Устройство для измерения величины и направления магнитных полей

 

Изобретение может быть использовгно в устройствах, использующих эффект Холла с целью измерения величины и направления магнитных полей. Устройство содержит источник 1 тока, зонд 2 с закрепленными на нем датчиками 3, 4 Холла, усилители 5, 6, пиковые детекторы 7, 8, измерительную цепь 11 в виде цифрового вольтметра с регулируемой чувствительностью, ключи 9, 10, блок 12 сравнения. При этом зонд 2 установлен с возможностью вращения вокруг выбранной оси. Устройство имеет повьшенную точность измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5П 4 6 01 R 33/06

g P r

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ т «3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1г/

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2? ) 4120815/24-21 (22) 20.06.86 (46) 30.06.88. Бюл. !«!« 24 (72) Ю.Л. Трубки и Ю.Ф. Башков (53) 621.317.44 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 960679, кл. С 01 R 33/06, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Ф 416639, кл. G 01 R 33/Об, 1971. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (57) Изобретение может быть использовгно в устройствах, использующих

„„SU, 1406545 А1 эффект Холла с целью измерения величины и направления магнитчых полей.

Устройство содержит источник 1 тока, зонд 2 с закрепленными на нем датчиками 3, 4 Холла, усилители 5, 6, пиковые детекторы 7, 8, измерительную цепь !1 в виде цифрового вольтметра с регулируемой чувствительностью, ключи 9, 10, блок 12 сравнения. При этом зонд 2 установлен с возможностью вращения вокруг выбранной оси. Устройство имеет повышенную точность измерения. 1 э.п. ф-лы, 2 ил.

1406545

Изобретение относится к магнитным измерениям. Оно предназначено для измерения в устройствах, использующих эффект Холла с целью измерения величины и направления магнитных полей.

Цель изобретения — повышение точности измерения величины и направления магнитного поля — достигается тем, что датчики Холла располагаются в плоскостях, пересекающихся по оси вращающегося зонда под одинаковыми углами относительно установленного нулевого направления, и вводится режим автоматической калибровки показанкй измерительной цепи за счет отрицательной обратной связи путем подключения выходов блока сравнения к соответствующим входам управления, 2 измерительной цепи и выбором режима измерения ключами.

На фиг. l представлена блок-схема, устройства; на фиг. 2 — зонд, выполненный в виде цилиндра. 2

Устройство содержит источник 1 тока, зонд 2 с закрепленными на нем первым и вторым датчиками 3, 4 Холла Ф 5 у первый и второй усилители 5, 6, первый и второй пиковые детекторы 7, 8, первый и второй ключи, 9, 10, измерительную цепь ll, блок 12 сравнения, цополнительные входы 13 управления.

Первый измерительный канал включает в себя подключенные последовательно первый датчик 3 Холла, первый усилитель 5, первый пиковый детектор

7, пE.ðâûé ключ 9. Первый ключ 9 подключен к одному из выходов первого усилителя 5 или первого пикового детектора 7 и к первому . входу измерительной цепи 11. Второй измерительный канал включает в себя подключенные последовательно второй датчик Холла 4, второй усилитель 6, второй пиковый детектор 8, в.орой ключ 10 причем второй ключ 10 подключен к одному из выходов усилителя 6 или второго пикового детектора

8 и второму входу измерительной цепи 11. Выходы измерительной цепи ll подключены к основным входам блока.

12 сравнения. Выходной код измерительной цепи ll дает информацию о величине и направлении магнитных полей. В блоке 12 сравнения имеются дополнительные входы 13 управления.

Блок 12 сравнения оценивает разбаланс кодов, подаваемых по основным и дополнительным входам 13 управления.

Подключением выходов блока 12 сравнения к соответствующим входам управления измерительной цепи 11 осуществляется отрицательная обратная связь.

Дифференциальная схема в данном устройстве позволяет достичь того, что на результаты измерений практически не влияет дрейф напряжения первого и второго усилителей 5, 6 и перного и второго пиковых детекторов 7, 8. Это достигается тем, что источник 1 тока задает в первом и втором датчиках 3, 4 Холла одинаковый постоянный ток. Датчики 3, 4 Холла выбираются из одной партии с идентичными параметрами. Усилители 5, 6 имеют стабильные коэффициенты усиления, балансировку куля. Они вь полнены на идентичных элементах так, ч-.обы их дрейф напряжения был минимальным и равным.

