ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA MĚŘENÍ Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate DIPLOMOVÁ PRÁCE Autor: Vedoucí práce: Michal Janošek prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. Praha, květen 007

2 Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat všem, kteří realizaci této diplomové práce napomohli, ať už radou, nebo přímo skutkem. Především všem členům skupiny magnetických měření, a především Ing. Janu Kubíkovi, Ph.D. za přivedení k tématu diplomové práce a vedoucímu prof. Ing. Pavlu Ripkovi, CSc. za dozor a odbornou diskuzi nad její realizací. V neposlední řadě patří poděkování mým rodičům, kteří mě v celém úsilí, nehledě na výsledky, podporovali.

3 Anotace Cílem této diplomové práce byla konstrukce osého magnetometru s miniaturními senzory fluxgate, s analogovým výstupem a napájením z baterií. Práce shrnuje současné koncepce magnetometrů a principy jejich funkce. Dále detailně popisuje vývoj nového miniaturního fluxgate senzoru, který byl v magnetometru použit. Je popsán princip činnosti magnetometru, včetně elektroniky pro buzení fluxgate senzoru a zpracování jeho výstupního signálu. Uvedeno je programové vybavení magnetometru a konfigurace měřících systémů pro jeho charakterizaci. Magnetometr i senzor jsou charakterizovány z hlediska citlivosti, teplotní stability, linearity a šumových hodnot, dosažené parametry jsou diskutovány v kontextu předchozích výsledků. Summary The goal of this diploma thesis was to develop and construct a -axis fluxgate magnetometer using miniature sensors. Principles of magnetic field measurements and actual concepts of magnetometers are discussed. Further, the construction of new miniature fluxgate sensor is described, which allowed to decrease of power consumption of magnetometer. The principle of operation is described, as well as the excitation and signal extraction electronics. The software and also the measurement system is described. The parameters of the magnetometer and sensor are evaluated, and further discussed in the context of recently achieved results.

4 Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate vypracoval samostatně a použil k tomu úplný výčet citací použitých pramenů, které uvádím v seznamu přiloženém k diplomové práci. Nemám námitky proti půjčování, zveřejnění a dalšímu využití práce, pokud s tím bude souhlasit Katedra měření. V Praze dne 5. května podpis

5 OBSAH:. ÚVOD.... TEORETICKÝ ZÁKLAD VÝVOJ POZNATKŮ O MAGNETISMU FYZIKÁLNÍ NÁHLED MAGNETISMU DYNAMICKÝ ROZSAH MAGNETICKÝCH POLÍ MAGNETICKÉ POLE ZEMĚ Původ magnetického pole Země Magnetosféra, změny magnetického pole Země Rozložení geomagnetického pole PRINCIPY MĚŘENÍ MAGNETICKÉHO POLE SENZORY PRO MĚŘENÍ MAGNETICKÉHO POLE Hallovy senzory Anizotropní magnetorezistory AMR Indukční senzory Senzory na rezonančních principech...8. KONCEPCE FLUXGATE MAGNETOMETRŮ TYPY A KONFIGURACE SENZORŮ Vacquierovo uspořádání Toroidní senzory Senzory s jádrem race-track DRUHY A ZPŮSOBY BUZENÍ..... ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU SENZORU Matematický popis výstupního napětí fluxgate senzoru Zpracování ve frekvenční oblasti Zpracování v časové oblasti ČINNOST V UZAVŘENÉ ZPĚTNÉ VAZBĚ METODY KOMPENZACE MĚŘENÉHO POLE VYBRANÉ TOVÁRNÍ VÝROBKY A JEJICH PARAMETRY KONSTRUKCE MAGNETOMETRU ZÁKLADNÍ KONCEPCE PCB FLUXGATE SENZORY Senzory IIA, IIB Vývoj senzoru IIIA NÁVRH DRŽÁKU SENZORŮ REALIZACE BUDÍCÍHO OBVODU Řídící část

6 4.4.. Výkonová část REALIZACE DETEKČNÍ ČÁSTI Vstupní část Spínané integrátory Řídící část SOFTWAROVÁ REALIZACE MECHANICKÉ PROVEDENÍ MAGNETOMETRU MĚŘENÍ PARAMETRŮ MAGNETOMETRU DEFINICE A METROLOGIE Citlivost, linearita Šum Stabilita offsetu Teplotní stabilita Měřící systém pro stanovení citlivosti,offsetu a linearity CITLIVOST, LINEARITA MAGNETOMETRU Závislost citlivosti, offsetu a linearity na budícím proudu Citlivost a linearita magnetometru ŠUMOVÉ CHARAKTERISTKY Vyhodnocení vlivu regulace amplitudy budícího proudu Šum magnetometru Stabilita offsetu TEPLOTNÍ STABILITA Vliv elektroniky magnetometru Vliv senzoru DISKUZE VÝSLEDKŮ DOSAŽENÉ PARAMETRY MAGNETOMETRU ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA PUBLIKAČNÍ ČINNOST SEZNAM PŘÍLOH:

7 . Úvod Magnetismus jako jev byl již ve starověkém Řecku a Číně využíván při jeho nejstarší aplikaci v navigaci využitím kompasu. Magnetická měření se však započala plně rozvíjet až v 9. století, díky objevení fyzikálních zákonů provazujících elektrické a magnetické pole. V současné době jsou realizována magnetometry na různých principech, pokrývají celou škálu aplikací v oborech lidské činnosti od družicového mapování geomagnetického pole až po aplikaci při vyhledávání magnetických cílů (např. nevybuchlé munice), detekci přiblížení apod. Princip činnosti magnetometru a jeho dosažitelné vlastnosti přímo závisí od použitého senzoru magnetického pole a požadovaného měřícího rozsahu. Nejvíce rozšířené jsou v současné době senzory na principu Hallova jevu, ty jsou však málo lineární a především trpí teplotní nestabilitou. S objevem magnetorezistivního jevu se stále rozšiřují aplikace anizotropních magnetorezistorů AMR, jejich teplotní nestabilita je ale značná. Nejlepších výsledků při měření v rozsahu geomagnetického pole (± 50 μt) dosahují senzory magnetoindukční, ačkoliv se řadí mezi nejstarší principy měření magnetického pole. Mezi ně patří např. detekční cívky, a především od 0. let 0. století senzory fluxgate. Jejich výhodou je vysoká linearita, nízký teplotní součinitel citlivosti i offsetu a snadné zapojení ve zpětné vazbě, umožňující zlepšení parametrů magnetometru. Nevýhodou fluxgate senzorů je však nutnost precizního mechanického provedení a zhoršování jejich parametrů při miniaturizaci, přinášející také zvýšenou spotřebu elektrické energie. Pokud však požadujeme přesná, časově a teplotně stabilní měření, realizovaná v běžném teplotním rozsahu, je nutné fluxgate sondy v magnetometru použít. Detailní přehled principů činnosti magnetometrů uveden v kapitole.5, užívané konstrukce fluxgate magnetometrů shrnuje kapitola. Cílem a náplní diplomové práce je konstrukce -osého přenosného magnetometru s miniaturními fluxgate senzory, včetně vývoje senzoru nového typu, který umožní snížení jeho spotřeby. Magnetometr je konstruován pro rozsah geomagnetického pole, důraz na jeho požadované vlastnosti je kladen především co do teplotní stability a nízkého příkonu, kterého se dosahuje pulsním buzením fluxgate senzorů. Součástí řešení je, za pomocí vytvořeného programového vybavení, detailní charakterizování samotného senzoru a ověření základních charakteristik magnetometru, tj. citlivosti, linearity, šumu a teplotní stability. - -

