научная статья по теме ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ RL-ГЕНЕРАТОРА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ RL-ГЕНЕРАТОРА»

s-sibsb.ru/images/articles/2014/1/2_9-12.pdf. (In Russian).].

5. Павленко А. А., Максименко Е. В., Чернышова Л. В. Дистанционное обнаружение следов октогена методом активного формирования спектральных изображений с использованием перестраиваемого СО2-лазера // Квантовая электроника. — 2014. — № 44 (4). — С. 383—386. [Pavlen-ko A. A., Maksimenko E. V., Cherny-

shova L. V. Remote detection of oc-togen trace quantities by a method of spectral images active formation using retuned CO2 laser // Quantum electronics — 2014. — № 44 (4). — С. 383—386. (In Russian).].

6. Максименко Е. В., Чернышова Л. В. Дистанционное обнаружение следовых количеств взрывчатых веществ методом активного формирования спектральных изображений // Юж-

но-Сибирский научный вестник. — 2014. — № 2. — С. 64—66. URL: http://s-sibsb.ru/images/articles/2014/ 2(6)/20_64-66.pdf. [Maksimenko E. V., Chernyshova L. V. Remote detection of explosives trace quantities by a method of spectral images active formation // South Siberian scientific reporter. — 2014. — № 2. — С. 64—66. URL: http://s-sibsb.ru/images/articles/2014/ 2(6)/20_64-66.pdf. (In Russian).].

УДК 621.317.44

ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА ОСНОВЕ RL-ГЕНЕРАТОРА

THE TRANSFER CHARACTERISTIC OF THE MAGNETIC FIELD SENSOR

BASED ON RL-GENERATOR

Трушин Сергей Александрович

канд. физ.-мат. наук, начальник отдела Е-mail: sTrushin@niiis.nnov.ru

Кузьмин Сергей Сергеевич

инженер-исследователь 2 категории Е-mail: KuzminSS.nn@yandex.ru

Прохоров Валерий Степанович

вед. инженер-исследователь

Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю. Е. Седакова, Нижний Новгород

Аннотация: Получены зависимости выходного сигнала датчика магнитного поля на основе RL-генератора от магнитных свойств и конструктивных параметров магнитопровода и чувствительного элемента, а также параметров схемы измерения. Приведены результаты расчета и экспериментальных исследований передаточной характеристики датчика. Ключевые слова: датчик магнитного поля, RL-генератор, маг-нитопровод, петля гистерезиса, индукция магнитного поля, передаточная характеристика, коэффициент преобразования, коэффициент нелинейности.

ВВЕДЕНИЕ

Магнитометрические датчики широко применяются в различных областях современной науки и техники. Поэтому определение путей улучшение технических характеристик магнитометрических приборов и систем, а также разработка новых типов датчиков магнитного поля являются весьма актуальными задачами.

Trushin Sergey A.

Ph. D. (Phys. Math.), Head of Department Е-mail: sTrushin@niiis.nnov.ru

Kuzmin Sergey S.

Second Rank Research Engineer

Е-mail: KuzminSS.nn@yandex.ru

Prokhorov V. S.

Leading Research Engineer

Scientific research Institute of measuring systems a. n. Yu. Ye. Sedakov, Nizhny Novgorod city

Abstract: Dependences of output signal of the magnetic field sensor based on RL-generator from magnetic and design properties of the magnetowire, sensitive element and parameters of the measurement scheme are defined. Results of calculation and experimental researches of the transfer characteristic of magnetic field sensor are presented.

Keywords: magnetic field sensor, RL-generator, magnetowire, hysteresis loop, magnetic field induction, transfer characteristic, transformation factor, nonlinearity factor.

