Сканер магнитного поля как работает
Обновлено: 17.05.2024
По общему уровню развития измерительных технологий датчики Холла превосходят все остальные интегральные и неинтегральные датчики — в особенности в плане интеграции и благодаря наличию обширного набора коммерческих автомобильных CMOS ASIC-решений типичных автомобильных задач. Датчики Холла доминируют в автоэлектронике и во всех остальных сферах применения измерительных технологий датчиков магнитного поля — промышленной, потребительской/мобильной, медицинской [1–3].
Автомобильная электроника — ведущая сфера для датчиков магнитного поля как с точки зрения объемов выпуска (свыше 50% от общего объема рынка), так и в технологическом плане [1–9, 11–17]. Требования более высокой точности и надежности работы электронных систем в автомобильных условиях являются неизменными вызовами для усовершенствований датчиков с сохранением того же или более низкого уровня стоимости порядка нескольких долларов или даже центов. Недостатки датчиков Холла включают присущее им смещение, ограниченную чувствительность и температурную стабильность, вследствие чего для стандартных датчиков ограничены разрешение, механические и магнитные допуски в системе, линейность и в конечном итоге точность. Кроме того, датчики Холла имеют сравнительно высокое энергопотребление, что немаловажно для батарейных систем и потребительской электроники — второго по величине (примерно 37%) сегмента рынка датчиков магнитного поля. Достижение высоких измерительных характеристик ASIC Холла производится путем улучшений как сенсорных микросистем, так и схем обработки сигнала и обусловливает непрерывный выпуск новых, более совершенных версий датчиков.
В настоящее время современные технологии датчиков Холла полностью перекрывают все свои нативные недостатки. Смещение, например, эффективно устраняется на уровне элемента и в усилительной части схемотехническими методами переключаемой стабилизации (chopper-stabilization) и spinning current.
Для повышения чувствительности стандартного элемента Холла приложенное магнитное поле обычно усиливается с помощью концентратора магнитного поля, хотя это также увеличивает общий размер и вес датчика.
В свою очередь данный недостаток устраняется тем, что разработаны версии датчиков с интегрированными магнитными концентраторами (ИМК) датчиков положения и компасов [1, 12, 14, 32]. Датчики с вертикальными элементами Холла также позволяют обеспечивать более высокую чувствительность именно к рабочим компонентам магнитного поля, преобладающим в системах детектирования положения магнита [1, 12, 25, 32].
Нелинейность компенсируется при программировании в энергонезависимой памяти передаточной характеристики с множественными точками уставок (на сегодняшний день максимально известное значение — до 33). Стандартные линейные датчики Холла имеют узкий угловой диапазон линейности менее 90° (70–80°), но современные дифференциальные или дважды синусно-косинусные энкодеры позволили расширить линейный диапазон до полных 360° [1, 12].
Широкие магнитные и механические допуски в системе обеспечиваются посредством дифференциальных схем, а высокая измерительная точность достигается благодаря возможности запасания в перепрограммируемой памяти различных корректирующих коэффициентов [1, 3, 11, 12, 32]. Производители выпускают широкий набор микросхем с различными типами готового, избирательного или программируемого выходного интерфейса с функциями калибровки и диагностики, со всеми необходимыми схемами защиты от помех, короткого замыкания и обрывов по цепи питания и выхода — часто с интегрированными конденсаторами фильтров и выходными резисторами. Микросхемы датчиков Холла имеют высокий динамический диапазон измерений магнитных полей, широкий рабочий температурный диапазон, а также обладают высокой устойчивостью к электростатическому разряду и электромагнитной совместимостью.
Для соответствия новым автомобильным требованиям надежности и функциональной безопасности разработаны двухкристальные версии датчиков Холла в избыточных конфигурациях.
На данный момент датчики Холла создали обширную базу стандартов де-факто в плане уровня исполнения, интеграции сенсорной части с ASIC, доступным опциям интерфейса, избыточности и изобилию предложений, которые требуют соответствия любых новых предложений — как самих вновь выпускаемых версий датчиков Холла, так и альтернативных компонентов.