8 . Teoretický základ.. Vývoj poznatků o magnetismu Existence magnetických pólů a jejich silová interakce byla popsána až ve. století, Gilbert r. 600 publikuje myšlenku Země jako permanentního magnetu, zavádí pojem severní a jižní pól. Prvním fyzikálně popsaným projevem magnetického pole byla síla mezi póly permanentních magnetů. Ucelená teorie magnetismu se započala rozvíjet až s prokázáním existence magnetického pole vyvolaného proudem ve vodiči na poč. 9 století. Ampére rozvinul Oerstedovo pozorování z r. 8 a definoval silové působení mezi vodiči protékanými elektrickým proudem, zároveň zavádí vektor magnetické indukce jako tangentu k vektoru magnetických siločar. Farraday r. 8 objevuje princip elektromagnetické indukce. Gauss s Weberem publikují teorii zemského magnetického pole, zavádí pojem magnetického toku. Biort-Savartův zákon zavedl transformací analogii k Coulombovu zákonu v elektrostatickém poli, plně konzistentní s Ampérovým zákonem. Lorentzova definice silového působení magnetického pole na pohybující se nabitou částici byla později experimentálně potvrzena Thomsonem při výzkumu katodové emise. Gaussův zákon aplikovaný na magnetické pole definoval magnetické pole jako pole nezřídlového, vírového charakteru, kde magnetické siločáry jsou uzavřenými křivkami. Respektovala se tak experimentálně prokázaná neexistence magnetických monopólů. Až s rozvojem orbitálních elektronových modelů atomu a kvantové mechaniky bylo lze provázat existenci insitrického magnetického pole s elektrickým proudem i na atomární úrovni... Fyzikální náhled magnetismu Maxwell r. 86 shrnul a publikoval ucelenou teorii elektromagnetického pole pomocí osmi rovnic. Upravil Ampérův zákon a definoval vztah mezi intenzitou magnetického pole H [A.m - ] a indukcí B [T] přes permeabilitu μ [Wb.m - ]. Dále budou užívány jen jednotky mezinárodní soustavy SI. Přepočty na soustavu CGS jsou definovány např.v [.], str

9 4 rovnice, zobecněné a upravené Heavisidem a Gibbsem r. 884, tvoří základ klasického náhledu. Gaussův zákon D ds = r r Gaussův zákon pro magnetické pole B ds = 0 Farradayův zákon elektromag. indukce Ampérův zákon (superpozice) S S r r r r E dl = C r r H dl = C S V ρdv r B r ds t r r J ds + S d dt r r D ds S ( ) ( ) ( ) ( 4 ) kde D je vektor hustoty elektrického toku, ds elementu plochy, dl elementu délky a J vektor proudové hustoty. Magnetický tok Φ [V.s, Wb] definujeme jako plošný integrál magnetické indukce, tedy magnetická indukce je plošnou hustotou magnetického toku. r v Φ = B ds S ( 5 ) Lorenzova síla působící na pohybující se nabitou částici je definována jako r r r F = Q ( v B) ( 6 ) Ampérův zákon definuje integrál intenzity magnetického pole na uzavřené křivce, obepínající proudovodič. Pro magnetostatické pole a bod na kružnici ve vzdálenosti r od vodiče (kruhová symetrie) platí : I πr H = I H = ( 7 ) πr Biot-Savartův zákon definuje magnetické pole v bodě, generované proudovodičem ve vzdálenosti r: r r r r μ 0 I dl db = ( 8 ) 4 π r - 5 -

10 pro konstantní, rovnoměrně rozložený proud platí: B r r μ 0 dl I ( 9 ) 4π r = Superpozicí lze z Biort-Savartova zákona, resp. Ampérova zákona vyjádřit pro magnetické pole v ose solenoidu (cylindrická cívka s l>>d) s N závity NI H = ( 0 ) l V lineárních isotropních materiálech (permeabilita i susceptibilita je obecně tenzor. řádu) dále definujeme magnetizaci M [A.m - ], polarizaci J [T], relativní permeabilitu μr a susceptibilitu χ pomocí r B r r r r r μ H + J B = μ 0 ( H + M ) r r r B = μ 0μ r H = + χ μ 0 = 0 J μ M 0 = ( ) H kde μ 0 = 4π 0 7 Wb.m - je permeabilita vakua. Polarizace určuje objemovou hustotu magnetických dipólů a je tradičním náhledem na interakci hmoty na aplikované pole, zatímco magnetizace určuje objemovou hustotu magnetických momentů a vychází z atomové fyziky - orbitálních a spinových momentů atomu

11 .. Dynamický rozsah magnetických polí Velikosti známých magnetických polí pokrývají přes 0 řádů - od biomagnetických polí a polí na sub-atomární úrovni (orbitální a spinový moment elektronu) až po magnetická pole generovaná vesmírnými tělesy. Biomagnetická pole se pohybují v řádu ft (0-5 ), velikost zemského pole je cca 50 μt, pole na povrchu permanentních magnetů od 0, do,5 T. Tomografie s využitím nukleární magnetické rezonance pracuje se supravodivými magnety a indukcí až 0 T. Vyšší hodnoty jsou již realizovatelné jen jako pulsní pole (až 00 T). Intenzita na povrchu vesmírných těles - slunce, pulsary, dosahuje řádově od jednotek kt až k desítkám MT. Obr. ilustruje rozsah jednotlivých magnetických polí dle [.], velikosti polí jsou pro názornost vyneseny v logaritmickém měřítku. -- Dynamický rozsah magnetických polí Bílý trpaslík Pulsní pole - lab. Nukleární fúze NMR Laboratorní magnety Permanentní magnety Výkonové stroje Zemské pole Pozadí elektrický spotřebičů Vesmírné pozadí Biomagnetická pole 0fT pt 00pT 0nT µt 00µT 0mT T 00T 0kT Obr. Dynamický rozsah magnetických polí, velikosti vyneseny v log. měřítku - 7 -

12 .4. Magnetické pole Země.4.. Původ magnetického pole Země Ačkoliv se výzkumu geomagnetického pole věnuje především geofyzika již od poloviny 9. století, původ magnetického pole Země není dosud dostatečně vysvětlen. Země se chová v makroskopickém pohledu jako permanentní magnet se severním a jižním pólem, odlišným od geografického (odchylka magnetické osy činí dnes cca ). Pozice obou pólů se během doby mění, v současné době se oba póly pohybují o cca 0-0km za rok (např. Amundsenova expedice nalezla jižní magnetický pól o 50 km dále, než Rossova výprava o 70 let dříve). Dalším jevem je reverzace pólů, ke které dochází v intervalech průměrně let, reverzaci předchází slábnutí magnetického pole (současný stav). Původní teorii Země jako permanentního Obr. -Geodynamo a pohyb magnetického pólu. (the Science@NASA) magnetu se Severním a Jižním pólem nahradila teorie geodynama, kde tekutá část jádra, pravděpodobně složená z roztavených kovů (Fe, Ni) vytváří rotací (vlivem termodynamických jevů a Coriolissovy síly) magnetické pole. Problém je však komplexnější - rotací se vytváří elektrické proudy (generující při toku skrze jádro magnetické pole) jen díky již existujícímu magnetickému poli. Magnetické pole je tedy zároveň potřebné ke generování tohoto proudu - [.]. V současné době je předmětem intenzivního výzkumu jednak vlastní princip a fyzikální realizovatelnost teorie geodynama, zároveň i mechanismus reverzace magnetických pólů, který by byl konzistentní s touto teorií. Experimentální ověření modelu geodynama ve Forschungszentrum Karlsruhe v r. 000; počítačová simulace modelu geodynama publikovaná v [.] - 8 -

