МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНСТРУКЦИИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНСТРУКЦИИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Научная статья

Зикратов И.А.¹, Шахсуварова И.В.^{2, *}

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им.проф. М.А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (shahsuvarova.ilona[at]mail.ru)

Аннотация

Показана актуальность разработки помехозащищенных датчиков магнитного поля с частотным выходом и соответствующих им измерительных систем. Определена важность исследований, обусловленная как гражданскими, так и оборонными задачами. Предложен помехозащищенный датчик магнитного поля на основе оригинального преобразователя сопротивления в частоту, построенного на принципах функциональной электроники и сопряженного с ним магниторезистора. Выявлены преимущества предложенного метода измерений, датчика и соответствующей измерительной системы. Отмечены практические задачи, пригодные для решения с помощью разработанного датчика.

Ключевые слова: датчик, конструкции, измерительные системы, сопротивление, магнитное поле.

MODELING OF THE MEASUREMENT CHARACTERISTICS AND DESIGN OF A NOISE-PROOF MAGNETIC FIELD SENSOR

Research article

Zikratov I.A.¹, Shakhsuvarova I.V.^{2, *}

Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (shahsuvarova.ilona[at]mail.ru)

Abstract

The current study demonstrates the relevance of the development of noise-proof magnetic field sensors with frequency output and their corresponding measuring systems. The importance of research is determined due to both civil and defense tasks. The authors propose a noise-proof magnetic field sensor based on an original resistance-to-frequency converter based on the principles of functional electronics and an associated magnetoresistor. The study also identifies the advantages of the proposed measurement method, the sensor and the corresponding measuring system. Practical tasks suitable for solving with the help of the developed sensor are noted.

Keywords: sensor, structures, measuring systems, resistance, magnetic field. Введение

Помехозащищенность измерительных систем (ИС) всегда представляла особую важность и имела существенное значение, что обусловлено необходимостью получения достоверной информации об измеряемых физических величинах и параметров контролируемых объектов. Особенное значение помехозащищенность измерительных систем и ее обеспечение приобретает в настоящее время и в будущем, поскольку становятся чрезвычайно высоки уровень автоматизации и насыщенность физических систем электроникой и электронной аппаратурой контроля, которой присущи широкий спектр электромагнитных излучений и создаваемых ими электромагнитных помех для информационных измерительных сигналов и каналов.

В качестве примеров можно привести следующие ситуации, когда необходим контроль и измерение физических параметров в условиях высокого уровня электромагнитных помех на протяженных территориях электрических подстанций или на значительных по величине площадях сельскохозяйственных теплиц; когда необходим удаленный контроль и измерение физических величин (температуры, освещенности, влажности) в агрессивных и токсичных сферах, опасных для здоровья человека; когда необходимы точные измерения параметров физических полей морских надводных судов, подводных лодок и соответствующих надводных и подводных автономных необитаемых аппаратов, являющихся в целом морскими техническими объектами.

В настоящее время выявлено более тридцати физических полей, формируемых в пространстве перечисленных выше плавающих средств, но степень использования этих полей в измерительных системах и их физических параметров неодинакова. Наиболее широкое применение нашли следующие физические поля: акустическое, тепловое, гидродинамическое, электромагнитное, магнитное, электрическое. В рамках настоящей работы для нас наиболее интересным является внешнее магнитное поле (ВМП) морского технического объекта.

Актуальность этой тематики, – измерения и контроля параметров внешнего магнитного поля, – определяется как навигационными проблемами, проблемами электромагнитной совместимости и магнитной экологии, так и задачами национальной обороны, поскольку ВМП широко используют в неконтактных системах морского оружия. Соответственно, особую актуальность приобретает разработка и создание датчиков магнитного поля с высоким уровнем помехозащищенности их информационных электрических сигналов и создание на их основе помехозащищенных измерительных систем магнитных полей. Это подразумевает разработку и создание новой метрологической базы на основе оригинальных физических способов, методов и средств измерений параметров магнитного поля морских технических объектов.

Методы и принципы исследования

Исторически так сложилось, что измерительные системы строились исключительно на традиционных аналоговых датчиках, обладающих простым аналоговым сигналом, когда величина амплитуды сигнала пропорциональна значению измеряемой величины. Большинство датчиков были аналоговыми и соответствующая аппаратура измерительных систем была аналоговая. Такая ситуация сохранялась приблизительно до середины 60-х годов прошлого века, когда постепенно в управлении стали использоваться электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Тогда это были крупногабаритные вычислительные комплексы, занимавшие большие площади, однако в условиях крупных предприятий, например, химического профиля или решающего крупные оборонные задачи, применение ЭВМ в управлении технологическими процессами значительно повышало эффективность всех производств.

Но сопряжение аналоговых датчиков с ЭВМ потребовало разработки электронных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые сначала выполнялись на вакуумных электронных лампах, а затем на транзисторах и, далее, на микросхемах, что потребовало развития микроэлектронных технологий и интегральной микроэлектроники. Этот путь развития измерительных систем, аналоговый датчик – АЦП и так далее, стал доминирующим в мире и сейчас его можно называть традиционным. Этот путь требует развития высоких технологий микро-, а теперь уже и наноэлектроники, что доступно далеко не всем странам. В то же время, острая потребность использования цифровых систем управления, например, в оборонной (ракетостроение, военно-морской флот) и космической отраслях на фоне отсутствия высоких электронных технологий привело к разработке специфических чувствительных элементов с частотным выходом. Первая отечественная монография, обобщающая результаты исследований, изложенных в журнальных публикациях, появилась уже к середине 60-х годов [1].

Поскольку весь мир сориентировался на высокие технологии микроэлектроники, ориентированной на преобразование аналоговых сигналов датчиков в цифровые сигналы, то датчики с частотным выходом относительно широкого распространения не получили. Однако достоинства частотных датчиков от этого не исчезли, что и привело к образованию в конце прошлого века международного объединения разработчиков – InternationalFrequencySensorAssociation (IFSA, sensorsportal.com).

В недавнее время опубликованы работы [2], [3], [5], 6], посвященные частотным датчикам различного назначения, в которых обсуждаются как задачи разработки, так и преимущества частотных датчиков. Частотный сигнал, в значении частоты которого заключена информация об измеряемой величине, уже является цифровым сигналом, что значительно упрощает его преобразование в кодированный цифровой сигнал. Основными преимуществами рассматриваемых функциональных частотных датчиков являются следующие: в основе лежит не электронная схема, а физический эффект и за счет его свойств происходит прямое преобразование аналогового сигнала в частотный цифровой сигнал; высокая помехозащищенность - исказить частотный сигнал при передаче по длинной проводной линии практически невозможно; если амплитуда частотного сигнала достаточно велика, что часто так и бывает, то его не нужно предварительно усиливать; частотный сигнал без помех передается по проводной линии на несколько километров.

В работах [2], [6] можно получить сведения об оригинальном преобразователе сопротивления в частоту (RF-преобразователь), построенном с использованием физического осциллисторного эффекта и лишенного каких-либо электронных схем в своем составе. Диапазон входного сопротивления преобразователя лежит в интервале

DR= 0 – 100 Ом

(1)

а передаточная характеристика преобразователя линейная и описывается выражением

Fc(R) = a + bR ,

(2)

где a=285796; b = –1193, Fc – значение частоты на выходе RF-преобразователя. Если в качестве R использовать магниторезистор с характеристикой R(B), где B – магнитная индукция, то в сочетании магниторезистора и RF-преобразователя получим датчик магнитного поля с частотным цифровым выходом.

Основные результаты

В качестве магниторезистора воспользуемся известным отечественным полупроводниковым прибором CМ4-1, обладающим, наряду с малыми габаритами 0,35х1,5х4.0 мм, целым рядом практических достоинств [7], [8]. Его сопротивление меняется в 3,3 раза при B=0,5 Тл, обладает малой термочувствительностью в широком диапазоне температур от –60 до +85 °С не более (–0,15 и –0,55%)/°С по краям диапазона [7], [8]. Сохраняет устойчивую работоспособность в указанном интервале температур T и при их резкой перемене, при влажности до 98% при температуре T=35°С; при атмосферном давлении от 10^–4 до 10⁵ Па; повышенном давлении воздуха (до 3×10⁵ Па). Выдерживает вибрацию в диапазоне частот от 1 Гц до 5 кГц с ускорением до 40g; многократные удары с ускорением до 150g и одиночные с ускорением до 1000g; линейные нагрузки с ускорением до 150g; акустические шумы в диапазоне частот от 50Гц до 10 кГц с уровнем звукового давления до 150 дБ [7], [8]. Как у всех магниторезисторов, изготовленных из полупроводникового сплава InSb–NiSb, легированного теллуром, зависимость магниторезистора СМ4-1 от магнитной индукции в диапазоне индукций от 0 до 0,3 Тл квадратичная, а при индукции более 0,3 Тл – линейная [7], [8].

Выберем магниторезистор СМ4-1 с сопротивлением 47 Ом в отсутствие магнитного поля с измерительной характеристикой R(B) в диапазоне B = 0 – 0,8 Тл и значениями R = 47 – 260 Ом, характеристика представлена в работе [7]. Для моделирования характеристик частотного датчика магнитного поля воспользуемся двумя магниторезисторами СМ4-1, соединенными параллельно для более полного выполнения условия (1).

Рис. 1 – Электронная таблица данных из пакета Origin

Удобным программным средством для моделирования и расчетов различных характеристик является программный пакет Origin производства компании OriginLab (США). На рис. 1 представлена электронная таблица (datasheet) из пакета Origin с данными для моделирования характеристик частотного датчика магнитного поля.

На рис.1 в колонке В введены значения магнитной индукции в теслах, в колонке Rсм41 введены соответствующие значениям магнитной индукции В значения сопротивления магниторезистора СМ4-1, взятые из работы [7]. В колонке R введены значения результирующего параллельного сопротивления двух магниторезисторов СМ4-1, которые подставляются в выражение (2) для передаточной характеристики RF-преобразователя и соответствующие вычисления дают значения частоты на выходе RF-преобразователя в колонке Fc электронной таблицы на рис.1.

Обозначим два соединенных параллельно магниторезистора СМ4-1 как магниторезистивный чувствительный элемент (МЧЭ). На рис.2 представлена измерительная характеристика R(B) МЧЭ и полученная на ее основе с помощью RF-преобразователя измерительная характеристика датчика магнитного поля с частотным выходом Fc(R).

Рис. 2 – Измерительные характеристики МЧЭ (1) и датчика магнитного поля с частотным выходом (2)

В слабых магнитных полях (до 0,3 Тл) в соответствии с литературными данными [7], [8] зависимость R(B) магниторезистора СМ4-1 квадратичная, а в более сильных полях эта зависимость линейная.

Модельный анализ в пакете Origin показал, что в диапазоне магнитного поля до 0,3 Тл зависимость R(B) для магниторезистора СМ4-1 определяется выражением

R(B) = 47+21,172×B+436,63×B2 ,

(3)

а в полях более 0,3 Тл зависимость R(B) определяется выражением

R(B) = –12+340×B

(4)

Такой же анализ в пакете Origin показал, что в диапазоне магнитного поля до 0,3 Тл для МЧЭ зависимость R(B) (рис.2, кривая 1) определяется выражением

R(B) = 23,5+10,586×B+218,315×B2 ,

(5)

а в полях более 0,3 Тл зависимость R(B) (рис.2, кривая 2) определяется выражением

R(B) = –6+170×B

(6)

Видно, что значения числовых коэффициентов в выражениях (3) и (5) и (4) и (6) соотносятся друг с другом в соответствии с правилом расчета результирующего значения сопротивления параллельного соединения двух одинаковых резисторов.

Анализ измерительной характеристики смоделированного частотного датчика магнитного поля показывает, что в диапазоне менее 0,3 Тл измерительная характеристика нелинейная, а в диапазоне 0,3 – 0,6 Тл выполняется линейная зависимость Fc(B), при этом датчик имеет высокую чувствительность dFc/dB = 202 кГц/Тл.

Конструкция разработанного частотного датчика магнитного поля предусматривает размещение на держателе МЧЭ из двух параллельно соединенных магниторезисторов СМ4-1 и проводное соединение МЧЭ с RF-преобразователем. Причем, как показано в схожих экспериментах с RF-преобразователем в работе [4], проводная линия может достигать длины более 20 метров, по-видимому, длина линии может быть и больше. Также в [4] показаны три типа линии, не влияющие на результат измерений: экранированный провод, простая двухпроводная и линия с одним проводом и заземлением.

Заключение

Преимущества разработанного частотного датчика заключаются в измерении магнитной индукции посредством прямого преобразования сопротивления магниторезистора в частоту переменного сигнала за счет свойств физического эффекта и построенного на его основе RF-преобразователя. Частотный сигнал можно без влияния помех передавать по проводной линии в регистрирующий компьютер.

Разработанный метод измерения и датчик магнитного поля с частотным выходом пригодны для решения практических задач: по электромагнитной совместимости различного оборудования, чувствительного к внешнему магнитному полю; при разработке защиты от отрицательного воздействия внешнего магнитного поля на окружающую среду; при создании магнитометрических испытательных стендов для контроля параметров магнитного поля морских технических средств, к которым предъявляются требования по снижению уровня их магнитного поля.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Милохин Н.Т. Частотные датчики систем автоконтроля и управления / Н.Т. Милохин. М., Энергия, 1968 г. – 128 с.
2. Дробот П.Н. Осциллисторные сенсоры с частотным выходом / П.Н. Дробот и др. // Южно-Сибирский научный вестник. 2012. №1 . С. 120 – 123.
3. Осадчук В. С. Методы построения микроэлектронных радиоизмерительных преобразователей с частотным принципом работы / В. С. Осадчук, А. В. Осадчук // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2004. № 3. С. 26–33.
4. Дробот П.Н. Осциллисторный датчик перемещения с частотным выходом / П.Н. Дробот и др. //Вестник Новгородского государственного университета. 2020. № 2 (118). С. 13-15.
5. Дробот П.Н. Осциллисторные датчики различных величин для условий повышенного уровня электромагнитных помех / П.Н. Дробот, А.Д. Трушин // Проблемы электроэнергетики и телекоммуникаций Севера России - 2020. Сборник статей I Всероссийской с международным участием научно-практической онлайн-конференции. 2020. С. 298-301.
6. Drobot, P. N. Oscillistor RF-converter resistance to frequency / P. N. Drobot // 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). DOI:10.1109/apeie.2016.7807032
7. Бараночников М. Л. Магниторезисторы / М. Л. Бараночников // Радио, № 7, – с. 42; № 8, – с. 45–46; № 9, – с. 41–42, 1994.
8. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника / М. Л. Бараночников. Т. 1. – М: ДМК Пресс, 2001. – 544 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Milohin N.T. Chastotnye datchiki sistem avtokontrolja i upravlenija [Frequency Sensors of Auto-Monitoring and Control Systems] / N.T. Milohin. - M., Jenergija, 1968 g. – p. 128 [in Russian]
2. Drobot P.N. et al. Oscillistornye sensory s chastotnym vyhodom [Oscillistor Sensors With Frequency Output] / N. Drobot et al. // Juzhno-Sibirskij nauchnyj vestnik [South Siberian Scientific Bulletin]. 2012. №1 . pp. 120 – 123. [in Russian]
3. Osadchuk V. S. Metody postroenija mikrojelektronnyh radioizmeritel'nyh preobrazovatelej s chastotnym principom raboty [Methods of Constructing Microelectronic Radio Measuring Converters With a Frequency Principle of Operation] / S. Osadchuk, A. V. Osadchuk // Tehnologija i konstruirovanie v jelektronnoj apparature [Technology and Design in Electronic Equipment]. 2004. № 3. pp. 26–33. [in Russian]
4. Drobot P.N. Oscillistornyj datchik peremeshhenija s chastotnym vyhodom [Oscillistor Displacement Sensor With Frequency Output] / P.N. Drobot et al. // Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Novgorod State University]. 2020. № 2 (118). pp. 13-15. [in Russian]
5. Drobot P.N. Oscillistornye datchiki razlichnyh velichin dlja uslovij povyshennogo urovnja jelektromagnitnyh pomeh [Oscillistor Sensors of Various Sizes for Conditions of Increased Electromagnetic Interference] / P.N. Drobot, A.D. Trushin // Problemy jelektrojenergetiki i telekommunikacij Severa Rossii - 2020. Sbornik statej I Vserossijskoj s mezhdunarodnym uchastiem nauchno-prakticheskoj onlajn-konferencii [Problems of Electric Power and Telecommunications in the North of Russia. Collection of Articles of the First All-Russian Scientific and Practical Online Conference With International Participation]. 2020. pp. 298-301. [in Russian]
6. Drobot, P. N. Oscillistor RF-converter resistance to frequency / P. N. Drobot // 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). DOI:10.1109/apeie.2016.7807032
7. Baranochnikov M. L. Magnitorezistory [Magnetoresistors] / M. L. Baranochnikov // Radio, № 7, – p. 42; № 8, – 45–46; № 9, – pp. 41–42, 1994. [in Russian]
8. Baranochnikov M. L. Mikromagnitojelektronika [Micromagnetoelectronics]. Vol. 1. / M. L. Baranochnikov. – M: DMK Press, 2001. – p. 544 [in Russian]