Магнитометр с термокомпенсацией сигнала датчика магнитного поля

Авторы патента:

G12B7/00 - Компенсация температурных влияний (путем охлаждения G12B 15/00)

G01R33/02 - измерение направления или напряженности магнитных полей или магнитных потоков (G01R 33/20 имеет преимущество; измерение направления или напряженности магнитного поля земли для целей навигации или съемки G01C; для разведки, для измерения магнитного поля земли G01V 3/00)

G01R33/007 - Устройства для измерения переменных магнитных величин

G01D3/028 - уменьшение нежелательных воздействий, например температуры, давления

Владельцы патента RU 2707586:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт командных приборов" (RU)

Изобретение относится к области измерений индукции магнитного поля с помощью магнитометра, например, феррозондового типа. Сущность изобретения заключается в преобразовании индукции магнитного поля В_МП в цифровой или аналоговый сигнал S₁(В_МП) с последующей компенсацией температурной погрешности первичного датчика. Предлагается двухэтапная компенсация результата измерений: S₂(В_МП, ΔТ)=S₁(В_МП, ΔT)+ΔS₁(В_МП=0, ΔT) - результат компенсации первого этапа, S₃(В_МП)=S₂⋅К_умн(ΔT) - результат компенсации второго этапа (конечный), где ΔT - отклонение температуры от нормальной, К_умн - коэффициент умножения. За нормальную температуру принято значение 20°С. При этом рассматривается температурная погрешность магнитометра, которая определяется температурной зависимостью параметров первичного датчика, например, феррозонда. Первый этап - компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности. Второй этап - компенсация мультипликативной составляющей температурной погрешности. Реализация первого этапа состоит в измерении отклонения температуры (феррозонда) от температуры нормальных климатических условий в единицах измерения сигнала S₁ и суммировании результата этого измерения с определенным весовым коэффициентом, определяемым на этапе регулировки, с выходным сигналом S₁(В_МП, ΔT) магнитометра. Реализация второго этапа состоит в умножении скорректированного сигнала первого этапа на коэффициент К_умн, знак которого не изменяется, а величина пропорциональна отклонению температуры ΔT от нормальной. Технический результат - повышение точности температурной коррекции погрешности первичного датчика магнитометра. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники

Изобретение относится к области магнитных измерений. В частности, к области измерений индукции магнитного поля с помощью магнитометра, например, феррозондового типа.

Уровень техники

Известен цифровой феррозондовый магнитометр [1], включающий в себя формирователь синусоиды, выход которого соединен с входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения, выходы которых соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока управления, второй выход которого соединен с вторыми входами устройств выборки-хранения, первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, а вход соединен с выходом задающего генератора.

Недостатком данного магнитометра является увеличение погрешности измерения магнитного поля вследствие изменения температуры феррозонда.

Известен цифровой феррозондовый магнитометр [2], который наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству. В качестве прототипа выбран один канал устройства: магнитометр без коррекции температурной погрешности феррозонда с исключением аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и измеритель отклонения температуры от нормальной. Кроме того, согласно теории технического эквивалента суммирование сигнала измерителя отклонения температуры с основным сигналом магнитометра, осуществляемое в прототипе по второму входу суммирования устройства выборки-хранения, заменено отдельным сумматором на выходе указанного выше магнитометра [2]. Измеритель отклонения температуры от нормальной в прототипе представляет последовательно соединенные датчик температуры и схему температурной компенсации, где в качестве датчика температуры используются последовательно соединенные входная обмотка феррозонда и измерительный резистор. В качестве датчика температуры могут быть использованы и иные средства, например, терморезистор, микросхема измерителя температуры и прочее. Таким образом, структура избранного прототипа представляет последовательно соединенные магнитометр без температурной коррекции погрешности феррозонда, сумматор и выходную шину. Второй вход сумматора соединен с выходом измерителя отклонения температуры от нормальной.

Недостатком данного устройства является низкая точность компенсации температурной погрешности феррозонда, что обусловлено одной цепью коррекции посредством сумматора. Одной цепью коррекции невозможно оптимально скомпенсировать имеющие место согласно работе [3] две основные составляющие температурной погрешности феррозонда - аддитивную и мультипликативную. Аналогичные погрешности имеют место и для датчиков магнитного поля (ДМП) иного типа.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности коррекции температурной погрешности датчика магнитного поля, например, феррозонда магнитометра.

Сущность изобретения

В предлагаемом устройстве для достижения поставленной цели введена коррекция мультипликативной составляющей температурной погрешности ДМП на втором этапе с помощью умножителя выходного сигнала. При этом изменены условия регулировки первой ступени коррекции, а именно - при индукции В_МП=0 измеряемого магнитного поля.

Устройство иллюстрируется блок-схемой магнитометра (фиг. 1), где магнитометр 1 без коррекции температурной погрешности ДМП последовательно соединен с сумматором 2, умножителем 3 и выходной шиной 4. Выход измерителя 5 отклонения температуры от нормальной соединен через первый регулятор 6 со вторым входом сумматора 2 и через формирователь 7 сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП с вторым входом умножителя 3. Измеритель 5 отклонения температуры от нормальной содержит последовательно соединенные датчик температуры 8 и формирователь 9 сигнала температурной компенсации. Выход формирователя 9 сигнала температурной компенсации является выходом измерителя 5 отклонения температуры от нормальной. Формирователь 7 сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП содержит последовательно соединенные источник опорного напряжения 10 и сумматор 11, второй вход которого соединен через регулятор 12 с выходом измерителя 5 отклонения температуры от нормальной. Выход сумматора 11 является выходом формирователя 7. Переключатель 13 включен между входом управления формирователя 7 сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности и общей шиной. Вход управления формирователя 7 сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности соединен с входом управления регулятора 12.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Выходной сигнал S₁ магнитометра 1 без коррекции температурной погрешности ДМП (соответственно сигналы S₂ и S₃ устройства) может быть представлен как постоянным напряжением, так и цифровым кодом. Для определенности далее рассмотрен вариант сигналов S₁, S₂ и S₃ в виде постоянных напряжений. При этом сигнал S₁ содержит аддитивную и мультипликативную составляющие температурной погрешности ДМП, входящего в состав магнитометра 1. Сигнал S₂ содержит мультипликативную составляющую температурной погрешности ДМП. Сигнал S₃ представляет скорректированный по температурной погрешности ДМП результат измерения индукции В_МП. Исходное положение переключателя 13 - разомкнутое. Замкнутое положение переключателя 13 рассмотрено отдельно - для случая интегрального исполнения сумматоров 2, 11 и умножителя 3 на одном кристалле микросхемы.

Измеритель 5 отклонения температуры от нормальной формирует сигнал:

U_T=К_Т⋅ΔТ,

где К_Т - коэффициент преобразования измерителя 5;

ΔT=Т_НКУ-Т_Р;

Т_НКУ=20°С (температура нормальных климатических условий - НКУ);

Т_Р = температура окружающей среды (ТОС) ДМП.

ДМП, например, феррозонд и электронная часть магнитометра (ЭЧМ) 1 в общем случае могут иметь различную ТОС. При этом ДМП часто подвержен большему воздействию температуры, чем ЭЧМ. Например, измерения В_МП с расположением ДМП - феррозонда в открытом космическом пространстве, а ЭЧМ на термостабилизированной платформе. Поэтому в качестве Т_p в соответствии с целью предполагаемого изобретения принята температура ТОС ДМП в непосредственной близости от которого расположен датчик температуры 8. Температурная погрешность ЭЧМ может быть устранена известными средствами компенсации электронных устройств. Поэтому в соответствии с целью предполагаемого изобретения температурная погрешность ЭЧМ принята равной нулю. Кроме того, полагается, что в ЭЧМ осуществлена коррекция конструктивных погрешностей ДМП в НКУ.

Измеритель 5 отклонения температуры в частном случае может быть реализован согласно его описанию в прототипе [2]. Регуляторы 6 и 12 имеют, например, линейные функции передачи:

Величины коэффициентов К₆ и К₁₂ устанавливают при регулировке устройства. При Т_р=Т_НКУ имеем U_T=0 и на выходе сумматора 2 формируется сигнал U_S2(НКУ)=U_S1(НКУ) магнитометра 1. ЭЧМ магнитометра 1 настроен таким образом, что его выходное напряжение U_S1(В_МП=0, Т_р=Т_НКУ)=0, тем самым компенсируется конструктивное смещение нуля ДМП (феррозонда). При изменении температуры в ту или другую сторону от температуры НКУ на выходе формирователя 9 появляется положительное или отрицательное напряжение ±ΔU_T.

Коэффициент К₆ регулятора 6 устанавливают при индукции эталона магнитного поля В_МП=0 и максимальной по модулю температуре Т_р ДМП, сравнивая значения и U_S2(T_p=НКУ). Величина К₆ регулятора 6 подбирается таким образом, чтобы температурное изменение корректирующего и измеряемого ΔU_S1(ΔT) напряжений имело одинаковую величину. В результате эти изменения, имеющие одинаковую величину и противоположные знаки, будут взаимно компенсироваться, и колебания температуры не будут оказывать влияния на напряжение U_S2 на выходе сумматора 2, уменьшая аддитивную составляющую температурной погрешности ДМП. Скомпенсированное по аддитивной составляющей температурной погрешности ДМП измеряемое напряжение U_S2(В_МП) с выхода сумматора 2 поступает на вход умножителя 3.

Умножитель 3 реализует функцию где - напряжение на выходе формирователя 7 (выход сумматора 11), U*=const - параметр конкретного изделия (например, умножитель аналоговых сигналов AD633). При температуре и коэффициент передачи умножителя 3 равен 1. Функциональная зависимость обеспечивает изменение величины коэффициента умножения умножителя 3 таким образом, что где - крутизна характеристики ДМП (феррозонда). В результате эти изменения будут взаимно компенсироваться, и колебания температуры не будут оказывать влияния на напряжение U_S3 на выходной шине 4 устройства, тем самым уменьшая мультипликативную составляющую температурной погрешности.

Обеспечение требуемой функциональной зависимости осуществляется, например, следующим образом. Величина сигнала источника опорного напряжения 10 равна U*. При температуре НКУ имеем U_T=0 и на второй вход умножителя 3 поступает напряжение U*, что обеспечивает его коэффициент К_умн=1. При ±ΔU_T≠0 коэффициент К₁₂ устанавливают такой величины, чтобы выполнялось соотношение Регулировку необходимо проводить после предварительной калибровки регулятора 6, т.е. с сигналом, нормированным по аддитивной составляющей температурной погрешности ДМП.

Практическая реализация устройства по теории технического эквивалента в части сумматоров 2, 11 и умножителя 3 может быть осуществлена на одной микросхеме (ИМС) AD633. Данная ИМС - вычитающий умножитель, где входы X1 для U_S1 и Х2 для в ИМС выполняют функцию вычитания. При этом сигнал формирователя 9 должен иметь знак, противоположный описанному выше. Аналогично используются входы Y1 и Y2 ИМС по сигналам формирователя 12 и источника опорного напряжения 10. На этапе регулировки коэффициента К₆ ввиду недоступности для измерения сигнала S₂ необходимо исключить влияние сигнала регулятора 12. Для этого выходной сигнал регулятора 12 устанавливают в ноль переключателем 13 и регулировку К₆ осуществляют путем сравнения напряжений После регулировки К₆ возвращают переключатель 13 в исходное положение, обеспечивающее поступление сигнала U_T через регулятор 12 и производят регулировку К₁₂ регулятора 12 как описано выше.

Линейная зависимость температурной погрешности феррозонда установлена в работе [4]. При необходимости в измеритель 5 отклонения температуры от нормальной и формирователь 7 сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности могут быть введены дополнительно соответствующие функциональные преобразователи.

Предполагаемое изобретение, обеспечивающее термокомпенсацию сигнала датчика магнитного поля, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике магнитных измерений, в частности, при реализации устройства в виде изделия типа система на кристалле.

Литература

1. Цифровой феррозондовый магнитометр. Патент РФ №2316781, МПК G01R 33/02, 2008 г.

2. Цифровой феррозондовый магнитометр. Патент РФ №2380718, МПК G01R 33/02, 2008 г.

3. Афанасьев Ю. Феррозонды. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.

4. Рыжков И. Улучшение технических характеристик феррозондовых датчиков для автоматизированных систем управления ориентацией объектов: диссертация на соискание степени кандидата технических наук / Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск - 2005.

1. Магнитометр с термокомпенсацией сигнала датчика магнитного поля (ДМП), содержащий последовательно соединенные магнитометр без коррекции температурной погрешности ДМП и сумматор, второй вход сумматора соединен через регулятор с выходом измерителя отклонения температуры от нормальной, а также выходную шину, отличающийся тем, что с целью повышения точности температурной коррекции погрешности ДМП в него введены последовательно соединенные умножитель и формирователь сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП, вход которого соединен с выходом измерителя отклонения температуры от нормальной, другой вход умножителя соединен с выходом сумматора, а выход - с выходной шиной.

2. Магнитометр с термокомпенсацией сигнала датчика магнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что формирователь сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП содержит последовательно соединенные источник опорного напряжения и второй сумматор, второй вход которого соединен через второй регулятор с выходом измерителя отклонения температуры от нормальной, выход второго сумматора является выходом формирователя сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП.

3. Магнитометр с термокомпенсацией сигнала датчика магнитного поля по п. 1, отличающийся тем, что в него введен переключатель, который включен между входом управления формирователя сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП и общей шиной, вход управления формирователя сигнала коррекции мультипликативной температурной погрешности ДМП соединен с входом управления второго регулятора.

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения давлений на поверхности изделий дренажным методом. Предлагаемый преобразователь давления многоканальный содержит блок из 32 (возможно другое количество) кремниевых датчиков давления, блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, мультиплексор сигналов измерительных элементов, блок управления мультиплексором от микроконтроллера, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, термостабилизатор преобразователя, включающий датчик температуры, управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящей рамки, ПИ-регулятор температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя.

Контейнер для оптико-электронных приборов // 2689898

Изобретение может использоваться в приборостроении для защиты оптико-электронных приборов (ОЭП) от влияния окружающей среды, в том числе от температурных воздействий.

Способ автофокусировки тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели // 2683603

Изобретение относится к способам автофокусировки оптико-электронных приборов с высоким качеством изображения в широком интервале рабочих температур. Способ автофокусировки тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели, при котором определяют функциональную зависимость величины перемещения фокусирующей линзы от текущей рабочей температуры, далее по сигналу с датчика температуры перемещают фокусирующую линзу объектива оптико-электронной системы в положение, соответствующее данной текущей рабочей температуре, при этом датчик температуры размещают внутри корпуса объектива, определяют функциональную зависимость величины перемещения фокусирующей линзы от текущей рабочей температуры объектива экспериментально, на одном или нескольких образцах для начала и окончания работы тепловизионного канала с учетом глубины резкости и степени нагрева объектива, далее проводят аппроксимацию полученных функций, из которых определяют результирующую функцию, соответствующую наилучшему качеству изображения во всем диапазоне рабочих температур и записывают ее в память блока управления, во время эксплуатации тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели по сигналу с датчика температуры объектива электропривод в соответствии с результирующей функцией под действием управляющего сигнала с блока управления перемещает фокусирующую линзу в положение, соответствующее данной текущей рабочей температуре.

Измерительный блок для гравитационного градиентометра // 2668954

Изобретение относится к приборостроению, в частности к прецизионным измерительным устройствам, и предназначено для получения высокоточных трехкомпонентных значений ускорения силы тяжести по взаимно ортогональным осям, характеризующим вектор силы тяжести в заданной точке пространства с целью формирования массива данных для комплексного изучения гравитационного поля.

Устройство стабилизации температуры электронных изделий // 2622234

Изобретение относится к электротехническим средствам обеспечения рабочих характеристик электронных изделий (ЭИ) в бортовой аппаратуре путем термостабилизации поверхности корпуса ЭИ.

Оптическая управляемая линия задержки // 2620763

Изобретение относится к устройствам волоконно-оптической связи и может быть использовано, в частности, в устройствах компенсации вариаций временной задержки информационных сигналов, переданных на конец многокилометровой волоконно-оптической линии.

Способ определения температурных характеристик трёхкомпонентного магнитометра и устройство для его осуществления // 2610932

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерений компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли. Сущность изобретения заключается в том, что предлагается способ определения температурных характеристик трехкомпонентного магнитометра (ТМ), в котором нагреванием или охлаждением ТМ в заданном диапазоне температур оказывают на него воздействие температуры до полного установления ее внутри ТМ для необходимого количества значений диапазона температур и при каждом значении определяют параметры характеристики преобразования ТМ ориентацией его геометрических осей относительно осей опорной системы координат.

Способ компенсации систематических составляющих дрейфа гироскопических датчиков // 2598155

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении одноосных и трехосных измерителей параметров движения - угловых скоростей и линейных ускорений для инерциальных навигационных систем и пилотажных систем управления подвижных объектов.

Способ или система измерения плотности жидкости // 2592043

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения плотности жидкости. В предложенном в изобретении способе, или системе измерения, соответственно, предусмотрен контактирующий с жидкостью (FL) вибрационный корпус (10), который приводится в состояние вибрации таким образом, что он испытывает, по меньшей мере, частично, механические колебания с резонансной частотой (резонансные колебания), зависящей от плотности жидкости, контактирующей с первой поверхностью (10+) вибрационного корпуса, а также от температуры вибрационного корпуса.

Температурная компенсация в устройстве cmut // 2590938

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления.

Способ измерения характеристик магнитного поля // 2694798

Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров.

Измерительное устройство на базе феррозондового преобразователя // 2690729

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в устройствах для измерения параметров слабого постоянного магнитного поля.

Тонкопленочный градиентометр // 2687557

Изобретение относится к области измерительной техники, более конкретно – к устройствам для измерения градиентов слабых магнитных полей. Раскрыт тонкопленочный градиентометр, для измерения градиентов слабых магнитных полей, включающий два чувствительных элемента, разнесенных в пространстве и имеющих сонаправленные оси максимальной чувствительности.

Цифровой феррозондовый магнитометр // 2686519

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля.

Цифровой феррозондовый магнитометр // 2686519

Способ определения напряженности магнитного поля // 2684446

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники. Способ определения напряженности магнитного поля, при котором помещают в магнитное поле микроволновый резонатор и возбуждают в резонаторе электромагнитные колебания, резонатор выполняют из ферримагнитного материала, измеряют собственную резонансную частоту резонатора и по измеренной частоте резонатора определяют напряженность магнитного поля.

Способ защиты преобразовательной установки с трансформатором с 2n вторичными обмотками и 2n выпрямителями // 2683266

Использование: в области электротехники для защиты преобразовательной установки с трансформатором с 2n вторичными обмотками и 2n выпрямителями от коротких замыканий.

Способ приведения результатов измерений вертикальной составляющей вектора магнитной индукции морского технического объекта из системы координат земли к собственной системе координат объекта // 2680409

Изобретение относится к области средств измерений величин магнитных полей. Сущность изобретения заключается в том, что в средство измерений устройства определения вертикальной составляющей вектора магнитной индукции морского технического объекта в координатах морского технического объекта введены определители положений первичного измерительного преобразователя и морского технического объекта в системе координат Земли и два подключаемых к выходу устройства преобразования последовательно соединенных вычислительных устройства, второй вход первого из которых подключен к выходу устройства определения положения первичного измерительного преобразователя в системе координат Земли, а выход - к входу второго, второй вход которого подключен к выходу устройства определения положения морского технического объекта в системе координат Земли, а выход - к входу устройства представления информации.

Устройство для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса // 2680165

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение для измерения слабых магнитных полей. Устройство для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса содержит магниточувствительный элемент, выполненный из двух идентичных аморфных ферромагнитных микропроводов в стеклянной оболочке или с удаленной стеклянной оболочкой, размещенных внутри одной многовитковой катушки, причем высокочастотное возбуждение микропроводов осуществляется от многовитковой катушки, а регистрация сигналов с двух микропроводов осуществляется с помощью дифференциального усилителя.

Устройство для измерения слабых магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного импеданса // 2680165

Способ изготовления дисковых секторов для захвата, удержания и анализа магнитных микрочастиц и меченных ими биологических объектов на поверхности спиновых вентилей с помощью фемтосекундного лазерного облучения // 2704972

Изобретение относится к области разработки биомедицинских сенсоров новых поколений, а именно к созданию секторов на поверхности приборов спинтроники. В биомедицине разделение здоровых и больных клеток основано на разной вероятности захвата магнитных наночастиц или микрочастиц клетками в зависимости от их состояния.