V/ ±12V, napětí je stabilizováno na ± 9,5V. To umožňuje získat 3 výstupní napětí
odpovídají jednotlivým složkám vektoru magnetické indukce s převodní konstantou cca 5V /
50 μT s dostatečnou rezervou (až do 8V, dále saturace). Multiplexer ovládaný uživatelem pak
umožňuje na informativním 4,5 místném integračním voltmetru s LCD displejem a rozsahem
± 20V zobrazit hodnotu jednotlivých vektorových složek s přesností 10 nT.
Obr. 24 - Blokové schéma magnetometru
- 28 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
4.2.
M.Janošek
PCB Fluxgate senzory
Senzory vyrobené s technologií výroby plošných spojů (PCB) mají potenciál ve výhodě
masové produkce, zjednodušeného technologického procesu (odpadá vinutí cívek) a v
opakovatelnosti parametrů. Při dodržení určitých podmínek (materiál s minimální teplotní
roztažností, vhodná tloušťka, vhodné uložení jádra v senzoru) lze dosáhnout i dobré časové
stability citlivosti a offsetu. Realizované senzory byly publikovány např. v [1.12], [1.13]a [1.14].
4.2.1. Senzory IIA, IIB
Na katedře měření ČVUT FEL byly realizovány PCB senzory II. generace s oválným
jádrem „race-track“ (typ IIA, IIB) -. Budící a snímací vinutí jsou realizovány měděnými spoji na
vrchní a spodní vrstvě senzoru, vzájemně jsou propojeny technologií galvanovaných prokovů
a vytváří tedy cívku s průřezem rovným výšce senzoru. Jádro ve tvaru oválu (race-track) je
vyleptáno z 25μm tlustého materiálu VITROVAC 6025X, a zalaminováno ve vyfrézovaném
lůžku ve středové vrstvě (Obr. 25). Byly vyrobeny dva typy senzorů - typ IIA s prokládaným
budícím a snímacím vinutím, a typ IIB s oddělenými vinutím - budící na koncích jádra a se
snímacím vinutím uprostřed (Obr. 26 ). Důvodem bylo dosažení co největšího počtu závitů
snímací cívky. Přehled jejich vlastností je v Tab. 2. .
Exc. coil
Pick-up coils
PCB
Prepreg
Plated holes
Core
Obr. 25 – z [1.23]
Obr. 26
V rámci semestrálního projektu a semestrální práce [1.5] pod vedením Ing. J. Kubíka, PhD. jsem
realizoval magnetometr s pulsním buzením a senzory IIA a
parametrů je v Tab. 2.
- 29 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
IIB. Přehled dosažených
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
IIA
M.Janošek
Senzor
N1 – Budící
46
Citlivost
Nelinearita
(V/T)
(ppm z
rozsahu)
N2 – Snímací 20
IIB
N1 – Budící
30
Nekompenzovaný
režim
Kompenzovaný
režim
N2 – Snímací 37
IIA
1 220
5 500
IIB
2 150
22 500
IIA
92 000
71
IIB
46 500
714
Tab. 2 - Parametry magnetometru se senzory II. generace
Z těchto měření, dále pak z [1.23] a aplikace senzorů a elektroniky v [1.24] je možné učinit
následující závěry:
1. Linearita senzoru a jeho offset závisí na rozložení budícího a snímacího vinutí. Z parametrů je
zřejmá preference senzoru IIA.
2. Nízký počet závitů snímacího/kompenzačního vinutí způsobuje zvýšenou spotřebu senzoru v
kompenzovaném režimu- preference senzoru IIB.
II. generace senzorů tedy přináší dobrou linearitu a citlivost za cenu zvýšené spotřeby v
kompenzovaném režimu (cca 40 mA/ 50 μT), i využití senzoru IIB přináší kromě horších
parametrů i stále vysoké nároky na kompenzační proud (cca 20 mA / 50 μT). To přináší
požadavek na integrátor magnetometru, který a) musí být schopen dodat daný proud b) musí
být doplněn externím proudovým zesilovačem. Varianta b) však přináší další člen s offsetem a
vlastním šumem, realizace diskrétními součástkami vnáší chybu linearity v oblasti nízkých
měřených polí ([1.23]).
Požadavky dobré linearity a zároveň nízké spotřeby vedou na konstrukci nového senzoru
IIIA, který byl v rámci diplomové práce realizován.
4.2.2. Vývoj senzoru IIIA
Snížení spotřeby senzoru v kompenzovaném režimu lze zvýšením konstanty
kompenzačního vinutí KC, definované jako
KC =
HM
IC
⎡ A ⋅ m −1
⎤
−1
⎢ mA , A ⋅ m , mA⎥ ,
⎣
⎦
- 30 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
kde HM je kompenzované vnější pole a IC je proud nutný k jeho kompenzaci, pro senzor IIA
byla určena jako 0,86 A.m-1 / mA. Uvažováním vztahu pro solenoid ( 10 ) je možné tuto
konstantu zvýšit počtem závitů vinutí N.5
Jednou z možností je v případě senzoru IIA snížení šířky spojů a větší zhuštění
prokládaných kompenzačních a budících závitů (Obr. 27). Při dodržení 7. konstrukční třídy je
možné dosáhnout zvýšení z 20 na 40 závitů.
Další možností, která byla pro finální
realizaci zvolena, je metoda dvojí laminace
senzoru s využitím slepých prokovů. Vnitřní
část se zalaminovaným jádrem (Obr.
29)
obklopeným budícím vinutím je v druhé fázi
zalaminována do vnějších vrstev (Obr. 29, Obr.
28), na kterých je realizováno budící vinutí. Při
Obr. 27 - Zvýšení hustoty spojů přináší
zdvojnásobení počtu závitů
dodržení minimální tloušťky vrstev je možné
zanedbat vliv vzduchové mezery u snímací
cívky, která takto vznikne.
Tento
senzor
byl
vyroben
firmou
PRAGOBOARD, která zajistila i vyleptání
oválných jader z dodané fólie amorfního
materiálu. Externí rozměry senzoru včetně děr
Obr. 28 - Senzor IIIA s dvojí laminací - vnější
vrstvy realizující snímací vinutí
pro uchycení byly z důvodu kompatibility a
zaměnitelnosti
ve
stávajících
aplikacích
ponechány, tj. 15,5 x 34 mm. Počet závitů
snímacího resp. kompenzačního vinutí bylo možné touto technologií při zachování 7.
konstrukční třídy navýšit na N1=68 (3,4 x více).
Počet závitů budícího vinutí byl z důvodu změny pouze jednoho parametru (pro
komparativní měření) ponechán na N2=46. Pro konstantu kompenzační cívky senzoru IIIA a
proud Ic nutný ke kompenzaci pole 50 μT pak platí:
[KcIIIA ] = 3,4 ⋅ KcIIA ≅ 2,66
1,1
5
[A.m-1/mA]
Uvažovaná konstanta však bude se zvětšující se délkou solenoidu l klesat, takže nebude přesně úměrná N.
- 31 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
[I C ] = H M
KC
=
50 ⋅ 10 −6
≅ 15
2,65 ⋅ 4π ⋅10 −7
M.Janošek
[mA]
Proud 15 mA je již akceptovatelný a realizovatelný většinou operačních zesilovačů,
zmenšení výkonové ztráty se projeví i na menším teplotním driftu parametrů senzoru i
vyhodnocovací elektroniky. Jeho hodnota byla experimentálně ověřena s hotovým senzorem a
zpětnovazební elektronikou jako 14,3 mA pro 50 μT.
Obr. 29 - Konstrukce senzoru IIIA. Vrstvy 4+5 tvoří snímací vinutí, 1+3 budící.
Vzhledem k navýšení počtu závitů byly v Tab. 3 porovnány parametry senzorů IIA a
IIIA. Je zřejmý zřetelný nárůst odporu snímacího vinutí, způsobený především větším počtem
prokovů s menším průměrem a tedy i efektivní plochou. Hodnota 4,9 Ω přímo určuje ohmické
ztráty v kompenzačním režimu.
Typ
Vinutí
Závitů
Odpor
IIIA
Budící
46
0.62 Ω
IIIA
Snímací
78
4.88 Ω
IIA
Budící
46
0.60 Ω
IIA
Snímací
20
0.61 Ω
Tab. 3
Obr. 30 - senzor IIIA
- 32 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
4.3.
M.Janošek
Návrh držáku senzorů
V prostředí 3D CAD jsem navrhl držák senzoru dle Obr. 31 o celkových rozměrech 40 x
60 mm. H-profil byl zvolen na základě požadavků na minimální geometrickou deformaci
vlivem teplotní roztažnosti.
Při ortogonálním umístění senzorů je nutné kromě dodržení vzájemné pravoúhlosti
respektovat jejich vzájemné ovlivňování. Senzory pracují ve zpětné vazbě, snímacím vinutím
protéká kompenzační proud a vytváří tedy magnetické pole, které není omezeno pouze na
oblast senzoru. Minimalizace tohoto vlivu se dociluje vzájemnou kolmou orientací os
jednotlivých solenoidů (resp. jejich jader), což je u ortogonálního rozmístění zajištěno. V
literatuře se působení kolmých (parazitních) polí označuje jako cross-field effect.
Z hlediska minimalizace vlivů parazitních toků je nutné zachovat osovou symetrii, tj.
toky musí vstupovat do vinutí senzorů symetricky. U planárních senzorů je toho možné docílit
jejich natočením = senzor Z je z tohoto důvodu umístěn kolmo, vodorovná poloha by způsobila
nesymetrii projekce toku BX do prostoru vinutí senzoru Z.
By
Z
Bx
x
Obr. 31 - Sestava držáku a senzorů X,Y,Z
Bz
Obr. 32 -Osy citlivosti resp.směr kompenzačního pole
Bx, By, Bz (vždy v opačném směru)
- 33 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Rozložení magnetické indukce generované kompenzačním vinutím senzoru X by bylo
nutné přesně modelovat metodou FEM, pro jednoduché přiblížení však postačí model pro
solenoid (podmínka minimálního průřezu je zde splněna), pokud budu uvažovat stav
nasyceného jádra senzoru, tedy konstantní μ=μ0. 6
Pro indukci ve středu solenoidu platí ([1.6]) :
B=
μ 0 IN
l + 4r
2
2
[ H .m −1 , A, −, m, m]
pro N = 68, l = 21 mm a r = 0,9 mm a po dosazení za I = 14,26 mA (viz kap. 4.2.2):
[B] = 4 ⋅ π ⋅10
−7
⋅ 14,26 ⋅ 10 −3 ⋅ 68
0,021 + 4 ⋅ 0,0009
2
2
≅ 57 ⋅ 10 −6 ,
což je v dobrém souladu s hodnotou 50 μT, která je právě tímto proudem kompenzována.
Model užiji dále pro výpočet BC ve vzdálenosti d=15mm od okraje solenoidu:
x1 = d , x2 = l + d
BC =
BC =
x2
x1
μ 0 IN ⎡
⎢
−
2
2l ⎢ x 2 + r 2
x1 + r 2
⎣ 2
⎤
⎥
⎥⎦
4π ⋅10 −7 ⋅ 68 ⋅ 14,26 ⋅ 10 −3 ⋅ 68 ⎡
0,026
0,015
−
⎢
2 ⋅ 0,021
0,0152 + 0,0009 2
⎢⎣ 0,026 2 + 0,0009 2
⎤
−8
⎥ ≅ 43 ⋅ 10
⎥⎦
Dominantní složka chyby způsobené kolmým polem Bc (s magnetometrem s pulsním
buzením a senzory IIA stejné geometrické konstrukce) byla stanovena v lit. [1.23] jako:
Δs = −1,8 ⋅ 10 −5 ⋅ BC
6
2
[%, μT ]
Při uvažování vlivu feromagnetického jádra nastane rozdíl v menším poklesu indukce na koncích
solenoidu, bude přibližně konstantní po celém jeho průřezu.