Первый и второй пиковые детекторы

7, 8 предназначены для фиксации максимальных значений напряжений, снимаемых на выходах первого и второго усилителей 5, 6. С целью повышения точности измерения величины и направления магнитных полей диапазон напряжений, подаваемых с выходов первого и второго пиковых детекторов 7, 8 через первый и второй ключи 9, 10, увеличен. Это достигается тем, что первый и второй пиковые детекторы

7, 8 фиксируют максимальные, противоположные по энаку значения напряжений. Первый и второй пиковые детекторы 7, 8 построены на идентичных элементах так, чтобы их дрейф напряжения на выходе был минимальным и равным.

При измерении направления магнитных полей калибровка осуществляется подстройкой чувствительности измерительной цепи !!. После калибровки чувствительность этой цепи устанавливается обратно пропорциональной величине магнитной индукции измеряемого поля. После калибровки показания измерительной цепи 11 равны коду, поданному на дополнительные входы 13 управления блока 12 сравнения. Источник 1 тока предназначен для задания равного номинального постоянного тока в датчиках 3, 4 Холла. Первоначально в устройстве находят нулевое направление. Выходы первого и второго!

4065 усилителей 5, 6 подключены через первый и второй ключи 9, 10 к перво му. и второму входу измерительной цепи 11 °

Оба датчика 3, 4 Холла ориентируют относительно однородного плоскопараллельного магнитного поля, так, чтобы на выходе измерительной цепи 11 появился нулевой код. В этом случае датчики 3, 4 Холла направлены под одинаковым углом к магнитному полю.

Направление ориентации датчиков 3, 4

Холла при котором на выходе измери1„ тельной цепи 11 нулевой код, соответствует установленному нулевому направлению. Для более точного нахождения нулевого направления в измерительной цепи 11 устанавливают последовательно более высокую чувствительность. 20

Настройка устройства для измерения величины и направления магнитных полей осуществляется однократно в отсутствии магнитного поля и известным однородным плоскопараллельным магнит- 25 ным полем. Выходной код измерительной цепи 11 в этих случаях получается равным нулю, или величине магнитного поля, или направлению магнитного поля. После этого устройство готово к работе.

Работа устройства начинается с измерения величины магнитного поля. Выходы первого и второго пиковых детекторов 7, 8 соединены через первый и второй ключи 9, 10 соответственно с первым и вторым входами измерительной цепи 11. Пиковые детекторы 7, 8 перед работой сбрасываются в нуль. Выходы управления измерительной цепи

ll находятся в состоянии высокбго импеданса. Зонд 2 с закрепленными на нем первым и вторым датчиками 3, 4

Холла вращается относительно выбранной оси в измеряемом магнитном поле. 45

3а период вращения каждый из датчиков 3, 4 Холла ориентируется перпендикулярно магнитному полю. Пиковые детекторы 7, 8 запоминают максимальные противоположные по знаку значения напряжений, получаемых на выходах первого и второго усилителей 5, 6 соответственно. Максимальный сигнал, поступающий с выходов пиковых детекторов 7, 8 на первый и второй входы измерительной цепи 11, соответствует величине магнитного поля.

Измерительная цепь ll представляет собой цифровой вольтметр с peryр«. „-П1) =рВ.С, а. »n(e р)- (1}

--p.Â.Ñ,ak sin(a -p)=2pB)ak созо(. sing, где напряжение, измеренное измерительной цепью 11; чувствительность измерительной цепи.11; напряжение на выходе усилителя 5, определяемое величиной магнитного поля; напряжение на выходе усилителя б, определяемое величиной магнитного поля; магнитная индукция; плотность тока, текущего в датчиках 3, 4 Холла; угол между плоскостями, в которых расположены датчики 3, 4 Холла, и найденным нулевым направлением; угол между найденным нулевым направлением и направлением магнитного поля; постоянная Холла; ширина датчиков Холла; коэффициенты усиления усилителей 5, 6. алых углов код на выходе из1 ной цепи 11 определяется выU—

U—

1 а—

Для м меритель ражением

С р sin p C1 р, (2)

С = 2В С, ak cosg, где

После измерения величины магнитного поля устройство измеряет направление магнитного поля. Блок 12

4 лируемой чувствительностью. Автоматическое изменение чувствительности измерительной цепи 11 осуществляется подачей на ее входы управления кода с выходов блока 12 сравнения. При изменении чувствительности вручную входы управления измерительной цепи

11 находятся в высокоимпедансном состоянии, Пусть найденное нулевое направление расположено под углом Р к направлению поля. Тогда на первый и второй входы измерительной цепи 11 подается напряжение U u U . .На выходе измерительной цепи 11 код равен величине U и прясло пропорционален чувствительности измерительной цепи 11.

Измерение направления магнитного поля описывается математически следующим образом:

1406545

55 сравнения содержит основные и дополнительные входы 13 управления. Основные входы подключены к соответствующим входам измерительной цепи 11. На дополнительные .входы 13 управления блока 12 сравнения подается .код, по которому проводится калибровка выходного кода измерительной цепи 11.

Блок 12 сравнения оценивает разбаланс кодов, поданных на основные и дополнительные входы 13 управления, и выдает соответствующие сигналы управления. Сигналы управления поступают на входы управления измерительной цепи 11. С первого выхода блока 12 сравнения поступает сигнал равенства кодов, подаваемых на основные и дойалнительные входы блока 12 сравне1 .ния. С второго выхода блока 12 сравкения поступает сигнал о там, какой код больше на основных или дополнительных входах 13 управления. C третьего выхода блока 12 сравнения поступает сигнал о том, равны или нет первые разряды этих кодов. С четвертого выхода блока 12 сравнения поступает сигнал о том, равны или нет вторые разряды этих кодов и так далее. С последнего выхода блока сравнения поступает сигнал а том, равны или нет последние разряды этих кодов. Выходы управления измерительной цепи выключены из состояния высокого импеданса и по ним калибруется код на выходе измерительной цепи

11. Калибровка заключается в регулировке коэффициента пропорциональности между магнитной индукцией и кодом на выходе измерительной цепи ll. Изменением чувствительности этой цепи осуществляют регулировку ее выходного кода в широком диапазоне. Если код на основных входах блока 12 сравнения больше, чем код на его дополнительных входах, то за счет отрицательной обратной связи чувствительность измерительной цепи 11 уменьшается.

Если код на основных входах блока 12 сравнения меньше, чем код на ег6 дополнительных входах, та за счет отрицательной обратной связи чувствительность измерительной цепи 11 увеличивается.

Калибровка происходит до тех пор, пока коды, подаваемые на основные и дополнительные входы блока 12 сравнения, не будут, равны между собой.

После этого входы управления измерительной цепи 11 переходят в состояние высокого импеданса. Прекращается вращение зонда 2 с зафиксированными на нем первым и вторым датчиками 3, 4 Холла. Чувствительность измерительной цепи 11 после этого фиксируется.

Выходы усилителей 5, 6 соединены ключами 9, !О с первым и вторым входом измерительной цепи 11. Затем в соответствии с диапазоном измерения направления магнитного поля дискретно изменяется чувствительность измерительной цепи 11. При измерении направления магнитного поля код на выходе измерительной цеги 11 зависит только от направления магнитного поля. Коэффициент пропорциональности между этим коцом и направлением магнитного поля не зависит от величины магнитного поля, так как чувствительность измерительной цепи 11 обратно пропорциональна величине поля. Код на выходе измерительной цепи ll соответствует направлению магнитного поля относительно установленного нулевого направления. формула изобретения

l. Устройство для измерения величины и направления магнитных полей, содержащее источник тока, подключенный к нему зонд с закрепленными на нем первым и вторым датчиками Холла, подключенные к их выходам соответственно через первый и второй усилители первый и второй пиковые детекторы, а также измерительную цепь, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения величины и направления магнитных полей, в него введены первый и второй ключи и блок сравнения, а зонд установлен с вазможностью вращения вокруг выбранной оси, датчики Холла расположены в плоскостях, пересекающихся по оси вращения зонда под одинако выми углами к установленному нулевому направлению, при этом выход первого ключа подключен к первому входу измерительной цепи, первый вход — к входу первого пикового детектора, второй вход — к выходу пикового детектора, выход второго ключа подключен к второму входу измерительной цепи, его первый вход — к выходу второго усилителя, второй вход второго ключа — к выходу второго пикового детектора соответственно, выходы изме1406545

Составитель Г. Павлов

Редактор M. Циткина Техред Л.Сердюкова Корректор В. Гирняк

Тираж 772

Заказ 3189/42 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4. рительной цепи подключены к соответствующим входам блока сравнения, а выходы последнего — к соответствующим входам управления измерительной цепи.

2. Устройство по п. 1, о т л и— .ч а ю щ е е с я тем, что измерительная цепь выполнена в виде цифрового вольтметра с регулируемой чувствительностью.