Тем не менее такие недостатки датчиков Холла, как ограниченная чувствительность, низкий уровень первичного сигнала и, как следствие, малый SNR (соотношение «сигнал-шум»), ограниченные разрешение, точность, воздушные зазоры и механические допуски в системах автоэлектроники вместе с малым энергопотреблением, актуальным для мобильных и носимых устройств, вынуждают рассматривать альтернативные способы достижения более высоких измерительных характеристик датчиков на основе других технологий датчиков магнитного поля. В последнее время разработчики автомобильной, потребительской и прочей электроники обратились к поиску решений на основе других технологий, объединенных общим названием XMR, где сочетание MR указывает на принадлежность к магниторезистивному типу датчиков, а X после подстановки уточняет тип магниторезистивного эффекта [9–12, 32, 33].
Коммерческие XMR-технологии включают анизотропные магниторезистивные (AMR/АМР), гигантские магниторезистивные (GMR/ГМР) и датчики на основе туннельного магниторезистивного (TMR/ТМР) эффекта. Для обозначения ТМР-чувствительного элемента также используется термин «магнитный туннельный переход» — Magnetic Tunnel Junction (MTJ).
АМР-элементы имеют гораздо более высокую чувствительность, чем элемент Холла, но в узком линейном диапазоне до 45°. Перекрыть этот недостаток позволяет размещение нескольких АМР-элементов с угловым смещением относительно друг друга, что еще больше осложняет их интеграцию с ASIC, так как даже для одного пермаллоевого АМР-элемента интеграция со CMOS-схемой обработки и формирования сигнала в одном корпусе или на кристалле затруднена. Сенсорные элементы АМР-датчиков магнитного поля нуждаются в использовании катушки настройки/сброса, чтобы задать постоянную магнитную ориентацию доменов — например, скорректировать смещение вследствие фоновых шумов. Это приводит к увеличению сложности производственного процесса, а также размера датчика и потребления мощности.
Чувствительность ГМР-магнитных сенсорных элементов выше, чем АМР, соответственно, выше и разрешение, и SNR, и магнитные и механические допуски, но линейный и динамический диапазон ниже, чем у датчиков Холла. Проблема CMOS-интеграции изначально не была столь значительна, как для АМР, и в настоящем полностью решена.
ТМР (туннельные магниторезистивные) чувствительные элементы показывают еще более высокие изменения в удельном сопротивлении в зависимости от индукции приложенного магнитного поля, чем разработанные ранее технологии АМР и ГМР, более высокую чувствительность, разрешение, отсутствие потребности в усилителях сигнала, в том числе в структурах концентраторов магнитного потока и в катушке пресета/сброса, лучшую температурную стабильность, меньшее потребление энергии, лучшую линейность, широкий диапазон линейности [10, 33].
В таблице сравниваются основные технические характеристики датчиков Холла, АМР, ГМР и ТМР, последовательно формирующих несколько поколений магнитной сенсорной технологии.
Рассматриваются базовые принципы теории магнетизма, приводится общее описание датчика магнитного поля HMC5883L, описывается методика устранения помех, искажающих производимые датчиком результаты измерений
Изобретенное более тысячи лет назад такое простое, но в тоже время гениальное устройство, как компас и сегодня является незаменимой вещью в инвентаре любого капитана корабля или туриста. В наше время благодаря развитию электроники и технологии микроэлектронных механических систем появились МЭМС-магнитометры, предоставляющие функцию компаса в микросхемном исполнении. Сегодня их повсеместно можно встретить в потребительских электронных устройствах (смартфонах, планшетах), автомобилях, робототехнике и т.п. Зачастую они входят в состав сложных навигационных систем, а в сочетании с акселерометром и/или гироскопом представляют собой инерциальную систему, способную точно определять местоположение в трехмерном пространстве.
