Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и анализ существующих методов регистрации параметров геомагнитных возмущений 15
1.1 Природа вариаций параметров геомагнитного поля 15
1.2 Влияние вариаций магнитосферы Земли на ее биосферу 22
1.3 Актуальность регистрации параметров геомагнитных возмущений...25
1.4 Обзор и критический анализ известных методов и технических средств в области геомагнитных измерений 30
1.5 Постановка задач исследований 47
Результаты и выводы 51
Глава 2 Математическое моделирование ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений 52
2.1 Общий подход к постановке задачи математического моделирования ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений 52
2.2 Анализ и оценка амплитудно-частотного диапазона исследований ...57
2.3 Разработка математических моделей для ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений 60
2.4 Разработка математических моделей цифровой обработки информационных сигналов 78
Результаты и выводы 84
Глава 3 Структурное построение ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений и разработка комплекса программно- алгоритмического обеспечения 85
3.1 Синтез структуры ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений 85
3.2 Анализ возможных перспектив технической реализации функциональных узлов ИИС регистрации параметров ГМВ 88
3.3 Разработка программно-алгоритмического обеспечения 95
3.4 Анализ работы функциональных узлов ИИС в тестовом режиме 101
Результаты и выводы 107
Глава 4 Экспериментальные исследования ИИС «РПГВ-1» 108
4.1 Описание функциональной схемы ИИС «РПГВ-1» 108
4.2 Определение и анализ основных метрологических характеристик исследуемой ИИС 107
4.3 Постановка и проведение эксперимента по регистрации параметров геомагнитных возмущений 111
4.4 Анализ результатов экспериментальных данных 121
Результаты и выводы 135
Заключение 136
Литература 138
Приложения 141
- Влияние вариаций магнитосферы Земли на ее биосферу
- Анализ и оценка амплитудно-частотного диапазона исследований
- Анализ возможных перспектив технической реализации функциональных узлов ИИС регистрации параметров ГМВ
- Определение и анализ основных метрологических характеристик исследуемой ИИС
Введение к работе
Актуальность. Одним из динамично развивающихся научных
направлений в настоящее время является исследование в области
магнитобиологии - раздела биофизики, изучающего особенности
биологических процессов, обусловленных воздействием слабых
низкочастотных магнитных полей, не вызывающих нагрева тканей. Таким
образом, в область исследования попадает так называемый слабый магнитный
шум (вариации магнитного поля) как естественного, так и техногенного
характера. Причем, к естественным магнитным вариациям следует относить
не только периодические (суточные, годовые и 11-летние)
геомагнитные вариации, но и непредсказуемые скачки напряженности геомагнитного поля, как результат хаотичных взрывов на Солнце, а также их последствия - магнитные бури.
Всемирная организация здравоохранения рассматривает отклонения магнитного фона на рабочих местах и в жилых помещениях от принятых норм как фактор стресса для организма человека, а так же как причину ряда серьезных заболеваний, некоторые из которых сопровождаются летальным исходом.
Известно, что в период геомагнитных возмущений (ГМВ) в 3 раза увеличивается число инфарктов, в 2 раза увеличивается число инсультов и приступов стенокардии, увеличивается на 50-55% число пациентов, страдающих ишемической болезнью сердца и жалующихся на недомогание.
Однако, особенности воздействия слабых магнитных полей (главным образом в области низких и сверхнизких частот) на биологические объекты во многом остаются неясными, в связи с чем неоднозначной становится и оценка негативного влияния вариаций магнитных полей в рассматриваемой области.
Поэтому, в постоянном контроле «магнитной загрязненности» нуждаются такие учреждения, как медицинские кардиологические и нейрохирургические стационары, родильные дома, воинские части, станции теле и радиовещания и т.п.
В настоящее время регистрацию параметров магнитосферы Земли в реальном времени ведут специализированные магнитные обсерватории, размещенные в различных регионах Российской Федерации. Причем, из ряда параметров ГМВ регистрируют как правило вариации вертикальной и горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля на конкретной географической широте.
Данные, получаемые обсерваториями, являются доступными и адаптированными для узкоспециализированных организаций (ИЗМИРАН,
Государственная метеорологическая служба и т. п.). Широкая же аудитория - медицинские и иные организации, получают информацию о текущем состоянии магнитосферы Земли, как правило, по публикациям в средствах массовой информации и порою со значительным запаздыванием.
Кроме того, магнитные обсерватории располагаются в местах удаленных от городских инфраструктур, что существенно отличает картину магнитного поля в локальных точках дислокации обсерваторий от магнитного фона в крупных городах и промышленных центрах.
Воздействие ГМВ на измерительную аппаратуру, применяемую в геолого-разведочных и навигационных системах, может также существенно исказить достоверность контролируемой информации. Научно-исследовательские и производственные предприятия геофизического профиля (ОАО НПФ «Геофизика», НПП ВНИИГИС, ГУП ЦМИ «Урал-гео» и др.), выполняющие комплекс работ по калибровке, поверке и настройке геофизической аппаратуры с магниточувствительными измерительными преобразователями, также сталкиваются с проблемой отсутствия текущей достоверной информации об изменении параметров магнитосферы Земли в реальном времени.
Известные работы ученых и специалистов (Ю.В. Афанасьева, В.Н. Бинги, Н.В.Студенцова, В.Н. Хорева, Н.Н. Семенова, В.Г. Гусева, Г.В. Миловзорова, А.Л. Бучаенко, Г.Р. Броуна, Ю.Н. Кочемасова и др.) дают объективное представление о классическом, традиционном построении магнитометрической аппаратуры.
Известные магнитометрические информационно-измерительные системы (ИИС) позволяют контролировать параметры магнитных полей в заданном амплитудном диапазоне и с определенной точностью.
Анализ известных работ в области построения аппаратуры подобного рода показывает, что специалистами недостаточное внимание уделяется разработке и созданию ИИС, позволяющих производить автоматизированную регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ, особенно в субгармонической области информационных сигналов (т.е. области частот, сопоставимых с биологическими ритмами человека).
Таким образом, разработка и создание ИИС, позволяющей регистрировать комплекс параметров ГМВ различной природы в субгармоническом спектре информационных сигналов, является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы. Разработка научно обоснованных методических и технических решений в области создания ИИС регистрации в реальном времени комплекса параметров ГМВ, обеспечивающей проведение анализа
информационных сигналов в субгармонической области в автоматизированном режиме.
Решаемые задачи
Выполнить обзор и анализ известных работ и разработок в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей и определить наиболее перспективные направления их развития.
Разработать ИИС, обеспечивающую регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.
Разработать математические модели для ИИС, а так же на их основе разработать программно-алгоритмическое обеспечение для регистрации параметров геомагнитных возмущений.
Разработать методику регистрации комплекса параметров ГМВ (на базе действующих нормативных документов), включающую автоматизированную регистрацию и обработку информационных сигналов в субгармонической области с применением методов цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Выполнить комплекс экспериментальных исследований ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений и внедрить результатов работы.
На защиту выносятся
ИИС, обеспечивающая регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.
Математические модели для ИИС, позволяющие осуществлять (по средствам цифровой обработки сигналов методом наименьших квадратов) в автоматизированном режиме амплитудно-частотный анализ геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов.
Программно-алгоритмический комплекс, разработанный на базе полученных математических моделей, обеспечивающий регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ в субгармонической области информационных сигналов.
Методическое обеспечение ИИС, позволяющее вести регистрацию комплекса параметров ГМВ в реальном времени в автоматизированном режиме, а так же результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна
Разработана ИИС, обеспечивающая в автоматизированном режиме регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных
возмущений в полигармоническом спектре информационных сигналов особенно в субгармонической области.
Научно обоснованы и предложены в качестве регистрируемых величин переменные (в том числе впервые предложенный параметр интегральной оценки ГМВ), комплексный анализ которых позволит расширить функциональные возможности медицинского персонала в области оценки влияния МП на биологические объекты.
Разработаны математические модели для ИИС, обеспечивающие комплексный амплитудно-частотный анализ геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов на базе ЦОС методом наименьших квадратов (МНК).
Методика, обеспечивающая регистрацию комплекса параметров ГМВ (в том числе параметра интегральной оценки ГМВ) в реальном времени в автоматизированном режиме.
Практическая значимость результатов
На основе обзора и критического анализа известных магнитометрических ИИС определены наиболее перспективные направления развития в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей.
Создан экспериментальный образец ИИС регистрации параметров ГМВ («РПГВ-1»), обеспечивающий регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ в том числе в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.
Создан пакет прикладных программ, включающий в себя программно-алгоритмический и методический комплекс анализа амплитудно-частоного спектра ГМВ в субгармонической области информационных сигналов на базе методов цифровой обработки сигналов МНК (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009611194).
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в
Республиканской детской клинической больнице и в учебном процессе ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях различного уровня:
Всероссийская (с международным участием) молодежная научная конференция «XI Туполевские чтения», г. Казань, 2003 г.;
международная молодежная научная конференция «XXX Гагаринские чтения», г. Москва, 2004 г.;
V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых г. Санкт-Петербург, 2008 г.;
международная молодежная научная конференция «XXXIV Гагаринские чтения», г. Москва, 2008 г.;
Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2009 г.;
IV Всероссийская школа-семинар аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и техники", г. Уфа, 2009 г.;
XI Международная молодежная научно-практическая конференция "Человек и Космос", г. Днепропетровск, 2009 г.;
VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 2009 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе одна статья в издании из перечня, рекомендованного ВАК, пять статей в сборниках научных трудов, семь публикаций в трудах конференций и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы из 75 наименований и 4 приложений. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста и содержит 42 рисунка и 28 таблиц.
Влияние вариаций магнитосферы Земли на ее биосферу
С начального этапа наблюдения учеными, за состоянием параметров магнитосферы Земли, было сформулировано определённое количество теорий, доказывающих непосредственное влияние изменения параметров состояния магнитосферы Земли на её биосферу, и в частности на человека.
В основном эти теории опираются на изменение микротоков протекающих в нервной системе живых организмов, и на изменение дрейфа частиц, предрасположенных к намагничиванию, и входящих в состав биоорганизмов.
Существует ряд фактов, подтверждающих непосредственное влияние магнитного поля, и в частности магнитного поля Земли, на жизнедеятельность биосферы Земли [9]: ? Ориентация по магнитному полю Земли мигрирующих птиц; ? Ориентация по магнитному полю Земли микроорганизмов, с целью поиска оптимальных условий для существования; (Магнетотоксические бактерии встречающиеся в морской глине, используют магнетосомы внутри своих клеток и выстраиваются в цепочки, чтобы различить «верх» и «низ» в Земном магнитном поле. Это помогает бактериям передвигаться через водную толщу в поисках подходящих условий для развития. Вышеуказанные магнетосомы состоят из нанокристаллов магнитного минерала — магнетита (Fe304), и имеют размеры порядка 50 нм.); ? Ориентация некоторых видов млекопитающих по магнитному полю. ? Сильные электромагнитные бури могут спровоцировать в некоторых местностях выход из грунта радиоактивного газа радона, при этом несколько возрастает радиоактивность атмосферы, со всеми вытекающими последствиями; ? Наличие в составе тканей головного мозга человека железа, находящегося в составе ферритинов (белков с железом в виде наночастиц). Еще один компонент, находящейся в тканях головного мозга человека- это магнетит (оксид железа), либо очень похожий по составу на него маггемит (магнитная модификация окиси железа у-Ре20з), либо их смесь.
Как известно [10], в некоторых своих органах человек, генерирует электромагнитные поля, на несколько порядков меньше напряженности постоянного магнитного поля Земли и электромагнитного шума техногенной природы. Наиболее явная реакция организма обнаруживается при воздействии электромагнитных полей, сопоставимых по величине и частоте именно с малыми собственными электромагнитными полями человека.
Поскольку наиболее активно электромагнитное поле человека в области низких и сверхнизких частот (0,01-100 Гц), то и биоэффективное воздействие магнитных бурь, оказывается наиболее заметным именно в этой полосе частот. Исходя из этого, теория о непосредственном воздействии магнитных бурь на человека имеют под собой реальную основу, т.к магнитная буря — сопровождается специфическими нерегулярными вариациями в электромагнитного поля в полосе уязвимости человека.
Так же установлено, что в годы максимума солнечной активности увеличивается количество тромбозов и кровотечений, поскольку геомагнитные показатели влияют на свертываемость крови человека. Число лейкоцитов с повышением солнечной активности снижается, что вызывает иммунодефицит. Данные полученные из информационных источников сферы здравоохранения показывают, что в период геомагнитных возмущений: в 3 раза увеличивается число инфарктов, в 2 раза увеличивается число инсультов и приступов стенокардии; на 50-55% чаще жалуются на недомогание люди с ишемической болезнью сердца. В системе метрополитена электромагнитные изменения техногенного характера в области сверхнизких частот (особенно в моменты разгона и торможения электропоездов) непосредственным образом влияют на процесс жизнедеятельности организма человека. Ученые - гелиомагнитобиологи делят людей на магниточувствительных и немагниточувствительных. Причём к последней группе относится 20 % населения планеты. Таким образом, 80 % населения Земли так или иначе реагирует на изменение внешних магнитных полей [25]. Таким образом, задачи связанные со специальным контролем и оценкой локальных геомагнитных возмущений актуальны, и имеют очевидный научно-исследовательский характер.
Актуальность и значимость ведения постоянного мониторинга и оценки параметров геомагнитных возмущений обуславливается в первую очередь предписаниями санитарно-эпидемиологических правил и нормативов - СанПиН 2.2.4.1191-03 "Электромагнитные поля в производственных условиях" (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 30 января 2003 г.), а именно пунктами 3.1 и 4.2 вышеуказанного документа[58]. Часть СанПиН 2.2.4.1191-03 процитирована далее, в текущем разделе данной работы.
Временные допустимые уровни ослабления геомагнитного поля — Оценка и нормирование ослабления геомагнитного поля на рабочем месте производится на основании определения его интенсивности внутри помещения, объекта, технического средства (далее - помещения) и в открытом пространстве на территории, прилегающей к месту его расположения, с последующим расчетом коэффициента ослабления ГМП.
Анализ и оценка амплитудно-частотного диапазона исследований
По причине влияния множества источников электромагнитного излучения, как искусственного, так и естественного происхождения, магнитный фон Земли, в любой её локальной точке состоит из множества гармонических составляющих различной частоты и амплитуды.
Важной задачей является выявление из этого множества научно обоснованного ограниченного диапазона частот и амплитуд, вариации МП внутри которых будут наблюдаться и регистрироваться. Так же необходимо задаться периодом времени, превышая который воздействие МП на биологические объекты будет превышать безопасные предельно допустимые нормы.
Если исследуемым амплитудно-частотным диапазоном ГМВ можно задаться сопоставляя статистику ГМВ, публикуемую ИЗМИР АН с данными исследований ученых-магнитобиологов, то то для определения шага квантования необходимо ограничить диапазон исследований предметом воздействия ГМВ (в данной работе-человеком).
Итак, магнитные частицы, входящие в состав различных тканей (приимущественно тканей головного мозга) человека в основном состоят из кристаллического магнетита. Магнитный момент р этих частиц превышает элементарный на 7—9 порядков, а энергия их поворота в слабом магнитном поле Н существенно больше энергии тепловых флуктуации Kbt [8]. Особый интерес представляют частицы магнетита, обнаруженные в мозге многих животных и человека. Установлено, что они имеют биогенное происхождение, т.е. образуются со временем в результате кристаллизации непосредственно в мозге. Биогенные частицы магнетита часто называют магнитосомами; впервые их наблюдали в бактериях, проявляющих магнитотаксис [28]. Недавно показано, что магнитные наночастицы могли бы образовываться и в ДНК-комплексах. Содержание магнитосом в тканях мозга человека составляет около 5 106, в мозговой оболочке более 108 кристаллов на грамм; около 90 % частиц, найденных в этой работе, имело размер 10-70 нм и около 10 % 90-200 нм [25]. В среднем, согласно, содержание магнитосом в мозге составляет приблизительно 10—50 нг/г [4]. Часто полагают, что магнитосомы участвуют в магниторецепции слабых магнитных полей. Энергия 100-нм магнитосомы в геомагнитном поле равна приблизительно 24 кВТ [29]. Следовательно, регулярные изменения этой энергии в дополнительном переменном магнитном поле h составят около (Zz//fgeo)24 кВТ. Если эти регулярные изменения превышают случайные, имеющие порядок кВТ/2, то они могут вызвать биологическую реакцию. Неравенство (///#geo)24 кВТ кВ Т/2, которое отсюда следует, накладывает естественное ограничение на величину переменного МП, способного оказать влияние на биофизическую или биохимическую систему: h 1-2 мкТл. Как показано в, предельная величина МП, детектируемого на биологическом уровне, может быть около 250 нТл, т.е. еще на порядок меньше, при движении магнитосом в потенциале с двумя минимумами, или ямами. В этом случае тепловые возмущения не маскируют, а, напротив, помогают слабым магнитным силам вызывать ответную реакцию организма. Вследствие тепловых возмущений возникают переходы из ямы в яму даже тогда, когда нет сигнала переменного МП. При этом происходят случайные повороты частицы на значительный угол. Регулярная внешняя сила, переменное МП в нашем случае, вносит упорядоченность в такие переходы, причем величина этого порядка достигает максимума при определенном оптимальном уровне шума. В этом состоит известное явление т.н. стохастического резонанса.
Анализ ряда официальных источников, нормативных документов, и государственных стандартов РФ [19-22, 58], а так же некоторой имеющей место корреляции между значениями амплитуды вектора магнитной индукции и времени безопасного пребывания под его воздействием позволил отобразить имеющиеся данные графически, как показано . Таким образом, далее необходимо аналитически представить такую функцию, которая в точности соответствовала бы нормам СанПиН 2.2.4.1191-03 и при этом условии максимально точно отражала требования нормативов других стран (рисунке 2.3). Проанализировав таблицу 2.1, справедливо будет заметить, что значения коэффициента к, колеблются вокруг определенной точки и незначительно удалены друг от друга. Этот факт возможно объяснить, уникальностью каждого человека в отдельности, что подразумевает и несколько различное воздействие, оказываемое внешним магнитным полем на данный конкретный организм в отдельности. Отметим, что Земля обладает собственным магнитным полем, непрерывно меняющим свои амплитудно-частотные характеристики, в силу воздействия внешних факторов. А состояние магнитного вакуума как таковое, крайне неблагоприятно для длительного пребывания в нем большинства биологических объектов, в том числе и человека.
Анализ возможных перспектив технической реализации функциональных узлов ИИС регистрации параметров ГМВ
В настоящее время, современная элементная база имеет ряд высокоточных магнитных сенсоров, принцип действия которых основан на магниторезистивном эффекте, при этом функция зависимости выходного сигнала от внешнего магнитного поля является линейной. Лидером в данной области является фирма «Honeywell», предлагающая серию магниторезистивных сенсоров типа НМС , (где четырехзначный десятичный номер конкретного сенсора). В основе их принципа действия лежит анизотропный магниторезистивный эффект, который заключается в способности длинной пермаллоевой пленки (NiFe) [41] изменять свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направление ее вектора намагниченности. Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки на определенный угол, что непосредственно влияет на значение сопротивления магниторезистора.
Для построения датчиков данных модификаций, четыре идентичных магниторезистивных пленки соединяют по мостовой схеме и образуя тем самым плечи моста. Пленки формируются осаждением тонкого слоя пермаллоя на кремниевую пластину в форме ромба.
На практике, для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке, последовательно между собой соединенных при помощи алюминиевых перемычек и защищенных сверху слоем нитрида тантала.
Максимальное воздействующее магнитное поле 10000 Гаусс Таблица 3.2. Технические характеристики магниторезистивного датчика типа НМС 1021/10 Параметр примечания Значение min Значение типовое Значение max единицы измерения
Максимальное воздействующее магнитное поле 10000 Гаусс Анализируя численные значения параметров магнитосферы Земли, пределы измерения датчиков (рисунок 3.2), а так же учитывая возможные поправки на геомагнитные возмущения, таблицу оценки К-индекса для обсерватории «Москва» (таблица 1.1) имеем, что в полной мере удовлетворяет заданным техническим параметрам магниторезистивныи датчик типа НМС 1001/1002.
На этапе разработки данной структуры необходимо запланировать и учесть ряд функциональных элементов, необходимых для последующей корректной аппаратной реализации системы, а именно: -Блок преобразования и распределения электрической энергии; -Система индикации функционирования системы; - Блок предварительной настройки модуля формирования установочных (сбросовых) импульсов. - блок питания (+5В, ЮООмА) — стабилизированный источник вторичного электропитания, запитываемый от стандартной однофазной сети переменного тока (220 В, 50 Гц), рассчитанный на мощность 5 Вт, с выходным напряжением +5 В; - блок преобразования и распределения электрической энергии — система позволяющая преобразовывать входное напряжение номиналом в 5 В, в необходимые для функционирования магниторезистивного сенсорного блока номиналы напряжений в +12 В и +20 В; - система управления трехкомпонентным магниторезистивным сенсором — микроконтроллерная система формирующая ряд обусловленных управляющих импульсов определенной скважности, генерируемых и управляемых по средствам программного обеспечения. - блок предварительной настройки модуля формирования установочных (сбросовых) импульсов — устройство ввода вывода информации, по средствам которого варьируется скважность управляющих импульсов системы управления трехкомпонентным магниторезистивным сенсором; модуль формирования установочных (сбросовых) импульсов — интерфейсный модуль, отвечающий за сопряжение системы управления трехкомпонентным магниторезистивным сенсором и непосредственно самим трехкомпонентным магниторезистивным сенсором; - система индикации функционирования системы — устройство вывода информации, отображающее текущий режим работы магниторезистивного сенсорного блока и сигнально отображающее функционирование основных узлов магниторезистивного сенсорного блока; - датчик магнитного поля Х-координаты, датчик магнитного поля Y-координаты, датчик магнитного поля Z-координаты — три идентичных ортогонально настроенных магниторезистивных датчика типа НМС 1001, в совокупности представляющие трехосевой магниторезистивный гибридный сенсорный модуль типа НМС2003, позволяющий оценивать значение вектора магнитной индукции по трем осям координат. Таким образом, в первом приближении решена инженерная задача обнаружения внешнего магнитного поля с заданной точностью и в заданном диапазоне. Причем немаловажно отметить, что считывание внешней магнитной обстановки ведется параллельно в трех ортогональных направлениях с равной точностью.
Для обеспечения корректной работы магниторезистивного датчика, необходимо разработать специальный алгоритм работы и управления, который предоставит возможность корректного считывания информации с гибридного трехосевого магниторезистивного сенсора. При начальных условиях, или при воздействии внешнего вектора магнитной индукции превышающего оговоренное разрушающее значение (В=15..20 Гаусс) [36], магнитные домены магниторезистивного элемента ориентированы хаотичным образом, как показано на рисунке 3.5. Такое состояние датчика не пригодно для измерения ввиду нулевой чувствительности. Рисунок. 3.5 - Ориентация магнитных доменов магниторезистивного элемента по умолчанию, либо при воздействии внешнего разрушающего магнитного поля, номинал вектора магнитной индукции которого превышает 15..20 Гаусс. Подача короткого установочного импульса тока 2..5 А, длительностью 1..2 мкс через катушку SET/RESET, формирует поле, ориентирующее магнитные домены всех пленок сенсора в одном направлении, которое и называется легкой осью (рисунок 3.6) [13]. Рисунок. 3.6. - Ориентация магнитных доменов пленки сенсора после подачи установочного импульса Катушка SET/RESET выполняет еще одну важную функцию - это инвертирование передаточной характеристики датчика путем ее зеркального отображения относительно двух смещений. Смещение по оси Y порядка -25мВ вызвано исключительно омическим рассогласованием магниторезистивных пленок моста в процессе изготовления и устраняется добавлением шунтирующего резистора к одному из плеч моста. Второе смещение создано извне, вероятно из-за того, что вблизи сенсора находится крупный ферромагнитный объект. Это поле компенсируется с помощью второй встроенной в сенсор катушки OFFSET.
Определение и анализ основных метрологических характеристик исследуемой ИИС
Метрологические характеристики — это характеристики свойств средства измерений. Оказывающие ВЛИЯНИЄ На результат измерения и его погрешности. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Учитывая то, что рассматриваемая ИИС проектируется впервые и не имеет аналогов, то в настоящем разделе наибольшее внимание будет сосредоточено на действительных метрологических характеристиках. Руководствуясь разделом 2 стандарта ГОСТ 8.009-84 определим основные метрологические характеристики исследуемой ИИС. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений. Результатом измерения ИИС является относительная величина, ]Гм, выражающаяся в процентах. Физический смысл ]Гм заключается в соотношении предельно допустимой безопасной дозы воздействия МП с известными характеристиками, реально воспринятой организмом дозе воздействия МП с известными характеристиками.
Функция преобразования измерительного преобразователя, а так же измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины. Внешнее магнитное поле воздействует на магниторезистивный датчик, на выходе которого имеем три выходных разности потенциалов соответствующие проекции вектора магнитной индукции на три ортогональные плоскости. Таким образом, выходные разности потенциалов связанны с действующим вектором магнитной индукции соотношением 4.1. Впреобр.(UXUYUZ) = J(UX 2.5f+{UY -2.5)2+(Uz -2.5)2 , (4.1) где Ux, Uy, UZ - пропорциональные разности потенциалов, соответствующие проекции вектора магнитной индукции на соответствующие плоскости.
Имея разработанную ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений, рассчитав ее основные метрологические характеристики, а так же сформулировав необходимые методики и алгоритмы регистрации параметров геомагнитных возмущений в автоматизированном режиме, реализуем ряд практических экспериментов связанных с оценкой и регистрацией параметров геомагнитных возмущений. Таким образом, на данном этапе исследования, для получения данных эмпирических исследований, необходимо разработать методику проведения эксперимента. Цель эксперимента: Целью эксперимента является регистрация параметров ГМВ, главным образом параметра интегральной оценки ГМВ - « М» в течении некоторого заданного промежутка времени, а так же анализ полученных экспериментальных данных, с целью выявления неблагоприятной локальной магнитной обстановки, в соответствии с требованиями нормативных документов. Используемое оборудование: В качестве лабораторного оборудования при проведении эксперимента, будут задействованы ПЭВМ, осциллограф GOS-6112 и экспериментальный образец впервые предложенной ИИС регистрации геомагнитных возмущений (рисунок 4.4) «РПГВ-1».
Пределы измерений Дата Разрешение Условия ( лаб., город., кв., естеств. условия.) Напряжение питания Т,С Разрешение АЦП Ратм., Интерфейс т,Гц интерфейсное ПО Прогноз К-индекса Период исследования(Обозначить планируемое время проведения экспиремента, часы) Расположение (обозначить видимые источники магнитного излучения) Приминание:
Калибровка производится из расчета: +50мА тока через компенсирующую подмагничивающую катушку соответствует наведению компенсирующего магнитно поля номиналом ЮОмкТл [70]. Причем, необходимо отметить, что вывод «А» указанной цепочки подключен к тумблеру «S3», манипулируя которым имеем возможность изменять направление протекания электрического калибровочного тока.
