Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Улучшение характеристик датчиков измерения слабых магнитных полей для систем управления

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Индукция магнитного поля Земли составляет величину порядка 40−103 нТл (0,4 Гс) и относится к слабым магнитным полям. Измерение величины и направления индукции магнитного поля осуществляется с помощью специальных систем — магнитометров. Магнитометры представляют собой сложные технические устройства, состоящие из нескольких узлов (элементов). Основой любого магнитометра является датчик магнитного… Читать ещё >

Содержание

  • Обозначения и сокращения
  • Глава 1. Магнитоэлектронный СВЧ генератор как датчик измерения слабых магнитных полей
    • 1. 1. Принцип работы и конструкция магнитоэлектронных датчиков
    • 1. 2. Расчет параметров магнитроэлектронных 29 датчиков с использованием САПР «Microwave Office 2002»
    • 1. 3. Методика обработки показаний датчиков и 34 проблемы настройки и калибровки
    • 1. 4. Использование системы магнитоэлектронных 48 датчиков в качестве магнитного компаса и определителя вектора магнитного поля Земли
  • Глава 2. Исследование природы нестабильностей показаний 63 магнитоэлектронных датчиков
    • 2. 1. Долговременная и кратковременная 63 нестабильности показаний датчиков
    • 2. 2. Повышение устойчивости показаний магнитометра 71 к изменениям температуры при применении разностного датчика
  • Глава 3. Использование немагнитных экранов для подавления кратковременных (импульсных) магнитных помех
    • 3. 1. Исследование кратковременных (импульсных) 78 изменений показаний датчиков
    • 3. 2. Теоретическая модель возможности подавления 84 импульсных и ВЧ магнитных помех немагнитными проводящими экранами (кольцами)
    • 3. 3. Экспериментальное исследование подавления ВЧ и 93 импульсных помех немагнитными проводящими экранами

Улучшение характеристик датчиков измерения слабых магнитных полей для систем управления (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Системы управления находят применение практически во всех областях науки и техники. К системам управления относятся системы, позволяющие ориентироваться в пространстве (навигационные системы). Для некоторых других систем управления требуется определение железосодержащих объектов и залежей железной руды под земной поверхностью или под водой по аномалиям магнитного поля (магниторазведка), а определение малых девиаций магнитного поля используется в дефектоскопии. Источником информации в таких системах является магнитное поле Земли, относящееся к слабым магнитным полям (В ~ 40−103 нТл (0,4 Гс)). Возникает необходимость в определении величины и направления магнитного поля Земли в различных ее частях, т. е. требуются магнитные карты, привязанные к географической карте. Первая попытка составления таких, карт была предпринята в XVIII веке известным немецким ученым Карлом Гауссом. В настоящее время такие магнитные карты составлены практически для всех районов Земли.

Особенно сложные задачи возникали в навигации при движении в местности, лишенной ориентиров и при мореплавании (navigatoмореплавание, лат). Использование математики, астрономии, механики и других наук в интересах навигации позволило развить научные основы кораблевождения и разработать ряд приборов и инструментов для средств навигации и управления.

Навигационныеустройства предназначены для измерения, параметров движения объектов относительно Земли, небесных тел или окружающей среды на всех этапах процесса управления движением подводных лодок, надводных кораблей, сухопутного транспорта, самолетов, ракет, космических кораблей и инопланетных роботов. Чем труднее и сложнее условия навигации объекта, тем большей становится роль навигационных устройств.

Благодаря использованию новейших достижений в области науки и техники стали применяться все более разнообразные и совершенные навигационные устройства, основанные на автономных и неавтономных методах измерения.

Для осуществления навигации объект должен располагать определенными средствами для получения, первичной информации (датчиками), устройствами для ее обработки (преобразующими и вычислительными устройствами), устройствами отображенияинформациии органами управления, некоторым объемом памяти, достаточным запасом сведений об окружающем пространстве и о методах выполнения навигационных измерений. У технических объектов — подводных лодок, кораблей и др. — первичная навигационная информация получается с помощью датчиков, а обработка их сигналов осуществляется счетно-решающими устройствами. Эти же устройства снабжаются определенным объемом памяти, в которую задаются необходимые сведения об окружающем пространстве и программы выполнения навигационных измерений:

Суть навигационного процесса заключается в том, что с помощью датчиков первичной информации измеряются различные — физические параметры, зависящие от положения и движения относительно внешних предметов или физических полей. Устройства для обработки информации на основании полученных сигналовопределяют навигационные параметры, характеризующие скорость и координаты, местонахождения, объекта относительно принятой системы отсчета:. Измеренные данные сравниваются с намеченной программой движения, и всякие отклонения от программы преобразуются в сигналы команд на систему управления движением объекта. Благодаря этому объект может двигаться по заданной или желаемой траектории с небольшими отклонениями от нее.

Задачами навигации принять считать:

1. предварительное определение навигационной программы и траекторий движения объекта с учетом возможностей имеющегося измерительного оборудования, предполагаемых внешних условий и времени движения;

2. определение методов навигационных измерений, исходной и начальной навигационной информации и средств коррекции ошибок измерений, которые могут быть наиболее эффективными в планируемых условиях движения объекта;

3. выполнение измерений и обработка навигационной информации в процессе движения объекта;

4. обнаружение пространственно-временнных отклонений от заданной программы движения и выработка команд для управления, объектом [1−4].

