Systém pro mapování magnetických anomálií s využitím fluxgate gradiometrů

Systém pro mapování magnetických anomálií s využitím fluxgate gradiometrů
ESKÉ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta elektrotechnická
Katedra mení
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Systém pro mapování magnetických anomálií
s využitím fluxgate gradiometr
System for mapping of magnetic anomalies with the
use of fluxgate gradiometers
Vedoucí práce
Ing. Michal Janošek
Autor
Bc. Jan Roun
Praha 2011
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatn a použil jsem
pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v piloženém seznamu.
Nemám závažný dvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona
.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem
autorským a o zmn nkterých zákon (autorský zákon).
V Praze dne ……………………….
…………………………………….
podpis
Podkování
Dkuji svým rodim a pítelkyni za podporu a trplivost bhem tvorby této
diplomové práce. Dále pak všem, kteí pispli k dokonení této práce,
pedevším vedoucímu své diplomové práce Ing. Michalu Janoškovi za odborné
vedení práce, pozitivní pístup a za cenné rady a pipomínky
Anotace
Diplomová
práce
popisuje
realizaci
šestnáctisenzorového
gradiometrického systému. Ten umožuje mapování magnetických anomálií,
k jejichž mení v reálném ase byl vytvoen mící systém v programovém
prostedí LabView. K realizaci jednojádrových gradiometr jsou využity fluxgate
senzory. V práci je popsán princip innosti a popis realizace jednotlivých ástí
gradiometrického systému, kterými jsou soustava gradiometrických sond,
stávající elektronika pro buzení senzor, elektronika pro zpracování výstupních
signál senzor a mící karta pro sbr dat vetn programového vybavení.
Annotation
The objective of this diploma thesis is realization of gradiometric system
with 16 sensors. It enables for real-time mapping of magnetic anomalies with a
LabView based measuring system. Individual single-core gradiometers were
realized by fluxgate sensors. In the diploma thesis, the operating principle and
implementation of individual parts of gradiometric system are described. The
system consists of gradiometric sensors, excitation electronics, signal extraction
electronics and data acquisition module with apropriate software.
Obsah
1. Kapitola .................................................................................................. - 1 -
Úvod .............................................................................................................. - 1 -
2. Kapitola .................................................................................................. - 2 -
Teoretický rozbor ......................................................................................... - 2 -
2.1
Mení magnetického pole ve vzduchu ............................................. - 2 -
2.2
Rozsahy citlivostí senzor................................................................. - 4 -
2.3
Základní typy senzor pro mení slabých mag. polí ........................ - 5 -
2.3.1
Feromagnetické magnetorezistory ............................................. - 5 -
2.3.2
Sondy typu fluxgate .................................................................... - 7 -
2.4
Technologie PCB pro výrobu fluxgate sond .................................... - 10 -
2.5
Gradient magnetického pole ........................................................... - 11 -
2.6
Mení gradientu magnetického pole - gradiometry ........................ - 12 -
2.7
Digitalizace fluxgate sond ............................................................... - 15 -
3. Kapitola ................................................................................................ - 16 -
Realizace a popis gradiometrického systému ......................................... - 16 -
3.1
Fluxgate gradiometr ........................................................................ - 16 -
3.1.1
Jádro senzoru ........................................................................... - 17 -
3.1.2
Snímací, budící a gradientní vinutí senzoru ............................. - 18 -
3.1.3
Návrh senzoru .......................................................................... - 19 -
3.2
Elektronika zpracování signálu ....................................................... - 21 -
3.2.1
Kanál pro zpracování gradientního signálu .............................. - 21 -
3.2.2
Kanál pro kompenzaci homogenního pole ............................... - 25 -
3.3
Použitá budící elektronika ............................................................... - 27 -
3.4
Použitý A/D pevodník..................................................................... - 30 -
3.4.1
Popis A/D pevodníku ............................................................... - 30 -
3.4.2
Analogový vstup ....................................................................... - 31 -
3.4.3
Vícekanálové mení dat – možnosti karty USB-6212 ............. - 32 -
3.5
Gradiometrická soustava sond ........................................................ - 36 -
3.6
Celkové zapojení gradiometrického systému .................................. - 39 -
4. Kapitola ................................................................................................ - 41 -
Softwarová realizace .................................................................................. - 41 -
4.1
Struktura mícího systému ............................................................ - 41 -
4.1.1
Triggerování mených dat ....................................................... - 42 -
4.1.2
Zpracování dat.......................................................................... - 43 -
4.2
Ovládání programu ......................................................................... - 47 -
5. Kapitola ................................................................................................ - 50 -
Mení ......................................................................................................... - 50 -
5.1
Astatizace gradientního vinutí gradiometr ..................................... - 50 -
5.2
Kalibrace gradiometr ..................................................................... - 52 -
5.3
Testovací mení ............................................................................ - 57 -
6. Kapitola ................................................................................................ - 61 -
Závr ........................................................................................................... - 61 -
Seznam použité literatury a internetových odkaz ................................. - 62 -
Seznam obrázk a tabulek ........................................................................ - 65 -
Seznam píloh............................................................................................. - 67 -
1.
Kapitola
Úvod
Fluxgate gradiometry jsou senzory sloužící k mení gradientu magnetického pole.
Ten je asto vyžadován pi mení v malé vzdálenosti od zdroje meného pole a tehdy,
kdy je poteba potlait rušivá pole ze vzdálených zdroj (pedevším magnetické pole
zem). Jejich hlavním úelem je lokalizace objekt, které jsou pro lovka neviditelné,
ale mají magnetické vlastnosti (vyhledávání min, nedestruktivní defektoskopie atd.).
V prbhu 2. svtové války sloužily magnetometry využívající princip fluxgate
gradiometr k vyhledávání nepátelských ponorek. Detekce se provádla z
extrémn nízko letících letadel (pibližn 150 m nad zemí). Od skonení války se
aerometrické mení využívají pedevším k vyhledávání nerostných surovin (rudná
ložiska, ropa). V dnešní dob jsou gradiometry využívány také napíklad pro
biomagnetická mení (nap. magnetopneumografie - vyšetovací metoda ke zjišování
retence prachu v plicích), mohou být použity v zaízeních pro vyhledávání
feromagnetických objekt (nap. minohledaky). Bžn jsou také používané
v archeologickém a geologickém przkumu.
S ohledem na ti faktory (rozsah, rychlost zmn a vektorový charakter senzoru) byly
do této diplomové práce jako nejvhodnjší snímae vybrány fluxgate senzory jako
nejcitlivjší senzory pracující pi pokojové teplot. Vzhledem k nutnosti sestavit matici
16ti senzor, byla pro jejich základní návrh vybrána technologie plošných spoj.
Tato diplomová práce popisuje realizaci gradiometrického systému k mení
magnetického pole, resp. anomálií vznikajících v tomto poli. Tento systém se skládá ze
4 hlavních ástí:
1. fluxgate gradiometry
2. držák senzor
3. budící a snímací elektronika
4. mící systém ( 2 A/D pevodníky + mící program)
Držák soustavy gradiometr je navržen tak, aby ho bylo v budoucnosti možné
pipojit k podvsu kvadrokoptéry, nebo jiného bezpilotního prostedku.
Souástí této práce je také návrh mícího systému, který je schopen v reálném ase
detekovat odchylky v meném magnetickém poli a zobrazovat pomocí 2D intenzitního
grafu v programovém prostedí LabView.
-1-
2.
Kapitola
Teoretický rozbor
Tato kapitola popisuje principy mení magnetických polí a pístroje, kterými je
možné tato pole mit. Na zaátku jsou popsány základní pojmy a veliiny, které jsou
dležité pro popis magnetického pole. V další ásti jsou pak uvedeny základní typy
senzor a jejich citlivostní rozsahy. Na konci této kapitoly je definován gradient a
zpsoby mení magnetického gradientu.
2.1 Mení magnetického pole ve vzduchu
Zpracováno z [1] a [2]. Základním vztahem používaným pi mení magnetického
pole ve vzduchu je závislost mezi magnetickou indukcí B a intenzitou magnetického
pole H.
B
P ˜ P0 ˜ H
(1.1)
kde μ je pomrná permeabilita prostedí a jedná se obecn o tenzor 2. ádu. Je to
bezrozmrné íslo, avšak pro vzduch je μ prakticky rovna 1, proto ji mžeme zanedbat.
μ0 je permeabilita vakua a jedná se o konstantu s hodnotou μ0 = 4·10-7 H·m-1.
Magnetická indukce je vektorová veliina, která vyjaduje silové úinky
magnetického pole na ástice s nábojem. Mžeme ji definovat jako sílu F psobící na
vodi o délce l, kterým prochází elektrický proud I.
F
I >l u [email protected]
>N ; A, m, T @
(1.2)
Jednotkou magnetické indukce je Tesla [T], nkdy se též pedevším v anglicky
hovoících zemích užívá jednotka Gauss [G], pevodní vztah je 1 G = 10-4 T.
Intenzita magnetického pole je také vektorová veliina a využíváme ji pro vyjádení
magnetického pole v látce. Mžeme ji definovat z I. Maxwellovy rovnice (Ampérova
zákona)
³ Hdl
I
d\
dt
(1.3)
kde je elektrický indukní tok, který mžeme pi malých frekvencích zanedbat.
Z Ampérova zákona pak platí, že pro velmi dlouhý vodi, jímž prochází známý proud I,
mžeme vypoítat intezitu magnetického pole v libovolné vzdálenosti r od stedu
vodie podle vztahu
-2-
H
>A ˜ m
I
2 ˜S ˜ r
1
; A, m
@
(1.4)
Další dležitou veliinou je magnetický tok . Vyjaduje souhrnný tok magnetické
indukce procházející uritou plochou. Jde o skalární veliinu definovanou naptím
indukovaným v závitu ui pi asové zmn toku ui
dI
dt
>V ;Wb, [email protected]
(1.5)
Jednotkou magnetického toku je Weber [Wb]. 1Wb mžeme také vyjádit jako 1 Vs
(Voltsekunda). Tok mžeme také definovat jako plošný integrál magnetické indukce,
tedy
I
³³ BdS ³³ B dS
n
S
>Wb; T , m @
2
S
kde Bn je složka vektoru B kolmá na plochu dS.
-3-
(1.6)
2.2 Rozsahy citlivostí senzor
Rozsah magnetických polí, které je možné mit pomocí magnetometr, se
pohybuje v rozmezí od desítek T až po jednotky fT. Na obr. 1 je znázornn rozsah
citlivostí základních senzor. Na X-ové ose je znázornna velikost jednotlivých polí
v logaritmickém mítku a na Y-ové ose jsou vyneseny jednotlivé skupiny senzor.
Mode zabarvené ára zobrazuje pibližný rozsah polí mitelných vyrábnými pístroji
a erven zabarvená ára vyznauje publikované hodnoty namené laboratorními
pístroji.
fT
pT
nT
μT
mT
T
kT
Mící cívka
Fluxgate sonda
Rezonanní
SQUID
Hallova sonda
Magnetorezistor
Magnetodioda
Magnetooptické
Zemské pole
Magnetické anomálie
Biomagnetická pole
elektromagnety
supravodivé a pulsní magnety
Obr. 1– Rozsah citlivostí základních skupin senzor (pevzato z [1])
Nejslabšími mitelnými poli jsou biomagnetická pole, jejich rozsah se pohybuje od
jednotek fT (u mozku) až po desítky pT (u srdce). Magnetické pole zem má pibližn
50 μT, jeho variace a anomálie jsou v ádu desítek nT. Navrhovaný systém se bude
pohybovat práv v rozsahu zemského magnetického pole, z uvedeného grafu tedy pro
vektorové senzory vychází výbr mezi magnetorezistivními a fluxgate sondami.
-4-
2.3 Základní typy senzor pro mení slabých mag. polí
Zpracováno z [1] a [2]. K mení slabých magnetických polí se využívají senzory
založené na mnoha odlišných fyzikálních principech. Pojem slabé magnetické pole
znamená pibližný rozsah magnetické indukce od jednotek nT do stovek μT. V této ásti
jsou uvedeny pouze vybrané základní vektorové magnetické senzory, které by bylo
možné použít pro konstrukci gradiometrického systému. Jsou to:
1. Feromagnetické magnetorezistory – AMR, GMR
2. Sondy typu fluxgate
V tomto výbru nejsou uvedeny Hallovy sondy, pestože jsou to jedny
z nejrozšíenjších magnetických sond. Pro mení slabých magnetických polí se však
v dnešní dob píliš nevyužívají kvli špatným parametrm a velké teplotní závislosti.
Využití nalézají pedevším v mén nároných aplikacích (nap. dvoustavový výstup),
zejména v automobilovém prmyslu.
Na rozdíl od bžn užívaných sníma mají magnetické snímae specifické
vlastnosti dané použitím nelineárních materiál. Mezi dležité parametry magnetických
senzor patí teplotní drift, citlivost, spolehlivost, energetická náronost, cena,
hystereze, odolnost proti vlivm prostedí a další.
2.3.1 Feromagnetické magnetorezistory
AMR
Tyto idla využívají anizotropního magnetorezistivního jevu, tzn. že proudu
tekoucímu ve smru magnetizace magnetického materiálu je kladen vtší odpor, než
proudu tekoucímu kolmo ke smru magnetizace. Jev vzniká v tenkých filmech
z magnetických
obvykle
materiál,
z permalloye.
Magnetorezistivní idla jsou
cca 50x citlivjší než Hallovy
sondy.
Relativní
zmna
odporu, tedy pomr nejvtšího
a nejmenšího odporu, je asi
Obr. 2 – základní princip AMR senzor (pevzato z [2])
okolo 4%. Na obr.2 je zobrazen základní princip AMR senzor. V levé ásti je
znázornno mené pole psobící v rovin proužku, kolmo k jeho ose. V pravé ásti se
nachází základní charakteristika AMR. Jedná se o závislost odporu na úhlu mezi
-5-
proudem a magnetizací. Ta je siln nelineární, navíc nelze zjistit orientaci vnjšího pole.