Магнитометр представляет собой устройство для измерения интенсивности одной или нескольких составляющих магнитного поля. Сегодня рынок предоставляет широкий выбор двух- и трехосевых электронных компасов в интегральном исполнении. Для более полного понимания принципа действия такого компаса рассмотрим основные положения теории магнетизма и принципы определения направления вектора магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, направление которого определяется тремя составляющими по осям X, Y и Z в прямоугольной системе координат (Рисунок 1). Также магнитное поле Земли можно описать горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D (углом между Н и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (углом между Т и плоскостью горизонта).
| Рисунок 1. | Составляющие магнитного поля Земли. |
Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B, представляющая собой векторную величину. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс магнита, помещенного в данную точку магнитного поля. Величина B выражается единицей измерения тесла (Тл или (Н/А·м)). Тесла является довольно крупной величиной магнитной индукции, поэтому для измерения слабых магнитных полей применяют мелкую дольную единицу – микротесла (мкТл). Стоит заметить, что полный вектор магнитного поля Земли составляет всего около 50 мкТл. Но в документации на МЭМС-магнитометры обычно приводится другая единица измерения, характеризующая магнитное поле – гаусс (Гс). Гаусс представляет собой единицу измерения магнитной индукции в системе СГС. При этом справедливы следующие равенства:
Магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля соотношением:
Здесь
μ – магнитная проницаемость среды,
μ0 – магнитная постоянная.
Исходя из (1), можно утверждать, что B
H. В итоге, на практике для определения направления вектора магнитного поля Земли измеряют две его составляющие по оси X и оси Y (Рисунок 2), а затем вычисляют угол φ на основании следующих формул:
Для более детального понимания принципа действия магнитометра рассмотрим работу датчика HMC5883L компании Honeywell. Этот датчик (см. Рисунок 3) представляет собой устройство для измерения магнитного поля по осям X, Y и Z. Он является типовым представителем семейства магнитометров общего назначения, применяемых в мобильных телефонах, планшетах, автомобильных навигационных системах, персональных навигационных устройствах и прочей потребительской электронике. Такие датчики по принципу своего действия, методу связи с управляющим устройством и даже по структуре регистров не сильно отличаются друг от друга. Так, например, HMC5883L по перечисленным характеристикам очень похож на магнитометр в составе инерциальной системы LSM303 компании STmicroelectronics.
 | |
| Рисунок 3. | Магнитометр HMC5883L на печатной плате. |
HMC5883L может измерять магнитное поле в диапазоне от –8 до +8 гаусса. Благодаря изменяемому коэффициенту усиления (GN) чувствительность датчика может варьироваться от 0.73 мГс/LSB (милигаусс на младший значащий разряд) до 4.35 мГс/LSB при изменении GN от 0 до 7, соответственно. Настройка и считывание данных происходит по шине I 2 C. Всего имеется 12 восьмиразрядных регистров. Два регистра настройки (Register A и Register B) позволяют изменять частоту выдачи данных, режим измерения, количество выборок за время одного замера и коэффициент усиления. С помощью регистра режима (Mode Register) можно выбрать режим функционирования датчика: либо он будет измерять непрерывно (Continuous-Measurement Mode), либо проведет измерение один раз и перейдет в режим ожидания (Single-Measurement Mode). В шесть регистров, расположенных по адресам с 0x03 по 0x08, помещаются результаты измерений. На одну ось выделяется по два регистра (Output Register A и Output Register B), причем регистр A является старшим по отношению к регистру B. Полученное значение представляется 12-разрядным числом. Регистр статуса (Status Register) имеет всего два бита – бит готовности (RDY) и бит «защелки» (LOCK). Бит готовности устанавливается после того, как данные будут записаны во все шесть выходных регистров. Для осуществления не программного, а аппаратного опроса, его функция дублируется выводом DRDY. Бит «защелки» устанавливается, когда данные из одного или нескольких (но не из всех) выходных регистров были считаны, либо когда был считан регистр режима. Оставшиеся три регистра представляют собой идентификационные регистры (Identification Registers), позволяющие управляющему устройству при необходимости определить этот датчик.
Доступ к магнитометру осуществляется по шине I 2 C. Запись производится по адресу 0x3C, а чтение – 0x3D. Для удобства считывания данных имеется функция автоматического инкремента адреса выходных регистров с последующим переходом на адрес 0x03 (старший регистр оси X) по завершении считывания данных из всех выходных регистров. Необходимо также отметить, что выходные регистры расположены в «неправильном» порядке, то есть при последовательном считывании сначала будут взяты данные оси X, затем оси Z, и в последнюю очередь оси Y. Это необходимо учитывать в программе.
