Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Магнитоэлектронный СВЧ генератор как датчик измерения слабых магнитных полей
1.1 Принцип работы и конструкция магнитоэлектронных датчиков
1.2 Расчет параметров магнитроэлектронных датчиков с использованием САПР «Microwave Office 2002»
1.3 Методика обработки показаний датчиков и проблемы настройки и калибровки
1.4 Использование системы магнитоэлектронных датчиков в качестве магнитного компаса и определителя вектора магнитного поля Земли
Глава 2. Исследование природы нестабильностей показаний магнитоэлектронных датчиков
2.1 Долговременная и кратковременная нестабильности показаний датчиков
2.2 Повышение устойчивости показаний магнитометра к изменениям температуры при применении разностного датчика
Глава 3. Использование немагнитных экранов для подавления кратковременных (импульсных) магнитных помех
3.1 Исследование кратковременных (импульсных) изменений показаний датчиков
3.2 Теоретическая модель возможности подавления импульсных и ВЧ магнитных помех немагнитными проводящими экранами (кольцами)
3.3 Экспериментальное исследование подавления ВЧ и импульсных помех немагнитными проводящими экранами
Заключение 101
Список литературы 107
Приложения:
Приложение 1 119
Приложение 2 120
Приложение 3 125
Приложение 4 129
- Расчет параметров магнитроэлектронных датчиков с использованием САПР «Microwave Office 2002»
- Использование системы магнитоэлектронных датчиков в качестве магнитного компаса и определителя вектора магнитного поля Земли
- Повышение устойчивости показаний магнитометра к изменениям температуры при применении разностного датчика
- Теоретическая модель возможности подавления импульсных и ВЧ магнитных помех немагнитными проводящими экранами (кольцами)
Введение к работе
Системы управления находят применение практически во всех областях науки и техники. К системам управления относятся системы, позволяющие ориентироваться в пространстве (навигационные системы). Для некоторых других систем управления требуется определение железосодержащих объектов и залежей железной руды под земной поверхностью или под водой по аномалиям магнитного поля (магниторазведка), а определение малых девиаций магнитного поля используется в дефектоскопии. Источником информации в таких системах является магнитное поле Земли, относящееся к слабым магнитным полям (В ~ 40-10 нТл (0,4 Гс)). Возникает необходимость в определении величины и направления магнитного поля Земли в различных ее частях, т.е. требуются магнитные карты, привязанные к географической карте. Первая попытка составления таких карт была предпринята в XVIII веке известным немецким ученым Карлом Гауссом. В настоящее время такие магнитные карты составлены практически для всех районов Земли.
Особенно сложные задачи возникали в навигации при движении в местности, лишенной ориентиров и при мореплавании (navigato -мореплавание, лат). Использование математики, астрономии, механики и других наук в интересах навигации позволило развить научные основы кораблевождения и разработать ряд приборов и инструментов для средств навигации и управления.
Навигационные устройства предназначены для измерения, параметров движения объектов относительно Земли, небесных тел или окружающей среды на всех этапах процесса управления движением подводных лодок, надводных кораблей, сухопутного транспорта, самолетов, ракет, космических кораблей и инопланетных роботов. Чем труднее и сложнее условия навигации объекта, тем большей становится роль навигационных устройств.
Благодаря использованию новейших достижений в области науки и техники стали применяться все более разнообразные и совершенные навигационные устройства, основанные на автономных и неавтономных методах измерения.
Для осуществления навигации объект должен располагать определенными средствами для получения, первичной информации (датчиками), устройствами для ее обработки (преобразующими и вычислительными устройствами), устройствами отображения- информации- и органами управления, некоторым объемом памяти, достаточным запасом сведений об окружающем пространстве и о методах выполнения навигационных измерений. У технических объектов - подводных лодок, кораблей и др. - первичная навигационная информация получается с помощью датчиков, а обработка их сигналов осуществляется счетно-решающими устройствами. Эти же устройства снабжаются определенным объемом памяти, в которую задаются необходимые сведения об окружающем пространстве и программы выполнения навигационных измерений:
Суть навигационного процесса заключается в том, что с помощью датчиков первичной информации измеряются различные {физические параметры, зависящие от положения и движения относительно внешних предметов или физических полей. Устройства для обработки информации на основании полученных сигналов- определяют навигационные параметры, характеризующие скорость и координаты, местонахождения, объекта относительно принятой, системы отсчета:. Измеренные данные сравниваются с намеченной программой движения, и всякие отклонения от программы преобразуются в сигналы команд на систему управления движением объекта. Благодаря этому объект может двигаться по заданной или желаемой траектории с небольшими отклонениями от нее.
Задачами навигации принять считать:
предварительное определение навигационной программы и траекторий движения объекта с учетом возможностей имеющегося измерительного оборудования, предполагаемых внешних условий и времени движения;
определение методов навигационных измерений, исходной и начальной навигационной информации и средств коррекции ошибок измерений, которые могут быть наиболее эффективными в планируемых условиях движения объекта;
выполнение измерений и обработка навигационной информации в процессе движения объекта;
обнаружение пространственно-временнных отклонений от заданной программы движения и выработка команд для управления, объектом [1-4].
Одним из видов современных навигационных систем являются магнитные навигационные системы. Несмотря на то, что по точности определения местоположения объекта они уступают спутниковым навигационным системам, магнитные навигационные системы имеют и ряд достоинств. Главным из них является автономность, т.е. независимость от каких-либо внешних источников информации. В большинстве случаев на движущихся объектах магнитная навигационная система используется как дублирующая или запасная, тогда когда невозможно получить сигнал со спутника, (под землей, в тоннелях, плохих погодных условиях и т.д.). Магнитные навигационные системы, в качестве первичной< информации используют параметры магнитного поля Земли [5-7].
Под параметрами магнитного поля принято понимать скалярные и векторные величины, характеризующие магнитное поле. К ним относятся вектор магнитной индукции, градиент вектора магнитной индукции grad В, градиент модуля магнитной индукции grad ІВІ и др. Обычно непосредственно измеряемыми параметрами магнитного поля являются скалярные величины:
модуль вектора магнитной индукции I В| или его составляющие Д-, производные этих величин, функционально связанные с указанными векторными величинами и дающие возможность определить топографию и степень неоднородности магнитного поля, а также характер его изменения во времени.
Индукция магнитного поля Земли составляет величину порядка 40-103 нТл (0,4 Гс) и относится к слабым магнитным полям. Измерение величины и направления индукции магнитного поля осуществляется с помощью специальных систем - магнитометров. Магнитометры представляют собой сложные технические устройства, состоящие из нескольких узлов (элементов). Основой любого магнитометра является датчик магнитного поля - устройство, создающее электрический сигнал, характеристики которого зависят от величины индукции магнитного поля (обычно одной из его проекций на некоторое выделенное направление). Для получения такого сигнала (сигнала-отклика) необходим источник энергии, так как индукция магнитного поля относится к пассивным величинам, которые непосредственно не создают сигнал измерительной информации: В магнитометре также должно быть устройство, измеряющее этот сигнал-отклик и устройство отображения, переводящее электрический сигнал в численное значение измеряемой индукции магнитного поля. В магнитометре также должны быть предусмотрены устройства его настройки и калибровки.
Применение магнитометров- для, навигации, очень перспективно. Разработан целый ряд конструкций магнитных компасов с высоким, разрешением по углу, на основе которых создаются схемы управления движением различных аппаратов [8-19].
Магнитометры находят широкое применение не только в магнитной навигации, но и в других областях современной науки и техники. В космологии большой интерес представляет изучение магнитного поля Луны, планет и других космических объектов. В геофизике магнитометрия
используется для составления магнитных карт Земли, отслеживания изменений магнитного поля во времени, вызванных причинами космического, геологического и атмосферного происхождения, предсказания возможности землетрясений и так далее. Магнитометры применяются в геологоразведке для поиска полезных ископаемых по локальным аномалиям магнитного поля Земли. В материаловедении магнитометры используются для измерения некоторых параметров магнитных материалов, а также для определения вкраплений магнитных материалов в немагнитные. Разработан целый ряд приборов для магнитной дефектоскопии различных конструкций, в частности, стальных трубопроводов [20-30].
Тенденция к расширению сфер применения магнитных датчиков привела к их проникновению в различные области науки и практической деятельности. В настоящее время магнитометрия широко применяется в химии, биофизике и даже медицине. Есть сообщения о получении магнитокардиограмм и магнитоэнцефалограмм человека. Всё это стимулирует проведение работ по совершенствованию конструкций и повышению характеристик магнитометров.
В настоящее время требуется измерение индукции постоянных
магнитных полей в диапазоне от 10"16 (магнитный вакуум) до 30 Тл,
переменных - от 10"15 до нескольких тесла в диапазоне частот от долей герца до
десятков мегагерц. Существуют различные типы датчиков, служащие для
измерения магнитных полей, основными из которых являются:
магнитомеханические, индукционные, гальваномагнитные,
магниторезонансные, феррозондовые, магниторезистивные, а также типа SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices - квантовые интерференционные устройства на основе сверхпроводимости)[31-32, 34-44, 47]. На рис.1 показано распределение по чувствительности некоторых типов магнитных датчиков. В Приложениях 1-4 приведены сведения о различных типах датчиков магнитных полей - их принципе работы, областям применения, точностным характеристикам и стоимости.
СКВИД магнитометры
Магнитор ез онансные Феррозонды
Магнитор ез ис тивны е
_.,
Помехи в условиях города
Датчики Магнитное Холла поле 3 емли
КҐ6 10"5 10"4 ю-3 ю-2 Ю-1 10 ю1 ю2 ю3 104 10'
В, нТл
Рис.1
Довольно широкий класс приборов для измерения магнитного поля
представляют магниторезонансные магнитометры, принцип действия
которых основан на явлении магнитного резонанса, заключающегося в
избирательном поглощении или излучении электромагнитных волн веществом,
находящимся в магнитном поле. В зависимости от природы элементарных
частиц, участвующих в процессе резонансного поглощения или излучения
энергии, различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный
магнитный резонанс (ЯМР). Электронный резонанс в магнитоупорядоченных
веществах называется ферромагнитным резонансом (ФМР) [47-50]. Датчики
на основе ЯМР могут использовать свободную или вынужденную прецессию
ядерного магнитного момента во внешнем измеряемом поле. Чаще
применяются датчики на основе свободной прецессии. Их называют
прецессионными или протонными [51,52]. Достигаемая пороговая
чувствительность составляет ~ J О'6 Э.
Датчики, основанные на явлении ЭПР, по своему принципу тождественны датчикам на ЯМР. Разница заключается в величине частоты прецессии магнитного момента и ширины линии резонанса. Частота ЭПР примерно на 4 порядка выше частоты ЯМР и составляет ~ 109- 10 Гц (при Но ~ 103 Э), то есть лежит в диапазоне сантиметровых волн. Повышенная частота ЭПР потенциально повышает чувствительность метода. Однако ширина линии ЭПР в сотни раз больше (~ 0,5Э); чем ширина линии ЯМР, что, напротив, понижает чувствительность метода.
Явление ФМР является-разновидностью электронного магнитного резонанса и также позволяет создавать датчики магнитного поля. [56-68]. Интенсивность резонанса в магнитоупорядоченных структурах -ферромагнетиках и ферримагнетиках - на много порядков превышает интенсивность парамагнитного резонанса.
Магнитометры резонансного типа выгодно отличаются от других типов магнитометров в первую очередь тем, что в качестве информационного
параметра используют частоту. Когда об изменении магнитного поля судят по изменению тока или напряжения, при необходимом для обработки сигнала усилении вносится существенная дополнительная погрешность. У резонансных магнитометров частота как информационный параметр не требует дополнительного усиления, являясь одним из наиболее точно измеряемых и помехозащищенных факторов.
Другим достоинством магнитометров на основе ФМР являются малые размеры и возможность устанавливать их на движущихся объектах и внутри работающих двигателей и механизмов, т.е. миниатюрность, мобильность и устойчивость к внешним воздействиям. Если рассматривать комплекс параметров магнитометра - чувствительность, масса, габариты, энергопотребление, пространственная разрешающаяся способность, - то одним из перспективных направлений представляется разработка магнитометров на основе ФМР в ЖИГ- сферах1 [53-55].
В таблице 1 для сравнения приведены известные типы магнитных датчиков, их чувствительность и принцип действия. Автогенераторные датчики, построенные на ФМР, выгодно отличаются от большого числа известных датчиков и могут быть реализованы на основе современных технологий в виде малогабаритных, портативных устройств, включающих микроконтроллерную обработку сигнала-отклика и его протоколирование на ЭВМ.
1 Магнитометрические датчики, построенные на основе монокристаллических пленок ЖИГ, включая многослойные с заданным законом изменения намагниченности и полей анизотропии в каждом слое и профилем магнитных параметров по толщине пленки, будут иметь еще ряд существенных преимуществ - более высокое угловое разрешение и чувствительность.
Таблица 1
В Саратовском государственном университете на кафедре общей физики и ее филиале в ОАО «Тантал» в течение многих лет ведутся интенсивные исследования по магнитоэлектронике, в том числе и по датчикам магнитного поля [55]. В настоящее время созданы образцы магнитоэлектронных датчиков, позволяющих с высокой степенью точности измерять характеристики магнитного поля Земли. Достоинствами таких датчиков являются: миниатюрность, высокая чувствительность, возможность определять не только значение, но и направление магнитного поля- Земли, мобильность, устойчивость к вибрации; удару, спецвоздействиям и др. [39, 40].
Цель диссертационной работы состоит в определении режимов работы магнитоэлектронных датчиков слабых магнитных полей, обеспечивающих высокую точность измерения компонент индукции магнитного поля Земли, путей повышении стабильности их работы и чувствительности при использовании в системах управления.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
1. Упрощение калибровки магнитометра и уменьшение погрешности установки оси датчика вдоль магнитного меридиана.
Сведение к минимуму операций, производимых при измерении компонент магнитного поля Земли магнитометром на основе магнитоэлектронного датчика.
Разделение кратковременной и долговременной нестабильностей в показаниях магнитометра для определения физической природы этих нестабильностей.
Повышение устойчивости показаний магнитометра к изменениям температуры.
Подавление ВЧ и импульсных внешних магнитных помех немагнитными проводящими кольцами при сохранении пороговой чувствительности системы к относительно медленным изменениям геомагнитного поля.
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложен и экспериментально опробован новый способ калибровки -начальной установки оси датчика вдоль магнитного меридиана, заключающийся во вращении датчика на углы кратные 90 . Также предложено для уменьшения погрешности установки оси датчика вдоль магнитного меридиана и сохранения высокой угловой чувствительности использовать в его конструкции два ортогональных первичных преобразователя.
Предложен и экспериментально опробован новый способ измерения трех компонент магнитного поля Земли информационно-измерительной системой на основе одного магнитоэлектронного датчика, характеризующийся тем,
что измерения проводятся вращением датчика с фиксацией в 3-х опорных точках, углы между которыми составляют 90 с последующими поворотами на 180 из каждой точки соответственно.
Для исключения вращения датчика при его калибровке и измерениях предложено размещать в конструкции первичного магниточувствительного преобразователя два ферритовых резонатора с противоположно направленными полями подмагничивания и попеременно подключающихся к усилителю в режиме измерения индукции магнитного поля Земли.
При обработке показаний магнитометра предложено использовать метод разностных операторов 3-го порядка, позволяющий разделить долговременные уходы и кратковременную нестабильность показаний датчика с целью определения их физической природы независимо от характера тренда. Установлено, что долговременные уходы определяются изменением температуры элементов датчика, а кратковременные нестабильности обусловлены внешними случайными электромагнитными воздействиями.
Теоретически и экспериментально показано, что применение разностного датчика, содержащего в себе 2 идентичных однокомпонентных датчика с противоположно направленными полями подмагничивания, в качестве измерительного преобразователя позволяет уменьшить долговременную нестабильность частоты и повысить в 2 раза чувствительность магнитометра.
Теоретически-и экспериментально показано, что компенсация влияния ВЧ и* импульсных помех на работу измерительного преобразователя магнитного поля Земли возможна за счет применения немагнитных проводящих колец, в том числе и трехмерных, при сохранении чувствительности датчика к медленным изменениям магнитного поля.
Результаты и положения, выносимые на защиту
1. Поворот измерительного преобразователя на фиксированные углы, кратные
90 , позволяет упростить калибровку датчика и уменьшить погрешность
установки оси датчика вдоль магнитного меридиана. Для исключения
вращения датчика предложено размещать в конструкции первичного
магниточувствительного преобразователя два ферритовых резонатора с
противоположно направленными полями подмагничивания и попеременно
подключающихся к усилителю в режиме измерения.
2. Разделение долговременных уходов и кратковременных нестабильностей
показаний датчика позволило установить, что долговременные уходы
определяются изменением температуры элементов датчика, а
кратковременные нестабильности обусловлены главным образом внешними
электромагнитными воздействиями (помехами).
Применение в качестве измерительного преобразователя разностного датчика для определения вектора магнитного поля Земли повышает устойчивость его показаний к изменениям температуры и увеличивает чувствительность в два раза.
Использование проводящих немагнитных колец уменьшает влияние на показания магниточувствительного измерительного- преобразователя высокочастотных и импульсных флуктуации магнитного поля при сохранении пороговой чувствительности к его медленным изменениям.
Диссертация состоит из введения, трех глав, имеющих параграфы, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе основной текст занимает 107 страниц, включая 38 рисунков.
Во введении обосновывается актуальность темы, ставится цель работы, определяются основные задачи исследования, отражается научная новизна полученных результатов, их практическая ценность.
В главе 1 описываются магнитоэлектронные датчики слабых магнитных полей, рассматриваются их достоинства и недостатки, анализируются разработанные алгоритмы обработки показаний датчиков, настройки и калибровки, а также использование системы магнитоэлектронных датчиков для определения величины и направления вектора магнитного поля Земли.
Расчет параметров магнитроэлектронных датчиков с использованием САПР «Microwave Office 2002»
В работе для проектирования, расчета параметров и режимов генерации датчика магнитного поля использовалась программа MWO 2002 -современный профессиональный пакет автоматизированного проектирования активных и пассивных СВЧ-схем и устройств, обеспечивающий на современном уровне потребности учебно-научного процесса, включая задачи научной и конструкторской работы по моделированию различных приборов агнитоэлектроники СВЧ. Важным моментом, повышающим эффективность использования MWO 2002, является экспериментальное макетирование различных СВЧ-схем и устройств и сравнение расчетных данных с результатами эксперимента [76].
Теоретические расчеты показали, что частота генерации исследуемого датчика схемы не совпадает точно с частотой ферромагнитного резонанса (ФМР); хотя и близка к ней. Расчетная зависимость разности частоты генерации / и частоты ФМР УФМР ОТ напряжения питания U для различных полей подмагничивания (от 350 до 600 Э с.шагом 50 Э, 1 Э = 105 нТл).
Из представленных зависимостей видно, что совпадение частоты генерации и ФМР можно достичь лишь при одном значении магнитного поля и в узком диапазоне изменения напряжения питания транзисторов. Все это приводит к тому,, что г зависимость частоты, генерации, датчика, от магнитного, поля перестает быть, строго линейной, а дифференциальная крутизна перестройки у = df/dB. становится функцией магнитного поля. Отличие частоты генерации автогенератора с ЖИГ - резонатором от частоты ФМР может быть связано с наличием реактивных составляющих сопротивления транзистора и реактивности подводящих проводников элемента связи. F-JWJcnt.
Расчетная зависимость разности частоты генерации и частоты ФМР от напряжения питания для различных полей подмагничивания Все параметры магнитометрического датчика можно разделить на три группы [78]: - магниточувствительные, характеризующие степень преобразования параметров измеряемого магнитного поля в частоту сигнала-отклика, ошибки определения величины и направления вектора измеряемого магнитного поля и т.д.; - электрические, характеризующие электрический режим работы датчика; - эксплуатационные, определяющие условия эксплуатации датчика в реальной системе.
В соответствии с этим созданный магнитометрический датчик можно характеризовать следующей системой параметров: а) Магниточувствительные параметры: 1) у = — чувствительность датчика по величине магнитного поля Земли в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях, Гц/нТл []; А/ 2) Уугл= т — угловая чувствительность датчика по направлению поворота относительно вектора магнитного поля Земли в горизонтальной и двух вертикальных взаимно-перпендикулярных плоскостях, кГц/град; 3) максимальная относительная систематическая погрешность измерения индукции постоянного магнитного поля, %; 4) максимальная средняя квадратическая случайная погрешность измерения магнитной индукции постоянного магнитного поля, нТл. б) Электрические параметры: 1) /— средняя рабочая частота автогенератора датчика, кГц; 2) U- напряжение питания датчика, В; 3) /—ток, потребляемый датчиком, мА. в) Эксплуатационные параметры: 1) т- масса преобразовательного элемента датчика (без экрана), г; 2) М— масса датчика в экранирующем корпусе, г; 3) Уэ — объем преобразовательного элемента датчика, см3; 4) Vg — объем датчика в экранирующем корпусе, см ; 5) Ттт и Ттах - пределы допустимых значений температуры окружающего воздуха, С.
Показаны статические характеристики датчика: зависимости тока датчика 10 и потребляемой мощности от напряжения U на датчике. Из приведенных кривых видно, что статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) транзисторов близка к линейной только при малых напряжениях (до U«2В), а при U 4В ВАХ выходит на насыщение. Именно на участке насыщения и лежит рабочий интервал напряжений, соответствующих режиму генерации датчика.
Использование системы магнитоэлектронных датчиков в качестве магнитного компаса и определителя вектора магнитного поля Земли
Проведенные исследования, патентно-информационный поиск, анализ полученных данных позволяют выбрать следующие направления системного применения разрабатываемых магнитометрических автогенераторных датчиков на основе феррит-транзисторных структур: системы помехоустойчивого высокоточного наведения объекта по магнитной составляющей Земли; металлодетекторы черных металлов; магнитная разведка; магнитная навигация (векторные и скалярные магнитные компасы); ферроинтроскопия (дефектоскопия металлических оболочек и т.п.); градиентометрия, инклинометрия; регистрация потока транспорта; магнитные детекторы постоянной и переменной составляющих; системы связи по магнитной составляющей; системы магнитной локации (антенны с гибкой, управляемой апертурой и параметрами) [69-71, 73].
При навигации подвижных объектов возникает необходимость точного определения направления движения. Такую информацию можно получать с помощью системы GPS, которая принимает сигнал со спутников и позволяет определять местонахождение объекта с точностью до 5 метров. Однако такая система не всегда работает в городских условиях, при проходе различных тоннелей и т.д. В этом случае навигационная система должна ориентироваться на показания электронного магнитного компаса [72].
Магнитное- поле Земли имеет компонент; параллельный земной-поверхности и направленный строго на северный магнитный полюс! Данный компонент используется для определения азимута. Следует отметить, что магнитный северный полюс отличается от географического на 11,5 (рис.1.4.1) [1,3,4,5,]. 270 0
Магнитная карта Земли (М.П. - магнитные полюсы). Такое различие приводит к ошибке в определении азимута до ±25. Эта систематическая ошибка носит название угла склонения и может быть определена из специальных таблиц в зависимости от конкретного месторасположения. Таким образом, нахождение азимута происходит в два этапа: определение горизонтальных X и Y компонент магнитного поля Земли и добавления угла склонения для определения истинного направления на север.
Магнитоэлектронный датчик может использоваться в качестве основы электронного компаса. Экспериментальные исследования электронного компаса необходимы для правильного построения систем навигации. Надо знать какую точность имеет электронный компас, построенный на основе магнитоэлектронного датчика [74]. Ниже будет рассмотрено устройство, принцип действия и погрешности измерений такого электронного компаса.
Для определения углового положения датчика по отношению к магнитному меридиану Земли и погрешности измерения этого угла магнитоэлектронный датчик крепился на специальный поворотный механизм с лимбом углового положения с делениями через 5 (рис. 1.4.2). Угол отклонения оси датчика от магнитного меридиана отсчитывался по лимбу. Экспериментальное исследование датчика проводилось на установке, блок-схема которой приведена на рис. 1.4.3, а внешний вид показан на рис. 1.4.4. Рис. 1.4.2 - Датчик ГМПП-ЗИ на поворотном механизме.
С помощью частотомера производится измерение частоты генерации магнитоэлектронного датчика ГМПП-ЗИ. Частотомер передает считанную частоту на ЭВМ через преобразователь USB OMEGA. На ЭВМ с помощью программы, разработанной для данного компаса сотрудниками КБ Критических Технологий ОАО «НИИ-Тантал», записывается считанная с частотомера частота в текстовый файл. Далее на ЭВМ производится дальнейшая обработка результатов измерения частоты.
Очевидно, что максимальная погрешность определения угла поворота датчика достигается вблизи максимума или минимума синусоиды, тогда как на ее склонах погрешность минимальна. Уменьшить данную погрешность возможно путем применения второго датчика, повернутого относительно исходного на 90. При вращении такой схемы вокруг оси на 360 частота генерации одного датчика будет описывать синусоиду, а частота генерации второго датчика будет описывать косинусоиду. Тогда, отсчитывая угол поворота по одному из датчиков, в момент приближения частоты генерации к экстремумам синусоиды, переключаясь на другой датчик, мы попадаем по частоте генерации второго датчика на склон косинусоиды. Тем самым уменьшается погрешность отсчета угла электронного компаса.
Принципиальная схема электронного компаса с двумя датчиками. Были проведены экспериментальные исследования электронного компаса с двумя магнитоэлектронными датчиками. В таблице 1.4.3 представлены значения частот генерации датчиков в зависимости от угла отклонения от магнитного меридиана при обороте компаса вокруг вертикальной оси на 360 с помощью поворотном механизме. Как видно, график частоты генерации одного датчика представляет собою синусоиду (рисунок 1.4.8 б), а график частоты генерации второго датчика представляет собою косинусоиду (рисунок 1.4.8 а).
Повышение устойчивости показаний магнитометра к изменениям температуры при применении разностного датчика
К одному из "слабых" мест исследуемого датчика относится изменение частоты генерации с течением времени. Наиболее сложными для учета и компенсации являются: изменение частоты генерации с течением времени особенно сразу после включения, погрешности, связанные с долговременной нестабильностью частоты, обусловленные в первую очередь изменением температуры датчика и неравномерностью нагрева его различных частей даже при постоянной температуре окружающей среды [92]. Причем через некоторое время после включения датчика долговременные изменения частоты приобретают характер случайного нестационарного процесса.
При выполнении работы был проведен эксперимент, состоящий в одновременной регистрации изменений частоты / и тока транзистора 10 во времени при фиксированном положении датчика в,, пространстве, начиная с момента включения напряжения. По изменению тока в транзисторе можно косвенно судить об изменении внутренней температуры транзистора. На рис.
Из представленных результатов видно, что изменение тока (температуры) собственно транзистора; происходит в течение достаточно большого промежутка времени (более 40 минут). В то же время частота генерации датчика после резкого спада, которого и следовало ожидать при- повышении температуры, через 15 минут начинает повышаться, затем - понижаться. Многочисленные эксперименты показали, что всегда через 15 минут после включения генератора (датчика) частота претерпевает нестационарные изменения, чередующиеся как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Такой нестационарный характер изменений частоты свидетельствует, скорее всего, о неравномерном разогреве различных элементов датчика. Для исключения влияния на работу датчика изменений температуры окружающей среды был проведен эксперимент по термоизоляции датчика. На рис. 2.2.2, а представлена зависимость частоты генерации датчика от времени в случае изоляции корпуса от окружающей среды теплоизолирующей тканью. Видно, что общий характер зависимости частоты генерации от времени после включения датчика не изменился. Это подтверждает заключение, что плавный рост и плавные колебания частоты с течением времени связаны преимущественно с нестационарными тепловыми процессами, происходящими в самом датчике. На рис. 2.2.2, б в увеличенном масштабе показана часть общей зависимости частоты генерации датчика от времени. Видно, что флуктуационная составляющая частоты не превышает нескольких кГц.
Изменение частоты термоизолированного датчика на большом (а) и малом (б) интервалах времени Частичную компенсацию температурных уходов частоты можно получить, используя так называемый разностный датчик. Разностный датчик состоит из двух идентичных датчиков, имеющих противоположно направленные поля подмагничивания постоянных магнитов. Частоты датчиков должны быть близки, а в идеальном случае - одинаковы. Два таких датчика при изготовлении монтируются в едином корпусе. Во время работы магнитометра температура составляющих его элементов, в том числе и постоянных магнитов, повышается. При этом индукции полей подмагничивания Bi и В2 уменьшаются, но разность этих полей снижается в меньшей степени. Принципиальная схема разностного датчика представлена на рис. 2.2.3. Каждый из датчиков имеет свой блок питания (БП1 и БП2 соответственно). Сигналы с близкими частотами магнитоэлектронных датчиков поступают на частотомеры 41 и 42, которые находятся внутри магнитометра.
Теоретическая модель возможности подавления импульсных и ВЧ магнитных помех немагнитными проводящими экранами (кольцами)
В работе предлагается устройство подавления внешних быстропеременных магнитных помех для любых датчиков магнитного поля, которое может быть использовано для снижения влияния на работу датчика высокочастотных (ВЧ) и импульсных непреднамеренных промышленных магнитных помех при сохранении чувствительности к медленным изменениям магнитного поля [101-103].
Описываемое устройство подавления быстропеременных магнитных помех представляет собой кольцо (цилиндр), изготовленное из проводящего немагнитного материала малого сопротивления с такими геометрическими размерами, которые обеспечивают небольшое значение индуктивности кольца. На рис.3.2.1 схематично изображено немагнитное кольцо, окружающее датчик магнитного поля. Подавление помех осуществляется следующим образом. В результате быстрых изменений внешнего магнитного поля (промышленной помехи) согласно закону электромагнитной индукции (3.2.1) в кольце возникает ЭДС индукции и индукционный ток I, который по правилу Ленца будет иметь такое направление, что порождаемый им магнитный поток будет стремиться скомпенсировать действие внешнего быстро изменяющегося магнитного поля Втеш.
При проведении экспериментальных исследований эффективности подавления быстропеременных магнитных помех использовался магнитоэлектронный датчик слабых магнитных полей. На рисунке 3.3.1 показана блок-схема установки, использованной при экспериментальном исследовании по экранированию датчика магнитного поля от преднамеренной магнитной помехи. Датчик магнитного поля 1, подключенный к блоку питания GPS-3303, окружен алюминиевым цилиндром 2, диаметр которого 0 = 7,5см, высота h = 15,5см, толщина стенок о = 0,3см.
Удельное сопротивление алюминия р = 2,5-10" Ом-м. Рассчитанное значение сопротивления -данного цилиндра составляет R = 12,66 -10"6 Ом.
Для создания преднамеренной магнитной помехи применялась рамка 3 размерами 80x80 см, на которую был намотан медный провод с числом витков N=100. Частота помехи в пределах от 50 до 1500 Гц задавалась генератором низких частот ГЗ-123 4. Спектр выходного сигнала датчика, наблюдаемый на экране анализатора спектра Я4С-54 6 и определяющий девиацию частоты датчика при частоте помехи 1000 Гц показан на рис.3.3.2а. При экранировании датчика указанным алюминиевым цилиндром происходило существенное (до 4 раз) уменьшение девиаций частоты датчика (рис. 3.3.26).
Видно, что уменьшение флуктуации магнитного поля при применении устройства подавления магнитных помех происходит практически в 2 раза.
По результатам проведенных экспериментов составлена таблица 3.3.1, в которой отражена эффективность экранирования магнитоэлектронного датчика от магнитных помех немагнитными цилиндрами.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что применение немагнитных колец или цилиндров в качестве устройств защиты от электромагнитных помех для датчиков магнитного поля і позволяет подавлять ВЧ и импульсные преднамеренные и непреднамеренные промышленные магнитные помехи при сохранении чувствительности датчика к медленным изменениям магнитного поля, повышая тем самым его пороговую чувствительность по магнитному полю.
Датчики магнитного поля разных типов широко используются в различных системах управления, в том числе навигационных. Одним из перспективных направлений совершенствования систем управления, улучшения их характеристик - устойчивости к воздействию внешних магнитных помех, устойчивости к температурным изменениям и др., - является применение в качестве первичных преобразователей датчиков измерения слабых магнитных полей, основанных на явлении ФМР в ЖИГ-сферах.
В настоящей работе проведен анализ проблем, связанных с применением датчиков измерения слабых магнитных полей в таких областях как: магнитная навигация, магниторазведка, дефектоскопия. Показано, что их конструктивное совершенствование может использоваться для создания различных систем управления с повышенной устойчивостью к изменениям температуры и внешним высокочастотным магнитным помехам.