- 34 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Z vypočtené hodnoty BC (cca 500 nT) po jejím dosazení do předchozího vztahu je zřejmé,
že vliv takto generovaného pole bude vůči poli měřenému zanedbatelný i z hlediska linearity,
vzdálenost 15 mm mezi senzory je tedy postačující.
Držák senzorů byl vyroben z nemagnetického materiálu, senzory jsou připevněny
polyamidovými šrouby, jejich budící vinutí spojena sériově a spolu s přívody od jednotlivých
snímacích vinutí přivedena na nemagnetický konektor DSUB-9 na těle krabičky KP42BU (Obr.
33). Pro pevné uchycení k tělesu přístroje slouží 2 přídavné šroubové spoje.
Obr. 33 - Konstrukce držáku senzorů
- 35 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
4.4.
M.Janošek
Realizace budícího obvodu
V předchozí verzi magnetometru [1.5] bylo využito samostatné budící jednotky s CPLD
Altera [1.16]. Nevýhodou byla však kromě rozměrů a spotřeby též nemožnost komfortního
řízení parametrů a nutnost externího přeladitelného generátoru hodinového signálu. Princip
spínací části budící elektroniky zůstává stejný - pulsní buzení spínáním plného H-můstku z
tranzistorů MOSFET.
Pro využití v přenosném, bateriově napájeném magnetometru bylo nutno vyvinout
signálovou část budící elektroniky odlišné koncepce. Jako cíl byla stanovena maximální
flexibilita při změně parametrů budících a synchronizačních signálů, aby bylo možno stanovit
ideální podmínky pro použité typy senzorů z hlediska spotřeby a dosažených parametrů.
Zároveň byla navržena stabilizace amplitudy budícího proudu, protože její změna přímo
ovlivňuje offset senzoru. Stabilizace zároveň umožní eliminovat vliv oteplení senzoru po
zapnutí magnetometru.
Blokové schéma navrženého budícího obvodu je zřejmé z Obr. 34. Tři pulsně-šířkově
modulované signály z mikrokontroléru generují v dekodéru všechny potřebné budící (A,B) a
řídící (EXCA,EXCB) průběhy. Amplituda budícího proudu je řízena ve zpětné vazbě
nastavením napětí D/A převodníku, chybové napětí regulátorem PI řídí referenční vstup
DC/DC měniče.
Obr. 34
- 36 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
4.4.1. Řídící část
Z hlediska parametrů magnetometru - především jejich časové stability - je naprosto
nutné zajistit maximální možnou časovou a fázovou stabilitu obou spínacích signálů (EXCA,
EXCB), zároveň je nutné využít synchronizační signál(y) pro detekční část přímo z budící elektroniky
(vyloučit fázové závěsy a jiné konfigurace, přinášející přídavnou fázovou nejistotu). Nároky na
stabilitu a řešení řídící části jsou tedy nezanedbatelné.
Jednou z možných realizací je využití samostatného mikrokontroléru jen pro vytváření
potřebných budících a řídících signálů. Byla vyzkoušena realizace se softwarovou smyčkou na
vývojové desce s mikroprocesorem řady 8051 a mikrokódem v assembleru, obdobná
konfigurace byla v [1.24] použita v elektronickém kompasu.
Nevýhody tohoto řešení jsou následující
•
•
•
velice hrubá a obtížná kontrola parametrů budících signálů (střída, frekvence)dáno minimální délkou trvání 1 instrukce (cca 1us při hodinovém kmitočtu
12 MHz)
případné generování např. signálů A,B obsluhou přerušení (časovačů)
nepřináší výhody, neboť uživatelský program -byť realizující jen budící část by i tak způsobil nejednoznačnost vstupu do přerušení (různě dlouhé
instrukce = různá doba čekání na jejich dokončení). V případě procesorů
využívajících pipelining (např. architektura AVR) by využívání přerušení
vedlo k dalším fázovým chybám.
mikrokontrolér je využit pouze jednoúčelově
Z těchto důvodů jsem navrhl následující způsob generování budících signálů:
•
•
Mikrokontrolér PIC16F737 generuje na 3 výstupních portech 3 pulsně šířkově
modulované signály 2F_PWM, A_PWM a B_PWM. Ty jsou realizovány
hardwarově přetečením interních čítačů bez vlivu dalších přerušení a běhu
uživatelského kódu.
Pomocí těchto 3 PWM signálů jsou obvody řady HCMOS (D, NAND a NOT s
typickým přenosovým zpožděním v jednotkách ns) generovány všechny
potřebné signály. Signál 2F_PWM (odpovídá 2. harmonické budícího signálu)
je kromě toho využit také pro detekční elektroniku (kapitola 4.5). Řada 74HC
byla vybrána pro TTL kompatibilitu a možnost napájení v rozmezí 2-6 V.
- 37 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
74HC74
2F_PWM 3
VCC
1
4
D
CLK
CLR
PRE
Q
Q
9
5
6
/F_PWM
2
8
9
8
11
11
10
EXA
10
2F_PWM
12
EXB
13
Obr. 35
Realizace je zřejmá z Obr. 35. Signál 2F_PWM je v klopném obvodu D (74HC74) zapojeném
jako dělička dvěma převeden na F_PWM. Ten slouží k získání jednotlivých řídících signálů
EXA,EXB následující logickou kombinací:
EXA = F _ PWM ⋅ 2 F _ PWM = F _ PWM ⋅ 2 F _ PWM
EXB = F _ PWM ⋅ 2 F _ PWM = F _ PWM ⋅ 2 F _ PWM
Obr. 36 ilustruje jednotlivé průběhy (2F_PWM, F_PWM a EXA shora dolů) pro nastavenou
frekvenci 10 kHz a střídu 10%, z Obr. 37 jsou zřejmé signály 2F_PWM, EXA, EXB a průběh
budicího proudu.
Obr. 37
Obr. 36
- 38 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
4.4.2. Výkonová část
Je tvořena plným můstkem z tranzistorů N-MOSFET IRF 7103 (Obr. 38), s katalogovou
hodnotou RDSon 20 mΩ @ 2A, VGSon= min 2,5V). Pro zjednodušení řízení můstku (2 logickými
hodnotami), zamezení případného otevření v obou směrech (při zapnutí napájení
mikroprocesoru kdy jsou na výstupních portech nedefinované hodnoty) je využit řídící obvod
ADP3412. Řídící obvody jsou ovládány přímo signálem EXA, resp. EXB a spínají příslušný
tranzistor (LH a RL, resp. RH A LL) ve větvi můstku, budícím vinutím tedy teče proud v obou
polaritách.
Napájecí napětí můstku VBR je získáno z napájecího napětí (baterií) pomocí step-down
měniče MC34063. Amplituda budicího proudu (polovina ze špičkové hodnoty) je snímána na
rezistoru Rs a zesílena 5x. Špičkový detektor s vybíjením paměťového kondenzátoru je
realizovaný 1/4 OZ TL084 s konstantou vybíjení cca 100 μs. Předpětí na diodě D5 zajišťuje její
funkci i pro vstupní napětí menší než 0,7V. Třetí OZ realizuje rozdílový zesilovač s G=1,
výstupem je rozdíl napětí špičkového detektoru a napětí z D/A převodníku.
VBR
IRF7103/SO
RH
LH
EXC
LL
RL
RSENSE
1
0
Obr. 38 - H-můstek
Obr. 39 - špičkový detektor a rozdílový zesilovač
Chybová složka je přivedena do PI regulátoru z dalšího OZ (Obr. 6). Konstanty PI
regulátoru byly pro frekvenci 10 kHz, střídu 10% a amplitudu 300 mA (optimální podmínky)
nastaveny jako Rpi=100 kΩ, Rsi=100 kΩ a Cpi=100 nF, spolu s regulačními charakteristikami
DC/DC měniče určovaly regulační dobu cca 2 Hz.
- 39 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Obr. 40 - Řízení step-down měniče MC34063 PI regulátorem
4.5.
Realizace detekční části
Detekční část využívá typický zpětnovazební (kompenzační) princip magnetometru (blokové
schéma na Obr. 41). Výstupní napětí, snímané detekčním vinutím sondy Ls je po
stejnosměrném oddělení přivedeno na vstupní zesilovač. Signál je dále pomocí přepínače
CMOS přiveden na dva spínané, pasivní integrátory - kladný a záporný. Rozdíl jejich
výstupního napětí je dále integrován invertujícím integrátorem, uzavírajícím rezistorem Rs
zpětnou vazbu. Vinutím Ls pak protéká kompenzační proud, působící proti měřenému
vnějšímu poli, měronosnou veličinou je proud, resp. napětí snímané na rezistoru Rs, dále
zesílené a filtrované dolní propustí.
Rs
R1
Co
C1
10
60
CMOS SW.
I
Ro
Ls
R2
C2
Obr. 41 - Blokové schéma jednoho kanálu detekční elektroniky
- 40 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Ux
DP
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
4.5.1. Vstupní část
Vstupní část je realizována OZ OP1177. Vzhledem k činnosti ve zpětné vazbě, a tedy v
ustáleném stavu hodnotám vstupního napětí v řádu mV, není nutné volit komponenty s
velkou rychlostí přeběhu SR (OP1177 -0,7V/us), důležitý je nízký vlastní šum (8 nV/ Hz ).
Vstupní odpor zesilovače definuje rezistor Ro, zároveň s oddělovacím Co realizuje horní
propust 1. řádu. Pro frekvenci výstupního signálu 2f = 20 kHz byla navržen jako 10nF, 47 kΩ.
Vstupní napětí je zesíleno 60x, hodnota je získána ze simulace v PSPICE jako maximální pro
odezvu ve zpětné vazbě 1. řádu.
4.5.2. Spínané integrátory
Namísto tradičního zpracování synchronním detektorem (spínačovým, směšovacím)
bylo zvoleno využití dvěma spínanými integrátory.
Odezva fluxgate senzorů na pulsní buzení při nenulovém měřeném poli (Obr. 42 dole)
sestává ze dvou sousledných impulsů, každý se špičkou kladné a záporné polarity v aktivní
části periody TA. Změna velikosti
magnetického
pole
způsobuje
změnu amplitudy špiček v dané
polaritě;
reverzace
směru
magnetického pole způsobí změnu
polarity výstupního signálu. Přímé
zpracování
tohoto
synchronní
detekcí
harmonické
vedlo
signálu
na
druhé
Obr. 42- Budící proud a odezva fluxgate senzoru.
k šumové
degradaci – spektrální hustota šumu vzrostla na 710 pTrms/√Hz @ 1 Hz, přičemž při sinusovém
buzení (10 kHz š-š) byl šum senzoru IIB pouze 24 pTrms/√Hz @ 1Hz [1.23]. Hlavním zdrojem
zvýšení šumu je šum v neaktivní části periody, jak je patrno z Obr. 42.
Alternativní zpracování signálu použitím dvou spínaných integrátorů bylo navrženo v
rámci semestrálního projektu [1.5]. K dvojici spínaných integrátorů (Obr. 43) je kladná a
záporná část signálu přivedena pouze po aktivní dobu periody TA (Obr. 42). Rozdíl těchto dvou
napětí, naintegrovaných během aktivní části na integrátorech 1 a 2, pak bude v neaktivní části
- 41 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
neproměnným výstupním signálem. Referenční signál pro obě časová „okna zpracování“ je
získán přímo z řídících signálů buzení a splňuje tak požadavek na stabilitu a soufázovost s
buzením senzoru.
CMOS spínač (ADG 451) upíná během kladné části aktivní periody 1 výstup zesilovače na
integrátor 1, v záporné části 2 pak na integrátor 2. Časová konstanta daná R1,2 a C1,2 je volena
tak, aby RC články pracovaly v daném frekvenčním rozsahu v lineární oblasti, tj. jejich časová
konstanta musí být mnohem větší, než spínací
doba 1, resp. 2 z Obr. 42. Pro budící proud s
kmitočtem f=10 kHz a střídu d=10% je šířka
jednotlivách
T1, 2 =
Obr. 43 - 2 spínané integrátory
oken
dána
jako
1 10 1
⋅ = 5 μs .
f 100 2
Volbou R1,2 = 10 kΩ a C1,2 = 10 nF s výslednou
τ=R.C=100 μs je tento požadavek s rezervou splněn.