13 .4.. Magnetosféra, změny magnetického pole Země Další oblastí, kterou se magnetické pole Země liší od jednoduchého modelu permanentního magnetu, je existence magnetosféry, objevená na konci 50. let díky rozvoji satelitních pozorování. Prostřednictvím magnetosféry interaguje magnetické pole Země s emitovanými nabitými částicemi ze Slunce ( solární vítr ) a s interplanetárním magnetickým polem. Magnetosféra je sestavou několika radiačních pásů, ve kterých jsou díky zemskému magnetickému poli zadržovány nabité částice. Vnitřní Obr. Magnetosféra. Adaptováno z [.] protonový pás je připisován vlivu vesmírného záření, ve vnějším pásu díky existenci elektronů a iontů ze slunečního větru vzniká prstencový proud. Disturbance magnetického pole Země vzniká rapidními změnami v toku slunečního větru, je tedy přímo závislá od dění na slunci - i slunečních erupcí, které pozorujeme formou slunečních skvrn. Solární vítr ve své stacionární podobě způsobuje deformování magnetických siločar na obou stranách polokoule - na bližší straně silokřivky zaobluje, na vzdálenější straně vytváří dlouhý cylindrický magnetický chvost. V této části magnetosféry vzniká díky plazmové vrstvě - která je vtěsnána mezi dva svazky siločar a směřuje tak k severnímu a jižnímu pólu - během disturbance polární záře. Změny geomagnetického pole se sledují v geomagnetických observatořích, jejichž vybavením je obvykle kromě vektorového fluxgate magnetometru referenční protonový magnetometr, nároky na stabilitu a přesnost měření jsou vysoké. Stanice jsou sdruženy např. v síti INTERMAGNET, Českou Republiku reprezentuje geomagnetická observatoř Budkov. Magnetogramy slouží k predikci změn v šíření radiových vln, energetickým sítím aj. Disturbanci geomagnetického pole je nutno vzít v úvahu např. při měření a především při skalární kalibraci vektorových magnetometrů. Ta se však liší od mechanismu standardní polární záře způsobené interakcí ionosféry a solárního větru. Více v [.4]

14 .4.. Rozložení geomagnetického pole Geomagnetického pole Země se dlouhodobě mapuje (již od 9. století), v současné především magnetometry umístěnými na družicích (Oersted, Astrid-, CHAMP). Jeho velikost ( totální intenzita ) se pohybuje v rozsahu od 40 do 60μT, v České republice je to cca 48 μt. Rozložení v aktuální dekádě je patrno z Obr. 4. Pro údaj o směru a velikosti vektoru magnetického pole v místě je důležitá znalost rozdělení do jednotlivých složek - X, Y, Z. To lze provést vektorovým měřením magnetického pole (tj. vektorovými senzory), nebo i skalárními - pokud známe absolutní velikost magnetického pole a jeho místní inklinaci a deklinaci. Inklinací rozumíme úhel svíraný s pomyslnou vodorovnou rovinou, deklinace je úhel mezi zeměpisnými poledníky a magnetickými poledníky (tak jak by byly tvořeny magnetickými póly). Známe-li místní deklinaci, nebo máme-li mapy s magnetickými poledníky, lze navíc pro účely navigace získat správný geografický azimut přičtením východní Obr. 4 - rozložení geomagnetického pole z [.] (resp. odečtením západní) deklinace. Na Obr. 5 a Obr. 6 je patrné rozložení deklinace a inklinace v Mercatorově projekci. Obr. 5 Deklinace z [.] Obr. 6 Inklinace z [.] - 0 -

15 .5. Principy měření magnetického pole Nejstarším principem měření magnetického pole (především zemského) bylo využití přitažlivé resp. odpudivé síly opačných pólů magnetických dipólů (kompas). Kvantifikace měřeného magnetického pole však byla prakticky možná až s rozvojem studia elektromagnetismu jako fenoménu v 9. století. Měronosnými veličinami se pak stávají především veličiny elektrické. V zásadě lze senzory podle principů jejich funkce rozdělit na několik základních skupin:. Principy magneto-galvanické využívající Lorenztovy síly - Hallův jev, polovodičové magnetorezistory. Principy magneto-rezistivní využívající magnetorezistivního jevu ve feromagnetických materiálech (AMR- Anizotropní magnetorezistory, GMR, TMR). Principy indukční využívající Faradayova indukčního zákona (indukční cívky, fluxgate) 4. Principy magneto-impedanční využívající změny impedance materiálu (GMI ) 5. Principy kvantové využívající Josephsonova jevu (SQUID) 6. Principy rezonanční využívající precesního pohybu nukleárních částic (Protonový,Cesiový, Overhauserův magnetometr) 7. Principy ostatní (strunový, rezonátory SAW aj.) Důležité z hlediska aplikovatelnosti principů v magnetometrech je rozdělení na principy vektorově citlivé a skalární. Magneto-galvanické, -rezistivní a indukční senzory mohou pracovat vektorově, magnetometry pracující na rezonančním principu jsou skalární. Skalární magnetometry mohou být použity tam, kde nevadí a nebo je přímo žádoucí znát pouze absolutní velikost měřeného magnetického pole (např. geomagnetické pole vykazuje různou variaci v jednotlivých složkách, ale celková amplituda je časově stabilnější). Protonové a Overhauserovy magnetometry tak slouží jako reference pro vektorová měření např. Zemského magnetického pole (v geomagnetických observatořích, při družicovém - -

16 mapování geomagnetického pole), letecké vyhledávání podmořských objektů (ponorek), geofyzikální letecké mapování, detekci nevybuchlé munice atd. Skalární velikost magnetického pole určujeme jako geometrický průměr z (okamžité) velikosti jednotlivých vektorových složek: B () t B () t + B () t B () t = ( ) T x y + z.6. Senzory pro měření magnetického pole V této kapitole je popsán princip činnosti nejdůležitějších používaných vektorových senzorů magnetického pole - na bázi Hallova jevu, AMR a indukční (především fluxgate); ze skalárních pak protonové precesní a Overhauserovy magnetometry..6.. Hallovy senzory Využívají Hallova jevu (E.H. Hall r. 879) - vznik příčného elektromotorického napětí UH (řádově v desítkách mv) v polovodiči (Si, InSb, GaAS) vystaveném magnetickému poli B, které je kolmé na protékaný proud I. Příčinou je Lorentzova síla působící na nosiče náboje q. Základní vztah uvádí ( ) a Obr. 7, kde d - tloušťka vrstvy, B - aplikovaná indukce, q - elementární náboj, n- počet nosičů. U H = R d H B I B I ( ) = 8 n q d Aplikací Hallových senzorů je např. Obr. 7 - Vznik Hallova napětí (z [.8]) bezkontaktní měření proudů a především smart senzory s dvoustavovým výstupem, kde vyhodnocovací elektronika je integrována přímo na čipu. Hallovy senzory tvoří naprostou většinu vyráběných magnetických senzorů. Měřitelným rozsahem je cca 00 nt - 00 mt s typickou nelinearitou -%. Nevýhodou je značný teplotní koeficient Hallova napětí a nestálost offsetu (až 0,%/K a 0 μt). - -