Один из типов магнитометров — векторный магнитометр индукционного типа, построенный на основе RL-генератора [1]. Его можно отнести к малогабаритным магнитометрам, обладающих в сравнении, например, с датчиками Холла, высокими пороговой чувствительностью и разрешающей способностью (порядка 10... 100 нТл) при измерении слабых магнитных полей в диапазоне

Датчики и Системы • № 8.2015

37

выхода вентиля создает в ЛХ-цепочке ток, который от нулевого стремится к некоторому значению /0 (рис. 2, а). При Л + = Л ток /0 = и^/Л. Закон нарастания тока в ЛХ-контуре в этом случае

имеет в вид [2] / = /)

1 - е

Рис. 1. Схема измерительного канала датчика на основе ¿¿.-генератора

±200 000 нТл. На его основе могут быть реализованы приборы, использующие информацию о магнитном поле Земли, например, высокоточный измеритель магнитного азимута, или приборы для исследования распределения магнитного поля различных объектов, намагниченных полем Земли.

СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА

Схема измерительного канала датчика на основе ЛХ-генератора приведена на рис. 1.

Индуктивность Х (соленоид) с сердечником (магнитопроводом) выполняет функцию чувствительного элемента (ЧЭ).

Работу ЛХ-генератора иллюстрируют графики рис. 2.

При логическом "0" на управляющем входе ВходуПр вентиля его выходной нулевой потенциал поступает на ЛХ-цепочку. Индуктивность Х замкнута через резисторы Л}, Л на общую шину, выход триггера Шмидта находится в состоянии логической "1" (ивых = Ц}), которая по цепи обратной связи поступает на второй вход вентиля.

Когда на Входупр поступает логическая "1", разрешая работу генератора, высокий потенциал с

Входной компаратор триггера Шмидта ограничивает процесс нарастания тока. По достижении током значения /с1 (за время Д^) падение напряжения на резисторе Л2, равное /^2, достигает верхнего порога срабатывания компаратора, выходной сигнал триггера инвертируется, принимая уровень логического "0", и по цепи обратной связи через цифровой вентиль подается на ЛХ-це-почку. Напряжение и становится равным Ц), процесс роста тока прекращается. Запасенная в индуктивности энергия поддерживает переходной

процесс, и ток спадает по закону / = /) е до значения /с2 (за время Д?2). Падение напряжения на резисторе Л достигает нижнего порога срабатывания. Происходит обратное срабатывание компаратора. Напряжение, приложенное к ЛХ-це-почке, снова становится равным Ц[, процесс спада тока прерывается и возникает колебательный процесс (рис. 2, б) с периодом Т = Д?1 + Д?2, где Д?! и Д?2 определяются из выражений для токов.

Для использования ЛХ-генератора в качестве датчика магнитного поля необходимо, чтобы индуктивность катушки Х менялась под воздействием магнитного поля. Для этого в катушку введен сердечник, магнитная проницаемость которого ц зависит от напряженности магнитного поля, воз-

Рис. 2. Зависимость тока в ¿¿-цепочке (а) и напряжения на входе компаратора ¿¿-генератора (б)

38

вепвогв & Эувгетв • № 8.2015

Г И — Рабочая область

Шш

НА Н

Рис. 3. Зависимость магнитной проницаемости сердечника от магнитного поля

действующего на материал сердечника, как показано на рис. 3.

В свою очередь индуктивность катушки определяется как [2]:

Х = ц(Н )^21,

■л-7

(1)

где цо = 4п -10 Гн/м — магнитная постоянная; ц — магнитная проницаемость магнитопровода; N ^ и I — число витков, площадь сечения (м ) и длина (м) катушки соответственно.

При условии, что ц сердечника линейно зависит от Н (рабочая область на рис. 3), постоянная времени ЛХ-генератора т(Н) = Х(Н)/Л будет также линейно зависеть от приложенного магнитного поля.

Тогда, согласно (1), зависимость Х(/) ЧЭ будет иметь вид, аналогичный графику рис. 3. Ку-

сочно-линейная аппроксимация зависимости Х(/) показана на рис. 4, а. Здесь Х) — индуктивность катушки без магнитопровода, Х — приращение индуктивности, обусловленное наличием магни-топровода, /с1 и /с2 — уровни срабатывания компаратора, /к1 и /к2 — начальное и конечное значение тока, при которых происходит изменение магнитной проницаемости, /0 — нулевой уровень тока, определяемый сопротивлением Л и приложенным к цепочке напряжением и.

Пусть Д = /к2 — /к1, а к = Х/Д. Процессы нарастания и спадания тока будут разбиваться на три части (рис. 4, а) с уровнями тока /к1 и /к2. Период Т в этом случае состоит из шести промежутков времени, соответствующих шести стадиям (рис. 4, б) и равен их сумме: Т = Д^ + Д?2 + Д?з + + Д?4 + Д?5 + Д?6. Вклад в изменение периода Т при воздействии магнитного поля, согласно модели рис. 3, а, будут давать только слагаемые Д?2 и Д?5, соответствующие участку {/к1, Т^} токовой зависимости.

В промежутке времени Д?1 к цепочке приложено внешнее напряжение Ц (см. рис. 2, б), а полная индуктивность равна Х + Х). Вкладом в индуктивность, связанную с наличием магнито-провода, который находится в насыщенном состоянии (ц ~ 1), пренебрегаем в сравнении с Х) (индуктивность катушки без магнитопровода) и Х (индуктивность катушки с сердечником в ненасыщенном состоянии).

. J___

Лс1 Лшт 2 /С1 /о г"

А?1 Д?2 Л*3 Д?5

. т

а)

б)

Рис. 4. Кусочно-ломанная аппроксимация зависимости £(г) (а) и стадии нарастания и спада тока в ¿¿-цепи (б) - Датчики и Системы • № 8.2015 -

После подстановки соответствующих значений получим уравнение для Д^:

С учетом (4), (5) выражение (3) можно записать в виде:

Д*1 = J

L + L

U - IR

0 di =

L + L0 i„ I0 - Ic2

R

■ ln

I0 - Ik1

(2)

T(I) = L ln

-c 1 --0 - 0 2 VIc2 I0 - Icl

+ 0-0(0) ln R

0o 2 I0 - -c 2

VIc2 °0 - ^к2

+

0 R

Ik

ik1 ln7° + (I0 - IKl)ln

I

k1

I0 - 0 0 I0 - °k1

(3)

где Lср(I) =

1

Icl - I

Ic1 - Ic2 /с2 -1

J L(i)di — среднее на про-

межутке, ограниченном токами /с1 и /с2, значение индуктивности ЧЭ при наличии магнитопровода.

В (3) первое и третье слагаемые являются постоянными величинами и не зависят от внешнего магнитного поля. Поэтому введем обозначение:

T0 = Rln

0л I0 - 0 2

VIc2 I0 - Ic1

+

R

I

IKllnТ° + (I0 - IKl)ln

I

k1

I0 - Ik 0 I0 - Ik1

(4)

Id -1

В выражении для Lср интеграл | L(i)di с

1с2 -1

учетом (1) и выражения для напряженности поля (без учета краевых эффектов), создаваемой протекающим в соленоиде током, можно представить как:

/с1 -1 Н,,1 - н

I L(i)di = ц0Л« I ц(H)dH. (5)

/с2 - 1 Нс2 - Н

В (5) значения Нс1 и Нс2 соответствуют значениям /с1 и 1с2 и определяют границы рабочей области зависимости ц(Н) (рис. 3), а с учетом того, что ц = dB/dH, интеграл |ц(Н)dH определяет величину индукции измеряемого магнитного поля.

T(H) = To +

f

ln

Рассуждая аналогичным образом можно найти выражения для всех остальных интервалов At и, суммируя их, получить выражение для периода Т:

R(Icl - Ic2)

Hc1 - H

J ц(Н )dH.

Ij0 I0 - Ic 0 VIc2 I0 - Ik2 у

(6)

Hc2 - H

Выражение (6) — есть передаточная характеристика

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.

Показать целиком