Vzhledem k použitím spínače CMOS a jeho neideálním charakteristikám je nutné dodržet
následující zásady : R1,2 musí být >> ΔRDSON (splněno), a zároveň je nutné zachovat stejnou
časovou konstantu a především šířku upínaných oken pro oba integrační články z hlediska
potlačení injektovaného náboje při spínání (charge injection).
Po ukončení aktivní části periody jsou na integrátorech 1 a 2 téměř neproměnná napětí
s rozdílnými znaménky, oba integrační články se chovají jako paměťové obvody. Rozdílu
integrálů průběhů obou částí výstupního napětí (v absolutní hodnotě jejich součtu) je
realizován přístrojovým zesilovačem AD620. Přístrojový zesilovač byl zvolen především pro :
1. minimální drift parametrů (absence rezistorů proti rozdílovému zesilovači), 2. vysoké
impedance na obou vstupních svorkách (minimální vybíjení C1,2 v neaktivní části periody).
Vstupní proudy přístrojového zesilovače ovlivňují obě napětí symetricky, v případě jejich
shodnosti se jejich vliv neprojeví, v neaktivní části je umožněn navíc jejich průtok díky přes
CMOS spínač. Odvedení vstupních proudů na nulový potenciál paralelním rezistorem se
neosvědčilo z několika důvodů : 1. Zpomalení integrátoru (časová konstanta vzroste).
- 42 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
2. Větší rozvážení obou svorek vstupního zesilovače 3. Další člen s teplotním koeficientem
zanášející nesymetrii parametrů.
Následující invertující integrátor (realizován OP97, resp. OPA627) zabezpečuje funkci
záporné zpětné vazby a z velké části určuje časovou konstantu magnetometru. Jeho časová
konstanta byla nastavena tak, že ve zpětné vazbě je při jednotkovém skoku měřeného pole
50 μT je doba náběhu tr=5 ms, z ní vyplývá šířka pásma fm = 0,35/tr = 70 Hz. Operační zesilovač
použitý v integrátoru musí být schopen dodávat kompenzační proud v plném rozsahu
magnetometru, v opačném případě je nutné použít převodník V/I, resp. diskrétní proudový
zesilovač, ten však přináší možné problémy s linearitou. Pro maximální kompenzační proud
15 mA nevyhoví OP 97, ten sice dle katalogových hodnot dodává až 20 mA do zátěže, vykazuje
však nesymetrii zatížitelnosti pro jednotlivé polarity. Vzhledem k nutnosti dynamické rezervy
není použitelný. V magnetometru byl proto použit integrátor s OPA627. Použití AD797 v
předchozí verzi [1.5] přinášelo problémy (saturace), OPA627 je stabilní při jednotkovém
zesílení a je vhodná k použití jako integrátor díky vstupní části s FET. Zátěží pro integrátor je
snímací odpor Rs a pomocný rezistor v sérii, ve výsledku 130 Ω.
Měronosná veličina, tj. kompenzační proud, je snímána na sériovém rezistoru Rs
přístrojovým zesilovačem. Snímací rezistor byl vybrán s nízkým teplotním koeficientem
(< 10 ppm) a zároveň nízkou hodnotou, minimalizující vlastní oteplení rezistoru procházejícím
proudem. Velikost byla zvolena na Rs = 37,4 Ω - pak pro kompenzační proud při 50 μT
Icomp= 14,26 mA je URS = 0,533 V a při použití přístrojového zesilovače s pevným G = 10 (AD621)
je s rezervou určena citlivost 5,33 V / 50 μT. Druhou alternativou je využití AD 620 s externím
rezistorem RG, ta však přináší aditivní teplotní drift zesílení vlivem TC rezistoru.
Výstupní filtr byl navržen jako přepínatelný s dvěma časovými konstantami - 20 a 2 Hz.
Realizace je zřejmá z Obr. 44 - filtr je typu Butterworth s OP1177. Časová konstanta je
přepínána spínáním resp. rozpínáním paralelního rezistoru a kondenzátoru spínačem CMOS.
Vzhledem k zanedbatelným proudům se neprojeví neideální charakteristiky přepínače (drift
RDSon), přepínání výstupního napětí z dvou samostatných filtrů by přinášelo chybu vlivem
výstupního proudu do zátěže. Výstupní napětí jednotlivých kanálů je zároveň uživatelem
multiplexováno k indikačnímu 4,5 místnému integračnímu multimetru DPM-160S (linearita ± 1
dg, 20 ppm/°C).
- 43 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
C56
1u
S3D
7
6
D
S
R400 7k
IN
13
4
20
OUT
2
-IN
+9
-9
6
XOUT
MM4.5
R42
10k
-9
D
S
VDD
VSS
8
+IN
C57
470n
4
93k
10
11
3
+9
7
U222A
R41 147k
-9
R40
+9
OP1177AR
S2B
13
4
C577
370n
VDD
VSS
MM_X
ADG431/SO
VDD
VSS
100n+6k=20Hz
15
14
IN
D
S
9
IN
ADG431/SO
S3C
13
4
16
+9
-9
470n+93k=2Hz
/20
Obr. 44 - realizace výstupního přepínatelného filtru
4.5.3. Řídící část
Šířku časových oken, ve kterých je aktivní příslušný pasivní integrátor (Obr. 42 -1,2), určují
signály PWM_A a PWM_B mikroprocesoru. Spolu s dekodérem z Obr. 45 realizující řídící
signál pro CMOS spínač ADG451 (invertovaný), a to tak, že. Šířku okna 2 (signál Bn) je možné
plynule měnit mezi 0-100% střídy (frekvence dána 2f_PWM, tj. 2. harmonická budícího
signálu), šířka okna 1 (signál An) je zdola omezena šířkou budícího pulsu (obvod realizuje
funkci OR).
U15A
2F_PWM
1
74F04
2
U13A
74HC00
1
3
A_PWM
A/
2
U14B
74HC00
U11C
74FHC04
4
6
B
5
5
6
B/
B_PWM
Obr. 45 - dekodér řídících signálů integrátorů
An = A = 2 F _ PWM ⋅A _ PWM
Bn = B = 2 F _ PWM ⋅B _ PWM = 2 F _ PWM ⋅ B _ PWM
Obr. 46 definuje způsob využití obou signálů při spínání příslušného integrátoru 1 resp. 2.
Šířka okna Bn je záměrně pro názornost zvětšena, z předchozího textu plyne, že je v pracovním
- 44 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
režimu nastavena na šířku rovnou An. Z obrázku je rovněž patrná neaktivní doba obou
integrátorů.
Obr. 46 - Definice signálů An a Bn a jejich využití při spínání integrátorů 1,2
4.6.
Softwarová realizace
Software pro mikrokontrolér PIC16F737 jsem vytvořil v prostředí PICC (jazyk C upravený
pro mikrokontroléry MICROCHIP) a odladil na simulátoru PIC Simulator IDE. Základní
smyčka, realizující komunikaci s uživatelem je patrná z Obr. 47. Mikrokontrolér je napájen
vždy, ve stavu po vypnutí čeká na stisk libovolné ze 3 kláves (Vypnout/Zapnout, Výstup a
Filtr). V případě zapnutí je sepnuto relé napájení ostatní elektroniky. Posléze jsou nahrány z
paměti EEPROM předchozí hodnoty (Frekvence, střída, amplituda budícího proudu, šířka
oken A,B a nastavení výstupního filtru). Parametry magnetometru je možné zobrazit, změnit a
uložit pomocí sériové linky a libovolného terminálového programu (9600 b/s).
Klávesou Výstup je střídavě přepínán 1 multiplexovaný výstup, resp. zobrazení na
indikačním LCD voltmetru. Klávesa Filtr umožňuje změnu nastavení výstupního filtru mezi 2
a 20 Hz.
- 45 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Primární funkcí mikrokontroléru je generování 3 pulsně-modulovaných signálů, nutných
pro obvody buzení a detekční část ( kap. 4.4.1). Vzhledem k hardwarové realizaci PWM
modulace na výstupních portech uživatelský program s těmito signály neinterferuje.
Obr. 47 - Softwarová smyčka ovládání
Mikrokontrolér používá hodinový kmitočet 20 MHz a 16-bitový čítač časovače PWM, z
čehož plynou následující vztahy pro frekvenci všech 3 PWM výstupů [1.30]:
f =
1
1
→ [N ] =
a tedy
0,8μs ⋅ N
f ⋅ 0,8 ⋅ 10 −6
⎛ 1,25 ⋅10 6 ⎞
⎟⎟
N = int 16⎜⎜
f
⎝
⎠
Střída d [%] je pro jednotlivé PWM výstupy určena 10-bitovým číslem Nd uloženým v
příslušném registru 16-bitovém registru, pro které platí:
Nd =
⎛ d ⋅ 25000 ⎞
tON
d ⋅ 0,01
⎟⎟
=
= int 16⎜⎜
−7
f ⋅ 4 ⋅10
f
8⋅ 1
⎝
⎠
6
20 ⋅ 10
(
)
Amplituda budícího proudu je určena výstupním napětím sériově interfacovaného D/A
převodníku MCP4921 (12-bit). Při použití referenčního napětí převodníku 2,5V, vstupního
zesilovače s G=5x platí pro požadované N, přenesené sériovým kanálem SPI do D/A
převodníku :
- 46 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Ipp ⋅ 5 ⋅ 0,001
Ipp ⋅ 0,005 ⋅ 212
2
N=
=
= 4,096 ⋅ Ipp
1 LSB
2,5 ⋅ 2
kde Ipp je mezivrcholová hodnota budícího proudu v mA. Maximální regulovatelná hodnota je
tedy 1A šš pro N=4096. Tyto hodnoty, tj. frekvenci, střídu, amplitudu budícího proudu a
jednotlivé střídy výstupních signálů 2f_PWM, PWM_A, PWM_B (nutných pro budící a
detekční obvod) lze nastavit po sériové lince. Toho bylo využito především při extenzivním
testování vlivu parametrů budícího signálu na parametry magnetometru.
4.7.
Mechanické provedení magnetometru
Elektronika magnetometru byla navržena na jediné dvouvrstvé DPS s rozměry 74x113
mm (motivy plošných spojů - Příloha 4). Dvouvrstvá deska plošných spojů umožňuje levnou
výrobu, snadnou opravitelnost a při převážném využití SMD součástek i velkou robustnost.
Deska byla osazena pouze součástkami na horní, montážní vrstvě. Precizní součásti, které
nebyly k dispozici v SMD provedení, jsou použity jako vývodové (např. kondenzátory
výstupního filtru , záporný stabilizátor). Filtrační kondezátory, ať už tantalové, nebo
elektrolytické hliníkové jsou voleny jako vývodové radiální - SMD tantalové kondenzátory
nepřinášejí při větších nárocích na jejich kapacitu úsporu místa na DPS. Při návrhu bylo dbáno
všech zásad zemnění a především využívání rozlévaných zemnících ploch. DPS je rozdělena
izolačním příkopem zemnicí plochy na digitální a napájecí část, a část analogovou. Precizní
konektory pro vstup (z fluxgate senzorů) a výstup (ke konektoru CANON DB-9) umožňují
snadnou demontáž z krabičky magnetometru. Krabička byla vybrána ze sortimentu BOPLA,
konkrétně BOS-800, s integrovaným pouzdrem na 4 akumulátorové články AA (4x1,2V) a
krytým otvorem pro displej, do kterého byl vsazen 4,5 místný LCD multimetr DPM 160S (Obr.
49). Konektor Canon-9, umístěný zboku (Obr. 50) umožňuje připojení 3 externích multimetrů a
zároveň linky RS-232 (Tab. 4). Externí box s tripletem fluxgate senzorů je připojen buď přímo
na nemagnetický konektoru v přední části magnetometru, nebo připojen pomocí
prodlužovacích kabelů – funkce jednotlivých vývodů je v Tab. 5.