В простейшем случае для определения направления относительно магнитного поля Земли при условии горизонтального расположения платформы необходимо считать данные с выходных регистров осей X и Y, а затем вычислить арктангенс угла в соответствии с формулой (3). Но в реальности, особенно в случае применения магнитометров в составе сложных устройств, где присутствуют дополнительные магнитные поля, например, внутри автомобилей, судов и т.п., на датчик действуют помехи, искажающие его показания.
Существуют два типа искажений, действующих на компас. Первое называется искажением твердого железа (Hard Iron Distortion). Оно по своей природе является аддитивным, то есть к изначально измеряемому полю добавляется дополнительное, создаваемое постоянным магнитом (например, динамиками звуковых колонок). При неизменной ориентации такого магнита относительно датчика, смещение, вносимое им, будет также неизменно. Ко второму типу относится искажение мягкого железа (Soft Iron Distortion). Оно создается посторонними предметами, искажающими уже имеющееся магнитное поле. Например, предметы, выполненные из пермаллоя, никеля и т.п., не создают своего магнитного поля, но изменяют форму поля, измеряемого датчиком. Компенсация мягкого железа очень актуальна на кораблях, где намагниченные полем Земли части судна при изменении его ориентации относительно магнитного полюса перемагничиваются и вновь вносят искажения в процесс измерения. Таким образом, компенсация мягкого железа представляет собой более сложную задачу.
Вначале рассмотрим процесс компенсации влияния твердого железа. Следует учесть, что здесь и далее предлагается компенсация в двумерном пространстве. Компенсация в трех измерениях, которая обязательна для воздушных судов, требует использования комплексного математического аппарата, и в данном случае не рассматривается. Ознакомиться с таким методом ликвидации магнитных помех можно в [9]. В начале процедуры устранения искажений датчик располагается горизонтально, и вокруг вертикальной оси совершается, как минимум, один полный оборот. Далее выделяются точки, имеющие максимальное и минимальное значение по осям X и Y. Найденные значения максимумов и минимумов используются для устранения смещения нуля:
Через найденные коэффициенты и изначально полученные данные (XН, YН) можно выразить скорректированные по методу компенсации твердого железа величины по осям X и Y:
На Рисунке 4 отображены результаты эксперимента по проведению компенсации такого вида. В ходе эксперимента вблизи датчика был расположен магнит. Нижний левый график отчетливо показывает факт смещения центра фигуры из точки (0,0) из-за вносимой постоянной составляющей. После вычислений по формулам (4) и (5) центр был смещен в точку начала, как видно на нижнем правом графике.
| Рисунок 4. | Компенсация искажения твердого железа. |
В ходе эксперимента также было воспроизведено небольшое влияние искажения мягкого железа. По полученному изображению видно, что фигура представляет собой не четко сформированную окружность, а эллипс с некоторым наклоном относительно координатных осей. Изменение магнитного поля такого вида как раз характерно для искажения мягкого железа, которое, как говорилось выше, не вносит дополнительного магнитного поля, а влияет на форму уже имеющегося.
Для компенсации такого искажения необходимо сначала нормировать эллипс относительно осей координат, то есть произвести его поворот на определенный угол. В ходе этой операции нужно найти большую (a) и малую (b) полуоси эллипса (схематично представлено на Рисунке 5). Применяя формулу вычисления радиуса (6) для каждой точки эллипса, находят максимально удаленную точку от начала координат, расстояние до которой будет равно длине большой полуоси, и минимально удаленную точку, являющейся концом малой полуоси.
Затем определяется угол наклона φ относительно определенной оси координат либо малой полуоси, либо большой. После нахождения этого угла становится возможным осуществить поворот эллипса таким образом, чтобы его полуоси совпадали с осями координат. Формула (7) определяет матрицу поворота, которая потребуется для проведения данной операции. Эта матрица умножается на вектор-столбец ν, являющийся набором всех значений XТЖ и YТЖ.
Повернутый эллипс далее необходимо преобразовать в окружность с целью устранения искажения мягкого железа. Для этого используется масштабный коэффициент, определяемый формулой (9), который необходим для «сжатия» эллипса вдоль большой полуоси.
Каждое значение по оси, с которой совпадает большая полуось, должно быть умножено на этот масштабный коэффициент для получения желаемой окружности. Результат такой трансформации представленного на Рисунке 4 эллипса можно видеть на Рисунке 6.
| Рисунок 6. | Окружность, полученная после компенсации влияния искажения мягкого железа. |
Далее для того, чтобы вернуть значения составляющих напряженности магнитного поля в исходное положение, нужно вновь произвести поворот полученной фигуры на тот же угол, но уже в противоположном направлении. При этом снова используются формулы (7) и (8) с единственным отличием – угол φ берется с противоположным знаком.
На этом процесс устранения искажений завершается. Но следует помнить, что к компенсации искажения мягкого железа можно приступать лишь после успешно проведенной операции по устранению искажения твердого железа и при условии, что платформа остается в горизонтальном положении, либо наклон контролируется с помощью данных по оси Z или акселерометра. В итоге становится возможным получить более точное значение азимута. Поскольку при вращении электронного компаса возникают ситуации деления на ноль, целесообразно пользоваться нижеприведенной Таблицей 1.
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Темников Алексей Николаевич
Описаны варианты конструкции сканера магнитного поля планшетного типа, отличающиеся количеством сенсоров и способом регистрации данных. Сенсоры закреплены неподвижно, а сканирование осуществляется перемещением источника магнитного поля . Переход от движущегося сенсора к движущемуся источнику позволяет обойти ряд принципиальных проблем и создать исключительно простую, компактную и надежную конструкцию.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Темников Алексей Николаевич
Магнитооптический преобразователь на основе суспензии суперпарамагнитных наночастиц для ввода информации в ЭВМ Современные отечественные специализированные микросхемы для датчиков положения Датчики на постоянных магнитах с использованием вращательного перемагничивания материала Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 5. Новые перспективы бесконтактных угловых измерений в диапазоне угла 360°, снова датчики Холла - угловые магнитные энкодеры Автоматизированный вибрационный магнитометр с электромагнитом конструкции Пузея i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.TABLET-TYPE MAGNETIC FIELD SCANNER WITH NON-MOVING SENSOR
Design options for a tablet-type magnetic field scanner are described. Scanners differ in the number of sensors and the way data is recorded. All sensors are fixed and scanning is performed by moving the source of magnetic field . The transition from the moving sensor to the moving source allows circumventing the number of principal problems and creating an exceptionally simple, compact and reliable design.
Текст научной работы на тему «Планшетный сканер магнитного поля с неподвижным сенсором»
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1, с. 67-70 РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ -
УДК 621.317.421:681.2.08 © А. Н. Темников, 2019
ПЛАНШЕТНЫЙ СКАНЕР МАГНИТНОГО ПОЛЯ С НЕПОДВИЖНЫМ СЕНСОРОМ
Описаны варианты конструкции сканера магнитного поля планшетного типа, отличающиеся количеством сенсоров и способом регистрации данных. Сенсоры закреплены неподвижно, а сканирование осуществляется перемещением источника магнитного поля. Переход от движущегося сенсора к движущемуся источнику позволяет обойти ряд принципиальных проблем и создать исключительно простую, компактную и надежную конструкцию.
Кл. сл.: магнитное поле, сканирование, сенсор
При конструировании магнитных систем на основе постоянных магнитов необходимо иметь информацию о пространственном распределении поля, создаваемого этими магнитами. Для получения такой информации обычно используют сканирующие магнитометры (сканеры), в которых сенсор магнитного поля может перемещаться вдоль выбранных направлений (см., например, 2).
Для контролируемого перемещения сенсора в пространстве необходим прецизионный механический привод с системой управления, а также система передачи сигнала от движущегося сенсора к регистрирующему устройству, что приводит к существенному усложнению конструкции сканера. Этого можно избежать, если сенсор магнитного поля установить неподвижно, а сканирование производить, перемещая источник поля. Такой подход оправдан в тех случаях, когда необходимо исследовать распределение поля не очень больших по размеру постоянных магнитов. Ниже описаны два варианта конструкции сканера магнитного поля, разработанного на этом принципе. Сканеры различаются числом сенсоров (1 и 16), а также способом регистрации информации (ручная и полуавтоматическая).
Основой для каждого сканера служит пластина из твердого пластика (оргстекла). Верхняя поверхность пластины является рабочей, по ней перемещают исследуемый магнит, помещенный в специальный держатель. На нижней стороне пластины фрезой вырезают углубления, в которых размещают элементы электрической схемы сканера. Сенсоры устанавливают вровень с рабочей поверхностью сканера. Это позволяет проводить
сканирование поля в непосредственной близости от поверхности магнита.
ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ КОНСТРУКЦИИ СКАНЕРА
Сканер имеет единственный сенсор магнитного поля, который размещается в центре пластины, являющейся основой сканера (рис. 1). Размеры пластины выбираются в зависимости от размеров области сканирования, которая в свою очередь определяется размером магнитов, поля которых планируется исследовать.
Для позиционирования исследуемого магнита в плоскости XY используется система миллиметровых шкал. Две шкалы нанесены на рабочую поверхность сканера симметрично слева и справа, они служат для определения координаты у сенсора относительно центра магнита. Третьей шкалой, указывающей координату х сенсора, является шкала на пластиковой линейке, которая служит направляющей при перемещении магнита вдоль оси ОХ. Эта линейка может передвигаться вдоль оси ОY. На концах линейки установлены фиксаторы, которые прижимаются к боковым сторонам сканера и фиксируют линейку в выбранном положении.
Исследуемый магнит устанавливают в держателе (рис. 2), состоящем из основания и обоймы, закрепленной вертикально в сквозном отверстии основания. Внутренние размеры обоймы должны соответствовать размерам магнита. Расстояние г от поверхности магнита до рабочей поверхности сканера регулируется с помощью пластиковых вставок различной толщины, которые помещаются в обойму держателя и удерживают магнит на необходимой высоте над рабочей поверхностью
Рис. 1. Схематичное изображение сканера магнитного поля.
Черный прямоугольник 1 в центре — датчик Холла, справа 2 — держатель с установленным в нем цилиндрическим магнитом. Для упрощения рисунка миллиметровые деления на шкалах не показаны. В представленном на рисунке положении магнита координаты датчика Холла относительно центра магнита: х = - 4.6 мм; у = 0 мм. Размер области сканирования поля при выбранных размерах сканера — 10 х 10 см.
Вертикальная пунктирная линия показывает расположение массива из 16 датчиков Холла в сканере второго типа, горизонтальные пунктирные линии указывают вертикальный размер этого сканера
сканера во время сканирования.
Сканирование поля, как уже отмечалось, осуществляется перемещением источника поля — постоянного магнита. Перед началом сканирования к сканеру подключают источник питания и цифровой (как правило, интегрирующий) вольтметр. При измерениях подвижную линейку устанавливают в положение, соответствующее выбранной координате у, и закрепляют в этом положении с помощью фиксаторов. Магнит вместе с дополнительной вставкой нужной высоты (определяющей значение координаты z) помещают в держатель. Во время сканирования одну из боковых сторон основания держателя прижимают к линейке, и держатель вместе с магнитом перемещают вдоль линейки, регистрируя показания вольтметра для выбранных координат x.
В качестве сенсора в сканере используется интегральная микросхема AD22151 (Analog Device), содержащая датчик Холла, операционный усилитель, блок компенсации сдвига нулевого уровня
Рис. 2. Держатель магнита. 1 — основание, 2 — обойма, 3 — магнит, 4 — вставка
и блок температурной компенсации [4]. Толщина корпуса микросхемы равна 1.5 мм, поэтому минимальное расстояние от датчика Холла до рабочей поверхности сканера (или до поверхности магнита)
0.75 мм. Нелинейность датчика в пределах измеряемого диапазона составляет 0.1 %. Датчик является быстродействующим, его выходной сигнал обновляется с частотой 50 кГц. Максимальный выходной сигнал AD22151 в биполярном режиме достигает 2.5 В, это дает возможность его регистрации без дополнительного усиления. Ток, потребляемый микросхемой AD22151, не превышает 10 мА, что позволяет использовать батарейный блок питания, который может быть встроен в основание сканера.
ВТОРОЙ ВАРИАНТ КОНСТРУКЦИИ СКАНЕРА
Второй сканер имеет 16 датчиков. Они установлены вдоль центральной осевой линии сканера на равных расстояниях d друг от друга (вдоль вер-
ПЛАНШЕТНЫЙ СКАНЕР МАГНИТНОГО ПОЛЯ
тикальной пунктирной линии на рис. 1). Увеличение числа датчиков позволяет существенно сократить время сканирования при условии наличия системы автоматической регистрации сигналов, поступающих с датчиков.
Держатель магнита для второго варианта сканера имеет одну особенность — центр обоймы, в которую помещается исследуемый магнит, сдвинут относительно центра основания держателя на расстояние, равное половине расстояния между датчиками Холла. Это позволяет за два цикла сканирования получить 32 кривые распределения поля с шагом по оси OY, равным d/2. Для этого достаточно перед вторым сканированием повернуть держатель магнита на 180°. При этом, конечно, необходимо инвертировать значения координат x и y датчиков. Это легко осуществляется программным путем. При использовании микросхем AD22151 минимальное расстояние между датчиками Холла составляет 5 мм, при этом шаг сканирования по оси OY равен 2.5 мм. Ширина области сканирования в направлении оси OY в этом случае получается равной (2 -16 - 1)-2.5 = 77.5 мм.
Линейка, служащая направляющей для держателя магнита, закрепляется неподвижно в таком положении, чтобы центр исследуемого магнита при сканировании проходил над геометрическим центром цепочки датчиков Холла. Так как перемещения магнита вдоль оси OY в данном случае не требуется, размер рабочей поверхности сканера в направлении OY может быть уменьшен почти вдвое, до границ, указанных на рис. 1 горизонтальными пунктирными линиями.
При сканировании, как и в случае со сканером первого типа, исследуемый магнит перемещают вдоль линейки, выбирают нужное значение координаты x, и компьютер по команде оператора регистрирует сигналы всех 16 датчиков Холла.
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ
Система регистрации сигналов выполнена по традиционной схеме устройства с синхронным последовательным интерфейсом (например, [5]). Для оцифровки сигналов используется 16-ка-нальный 12-разрядный АЦП последовательного приближения AD7490 (Analog Device) с временем преобразования 1 мкс [6]. Связь с компьютером осуществляется по USB, контроллер USB построен на микросхеме FT232 (Future Technology Devices International) [7]. Вспомогательные узлы выполнены на программируемой логической интегральной схеме EPM7032 (Altera) [8].
Опыт использования описанных сканеров показал, что первый сканер можно рекомендовать при эпизодических исследованиях поля единичных образцов постоянных магнитов. Время регистрации одной точки сканером с одним датчиком Холла составляет 6-8 с, и определяется в основном временем позиционирования магнита относительно датчика и временем записи результата отдельного измерения, а также в случае резкого изменения величины поля временем установления показаний интегрирующего вольтметра. Типичное время регистрации кривой диаметрального распределения поля цилиндрического магнита диаметром 60 мм при интервале сканирования 80 мм (41 точка с шагом 2 мм) составляет около 5 мин. Относительно небольшое время проведения измерений сочетается здесь с исключительной простотой конструкции.
Примерно такое же время (около 5 мин) требуется для получения двумерной карты магнитного поля размером 32 х 32 = 1024 точек с помощью сканера второго типа. Этот сканер, благодаря практически одновременной регистрации сигналов, поступающих сразу с 16 датчиков, обеспечивает большую скорость измерений, что делает его более предпочтительным при необходимости подробного исследования характеристик серии постоянных магнитов.
1. Keller P. Technologies for Precision Magnetic Field Mapping. URL:
5. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб.: БХВ-Петербург, 2010. 832 с.
documentation/ data- sheets/AD7490.pdf
Казанский национальный исследовательский л, топ^-шю
^ „ ТГ Материал поступил в редакцию 28.06.2018
технологический университет, Казань * J *
TABLET-TYPE MAGNETIC FIELD SCANNER WITH NON-MOVING SENSOR
Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia
Design options for a tablet-type magnetic field scanner are described. Scanners differ in the number of sensors and the way data is recorded. All sensors are fixed and scanning is performed by moving the source of magnetic field. The transition from the moving sensor to the moving source allows circumventing the number of principal problems and creating an exceptionally simple, compact and reliable design.
Это интересное устройство позволяет услышать мир электромагнитного излучения, что нас окружает. Оно преобразует колебания высокой частоты излучения, генерируемого разнообразными электронными устройствами в слышимую форму. Можно использовать его возле компьютеров, планшетов, мобильных телефонов и т. д. Благодаря ему вам удастся услышать действительно уникальные звуки, создаваемые работающей электроникой.
Принципиальная электросхема
Схема предполагает реализацию данного эффекта с как можно наименьшим числом радиоэлементов. Дальнейшие улучшения и исправления лежат уже на вашем усмотрении. Некоторые значения деталей вы можете подобрать для своих потребностей, другие являются постоянными.
Процесс сборки
Сборка предполагает использование макетной платы размером не менее 15 x 24 отверстия, и особое внимание обращается на расположение элементов на ней. На фотографиях показано рекомендуемое расположение каждого из радиоэлементов и какие связи между ними выполнить. Перемычки на печатной плате можно выполнить из фрагментов кабеля или отрезанных ножек от других элементов (резисторы, конденсаторы), которые остались после их монтажа.
Сначала надо впаять катушки L1 и L2. Хорошо отодвинуть их друг от друга, что даст нам пространство и увеличит эффект стерео. Эти катушки являются ключевым элементом схемы - они ведут себя как антенны, которые собирают электромагнитное излучение из окружающей среды.
После впайки катушек можно установить конденсаторы C1 и C2. Их емкость составляет 2,2 мкФ и определяет нижнюю частоту среза звуков, которые будут услышаны в наушниках. Чем выше значение ёмкости, тем ниже звуки воспроизводящиеся в системе. Большая часть мощного электромагнитного шума лежит на частоте 50 Гц, так что есть смысл его отфильтровать.
Далее припаиваем резисторы по 1 кОм - R1 и R2. Резисторы эти, вместе с R3 и R4 (390 кОм) определяют усиление операционного усилителя в схеме. Инвертирование напряжения не имеет в нашей системе особого значения.
Виртуальная масса - резисторы R5 и R5 с сопротивлением 100 кОм. Они являются простым делителем напряжения, который в данном случае будет делить напряжение 9 V на половину, так что с точки зрения схемы питается м/с напряжением -4,5 V и +4,5 V по отношению к виртуальной массе.
Можно поставить в панельку операционный усилитель любой со стандартными выводами, например OPA2134, NE5532, TL072 и другие.
Подключаем аккумулятор и наушники - теперь мы можем использовать этот акустический монитор для прослушки электромагнитных полей. Батарею можно приклеить к плате скотчем.
Дополнительные возможности
Что можно добавить, чтобы увеличить функциональность? Регулятор громкости - два потенциометра между выходом из схемы и гнездом для наушников. Выключатель питания - сейчас схема включена все время, пока не отсоединится батарейка.
При испытаниях оказалось, что устройство очень чувствительно на источника поля. Вы можете услышать, например, как обновляется экран в мобильном телефоне, или как красиво поет кабель USB во время передачи данных. Приложенный к включенному громкоговорителю работает как обычный и вполне точный микрофон, который собирает эл-магнитное поле катушки работающего динамика.
Хорошо ищет кабеля в стене, на манер трассоискателя. Только надо поднять НЧ, увеличив все 4 ёмкости до 10 мкФ. Недостатком является довольно большой шум и ещё сигнал слишком слабый - нужен какой-то дополнительный усилитель мощности, например на PAM-8403.
Видео работы детектора ВЧ
Форум по обсуждению материала НЕОБЫЧНЫЙ ДЕТЕКТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
В нескольких схемах рассмотрим, можно ли параллельно включать стабилизаторы напряжения, микросхемы типа LM317 и аналогичные.
Справочная информация по микросхеме 555 - характеристики, схема подключения, распиновка и аналоги таймера.
Обзор возможностей комплекта бесконтактного модуля считывателя карт RFID RDM6300. Подключение схемы и тесты.
Самодельный активный предварительный усилитель с НЧ-ВЧ регулировками на ОУ TL072, для УМЗЧ.
Читайте также: