 |
|
Магниторезистивные датчики
Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и
позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в
магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения
объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых
колес и др.
Принцип работы магниторезистивных датчиков (рис. 3) основан на изменении
направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под
воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением
тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки.
Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению
сопротивления.
Рис. 17. Изменение свойств пермаллоя во внешнем магнитном поле
Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех
пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату
датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает
легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика,
катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных
полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или
металлическими предметами) [1].
Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с
последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика
могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и
трехосевые сенсоры.
Таблица 2. Основные параметры наиболее распространенных преобразователей магнитного поля, используемых для регистрации магнитного поля Земли.
| № п/п | Тип преобразователя магнитного поля | Минима-льное разрешение мкТл | Число одновре-менно регистри-рующих составляющих МП | Динами-ческий диапазон мкТл | Потребля-емая мощность млВт | Достоинства, недостатки, особенности применения |
| Элемент Холла высокой чувствитель-ности | 1-10 | 1-3 | ±100 | 10-50 | Компактность, высокая надежность, широкий динамический диапазон. Удовлетворительная магнитная чувствительность. Малая постоянная времени. Хорошая ориентационная характеристика. Хорошее сопряжение с электроникой. Широкий диапазон рабочих температур: от -260 до +150 С. Высокая стоимость | |
| Специализированный тонкопленочный магниторезистор | 0,4-0,85 | 1-2 | ±(0,2-1) | 30-90 | Компактность и высокая надежность. Высокая магнитная чувствительность. Интегральная технология, совмещенная с компенсационной и модулирующей катушками. Малая постоянная времени. Хорошая ориентационная характеристика. Хорошее сопряжение с электроникой. Диапазон рабочих температур: от -40 до +85 С. Ограниченный динамический диапазон. Сравнительно низкая стоимость | |
| Магнитоиндукционный датчик | 0,01-0,02 | ±(1-200) | 1-5 | Компактность и высокая надежность. Высокая магнитная чувствительность. Малая постоянная времени. Хорошее сопряжение с электроникой. Хорошая ориентационная характеристика. Диапазон рабочих температур: от -20 до +70 С. Ограниченный динамический диапазон. Низкая стоимость | ||
| Ферозонд | 0,0001-0,01 | ±0,1 | 5-50 | Очень высокая магнитная чувствительность. Удовлетворительная ориентационная характеристика. Большие размеры. Ограниченный динамический диапазон. Невысокая механическая прочность, невозможность работы в условиях вибраций и тряски. Значительная инерционность. Сложность сопряжения с электроникой. Диапазон рабочих температур: от -10 до +70 С. Значительная трудоемкость и высокая стоимость |
Погрешности
1)Погрешности акселерометров:
· Смещение нуля - в состоянии покоя обычно датчик показывает некоторое ненулевое значение. Т.е. нулевая позиция немного смещена.
· Температурный дрейф нуля - зависимость смещения нуля от температуры датчика. Для компенсации в современные датчики встраивают термометр, с которым можно построить таблицу зависимости данного смещения от температуры.
· Случайный временной дрейф нуля. Самый противный недостаток датчика и надежных способов его компенсации нет, остается лишь надеяться, что эта величина будет много ниже чем температурный дрейф.
· Шумы в показаниях. От этого вообще никак не избавиться в нашем не идеальном мире. Чем дороже и новее датчик, тем ниже у него должны быть шумы, но они всегда остаются. Бороться с ними можно при помощи различных фильтров.
· Поперечная чувствительность - характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное).
2)Основными погрешностями гироскопов являются собственный уход, карданная погрешность, виражная погрешность и кажущийся уход.
- Величина собственного ухода определяется трением и балансировкой движущихся частей гироскопа.
- Карданная погрешность представляет собой разность между углом курса, измеряемым в горизонтальной плоскости, и показаниями гирокомпаса при наклоне (по крену или тангажу) оси наружной рамки от вертикального положения.
- Виражная погрешность появляется при виражах и возникает в связи с работой коррекционного устройства, обеспечивающего перпендикулярность положения ротора гироскопа к плоскости внешней рамки гироузла. В отличие от карданной погрешности виражная погрешность непрерывно накапливается в процессе выполнения виража и не исчезает после его окончания. Для её уменьшения выключают горизонтальную коррекцию гироскопа при виражах.
- Кажущийся уход вызван тем, что свободный трехстепенной гироскоп сохраняет направление своей оси неизменным в пространстве относительно неподвижных звезд, но отнюдь не относительно Земли и ее плоскостей. Земля сама движется в пространстве, поэтому, даже абсолютно неподвижный гироскоп в пространстве вращается относительно Земли, создавая видимое кажущееся движение своей оси. Что бы понять это явление, вспомним маятник Фуко. Качающийся маятник, это своего рода гироскоп. Поэтому, глядя на него мы можем наблюдать (если конечно находимся не на экваторе) вращение Земли вокруг своей оси.
3)Помехи магнитометров бывают следующих типов:
- промышленные (внешние электромагнитные поля) ( 50 Гц , 100 Гц, их гармоники, зеркальные частоты, импульсы при включениях и т.п.) - способы борьбы: режекторные фильтры, усиление сигналов в непосредственной близости от датчиков;
- аппаратурные (наводки по цепям питания, наводки по корпусам аппаратуры, наводки на датчики) - способ борьбы - заземление: общий принцип - заземление в одной точке.
Список литературы
1. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_01/stat_66.htm
2. http://vt-tech.eu/articles/robotic/58-accelerometers.html#h0-6---
3. http://igorkov.org/?Tekushie_proekty:Plata_datchikov
4. http://www.detect-ufo.narod.ru/pribor/magnitometr/index.html
5. http://www.avsim.su/
6. http://firsthelicopter.ru/articles/common-giro.html
7. http://zond-geo.ru
8. http://fppo.ifmo.ru/kmu/kmu6/