- 47 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
PIN
9
8
7
6+2
2
3
Obr. 48 - DPS magnetometru
funkce
výstup Z
výstup Y
výstup X
zem
RX
TX
Tab. 4 - Rozložení signálů na
výstupním konektoru DB-9
PIN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Obr. 49 - Vnější pohled
funkce
Budící – 1
X–
snímací
Y–
snímací
Z–
snímací
Budící – 2
X – zem
Y – zem
Z – zem
Obr. 50 -Vnitřní uspořádání
Tab. 5 - Rozložení
signálů na vstupním
konektoru DB-9 připojení fluxgate
senzorů
- 48 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
5. Měření parametrů magnetometru
5.1.
Definice a metrologie
5.1.1. Citlivost, linearita
Ideálně lineární magnetometr realizuje vztah
U = k .B+UO
( 26 )
[V,V/T,T,V]
kde U je výstupní napětí magnetometru, k je jeho citlivost(zesílení), U0 je napěťový offset v
nulovém poli. Ve skutečnosti je výstupní napětí rovno U ′ + ε , kde ε je reziduum, určené po
odhadu parametrů k a Uo metodou nejmenších čtverců:
ε = kB + U O − U ′
( 27 )
Nelinearita je běžně udávána v bezrozměrných jednotkách ppm (parts per milion), a je
vztahována k plnému rozsahu magnetometru (FS - full scale).
ε ppm =
k ⋅ B +U0 −U′
⋅ 1⋅10 6
FS
[V,V/T,T,V]
( 28 )
Dostatečně homogenní pole je vytvářeno soustavou Helmholzových cívek (Obr. 55), je úměrné
protékajícímu proudu I a konstantě Helmolzových cívek Kc.
B = Kc . μ0. I
[T; Wb/m,A]
( 29 )
Při reálném měření není možné určit přesně hodnotu indukce B, ale můžeme určit její diferenci
ΔB:
Δ B = Kc . μ0. Δ I
( 30 )
Důležitou podmínkou je synchronní odečet výstupního napětí a proudu Helmholzovými
cívkami. Pro vektorové magnetometry je nutné určit jednotlivé konstanty jednotlivých os
zvlášť, nebo s v využitím tříosých Helmholzových cívek s dostatečně garantovanou
ortogonalitou.
- 49 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Druhou metodou určení citlivostí, offsetů a nelinearit magnetometru je využití metody
Thin-Shell. Ta je aplikovatelná při simultánním vektorovém měření ve všech třech osách za
podmínky homogenního a stálého měřeného pole. Vektorový součet jednotlivých složek X,Y,Z
je pak konstantní a iterační algoritmus hledá odhady jednotlivých parametrů pro všechny tři
osy magnetometru (vstupuje zde navíc další parametr neortogonality senzorů).
Podrobný popis metody byl uveřejněn např. v [1.29].
5.1.2. Šum
Šum magnetometrů je udáván [1.1] :
•
jako výkonová spektrální hustota šumu na kmitočtu 1 Hz
⎡T ⎤
BN − PSD1 ⎢ RMS ⎥
⎣ Hz ⎦
•
jako efektivní hodnota šumu v pásmu 0,1 - 10 Hz
BN − BW 10 [TRMS ]
Při měření je nutné odlišit příspěvek šumu elektroniky magnetometru a šumu senzoru, typické
průběhy, naměřené pro senzor IIA, jsou zřejmé z Obr. 56.
100 μV
10 μV
Elektronika bez senzoru: 126 nV @ 1Hz
Se senzorem IIA: 1830 nV @ 1 Hz
10 7
1 μV
100 nV
10 nV
62.5 mHz
12.6 Hz
Obr. 51 - Typický průběh efektivní hodnoty šumu v pásmu 0,1-10 Hz a hodnota PSD na 1 Hz
Měření šumu magnetometru je realizováno pomocí spektrálního analyzátoru Agilent 35670A.
Šumové hodnoty jsou následně přepočítány pomocí zjištěných citlivostí na vstupní jednotky.
- 50 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
5.1.3. Stabilita offsetu
Stabilitou offsetu rozumíme jeho změnu za jinak konstantních podmínek (vnější teplota,
měřené pole). Jedná se o šum na ultra-nízkých frekvencích, spolu s nelinearitou určuje
použitelnost magnetometru. Senzor je umístěn v magnetickém stínícím krytu a při ideálně
konstantní teplotě (monitorována během měření) jsou zapisovány hodnoty výstupního napětí
jednotlivých os, v případě ideálně stínícího krytu bychom měřili přímo hodnoty offsetu
elektroniky a senzoru. Pro měření offsetu byl vyvinut software, ukládající a zobrazující
simultánně hodnoty napětí všech 3 os magnetometru, včetně monitoringu teploty - viz Obr. 52.
Obr. 52 – Software pro stanovení staility offsetu
5.1.4. Teplotní stabilita
Vliv teploty na citlivost a offset magnetometru určuje jejich teplotní koeficient TcK a TcUO.
Za předpokladu monotonicity a linearity, potvrzené měřením, se určuje se proložením dvou
teplotních extrémů T1 a T2 :
Tc K =
(K T 1 − K T 2 )
TcU 0 =
T1 − T2
- 51 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
(UoT1 − UoT 2 )
T1 − T2
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Abychom rozlišili příspěvky teplotní stability senzoru a magnetometru, je nutné měřit
příspěvky k teplotní stabilitě zvlášť. Teplotní stabilita offsetu je pro příspěvek elektroniky
realizována zahříváním elektroniky magnetometru, zatímco senzor je v magnetickém stínění
udržován na konstantní teplotě. Při měření teplotního koeficientu citlivosti jsou prováděna při
zahřívání elektroniky měření linearity, za účelem stanovení aktuální citlivosti (kap 5.1.1).
Pro vyhodnocení vlivu příspěvků senzoru je naopak nutné zahřívat senzor - pro
teplotní stabilitu offsetu senzoru bylo využito uspořádání z Obr. 53, při stanovení Tck bylo
využito termostatovaného tepelně izolovaného boxu uvnitř Helmholzových cívek (Obr. 54).
Software k měřícímu systému byl použit stejný, jako v předchozí konfiguraci.
Obr. 53 – Stínící kryt a izolační vložka, pro Obr. 54 – Termostatovaný box uvnitř
měření teplotní charakteristiky offsetu
Helmholzových cívek
- 52 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
5.1.5. Měřící systém pro stanovení citlivosti,offsetu a linearity
Pro stanovení citlivosti, offsetu a průběhu nelinearit magnetometru byl sestaven měřící systém
dle Obr. 55.
Obr. 55- Měřící systém pro charakterizaci magnetometru - citlivost, offset,(ne) linearita
Uspořádání měřícího systému dle Obr. 1 zahrnuje :
•
•
•
•
•
2 multimetry Agilent HP34401A (s výrobcem udávanou chybou 15 ppm z hodnoty a
3 ppm z rozsahu na rozsahu 10V)
stejnosměrný zdroj HP 6642A, resp. TOELLNER 8071
Hemholzovy cívky s konstantou 305,9 A/m /A
vlastní senzor umístěný ve středu Helmholzových cívek s osou citlivosti ve směru VZ (minimalizace vlivu horizontální složky zemského mag. pole)
kabely a převodník realizující připojení jednotlivých přístrojů pomocí sběrnice IEE
488.2 (použit IEE488.2 USB převodník AGILENT Technologies 82357A)
Pro měření bipolární odezvy byl dále zařazen komutátor vlastní konstrukce, ovládaný
pomocí sběrnicí RS232C.
Softwarová realizace
Softwarovou část měřícího systému jsem implementoval v prostředí LabView 8.2. Použití
knihovny VISA k přístupu ke sběrnici dává širší z hlediska jiných rozhraní než IEE 488.2 (např.
RS-232C, USB.
Program sestává ze několika celků :
•
Inicializace voltmetrů, napájecího zdroje.
- 53 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
•
•
M.Janošek
Vlastní měřící smyčky (nastavení napětí napájecího zdroje, odečty voltmetrů,
ovládání komutátoru, grafický výstup)
Odhad koeficientů, výpočet nelinearit a jejich grafické zobrazení
Obr. 56 - Měřící systém pro určení citlivosti, offsetu a nelinearity v dané ose magnetometru
Synchronnost odměrů je zajištěna spouštěcí podmínkou realizovanou sběrnicí
(TRIG:BUS). Příkazem INIT jsou voltmetry přivedeny do „wait-on-trigger“ režimu, vysláním
GET (Group Execute Trigger) je realizován synchronní odměr. Data jsou následně vyčtena z
jednotlivých přístrojů, během měření je aktualizován graf závislosti výstupního napětí na
aplikované indukci.
Po dokončení měření, případně jeho přerušení se zahájí výpočet parametrů lineárního
prokladu včetně vykreslení průběhu nelinearit do grafu. Data jsou zároveň jsou uložena na
disk pro import do tabulkových procesorů. Uživatelský interface ilustruje Obr. 56.
- 54 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
5.2.
M.Janošek
Citlivost, linearita magnetometru
5.2.1. Závislost citlivosti, offsetu a linearity na budícím proudu
Nejprve jsem stanovil vliv změny budícího proudu na citlivost, linearitu a
offset
senzoru IIIA při použití lock-in zesilovače SR-844 (bez zpětné vazby - charakterizace samotného
senzoru). Jako zdroj budícího proudu byla využita elektronika magnetometru, referenčním
signálem pro lock-in zesilovač byl signál 2f vyvedený z desky magnetometru. Všechna měření
byla provedena při frekvenci budícího signálu 10 kHz a střídu 10%.
Závislost citlivosti senzoru IIIA na budícím proudu
-620
Citlivost [V/T]
-610
-600
-590
-580
-570
-560
300
-550
Budící proud [mA p-p]
400
500
600
700
800
900
Obr. 57- citlivost senzoru IIIA vs. budící proud (lock-in zesilovač SR840)
Offset senzoru vs. budící proud
0,0038
0,0037
Offset [V]
0,0036
0,0035
0,0034
0,0033
0,0032
0,0031
300
400
500
600
700
800
900
Budící proud [mA pp]
Obr. 58- offset senzoru IIIA vs. budící proud (lock-in zesilovač SR840)
- 55 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Obr. 52 v souladu s [1.23] ukazuje nárůst citlivosti pro senzor IIIA (jehož budící vinutí je
shodné jako u senzoru IIA) až do cca 650 mA p-p. Z Obr. 53 je patrný také nárůst offsetu při
větší amplitudě budícího proudu – ten může být způsoben přítomností sudých harmonických
v budícím proudu. Závislost nelinearity (unipolární) na budícím proudu pro různé amplitudy
budícího proudu je zřejmá z Obr. 59. Z těchto měření vyplývá následující závěr: pro největší
potlačení nelinearity senzoru ve zpětné vazbě je vhodné použít amplitudu budícího proudu
mezi 650 - 850 mA p-p, kde je závislost citlivosti a offsetu magnetometru na jeho změně
minimální.
IIIA pulse excited 10 kHz, 10%duty, SR8440 detection - nonlinearities
350-850 mA p-p, FS 50uT
850
750
650
10000
550
450
Nonlin [ppm]
15000
350
5000
0
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Field [uT]
-5000
-10000
-15000
Obr. 59 - nelinearita senzoru IIIA (otevřená smyčka, Lock-in zesilovač)
Po zapojení senzoru do magnetometru v ose Y (ve zpětné vazbě) byla ověřena při
stejných podmínkách závislost citlivosti a offsetu na budícím proudu - Obr. 60. V ideálním
případě by byla závislost citlivosti na budícím proudu potlačená zcela, v případě použité
regulační smyčky je pro změnu budícího proudu o 250 mA změna citlivosti rovna 150 V/T
z 104525 V/T, tj. cca 0,001%. Proti činnosti v otevřené zpětné vazbě - kde je změna 60 V/T z 560
V/T, tj. cca 10% - se jedná o potlačení 10 000x. To ukazuje na neideální stejnosměrné zesílení ve
zpětné vazbě (způsobené použitým integračním kondenzátorem, reálnými vlastnostmi OZ
v integrátoru a svodovými jevy).