Kvli tomu se využívá tzv. “Barber-pole” geometrické linearizace. Na proužek jsou
napaeny pod úhlem 45° proužky
hliníkových
mnohem
pásk.
vtší
Hliník
vodivost
má
než
permalloy a proto proud tee mezi
hliníkovými
proužky
k ose
permalloyového proužku, dochází
k posunu charakteristiky a tedy k její
linearizaci.
Problém u AMR senzor je,
pokud
jsou
vystaveny
silnému
vnjšímu mg. poli. To pak mže
zpsobit zniení vnitního uspoádání
Obr. 3 – periodické flipování u AMR (z [24])
domén. ešením je tzv. “flipování“,
to znamená, že se obnoví vnitní magnetizace silným mg. polem periodickým
magnetováním v obou smrech (viz obr. 3). Dsledkem tohoto ešení je navíc snížení
hystereze senzoru, která je bez flipování v ádu jednotek procent, zatímco s flipováním
se jedná o setiny procent. Naopak nevýhodou je zvýšení spoteby a také snížení šíky
pásma. Magnetorezistivní senzory se používají pro mén nároné aplikace, jako nap.
teky karet, mén pesné kompasy i tecí hlavy.
GMR
Efekt GMR (Giant MagnetoResistance) byl poprvé objeven v roce 1988
výzkumným týmem, který vedl Peter Grünberg. Senzory tohoto typu využívají závislost
elektrického odporu na tom, zda magnetizace feromagnetických pilehlých vrstev je
paralelní i antiparalelní. Pro paralelní magnetizaci je celkový odpor nejnižší a je
nejvyšší pi magnetizaci antiparalelní. GMR senzory se využívají v aplikacích, kde se
vyžaduje vysoká citlivost a vysoká rychlost – v dnešní dob jsou pedevším využívány
v pevných discích.
-6-
2.3.2 Sondy typu fluxgate
Fluxgate senzory patí do skupiny indukních senzor. Ty jsou založeny na
Faradayov indukním zákonu. Využití nalézají pedevším v mení stejnosmrného,
nebo nízkofrekvenního magnetického pole
v rozsahu asi od 100 pT do 0,1 mT.
Rozlišitelnost mají obvykle okolo 100 pT
(mohou dosáhnout rozlišení až 10 pT).
Jedná se o nejcitlivjší vektorové senzory
pracující
pi
pokojové
teplot.
Pouze
SQUID senzory (viz [2]) jsou citlivjší,
Obr. 4 – Princip feromagnetické sondy (z [2])
avšak ty potebují tekuté helium nebo
dusík (kvli vysokým teplotám) a proto jsou nevhodné pro satelitní i penosné
aplikace.
Využití fluxgate senzor je velmi široké. První patent na fluxgate senzor získal
v roce 1931 H. P. Thomas. Od 80. let byly
fluxgate
senzory
spolu
s protonovým
magnetometrem využívány pro sledování zmn
magnetického pole zem. V dnešní dob je
možné
využít
tyto
v magnetometrech
snímae
pracujících
napíklad
v družicích,
defektoskopii, navigaci nebo v laboratorních
pístrojích pro mení remanentní magnetizace.
V základní konfiguraci obsahuje sonda 1
feromagnetické jádro s navinutou budící a
snímací cívkou (viz obr. 4). Jádro je periodicky
pesycované budící cívkou. Pi pebuzení klesá
relativní permeabilita materiálu. Detekce se
provádí
na
V nepítomnosti
2.
(sudé)
vnjšího
pole
harmonické.
se
jádro
pesycuje symetricky do obou polarit H (viz
obr. 5a – horní prbh magnetického toku ).
Pi
psobení
vnjšího
pole
však
dojde Obr. 5 – Prbhy fluxgate senzoru (z [2])
k posunutí (viz obr. 5b – dolní prbh ) a nesymetrie se projeví na výstupu. To
-7-
znamená, že se tedy zanou indukovat naptí do snímací cívky každou sudou
harmonickou podle rovnice (musí se uvažovat zmna permeability i indukní efekt):
Ui
N ˜ S ˜ P0 ˜ Pr ˜
dH
dP
N ˜ S ˜ P0 ˜ Pr ˜ H
dt
dt
(2.1)
Mení pomocí Fluxgate sond je nejvyužívanjší v pípad, kdy je poteba rozlišení
v ádu nT. Z praktických zkušeností a také z rovnice (viz [12])
Ui
N ˜S ˜
dB
dt
N ˜ S ˜ P0 ˜ H 0 ˜
dP (t )
1 D
˜
2
^1 D ˜ P (t ) 1` dt
(2.2)
kde D je efektivní demagnetizaní faktor, plyne, že pro dosažení nejvtší citlivosti
senzoru existují urité zásady:
x
Citlivost je vtší, ím vtší je poet závit N ( pokud je ovšem hodnota N
píliš vysoká, tak se projevují další faktory, jako je napíklad parazitní
kapacita cívky, omezující zvyšování citlivosti)
x
Citlivost monotónn stoupá s demagnetizaním faktorem D
x
Napová citlivost roste s budící frekvencí, dokud nezane mít významný
vliv parazitní efekt (který mní tvar hysterézní smyky)
Pokud je poteba mit stedn silná magnetické pole (v rozsahu cca od 1 μT do 10
mT), je možné využít AMR senzory. Ty mají sice horší rozlišení (desítky nT), avšak
jsou menší, levnjší a mají menší spotebu. Z toho tedy plyne, že hlavními nevýhodami
fluxgate senzor je jejich pomrn vysoká cena a také velké rozmry. Proto je pi
návrhu senzor snaha o miniaturizaci. Naopak jejich pednostmi jsou teplotní stabilita,
malý šum na nízkých frekvencích a robustní konstrukce.
Konstrukní uspoádání
Pi konstrukci fluxgate sond je možné využít rzné typy uspoádání. V paralelní
konfiguraci to mohou být:
x
senzor s jedním jádrem
x
senzor s dvojicí jader Vacquierova typu
x
senzor s dvojicí jader Försterova typu
x
senzor s toroidním jádrem
x
senzor s jádrem race-track
-8-
Dvoujádrový fluxgate senzor Vacquierova typu (viz obr. 6) má jádro ve tvaru dvou
rovnobžných pásk se spoleným antisériov zapojeným snímacím vinutím, ale
oddlenými
Jelikož
budícími
jsou
v opaném
vinutími.
jádra
smru,
buzena
odstraní
se
rušivý signál na první harmonické
Tato konstrukce nalézá dodnes
využití pedevším v defektoskopii.
Dalším
typem
je
senzor
Försterova typu. Zde jsou také dv
rovnobžná
jádra
jako
u
Vacquiera, ovšem snímací vinutí
Obr. 6 – Konstrukní uspoádání (z [2])
jsou zvláš pro každé jádro a propojena jsou sériov. Tato konstrukce umož
uje
snadnjší polohování jader a tím regulování vyvážení senzoru. Nevýhody Vacquierova
a Försterova typu uspoádání jsou otevené konce jader senzor, které zpsobují horší
stabilitu offsetu a menší možnost zamezení rušivých signál. Naopak jejich velkou
výhodou je vysoká citlivost a odolnost proti kolmým polím.
Velmi asto využívanou konfigurací jsou toroidní senzory (viz obr. 6 vpravo). Ty
jsou uspoádány tak, že budící vinutí je namotané na jádru a snímací vinutí je navinuté
okolo celého jádra. Toto uspoádání sice snižuje citlivost avšak zvyšuje odolnost proti
rušení. Výhodou tohoto typu jsou malé rozmry oproti ostatním konstrukním
uspoádání.
Posledním typem je senzor s oválným jádrem (race-track senzor, viz obr. 10). Ty
jsou vhodné práv do gradiometr. Díky nízkému demagnetizanímu faktoru mají
pomrn vysokou citlivost a také jsou odolné vi kolmým polím. Senzory s jádrem
race-track byly využity v této diplomové práci.
-9-
2.4 Technologie PCB pro výrobu fluxgate sond
Senzory použíté v gradiometrickém systému byly vyrobeny pomocí vícevrstvé
hybridní PCB (Printed Cicrcuit Board) technologie. Vícevrstvé desky plošných spoj
(DPS) vznikají slisováním nkolika tenkých DPS. Tato technologie je popsána nap. v
[19]. Pro vytvoení jednotlivých závit budícího i homogenního vinutí je využito
vodivých cest vyrobených leptáním z mdných fólií nalepených na izolaní laminátové
desce a prokov spojující tyto vodivé cesty na jednotlivých vrstvách desky. Výhodou
této technologie je pedevším možnost hromadné výroby. V neposlední ad také není
nutné vinout jednotlivé cívky. Omezení oproti runímu motání cívek spoívá pouze v
nutnosti minimální vzdálenosti mezi vodivými cestami (i prokovy), ta je dána
možnostmi technologie výroby. Pro návrh DPS se používají CAE systémy usnad
ující
vývoj.
Senzory mohou být tí a vícevrstvé – napíklad v diplomové práci [5] byl popsán 35
mm senzor vyrobený technologií dvojí laminace ve vrstvách 4+1. Bakaláská práce [11]
se zase zabývala konstrukcí jednojádrového gradiometru pln v technologii PCB.
Obr. 7 – Tívrstvý PCB senzor (z [20])
- 10 -
2.5 Gradient magnetického pole
Matematicky je gradient funkce f promnných x1, x2, ..., xn vektor o souadnicích
Gf Gf
,
x1 x 2
,...,
Gf
xn
, znaí se grad(f) nebo ‫׏‬f. Je-li S jednotkový vektor, pak skalární souin
grad(f) · S je derivací funkce f ve smru S. Smr vektoru grad(f) je smrem nejvtší
zmny funkce f. Obecn pak znamená gradient smr rstu. Je to tedy vektor, který je
v každém bod prostoru tený k dané funkci. Mžeme ho spoítat jako:
grad ( f ) ’f
Gf ˆ Gf ˆ Gf ˆ
i
j k
x
y
z
(2.3)
Obr. 8 – Píklad gradientního pole, a) 3D model, b) 2D model (z [20])
Na obr. 8a) je znázornno gradientní pole ve 3D modelu. Na obr. 8b) je pak to samé
pole, pouze v dvourozmrném zobrazení. Šipky v tomto grafu pedstavují smr rstu
daného pole.
Tato práce se zamuje na mení magnetického gradientního pole. a proto se bude
urovat gradient magnetické indukce. Magnetická indukce je vektor a podle tvrzení, že
použití gradientu na tenzor zvyšuje ád o jedna, je tedy gradient tenzor 2. ádu. Mžeme
napsat:
’B
§ wB x
¨
¨ wx
¨ wB x
¨ wy
¨
¨ wB x
¨
© wz
wB y
wx
wB y
wy
wB y
wz
wB z
wx
wB z
wy
wB z
wz
·
¸
¸
¸
¸
¸
¸
¸
¹
(2.4)
kde jednotlivé složky tvoí parciální derivace funkce vyjadující dané skalární pole, tedy
každá složka vyjaduje zmnu magnetického pole v jednom smru (x,y,z). V této práci
- 11 -
bude využita pouze složka jednoho smru, a to
wB y
wy
(jedná se o vertikální složku). Pro
tuto složku pak lze napsat zjednodušující vztah:
grad ( B)
B y ( y 2 ) B y ( y1 )
y 2 y1
(2.5)
2.6 Mení gradientu magnetického pole - gradiometry
Mení gradientu magnetického pole je využíváno v bezkontaktní defektoskopii a
pedevším v detekci a lokalizaci feromagnetických ástic. Jednotkou gradientu
magnetického pole je T/m (Tesla/metr). Hlavními výhodami mení gradientního
magnetického pole je:
x
dobré rozlišení blízkých zdroj magnetického pole
x
efektivní potlaení rušivých homogenních polí (pedevším zemského pole)
Tyto výhody jsou dsledkem toho, že magnetická pole od blízkých zdroj mají silný
gradient, a proto jsou dobe mitelná. Naopak daleko vzdálené zdroje mají pole tém
homogenní a proto jsou pi mení gradientního pole potlaené.
Gradient pole je možné mit dvma základními typy gradiometr:
1. Gradiometr ze dvou nebo více senzor
2. Gradiometr z jednoho senzoru
První možností je vytvoení gradiometru ze dvou nebo více samostatných senzor a
následné odeítání hodnot z tchto sníma (viz [2], [22]). Tento zpsob (pro dva
senzory) je zobrazen na obr. 9. Zde je možné vidt tyi dvojice fluxgate senzor. Tuto
konstrukci s fluxgate senzory jsem vytvoil v rámci semestrálního projektu. Každé dva
snímae umístné vertikáln nad sebou tvoí jeden gradiometr. Samotný gradient je pak
následn získán z hodnot senzor rozdílem, který je realizován softwarov v mícím
systému. Ideální hodnota vzdálenosti senzor (tzv. gradiometrická základna) by byla
nulová, avšak v reálném uspoádání je poteba myslet na vzájemné ovliv
ování sond a
také na omezení konen nízkou úrovní šumu jednotlivých sond. Proto napíklad u
tohoto uspoádání (viz obr. 9, fluxgate gradiometry) byla gradiometrická základna d 20 cm. Minimální vzdálenost bývá nejastji okolo 10 cm. Obvykle se využívá senzor
s toroidním jádrem, protože mají lepší šum, vyvážení a stabilnjší offset. Jejich hlavní
výhodou jsou však malé rozmry. Fluxgate senzory na obr. 9 však mají race-track jádro,
- 12 -
protože zajišuje vyšší citlivost a odolnost proti
kolmým polím. Jejich nevýhodou je naopak
horší hodnota šumu. Jeden z dvojice senzor
má obvykle zptnovazební smyku nastavenou
tak, aby kompenzaní proud, který je výstupní
veliinou, byl pro oba senzory stejný. Tím se
docílí zvýšení linearity. V takovémto režimu
pak druhý senzor pracuje v otevené smyce a
jeho výstup je pímo rozdíl pole. Další
možností je kompenzace obou senzor zvláš a
následné odetení hodnot sníma.