17 .6.. Anizotropní magnetorezistory AMR Anizotropní magnetorezistivní jev nastává v tenkých filmech feromagnetických materiálů přechodových prvků (Py=8%Fe,9%Ni). Pracují na principu zvýšení, resp. snížení elektrického odporu materiálu v závislosti na působícím vnějším magnetickém poli vlivem stáčení magnetizačního vektoru (-% dle [.]), určujícího směr proudu ve vrstvě. Odpor struktury je pak určen - anizotropní - rezistivitou v daném směru ( ρ resp ρ na Obr. 8). Charakteristika (Obr. 9) je unipolární a nelineární především v okolí nuly. Linearizace lze dosáhnout zavedením offsetu (nevýhodné z hlediska teplotního driftu), příp. můstkovými zapojením; pro získání bipolární odezvy se používá struktura tzv. Barber-poles. Při vystavení silným externím polím nastává nebezpečí překlopení směru interní magnetizace a tedy i charakteristiky senzoru ( Obr. 0). Tomuto jevu se zabraňuje periodickým magnetováním materiálu v obou směrech (= flipping ),kromě toho se sníží i hystereze senzoru. Obr. 8 - Rezistance struktury při změně vektoru vnitřní magnetizace. Z [.8] Obr. 9 - charakteristika AMR senzoru. Hk je kritická intenzita (vyvolá BS v materiálu). Z [.8] Teplotní koeficient magnetorezistorů je nížší než u Hallových senzorů, odezva rychlá a díky pulsnímu flippování vykazují dobrou stabilitu offsetu. AMR senzory lze provozovat v kompenzovaném režimu, pak lze dosáhnout linearity až 0,04 % při měřeném rozsahu mt. Rozlišovací schopnost AMR senzorů může být lepší než 0nT [.].Z těchto důvodů jsou senzory Obr. 0 - reverzace charakteristiky z [.8] AMR v současné době přímým konkurentem - -

18 fluxgate senzorů při aplikaci např. v méně přesných elektronických kompasech, při detekci přiblížení, bezkontaktním měření proudů aj. Jejich zásadní nevýhodou v přesnějších aplikacích je teplotní závislost offsetu (typ. 0 nt/k) a vliv kolmých polí, tzv. crossfield effect..6.. Indukční senzory Indukční senzory pracují na základě Farradayova indukčního zákona ( ). Pro E r r dl = r r U i a Φ = B ds lze vyjádřit: C S U i dφ = dt ( ). Výstupem indukčních senzorů je tedy elektromotorické napětí, úměrné časové změně magnetického toku. Pokud rozepíšeme r r B = μ 0 μ H, pak pro cívku s N závity obepínající plochu S - jejíž r normála svírá s vektorem H úhel α - platí: U i d = ( μ μ H N S cosα ) 0 r dt ( 4 ) z čehož plynou zásadní mechanismy funkce indukčních senzorů (uvažujeme-li konstatní N, S): proměnná intenzita pole H (indukční cívky) proměnná permeabilita μ (fluxgate senzory) proměnný úhel α svíraný normálou plochy ds s vektorem intenzity pole H (rotační magnetometry) Indukční cívky Indukční cívky měří časově proměnná pole, tj. elektromotorické napětí je z ( 4 ) : U i = N S cos μ μ α 0 r dh dt ( 5 ) Mohou být realizovány jako vzduchové, nebo s jádrem s permeabilitou μr. Citlivost vzduchových cívek je nižší, ale jsou stabilnější (nehrozí změna permeability) a mají minimální vlastní šum (určen pouze tepelným Johnsonovým šumem vinutí). Výstupní napětí pro magnetické pole periodicky proměnné s periodou T (frekvencí f) je pak : - 4 -

19 t t U i () t dt = N S ΔB ( 6 ) a aritmetická střední hodnota za podmínky Bmax=Bmin U iavg = T t t U i () t dt = 4 f NS B m ( 7 ) Limitujícím faktorem pro užití indukčních cívek z hlediska frekvenčního rozsahu je jejich vlastní rezonanční frekvence - ta by měla být až o jeden řád vyšší, než frekvence měřeného pole. Veškeré cívky však vždy vykazují vlastní - parazitní - kapacitu vinutí. Pro zvýšení maximální pracovní frekvence se používá proudový režim, kdy je indukční cívka zkratována do nízké impedance převodníku I-V, v tomto režimu je efektivně potlačen vliv kapacity vinutí. Navíc pro pracovní frekvenci vyšší než kritickou ω = L s Rs je výstupní napětí převodníku frekvenčně nezávislé. Indukční cívky se používají od extrémně nízkých kmitočtů řádu mhz (geofyzika) až do stovek khz. Aplikace zahrnují od navigačních senzorů až po oblast elektromagnetické kompatibility. Citlivosti se pohybují řádově v mv/nt, resp. ma/nt a typickým rozsahem magnetometrů je 0 Hz - 0 khz. Rotující cívky Realizují vztah ( 8 ), tedy proměnnou efektivní plochu cívky. U i d = N μ μ H 0 r ( S cosα ) dt ( 8 ) Jejich zásadní výhodou při využití v rotačních magnetometrech je frekvenční rozsah zahrnující stenosměrná pole. Pro konstantní frekvenci otáčení je výstupní napětí U i = N μ μ H S ω sin ωt ( 9 ) 0 r Při precizním mechanickém provedení lze u rotačních magnetometrů dosáhnout rozlišitelnosti pod nt při rozsahu 50 nt - 0 mt. Nevýhodou jsou rozměry zařízení a pořizovací náklady, metoda však dává rozlišitelnost až 0 pt při adekvátně zvoleném rozsahu ([.], str. 69), i přes tyto parametry se rotační cívky používají spíše výjimečně

20 Fluxgate senzory Fluxgate senzory jsou v současné době nejcitlivějšími senzory pracujícími při pokojové teplotě, pracují v rozsahu typicky 0, nt- 00 μt s rozlišitelností 00 pt [.] a dlouhodobou stabilitou až nt. Od 0. let 0. století se jejich aplikace neustále rozšiřují - od původního vyhledávání ponorek a magnetických cílů přes aeriální mapování magnetického pole pro kartografické, geologické a archeologické účely, nasazení v magnetometrech pracujících na oběžné dráze (mapování geomagnetického pole), až po běžná nasazení - v nedestruktivní analýze, navigaci, při bezkontaktním měření proudů aj. Realizují vztah ( 0 ) - kromě změny permeability je nutné uvažovat i indukční efekt (např. při měření pro střídavých magnetických polí). U i N S μ dh dt + N S μ = 0 μ r 0 μ H r dμ dt ( 0 ) Jejich základním principem je periodické přesycování materiálu jádra pomocí budícího proudu Iexc (Obr. ) - permeabilita μ je tedy proměnná v čase a stejnosměrný tok vytvářený Obr. - Základní konfigurace fluxgate senzoru (z lit [.]) měřeným polem o indukci B0 je modulován. Při nulovém vnějším poli a sinusovém průběhu budícího proudu je tok také sinusový a obsahuje pouze liché harmonické složky. Při nenulovém vnějším poli je porušena lichá symetrie a objevují se též složky sudé, které jsou pro fluxgate senzory měronosné z hlediska indukovaného napětí. Nevýhodou uspořádání na Obr. je přítomnost výstupního napětí na základní harmonické budícího proudu vlivem indukčního efektu - viz ( 0 ). Potlačení lze dosáhnout např. Obr. - Dvoujádrový fluxgate senzor [.] použitím dvou jader s budícími vinutími antisériově zapojenými a snímací cívkou obepínající obě jádra (Vacquier, 94) - Obr