- 56 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Offse t magne tome tru vs. budící proud
5,00E-03
0,00E+00
Offset [V]
250
300
350
400
450
500
550
600
650
-5,00E-03
Měření č.1
Měření č. 2
-1,00E-02
-1,50E-02
-2,00E-02
Budící proud [mA pp]
Citlivost magnetometru vs. budící proud
104750
104700
Citlivost [V/T]
104650
104600
Měření č.1
104550
Měření č. 2
104500
104450
104400
250
350
450
550
650
Budící proud [mA pp]
Obr. 60 - vliv velikosti budícího proudu na citlivost a offset magnetometru
- 57 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Závislost linearity na budícím proudu byla měřena za běžných podmínek v laboratoři a
ilustruje ji Obr. 61. Je zřejmé, že větší budící proudy (500 - 600 mA pp) způsobují větší
nelinearitu (především v maximálních hodnotách měřeného pole), což koresponduje s
měřením v [1.23].
Nelinearita magnetometru v závislosti na budícím proudu - osa Y
600
Nelinearita [ppm]
300 pp
350 pp
400 pp
450 pp
500 pp
550 pp
600 pp
400
200
0
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
Aplikované pole [uT]
80
-200
-400
-600
Obr. 61 - nelinearita magnetometru pro jednotlivé budící proudy
- 58 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
5.2.2. Citlivost a linearita magnetometru
Linearita
Vypočtené nelinearity z jednotlivých běhů měření
Nelinearita [ppm]
200
byla
měřena
150
jednotlivých
100
během
50
magnetometru
opakováním
odměrů
nočních
v
hodin.
cyklu
Budící
proud byl vybrán s hodnotou 450
0
mA pp, při zachování parametrů
-50
budícího signálu - frekvence 10
-100
kHz a střída 10%.
-150
-200
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Aplikované pole [μT]
Z
vypočtena
lineárním
Obr. 62 - neprůměrované nelinearity (180 cyklů, osa Z)
datového
citlivost
celku
byla
a
offset
prokladem
v
tabulkovém procesoru ORIGIN.
Pokud bychom poté vynesli přímo
průběhy nelinearit, budou zatíženy šumem (změna proudu Helholzovými cívkami během
měření, změna magnetického pozadí) - Obr. 62. Proto byla jednotlivá data zprůměrována do
intervalů aplikovaného pole a vypočtené nelinearity (např. intervalu aplikovaného pole 2,3-2,5
μT nelinearita 50-150 ppm). Modifikace tohoto postupu byla využita při měření nelinearity v
[1.23]. Průběh nelinearit ve všech třech osách magnetometru je zřejmý z Obr. 63. Po aplikaci
výše uvedeného průměrování byla vypočtena max. nelinearita (v absolutních hodnotách) v ose
X 65 ppm, v ose Y 93 ppm a v ose Z 60 ppm. Citlivost magnetometru v ose Y byla stanovena na
106562 ± 0,9 V/T, v ose Z byla citlivost stanovena jako 104413,3 ± 0,4 V/T a v ose X jako 106757,6
± 1,6 V/T. Detailní přehled všech parametrů udává Tab. 6.
- 59 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Průběh nelinearit v jednotlivých osách X,Y,Z
100
Nelinearita [ppm]
80
60
40
X
Y
Z
20
0
-20
-40
-60
-60
-40
-20
0
20
40
60
Aplikované pole [μT]
Obr. 63 - Průběh nelinearity magnetometru ve všech třech osách
OSA
Citlivost
[V/T]
Offset
[V]
Max. nelinearita
[nT]
Max. nelinearita
[ppm z FS]
106757,6 ± 1,6
-5
-5
-1,0.10 ± 2,6.10
6,5
65
106562,0 ± 0,9
-9,3.10 ± 2,6.10
-5
9,3
93
104413,3 ± 0,4
-2
-5
1,3.10 ± 1,1.10
6,0
60
X
Y
Z
-5
Tab. 6- výsledky měření citlivostí a linearity magnetometru v osách X,Y,Z.
- 60 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
5.3.
M.Janošek
Šumové charakteristky
5.3.1. Vyhodnocení vlivu regulace amplitudy budícího proudu
Pro ověření vlivu regulace budícího proudu byly pro velikost 1A p-p naměřeny
charakteristiky jak se zpětnovazební regulací budícího proudu, tak pouze se stabilizovaným
napětím můstku. Z naměřených charakteristik
je zřejmé 1. zhoršení šumových vlastností
zavedením regulace budící amplitudy (380 vs. 570 pTRMS a 45 vs 84 pTRMS/√Hz @ 1 Hz - Obr. 64.
Obr. 64 – Vliv regulace budícího proudu - 1A p-p
5.3.2. Šum magnetometru
Byl stanoven pro budící proud 450 mA p-p (stanovený z předchozích měření jako
optimální. Šum byl stanoven zvlášť pro elektroniku bez připojených fluxgate senzorů (Obr. 65)
a pro celý magnetometr se senzory v magnetickém stínícím krytu (Obr. 66 - jako referenční
průběh byl přidán průběh šumu elektroniky v ose Y). Z průběhu šumu magnetometru je
patrné, že senzor osy X vykazuje horší vlastnosti, než zbylé dva senzory tripletu.
- 61 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Šum elektroniky magnetometru - osy X,Y,Z
1 nT
Y: 12 pT PSD @ 1 Hz
100 pT
X: 9 pT PSD @ 1 Hz
Y: 91 pT RMS
10 pT
Z: 8 pT PSD @ 1 Hz
Z: 80 pT RMS
X: 81 pT RMS
1 pT
100 mHz
10 Hz
Obr. 65 – Šum elektroniky magnetometru, senzory v magnetickém stínění
Šum magnetometru - osy X,Y,Z
1 nT
X: 32 pT PSD @ 1 Hz
Y: 18 pT PSD @ 1 Hz
100 pT
X: 374 pT RMS
Y: 138 pT RMS
10 pT
Z: 11 pT PSD @ 1 Hz
1 pT
Z: 120 pT RMS
Šum elektroniky
100 mHz
10 Hz
Obr. 66- Šum magnetometru (elektronika + senzory)
Osa
X
Y
Z
Elektronika
Elektronika + senzor
BN − PSD1
BN − BW 10
BN − PSD1
BN − BW 10
[pTRMS√Hz ]
12
9
8
[pTRMS ]
81
80
91
[pTRMS√Hz ]
32
18
11
[pTRMS ]
374
138
120
Tab. 7 - Šumové parametry magnetometru
- 62 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
5.3.3. Stabilita offsetu
Vliv změny amplitudy budícího proudu na offset senzoru byl ověřen (Obr. 67) a
stanoven jako cca 0,4 nT/ mA. Vliv nastavené amplitudy budícího proudu na stabilitu offsetu je
zřejmý z Obr. 68 - z něj plyne preference budícího proudu 450 mA pp, s 4 h stabilitou < 1 nT.
350
Změna offsetu v závislosti na změně budícího proudu
(osa Y)
640
600
550
Offset [nT]
280
500
450
Budící proud
410
360
210
320
290
140
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
cas [mm:ss]
Obr. 67 – vliv amplitudy budícího proudu na offset magnetometru
S ta b ilita o ffs e tu p ro rů zn é b u d íc í p ro u d y
Y , a m p litu d a re g u lo vá n a
42
40
550 m A pp
38
36
34
Offset [nT]
32
30
350 m A pp
28
26
24
22
20
18
450 m A pp
16
14
00:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
03:30
C as [hh:m m ]
Obr. 68 - 4 hodinová stabilita offsetu
- 63 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
04:00
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Vliv zavedení zpětnovazební regulace budícího proudu na dlouhodobou stabilitu offsetu byl
ověřen dvěma měřeními, pro celkovou dobu 9 hodin, kdy byla teplota v krytu stabilní v
rozmezí ± 0,5 °C a teplota v prostoru elektroniky ± 1°C. Z Obr. 69 je patrná stabilita offsetu bez
regulace ve zpětné vazbě a na Obr. 70 s regulací.
-40
Z
9-hodinová stabilita offsetu (Y)
bez regulace, 600 mA p-p
-42
Offset [nT]
-44
uvedených
průběhů
je
patrné zlepšení dlouhodobé
-46
stability
vlivem
-48
zpětnovazební
zavedení
regulace
-50
budícího
-52
proudu,
které
-54
dovolilo udržet daný offset v
-56
rozmezí ± 1 nT i po dobu 9
-58
-60
03:00
hodin.
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
Čas [hh:mm]
Při
regulace
vyřazení
(stabilizace
této
napětí,
nikoliv proudu) se stabilita
Obr. 69 -9-hodinová stabilita, bez regulace
zhoršila na - 4 nT / 9h.
26
Zároveň
9-hodinová stabilita offsetu (Y)
regulace budícího proudu 450 mA p-p
24
je
zřejmé
snížení
šumu magnetometru na ultra-
22
20
nízkých frekvencích (ultralow-
Offset [nT]
18
frequency
16
noise),
daných
14
krátkodobou změnou offsetu.
12
Hodnota větší než 2 nT š-š pro
10
budící proud bez regulace byla
8
6
00:00
snížena na cca 1 nT š-š pro
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
Čas [hh:mm]
09:00
regulovaný budící proud (Obr.
70).
Obr. 70 - 9 hodinová stabilita, s regulací
- 64 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
5.4.
M.Janošek
Teplotní stabilita
5.4.1. Vliv elektroniky magnetometru
Pro ověření vlivu regulační elektroniky na offset a citlivost magnetometru bylo měření
provedeno pro neregulovanou amplitudu 600 mA p-p a regulovanou 550 mA p-p. Při měření
teplotního koeficientu offsetu byla elektronika zahřívána v peci, která byla po dosažení
teploty cca 45°C pasivně ochlazována (sáláním).
T e p lo tn í sta b ilita o ffse tu - e le ktro n ik a za h řívá n a .
5 5 0 p p , re g u lo vá n o
-570
44
Offset [nT]
T e p lo ta
-574
42
-576
40
-578
38
-580
36
O ffse t
-582
Teplota [°C]
-572
34
-584
32
-586
-588
30
00:-28 0 0:00 0 0:28 00:5 7 0 1:26 0 1:55 02:2 4 0 2:52 03:2 1 03:5 0 0 4:19
ca s [h h :m m ]
Obr. 71 - Časový průběh offsetu a teploty elektroniky. Regulovaný budící proud.
T e p lo tn í s ta b ilita o ffs e tu - e le k tro n ik a z a h řív á n a
5 5 0 p -p re g u lo v á n o
-5 7 0
-5 7 2
-1 ,1 n T /K
z a h řív á n í
-5 7 4
Offset [nT]
-5 7 6
-5 7 8
-5 8 0
-0 ,9 7 n T /K
o c h la z o v á n í
-5 8 2
-5 8 4
-5 8 6
-5 8 8
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
T e p lo ta [° C ]
Obr. 72- Závislost offsetu na teplotě elektroniky. Regulovaný budící proud.
- 65 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
45
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Časový průběh teplotního cyklu při měření s regulovanou amplitudou je zřejmý z Obr. 71.
Teplotní koeficient offsetu vlivem zahřívání elektroniky leží mezi -0,97 nT/K a -1,1 nT/K (Obr.
72 - hystereze).
Průběhy pro neregulovaný budící proud (600 mA p-p) jsou patrné z Obr. 73 a Obr. 74.
T e plotn í sta bilita offsetu (60 0 pp neregu lová no )
E lektronik a za hříván a
-5 7 0
54
-5 7 2
52
T ep lota
-5 7 4
50
O ffset
48
-5 7 6
Offset [nT]
44
-5 8 0
42
40
-5 8 2
38
-5 8 4
Teplota [°C]
46
-5 7 8
36
-5 8 6
34
32
-5 8 8
30
-5 9 0
28
0 1:0 0
0 2 :0 0
0 3 :0 0
0 4 :0 0
0 5 :0 0
0 6 :0 0
C a s [h h :m in ]
Obr. 73 - Časový průběh offsetu a teploty elektroniky, neregulovaný budící proud
T eplo tn í stab ilita offsetu - elektron ik a zah říván a
(6 00 p p nereg ulová no)
-57 0
-57 2
-57 4
O ffse t
L in e a r fit1
Offset [nT]
-57 6
-57 8
-58 0
-0,46 n T / °C
ochlazován í
-58 2
-58 4
-58 6
-58 8
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
T e p lo ta [° C ]
Obr. 74- Závislost offsetu na teplotě elektroniky, neregulovaný budící proud
- 66 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Z měření je možné stanovit pro neregulovanou amplitudu teplotní koeficient offsetu vlivem
elektroniky jako -0,46 nT/K (Obr. 74). Je zřejmé, že zavedení regulace budícího proudu přinese
větší teplotní závislost offsetu - vlivem teplotního koeficientu A/D převodníku a snímacího
rezistoru .
Při stanovení teplotního koeficientu citlivosti byla elektronika jako v předchozím
případě teplotně cyklována v peci a současně byly prováděny odměry za účelem stanovení
citlivosti senzoru (využitím měřícího systému z kap. 5.1.5). Z průběhů na Obr. 75 a Obr. 76
vyplývá koeficient -2V/T/K, což odpovídá cca -20 ppm z počáteční citlivosti.
Závislost citlivosti (Y) na teplotě elektroniky
buzení mimo ZV (600 mA pp)
103340
Citlivost [V/T]
103320
y = -1,9461x + 103377
103300
103280
103260
103240
30
35
40
45
50
55
60
Teplota [°C]
Obr. 75 - Závislost citlivosti na teplotě elektroniky, neregulovaný budící proud
Závislost citlivosti (Y) na teplotě elektroniky
buzení v reg. smyčce (550 mA pp)
Citlivost [V/T]
104420
104410
104400
104390
y = -2,0248x + 104473
104380
104370
29
34
39
44
Teplota [°C]
Obr. 76 - Závislost citlivosti na teplotě elektroniky, regulovaný budící proud
- 67 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
5.4.2. Vliv senzoru
Příspěvek vlastností senzoru k teplotní stabilitě celého magnetometru byl ověřen dvěma
způsoby - při určení teplotního koeficientu citlivosti byl senzor umístěn v termostatovaném boxu
v Helmholzových cívkách, a při konstantním vnějším poli byl teplotně cyklován. Cyklus
odměrů linearity za účelem stanovení citlivosti se neosvědčil, kvůli teplotní variaci během
odměru nebyly výsledky jednoznačné. Určení teplotního koeficientu offsetu probíhalo teplotním
cyklováním senzoru v termostatovaném magnetickém stínění (Obr. 53). Elektronika
magnetometru byla umístěna mimo vlastní senzor, na místo s konstantní vnější teplotou.
Teplotní koeficient citlivosti senzoru:
Pro ověření vlivu regulace budícího proudu byly opět změřeny dvě charakteristiky, pro
regulovaný budící proud 550 mA p-p (Obr. 77) a neregulovaný 600 mA p-p (Obr. 78).
Z průběhu na Obr. 77 vyplývá pro regulovaný budící proud zásadní poznatek - v
pracovní oblasti +25 - +45 °C je eliminován teplotní koeficient citlivosti senzoru až na -29 ppm z
počáteční citlivosti. Při neregulovaném budícím proudu byl pro tento teplotní rozsah stanoven
teplotní koeficient -145 ppm z počáteční citlivosti. Je tedy zřejmé, že regulace budícího proudu
přispívá k minimalizaci teplotního koeficientu senzoru (snížen 5x).
Teplotní stabilita citlivosti senzoru - budící proud regulován
-52,15
Měřené pole [μT]
-52,20
+13,3 nT/K
+253 ppm /K
-52,25
-52,30
-52,35
-52,40
-1,5 nT/K
- 29 ppm /K
-8,5 nT/K
-160 ppm /K
-52,45
-10
0
10
20
30
40
50
60
Teplo ta sen zoru [°C ]
Obr. 77 - Stanovení teplotního koeficientu citlivosti senzoru - budící proud regulován
- 68 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
T e p lo tn í s ta b ilita s e n zo ru - b u d ící p ro u d b e z re g u la c e
Merene pole [uT]
-5 3,9 0
-7 ,8 n T /K
-1 4 5 p p m
-5 3,9 5
-5 4,0 0
-5 4,0 5
-5 4,1 0
28
30
32
34
36
38
40
42
44
T e p lo ta s e n zo ru [°C ]
Obr. 78 Stanovení teplotního koeficientu citlivosti senzoru - budící proud bez regulace
Teplotní koeficient offsetu senzoru
byl stanoven pro regulovaný budící proud 550 mA p-p jako +2,2 nT / K (Obr. 79).
Z á v is lo s t o f fs e tu s e n z o ru n a te p lo tě
-1 6 5
Offset [nT]
-1 7 0
-1 7 5
+ 2 ,2 n T / K
-1 8 0
-1 8 5
-1 9 0
-1 9 5
34
36
38
40
42
44
T e p lo ta [° C ]
Obr. 79 - Stanovení teplotního koeficientu offsetu senzoru
- 69 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
46
48
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Přehled teplotních parametrů magnetometru
Z předchozích výsledků je zřejmá preference regulovaného budícího proudu, který
umožní snížení teplotního koeficientu citlivosti magnetometru, způsobené převážně vlivem
senzoru, na 1/5 hodnoty které bylo dosaženo při neregulovaném budícím proudu.
Přehled dosažených parametrů určuje Tab. 8, kde TCO je teplotní koeficient offsetu a TCK
teplotní koeficient citlivosti.
Příspěvek elektroniky
Příspěvek senzoru
Tco [ nT / K]
Tck [ppm]
Tco [ nT / K]
Tck [ppm]
S regulací
-1
- 20
+ 2,2
- 29
Bez regulace
-0,5
-20
-7
- 145
Tab. 8 - Přehled teplotních parametrů magnetometru
5.5.
Diskuze výsledků
Z určených citlivostí magnetometru je zřejmé, že citlivost v ose Z je odlišná od citlivostí v
jiných osách - to je způsobeno použitím (experimentálním) přístrojového zesilovače AD 620 s
externím rezistorem RG realizujícím zesílení 10 (osy X,Y používají AD 621). Vzhledem k tomu,
že rozdíl parametrů (linearita, šum) osy Z např. proti ose Y nebyl patrný, je toto řešení
ekvivalentní, pouze z hlediska stejných parametrů by bylo vhodné ho nahradit ho AD 621.
Jiný průběh nelinearity osy X a především zvýšený šum ukazuje na možnou degradaci
způsobenou špatnými vlastnostmi použitého senzoru - vlastní šum elektroniky byl totiž téměř
shodný s ostatními kanály. Při hledání tohoto vlivu jsem narazil na skutečnost, že senzor X
vykazuje mechanické pnutí, dané nežádoucím mechanickým předpětím již z výroby.
Dlouhodobá stabilita offsetu elektroniky je ovlivněna použitím regulace budícího
proudu – 9 hodinová stabilita řádově v 1 nT by bez ní nebyla vůbec dosažena. Došlo také k
zmenšení špičkové hodnoty šumu na ultra-nízkých frekvencích. To ukazuje na vliv změny
odporu budícího vinutí vlivem oteplení senzoru (dáno amplitudou budícího proudu a
kompenzačním proudem), který je použitím navržené regulace potlačen.
7
Hodnota nebyla stanovena, z důvodů protichůdných výsledků dvou dlouhodobých měření. Její
stanovení a evaluace vlivu regulace budícího proudu je úkolem dalších extenzivních měření.
- 70 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
Regulace budícího proudu způsobila mírné zhoršení teplotního driftu offsetu
elektroniky. Cílem budoucí práce bude tento vliv potlačit a tak plně využít výhody regulace
budícího proudu.
Pokud porovnám dosažené výsledky s magnetometrem realizovaným v rámci
semestrální práce, kde byla použitá jiná budící elektronika a senzor IIA, mohu vyvodit
následující závěry :
1. Bylo dosaženo snížení spotřeby senzoru v kompenzovaném režimu z 40 mA na
15 mA pro 50 μT. Využití tohoto senzoru umožnilo vyrobit přenosný magnetometr s
celkovou spotřebou nižší než 1,7 W.
2. Bylo dosaženo nepatrně horší (osa Y), resp. lepší nelinearity (osa X,Z), v porovnání
s hodnotou 70 ppm pro senzor IIA a magnetometr předchozí konstrukce.
3. 3-hodinová stabilita 3,7 nT, dosažená v předchozí verzi, byla zlepšena až na 1 nT
během 4 hodin.
4. Šumové vlastnosti byly, až na senzor X, shodné (Efektivní hodnota šumu v pásmu
0,1-10 Hz 116 pTRMS pro senzor IIA a předchozí elektroniku, v porovnání se 138 resp.
120 pT RMS dosaženými nyní).
5.6.
Dosažené parametry magnetometru
Rozsah : ± 50 μT, s rezervou do ± 80 μT.
Citlivost, nelinearita a šum v jednotlivých osách:
Citlivost
Nelinearita
BN − PSD1
BN − BW 10
[V/T]
[ppm z FS]
[pTRMS√Hz ]
[pTRMS ]
osa X
106757
65
32
374
osa Y
106562
93
18
138
osa Z
104413
60
11
120
Odečet z indikačního voltmetru:
±1 dg = ± 10 nT
Teplotní koeficient offsetu:
+1,2 nT / K
(typicky)
Teplotní koeficient citlivosti (25 °C <T<45 °C)
- 50 ppm
(typicky)
Napájení :
4 x 1,2 V AA NiMH akumulátory
Napájecí proud :
230 ( nulové pole) - 350 mA (plný rozsah)
Příkon
1,1 - 1,7 W
- 71 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
6. Závěr
V rámci této diplomové práce jsem realizoval přenosný magnetometr s analogovými
výstupy, napájený z baterií. Pro snížení spotřeby, která je v kompenzačním režimu dána
použitým senzorem, byl vyvinut nový senzor IIIA - ten umožnil snížení kompenzačního
proudu pro rozsah zemského pole (± 50 μT) až na 15 mA, z předchozích 40 mA pro senzor
IIA. Vzhledem k integraci v přenosném přístroji jsem navrhl způsob generování budícího
signálu mikrokontrolérem, odlišný od používaných konstrukcí. S přihlédnutím k ověřené
závislosti velikosti offsetu magnetometru na použitém budícím proudu, jsem navrhl a
realizoval stabilizaci amplitudy budícího proudu. Vzhledem k absenci tohoto prvku ve
většině dosud realizovaných magnetometrů byl vliv této regulace detailně ověřen během
extenzivních měření parametrů. Její kladný vliv byl ověřen především na dlouhodobou
stabilitu offsetu (ta byla zlepšena 3x proti původní verzi) a teplotní koeficient citlivosti
magnetometru. Zhoršení teplotního koeficientu offsetu elektroniky, způsobené vlastnostmi
regulační smyčky, je možné eliminovat pečlivým výběrem součástkové základny.
Z hlediska příkonu napájení (1,7W při měření v plném rozsahu) jsou i v tomto designu
náměty na zlepšení – snižování příkonu je totiž primárním úkolem při integraci fluxgate
senzorů v magnetometrech, a to především přenosných - způsob zavedení zpětné vazby by
bylo možné volit jiný, než tradiční (např. napájením integrátoru z ± 1/2 akumulátorového
bloku). Snížení příkonu umožní také dále minimalizovat vliv teplotních koeficientů
elektroniky magnetometru. Z hlediska další charakterizace magnetometru by bylo nutné,
pro přesné stanovení citlivostí a offsetů v jednotlivých osách, použít metodu thin-shell pro
jeho kalibraci. Fluxgate senzor v ose X vykazoval odchýlené parametry, byla by na místě
jeho výměna a případné opětovné ověření parametrů.
Magnetometr byl realizován jako funkční celek, a
je plně využitelný v kontextu
dosažených parametrů - citlivosti typicky 106 600 V/T, nelinearity lepší než 93 ppm z
plného rozsahu a efektivní hodnoty šumu v pásmu 0,1-10 Hz typicky 130 pTRMS. Zároveň
teplotní stabilita, nutná u přenosných přístrojů, je dostatečná - teplotní koeficienty offsetu
1,2 nT/ K a citlivosti −50 ppm/K jsou dosažitelné jen při použití fluxgate senzorů v
magnetometru.
- 72 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
7. Použitá literatura
[1.1]
[1.2]
[1.3]
[1.4]
[1.5]
[1.6]
[1.7]
[1.8]
[1.9]
[1.10]
[1.11]
[1.12]
[1.13]
[1.14]
[1.15]
[1.16]
[1.17]
[1.18]
[1.19]
[1.20]
[1.21]
P. Ripka (ed.): Magnetic sensors and magnetometers. Artech House, Inc., 2001. ISBN 158053-057-5.
David P. Stern: The Great Magnet, the Earth (2000), online
http://www.phy6.org/earthmag/demagint.htm
Gary A. Glatzmaier, Paul H. Roberts:A three-dimensional self-consistent computer
simulation of a geomagnetic field reversal, Nature, 377, 203-209 (1995).
David P. Stern: “Exploration of the Earth's Magnetosphere", online
http://www.phy6.org/Education/aurora.htm
M. Janošek: Analogue processing unit for miniature fluxgate sensor. Semestral Project, Dept.
of Measurement CTU FEE, 2006.
K. Draxler, P. Kašpar, P. Ripka: Magnetické prvky a měření (In Czech). ČVUT 1999, ISBN
80-01-01909-8.
P. Ripka: Advances in fluxgate sensors. Sens. Act. A, vol. 106 (2003), pp. 8-14.
O.V. Nielsen, J.R. Petersen, F. Primdahl, P. Brauer, B. Hernando, A. Fernandez, J.M.G.
Merayo, P. Ripka: Development, construction and analysis of the ‘Ørsted’ fluxgate
magnetometer. Meas. Sci. Technol., vol. 6 (1995), pp. 1099-1115.
P. Ripka: Racetrack fluxgate sensors. Sens. Act. A, vol. 37-38 (1993), pp. 417-421.
P. Ripka, F. Primdahl: Tuned current-output fluxgate. Sens. Act. A, vol. 82 (2000), pp. 161166.
P. Ripka, S.O. Choi, A. Tipek, S. Kawahito, M. Ishida: Pulse Excitation of Micro-Fluxgate
Sensors. IEEE Trans. Mag., vol. 37 (2001), no. 4, pp. 1998-2000.
O. Dezuari, E. Belloy, S.E. Gilbert, M.A.M. Gijs: Printed circuit board integrated fluxgate
sensor. Sens. Act., vol. 81 (2000), pp. 200-203.
L. Perez, C. Aroca, P. Sánchez, A. López, M.C. Sánchez: Planar fluxgate sensor with an
electrodeposited amorphous core. Sens. Act. A, vol. 109 (2004), pp. 208-211.
A. Baschirotto, E. Dallago, P. Malcovati, M. Marchesi, G. Venchi: Fluxgate Magnetic
Sensor in PCB Technology. IMTC 2004, Como, Italy, 2004.
P. Ripka: Race-track fluxgate with adjustable feedthrough. Sens. Act. A, vol. 85 (2000), pp.
227–231.
T. Pöthig: Universal excitation unit for fluxgate sensors. Internal report, CTU FEE, August
2004.
V.V.Vacquier: Apparatus for responding to magnetic field, patentová přihláška USA č.
2406870, 1941
E.B. Pedersen, F. Primdahl, J.R. Petersen, J.M.G. Merayo, P. Brauer, O.V. Nielsen: Digital
fluxgate magnetometer for the Astrid-2 satelite. Meas. Sci. Technol. 10, 1999.
P. Brauer, T. Risbo, J.M.G. Merayo, O.V. Nielsen: Fluxgate sensor for the vector
magnetometer onboard the „Astrid-2“ satellite. Sens. and Act. 81, pp. 184-188, 2000.
P. Ripka, F. Primdahl: Tuned current-output fluxgate. Sensors and Actuators 82, p.p. 161166, 2000.
C. Moldovanu, P. Brauer ,O.V. Nielsen, J.R. Petersen: The noise of the Vacquier type sensors
referred to changes of the sensor geometrical dimensions. Sensors and Actuators 81, p.p. 197199, 2000.
- 73 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
[1.22] P. M. Drljaca, P. Kejik, F. Vincent, D. Piguet, F. Gueissaz, R. S. Popovic: Single core fully
integrated CMOS micro-fluxgate magnetometer, Sens. Act. A, vol. 110 (2004), pp. 236–241.
[1.23] J. Kubík: PCB Fluxgate sensors. Disertační práce – Katedra měření ČVUT FEL, 2007
[1.24] V. Petrucha: Magnetometr pro fluxgate kompas. Diplomová práce ČVUT FEL 2007
[1.25] P.Kejik, L. Chiesi, B. Janossy, R.S. Popovic: A new compact 2D planar fluxgate sensor with
amorphous metal core, Sens. Act. A., vol. 81, pp. 174, 2000.
[1.26] S. Kawahito, S.O. Choi, K.Aramaki., T.Eki, Y.Tadokoro, M. Ishida: A delta sigma interface
technique with noise shaping and its pplication to fluxgate sensor system. Sens. Act. A, pp.
824-827, 2000.
[1.27] P. Ripka: Noise and stability of magnetic sensors. Journal of Magnetism and Magnetic
Materials, 157-158, pp. 424-427,1996.
[1.28] TU Braunschweig: Elektrische Messaufnehmer für nichtelektrische Größen . Soubor
přednášek, http://www.emg.tu-bs.de/lehre/vl/vl_mng.htm.
[1.29] T- Risbo, P. Brauer2, J. M G Merayo, O. V. Nielsen, J. R. Petersen, F. Primdahl, I. Richter:
Ørsted pre-flight magnetometer calibration mission, Meas. Sci. Technol. 14, pp 674-688, 2003
[1.30] Microchip Corporation: PIC16F7X7 Data Sheet, pp. 87-92
[1.31] USGS - National Geomagnetism Program, http://geomag.usgs.gov/
[1.32] Umeå University, Dept. Of Physics: http://www.tp.umu.se/forskning/space/
8. Publikační činnost
Stati ve sbornících:
1. Kubík, J. - Janošek, M. - Ripka, P. - Včelák, J.: Low-power Fluxgate Signal Processing
Using Gated Differential Integrator. EMSA '06 - 6th European Magnetic Sensors and
Actuators Conference. Bilbao: University of the Basque Country, 2006, s. 132.
2. Kubík, J. - Janošek, M. - Ripka, P.: Magnetometer with Pulse-Excited Miniature Fluxgate
Sensor Cores. In Magnetic Measurements '06 - The Book of Abstracts. Bratislava: Slovak
University of Technology, 2006, s. 38-39. ISBN 80-227-2452-1.
3. Janošek, M. - Kubík, J. - Ripka, P.: Magnetometr s PCB fluxgate senzory a pulzním
buzením. In Zborník abstraktov 7. medzinárodnej vedeckej konferencie Nové trendy rozvoja
letectva. Košice: Slovenský letecký inštitút a. s., 2006, s. 177-178. ISBN 80-8073-519-0.
Články v periodikách:
1. Kubík, J. - Janošek, M. - Ripka, P.: Low-Power Fluxgate Sensor Signal Processing Using
Gated Differential Integrátor. Sensor Letters, Vol. 5, No 1, 2007, s. 149-152
2. Kubík, J. - Janošek, M. - Ripka, P.: Magnetometer with Pulse-Excited Miniature Fluxgate
Sensor. Journal of Electrical Engineering. 2006, vol. 57, no. 8/S, s. 80-83. ISSN 1335-3632.
- 74 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate
M.Janošek
9. Seznam příloh:
1. Tištěné přílohy :
Příloha 1.
Příloha 2.
Příloha 3.
Příloha 4.
Schéma budící a řídící elektroniky magnetometru
Schéma elektroniky kanálů X,Y,Z
Výkres držáku senzorů
Motivy plošných spojů
2. Přílohy obsažené na CD-ROM:
Příloha 5. Diplomová práce ve formátu MS Word a Adobe PDF
Příloha 6. Schéma elektroniky magnetometru (Orcad 9+)
Příloha 7. Motivy tištěných spojů (Orcad 9+)
Příloha 8. Simulační schémata magnetometru a buzení
Příloha 9. Výkres držáku senzorů ve 2D a 3D (Solidworks)
Příloha 10.Konstrukce senzoru IIIA - motivy DPS (Orcad 9+)
Příloha 11.Software pro mikrokontrolér (CCS PICC)
Příloha 12.Software pro měřící systémy (NI LabView 8+)
Příloha 13.Schéma, DPS a SW pro komutátor (Orcad, CCS)
Příloha 14.Datové listy použitých součástek a dílů
Příloha 15.Data jednotlivých měření (Origin, MS Excel)
Příloha 16.Všechny v DP použité obrázky
- 75 -
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
adresář 01.DP
adresář 02..Schema
adresář 03.PCB
adresář 04.Simulace
adresář 05.Drzak3D
adresář 06.SenzorIIIA
adresář 07.PICSW
adresář 08. MericiSyst
adresář 09. Komutator
adresář 10 .Datasheet
adresář 11. Mereni
adresář 12. Obrazky
PWR
KL3
KL2
B_PWM
A_PWM
100n
1
VDD
SW1
RESET
MC LR /VPP/THV
74H C04
2
U 11A
9
5
4
2
1
47
C8
100n
C30
100u
C 33
+12
6
7
2
3
8
U 13B 74HC 00
3
B
LP2951
FB
SENSE
SH DN
VIN
5
+5
+
ERR
TAP
VOU T
C32
100u
100n
KL2
GN D
KL1
VCC
KL3
1
4
3
5
6
2
B/
5
6
1
R 9_2
51k
C58
2
1
+
100u
C 36
R 9_1
330k
100
C5
100n
C37
2
6
1
14
7
5
6
U 24B
7
8
+9
+5
R 27
150k
R ELAY SPST
R L1
-12
C25
100u
VC C
100k
R16
VBRIDGE
5k
FB
Vcc
Ipk
DRc
+
4
6
2
7
1
8
R7
5
6
7
8
VBRIDGE
MC34063
Gnd
Ct
SWe
SWc
U5
MC34063
R16
100k
4
3
2
1
TL084/SO
C 11
100n
R 13
3k9
PWR
REF
L1
10u
D2
BAS18
REF2.5
C2
100n
VD D
R5
10
8
100u
4x1.2V
J4
+
PWR
1,235*(1+R2/R1)
C35
1n
74HC04
6
A/
100n 100n
C34 C 60
U11C
1
2
3
4
5
KLAV
MCP4921
+V
VOUTA
U1
LM336-2.5V/TO
SDI
SCK
/LDAC
VREFA
/C S
U4
J555
C1
100n
2k
R2
C61
100n
REF2.5
C31
VC C
U15
+
47
C9
Y1 20MH z
SD O
PICTX
PICR X
/CS
A_PWM
2F_PWM
SC K
74H C00 U13A
C 29
100u
+
10
11
12
13
14
15
16
17
18
VC C
PIC 16F873
RA0/AN 0
R C0/T1OSO/T1CKI
RA1/AN 1
RC1/T1OSI/CCP2
RA2/AN 2/VR EFRC 2/CCP1
RA3/AN 3/VR EF+
R C3/SCK/SCL
RA4/T0CKI
R C4/SDI/SDA
RA5/SS/AN4
RC5/SDO
RC 6/TX/CK
R C7/RX/DT
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
OSC2/CLKOUT
RB6/PGC
RB7/PGD
OSC1/CLKIN
C10
20
1
21
22
23
24
25
26
27
28
VDD
2F_PW M
R9
10k
C101
100n
VPP
KL1
DB4
DB5
MM_X
DB6
MM_Y
DB7
MM_Z
B_PWM
PGC RS
PGD RW
20
2
3
4
5
6
7
16F737 - 3 PWM!
GND
GND
19
8
EN1
U2
Onboard programming
connector
LT1175
SENSE
SHDN
ILIM2
ILIM4
3
2
3
2
R26
200k
C TRL
VC C
+
RS-0512D
100k R18
+
C38
100u
100n
C 39
SGND
+VOUT
-VOUT
C15
10n
R EF
VPEAK
BAT48
D3
D1
BAT48
C4
470u
100k R14
C6
2u2
C18
470u
VCC
U12
3
R20
100k
VIN OU TPU T
VIN
U16
C26
100n
1
0.5
+
TL084/SO U 24A
100k
R11
R4
C19
2u2
GND
1
J2 PR OG
R21
10k
100u
C27
VCC
100u
C20
8
5
2F_PWM
1
4
3
2
-
+
U24C
1
74HC 74/SO
CLR
PRE
Q
Q
TL084/SO
C 16
100n
9
10
CLK
D
LL
LH
RH
RL
R8
LH
LL
U14A
+12
C28
100n -12
C21
100n
8
D RVH
DR VL
SW
7
8
5
7
ADP3412JR
100n
D 1N 4148
D5
SW
? DRVH
DRVL
R10
5k
VCC
VCC
BST
DLY
IN
U6A
C7
VC C
BST
DLY
IN
100n
AD P3412JR
GND _SIGNAL
-9
7
6
8
4
VCC
1k R15
1
3
2
4
VC C
EXB
1
3
2
EXA
U3A
C3
5
6
7
2
3
8
5k1
LP2951
FB
SENSE
SHDN
VIN
U10
20k
R23
9
ERR
TAP
Date:
Size
A3
Title
13
12
11
74HC 00
74HC 00
U13D
11
Document Num ber
DP M. Janosek
P1
9
8
7
6
5
74F04
Sheet
10
PIC TX
232TX
C17 10u
1
of
GN D_SIGNAL
GN D
+5
1
3
4
5
2
6
11
10
13
8
EXB
EXA
74F04
U11E
8
100n
C24
MAX232
C1+
C1C2+
C2V+
V-
T1IN
T2IN
8
+
+5
GN D
VCC
T1OU T
T2OU T
U7
R 1IN
R 2IN
U11D
9
J1
LCD _C ONN
R1OU T
R2OU T
C23
100u
15
VC C
16
14
7
4
GND
5
9
4
8
3
7
2
6
1
CON N DSU B 9-R
3
2
GND
232RX
1
U 13C
R17
100k
232RX
PICR X 12
9
Q2B
IRF7103/SO
Q2A
IRF7103/SO
EXC1
EXC2
CON NEC TOR D B9
J3
232TX
FLUXX
GND
FLUXZ
GND
FLUXY
GND
GND
Napajeci cast + uprocessor- D GIM3D
5
6
1
R24
2F_PWM
10
13
12
U 24D
VOUT
-
+
RSENSE
RL
EXC 2
Q1B
IRF7103/SO
EXC 1
RH
Q1A
IRF7103/SO
TL084/SO
14
/F_PWM
GND
4
VCC 10
GND 9
EN1 8
RS 7
RW 6
D B4 5
D B5 4
D B6 3
D B7 2
1
+
+
+
1
2
3
4
5
GND
4
+
+
-
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
+
+
+
-
VPP
VDD
GND
PGC
PGD
2
Rev
01
C 14 10u
C 13 10u
C 1210u
ZOU T
GND
YOUT
GND
XOU T
Příloha 1. Schéma budící a řídící elektroniky magnetometru
B/
A/
GND
B/
A/
+9
-9
RZ13 RZ14
47k
5k1
CZ3
MKS 2.5mm
RY15 RY13
47k
5k1
CY3
2
3
-9
OUT
R37 47k
-IN
+IN
+9
6
Low Noise
-9
+5
-9
OUT
6
6
Low Noise
2
15
10
7
D1
D2
D3
D4
ADG451
UZ2A
1. zes, G=10
?
SY M 1 OF 1
2
15
10
7
D1
D2
D3
D4
ADG451
UY1A
1. zes, G=10
Low Noise
?
?
20
MM_Z
MM_Y
20
MM_Z
MM_Y
MM_X
+5
+9
-9
10u
CYF6
CYF1
10u
10u
3
14
11
6
A/
16
S1
S2
S3
S4
IN2
IN1
IN3
IN4
RZ7
1
3
2
8
RG1
+
CY6
10n
1
3
2
8
CZ6
10n
CYF9
100n
CYF4
100n
10k
RZ12
10k
CZ4
10n
CYF10
100n
CYF5
100n
1
3
2
8
-9
RG1
+
RG2
REF
-9
RG1
+
RG2
-9
CYF11
100n
+9
CY F12
100n
REF
AD620/AD
6
10u
C51
C46
10u
OUT
6
5
UZ3
OUT
5
UY6
6
5
U19
OUT
REF
AD620/AD
Diff. gated integrator
10k
RY12
10k
CY4
10n
-9
RG2
Diff. gated integrator
10k
C43
10n
10k
C41
10n
AD620/AD
Diff. gated integrator
R33
RY7
R30
CYF8
100n
CYF3
100n
A/
16
3
14
11
6
B/
1
9
8
ADG451BNZ
S1
S2
S3
S4
B/
1
9
8
ADG451BNZ
IN2
+
A/
16
3
14
11
6
B/
1
9
8
ADG451BNZ
IN1
IN3
IN4
S1
S2
S3
S4
IN2
IN1
IN3
IN4
+ CYF7
CYF2
10u
SY M 1 OF 1
Blocking cap = X7R multilayer
Blocking elyt = tantal encapsulated
RZ11 47k
-IN
+IN
+9
MM_X
2
3
OUT
RY1147k
-IN
+IN
UY3A
OP1177AR
UZ1A
2
3
+9
OP1177AR
D1
D2
D3
D4
SYM 1 OF 1
2
15
10
7
1. zes, G=10
Blocking cap = X7R multilayer
Blocking elyt = tantal encapsulated
R38
5k1
MKS 2.5mm
R36
47k
C42
GND_SIGNAL
-9
+9
10n
FLUXZ
10n
FLUXY
10n
FLUXX
U20A
7
+9
-9
4
7
+9
-9
4
7
+9
-9
4
-9
+5
+9
4
12
13
VSS
VL
VDD
GND
5
-9
+5
+9
4
12
13
VSS
VL
VDD
GND
5
-9
+5
+9
VSS
VL
VDD
GND
5
4
VV+
+97
4
VV+
+97
4
VV+
+97
10u
+ C53
C44
10u
10k
RZ9
10k
RY9
10k
R32
RZ16
10k
RY16
10k
R34
10k
+
-
+
-
+
+9
-
+
+9
C50
100n
C45
100n
OP-97/AD
2
3
-9
UY5
OUT
-9
6
R28
600
UZ4
RZ6
600
C52
100n
C47
100n
Low
Offset,
Low Offset
Dritf
6
Low
Offset,
Low Offset
Dritf
OUT
-9
6
Low
Offset,
Low Offset
Dritf
CZ2 68n
OP-97/AD
2
3
OUT
U18
CY 2 68n
OP-97/AD
2
3
+9
C40 68n
7
V+
VN1
N2
4
1
8
7
V+
VN1
N2
4
1
8
7
V+
VN1
N2
4
1
8
C54
100n
C48
100n
RZ2
37R
RY6
600
RY2
37R
R31
37R
8
2
3
1
20
+5
10k
R43
REF
RG2
-
RG2
-
+
RG1
+9
-9
AD620/AD
8
2
3
1
+9
AD620 nebo AD621
CZF1
-9
10u
CZF7
+
10u
REF
5
6
10u
CZF8
+
10u
CZF2
5
6
UZ5
OUT
-9
REF
OUT
UY2
10k
R44
5
6
U22
OUT
-9
+9
+
RG1
AD620/AD
RZ3 RG
C55
100n
RG2
-
+
RG1
AD620 nebo AD621
RY3RG
C49
100n
8
2
3
1
AD620/AD
R39 RG
+9
AD620 nebo AD621
100n
7k
93k
100n
CZF9
7k
RZ5
CZF3
RZ8
RY8
93k
RY4
Q3
BC337
R400 7k
93k
R40
100n
CZF10
100n
+9
-9
+9
-9
+9
-9
CZF4
/20
/20
/20
2
3
2
3
2
3
VDD
VSS
IN
+9
-9
13
4
1u
VDD
VSS
IN
1u
VDD
VSS
IN
100n
D
S
100n
CZF12
100n
CZF6
ADG431/SO
VDD
VSS
IN
15
14
Date:
-IN
+IN
+9
-IN
+IN
+9
MM4.5
MM_X
MM_Y
MM_Z
GND
GND
6
5
4
3
2
1
-9
RY10
10k
6
RZ10
10k
MM_Y
Sheet
MM_Z
100n+6k=20Hz
OUT
Thursday , May 24, 2007
Document Number
DP M. Janosek
6
MM_X
R42
10k
100n+6k=20Hz
UZ6A
-9
OUT
UY4A
CONN PCB 6
J8
470n+93k=2Hz
2
3
OP1177AR
470n+93k=2Hz
2
3
OP1177AR
6
100n+6k=20Hz
OUT
A
-9
Signalov a cast X,Y,Z
CZ7
330n
CZ5
100n
CY7
330n
CY5
100n
-IN
+IN
+9
470n+93k=2Hz
2
3
OP1177AR
C577
370n
C57
100n
Size
A3
Title
+9
-9
13
4
S4B
20
15
14
1
RZ6 147k
CZ1
CZF11
100n
CZF5
13
4
16
D
S
S3B
+9
-9
13
4
ADG431/SO
VDD
VSS
IN
ADG431/SO
D
S
S4A
13
4
16
20
1
RY5 147k
CY1
ADG431/SO
D
S
D
S
ADG431/SO
VDD
VSS
IN
S3A
13
4
16
15
14
20
1
ADG431/SO S2B
D
S
S2A
R41 147k
1u
C56
Spinani vystupniho napeti by vzhledem k nenulovemu proudu /napr. 5V - 1MOHm = 5uA mohlo
zpusobit vlivem driftu ubytek napeti === 4,4x5uA=22uV resp. 4x5uA=20uV a take jeho
teplotni zavislost. Spinam tedy tam, kde tecou minimalni proudy.
7
+9
7
V+
V-
4
7
V+
V-
4
7
V+
V4
MM4.5
MM4.5
2
of
ADG431/SO
S2C
2
Rev
01
ADG431/SO
S4C
ZOUT
ADG431/SO
S3C
YOUT
MM4.5
XOUT
D
S
-9
4
7
+9
-9
4
7
+9
-9
4
10
11
9
9
VDD
VSS
13
4
+9
-9
IN
9
10
11
D
S
IN
10
11
D
S
IN
VDD
VSS
13
4
+9
-9
VDD
VSS
13
4
+9
-9
4
12
13
+
MKS 2.5mm
+
ADG451
+
OP1177AR
+
U17A
+
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
+
Blocking cap = X7R multilayer
Blocking elyt = tantal encapsulated
Příloha 2. Schéma elektroniky kanálů X,Y,Z
Příloha 2. Schéma elektroniky kanálů X,Y,Z
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Příloha 3 - Výkres držáku senzorů
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Příloha 4 – Motivy plošných spojů
Motiv vrchní strany DPS (1:1)
Motiv spodní strany DPS (1:1)
Diagram rozmístění součástek na DPS
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Příloha 4 – Motivy plošných spojů
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement