Пристрій для вимірювання електромагнітних полів на базі магніторезисторів

Реферат: Пристрій для вимірювання електромагнітних полів на базі магніторезисторів належить до вимірювальної техніки та приладобудування і може бути використаний при побудові магнітометрів та для геофізичної розвідки. Пристрій містить магніторезисторний сенсор, який складається з модулюючої котушки, мостової схеми та компенсуючої котушки, генератор модулюючих імпульсів, з'єднаний з модулюючою котушкою, та підсилювач, з'єднаний з мостовою схемою. В нього додатково введені два помножувачі, комутатор, синтезатор частоти ортогональних сигналів, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), аналогоцифровий перетворювач (АЦП), підсилювач постійного струму та фільтр низьких частот. При цьому підсилювач підключений до комутатора і до двох помножувачів, які також підключені до комутатора. Комутатор підключений через фільтр низьких частот до підсилювача постійного струму, який з'єднаний з АЦП, цифрові виходи якого підключені до мікроконтролера. Цифрові виходи мікроконтролера підключені до керуючого входу синтезатора частоти ортогональних сигналів та до ЦАП, який підключений до компенсуючої котушки магніторезисторного сенсора. Вхід запуску АЦП, синхровхід генератора модулюючих імпульсів та вхід перемикання комутатора підключені до однорозрядних виходів мікроконтролера. Мікроконтролер підключений до персонального комп'ютера. А два помножувачі підключені до синтезатора частоти ортогональних сигналів. Пристрій забезпечує підвищення чутливості та завадостійкості, що підвищує точність вимірювань та розширює його функціональні можливості. UA 98564 C2 (12) UA 98564 C2 UA 98564 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області приладобудування і може бути використаний при побудові магнітометрів для діагностики та реєстрації параметрів магнітних бур, а також для геофізичних методів розвідки за допомогою електромагнітних засобів, заснованих на вимірюванні магнітних полів. Найближчим аналогом є пристрій вимірювання електромагнітних полів на базі магніторезисторів (Handbook. File under Discrete Semiconductors. SC17. Data Sheet General. Magnetic field sensors. "Philips Semiconductors". 1998 Jun 12.-58 p.), який містить магніторезисторний сенсор, виконаний у вигляді модулюючої котушки, мостової схеми та компенсуючої котушки, генератор модулюючих імпульсів, вихід якого з'єднаний з модулюючою котушкою магніторезисторного сенсору, підсилювач, вхід якого з'єднаний з виходом мостової схеми магніторезисторного сенсору, а вихід з'єднаний зі входом демодулятора, причому вихід його підключений до входу регулятора струму, вихід якого підключений до вимірювача напруги. Недоліками аналогу є низька точність вимірювання, недостатньо висока завадостійкість, обмежені функціональні можливості (відсутність можливості вимірювати змінні параметри електромагнітного поля). В основу винаходу поставлена задача підвищити точність вимірювання, чутливість, завадостійкість приладу, що дозволить виділити сигнал значно меншого рівня ніж шумовий, а також розширити функціональні можливості приладу, дозволити робити спектральний аналіз вимірювального сигналу. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої вимірювання електромагнітних полів на базі магніторезисторів, що містить магніторезисторний сенсор, який складається з модулюючої котушки, мостової схеми та компенсуючої котушки, генератор модулюючих імпульсів, вихід якого з'єднаний з модулюючою котушкою магніторезисторного сенсора, підсилювач, вхід якого з'єднаний з виходом мостової схеми магніторезисторного сенсора, новим є те, що в нього додатково введені два помножувачі, комутатор, синтезатор частоти ортогональних сигналів, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач, аналого-цифровий перетворювач, підсилювач постійного струму та фільтр низьких частот. При цьому вихід підсилювача підключений до одного із входів комутатора і до перших з'єднаних між собою входів двох помножувачів, виходи яких підключені до двох других входів комутатора, вихід комутатора підключений через фільтр низьких частот до входу підсилювача постійного струму, вихід якого з'єднаний зі входом аналого-цифрового перетворювача, цифрові виходи якого підключені до входу мікроконтролера, перші цифрові виходи мікроконтролера підключені до керуючого входу синтезатора частоти ортогональних сигналів, а другі цифрові виходи підключені до входу цифро-аналогового перетворювача, вихід якого підключений до компенсуючої котушки магніторезисторного сенсора, причому вхід запуску аналого-цифрового перетворювача, синхровхід генератора модулюючих імпульсів та вхід перемикання комутатора підключені до відповідних однорозрядних виходів мікроконтролера, крім того мікроконтролер підключений до персонального комп'ютера, а другі входи помножувачів підключені до відповідних виходів синтезатора частоти ортогональних сигналів. На кресленні зображено блок-схему пристрою вимірювання електромагнітних полів на базі магніторезисторів. Пристрій містить магніторезисторний сенсор 1, який складається з модулюючої котушки 2, мостової схеми 3 та компенсуючої котушки 4, генератор модулюючих імпульсів 11, вихід якого з'єднаний з модулюючою котушкою 2 магніторезисторного сенсору 1, підсилювач 5, вхід якого з'єднаний з виходом мостової схеми 3 магніторезисторного сенсору 1, а вихід підсилювача 5 підключений до одного із входів комутатора 8 і до перших з'єднаних між собою входів двох помножувачів 6 та 7, виходи яких підключені до двох других входів комутатора 8, вихід якого підключений через фільтр низьких частот 15 до входу підсилювача постійного струму 14, вихід якого з'єднаний зі входом аналого-цифрового перетворювача 13, цифрові виходи якого підключені до входу мікроконтролера 12, перші цифрові виходи якого підключені до керуючого входу синтезатора частоти ортогональних сигналів 9, другі цифрові виходи підключені до входу цифро-аналогового перетворювача 10, вихід якого підключений до компенсуючої котушки 4 магніторезисторного сенсору 1, причому вхід запуску аналого-цифрового перетворювача 13, синхровхід генератора модулюючих імпульсів 11, вхід перемикання комутатора 8 підключені до відповідних однорозрядних виходів мікроконтролера 12, крім того мікроконтролер 12 підключений до персонального комп'ютера 16, а другі входи помножувачів 6 та 7 підключені до відповідних виходів синтезатору частоти ортогональних сигналів 9. Пристрій працює в два етапи. На першому етапі сигнал з виходу підсилювача 5 через комутатор 8 подається прямо до входу фільтра низьких частот 15. За допомогою генератора модулюючих імпульсів 11, що синхронізується мікроконтролером 12, збуджують модулюючу 1 UA 98564 C2 5 10 15 20 котушку 2 і періодично модулюють намагніченість сенсора 1. Внаслідок цього модулювання отримують імпульсний сигнал з мостової схеми 3, який підсилюється підсилювачем 5 і через комутатор 8, фільтр низьких частот 15 та підсилювач постійного струму 14 подається на вхід аналого-цифрового перетворювача 13, запуск якого синхронізується мікроконтролером 12. За допомогою аналого-цифрового перетворювача 13 після завершення перехідних процесів вимірюється значення амплітуди сигналу в декількох точках верхньої півхвилі, а після цього, аналогічно, нижньої півхвилі. Значення коду аналого-цифрового перетворювача 13 поступає в мікроконтролер 12, де відбувається усереднення та фільтрація вимірювань, а також знаходиться різниця значень верхньої та нижньої півхвилі. Ці значення аналізуються в мікроконтролері 12, який формує код на цифро-аналоговий перетворювач 10, за допомогою якого формується струм компенсаційної котушки 4 до тих пір, поки значення різниці між верхньою та нижньою півхвилею не буде дорівнювати нулю. В цей момент фіксується значення коду цифро-аналогового перетворювача 10, яке буде відповідати значенню електромагнітного поля постійної складової. На другому етапі вимірювання значення коду цифро-аналогового перетворювача 10 залишається незмінним, а для вимірювання змінних складових електромагнітного поля використовується ортогональний метод вимірювання, як найточніший і завадостійкий. Для цього на другі входи помножувачів 6 та 7 подаються ортогональні сигнали а1=А01·cost та a2=A02sіnt відповідно з синтезатора частоти ортогональних сигналів 9. Значення частоти сигналів  змінюється програмно мікроконтролером 12. Якщо в спектрі вхідного сигналу буде складова з такою ж частотою , то на виходах помножувачів 6 та 7 отримують постійні складові пропорційні фазовим зсувам ортогональних сигналів з синтезатора частоти 9 і складового вхідного сигналу aвx=Aвxsin(t+), Uвих 2  25 30 відповідно, Uвих 1  1  А 01  А вх  sin   sin2    t   2 та 1  А 02  Авх  cos   cos2    t   2 , а також складові з подвоєною частотою 2 і змінні складові за рахунок других складових вхідного сигналу (за допомогою фільтра нижніх частот 15 всі змінні складові відфільтровуються). За допомогою комутатора 8, що керується мікроконтролером 12, вихідні сигнали з помножувачів 6 та 7 через фільтр нижніх частот 15 та підсилювач постійного струму 14 почергово подаються на вхід аналого-цифрового перетворювача 13. Оскільки вимірюється значення постійної напруги, використання комутатора 8 значно спрощує реалізацію схеми і підвищує точність вимірювання, тому що для визначення постійних складових двох каналів використовується один канал вимірювання (один аналогоцифровий перетворювач 13 та один фільтр низьких частот 15). Коди постійних складових обробляються мікроконтролером 12 і розраховуються як значення амплітуди складових вихідного сигналу Uвих  U2  U2 ; U1  1  A 01  A вх  sin , U2  1  A 02  A вх  cos - значення 1 2 2 35   arctg 40 45 2 пропорційні постійним напругам з помножувачів 6 та 7 відповідно), так і початкової фази U1 , або різниці фаз між сусідніми вимірюваннями на одній і тій же частоті, якщо в U2 цьому буде потреба. Далі по командах мікроконтролера 12 змінюється значення частоти синтезатора ортогональних сигналів 9 і вимірювання повторюються, таким чином виконуються вимірювання в заданому діапазоні частот. За допомогою персонального комп'ютера 16 виконується документування результатів вимірювання, як постійної складової магнітного поля (перший етап вимірювання), так і змінної складової магнітного поля (другий етап вимірювання), наприклад, у вигляді графіків спектрів частот або фаз. Використання двох етапів вимірювання дозволяє компенсувати зовнішнє поле, а також дає можливість працювати на лінійній ділянці характеристики сенсора при вимірюванні слабких змінних складових електромагнітного поля на другому етапі вимірювання, що значно підвищує температурну стабільність і, відповідно, точність та роздільну здатність вимірювання. Пристрій, що пропонується, може бути реалізований на економічних мікроконтролерах, наприклад, типу Atmega128. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 Пристрій для вимірювання електромагнітних полів на базі магніторезисторів, що містить магніторезисторний сенсор, який складається з модулюючої котушки, мостової схеми та компенсуючої котушки, генератор модулюючих імпульсів, вихід якого з'єднаний з модулюючою котушкою магніторезисторного сенсора, підсилювач, вхід якого з'єднаний з виходом мостової 2 UA 98564 C2 5 10 15 схеми магніторезисторного сенсора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені два помножувачі, комутатор, синтезатор частоти ортогональних сигналів, мікроконтролер, цифроаналоговий перетворювач (ЦАП), аналого-цифровий перетворювач (АЦП), підсилювач постійного струму та фільтр низьких частот, при цьому вихід підсилювача підключений до одного із входів комутатора і до перших з'єднаних між собою входів двох помножувачів, виходи яких підключені до двох других входів комутатора, вихід комутатора підключений через фільтр низьких частот до входу підсилювача постійного струму, вихід якого з'єднаний зі входом АЦП, цифрові виходи якого підключені до входу мікроконтролера, перші цифрові виходи мікроконтролера підключені до керуючого входу синтезатора частоти ортогональних сигналів, а другі цифрові виходи підключені до входу ЦАП, вихід якого підключений до компенсуючої котушки магніторезисторного сенсора, причому вхід запуску АЦП, синхровхід генератора модулюючих імпульсів та вхід перемикання комутатора підключені до відповідних однорозрядних виходів мікроконтролера, крім того мікроконтролер підключений до персонального комп'ютера, а другі входи помножувачів підключені до відповідних виходів синтезатора частоти ортогональних сигналів. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3