21 Pro tento typ senzoru je na Obr. znázorněno grafické odvození výstupního signálu dle [.7]. Část B znázorňuje průběh budícího proudu, intenzita jím vyvolaná je superponována s vlivem vnějšího pole (+, -). Část C vykresluje průběh toku a indukovaného napětí na obou jádrech. V části D je znázorněn rozdíl mezi oběma indukovanými napětími, o frekvenci rovné druhé harmonické budícího proudu a amplitudě P proporcionální vnějšímu poli. Obr. - grafické znázornění principu činnosti fluxgate senzoru, z [.7] Matematický popis výstupního napětí senzoru je uveden v kap..., detailní přehled možných uspořádání fluxgate senzorů v kap.. Současným trendem ve vývoji fluxgate senzorů je jejich miniaturizace, která přináší následující problémy: S rostoucí miniaturizací rostou nároky na výrobu snímacích (a budících vinutí) Obtížná realizace materiálu jader mikrotechnologií - elektrolyticky nanášená přinášejí větší hysterezi, šum, teplotní koeficient, při užití samostatného materiálu vyvstává problematika jeho integrace do senzoru Se zmenšováním senzoru klesá jeho citlivost Zvyšují se nároky na příkon budící a případné zpětnovazební části Jednotlivé problémy jsou v současné době částečně řešeny - např. v PCB senzorech laminací prefabrikovaného jádra, litografickou technologií výroby vinutí, integrací elektroniky přímo na čip a v neposlední řadě se příkon snižuje využitím pulsního buzení. Nároky na výrobu budícího vinutí odpadají u tzv. ortogonálních senzorů, kde budící proud prochází přímo jádrem senzoru ([.], str. 79)

22 .6.4. Senzory na rezonančních principech Magnetometry pracující na rezonančních principech využívají magnetického momentu, vznikajícího při precesním pohybu nabitých částic v atomovém obalu (protony, elektrony). Jsou ze svého principu skalární, jejich rozlišitelnost je dána především rozlišitelností detekčního obvodu (čítač). Používají se při skalární referenci vektorových měření, v geologii, při detekci feromagnetických objektů a v neposlední řadě v lékařství. Protonový magnetometr Využívá jevu nukleární magnetické rezonance (NMR) v atomech vodíku např. ve vodě nebo uhlovodících bohatých na vodu. Jednotlivé magnetické momenty jsou silným, homogenním externím polem zarovnány. Po zániku polarizačního pole nastává reorientace magnetických momentů do směru měřeného pole spolu se spinem protonů vytváří tato síla precesní pohyb (analogicky ke gyroskopu). Rotací nabitých částic vzniká střídavé elektromagnetické pole, detekované snímací cívkou. Pro frekvenci indukovaného napětí f platí: πf = g B ( ) 8 rad kde g je gyromagnetická konstanta, g =,675 0 pro H O, a B je (totální) intenzita s T magnetického pole. Rozlišitelnost magnetometrů na principu NMR je vysoká (až 00pT) s chybou offsetu pod nt. Nevýhodou jsou nároky na homogenitu vnějších polí a z principu zpracování signálů v úrovni řádově μv citlivost na vnější rušení, časová konstanta magnetometru je velmi vysoká (řádově v sekundách) a z principu není možné měřit malá pole. Overhauserův magnetometr Overhauserův magnetometr využívá radiofrekvenční signál (cca 60 MHz), vybuzující spinovou rezonanci elektronů (ESR 4 ) ve speciálních tekutinách. Ta vyvolává kontinuální rezonanci protonovou. Výhodou Overhauserova principu je menší spotřeba (absence polarizační cívky) než u protonových magnetometrů, rychlejší odezva (až 0 odměrů/s) a především menší citlivost na gradientní pole. Rozlišitelnost může dosáhnout až 0 pt s dlouhodobou stabilitu offsetu 50 pt / rok - [.7]. 4 Na principu ESR pracuje Cesiový opticky buzený magnetometr - 8 -

23 . Koncepce fluxgate magnetometrů.. Typy a konfigurace senzorů Z hlediska uspořádání (a prezence) budící cívky lze fluxgate senzory rozdělit na paralelní a ortogonální. Užívaný materiál jader prošel vývojem a s technologickým pokrokem při výrobě amorfních materiálů se tyto staly preferovanými např. VITROVAC 605X. Nároky na materiál jádra kladou za cíl maximální permeabilitu, minimální koercivitu, minimální saturační indukci a nízký Barkhausenův šum - [.]. Z hlediska uspořádání a způsobu vytváření budícího pole lze senzory rozdělit na paralelní a ortogonální. Pro paralelní je identický směr budícího a měřeného pole, ortogonální senzory využívají budícího pole kolmého k citlivé ose senzoru. Ortogonální senzory nacházejí uplatnění při miniaturizaci, kdy je nutné využít konstrukci plošných cívek [.5].V převážné většině se však využívají senzory v paralelní konfiguraci, nejužívanější typy jsou popsány níže.... Vacquierovo uspořádání Nejjednoduššího typu uvedeného na Obr., se prakticky neužívá. Vacquierovo uspořádání dvou jader s antisériově zapojenými vinutími (Obr. ) je však stále atraktivní z hlediska jednoduché metody potlačení první harmonické ve výstupním signálu, velmi dobré šumové vlastnosti senzoru s amorfním jádrem byly publikovány v. [.].... Toroidní senzory Častým uspořádání je senzor s toroidním jádrem (ring-core). Budící vinutí je navinuto na toroidním jádře, snímací vinutí obepíná celé jádro (Obr. 4). Výhodou je možnost eliminace rušivých signálů při nulovém vnějším poli natočením jádra ve snímací cívce. Nevýhodou je menší citlivost vlivem větší demagnetizačního činitele jádra a větší nelineární vliv kolmých polí (cross-field efekt). Na Obr. 5 je konfigurace toroidního senzoru magnetometru družice ASTRID- [.9]

24 Obr. 4 toroidní senzor [.] Obr. 5 toroidní senzor magnetometru ASTRID- [.9]... Senzory s jádrem race-track Senzory s oválným jádrem race-track (Obr. 6) kombinují výhody toroidního senzoru a Vacquierova uspořádání - nízký demagnetizační faktor zlepšuje citlivost senzoru a tvar jádra zaručuje lepší potlačení vlivu kolmých polí. Senzory s jádrem race-track byly charakterizovány např.v [.9]. Jejich nevýhodou je obtížná kompenzace parazitních signálů při nulovém vnějším poli, v [.5] je navržen způsob vyvážení posunem snímací cívky po jádře s antisymetricky se zužujícím profilem. Race-track senzory byly zhotoveny na katedře měření ČVUT FEL v provedení s vinutými cívkami a především jako miniaturní integrované senzory vyrobené metodou plošných spojů. V kap. 4. je popsána jejich výroba včetně vývoje nového typu senzoru, použitého v rámci diplomové práce. Obr. 6 senzor s jádrem race-track [.] - 0 -