Druhou možností je vytvoení gradiometru
z jednoho senzoru (tzv. single-core Fluxgate
gradiometer, viz lit. [3], [4], [6] a [8]). U
takovéhoto uspoádání je možné zmenšit
gradiometrickou základnu a zachovat nízkou
úrove
šumu. Zatímco u systému s dvojicí
Obr. 10 – Gradiometry ze 2 senzor
senzor je minimální základna alespo
10 cm, u jednojádrových gradiometr mže být
tato vzdálenost mnohem menší. Kratší gradiometrická základna napomáhá odstranní
vlivu blízkých rušivých polí a umož
uje lepší aproximaci gradientu jako veliiny (viz
2.5). Napíklad u fluxgate gradiometru na obr. 10, který je popsán v [8], je délka
základny pouze
3,75cm. Tyto
gradiometry z jednoho senzoru
obsahují
dv
nebo
více
snímacích
gradientních
cívek
obklopující
feromagnetické
jediné
jádro,
jejichž
rozestup uruje práv velikost
gradiometrické
Využívá
se
základny.
bu
oddlených
blok elektroniky pro každou
Obr. 9 – Píklad jednosenzorového gradiometru (z [8])
snímací cívku zvláš, nebo jsou cívky antisériov propojeny a jediný blok elektroniky
získává odezvu na gradientní pole, piemž homogenní pole potlauje.
- 13 -
U systému dle obr. 10 se využilo diferenního snímacího vinutí, tzn. že na oválném
jáde byly navinuty dv snímací cívky antisériov propojeny. Podobná konstrukce jako
na obr. 10 je využita i v této práci, avšak je využita konstrukce senzoru v PCB
vzhledem k perspektiv lepší opakovatelnosti geometrických a dalších parametr
senzoru, nehled na ádový rozdíl v cen výroby. Více o konstrukci a parametrech
vyrobeného fluxgate gradiometru bude uvedeno v následující kapitole 3.
Píkladem využití mení gradientu je tzv. magnetopneumografie, což je
diagnostická metoda k vyšeteení zaprášení plic magnetickým prachem. Ta je urená
pedevším pro skupiny s profesní zátží (vysoký podíl feromagnetického prachu, tedy
napíklad svaovny, brusírny i slévárny). Tuto metodu pvodn navrhl D. Cohen v 70.
letech a využil k tomu stínnou místnost a SQUID magnetometr. V dsledku vysoké
ceny byla snaha nalézt mnohem levnjší systém s fluxgate gradiometry (viz [4]). Zde
nejdíve došlo k zmagnetování subjektu ve stejnosmrném poli, poté se zmilo
remanentní pole plic a nakonec se urilo množství a rozmístní prachu v plicích. Více o
magnetopneumografii viz [22].
Dalším píkladem využití mení gradientu magnetického pole je detekce
podvodních min, kdy je gradiometr umístn na miniaturní, na dálku ízené, ponorce.
Primárn je na takovouto lokalizaci uren sonar, který má velký dosah umož
ující
pokrytí velké oblasti. Nicmén existuje mnoho stav, kdy je mení sonarem
neefektivní (umístní miny na dn oceánu, detekce jiných pedmt, atd.). V takovýchto
pípadech je využití gradiometr velmi uinné.
- 14 -
2.7 Digitalizace fluxgate sond
V mnoha minulých i souasných pracích a experimentech se využívá digitalizace
fluxgate magnetometr (viz [16]). Existují ti známé cesty k digitalizaci fluxgate
magnetometr:
1. Využití delta-sigma modulace ve zptné vazb senzoru
2. Pln digitální detekce výstupního signálu fluxgate senzoru
3. Analogový magnetometr využívající vysoce pesný A/D pevodník
Hlavním dvodem využívání - magnetometr je fakt, že jejich správným
návrhem je možné zvtšit ád modulace, který nakonec zvyšuje dynamický rozsah A/D
pevodu. První - magnetometr využívající zptnovazební demodulaci byl uveden v
[17].
Pi realizaci pln digitálního magnetometru je analogové zpracování signálu
nahrazeno pln digitální detekcí realizovanou pomocí programovatelných hradlových
polí FPGA (Field Programmable Gate Array), nebo digitálních signálových procesor
DSP. Tyto magnetometry se obvykle skládají ze senzoru, budící jednotky, A/D
pevodníku, DSP i FPGA, D/A pevodníku a zptnovazebního lenu. Jejich velkou
výhodou je digitální rekonfigurace bez nutnosti zmny hardwaru. Nevýhoda tchto
magnetometr spoívá v horším rozlišení a také v malé frekvenní odezv oproti
analogovým
magnetometrm
s digitálním
výstupem.
Pesto
se
oekává,
že
v budoucnosti s vývojem rychlejších a pesnjších A/D a D/A pevodník budou
analogové magnetometry postupn nahrazeny pln digitálními.
V souasné dob je však stále nejpoužívanjší koncepce pln analogové elektroniky
zpracování signálu a následný A/D pevod je proveden až na samotném výstupu
snímací elektroniky pomocí vysoce pesného A/D pevodníku. Tento koncept byl využit
také v této práci. Jejich hlavní výhodou je nejvyšší možné dosažitelné rozlišení ze všech
tí koncept. Na druhou stranu není možné mnit jejich parametry beze zmny
hardwaru.
- 15 -
3. Kapitola
Realizace a popis gradiometrického systému
V této kapitole budou uvedeny všechny jednotlivé ásti gradiometrického systému.
Nejdíve je popsána konstrukce sond fluxgate gradiometru, následují informace o
principu snímací a budící elektroniky. Dále je v této kapitole popsána realizace držáku
gradiometrické soustavy sond. Nejpodstatnjší ástí této kapitoly je celkové zapojení
gradiometrického systému znázornné a popsané v závru této kapitoly.
3.1 Fluxgate gradiometr
Podle zadání byl k realizaci fluxgate gradiometru využit stávající koncept
jednojádrového fluxgate gradiometru navrhnutý v [11]. Ten byl však upraven tak, že
gradientní cívka není provedena v technologii tištných spoj (kvli píliš malé
citlivosti a tedy velkému šumu v pvodní verzi) a bylo zmnno také budící a snímací
vinutí, u nichž byl zvtšen poet závit a budící vinutí bylo homogenizováno. Celkové
externí rozmry senzoru byly zachovány, avšak do koncových ástí po podélné stran
byly navrženy obdelníkové výezy, které byly poté využity k runímu navinutí
gradientních cívek. Vzhledem k pesnému frézování tchto záez a jejich pozici
vzhledem k ostatním ástem senzoru je takové uspoádání vhodné pro konstrukci
jednojádrového gradiometru.
Obr. 11 – Schéma fluxgate gradiometru
Senzory byly vyrobeny jako deska plošných spoj, která vznikla slisováním 5 (viz
obr. 12)
tenkých DPS. Minimální rozte mezi homogenním vinutí je 0,25 mm
- 16 -
s prmrem mené cesty 0,15 mm a tlouškou 20 μm. U budícího vinutí byla
minimální rozte 0,35 mm, prmr mdné cesty 0,375 mm a tlouška opt 20 μm.
3.1.1 Jádro senzoru
Na obr. 11 je principiální schéma jádra senzoru vetn budícího, snímacího a
gradientního vinutí. Pro senzor bylo vybráno jádro oválného typu z amorfního
materiálu. Ty se vyznaují tím, že nemají krystalovou mížku a jejich hlavní výhodou je
tedy absence magnetokrystalické anizotropie, spolu s vynikajícími magnetickými
vlastnostmi.
Použité jádro je vyrobeno z materiálu VITROKOV 8116 o tloušce 20 μm.
Materiál tohoto jádra fluxgate senzoru byl použit napíklad v [3], porovnání s permalloy
i nanokrystalickými materiály lze nalézt v [7]. Všechny rozmry jádra jsou uvedeny
v tab. 1. Finální rozmr jádra (ovál) byl zhotoven leptáním firmou Pragoboard.
Parametry jádra
VITROKOV 8116
(Co67Fe4Cr7St8Br14)
Materiál
délka
šíka (celková)
šíka pásku
Rozmry
vnitní oblouk polomr
vnjší oblouk polomr
tlouška
a
b
c
R1
R2
-
70,50 mm
12,10 mm
2,00 mm
4,08 mm
6,08 mm
0,02 mm
Tab. 1 – Parametry jádra fluxgate gradiometru
Pro správnou funkci gradiometru je dležitou vlastností jádra stejná tlouška po celé
délce jádra. Pokud by tlouška jádra kolísala, byl by senzor nesymetrický a docházelo
by ke vzniku rušivého signálu. Napíklad v míst, kde je velikost pole stejná na obou
gradientních vinutích (nulový gradient) by jádro s rznou tlouškou zpsobovalo
- 17 -
falešný výsledek. To samé platí také pro magnetické vlastnosti. V pípad, že by byla
napíklad permeabilita materiálu rzná v jednotlivých ástech jádra, zpsobovalo by to
stejný efekt jako pro rznou tlouštku po délce jádra. Nicmén alespo
ásteného
potlaení odezvy vlivem magnetických nehomogenit lze dosáhnout simultánní
kompenzací homogenního pole psobícího na gradiometr (viz [18]).
3.1.2 Snímací, budící a gradientní vinutí senzoru
Vínutí navrhovaného fluxgate gradiometru (viz obr. 11) lze v této práci rozdlit na:
x
Budící vinutí Nb
x
Homogenní snímací/kompenzaní vinutí Ns
x
Gradientní vinutí 2 u Ng (propojeny antisériov)
Budící vinutí obepíná jádro po celé jeho délce. Oproti návrhu senzoru z pvodní
verze je rozložení více rovnomrné pedevším v obloucích jádra. Díky tomu je možné
dosáhnout nižšího šumu a lepší linearity senzoru – ta totiž závisí práv na rozložení
budícího i snímacího vinutí (viz [19]). V tab. 2 jsou porovnány poty závit a jejich
odpor pvodní verze a upravené varianty pro tuto práci. Z tabulky je patrný
mnohonásobný nárst závit jak budící, tak snímací cívky.
Snímací (kompenzaní) cívka sloužící ke kompenzaci homogenní složky pole se
160 závity uzavírá tém celé jádro krom koncových oblouk, kde se oekává vyšší
šum senzoru. Nárst jejího odporu je dán pedevším zvýšením potu závit, ale také
menším prmrem mdné cesty, nž je u pvodního návrhu (pvodní návrh - prmr
mené cesty 0,20 mm).
Parametry
Vinutí
Poet závit
Odpor
Budící
Snímací
Gradientní
Budící
Snímací
Gradientní
Nb
Ns
2 u Ng
Nb
Ns
2 u Ng
Gradiometr
Pvodní Upravený
100
212
47
160
2 u 100
3,8 2,9
4,4 33,1
2 u 28,3 -
Tab. 2 – Porovnání parametr gradiometru
- 18 -
Gradientní cívka je rozdlena do dvou ástí navinuta run pes výezy v senzoru a
každá ást je složena ze 100 závit. Tyto dv ásti gradientního vinutí jsou spojeny
antisériov a vzdálenost jejich os je 4,65 cm. Takto krátká gradiometrická základna má
výhodu práv v mení blízkých zdroj magnetický polí i pi velkém rušení.
3.1.3 Návrh senzoru
Na obr. 12 jsou znázornny jednotlivé vrstvy gradiometru. V prostední ásti se
nachází jádro, které je umístno mezi laminátovými vrstvami, na kterých je realizována
spodní a horní vrstva budícího vinutí. Na krajích jsou pak umístny vrstvy snímacího
vinutí.
Navržení senzoru jsem provedl v softwaru OrCAD Layout. Motivy plošných spoj
jsou zobrazeny v píloze 4. Senzory byl vyrobeny firmou PRAGOBOARD. Kvli
problémm pi výrob bylo dodáno se znaným zpoždním 15 funkních senzor. U
ostatních sond došlo k propojení budícího a homogenního vinutí a tím defacto
k znehodnocení senzoru. Nkteré funkní senzory nemly navíc pesn umístná jádra
ve stedu senzoru. Mení tedy muselo být provedeno s 15 gradiometry namísto
požadovaných 16.
Bylo využito 5 vrstev DPS: nejdíve se jádro (uložené do frézovaného obrysu
prostední vrstvy) zalisovalo mezi dv vrstvy tvoící budící vinutí a poté došlo k
zalaminování dvou vnjších vrstev se snímacím vinutím.
Na obr. 13 je pak znázornn kompletní návrh senzoru. Externí rozmry senzoru jsou
76,7 x 24 mm. Na koncích podélných hran jsou obdélníkové výezy (hloubka výezu
2,6 mm, délka 10 mm), které slouží jako zarážka pro runí navíjení gradientních cívek.
Na obr. 14 je finální provedení senzoru s navinutými gradientními cívkami (2 u 28,3 ).
- 19 -
Obr. 12– Vrstvy fluxgate gradiometru
Obr. 13 – Návrh fluxgate gradiometru v programu OrCAD
Obr. 14 – Fluxgate gradiometr
- 20 -
3.2 Elektronika zpracování signálu
Ke zpracování výstupního naptí z fluxgate gradiometru byl upraven stávající
systém zpracování signálu se spínanými integrátory. O pvodním systému zpracování
více informací zde [5]. Jednotka snímací elektroniky byla upravena tak, aby bylo možné
zpracovat nejen výstupní signál z gradientního vinutí, ale také signál ze snímacího
vinutí, který byl využíván ke kompenzaci homogenní složky pole. Bylo tedy poteba
zpracovávat
z každého
fluxgate
gradiometru
2
signály
(gradientní,
snímací
(kompenzaní) homogenní).
Na každé desce snímací elektroniky byly tedy umístny 4 kanály pro zpracování
gradientního signálu a 4 kanály pro pro kompenzaci homogenního pole, celkem tedy
byly poteba 4 elektroniky zpracování signálu (pro 16 gradiometr). Další zmnou byla
modifikace elektroniky vycházející ze zkušenosti pi realizaci semetrálního projektu a
konzultacemi s vedoucím práce.
3.2.1 Kanál pro zpracování gradientního signálu
Blokové schéma kanálu pro zpracování gradientního signálu je zobrazeno na obr.
15. Naptí z gradientního vinutí sondy LG je pivedeno na horní propust prvního ádu
(C1, R1) a následn zesíleno v neinvertujícím zesilovai (NI). Signál je pak veden do
synchronního detektoru PSD (Phase-Sensitive Detector), který je složen ze dvou
spína a integrátoru (podrobnjší popis níže). Spínae jsou ízeny externím signálem
A/. Ped výstupem je signál ješt filtrován pes dolní propust 2. ádu. Na rozdíl od
kanálu pro snímací signál, kanál pro zpracování gradientního signálu neobsahuje
zptnou vazbu. Postup návrhu jednotlivých souástek je uveden dále. Protože gradientní
citlivost je pomrn nízká, musel jsem uvažovat velikost šumu na vstupu horní propusti
a zesilovae. Horní propust je použita jak pro ástené odstranní první harmonické
signálu, tak pro oddlení vstupního klidového proudu OZ a jeho šumu od vlastní cívky
(tento proud by zase generoval šum).
Obr. 15 – Blokové schéma gradientního kanálu
- 21 -
Návrh horní propusti
Hodnoty C1 a R1 byly upraveny oproti stávajícímu návrhu tak, aby se dosáhlo co
nejmenšího Johnsonova (tepelného) šumu, jehož zdrojem je každý odpor. Vycházím
z rovnice:
UŠ
4 ˜ k ˜T ˜ R ˜ B
(3.1)
k......... Boltzmannova konstanta (1,380658·10-23 J·K-1)
kde
T......... teplota [K]
R......... odpor []
B......... šíka pásma [Hz]
Vlastní šum s pvodním odporem R1 vycházel 27 nV/ Hz . Pro minimalizaci byl
zmenšen odpor R1 více jak desetkrát na hodnotu 1k. S tímto odporem byla hodnota
vlastního šumu 5 nV/ Hz . To odpovídá pi teoretické minimální hodnot citlivosti
50 V/T/ m na gradientním vinutí šumu 100 pT / m / Hz a na snímacím vinutí pi
hodnot 300 V/T šumu o velikosti pibližn 20 pT / Hz , což pln dostauje pro
uvažované provedení gradiometru. Pro zlomovou frekvenci f < 15 kHz byl navržen
kondenzátor C1 na hodnotu 100 nF. Optimalizací se sice zvtšilo zatížení snímacího
vinutí gradiometru, avšak vzhledem k nízkému potu závit a nízké výstupní impedanci
vinutí to není na závadu.
Návrh neinvertujícího zesilovae
Kvli minimálnímu šumu byly také zmnny odpory R1 a R2 u neinvertujícího
operaního zesilovae, jehož schéma je
na obr. 16. Ten je realizován OZ
AD797, který se vyznauje práv
nízkým šumem a malým zkreslením.
Zesílení
zesilovae
bylo
experimentáln nastaveno na 10 a
hodnoty odpor R1 a R2 byly podle
Obr. 16 – Schéma neinvertujícího zesilovae
katalogových list (viz [25]) vybrány
pro R1 = 33 a R2 = 300 . Zde se muselo uvažovat s tím, že pokud by byly hodnoty
odpor vtší, zvýšil by se tím i vlastní šum zesilovae.
U nových hodnot odpor je pak vlastní šum na vstupu zesilovae 1,2 nV / Hz . Pro
gradientní vinutí (a tedy pro kanál ke zpracování gradientního signálu) s minimální
- 22 -
citlivostí 50 V/T/ m je hodnota šumu na vstupu zesilovae 24 pT / m / Hz a pro
snímací vinutí (tedy pro kanál ke kompenzaci homogenního pole) je šum 4 pT / Hz .
Kvli optimální stabilit pi šumu vtším než 1 nV / Hz se mže ješt pidat paraleln
k R2 kondenzátor CL, který má hodnotu 5 pF.
Popis synchronního detektoru
Synchronní detektor, který pvodn využíval rozdílového pístrojového zesilovae
se spínanými integrátory, byl modifikován podle [14]. Princip tohoto synchronního
detektoru je takový, že i když jsou oba spínae S1 a S2 rozpojeny, dostane se do obvodu
nepatrný náboj (charge injection). Ten je však absorbován kondenzátory C1 a C2 Kondenzátor C2 spolu se zesilovaem v tom okamžiku tvoí integrátor ukládající pouze
rušivé naptí z injektovaného náboje. Díky obvodovému ešení se pak rušivé naptí
(z obou injektovaných náboj) vyruší. Odpor R2 pak zajišuje, aby obvod zstal
symetrický. Díky tomuto principu je možné využít ke konstrukci detektoru i relativn
levnjší a rychlejší spínae s vyšší katalogovou hodnotou injektovaného náboje než
v práci [5].
Obr. 17 – Schéma PSD detektoru
Schéma zapojení fázov citlivého detektoru je na obr. 17. Dvojice spína S1 a S2 je
realizována ADG611 (monolitický CMOS spína). Obsahuje 4 nezávislé spínae a
proto bylo možné využít 1 souástku pro 2 kanály. Spínae jsou ízeny obdélníkovým
- 23 -
signálem (/A) pipojeným z budící elektroniky. Jedná se o asov synchronní okno,
jehož parametry (frekvence, amplituda, stída) je možné dále mnit a nastavit tak
správnou fázi synchronního detektoru. Jako operaní zesilova byl zvolen AD8676,
který má dv dvojice nezávislých vstup, 2 rail-to-rail výstupy a minimální šum. Proto
ho bylo možné, stejn jako spína ADG611, využít vždy na dva kanály elektroniky.
Hodnoty souástek RC lánku R1 a C1 byly zvoleny tak, aby asová konstanta byla
mnohem vtší, než je spínací doba S1. Pi nastavené hodnot ídícího signálu /A na
budící jednotce f=15 kHz a stíd 20%, byla šíka okna integrátoru:
T
1
1
˜ 0 ,2 13,3 μs
f
(3.2)
Pi hodnotách odporu R1 = 2,2 k a kondezátoru C1 = 68 nF byla velikost asové
konstanty W
R1 ˜ C1 150Ps . Je tedy patrné, že podmínka je splnna.
Z hlediska popisu v asové oblasti integraní lánek funguje jako pamový obvod.
To znamená, že po ukonení naintegrování naptí rozepnutím spína S1 a S2 je na
výstupu nemnný signál až do doby, než spínae opt sepnou, výstupní signál detektoru
je tedy ásten vzorkován, je nutné ho rekonstruovat dolní propustí.
Návrh dolní propusti
Dolní propust 2. ádu typu Butterworth umístná ped výstupem byla navržena se
zlomovou frekvencí 25 Hz. Oproti pvodní verzi byly pepoítány souástky tak, aby se
snížila impedance filtru (a tedy jeho vlastní šum) zhruba desetkrát. Je zde využit OZ
AD8671 a hodnoty odpor a kondenzátor byly navrženy takto: R1=9,1 k, R2=10 k,
C1=470 nF, C2=1 μF. Dvojitý OZ nebyl nakonec kvli vhodnému uspoádání na desce
plošných spoj použit.
Obr. 18 – Dolní propust 2. ádu
- 24 -
3.2.2 Kanál pro kompenzaci homogenního pole
Na obr. 19 je znázornno blokové schéma kanálu využívajícího snímací signál.
Oproti gradientnímu kanálu využívá zptnovazebního režimu. Vytváené pole
kompenzuje pole vnjší v uzavené smyce. Výstupní veliinou je hodnota
kompenzaního naptí snímaného na odporu RZV.
Vstupní naptí ze snímacího homogenního vinutí LH stejn jako u gradientního
kanálu vedeno pes horní propust do neinvertujícího zesilovae (NI) a následn pes
fázov citlivý detektor (PSD), ke kterému je pipojen externí signál (A/) z budícího
obvodu. Výstupní naptí z detektoru je dále integrováno invertujícím integrátorem. Ten
byl realizován pomocí AD8610. Rezistor Rzv a snímací odpor Rs realizuje funkci zptné
vazby – výstupní naptí integrátoru je pevedeno na kompenzaní proud v kompenzaní
cívce. Mronosný signál je pak ješt zesílen pomocí pístrojového zesilovae, který zde
byl využit AD620. Odpor Rg urující jeho zesílení G je dán vztahem
RG
49,4 k:
G 1
(3.3)
byl zvolen na hodnotu 5,6 k, což odpovídá zesílení pibližn 10. Na vstupech
pístrojového zesilovae se nacházejí dolní propusti kvli maximalizaci potlaení
rušivých složek na vstupu pístrojového zesilovae. Výstupní naptí je nakonec ješt
filtrováno pomocí dolní propusti 2. ádu stejn jako u gradientního kanálu. Hodnoty
souástek u jednotlivých ástí obvodu jsou stejné jako u gradientního kanálu.
Obr. 19 – Blokové schéma kanálu pro kompenzaci homogenního pole
Na obr. 20 je znázornna deska plošných spoj snímací elektroniky, kterou jsem
navrhl. Jedná se o tyvrstvou DPS (viz píloha 2 - motivy plošných spoj elektroniky).
Krom horní montážní vrstvy (TOP) jsou vedeny mené cesty i na spodní ásti desky
(BOT). Vnitní vrstvy (IN1 a IN2) slouží k vyvedení napájecích naptí (±9V a ±5V)
k píslušným souástkám a jako zemní vrstva. Snahou bylo využít kvli úspoe místa na
DPS pevážn SMD souástek s pouzdry 0805 a 1206. Na výstup byly zvoleny 9-ti
- 25 -
pinové konektory CANON, k pipojení napájecích naptí ±9V a synchronního okna /A
bylo využito standartních dvouadých desítipinových patic. Desky jsou sestaveny tak,
aby je bylo možné sestavit vertikáln napíklad pomocí distanních sloupk.
Obr. 20 – DPS elektroniky zpracování signálu
- 26 -
3.3 Použitá budící elektronika
Pro buzení fluxgate senzor byla využita stávající jednotka pulsního buzení (použita
v [5]), která nebyla nijak upravována. Pulsní buzení se používá pedevším z dvodu
snížení píkonu. Pro snížení výkonové spoteby je možné vyladit budící obvod do
rezonance, to však v tomto pípad nebylo možné, kvli velkým odporm budící cívky
a její malé induknosti.
Obr. 21 – Referenní prbh budící jednotky - (okno a budící proud senzoru)
Proud je možné regulovat ve zptnovazební smyce, v tomto pípad bylo nastaveno
pevné naptí extérním zdrojem. Zátž je v H-mstku plovoucí, pipojuje se konektory
EXC1 a EXC2. Dále je možné na jednotce nastavit dv asov synchronní okna (Wa ,
Wb) – logická AND kombinace obou oken sloužila jako reference pro synchronní
detektory elektroniky. Prbh signálu 2f pi frekvenci 20 kHz a stíd 10%
je
znázornn na obr. 21 (horní prbh signálu 2f a dolní prbh budícího proudu) pi
pipojení jednoho fluxgate gradiometru bhem jeho ovování.
Správn umístné okno integrátoru Wa (= fáze synchronního detektoru) je
znázornno na obr. 22 a 23 spolu s budícím proudem a výstupním signálem ze
snímacího (homogenního) vinutí fluxgate senzoru v zemském poli (odezva senzoru na
pulsní buzení) po zesílení v neinvertujícím zesilovai ve vstupní ásti snímací
elektroniky. Signál se skládá ze tí rzných periodicky se opakujících impuls. První
dva jsou sousledné impulsy s opanou polaritou, jejichž zmna amplitudy je ovlivnna
zmnou velikosti magnetického pole. Tetí impuls vzniká dsledkem rozepnutí spínae
na PSD detektoru vlivem Faradayova indukního zákona, kdy se na výstup zesilovae
dostává zptné indukované naptí. Jelikož bylo nutné nastavit správn polaritu
- 27 -
detekovaného naptí pro innost zptné vazby, byl pro elektroniku relevantní pouze
druhý impuls.
K integrátoru ve fázov citlivém detektoru (PSD) je výstupní signál ze senzoru
pivádn pouze v okamžiku, když je na ídícím signálu Wa (okno integrátoru) log. 0
(spínae S1 a S2 na synchronním detektoru sepnuty). Impuls v ase T1 je naintegrován a
po rozepnutí spína S1 a S2 na synchronním detektoru (pepnutí ídícího signálu do
log.1) je toto naintegrované naptí nemnným výstupním signálem až do okamžiku, než
pijde impuls v ase T2 (integraní lánek v PSD se chová jako pamový obvod).
V ase T2 se opt integruje impuls z fluxgate senzoru a souet integrál aktuálního a
pedchozího
impulsu je po rozepnutí spína PSD opt nemnným výstupním
signálem. Tento proces se poté opakuje stále dokola.
Na obr. 22 je vidt prbh v okamžiku, kdy je fluxgate senzor a jeho snímací vinutí
kolmo k magnetickému poli Zem. Teoreticky by v tomto nulovém zemském poli mla
být amplituda užiteného impulsu nulová, resp. tém nulová, protože se projevuje vliv
offsetu senzoru. Prakticky je zde však vidt parazitní signál, který není úmrný tomuto
zemskému poli (modré okno). Jak je ale vidt z obr. 22, tento parazitní signál se
odstraní tak, že vždy v následující period je polarita impulsu (resp. jeho integrálu)
opaná, než v pedchozí period, rozdíl integrál je tedy nulový. Obr. 23 naopak
zobrazuje výstupní signál z fluxgate senzoru pi natoení do smru vektoru
magnetického zemského pole. Velikost amplitudy impulsu je tedy pímo ovlivnna
magnetickým polem zem.
- 28 -
Obr. 22 – Posloupnost puls výstupního signálu snímacího vinutí
Obr. 23 – Spínání integrátoru signálem Wa
- 29 -
3.4 Použitý A/D pevodník
K pipojení výstupního signálu z elektroniky zpracování signálu k poítai PC byla
využita mící karta USB-6212. Tento A/D pevodník byl vybrán z toho dvodu, že je
pímo uren pro komunikaci s programovým prostedím LabView (v nm navržen
mící systém), je relativn levný a pedevším byl k dispozici. A/D Pevodník mící
karty je sice multiplexovaný, avšak pro pomalý dj nevadí. Modul je díky své velikosti
(rozmry: 17cm x 9,5cm x 3,1cm) uren speciáln pro mobilní aplikace nebo pro
aplikace v menších prostorech. Nepotebuje externí zdroj napájení.
3.4.1 Popis A/D pevodníku
Modul USB-6212 je 16-bitová multifunkní mící karta od firmy National
Instruments. Obsahuje 16 multiplexovaných 16-ti bitových analogových vstup ±10V o
maximální vzorkovací frekvenci (400 kHz) , 2 analogové výstupy a 32 obousmrných
digitálních linek. Na obr. 24 je zobrazena mící karta a její možnosti pipojení.
Obr. 24 – Modul NI USB-6212 (z [15])
Jelikož modul obsahuje pouze 16 analogových vstup a bylo poteba zpracovávat
nejen signál z gradientního vinutí (16 kanál), ale také ze snímacího homogenního
vinutí (16 kanál), bylo nutné využít dv mící karty 6212.
Pro mení byl využit softwarový trigger na hodiny generované jednou kartou,
moduly byly tedy vzájemn propojeny pes analogový výstup AO1 první karty do
univerzálního vstupu PFI0 druhé karty, softwarový trigger byl tedy shodný pro oba
moduly (více v ásti 3.6 Celkové zapojení systému).
- 30 -
3.4.2 Analogový vstup
Na obr. 25 je zobrazeno blokové schéma analogového vstupu mící karty [15]. Pes
vstupn / výstupní svorku (I/O Connector) je možné pipojit analogové signály. Karta
má jeden AD pevodník (ADC), který pevádí vstupní naptí na íslicovou informaci ve
formátu dat. Multiplexor (MUX) pipojuje jednotlivé analogové vstupy AI. Signál z AI
je ješt zesílen i zeslaben v programovatelném zesilovai (NI-PGIA) tak, aby bylo
zajištno maximální rozlišení AD pevodníku. Za AD pevodníkem je zaazena
vyrovnávací pam typu fronta AI FIFO (First In – First Out), která bhem mení
zajišuje, aby nedošlo ke ztrát dat.
Obr. 25- Blokové schéma analog. vstupu modulu NI USB-6212 (z [28])
Blok nastavení referenní zem analogového vstupu (AI Ground-Reference Settings)
kontroluje, jakým zpsobem jsou pipojeny vstupní signály k modulu. Vybírá se jeden
ze tí vstupních mód:
-
rozdílový (diferenciální) režim (DIFF)
-
referenní uzemnný režim (RSE)
-
nereferenní uzemnný režim (NRSE)
Každý vstupní kanál mže využívat jiný režim. V této práci byl pro pipojení
analogových vstup obou karet využit referenní uzemnný režim RSE. Rozdílový
režim (kladný pól na vstup AI+ a záporný na vstup AI-) by v našem pípad ani nebylo
možné uskutenit kvli redukci potu vstup mící karty na polovinu - je zapotebí
všech 16 kanál (resp. 32 z obou mících karet).
- 31 -
3.4.3 Vícekanálové mení dat – možnosti karty USB-6212
Mící karta USB-6212 umož
uje vícekanálový sbr dat. Na obr. 26 je znázornn
princip mení vzork pro více kanál. V modulu je možné nejen nastavit vzorkovací
periodu (Sample Period), za kterou je odebrán jeden vzorek, ale také pevodní dobu
mezi zahájením odbru vzorku jednoho a druhého kanálu (Convert Period). Pokud není
tato pevodní perioda nastavena, mící karta volí maximální možnou pevodní
frekvenci závislou na rychlosti A/D pevodníku, piemž se pidává 10 μs mezera mezi
každý kanál, aby byla zajištna adekvátní doba ustálení signálu. Tento režim umož
uje
kanálm tém simultánní vzorkování pi souasném dodržení ádné doby ustálení. Pro
naši mící kartu, která má maximální vzorkovací frekvenci fvz = 400 kHz a 16
pipojených kanál PK platí (1 kanál má tedy max. vzorkovací frekvenci 400 kHz / 16 =
25 kHz), že minimální možná doba tvzmin pro odmení jednoho vzorku z každého z 16
kanál je:
t vz min
§
·
¨ 1
¸
t pauza ¸ ˜ PK
¨f
¨ vz
¸
© PK
¹
40Ps 10Ps ˜ 16
800Ps
(3.3)
Obr. 26 – Princip více kanálového mení (z [28])
Bylo nutné zjistit, který signál spouští jakou akci. Z obr. 27 plyne, že poté co pijde
triggerovací signál (AI Start Trigger) na vstup mící karty, spustí se odmr
jednotlivých vzork kanálu. Podle velikosti nastavené vzorkovací frekvence (resp.
vzorkovací periody – AI Sample Clock) a frekvence ídícího signálu triggeru se odebere
uritý poet vzork z každého kanálu za jeden odmr. V tomto konkrétním píklad
bude triggerovací frekvence ftr = 200 Hz (doba jednoho odmru = 5 ms). Pokud budeme
chtít odebrat napíklad 4 vzorky od každého kanálu v 1 odmru, musíme nastavit
vzorkovací frekvenci na hodnotu alespo
:
f vz
f tr ˜ 4
800 Hz
- 32 -
(3.4)
A jelikož jsou meny 4 kanály (viz obr. 27 – Channel measured: 0,1,2,3), musí být
minimální pevodní frekvence fc (tj. rychlost, za kterou musí jeden kanál odmit 1
vzorek):
f c t f vz ˜ 4 3,2kHz
(3.5)
což odpovídá asu tc = 1/fc = 312,5 μs. Minimální splnitelná doba je podle rovnice 3.2
v tomto pípad pro 4 kanály tvzmin = 80 μs a protože tvz = 1/fvz = 1,25 ms, je tedy splnna
podmínka tvz tvzmin . Pevodní frekvence je možné danou mící kartou dosáhnout.
Obr. 27 – Píklad vícekanálového mení vzork u mící karty USB-6212
Pokud je bhem jednoho odmru nameno více vzork v jednom kanálu, výslednou
hodnotou odmru je prmr z tchto vzork, což umožní vtší pesnost daného mení.
Nicmén v nkterých pípadech navýšení potu odebíraných vzork zpsobuje zkrácení
doby ustálení a tedy zhoršení pesnosti.
Vzorkovací a pevodní úrovn asování mící karty USB-6212 fungují tak, že
dokud nejsou splnny požadavky správného asování na všech úrovních, tak jsou
jednotlivé asové signály ignorovány. Napíklad zaízení ignoruje jak vzorkovací tak
pevodní hodiny do té doby, než karta pijme platný triggerovací signál. Stejn tak
jakmile zaízení rozpozná puls vzorkovacích hodin, ignoruje jakékoli další pulsy ze
vzorkovacích hodin, dokud neobdrží ádný poet puls pevodních hodin.
Podobn v opaném pípad zaízení ignoruje všechny pulsy pevodních hodin,
dokud nerozpozná korektní puls vzorkovacích hodin. Samozejm stejn tak jako
v pedchozím pípad pokud mící karta pijme již správný a pedem nadefinovaný
poet puls pevodních hodin, jakékoli další pulsy z tchto hodin ignoruje do té doby,
než pijde další puls ze vzorkovacích hodin. Obr. 28, 29 a 30 zobrazují sekvenci mení
4 kanál a demonstrují nesprávné nastavení vzorkovacích a pevodních hodin. Pulsy
- 33 -
které jsou v obrázcích oznaeny šedou barvou jsou ignorovány mící kartou. Na obr.
28 je znázornna chyba špatného nastavení hodin, kdy ješt nedojde k odbru dat ze
všech 4 kanál a vzorkovací hodiny vyžadují píchodem pulsu následující odmr. Tento
požadavek je ale ignorován do té doby, než se odeberou data ze všech 4 kanál. Obr. 29
zobrazuje opaný problém, kdy jsou naopak konvertovací hodiny píliš rychlé (resp.
vzorkovací hodiny píliš pomalé) a proto jsou nadbytené pulsy konvertovacích hodin
ignorovány až do doby, než pijde další puls ze vzorkovacích hodin. Na obr. 30 je pak
znázornno špatné sesynchronizování konvertovacích i vzorkovacích hodin spolu se
špatným nastavením jejich rychlosti. To vede k následnému neperiodickému
vzorkování. Tyto píklady uvádím proto, že jsem se s nimi bhem nastavování mící
karty setkal.
Nastavení vzorkovacích a pevodních hodin, které jsem použil v této práci je
znázornno na obr. 40. v ásti 4.1.1 triggerování mených dat. Nastavena byla
triggerovací frekvence ftr = 200 Hz a pro odebírání 5 vzork v jednom odmru bylo tedy
poteba nastavit fvz = 1000 Hz. Z rovnic 3.3, 3.4 a 3.5 plyne, že doba, ze kterou musí 1
kanál odmit 1 vzorek je tc = 66,7 μs. Vzorkovací doba má hodnotu tvz = 1 ms,
minimální splnitelná doba (pi max. vzorkovací frekvenci) pro 15 kanál je tvzmin = 760
μs, podmínka tvz tvzmin
je splnna. Podrobný popis fungování vícekanálového
odebírání dat a ostatní informace o mící kart NI USB-6212 lze nalézt v [28].
Obr. 28 – Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, vzorkovací signál píliš rychlý
pro pevodní hodiny (z [28])
Obr. 29 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, pevodní signál píliš rychlý
pro vzorkovací hodiny (z [28])
- 34 -
Obr. 30 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, vzorkovací a pevodní hodiny
nesprávn propojeny, vede k aperiodickému vzorkování (z [28])
- 35 -
3.5 Gradiometrická soustava sond
Na obr. 34 jsou zobrazeny držáky fluxgate gradiometr. Samotný držák jsem navrhl
v programu AutoCAD Mechanical a skládá se ze dvou základních ástí:
x
Podstava
x
“L” konstrukní prvky
Podstava má prmr 40 cm a na tyech protilehlých
krajích jsou vyvrtány kruhové otvory dvoucentimetrového
prmru. Ty mohou sloužit nap. k upevnní pomocí provazu
na podvs bezpilotního prostedku. Výška válcové podstavy
je 5 mm. Jako materiál byl pro realizaci vzorku v rámci práce
použit plast, který sice nedisponuje dobrými mechanickými
vlastnostmi, ale byl v daném rozmru k dispozici pro
postupné výrobní iterace.
Držáky tvaru “L” byly vytvoeny ze sklolaminátu, který
spl
uje
podmínku
nemagnetického
pevného,
materiálu
tvarovatelného
s výbornou
ale
mechanickou
stabilitou. Vzhledem k velké hmotnosti sklolaminátu ho není
vhodné použít na podstavu – pro minimalizaci hmotnosti by
Obr. 31 – “L” prvek s
gradiometrem
ji bylo nutné vyrobit nap. z uhlíkových vláken. Jeho nákres je zobrazen na obr. 33. Do
podstavy byly vyvrtány díry o prmru 6mm stejn jako do kratší ásti “L” prvk.
Spojení obou ástí bylo provedeno nemagnetickými plastovými maticemi a šrouby. Do
ásti, kde je k “L” prvku pilehlý gradiometr, byly vyvrtány 4 díry o prmru 3 mm.
Vzdálenost mezi jednotlivými gradiometry je 70 mm. Ta byla urena z požadavk na
rozmry podstavy (pibližn stejné velikosti jako hledací cívky detektoru kov ATMID
o prmru 30 cm) a na celkové rozmry gradiometrické soustavy sond, kdy je nutné
vzhledem k zptnovazebnímu režimu dodržovat odstupy mezi sondami.
- 36 -
Obr. 32 – Gradiometrická soustava sond
Jelikož je gradiometrický systém uren k mení gradientu magnetického pole
pouze v jednom smru
wBy
, jsou všechny gradiometry vertikáln rovnobžné.
wy
Z rozmístní jednotlivých gradiometr
je však patrné, že by bylo možné mit
nejen požadovanou složku
wBy
, ale
wy
také pomocí homogenních (snímacích)
vinutí dvou senzor složky
wBy wBy
a
wx
wz
(viz obr. 35). To je možné napíklad
jednoduchou
softwarovou
úpravou
oproti zadání.
Obr. 33 – Osa citlivosti gradiometr
- 37 -
Obr. 34 – Konstrukce gradiometrické soustavy sond
- 38 -
3.6 Celkové zapojení gradiometrického systému
Zapojení gradiometrického systému pro detekci magnetických anomálií je
znázornno na obr. 37. Jednotka pulsního buzení je napájená ze zdroje ±12V. Výstupem
z této jednotky jsou budící singály EXC1 a EXC2, které vedou na první fluxgate senzor
umístný na sklolaminátové konstrukci. Z nj jsou poté budící signály v sérii pipojeny
k ostatním fluxgate sondám.
Obr. 35 – Celkové schéma zapojení gradiometrického systému
Z budící jednotky je také využito asov synchronní okno Wa. Tento synchronní
signál je piveden na elektroniku zpracování signálu. Z jednotlivých vinutí fluxgate
gradiometr vedou snímací (homogenní) a gradientní signály do 4 elektronik
zpracování signálu. Každá elektronika zpracovává 4 gradientní a 4 snímací signály a je
napájena ze zdroje ±9V. Je k ní též pivedeno asov synchronní okno (Wa).
Z jednotlivých kanál elektronik je signál piveden na analogové vstupy dvou modul
pro sbr dat NI USB-6212. Na jednu mící kartu jsou pivedeny signály z gradientních
kanálu (uG1 – uG16) elektronik a na druhou ze homogenních kanál (uH1 – uH16), jak je
vidt na obr. 38. Každý signál do mících karet je vždy piveden mezi analogový vstup
(AI0-15) a zem (AGND) v režimu RSE. Dále je u prvního modulu propojen analogový
- 39 -
výstup AO1 a univerzální vstup PFI0, jelikož z výstupu AO1 jde signál ze softwarového
generátoru do triggerovacího vstupu PFI0. Výstupní signál ze SW generátoru je také
pipojen k triggerovacímu vstupu druhé mící karty, aby bylo zajištno spouštní
odmru vždy ve stejný okamžik (více 4.1.1. triggerování mených dat). Mící modul
6212 vysílá data do poítae pes USB kabel.
Obr. 36 – zapojení modul NI USB-6212
Pomocí mícího systému v programovém prostedí LabView, který je popsán dále
v kapitole 4, je pak možné mapovat prbh v matici gradiometr v reálném ase.
Poíta je také pomocí USB pípojen k jednotce pulsního buzení a v libovolném
terminálu je možné mnit hodnoty všech parametr této jednotky. K propojení budící
elektroniky a gradiometr bylo využito nemagnetických teflonových vodi o nízké
vlastní hmotnosti. Tyto vodie byly využity i k propojení gradiometr z gradientního a
snímacího/homogenního vinutí s elektronikami zpracování signál.
- 40 -
4. Kapitola
Softwarová realizace
Tato kapitola shrnuje realizaci mícího systému, jeho jednotlivých ástí a jejich
funkcí. Je zde popsán zpsob spouštní odmr, zpracování hodnot, ukládání a
zobrazování mených dat a také ovládání samotného programu. .
4.1 Struktura mícího systému
K vytvoení mícího systému byl využit program LabView verze 8.6 od firmy
National Instruments. Strukturu mícího systému lze rozdlit do 4 základních ástí (viz
obr. 39). V prvním bloku se pijmou namená data z modulu USB 6212 do bloku
Kanál G (gradientní) a Kanál H (homogenní, snímací). Jde o signály z gradientních a
homogeních kanál elektroniky zpracování signálu. Jelikož jsou data pijímána dvma
rznými mícími kartami, je i samotné pijmutí dat v mícím systému oddlené do
dvou samostatných blok, resp. vláken. V tchto blocích se pak dále nastaví rozsah
vstupu a vzorkovací frekvence.
Obr. 37 – Blokové schéma mícího systému
Druhou základní ástí je softwarový generátor triggeru. Pomocí funkních
terminál je nastaven generátor na výstup z mící karty AO1. Výstup ze softwarového
generátoru je pak propojen s univerzálním vstupem PFI0 první i druhé mící karty.
Generátor slouží ke spouštní odmr (triggerování) kanálu G a kanálu H, byl
- 41 -
generován tedy obdélníkový signál o velikosti 0 a 5V (TTL logika). Generátor je
uzaven v While smyce, která zajišuje nepetržité generování daného signálu.
Tetí ást se skládá ze dvou sublok. Prvním z nich je výpoet klouzavého prmru.
Druhým sublokem je ukládání dat do souboru. Zde bylo pedevším poteba zvolit
formát, v jakém budou hodnoty ukládány a také samozejm vybrat pouze podstatné
namené informace k ukládání. Oba tyto subloky jsou také uzaveny ve while smyce,
aby probíhalo mení a zpracování dat do té doby, než program neukoní sám uživatel.
Více informací o této ásti bude uvedeno v 4.2.2 Zpracování dat.
Posledním dležitým blokem je zobrazení namených dat. To je provádno ve
form 2D intenzitního grafu. Tato ást je v samostatné while smyce kvli tomu, aby
nezatžovala proces zpracování dat, v ideálním pípad na víceprocesorových
poítaích bží na samostatném procesoru.
4.1.1 Triggerování mených dat
Trigger je využíván pro spouštní i zastavování A/D pevodníku. Mící karta NI
USB-6212 podporuje jak vnitní softwarové spouštní, tak i externí digitální triggering.
Obr. 38 – Triggerování dat
Ke spouštní odmr byl využit digitální trigger. Jak je vidt na obr. 40, digitální
trigger zde funguje tak, že pi každé nábžné hran se spustí odmr. Doba odmru trvá 5
ms. Po pijetí pulsu triggerovacího signálu pijme mící karta v ten stejný okamžik puls
ze vzorkovacích hodin. Velikost vzorkovací frekvence byla v této práci nastavena na
hodnotu 1000 Hz, tedy vzorkovací perioda mla hodnotu 1 ms. Z toho plyne, že bhem
jednoho odmru se odebralo 5 vzork z každého kanálu. Jelikož pevodním hodinám
byla ponechána výchozí hodnota, mící karta jim nastavila minimální pevodní dobu
- 42 -
37,5 μs a mezi každý impuls vložila 10 μs mezeru (viz kapitola 3.4.2 Vícekanálové
mení dat). Na obr. 41 je pak vidt detail triggerování dat v jedné (neúplné) vzorkovací
period.
Obr. 39 – Detail jednoho (neúplného) odmru dat
Z 1 odmru pak pímo vzniká hodnota získaná z prmru vzork, která je následn
bu zobrazena formou grafu i uložena do souboru. Je samozejm nutné si uvdomit,
že na obr. 40 a 41 je zobrazen prbh pouze z 1 mící karty (16 kanál). Pi samotném
mení jsme využívali jednu mící kartu pro odeítaní hodnot z G kanálu a jednu pro
odeítání hodnot z H kanál. Z hlediska triggerování dat to však není dležité, jelikož
prbhy obou karet jsou z asového hlediska shodné díky stejnému ídícímu signálu
digitálního triggeru (viz obr. 38).
4.1.2 Zpracování dat
V této ásti se zamím na popis provedení samotného klouzavého prmru a také
na zpsob a formát uložených dat. Dále zde bude popsán celkový prbh vytvoeného
programu. Princip klouzavého prmru pro 1 kanál je zobrazen na obr. 42. Proces
zaína tak, že se provede odmr 5 vzork za 5 ms. Z tchto vzork se následn vytvoí
prmr, který je výstupní hodnotou jednoho odmru. Takto se namí první tyi
hodnoty za celkovou dobu 20 ms a následn dochází k výpotu prmru z tchto ty
hodnot.
- 43 -
Obr. 40 – Princip klouzavého prmru pro 1 kanál
K realizaci v programu LabView byl využit posuvný registr o velikosti 2-D pole
3x16. To znamená, že mohl uložit vždy 3 pedchozí odmry pro 16 gradientních signál
(hodnot). Ped každým spuštním programu byl registr naplnn nulami, a proto nebylo
možné první ti namené a vypotené hodnoty brát za klouzavý prmr ze 4 odmr (1.
odmr = vlastní hodnota, 2. odmr = prmr ze 2 hodnot, 3. odmr = prmr ze 3
hodnot). V dsledku to ale nemlo žádný vliv na mení s tímto systémem.
- 44 -
Jelikož je blokový diagram celého mícího systému pomrn rozsáhlý a složitý (viz
píloha 5 – Schéma mícího systému), uvádím
vývojový diagram (viz obr. 43).
V prvním kroku nejdíve dochází k vytvoení fyzických kanálu pro pijímaní a vysílání
analogových signál. Ty jsou rozdleny na gradientní kanál (složený z 16 analogových
vstup), homogenní (snímací) kanál (také z 16 analogových vstup) a výstupní kanál (z
1 analogového výstupu) pro softwarový generátor. V tom samém okamžiku je také
vytvoen (i nahrazen) soubor data.txt pro ukládání namených hodnot.
V dalším kroku jsou nastaveny parametry u jednotlivých kanál, které zde byly ped
spuštním programu vloženy. U kanálu G a H je to vzorkovací frekvence, zdroj
digitálního triggeru a maximální a minimální pijímané hodnoty. U výstupního kanálu
je to pak typ signálu, frekvence, amplituda a stída. Po nastavení parametr již dochází
k spuštní a tení mených dat. Po skonení odmru je u gradientního kanálu vypoten
klouzavý prmr s využitím posuvného registru. U homogenního kanálu se klouzavý
prmr neprovádí, jelikož se namené hodnoty dále nezobrazují ve form grafu, ale
pouze se uloží do souboru a také proto, aby tento proces ješt více nezatžoval procesor
poítae.
Po vypotení klouzavého prmru jsou data zobrazena pomocí 2D intenzitního
grafu. Než však pijdou data k zobrazení, je zde vložena 5 ms pauza. Ta nezpsobí
zpožování následujícího spouštní odmru, jelikož terminály zajišující zobrazení dat
jsou oddleny od samotného mení while smykou (Graf jednoduše zobrazuje pijatou
hodnotu do té doby, než mu pijde hodnota nová).
Souasn s grafickým zobrazením jsou data z kanál G a H spojena a následn
upravena (zmna datového typu z ísla na etzec) tak, aby je bylo možné uložit do
souboru. Do souboru jsou uloženy následující hodnoty:
x
íslo odmru
x
namené hodnoty z gradientního kanálu (16 hodnot)
x
klouzavý prmr namených hodnot z gradientního kanálu (16 hodnot)
x
namené hodnoty z homogenního kanálu (16 hodnot)
Pokud nebyl do této doby zvolen uživatelem konec mení, vrací se proces ke
spuštní odmru, pípadn ke zmn parametr jednotlivých kanal. To nastane, pokud
zmnil uživatel v prbhu mení libovolné nastavení kanál. Pokud uživatel ukoní
mení, jsou uzaveny kanály pro analogové vstupy a analogový výstup a také je
uzaven soubor data.txt. Poté dojde k ukonení programu.
- 45 -
Obr. 41 – Vývojový diagram mícího systému
- 46 -
4.2 Ovládání programu
Ped spuštním programu je poteba nastavit nkolik parametr, aby bylo možné
mící systém používat. To se provádí na pedním panelu (viz obr. 44), kde jsou
upravené zobrazovací prvky, tlaítka a lišty tak, aby práce s programem byla co
nejsnadnjší.
Hlavní pepínání lišt se nachází v levém horním rohu. Zde se nachází záložka
gradientní kanál, která obsahuje všechny dležité prvky pro ovládání a zobrazení
namených dat z gradientního vinutí senzoru. Další záložkou je homogenní kanál, která
obsahuje pouze nastavení analogového vstupu a výpisovou tabulku s namenými
hodnotami.
V prvním kroku je teba nastavit blok Channel Parameters. Zde se pomocí lišty
v záložce Physical Channel nastaví analogový vstup. Musíme nejdíve definovat, která
karta zpracovává data z gradientních kanál snímací elektroniky a která z homogenních
kanál. Dále je poteba v této záložce nadefinovat vstupy, z kterých budeme chtít
odebírat analogový signál. V našem pípad jsou to tedy pro gradientní signály vstupy
/Dev1/ai0:15 (Dev1 – zaízení .1 a vstupy ai0 až ai15). Pro homogenní signály je toto
nastavení tém totožné, tedy /Dev2/ai0:15. Dále je v bloku Channel Parameters možné
nastavit maximální a minimální hodnotu na vstupech, kterou bude karta pijímat.
V bloku Timing Parameters se urí vzorkovací frekvence jednoho kanálu (poet
odebraných vzork pro jeden kanál za jednu sekundu). V ásti Trigger Parameters se
pak zvolí zdroj triggerovacího signálu (Trigger Source) a také hrana (Slope), na kterou
bude trigger reagovat. Defaultn jsem použil nábžnou hranu.
V tetím bloku zleva Generator Paramateres se zvolí parametry výstupního signálu.
Je zde možnost nastavit frekvenci, amlitudu, typ signálu a offset.. Hned napravo se pak
nachází dopl
ující nastavení Generator Parameters II. Zde je možné nastavit tzv. sample
mode, což je režim odebírání vzork. Zde je možné zvolit následující možnosti podle
tab. 3.
- 47 -
Vzorky se získávají v jednom odmru do té doby, než je
proces ukonen samotným programem
Continuous Samples
V jednom odmru se pijímá konený poet vzork
nastavený uživatelem
Finite Samples
Hardware Timed Single Point
Vzorky se získávají nepetržit využitím hardwarového
asovae bez vyrovnávací pamti (bufferu)
Tab. 3 – Režimy odebírání vzork
V mícím programu byl využit režim odbru vzork Continuous Samples. V tomto
módu si program sám uruje velikost vyrovnávací pamti (pokud není zadána extérn
uživatelem) podle velikosti vzorkovací frekvence (viz tab. 4). Režim Continuous
Samples nebyl využit pouze u kanálu softwarový generátor, ale také v gradientním a
homogenním kanálu.
Vzorkovací frekvence
Nedefinovaná
0 – 100 S/s
100 – 10 kS/s
10k – 1MS/s
>1MS/s
Velikost vyrovnávací pamti
10 kS
1 kS
10 kS
100 kS
1 MS
Tab. 4 – Urení velikosti vyrovnávací pamti
V bloku Generator Parametrs II lze dále ješt nastavit velikost vzorkovací frekvence,
velikost bufferu, analogový výstup, a minimální a maximální hodnotu na výstupu.
V horní ásti napravo se nachází graf zobrazující velikost gradientu u jednotlivých
senzor v podob barevné intenzity (barevný pruh piazující danou hodnotu k barv se
nachází napravo od grafu). Aby bylo možné pímo odeítat hodnoty gradientu senzor,
v pravém dolním rohu jsou umístná textová pole o velikosti 4x4 a v každém z nich je
íseln zobrazena hodnota nameného signálu. Nalevo se pak nachází graf zobrazující
prbh jednotlivých gradiometr jak nezpracovaného signálu, tak klouzavého prmru.
Zmnu zobrazovaného gradiometru, resp. jeho signálu, lze provést pomocí lišty
umístné nalevo od prbhu.
Dále se zde nachází nkolik funkních tlaítek a pepína. Napravo od intenzitního
grafu se nachází knoflíky X points a Y points. Ty slouží k nastavení tzv. loop smyek.
Urují tedy velikost pole které se bude dále zpracovávat pomocí grafu. Referen je zde
nastavená hodnota 4 u obou tlaítek (tedy pole o velikosti 4x4). Dole uprosted se pak
nacházi pepína spouštjící zápis do souboru a napravo od nj je umístno tlaítko Stop
ukonující bh programu.
- 48 -
Obr. 42 – Pední panel mícího systému
- 49 -
5. Kapitola
Mení
Tato kapitola se zabývá základní kalibrací fluxgate gradiometr a mení jejich
citlivosti, které sice nevyplývá pímo ze zadání, ale pro oživení systému bylo nutné.
Nejdíve se provedla astatizace gradiometr a po pipevnní jednotlivých senzor na
držáky se mila a následn kalibrovala citlivost všech sond. Dále jsou zde
prezentovány výsledky mení na testovacích objektech.
5.1 Astatizace gradientního vinutí gradiometr
Základním cílem tohoto mení byla hrubá kalibrace gradientních vinutí tak, aby
hodnota citlivosti obou gradientních cívek (1. a 2. Ng) byla pibližn stejná. Jelikož je
úplná astatizace obtížná, ne-li nemožná (viz [4]), bylo navrženo odstranní parazitní
citlivosti na homogenní pole mením tohoto pole a kalibrací parazitní citlivosti v
gradientních cívkách (viz 5.2 Kalibrace gradiometr).
Pi hrubé astatizaci jsem postupoval následovn: poet závit jedné z dvojice
spojených cívek Ng byl odebírán tak, aby bylo dosaženo pokud možno stejn velké
citlivosti obou gradientních vinutí Ng. Tento proces bylo poteba provést ješt pedtím,
než byl na gradientní vinutí senzor aplikován lak kvli upevnní závit cívek k
senzoru a také pedtím, než byly sondy pipevnny pomocí plastových šroub k „L“
konstrukním prvkm gradiometrické soustavy sond. Tato citlivost se mila podle
zapojení na obr. 45. Budící vinutí senzoru bylo pipojeno k jednotce pulsního buzení,
jejíž parametry byly nastaveny v termínálu poítae. Hodnota amplitudy byla nastavena
na 500 mA, frekvence 2f na 30 kHz a stída na 40%.
Obr. 43 – Mení citlivosti fluxgate gradiometru
- 50 -
Mení probíhalo tak, že se senzor nejdíve natoil vertikáln do smru
magnetického pole zem. Následn se na Lock-In zesilovai SR 830, jehož referenní
vstup byl pipojen k signálu 2f jednotky pulsního buzení, nastavila fáze a odeetla se
hodnota naptí reálné složky X prvního a následn druhého gradientního vinutí Ng už
beze zmny nastavení fáze (cívky jsou totiž v koneném provedení antisériov
propojeny). V dalším kroku se senzor otoil o 1800. Opt se odeetly hodnoty z obou
vinutí a rozdíl z prvního a druhého (otoený senzor) mení se následn porovnával
mezi prvním a druhým vinutí Ng. Citlivost pi hodnot magnetického pole zem 48 μT
mla velikost mV/ 96 μT. Postupným odebíráním závit u prvního i druhého se
nakonec dosáhlo pibližn stejné hodnoty citlivosti. Tato metoda je pouze orientaní,
protože je nutné brát v úvahu nkolik znepes
ujících vlastností (opakovatelnost,
hodnota 48 μT pouze pibližná, blízká rušivá pole atd.).
V tab. 5 jsou uvedeny namené hodnoty, poet ubraných závit a vypotená
pibližná citlivost u tí vybraných senzor. Pesnjší kalibrace gradientních vinutí se
poté provádla až v samotném mícím systému.
První gradientní vinutí (1. Ng)
Druhé gradientní vinutí (2. Ng)
Senzor
Uxsmr1 Uxsmr2 odebráno
citlivost Uxsmr1 Uxsmr2 odebráno
citlivost
.
[mV]
[mV] [mV] závit
[mV/μT] [mV] [mV]
závit
[mV] [mV/μT]
1
169
-168
0
337
3,5
2
166
-162
0
328
3,4
3
174
-173
0
347
3,6
182
170
194
165
201
174
-178
-166
-193
-164
-201
-172
Tab. 5 – kalibrace gradientního vinutí fluxgate sond
- 51 -
9
336
3,5
16
329
3,4
18
346
3,6
5.2 Kalibrace gradiometr
Po astatizaci gradientních cívek gradiometr jsem stanovil citlivost jednotlivých
fluxgate senzor pomocí zapojení zobrazeného na obr. 46. Pomocí namených dat pak
bylo možné provést kalibraci v mícím systému vytvoeném v prostedí LabView.
Obr. 44 – Kalibrace gradiometr
Ke kalibraci gradiometr byly využity nejen všechny ásti mícího systému (budící
jednotka, elektronika zpracování signálu a modul pro sbr dat NI USB-6212), ale
hlavn systém gradientních a homogenních (viz obr. 46 a obr. 47) cívek pro vytvoení
dostaten velkého gradientního resp. dostateného homogenního pole. Velikost
homogenního resp. gradientního magnetického pole je úmrná proudu I dodávaného ze
stejnosmrného zdroje a také konstant homogenních KH [T/A] resp. gradientních KG
[T/m/A] cívek. Pro homogenní pole tedy platí:
B K ˜ I >T; T/A, [email protected]
(5.1)
Gradient magnetického pole je:
dBy
dy
K G ˜ I >T/m; T/m/A, A @
- 52 -
(5.2)
Konstanta pro homogenní cívky je 120 μT/A a pro gradientní cívky má hodnotu 78
μT/m/A. Dále bylo využito poítae k nastavení parametr budící elektroniky a také ke
sbru namených dat.
Obr. 45 – Systém homogenních a gradientních cívek
Kalibrace se provádla následujícím postupem. Nejdíve se umístil jeden z šestnácti
gradiometr do stedu systému gradientních a homogenních cívek ve smru osy
citlivosti. Ovení, že se senzor nachází ve stedu cívek, se provádlo podle obr. 48. Ke
gradientním cívkám se pipojil generátor, který byl nastaven na frekvenci 10 Hz a
dodával dostatený budící proud. Pokud byl senzor umístn ve stedu cívek, na výstupu
homogenního kanálu snímací elektroniky se nenacházel tém žádný stídavý signál 10
Hz (viz obr. 48 – graf 1). V pípad, že byl senzor posunut mimo sted cívek, projevil se
vliv generovaného gradientního pole a amplituda výstupního homogenního signálu
gradiometru narostla (viz obr. 48 – graf 2).
- 53 -
Obr. 46 – Ovení umístní senzoru
Po umístní senzoru se ke kalibraci použil stejnosmrný zdroj, který dodával proud
bu do gradientních, nebo do homogenních cívek systému. Budící parametry fluxgate
gradiometru byly stejné jako pi astatizaci (amplituda 500 mA, frekvence 30 kHz a
stída 40%). Mení na jednom gradiometru se skládalo ze tí hlavních ástí:
1. Mení a následný výpoet citlivosti SH na homogenním kanálu snímací
elektroniky proti homogenním cívkám systému
ª d B y º
2. Mení a následný výpoet gradientní citlivosti S «
» na gradientním
¬ dy ¼
kanálu snímací elektroniky proti gradientním cívkám systému
3. Mení a následný výpoet parazitní citlivosti SP na gradietním kanálu
snímací elektroniky proti homogenním cívkám systému
V prvním kroku se komutací proudu v homogenních cívkách urila hodnota
citlivosti homogenního vinutí gradiometru SH pomocí rovnice
SH
U1 U 2
I1 I 2 ˜ K H
>V/T; V, A, T/[email protected]
- 54 -
(5.3)
V následujícím kroku se pepojil zdroj ke gradientním cívkám systému a podobn
jako v pedchozím kroku (odetení hodnoty U1 a U2 z výstupního gradientního kanálu
ª d B y º
snímací elektroniky ped a po komutaci proudu) se urila gradientní citlivost S «
»
¬ dy ¼
podle rovnice:
ª d B y º
S«
»
¬ dy ¼
U1 U 2
I1 I 2 ˜ K G
˜d
S G ˜ d >V/ T/m ; V, A, T/m/A, [email protected]
(5.4)
kde d je velikost gradiometrické základny.
V poslední ásti mení jsem zjistil parazitní citlivost gradientního vinutí senzoru na
homogenní pole. Opt se odetou, stejn jako v pedchozích krocích, hodnoty
z gradientního kanálu snímací elektroniky, avšak pi pipojených homogenních cívkách
systému ke stejnosmrnému zdroji.
Po získání všech tí hodnot citlivostí (homogenní kompenzaní SH, gradientní SG a
parazitní SP), které jsou zobrazeny v tab. 6, bylo již možné – vzhledem k zhruba
lineárnímu prbhu parazitní citlivosti G kanálu na homogenní pole - provést samotnou
kalibraci gradiometru v mícím systému. Její princip je popsán na následujícím
píkladu.
Na výstupu homogenní (kompenzaní) cívky senzoru .1 je pomocí mícího
systému zmena v jednom okamžiku hodnota UH = 4,923 V. Pi známé hodnot
homogenní citlivosti SH = 123063 V/T mže mící program vypoítat velikost
homogenního magnetického pole pomocí vztahu BH = (1/SH) · UH = 40 μT. Poté pi
známé velikosti magnetického pole a známé parazitní citlivosti SP = 334 V/T lze
vypoítat parazitní naptí UP = SP · BH = 13,36 mV. Toto naptí se nakonec odete od
výstupní hodnoty naptí z gradientního vinutí senzoru, tedy výsledná kompenzovaná
hodnota gradientního vinutí je UGvysl = UG - UP.
Výhodou tohoto principu je tedy to, že simultánní mení homogenního pole
zpsobuje podstatné snížení parazitní citlivosti gradientní odezvy na toto homogenní
pole jednak vlivem stabilní nulové homogenní složky pole v okolí jádra senzoru, jednak
díky možnosti softwarové kompenzace.
Hodnoty parazitní citlivosti SP, na rozdíl od homogenní citlivosti SH, mají pomrn
velké odchylky od prmrné hodnoty. To je zpsobené pedevším runím navíjení
gradientních cívek a také rozdílným odebíráním závit na jednotlivých gradiometrech
pi astatizaci senzor (viz 5.1 Astatizace gradientního vinutí gradiometru).
- 55 -
Senzor .
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
prmr:
123062,75
122840,64
123537,60
122955,53
122388,77
123154,66
123078,07
122541,95
123078,07
123001,48
122695,12
123078,07
123767,37
123461,01
123767,37
1000,64
914,74
1164,10
1026,92
852,56
812,18
892,31
991,99
800,00
946,54
966,67
934,62
914,87
906,41
836,54
SG·d
[μV/nT/4,65cm]
465,30
425,36
541,31
477,52
396,44
377,66
414,92
461,27
372,00
440,14
449,50
434,60
425,42
421,48
388,99
123093,90
930,74
432,79
SH [V/T]
SG [V/T/m]
Tab. 6 – Citlivosti jednotlivých gradiometr
- 56 -
SP [V/T]
334,00
411,50
291,67
162,50
139,17
207,58
260,83
179,17
195,00
22,50
156,67
68,33
225,83
20,42
325,00
200,01
5.3 Testovací mení
K ovení funknosti celého gradiometrického systému posloužilo zkušební mení
podle konfigurace na obr. 49. To vychází ze základního zapojení zobrazeného na obr.
36.
Obr. 47 – Konfigurace testovacího mení
Jako testovací objekty posloužily patrona z útoné pušky a siln zmagnetovaný
šroubovák (viz obr. 50). Mení probíhalo tak, že se
testovací pedmt umístil v pedem urené vzdálenosti
do stedu lepenkové krabice (v horizontální rovin)
umístné pod gradiometrickou soustavou sond. Pro
šroubovák bylo mení provedeno ve vzdálenosti (ve
vertikální rovin) 24, 19, 14, 9 a 4 cm od senzor. Druhý
testovací pedmt (patrona) byl men ve vzdálenostech
14, 9, 8, 7, 6, 5 a 4 cm. Kvli rušivým zdrojm
gradientního
pole
v laboratoi
bylo
poteba
u
jednotlivých senzor nastavit offset pomocí mícího
systému tak, aby ukazovaly všechny senzory pibližn
nulový gradient. U šroubováku bylo provedeno mení
- 57 -
Obr. 48 – Testovací objekty
jak gradietního (obr. 51), tak homogenního pole (obr. 52). Výsledky mení jsou
znázornny ve form intenzitních graf. Rozsah gradientu
dBy
dy
je piazen barevné
škále od erné -100 μT/m, pes modrou barvu až k bílé 100 μT/m.
Obr. 49 – Mení gradientního pole – mený objekt šroubovák
Z prbhu zmeného gradientního pole na obr. 51 pedevším v nejkratší
vzdálenosti od senzoru (4cm) je dobe patrné to, jak magnetické pole psobí okolo
meného pedmtu. Zatímco siloáry meného pedmtu smují v jedné ásti nahoru
- 58 -
a tedy senzor mí kladnou hodnotu (bílá pole), v další ásti naopak mají smr dol a
tudíž je zde hodnota pole záporná (erná pole). Na obr. 52 jsou pak znázornny
výsledky mení homogenního pole. Zde je patrné, že se pibližující testovaný objekt
tém neprojeví na homogenním poli Zem – svtle modrá ( 45 μT).
Obr. 50 - Mení homogenního pole – mený objekt šroubovák
Druhým testovaným objektem byla nábojnice, prbh graf pi pibližování je
znázornn na obr. 53.
- 59 -
Obr. 51 – Mení gradientního pole – mený objekt nábojnice
- 60 -
6. Kapitola
Závr
Hlavním cílem této diplomové práce bylo zkonstruovat gradiometrický systém pro
mení magnetických anomálií a k efektivní analýze výstupních signál vytvoit mící
systém v programovém prostedí LabView.
Senzory jsou tzv. „single-core fluxgate gradiometers“, tedy gradiometry s jedním
jádrem oválného (race-track) typu, vyrobené technologií plošných spoj. Senzor byl
upraven podle stávajícího návrhu (z [11]) a obsahuje budící, kompenzaní snímací a
dvojici run navinutých gradientních vinutí. Mení gradientu magnetického pole
pomocí fluxgate gradiometr bylo využito hlavn z toho dvodu, že poskytuje dobré
rozlišení zdroj magnetického pole v malé vzdálenosti (nap. pi skenování terénu run
nebo využitím nízkoletícího UAV) a naopak efektivn se potlaují rušivá homogenní
pole. Kompenzace parazitního vlivu tchto rušivých homogenních polí na gradientní
výstup (pedevším zemského magnetického pole) se provádla pomocí kompenzaní
zptnovazební smyky senzoru. Tímto zpsobem mohla být zbytková, parazitní citlivost
gradientního kanálu na homogenní pole kompenzována simultánn v mícím
programu. Zobrazování namených dat v matici senzor je v programovém prostedí
možné v reálném ase pomocí intenzitního 2D grafu.
Citlivosti jednotlivých gradiometr mají hodnoty prmrn 123000 V/T na
homogenním vinutí a pibližn 930 V/T/m na gradientních cívkách. Navržený
gradiometrický systém lze využít nejen k mení dBy/dy, ale i dalších dvou složek
dBy/dx a dBy/dz pomocí homogenních vinutí dvou senzor.
Pokud by byl systém pi zavšení na UAV používán ve vtších výškách, bylo by
možné využít prmrování hodnot z matice senzor pro získání jediné hodnoty a tak
efektivn snížit šum mení.
Kvli problémm s výrobou PCB senzor by bylo v pípad další produkce
vhodnjší upravit technologii výroby, která není výhodná pro senzory s velkými jádry.
Zásadním problémem souasné technologie je ne zcela pesné umístní amorfního jádra
doprosted senzoru (v podélné rovin) vi budícímu vinutí, které zpsobilo vtšinu
problém pi výrob a také znaný rozptyl gradientních parametr.
- 61 -
Seznam použité literatury a internetových odkaz
Tištné dokumenty:
[1]
Draxler, K., Kašpar, P., Ripka, P.: Magnetické prvky a mení. Skripta
VUT, Praha 1999
[2]
Ripka, P., (ed): Magnetic sensors and magnetometers. Artech House, Inc.,
2001
[3]
Ripka, P.: Race-track fluxgate sensors, Sens. Act. A, vol. 37-38(1993), pp.
417 – 421
[4]
Navrátil, P., Ripka, P.: Fluxgate sensors for magnetopneumometry, Sens.
Act. A, vol. 60(1997), pp. 76 – 79
[5]
Janošek, M.: Diplomová práce – Magnetometr s miniaturními senzory
fluxgate, 2007, VUT FEL
[6]
Kašpar, P., Platil, A., Ripka, P., Tomek, J.:Application of fluxgate
gradiometer in magnetopneumography, Sens. Act. A, vol. 132(2006), pp.
214 – 217
[7]
Draxler, K., Styblíková, R.: Use of nanocrystalline materials for current
transformer construction, Journal of Magn. Materials, vol. 157/158 (1996),
pp. 447 – 448
[8]
Draxler, K., Kašpar, P., Ripka, P.: Race-track fluxgate gradiometer, El.
Letters, vol. 29 (1993), pp. 1193 – 1194
[9]
Janošek, M., Ripka, P.: PCB Fluxgate gradiometer measuring dBx/dy,
Journal of El. engineering, vol. 61 (2010), pp. 1 – 3
[10] Schimdt, P.W., Clark, D.A.: The magnetic gradient tensor: Its properties
and uses in source characterization, The Leading Edge, 2006 , pp. 75 –
78
- 62 -
[11] Jank, P.: Bakaláská práce - Magnetický senzor v PCB technologii, 2010,
VUT FEL
[12] Ripka, P.: Advances in fluxgate sensors, Sens. Act. A, vol. 106 (2003), pp.
8 – 14
[13] Ripka, P.: Sensors based on bulk soft magnetic materials: Advances and
challenges, Journal of Magn. Materials, vol. 320 (2008), pp. 2466 – 2473
[14] Nielsen, O. V. et al.:Development, construction and analysis of the
´Oersted´ fluxgate magnetometer, IOP Publishing, vol. 6 (1995), pp. 1099
– 1115
[15] Roun, J.: Bakaláská práce – Vyhodnocení akustického signálu detektoru
kov, 2009, VUT FEL
[16] Cerman, A., Kuna, A., Ripka, P., Merayo, J.M.G.: Digitalization of highly
precise fluxgate magnetometers, Sens. Act. A, vol. 121 (2005), pp. 421 –
429
[17] Kawahito, S., Cerman, A., Aramaki, K., Tadokoro, Y.: A weak magnetic
field measurement system using micro-fluxgate sensors and delta–sigma
interface, IEEE Trans. Inst. Meas. 25 (1) (2003) 103–110.
[18] Janošek, M., Ripka, P.: Zapojení feromagnetické sondy pro mení
gradientu magnetického pole. Užitný vzor 21161, Patentový úad R 2010
[19] Kubík, J., Janošek, M., Ripka, P.: Magnetometer with pulse-excited
miniature fluxgate sensor. Journal of El. engineering, vol. 57 (2006), pp.
80 – 83
[20] Kubík, J.: Disertaní práce – PCB Fluxgate sensors. VUT FEL, 2007
- 63 -
Internetové odkazy
[21] http://cs.wikipedia.org/wiki/Gradient
-
Gradient
[22] http://crr.vutbr.cz/system/files/prezentace_08_1006_2.pdf
-
Platil, A., Ripka, P: Prezentace - Pesné magnetické snímae a jejich
aplikace, 2010
[23] http://www.linkeova.cz/skripta/pdf/06_spoje.pdf
-
Linkeová, I.: Prezentace – Výkresová dokumentace elektromech. spoj
[24] http://archives.sensorsmag.com/articles/0399/0399_18/main.shtml
-
Caruso, M.J., Bratland, T.: lánek - princip AMR senzor
[25] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/48364/AD/AD797.html
-
Datasheet AD797
[26] http://www.isibrno.cz/~joe/elektronika/elektronika_8.pdf
-
prezentace, druhy šumu
[27] http://www.daycounter.com/Calculators/Thermal-Noise-Calculator.phtml
-
Kalkulátor Johnsonova šumu
[28] http://www.ni.com/pdf/manuals/371931f.pdf
-
NI USB-621X User Manual
- 64 -
Seznam obrázk a tabulek
Obr. 1– Rozsah citlivostí základních skupin senzor (pevzato z [1]) ............ - 4 -
Obr. 2 – základní princip AMR senzor (pevzato z [2]) ................................. - 5 -
Obr. 3 – periodické flipování u AMR (z [23]) .................................................. - 6 -
Obr. 4 – Princip feromagnetické sondy (z [2]) ................................................ - 7 -
Obr. 5 – Prbhy fluxgate senzoru (z [2]) ...................................................... - 7 -
Obr. 6 – Konstrukní uspoádání (z [2]) ......................................................... - 9 -
Obr. 7 – Tívrstvý PCB senzor (z [20]) ......................................................... - 10 -
Obr. 8 – Píklad gradientního pole, a) 3D model, b) 2D model (z [20]) ........ - 11 -
Obr. 9 – Gradiometry ze 2 senzor .............................................................. - 13 -
Obr. 10 – Píklad jednosenzorového gradiometru (z [8]) .............................. - 13 -
Obr. 11 – Schéma fluxgate gradiometru ...................................................... - 16 -
Obr. 12– Vrstvy fluxgate gradiometru........................................................... - 20 -
Obr. 13 – Návrh fluxgate gradiometru v programu OrCAD .......................... - 20 -
Obr. 14 – Fluxgate gradiometr ..................................................................... - 20 -
Obr. 15 – Blokové schéma gradientního kanálu........................................... - 21 -
Obr. 16 – Schéma neinvertujícího zesilovae .............................................. - 22 -
Obr. 17 – Schéma PSD detektoru ................................................................ - 23 -
Obr. 18 – Dolní propust 2. ádu .................................................................... - 24 -
Obr. 19 – Blokové schéma kanálu pro kompenzaci homogenního pole ....... - 25 -
Obr. 20 – DPS elektroniky zpracování signálu ............................................. - 26 -
Obr. 21 – Referenní prbh budící jednotky .............................................. - 27 -
Obr. 22 – Posloupnost puls výstupního signálu snímacího vinutí .............. - 29 -
Obr. 23 – Spínání integrátoru signálem Wa .................................................. - 29 -
Obr. 24 – Modul NI USB-6212 (z [15]) ......................................................... - 30 -
Obr. 25- Blokové schéma analog. vstupu modulu NI USB-6212 (z [28])...... - 31 -
Obr. 26 – Princip více kanálového mení (z [28]) ....................................... - 32 -
Obr. 27 – Píklad vícekanálového mení vzork u mící karty USB-6212 - 33 -
Obr. 28 – Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin,
vzorkovací signál píliš rychlý pro pevodní hodiny (z [28]) ......... - 34 -
Obr. 29 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, pevodní
signál píliš rychlý pro vzorkovací hodiny (z [28]) ........................ - 34 -
- 65 -
Obr. 30 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin,
vzorkovací a pevodní hodiny nesprávn propojeny, vede
k aperiodickému vzorkování (z [27]) ............................................ - 35 -
Obr. 33 – “L” prvek s gradiometrem ............................................................. - 36 -
Obr. 34 – Gradiometrická soustava sond ..................................................... - 37 -
Obr. 35 – Osa citlivosti gradiometr ............................................................. - 37 -
Obr. 36 – Konstrukce gradiometrické soustavy sond ................................... - 38 -
Obr. 37 – Celkové schéma zapojení gradiometrického systému.................. - 39 -
Obr. 38 – zapojení modul NI USB-6212 ..................................................... - 40 -
Obr. 39 – Blokové schéma mícího systému .............................................. - 41 -
Obr. 40 – Triggerování dat ........................................................................... - 42 -
Obr. 41 – Detail jednoho (neúplného) odmru dat ....................................... - 43 -
Obr. 42 – Princip klouzavého prmru pro 1 kanál ...................................... - 44 -
Obr. 43 – Vývojový diagram mícího systému ............................................ - 46 -
Obr. 44 – Pední panel mícího systému .................................................... - 49 -
Obr. 45 – Mení citlivosti fluxgate gradiometru ........................................... - 50 -
Obr. 46 – Kalibrace gradiometr .................................................................. - 52 -
Obr. 47 – Systém homogenních a gradientních cívek.................................. - 53 -
Obr. 48 – Ovení umístní senzoru ............................................................ - 54 -
Obr. 49 – Konfigurace testovacího mení ................................................... - 57 -
Obr. 50 – Testovací objekty ......................................................................... - 57 -
Obr. 51 – Mení gradientního pole – mený objekt šroubovák.................. - 58 -
Obr. 52 - Mení homogenního pole – mený objekt šroubovák ................ - 59 -
Obr. 53 – Mení gradientního pole – mený objekt nábojnice ................... - 60 -
Tab. 1 – Parametry jádra fluxgate gradiometru ............................................ - 17 -
Tab. 2 – Porovnání parametr gradiometru ................................................. - 18 -
Tab. 3 – Režimy odebírání vzork ............................................................... - 48 -
Tab. 4 – Urení velikosti vyrovnávací pamti ............................................... - 48 -
Tab. 5 – kalibrace gradientního vinutí fluxgate sond .................................... - 51 -
Tab. 6 – Citlivosti jednotlivých gradiometr .................................................. - 56 -
- 66 -
Seznam píloh
1. Tištné pílohy:
Píloha 1: Schéma snímací elektroniky pro zpracování signálu
Píloha 2: Motivy plošných spoj elektroniky
Píloha 3: Výkres návrhu držák a podstavy
Píloha 4: Motivy plošných spoj senzoru
Píloha 5: Schéma mícího systému
2. Obsah CD:
Píloha 6: Diplomová práce (MS Word 97-03, MS Word 2007 a PDF)
Píloha 7: Snímací elektronika (Orcad 9.2)
Píloha 8: Výkres držák (Autocad Mechanical 2001)
Píloha 9: Schéma fluxgate gradiometru (Orcad 9.2)
Píloha 10: Mící systém (NI LabView 8.6)
Píloha 11: Použité obrázky
Píloha 12: Použité tabulky
- 67 -
Píloha 1: Schéma snímací elektroniky pro zpracování signálu – kanál 1 až 4
- 68 -
Píloha 1: Schéma snímací elektroniky pro zpracování signálu – kanál 5 až 8
- 69 -
Píloha 2: Motivy plošných spoj elektroniky
Rozložení souástek na DPS
Motiv vnjší horní vrstvy DPS (TOP)
Motiv vnjší spodní vrstvy DPS (BOT)
Motiv vnitní vrstvy DPS (IN2)
- 70 -
Píloha 3: Výkres návrhu držák a podstavy – konstrukní „L“ prvek
- 71 -
Píloha 3: Výkres návrhu držák a podstavy – konstrukní „L“ prvek
- 72 -
Píloha 4: Motivy plošných spoj fluxgate senzoru
Motiv vnjší horní (TOP) a spodní (BOT) vrstvy snímacího vinutí
Motiv vnitní horní (IN1) a spodní (IN2) vrstvy snímacího vinutí
- 73 -
Píloha 5: Schéma mícího systému
- 74 -
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