Полученная вероятность безотказной работы (ВБР) емкостного датчика давления с цифровым выходом составила 0,955. По ТЗ ВБР должна быть не менее 0,95 в течение 10 лет (87 600 ч).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанные алгоритм и методика были использованы на предприятии ОАО "НИИФИ"
при разработке емкостного датчика давления ДАЕ-002, что позволило на ранних этапах разработки оптимизировать схемно-конструкторские решения по необходимому минимуму коэффициентов запаса прочности элементов конструкции датчиков давления с цифровым выходом и обеспечить требования ТЗ по механической надежности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Осадчий Е. П. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е. П. Осадчего. — Москва: Машиностроение, 1979 г.
2. Фролов М. А. Математическая модель емкостного датчика абсолютного давления // Надежность и качество. — 2014. — С. 213—216.
3. Мусаев Р. Ш., Фролов М. А., Трофимов. А. А. Имитационное моделирование чувствительного элемента датчика давления струнного типа // Датчики и системы. — 2014. — № 7. — С. 22—25.
УДК 537.622.4;53.082.78
ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ДАТЧИК СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПЛЕНОЧНОМ ЖИГ-РЕЗОНАТОРЕ
THE TWO-COMPONENT SENSOR OF MAGNETIC FIELDS ON YIG FILM RESONATOR
Хвалин Александр Львович
канд. техн. наук, доцент E-mail: Khvalin63@mail.ru
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
Аннотация: Представлена конструкция магнитометрического датчика для одновременного определения величины и направления вектора индукции магнитного поля Земли либо магнитного поля, создаваемого ферромагнитным объектом. Подобные устройства могут применяться при диагностике и обнаружении ферросодержащих тел, навигации по магнитному полю Земли.
Ключевые слова: датчик магнитного поля, железо-иттриевый гранат, магнитоуправляемый генератор, магнитное поле Земли, магнитометр.
Khvalin Alexander L.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: Khvalin63@mail.ru
Saratov State University, Saratov city
Abstract: The design of the magnetometric sensor is presented in article for simultaneous determination of size and the direction of a vector of induction of a magnetic field of Earth, or the magnetic field created by ferromagnetic object. Similar devices can be used at diagnostics and detection the ferrite bodies, navigation on a magnetic field of Earth.
Keywords: sensor of a magnetic field, yttrium iron garnet, generator ruled by a magnetic field, magnetic field of Earth, magnetometer.
ВВЕДЕНИЕ
Датчики слабых магнитных полей известны давно и широко применяются в технике для решения задач навигации по магнитному полю Земли, поиска ферросодержащих тел и т. д. Актуальными являются вопросы повышения чувствительности к магнитному полю и созда-
ние конструкций векторных магнитометров с улучшенными масс-габаритными характеристиками. В статье представлена конструкция двухкомпонентно-го магнитометра с относительно небольшой магнитной системой, использующая свойства полосовых доменных структур в ферритовых пленках.
В [1] представлены результаты информационного поиска по современным векторным магнитометрам. Наиболее точные векторные магнитометры на основе феррозондовых и индукционных датчиков имеют чувствительность к магнитному полю порядка 10-11...10-10 Тл [1]. При использовании трех одинаковых датчиков направление
вектора измеряемого магнитного поля определяется путем поворота оси магнитометра и достижения равенства сигналов от всех датчиков. Такие магнитометры имеют весьма большие размеры (более 2 см3), значительную сложность механической и измерительной систем и требуют работы идентичных датчиков, что трудно осуществить на практике.
Конструкция векторного магнитометра на основе одного датчика магнитного поля требует выполнения магнитного пеленга, т. е. проведения ряда измерений с одновременными перемещениями магнитометра. Подобные магнитометры сложны при практической реализации и не позволяют достоверно определять направление вектора магнитного поля при наличии локальных возмущений, магнитных помех, а также неприменимы для определения местонахождения протяженных объектов, нескольких объектов, при поиске движущихся объектов и т. д.
Представленный в настоящей статье магнитометрический датчик (магнитометр) для определения двух компонент вектора индукции магнитного поля Земли либо магнитного поля, создаваемого ферромагнитным объектом, лишен указанных выше недостатков и выполнен на
основе базового однокомпо-нентного датчика, выходная частота которого управляется внешним постоянным магнитным полем [1—5]. В датчике использованы монолитные арсенид-гал-лиевые ^аА8) технологии на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки ПТШ-300.
МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Техническое исполнение магнитометрического датчика основано на использовании генератора, управляемого магнитным полем (ГУМ), с частотным выходом. Более подробно конструкция, компьютерное моделирование режимов генерации и экспериментальные исследования представлены в работах [2—5]. Однокомпонентный магнитометрический датчик имеет в своем составе: генератор на полевом или биполярном транзисторе с активным элементом и линией обратной связи; резонатор из железо-иттриевого граната (ЖИГ) в качестве часто -тозадающего элемента, помещенный в линию обратной связи генератора; частотомер, вход которого соединен с выходом генератора; плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в ЭВМ. ЭВМ предназначена для обработки результатов измерений и вычисления соответству-
Рис. 1. Кристалл ОаЛ с ГУМ в оснастке (пленочный ЖИГ-резонатор не установлен)
ющей компоненты магнитного поля.
Теоретическое значение крутизны перестройки частоты ГУМ от индукции магнитного поля определяется гиромагнитным отношением и составляет 28 Гц/нТл. Достигнутые на практике значения по чувствительности к магнитному полю [6] показаны в таблице. Абсолютное значение чувствительности такого датчика при величине измеряемого магнитного поля 50 мТл, составляет 1,5 нТл.
В базовой конструкции магнитометра [2—5] используется монодоменный режим работы ЖИГ-резонатора, создаваемый с помощью магнитной системы в виде постоянного магнита. Генератор работает на частоте ферромагнитного резонанса, зависящей от намагниченности резонатора, поля магнитной системы и внешнего поля, представляющего собой магнитное поле Земли, ферромагнитного объекта и пр. Внешний вид кристалла GaAs с размерами 1x1,5 мм, на котором выполнен генератор на основе пленочного ЖИГ-резонатора, показан на рис. 1. Типичная зависимость выходной частоты маг-
Оценка чувствительности датчика магнитного поля
Наименование параметра Достигнутые значения
Чувствительность по магнитной индукции Земли в трех перпендикулярных плоскостях, МГц/мТл 21,8±2,2 21,8 ± 2,2 21,0 ± 2,1
Чувствительность по угловым координатам в трех перпендикулярных плоскостях, кГц/град 3,52 ± 0,07 10,55 ± 0,21 10,71 ± 0,22
34
вепвогв & Эувгетв • № 6.2015
f, МГц
1081 1080,5 1080 1079,5 1079 1078,5 1078 ►
ч
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Ф, град
Рис. 2. Зависимость частоты генерации ГУМ от угла поворота в горизонтальной плоскости в магнитном поле Земли
нитометра от величины управляющего постоянного внешнего магнитного поля представлена на рис. 2.
КОНСТРУКЦИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНОГО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ЖИГ-РЕЗОНАТОРА
Цель настоящего исследования заключается в разработке простой конструкции магнитометрического датчика на основе базовой конструкции одноком-понентного датчика [7] для одновременного определения величины и направления вектора индукции магнитного поля Земли либо магнитного поля, создаваемого ферромагнитным объектом. Традиционные подходы к решению подобных задач представлены выше и имеют ряд недостатков.
Предложенная в настоящей статье конструкция магнитометра использует свойства полосовых доменных структур (ПДС) в ферромагнитных пленках с кристаллографическими индексами [111], позволяющими периодически изменять ориентацию вектора намагниченности
в ЖИГ-пленке на 120°. Именно возможность изменения направления вектора намагниченности в пленочном ЖИГ-ре-зонаторе позволяет упростить конструкцию, методики определения полного вектора магнитного поля и определить направление вектора внешнего магнитного поля.
В основе работы магнитометра использованы свойства полосовых доменных структур [8, 9] в ЖИГ-пленках. Как известно, ЖИГ пленки с кристаллографическими индексами [111] имеют три оси легкого намагничивания (ОЛН), углы между которыми в плоскости пленки равны 120° [10]. При наличии внешнего постоянного магнитного поля, направленного вдоль одной из ОЛН, доменная структура изменяется, и с увеличением индукции магнитного поля все полосовые домены выстраиваются в направлении ОЛН. Таким образом, если включать внешнее магнитное поле сначала с помощью катушки индуктивности, расположенной вблизи дискового ЖИГ-ре-зонатора (ДР) в направлении одной ОЛН, а затем в направле-
нии другой ОЛН, то соответствующие ПДС в ДР будут отличаться только направлением, как показано на рис. 3.
На рис. 3 показана магнитная система магнитометра, имеющая две катушки индуктивности и дисковый резонатор. Как показано на рисунке, можно изменять направление ПДС в дисковом резонаторе с помощью поочередного включения тока в катушках индуктивности и ¿2, расположенных относительно ДР таким образом, что угол с вершиной в геометрическом центре ДР и сторонами, направленными по осям симметрии катушек индуктивности, составляет 120°. Возможные направления ориентации ПДС показаны на рис. 3 двумя видами штриховки. Методы расчета подобных структур представлены в ряде работ, например [10—12].
Магнитометр (рис. 4) включает генератор 1 с линией обратной связи, содержащей резонатор 2 на основе железо-иттрие-вого граната в качестве часто-тозадающего элемента, частотомер 3, вход которого соединен с выходом генератора 1, блок вычисления 4, плату сопряжения 5
уТ^В 2
/ х
Щ VBo rn
■щц
Рис. 3. Формирование в дисковом резо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.