25 .. Druhy a způsoby buzení Tradičním způsobem buzení fluxgate senzorů je využití sinusového resp. obdélníkového průběhu budícího proudu. Z hlediska detekční části (synchronní detekce) - výsledných citlivostí a nelinearit - je tento způsob buzení preferovaným. Nevýhodou je, především u miniaturních senzorů s malými cívkovými konstantami budícího vinutí, značná výkonová spotřeba budícího obvodu. Tu lze snížit např. vyladěním budícího obvodu do rezonance, kdy jsou pokrývány pouze ohmické ztráty. Nevýhodou je nestabilita řešení, daná změnou obvodových parametrů (Tc použitého kondenzátoru, teplotní změny indukčnosti vinutí). Obr. 7 ukazuje budící obvod magnetometrů pro družice Oersted a Astrid. Budící signál je symetrický obdélník, je použit ladící kondenzátor s nízkým teplotním součinitelem. Pro snížení příkonu, především miniaturních senzorů, se používá nesymetrické pulsní buzení. Typickou realizací je využití spínačů v plném můstku. Realizací pulsního buzení bylo např. v [.] možno snížit teplotu mikrosenzoru z 80 na 40 C. Princip pulsního buzení využívající H - můstku je detailně popsán v kap Obr. 7 Budící obvod realizovaný v [.8] kombinuje výhody pulsního buzení s vyladěním do rezonance - -

26 .. Zpracování signálu senzoru Úkolem zpracování výstupního signálu fluxgate senzorů je získání měronosné veličiny úměrné měřenému magnetickému poli. Tradičním veličinou je výstupní napětí senzoru, je možné ovšem převodníkem I/V využít výstupního proudu senzoru (což je vhodné pro senzory s nízkým počtem závitů snímacího vinutí).... Matematický popis výstupního napětí fluxgate senzoru Matematická kvantifikace výstupního napětí senzoru je obtížná a přímo závisí na použitém tvaru jádra senzoru a aplikaci superpozičních principů Biort-Savartova resp. Ampérova zákona. Proudový výstup je z matematického hlediska snáze popsatelný jako funkce budícího proudu,. v [.0] byl popsán včetně způsobu zpracování. V lit. [.8] byla analyzována situace pro toroidní jádro. Z obr. 6 pro sumaci jednotlivých elementárních příspěvků k celkovému toku platí: Obr. 8 konfigurace k výpočtu výstupního napětí, z [.8] Φ = μ 0 A h Mδ ( ) t det j kde δ je délka elementu, ht je elementární tečná intenzita, A průřez jádra, j sumace přes všechny elementární dipóly jádra a det sumace pro všechny závity detekční cívky. Nielsenem r. 99 byla amplituda magnetizace na druhé harmonické stanovena jako M ω = H π i ωm χ sin χ dh exc S dt ( ) kde Hi je intenzita pole v jádře senzoru, vyvolaná vnějším polem Ha, χ je susceptibilita jádra a Hexc intezita budícího pole. - -

27 Intenzita Hi je určena demagnetizačním faktorem D (tvaru) jádra, tj. H i H a ( 4 ) = + χd Po dosazení do ( ) a uvažováním Faradayova indukčního zákona pro výstupní napětí fluxgate senzoru platí [.8]: U i ω 4 ωm s = μ0χωaδ sin π χ dh exc dt det j h thi ( 5 ) Z rovnice ( 5 ) plynou následující závěry, konzistentní s pravidly v [.]: s menším demagnetizačním faktorem jádra citlivost roste citlivost roste s pracovní frekvencí citlivost roste se susceptibilitou a průřezem jádra citlivost samozřejmě roste s počtem závitů snímací cívky N je nutné najít optimální vztah mezi průběhem budícího proudu, pracovní frekvencí a vlastnostmi jádra (argument sinového členu). Parametrického zesílení a zároveň filtrace výstupního napětí senzoru lze dosáhnout při rezonanci snímacího vinutí na žádané frekvenci (druhé harmonické). Nevýhodou tohoto postupu jsou ovšem značné nároky na stabilitu řešení (kapacitní člen). Výstupní napětí, resp. proud senzoru obsahuje kromě základní harmonické budícího proudu sudé harmonické kmitočty, jejichž zpracování je možné několika základními způsoby.... Zpracování ve frekvenční oblasti Klasickým způsobem zpracování signálu je synchronní detekce na druhé harmonické budícího kmitočtu. Synchronnímu detektoru se někdy předřazuje pásmová propust, potlačující signál na budící frekvenci. Synchronní detekce je kromě spínačového detektoru realizovatelná také směšovacím obvodem, případně po digitalizaci softwarově v signálních procesorech. V komerčních aplikacích dominuje využití monolitických IO, např. AD60, v metrologických aplikacích se využívají lock-in zesilovače (např. SR844 fy Stanford Research system). - -

28 ... Zpracování v časové oblasti Jednou z možností zpracování je využití špičkového detektoru, nevýhodou je značný šum. Proto se používají různé konfigurace spínaných integrátorů. Boxcar integrátory umožňující extrakci signálu ze směsi signál/šum. Výstupní střídavý průběh pak může být v konstantních intervalech ovzorkován a hodnoty vzorků použity k určení výsledné amplitudy [.]. Efektivní časová konstanta boxcar integrátorů musí být menší mnohem menší než doba trvání užitečného výstupního signálu. Spínané integrátory (s velkou časovou konstantou) umožňují získání přímo stejnosměrné hodnoty, odpovídající časovému integrálu výstupního signálu. Při použití pasivního integrátoru je nutné dodržet oblast lineárního režimu, jeho výhodou je minimalizace přídavné chyby, vnesené použitím aktivních komponent (šum, offset). Vhodným spínaním lze omezit zpracovávanou oblast signálu pouze na užitečnou a snížit tak šum magnetometru. Příklad integrátoru použitého v magnetometru satelitu Oersted je uveden na Obr. 9. V kap. 4.5 je popsán pasivní spínaný integrátor, navrhnutý a použitý v rámci diplomové práce. Obr. 9 Spínaný integrátor s vyrovnáváním parazitního náboje, použitý v magnetometru OERSTED, [.8].4. Činnost v uzavřené zpětné vazbě Typické blokové schéma magnetometru s uzavřenou zápornou zpětnou vazbou je na Obr. 0. Měronosnou veličinou je proud, vyvolávající v kompenzačním vinutí tok působící proti vnějšímu, měřenému poli. Tímto uspořádáním se dosáhne efektivního potlačení - 4 -

29 nelinearity senzoru a zesilovacích členů, uzavřených ve zpětné vazbě v případě ideálního integrátoru by potlačení nelinearity bylo úměrné jeho stejnosměrnému zesílení. Obr. 0 Blokové schéma magnetometru s uzavřenou zpětnou vazbou kompenzovaný režim Fluxgate senzor tedy pracuje jako nulový detektor případný offset senzoru a jeho stabilita přímo určuje limity rozlišitelnosti a linearity magnetometru. Chyby snímacího zesilovače a výstupního filtru (mimo zpětnou vazbu) jsou již přímo přítomny ve výstupním signálu magnetometru nelinearita, šum, teplotní koeficient offsetu. Snímací rezistor RS musí být vybrán s minimálním teplotním koeficientem a s hodnotou realizující kompromis mezi nízkým výkonovým zatížením a maximálním hodnotou realizující největší poměr signál-šum. V případě větších nároků na výstupní proud integrátoru je vhodné zařadit převodník V/I, příp. diskrétní výkonový obvod na jeho výstup. Kromě běžného schématu, kdy je digitalizována až měronosná veličina, existují různé konfigurace magnetometru s digitálním zpracováním signálu a číslicovou zpětnou vazbou. Schéma na Obr. bylo realizováno v magnetometru satelitu ASTRID-. Signál z fluxgate senzoru je vzorkován, následně v DSP je realizována synchronní detekce a číslicová integrace zpětnovazebního signálu, který je převeden zpět na analogový signál v D/A převodníku. Nelinearity D/A převodníku byly pak určovaly dominantní chybu celého magnetometru - [.8]. Další možností je použití ΔΣ modulátoru - -bitový Č/A převodník ve zpětné vazbě.zaručuje linearitu LSB, v aplikaci v [.6] však vlivem integrace elektroniky přímo do magnetického obvodu neúměrně narostl šum

30 Obr. Digitální magnetometr sondy ASTRID-, z [.8].5. Metody kompenzace měřeného pole Měřené pole lze kompenzovat přímo snímací cívkou (pokud je orientována ve směru měřeného pole), nebo využitím samostatné kompenzační cívky. Z hlediska úspory materiálu a eliminace dalšího prvku s teplotní roztažností se většinou používá stejnosměrně oddělené snímací cívky (Obr. 0). Samostatná kompenzační cívka samozřejmě přináší výhodu v možnosti vytvoření více homogenního pole a snížení potřebného kompenzačního proudu. Při vektorovém měření s využitím ortogonálního tripletu senzorů vyvstává problematika vzájemného ovlivňování kompenzačními poli senzorů. Citlivost senzorů na vliv především kolmých polí určuje výslednou linearitu v jednotlivých osách magnetometru. Řešením, publikovaným v [.8], je vektorová kompenzace triplet senzorů je umístěn v sestavě tří soustředných sférických cívek (CSC Compact Spherical Coil, Obr. ) aproximovaných souosými závity na sférickém povrchu; tento princip umožňuje kompenzaci složek měřeného vektoru nezávisle na poloze senzorů uvnitř

31 Obr. individuální kompenzace senzorů v jednotlivých osách tripletu -[.9] Obr. Compact Spherical Coil. (Primdahl, Jensen 98) - [.8].6. Vybrané tovární výrobky a jejich parametry V následující tabulce jsou shrnuty parametry několika vybraných továrních výrobků. Jako referenční z hlediska dosažitelných parametrů jsou uvedeny též magnetometry, které byly navrženy pro orbitální mapování magnetického pole v sondách Oersted (s analogovou zpětnou vazbou) a Astrid- (s digitální zpětnou vazbou). Pro srovnání jsou uvedeny parametry magnetometru s AMR senzory a digitálním výstup Honeywell HMR00. Výrobce Označení Rozsah Nelinearita Šum Příkon [nt] [ppm FS] [pt/ Hz ] [W] Watson FGM-0 ± , Industries Stefan Mayer FL-00 ± ,9 Instr. Bartington MAG-0 ± ,5 Instruments Billingsley TFM 00 G ± ,4 Aerospace DTU ATRID- ± <50 DTU Oersted ± , Honeywell - AMR HMR-00 ± ,5 Tab

32 4. Konstrukce magnetometru 4.. Základní koncepce Koncepce magnetometru vyplývá z Obr. 4. Magnetometr je napájený z bloku akumulátorů (4x,V AA). Mikrokontrolér PIC 6F77 je napájen stále, s odběrem max μa v režimu sleep [.0]. Po vlastním zapnutí magnetometru je napájecí napětí přivedeno do budící části (kap. 4.4) a do elektroniky realizující referenční signály pro detekční obvod (kap. 4.5). Analogová, detekční část pracující v uzavřené zpětné vazbě, je napájena z DC/DC měniče 5V/ ±V, napětí je stabilizováno na ± 9,5V. To umožňuje získat výstupní napětí odpovídají jednotlivým složkám vektoru magnetické indukce s převodní konstantou cca 5V / 50 μt s dostatečnou rezervou (až do 8V, dále saturace). Multiplexer ovládaný uživatelem pak umožňuje na informativním 4,5 místném integračním voltmetru s LCD displejem a rozsahem ± 0V zobrazit hodnotu jednotlivých vektorových složek s přesností 0 nt. Obr. 4 - Blokové schéma magnetometru - 8 -

33 4.. PCB Fluxgate senzory Senzory vyrobené s technologií výroby plošných spojů (PCB) mají potenciál ve výhodě masové produkce, zjednodušeného technologického procesu (odpadá vinutí cívek) a v opakovatelnosti parametrů. Při dodržení určitých podmínek (materiál s minimální teplotní roztažností, vhodná tloušťka, vhodné uložení jádra v senzoru) lze dosáhnout i dobré časové stability citlivosti a offsetu. Realizované senzory byly publikovány např. v [.], [.]a [.4] Senzory IIA, IIB Na katedře měření ČVUT FEL byly realizovány PCB senzory II. generace s oválným jádrem race-track (typ IIA, IIB) -. Budící a snímací vinutí jsou realizovány měděnými spoji na vrchní a spodní vrstvě senzoru, vzájemně jsou propojeny technologií galvanovaných prokovů a vytváří tedy cívku s průřezem rovným výšce senzoru. Jádro ve tvaru oválu (race-track) je vyleptáno z 5μm tlustého materiálu VITROVAC 605X, a zalaminováno ve vyfrézovaném lůžku ve středové vrstvě (Obr. 5). Byly vyrobeny dva typy senzorů - typ IIA s prokládaným budícím a snímacím vinutím, a typ IIB s oddělenými vinutím - budící na koncích jádra a se snímacím vinutím uprostřed (Obr. 6 ). Důvodem bylo dosažení co největšího počtu závitů snímací cívky. Přehled jejich vlastností je v Tab... Exc. coil Pick-up coils PCB Plated holes Core Prepreg Obr. 5 z [.] Obr. 6 V rámci semestrálního projektu a semestrální práce [.5] pod vedením Ing. J. Kubíka, PhD. jsem realizoval magnetometr s pulsním buzením a senzory IIA a IIB. Přehled dosažených parametrů je v Tab

34 IIA N Budící 46 N Snímací 0 IIB N Budící 0 N Snímací 7 Nekompenzovaný režim Kompenzovaný režim Senzor Citlivost (V/T) Nelinearita (ppm z rozsahu) IIA IIB IIA IIB Tab. - Parametry magnetometru se senzory II. generace Z těchto měření, dále pak z [.] a aplikace senzorů a elektroniky v [.4] je možné učinit následující závěry:. Linearita senzoru a jeho offset závisí na rozložení budícího a snímacího vinutí. Z parametrů je zřejmá preference senzoru IIA.. Nízký počet závitů snímacího/kompenzačního vinutí způsobuje zvýšenou spotřebu senzoru v kompenzovaném režimu- preference senzoru IIB. II. generace senzorů tedy přináší dobrou linearitu a citlivost za cenu zvýšené spotřeby v kompenzovaném režimu (cca 40 ma/ 50 μt), i využití senzoru IIB přináší kromě horších parametrů i stále vysoké nároky na kompenzační proud (cca 0 ma / 50 μt). To přináší požadavek na integrátor magnetometru, který a) musí být schopen dodat daný proud b) musí být doplněn externím proudovým zesilovačem. Varianta b) však přináší další člen s offsetem a vlastním šumem, realizace diskrétními součástkami vnáší chybu linearity v oblasti nízkých měřených polí ([.]). Požadavky dobré linearity a zároveň nízké spotřeby vedou na konstrukci nového senzoru IIIA, který byl v rámci diplomové práce realizován Vývoj senzoru IIIA Snížení spotřeby senzoru v kompenzovaném režimu lze zvýšením konstanty kompenzačního vinutí KC, definované jako H M A m KC =, A m, ma I, C ma - 0 -

35 kde HM je kompenzované vnější pole a IC je proud nutný k jeho kompenzaci, pro senzor IIA byla určena jako 0,86 A.m - / ma. Uvažováním vztahu pro solenoid ( 0 ) je možné tuto konstantu zvýšit počtem závitů vinutí N. 5 Jednou z možností je v případě senzoru IIA snížení šířky spojů a větší zhuštění prokládaných kompenzačních a budících závitů (Obr. 7). Při dodržení 7. konstrukční třídy je možné dosáhnout zvýšení z 0 na 40 závitů. Další možností, která byla pro finální realizaci zvolena, je metoda dvojí laminace senzoru s využitím slepých prokovů. Vnitřní část se zalaminovaným jádrem (Obr. 9) obklopeným budícím vinutím je v druhé fázi zalaminována do vnějších vrstev (Obr. 9, Obr. Obr. 7 - Zvýšení hustoty spojů přináší zdvojnásobení počtu závitů 8), na kterých je realizováno budící vinutí. Při dodržení minimální tloušťky vrstev je možné zanedbat vliv vzduchové mezery u snímací cívky, která takto vznikne. Tento senzor byl vyroben firmou PRAGOBOARD, která zajistila i vyleptání oválných jader z dodané fólie amorfního Obr. 8 - Senzor IIIA s dvojí laminací - vnější vrstvy realizující snímací vinutí materiálu. Externí rozměry senzoru včetně děr pro uchycení byly z důvodu kompatibility a zaměnitelnosti ve stávajících aplikacích ponechány, tj. 5,5 x 4 mm. Počet závitů snímacího resp. kompenzačního vinutí bylo možné touto technologií při zachování 7. konstrukční třídy navýšit na N=68 (,4 x více). Počet závitů budícího vinutí byl z důvodu změny pouze jednoho parametru (pro komparativní měření) ponechán na N=46. Pro konstantu kompenzační cívky senzoru IIIA a proud Ic nutný ke kompenzaci pole 50 μt pak platí:,4 Kc Kc IIIA [A.m - /ma], IIA [ ] =, 66 5 Uvažovaná konstanta však bude se zvětšující se délkou solenoidu l klesat, takže nebude přesně úměrná N. - -

36 6 H 50 0 I C = [ma] 7 K,65 4π 0 M [ ] = 5 C Proud 5 ma je již akceptovatelný a realizovatelný většinou operačních zesilovačů, zmenšení výkonové ztráty se projeví i na menším teplotním driftu parametrů senzoru i vyhodnocovací elektroniky. Jeho hodnota byla experimentálně ověřena s hotovým senzorem a zpětnovazební elektronikou jako 4, ma pro 50 μt. Obr. 9 - Konstrukce senzoru IIIA. Vrstvy 4+5 tvoří snímací vinutí, + budící. Vzhledem k navýšení počtu závitů byly v Tab. porovnány parametry senzorů IIA a IIIA. Je zřejmý zřetelný nárůst odporu snímacího vinutí, způsobený především větším počtem prokovů s menším průměrem a tedy i efektivní plochou. Hodnota 4,9 Ω přímo určuje ohmické ztráty v kompenzačním režimu. Typ Vinutí Závitů Odpor IIIA Budící Ω IIIA Snímací Ω IIA Budící Ω IIA Snímací Ω Tab. Obr. 0 - senzor IIIA - -

37 4.. Návrh držáku senzorů V prostředí D CAD jsem navrhl držák senzoru dle Obr. o celkových rozměrech 40 x 60 mm. H-profil byl zvolen na základě požadavků na minimální geometrickou deformaci vlivem teplotní roztažnosti. Při ortogonálním umístění senzorů je nutné kromě dodržení vzájemné pravoúhlosti respektovat jejich vzájemné ovlivňování. Senzory pracují ve zpětné vazbě, snímacím vinutím protéká kompenzační proud a vytváří tedy magnetické pole, které není omezeno pouze na oblast senzoru. Minimalizace tohoto vlivu se dociluje vzájemnou kolmou orientací os jednotlivých solenoidů (resp. jejich jader), což je u ortogonálního rozmístění zajištěno. V literatuře se působení kolmých (parazitních) polí označuje jako cross-field effect. Z hlediska minimalizace vlivů parazitních toků je nutné zachovat osovou symetrii, tj. toky musí vstupovat do vinutí senzorů symetricky. U planárních senzorů je toho možné docílit jejich natočením = senzor Z je z tohoto důvodu umístěn kolmo, vodorovná poloha by způsobila nesymetrii projekce toku BX do prostoru vinutí senzoru Z. By Z Bx x Bz Obr. - Sestava držáku a senzorů X,Y,Z Obr. -Osy citlivosti resp.směr kompenzačního pole Bx, By, Bz (vždy v opačném směru) - -

38 Rozložení magnetické indukce generované kompenzačním vinutím senzoru X by bylo nutné přesně modelovat metodou FEM, pro jednoduché přiblížení však postačí model pro solenoid (podmínka minimálního průřezu je zde splněna), pokud budu uvažovat stav nasyceného jádra senzoru, tedy konstantní μ=μ0. 6 Pro indukci ve středu solenoidu platí ([.6]) : B = μ0in [ H. m, A,, m, m] l + 4r pro N = 68, l = mm a r = 0,9 mm a po dosazení za I = 4,6 ma (viz kap. 4..): 7 4 π 0 4, [ ] = 57 0 B, 0, ,0009 což je v dobrém souladu s hodnotou 50 μt, která je právě tímto proudem kompenzována. Model užiji dále pro výpočet BC ve vzdálenosti d=5mm od okraje solenoidu: x d x = l + d =, B C μ 0IN x x = l x + r x + r B C , ,06 0,05 8 = π 0,0 0,06 + 0,0009 0,05 + 0, Dominantní složka chyby způsobené kolmým polem Bc (s magnetometrem s pulsním buzením a senzory IIA stejné geometrické konstrukce) byla stanovena v lit. [.] jako: 5 Δs =,8 0 BC [%, μt] 6 Při uvažování vlivu feromagnetického jádra nastane rozdíl v menším poklesu indukce na koncích solenoidu, bude přibližně konstantní po celém jeho průřezu