Одним из видов современных навигационных систем являются магнитные навигационные системы. Несмотря на то, что по точности определения местоположения объекта они уступают спутниковым навигационным системам, магнитные навигационные системы имеют и ряд достоинств. Главным из них является автономность, т. е. независимость от каких-либо внешних источников информации. В большинстве случаев на движущихся объектах магнитная навигационная система используется как дублирующая или запасная, тогда когда невозможно получить сигнал со спутника ^ (под землей, в тоннелях, плохих погодных условиях и т. д.). Магнитные навигационные системы, в качестве первичной< информации используют параметры магнитного поля Земли [5−7].

Под параметрами магнитного поля принято понимать скалярные и векторные величины, характеризующие магнитное поле. К ним относятся вектор магнитной индукции, градиент вектора магнитной индукции grad В, градиент модуля магнитной индукции grad I в| и др. Обычно непосредственно измеряемыми параметрами магнитного поля являются скалярные величины: модуль вектора магнитной индукции I В| или его составляющие Д-, производные этих величин, функционально связанные с указанными векторными величинами и дающие возможность определить топографию и степень неоднородности магнитного поля, а также характер его изменения во времени.

Индукция магнитного поля Земли составляет величину порядка 40−103 нТл (0,4 Гс) и относится к слабым магнитным полям. Измерение величины и направления индукции магнитного поля осуществляется с помощью специальных систем — магнитометров. Магнитометры представляют собой сложные технические устройства, состоящие из нескольких узлов (элементов). Основой любого магнитометра является датчик магнитного поля — устройство, создающее электрический сигнал, характеристики которого зависят от величины индукции магнитного поля (обычно одной из его проекций на некоторое выделенное направление). Для получения такого сигнала (сигнала-отклика) необходим источник энергии, так как индукция магнитного поля относится к пассивным величинам, которые непосредственно не создают сигнал измерительной информации: В магнитометре также должно быть устройство, измеряющее этот сигнал-отклик и устройство отображения, переводящее электрический сигнал в численное значение измеряемой индукции магнитного поля. В магнитометре также должны быть предусмотрены устройства его настройки и калибровки.

Применение магнитометровдля навигации, очень перспективно. Разработан целый ряд конструкций магнитных компасов с высоким, разрешением по углу, на основе которых создаются схемы управления движением различных аппаратов [8−19].

Магнитометры находят широкое применение не только в магнитной навигации, но и в других областях современной науки и техники. В космологии большой интерес представляет изучение магнитного поля Луны, планет и других космических объектов. В геофизике магнитометрия используется для составления магнитных карт Земли, отслеживания изменений магнитного поля во времени, вызванных причинами космического, геологического и атмосферного происхождения, предсказания возможности землетрясений и так далее. Магнитометры применяются в геологоразведке для поиска полезных ископаемых по локальным аномалиям магнитного поля Земли. В материаловедении магнитометры используются для измерения некоторых параметров магнитных материалов, а также для определения вкраплений магнитных материалов в немагнитные. Разработан целый ряд приборов для магнитной дефектоскопии различных конструкций, в частности, стальных трубопроводов [20−30].

Тенденция к расширению сфер применения магнитных датчиков привела к их проникновению в различные области науки и практической деятельности. В настоящее время магнитометрия широко применяется в химии, биофизике и даже медицине. Есть сообщения о получении магнитокардиограмм и магнитоэнцефалограмм человека. Всё- это стимулирует проведение работ по совершенствованию конструкций и повышению характеристик магнитометров.

В настоящее время требуется измерение индукции постоянных магнитных полей в диапазоне от 10″ 16 (магнитный вакуум) до 30 Тл, переменных — от 10″ 15 до нескольких тесла в диапазоне частот от долей герца до десятков мегагерц. Существуют различные типы датчиков, служащие для измерения магнитных полей, основными из которых являются: магнитомеханические, индукционные, гальваномагнитные, магниторезонансные, феррозондовые, магниторезистивные, а также типа SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices — квантовые интерференционные устройства на основе сверхпроводимости)[31−32, 34−44, 47]. На рис. 1 показано распределение по чувствительности некоторых типов магнитных датчиков. В Приложениях 1−4 приведены сведения о различных типах датчиков магнитных полей — их принципе работы, областям применения, точностным характеристикам и стоимости. сквид магнитометры.

Магниторезоиаисные Феррозонды.

Датчики Маг нитное Холла поле 3 емли.

Помехи в условиях гор ода.

Маги итор ез ис тиен ы е.

10^ 10~5 10~4 10″ 3 10~2 10~1 10° 101 103 103 104 Ю3.

В, нТл.

Рис.).

Довольно широкий класс приборов для измерения магнитного поля представляют магниторезонансные магнитометры, принцип действия которых основан на явлении магнитного резонанса, заключающегося в избирательном поглощении или излучении электромагнитных волн веществом, находящимся в магнитном поле. В зависимости от природы элементарных частиц, участвующих в процессе резонансного поглощения или излучения энергии, различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Электронный резонанс в магнитоупорядоченных веществах называется ферромагнитным резонансом (ФМР) [47−50]. Датчики на основе ЯМР могут использовать свободную или вынужденную прецессию ядерного магнитного момента во внешнем измеряемом поле. Чаще применяются датчики на основе свободной прецессии. Их называют прецессионными или протонными [51,52]. Достигаемая пороговая чувствительность составляет ~ 10~6 Э.

Датчики, основанные на явлении ЭПР, по своему принципу тождественны датчикам на ЯМР. Разница заключается в величине частоты прецессии магнитного момента и ширины линии резонанса. Частота ЭПР примерно на 4 порядка выше частоты ЯМР и составляет ~ 109- Ю10Гц (при, Но ~ 103 Э), то есть лежит в диапазоне сантиметровых волн. Повышенная частота ЭПР потенциально повышает чувствительность метода. Однако ширина линии ЭПР в сотни раз больше (~ 0,5Э) — чем ширина линии ЯМР, что, напротив, понижает чувствительность метода.

Явление ФМР является-разновидностью электронного магнитного резонанса и также позволяет создавать датчики магнитного поля. [56−68]. Интенсивность резонанса в магнитоупорядоченных структурахферромагнетиках и ферримагнетиках — на много порядков превышает интенсивность парамагнитного резонанса.

Магнитометры резонансного типа выгодно отличаются от других типов магнитометров в первую очередь тем, что в качестве информационного параметра используют частоту. Когда об изменении магнитного поля судят по изменению тока или напряжения, при необходимом для обработки сигнала усилении вносится существенная дополнительная погрешность. У резонансных магнитометров частота как информационный параметр не требует дополнительного усиления, являясь одним из наиболее точно измеряемых и помехозащищенных факторов.

Другим достоинством магнитометров на основе ФМР являются малые размеры и возможность устанавливать их на движущихся объектах и внутри работающих двигателей и механизмов, т. е. миниатюрность, мобильность и устойчивость к внешним воздействиям. Если рассматривать комплекс параметров магнитометра — чувствительность, масса, габариты, энергопотребление, пространственная разрешающаяся способность, — то одним из перспективных направлений представляется разработка магнитометров на основе ФМР в ЖИГсферах1 [53−55].

В таблице 1 для сравнения приведены известные типы магнитных датчиков, их чувствительность и принцип действия. Автогенераторные датчики, построенные на ФМР, выгодно отличаются от большого числа известных датчиков и могут быть реализованы на основе современных технологий в виде малогабаритных, портативных устройств, включающих микроконтроллерную обработку сигнала-отклика и его протоколирование на ЭВМ.

1 Магнитометрические датчики, построенные на основе монокристаллических пленок ЖИГ, включая многослойные с заданным законом изменения намагниченности и полей анизотропии в каждом слое и профилем магнитных параметров по толщине пленки, будут иметь еще ряд существенных преимуществ — более высокое угловое разрешение и чувствительность. п/п Тип датчика Пороговая чувствительность Принцип действия.

1 Магнитостатический 1 нТл (10″ 5 Э) Взаимодействие измеряемого поля с постоянным магнитом.

2 Электрический (электромагнитный) 0,1 нТл (10″ ° Э) Взаимодействие измеряемого поля с магнитным полем катушек (обычно колец Гельмгольца).

3 Индукционный 0,1 — 1 нТл (Ю'6 — 10″ 5Э) Наведение э.д.с. в контуре при изменении магнитного потока.

4 Феррозонд 10″ z — Ю-1 нТл цо-7-ю-6э) Разновидность индукционного измерения по второй гармонике.

5 Гальваномагнитный 10°- 1(ГТл (0,1 -1 Э) Эффект Холла.

6 Магниторезистивные 10нТл (КГ* Э) Возникновение силы Лоренца в магнитном поле.

7 Квантовый 0,1 нТл (10″ ° Э) Явление ядерного магнитного резонанса.

8 На основе ФМР 0,01 — 0,1 нТл (10″ 7−10−6Э) Явление ферромагнитного резонанса (электронный резонанс в магнитоупорядоченных веществах).

9 Сверхпроводящий 10″ ° нТл (10″ и Э) Измерение числа квантов магнитного потока пронизывающего контура.

В Саратовском государственном университете на кафедре общей физики и ее филиале в ОАО «Тантал» в течение многих лет ведутся интенсивные исследования по магнитоэлектронике, в том числе и по датчикам магнитного поля [55]. В настоящее время созданы образцы магнитоэлектронных датчиков, позволяющих с высокой степенью точности измерять характеристики магнитного поля Земли. Достоинствами таких датчиков являются: миниатюрность, высокая чувствительность, возможность определять не только значение, но и направление магнитного поля* Земли, мобильность, устойчивость к вибрацииудару, спецвоздействиям и др. [39, 40].

Цель диссертационной работы состоит в определении режимов работы магнитоэлектронных датчиков слабых магнитных полей, обеспечивающих высокую точность измерения компонент индукции магнитного поля Земли, путей повышении стабильности их работы и чувствительности при использовании в системах управления.

В связи с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:

1. Упрощение калибровки магнитометра и уменьшение погрешности установки оси датчика вдоль магнитного меридиана.

2. Сведение к минимуму операций, производимых при измерении компонент магнитного поля Земли магнитометром на основе магнитоэлектронного датчика.

3. Разделение кратковременной и долговременной нестабильностей в показаниях магнитометра для определения физической природы этих нестабильностей.

4. Повышение устойчивости показаний магнитометра к изменениям температуры.

5. Подавление ВЧ и импульсных внешних магнитных помех немагнитными проводящими кольцами при сохранении пороговой чувствительности системы к относительно медленным изменениям i геомагнитного поля.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Предложен и экспериментально опробован новый способ калибровки — начальной установки оси датчика вдоль магнитного меридиана, заключающийся во вращении датчика на углы кратные 90°. Также предложено для уменьшения погрешности установки оси датчика вдоль магнитного меридиана и сохранения высокой угловой чувствительности использовать в его конструкции два ортогональных первичных преобразователя.

2. Предложен и экспериментально опробован новый способ измерения трех компонент магнитного поля Земли информационно-измерительной системой на основе одного магнитоэлектронного датчика, характеризующийся тем, что измерения проводятся вращением датчика с фиксацией в 3-х опорных точках, углы между которыми составляют 90° с последующими поворотами на 180° из каждой точки соответственно.

3. Для исключения вращения датчика при его калибровке и измерениях предложено размещать в конструкции первичного магниточувствительного преобразователя два ферритовых резонатора с противоположно направленными полями подмагничивания и попеременно подключающихся к усилителю в режиме измерения индукции магнитного поля Земли.

4. При обработке показаний магнитометра предложено использовать метод разностных операторов 3-го порядка, позволяющий разделить долговременные уходы и кратковременную нестабильность показаний датчика с целью определения их физической природы независимо от характера тренда. Установлено, что долговременные уходы определяются изменением температуры элементов датчика, а кратковременные нестабильности обусловлены внешними случайными электромагнитными воздействиями.

5. Теоретически и экспериментально показано, что применение разностного датчика, содержащего в себе 2 идентичных однокомпонентных датчика с противоположно направленными полями подмагничивания, в качестве измерительного преобразователя позволяет уменьшить долговременную нестабильность частоты и повысить в 2 раза чувствительность магнитометра.

6. Теоретическими экспериментально показано, что компенсация влияния ВЧ и импульсных помех на работу измерительного преобразователя магнитного поля Земли возможна за счет применения немагнитных проводящих колец, в том числе и трехмерных, при сохранении чувствительности датчика к медленным изменениям магнитного поля.

Результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Поворот измерительного преобразователя на фиксированные углы, кратные 90°, позволяет упростить калибровку датчика и уменьшить погрешность установки оси датчика вдоль магнитного меридиана. Для исключения вращения датчика предложено размещать в конструкции первичного магниточувствительного преобразователя два ферритовых резонатора с противоположно направленными полями подмагничивания и попеременно подключающихся к усилителю в режиме измерения.

2. Разделение долговременных уходов и кратковременных нестабильностей показаний датчика позволило установить, что долговременные уходы определяются изменением температуры элементов датчика, а кратковременные нестабильности обусловлены главным образом внешними электромагнитными воздействиями (помехами).

3. Применение в качестве измерительного преобразователя разностного датчика для определения вектора магнитного поля Земли повышает устойчивость его показаний к изменениям температуры и увеличивает чувствительность в два раза.

4. Использование проводящих немагнитных колец уменьшает влияние на показания магниточувствительного измерительного — преобразователя высокочастотных и импульсных флуктуаций магнитного поля при сохранении пороговой чувствительности к его медленным изменениям.

Диссертация состоит из введения, трех глав, имеющих параграфы, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе основной текст занимает 107 страниц, включая 38 рисунков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Датчики магнитного поля разных типов широко используются в различных системах управления, в том числе навигационных. Одним из перспективных направлений совершенствования систем управления, улучшения их характеристик — устойчивости к воздействию внешних магнитных помех, устойчивости к температурным изменениям и др., — является применение в качестве первичных преобразователей датчиков измерения слабых магнитных полей, основанных на явлении ФМР в ЖИГ-сферах.

В настоящей работе проведен анализ проблем, связанных с применением датчиков измерения слабых магнитных полей в таких областях как: магнитная навигация, магниторазведка, дефектоскопия. Показано, что их конструктивное совершенствование может использоваться для создания различных систем управления с повышенной устойчивостью к изменениям температуры и внешним высокочастотным магнитным помехам.

Кратко можно указать следующие основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, и выводы из нее:

1. Предложен новый способ калибровки — установки, оси датчика вдоль магнитного меридиана, заключающийся во вращении датчика на углы кратные 90°. Учитывая, что зависимость частоты генерации датчика от угла его поворота представляется в, виде / = /0 +Afm cos (^ + ^o) > и измеряя три значения частоты — fj при* (р=0°, f2 при ф=90° и f3 <р= 180° - проводится восстановление экспериментальной косинусоиды. Тогда, зная текущее значение частоты f, среднее значение частоты /о, уголповорота' датчика фи г 1 л f) max ./min вычислив Afm по формуле —— можно определить ф0, т. е. отклонение оси системы от магнитного меридиана (систематическую погрешность). Такой способ калибровки является более простым в сравнении с известным ранее способом, когда проводилось сравнение с результатами измерений аттестованного промышленного магнитометра. Для уменьшения погрешности при установке оси датчика вдоль магнитного меридиана предложено использовать в его конструкции два ортогональных первичных преобразователя.

2. Для устранения необходимости поворота датчика при измерении магнитного поля предложено размещать в конструкции первичного магниточувствительного. преобразователя два ферритовых резонатора с противоположно направленными полями подмагничивания и попеременно подключающихся к усилителю в режиме измерения компоненты индукции магнитного поля Земли. Такое конструктивное решение позволяет исключить вращение датчика.

3. При использовании датчика в качестве измерителя слабых магнитных полей (магнитного поля Земли) предложен новый способ измерения. Он состоит в повороте датчика на углы, кратные 90° из начального положения, которое определяется предварительной калибровкой, описанной выше. Для определения Х-компоненты индукции магнитного поля Земли измеряются два значения частоты датчика/7 при 0/=О° и ^/=0° и f2 при (р2= 180° при (9/=0° (рис. 1.3.1), а л-/, «.

Взх= ~ • Для определения Yкомпоненты индукции магнитного поля Zy.

Земли датчик надо повернуть от первоначального положения на 90° в горизонтальной плоскости по часовой стрелке (если смотреть на датчик сверху). Измеренное значение частоты, для такого положения /з = fo + У Взу Затем повернуть датчик на1180° (в, горизонтальной-плоскости) и измерить значение f4= з «Л foу Bjy. Тогда взу = .

Для определения Вз: необходимо, чтобы в начальномположении ось системы была направлена вдоль оси Z. Для этого датчик надо повернуть на 90° в вертикальной плоскости. Угол (р может быть выбран в этом случае произвольно. Значение частоты будет f$= fo+ у В3:. После поворота датчика в вертикальной плоскости еще на 180° значение частоты станет fe= fo — у Вз, и тогда.

В3 — ———. Такой способ измерения позволяет с помощью однокомпонентного 2 У датчика измерить все три компоненты индукции магнитного поля Земли при шести положениях датчика, сдвинутых относительно друг друга на 90°.

4. Для определения физической природы нестабильностей в показаниях датчика была проведена обработка показаний по методу разностных операторов 3-го порядка. Т. е. к полученному в результате эксперимента временному ряду, содержащему в себе как кратковременную, так и долговременную нестабильности был применен метод удаления тренда. Метод разностных операторов, преобразующий исходный ряд к ряду разностей соседних значений по формуле Sfi = А/) — 3A/)j + 3 Д/)2 — A/]. 3, был выбран как наиболее подходящий для данного случая. Было установлено, что долговременные уходы определяются изменением температуры элементов датчика, а кратковременные нестабильности обусловлены внешними электромагнитными воздействиями.

5. Для уменьшения чувствительности датчика к нестационарным^ изменениям температуры внутри него самого, связанных с неравномерным и постепенным прогревом его отдельных элементов, и приводящим к нестационарным изменениям в показаниях датчика, предложено применять разностный датчик. Он содержит в себе два идентичных однокомпонентных датчика с противоположно, направленными полями" подмагничивания. Экспериментально показано,* чтоиспользование в качествеизмерительного преобразователя^ разностного датчика, позволяет уменьшить долговременную нестабильность частоты и повысить в 2 раза чувствительность магнитометра, так как в этом случае Af/AB=2y.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования компенсации влияния ВЧ и импульсных помех на работу измерительного преобразователя магнитного поля Земли. Исследования показали, что компенсацию внешних ВЧ магнитных помех можно осуществлять с помощью немагнитных кольцевых экранов. Физической основой такой компенсации является явление электромагнитной индукции. Для большей эффективности необходимо, чтобы центр кольца (или цилиндра) совпадал с центром магниточувствительного преобразователя, а ось кольца (или цилиндра) совпадала бы по направлению с осью датчика. Размеры немагнитного экрана выбираются таким образом, чтобы обеспечивать небольшое значение отношения сопротивления кольца к его индуктивности. При проведении экспериментов применялись: латунный цилиндр диаметром 0 = 2,9 см, высотой h = 2,3 см с толщиной стенок о = 0,2 см и алюминиевый цилиндр диаметром 0 = 7,5 см, высотой h = 15,5 см с толщиной стенок о = 0,3 см. Результаты эксперимента показали, что при использовании таких немагнитных цилиндров влияние внешних магнитных помех на показания датчика уменьшается в 3 4 раза. В работе рассматривается возможность применения и трехмерных экранирующих колец. Достоинством предложенного способа компенсации является то, что удается сохранить пороговую чувствительность датчика к внешним медленным изменениям магнитного поля. Описанный способ компенсации защищен свидетельством на полезную модель (заявка № 2 007 125 198 от 03.07.2007., положительное решение от 27.11.2007.). Материалы, на основании которых написана диссертация, опубликованы в следующих работах:

А1] Романченко JI.A. Прогнозирование нестационарных уходов частоты, в радиотехнических генераторах / JI1A. РоманченкоЮ.В. Норов7/ Вопросы прикладной^ физики: межвуз. науч. сб. — Саратов: Изд-во-Сарат. ун-та. 2000. Вып. 6. — С. 73−74.

А2] Романченко JI.A. Отечественные и зарубежные патенты по магнитометрическим датчикам и магнитометрам за 1994;2003 годы / А. А. Игнатьев, А. В. Ляшенко, Л. А. Романченко и др. // Гетеромагнитная микроэлектроника: сб. докл. и ст. науч.-техн. совещ. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2004. — Вып. 1. Многофункциональные комплексированные устройства и системы СВЧи КВЧ-диапазонов. — С. 152−165. [A3] Романченко JI.A. Отечественные и зарубежные патенты по транзисторам, магнитотранзисторам и ЖИГ-генераторам за 1992;2003 годы / А. А. Игнатьев, А. В. Ляшенко, Л. А. Романченко и др. // Гетеромагнитная микроэлектроника: сб. докл. и ст. науч.-техн. совещ. — Саратов.: Изд-во Сарат. ун-та, 2004. — Вып. 1. Многофункциональные комплексированные устройства и системы СВЧи КВЧ-диапазонов. — С. 165−173.

А4] Романченко Л. А. Анализ патентной информации характеристик магнитометрических датчиков из магниторезистивных и полупроводниковых материалов, датчикам генераторного типа, микрорезонаторным датчикам и магнитометрам на их основе / С. П. Кудрявцева, Л. А. Романченко, ЛЛ. Страхова и др. // Гетеромагнитная микроэлектроника: сб. докл. и ст. II и III науч.-техн. совещ. / под ред. проф. А. А. Игнатьева. — Саратов: Изд-во Сарат. Государственного ун-та, 2005. — Вып. 2. Методы проектирования магнитоэлектронных устройств. -С. 175−191.

А5] Романченко Л. А. Определение магнитного поля Земли магнитометрическим датчиком при вращении его на углы, кратные 90°/ М. Н. Куликов, Л. А. Романченко // Гетеромагнитная микроэлектроника: сб. докл. и ст. II и IIP науч.-техн. совещ. / под ред. Проф. А. А. Игнатьева. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. — Вып. 2. Методы проектирования магнитоэлектронных устройств. — С. 109−114: [А6] Романченко* Л. А. Устройство для измерения магнитных полей / А. А. Игнатьев, М. Н. Куликов, Л. А. Романченко и др. Приор. № 2 007 125 198 от 03.07.2007. Положит, реш. от 27.11.2007.

А7] Романченко Л. А. Подавление быстропеременных магнитных полей в устройствах (системах) измерения слабых магнитных полей / М. Н. Куликов,.

Л.А.Романченко // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.

2007 г, № 5. С.43−46. [А8] Романченко Л. А. Подавление быстропеременных магнитных помех в датчиках магнитного поля / Л. А. Романченко, М. Н. Куликов, А. А. Игнатьев и др. // Датчики и системы -2006: сб. трудов Всерос.науч.-практ. конф. «Создание и развитие датчиков для систем измерения, контроля, управления и диагностики» (Россия, г. Москва, 30−31 мая 2006 г.)/Пенза: ФНПЦ ФГУП «НИИ физических измерений», 2006 г. — С. 308−310.

А9] Кудрявцева (Романченко) ЛА Определение кратковременной составляющей нестабильности частоты радиотехнических автогенераторов с помощью частотомера. / Н. В. Герасимова, Л. А. Кудрявцева (Романченко) // Материалы XXXVI Междунар. спуд. конф. — Новосибирск, 1998. С. 47.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю кандидату физико-математических наук, профессору кафедры общей физики Куликову Михаилу Николаевичу, за постоянное внимание к работе, формирование научных навыков и научного склада мышления.

Автор также благодарит заведующего кафедрой общей физики доктора физико-математических наук, профессора Игнатьева Александра Анатольевича, а также весь его научный коллектив Конструкторского Бюро Критических Технологий ОАО «НИИ-Тантал» за предоставленные для исследований образцы датчиков магнитного поля.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Р.Б., Аверкиев В. В., Яроцкий В. А. Специальная магнитометрия. СПб: Наука, 2002. 228 е., 78 ил.
  2. А.А. Курс магниторазведки. М.: Госгеолиздат, 1951.
  3. Ю.Н., Селезнев А. В., Толстоусов Г. Н. Геоинформационные системы. М.: Машиностроение, 1978. 272с., ил.
  4. В.П. Селезнев. Навигационные устройства. Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1974 г.- 600с.
  5. .З., Селезнев В. П., Селезнев А. В. Геомагнитная навигация. М.: Машиностроение, 1976. 280с.
  6. А.КНеусыпин, О. Б. Смолкин. Алгоритмический метод коррекциии инерциальных навигационных систем в автономном режиме // Автоматизация и современные технологии. 2001 г. № 2. С.22−24.
  7. Магнитное поле океана. М.: Наука, 1990 г.
  8. .М. Земной магнетизм. Л.: Изд-во ЛГУ. 1964 г.
  9. А.К.Неусыпин, О. Б. Смолкин. Алгоритмическая компенсация погрешностей инерциальной навигационной системы // Автоматизация и современные технологии. 2002 г. № 3. С. 26 28.
  10. А.К.Неусыпин. Оценка азимутальной скорости дрейфа инерциальной системы. Автоматизация и современные технологии. 2003 г. № 6. С. 6 — 8.
  11. И.Чон НгдкНъанъ. Алгоритм комплексирования навигационной системы с датчиком угловых ускорений-// Автоматизация и современные технологии. 2005 г. № 5. С.28−29.
  12. К.А.Неусыпин, Чон НгокНъанъ. Алгоритмические методы повышения точности автономных навигационных систем // Автоматизация и современные технологии. 2006 г. № 2. С.14−19.13 .Колесова В. И. Аналитические методы магнитной картографии. М.: Наука, 1985.
  13. Т.Афанасьев Ю. В. и др. Средства измерения параметров магнитного поля. -Л: Энергия, 1979. 320с.
  14. Digital compass solutions. Solid State Electronics Center. — Материалы сайта: www.magneticsensors.com.
  15. Apparatus for utilizing the Earth’s magnetic field to indicate air-craft: patent № ¦¦ 2 785 376 USA. Alan Hazeltine, Maplewood, Hazeltine Research, Inc., Chicago, Заявка № 492 288 от 4.03.1955г. Опубл. 12.03.1957 г.
  16. Magnetometers. Micro-orientation sensor. — Материалы сайта: www.xbow.com
  17. Stresscan-500. Материалы сайта: www. argosy — tech. ru
  18. Измеритель напряженности магнитного поля ИМП-6. Материалы сайта: www. nw-technology.ru.
  19. В.Г., Богданов Е. А., Клюев В. А., Шпаков И. И., Хоменко С. В. Определение износа вантовых канатов портальных и башенных кранов в местах их заделки в муфты* с применением дефектоскопа ' ИНТРОС. — Материалы сайта: www.ndt.spb.ru.
  20. С.В., Копица Н. Н. Исследование параметров полей МН в металлических конструкциях приборами «Комплекс 2.05». Материалы сайта www.ndt.spb.ru.
  21. Измеритель напряженности магнитного поля ИМАГ-400Ц. Материалы сайта: www. nw-technology.ru.
  22. Магнитные интроскопы серии МИ-2Х для наружного обследования трубопроводов. — Материалы сайта: www.introsco.ru.
  23. Внутритрубные магнитные интроскопы серии МИ-ЗХ для диагностирования трубопроводов. — Материалы сайта: www.introsco.ru.
  24. A.M., Филин A.M. Изучение дна океанов и поиск металлических объектов магнитными методами//Вестник РАЕН. 2001. № 1.-С. 21−28.
  25. Geometries G-866 Magnetometer. — Материалы сайта: www. seatronics-group.com.
  26. Ю.В., Студенцов Н. В., Щёлкин А. П. Магнитометрические преобразователи- приборы, установки. Л.: Энергия, 1972.33 .Ю. Н. Кочемасов, Ю. Б. Колегаев Сравнительный анализ характеристик датчиков магнитного поля. // Датчики и системы № 4. 2001 г.
  27. ЗА.Бараночников M.JI. Микромагнитоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001. Т.1. 544с.: ил. (Серия «Учебник»).
  28. ЗЪ .Васильева Н. П., Касаткин С. И., Муравьев JI.M. Тонкопленочные магниторезистивные датчики // Зарубежная электронная техника. 1994. № 4 6, — С. 56−76.
  29. С.И. и др. Тонкоплёночные многослойные датчики магнитного поля на основе анизотропного магниторезистивного эффекта // Микроэлектроника. 2000. Т. 29. № 2. С. 149−160.
  30. АО.Касаткин С. И. и др. Тонкоплёночные-многослойные датчики магнитного поля на основе анизотропного магниторезистивного эффекта // Микроэлектроника, 2000,.т.295 № 2, е. 149 160.
  31. Магниторезистивный датчик: пат. № 6 692 847 США: НКИ 428/692, В 32 В 19/00 / авторы и заявители: Fumio Shirasaki- Hiroyuki Mima, Hitoshi Harata,
  32. Hiromitsu Itabashi- патентообладатель Hitachi Metals, Ltd., JP. Заявка № 10/020,946- Приор. 19.12.2001 г. Опубл. 17.02.2004 г.
  33. Ю.В. Афанасьев. Феррозонды. JI.: Энергия. 1969 г. 168с.
  34. Материалы сайта www.giscogeo.com.
  35. Л1.Б. В. Чувыкин Применение СКВИД-магнитометров для решения задач магнитной локации // Датчики и системы № 5, 2001 г.
  36. А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука. 1973.
  37. GSM-30 Portable Potassium Magnetometer / Gradiometer. Материалы сайта www.giscogeo.com.
  38. GSM-19T (W) Proton Precession Magnetometer / Gradiometer.
  39. .А., Бутаков C.B., Лексиков A.A. Микрополосковый тонкоплёночный датчик слабых магнитных полей // Микроэлектроника. 2001. Т. 30. № 3.- С. 228−237.
  40. С. И. Стабилизация частоты генераторов СВЧ / Бычков С. И.,
  41. Н. И., Сафаров Р. Т. / Под ред. Бычкова С. И. М.: Сов. радио. 1962. -376 с. 58.3-axis magnetic sensor. Solid State Electronics Center // Материалы сайта: www.magneticsensors.com.
  42. Magnetometers. PC board level 3-axis fluxgate magnetometer. Материалы сайта www.xbow.com.
  43. Устройство для измерения параметров ферромагнитного резонанса ферритовых сфер: пат. № 1 190 743 СССР: G 01 R 33/00 / авторы и заявители Андреев В. И., Петров В.В.- патентообладатели Андреев В. И., Петров В. В. Опубл. 27.09.1995 г. Заявка № 3 743 987/21.
  44. Датчик магнитного поля и устройство на основе датчика: пат. № 02 061 445 ВОИС: G 01 R 33/02 / авторы и заявители Mapps Desmond James (GB) — V
  45. Panina Larissa (GB) — патентообладатели Mapps Desmond James (GB) — V Panina Larissa (GB). Приор. GB 2001 260 220 010 201. Опубл. 08.08.2002 г.
  46. Устройство регистрации магнитного поля: пат. № 213 4890 Рос. Федерация: G 01 R 33/06, 33/00 / авторы Лопатин В. В., Сватков А.В.- патентообладатель войсковая часть 35 533. Заявка № 97 112 362/09- Приор. 08.07.1997 г. Опубл. 20.08.1999 г. Бюл. № 23.
  47. Магнитометр: пат. № 2 202 805 Рос. Федерация: G 01 R 33/24, 33/20 / авторы Тельминов М. М., Фисенко А. Г., Довгань А. С., Войтенко А.В.- заявитель и патентообладатель ЗАО «Монацит». Заявка № 200 0101 582/09- Приор. 20.01.2000г- Опубл. 20.04.2003 г. Бюл. № 11.
  48. П.Г., Михайлов А. П. Элементы и структуры микроэлектронных датчиков, методы и средства функциональной диагностики // Датчики и системы. 2005 г. № 11. С.56−58.
  49. В.Д.Мазин: Методы расчетной оценки погрешностей датчиков.// Датчики и. системы. № 2. 2001 г.
  50. С. С. Высокостабильный сверхмалошумящий транзисторный СВЧ-генератор / Зырин С. С., Котов А. С. // Электронная техника. — Серия 1. Электроника СВЧ. 1991. — Вып. 7(441). — С. 26−30.
  51. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения: РМГ 29−99: утв. Межгос. Советом по стандартизации, метрологии и сертификации 28 мая 1999г: ввод в действие с 1.01.2001г.
  52. Аппаратура для частотных и временных измерений под ред. А. П. Горшкова. М.: «Сов. Радио», 1971 г. 89с.
  53. Р.А.Валитов, В. Н. Сретенский. Радиотехнические измерения. Методы и техника измерений в диапазоне от длинных до оптических волн. М.: Сов. радио, 1970 г.-С. 98- 106.
  54. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып. Вып.2 Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения: Сокр. пер. с англ. / под ред. А. И. Сапгира.- М.: Сов. Радио, 1978.-272 с.
  55. Влияние облучения на материалы и элементы электронных схем. Пер. с англ. под ред. В. Н. Быкова и С. П. Соловьева. М.: Атомиздат, 1967 г.
  56. Г. А.Жеребцов, О. М. Пирог, Н. М. Полех. Ионосферные эффекты геомагнитной бури 6−7 апреля 2000 г в разных долготных секторах. Солнечно-земная физика. 2004 г. Вып. 5. С. 93−95.
  57. А.А. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965 г.
  58. А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1984. — 336 е., ил.
  59. А.П. Теория и методы компенсации магнитных помех // Геофизическое приборостроение. Л.: Изд-во МГ СССр, 1960. Вып. 7. С. 44 -58.
  60. DEGAUSSING COIL: пат. № 8 256 348 Япония: МПК Н 01 J 29/00, Н 04 N9/29 / авторы AMAJVUYA YOSHIO, WATANABE HIROSHI- заявитель и патентообладатель Hitachi Ltd. Заявка № TP 19 950 056 985. Приор. 16.03.1995. Опубл. 01.10.1996.
  61. Л.А. Подавление быстропеременных магнитных полей в устройствах (системах) измерения слабых магнитных полей / М. Н. Куликов, Л. А. Романченко // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007 г. № 5. С.43−46.
  62. Л.А. Устройство для измерения магнитных полей / А. А. Игнатьев, М. Н. Куликов, Л. А. Романченко и др. Приор. № 2 007 125 198 от 03.07.2007. Положит, реш. от 27.11.2007.
Заполнить форму текущей работой