CC BY
5
УДК 621.389
Рогатых Н.П., к техн. н. доцент, ведущий инженер-конструктор Катав-Ивановский приборостроительный завод
Россия, г. Катав-Ивановск ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ С МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫМИ ДАТЧИКАМИ
Аннотация: В статье анализируются устройства для преобразования сигналов магниторезистивных датчиков и помехи, влияющие на точность измерений магнитного поля. Предлагаются простые и эффективные схемы детекторов сигналов датчиков.
Ключевые слова:
Магниторезисторы, датчики магнитного поля, помехи, детекторы.
Rogatykh N.P., candidate of technical sciences, associate Professor
Leading design engineer Katav-Ivanovsk instrument engineering plant
Russia, Katav-Ivanovsk FEATURES OF CONSTRUCTION OF DEVICES WITH MAGNETORESISTIVE SENSORS
Annotation: The article analyzes the device to convert the signals of the magnetoresistive sensors and the disturbances influencing the measurement accuracy of the magnetic field. There are proposed simple and effective schemes of detectors of the sensor signals.
Keywords: Magnetoresistors, magnetic field sensors, interference, detectors.
Магниторезистивные датчики обладают малым потреблением энергии, лёгкой интеграцией в различные схемы, высокой точностью измерений, большим диапазоном рабочих температур и высокой температурной стабильностью. Благодаря этим характеристикам они в настоящее время составили достойную конкуренцию феррозондам и стали широко использоваться в различных магнитометрических устройствах. Ниже мы рассмотрим особенности построения таких устройств в плане применения их для определения ориентации и перемещений подвижных объектов относительно геомагнитного поля.
Каждый магниторезистивный датчик представляет собой электрический мост, состоящий из четырёх магниторезисторов. К одной диагонали моста подключается источник питания, с другой снимаются сигналы, разность между которыми усиливается с помощью инструментального усилителя. Для обеспечения стабильной работы датчика его сердечники перемагничиваются импульсами тока, один из которых производит установку (set), а второй - сброс (reset) датчика. В результате на выходе усилителя формируется почти прямоугольный сигнал с двумя стационарными значениями
Uset = Uo + kH UBt = Uo -kH, (1)
где U0 - смещение нулевого уровня сигнала, k - коэффициент преобразования, учитывающий параметры датчика и инструментального усилителя, H - проекция вектора внешнего магнитного (геомагнитного) поля на ось чувствительности датчика. При этом в качестве информационного параметра используется разность этих значений
AU = 0,5(Uset - Urst) = kH, (2)
которая пропорциональна величине измеряемого поля, принципиально не зависит от смещения нулевого уровня сигнала инструментального усилителя, а также практически не зависит от температуры, т.к. благодаря специальному подбору резисторов в датчике одинаковые температурные изменения Uset и Urst не приводят к её изменению. Именно поэтому алгоритм (2) обеспечивает высокую точность и стабильность работы устройств с магнитометрическими датчиками.
Несмотря на это, значительное влияние на работу устройств с магниторезистивными датчиками оказывают различные помехи, которые искажают информационные сигналы и приводят к снижению точности измерений. К этим помехам относятся электрические шумы, возникающие в датчиках и инструментальных усилителях, промышленные помехи, которые накладываются на измеряемое магнитное поле, и вибрационные помехи, обусловленные воздействием на устройства механических вибраций.
Электрические шумы обуславливаются физическими процессами, протекающими в датчиках и инструментальных усилителях, и имеют существенный уровень. Например, при работе известных датчиков серии HMC100X [1] совместно с рекомендованными инструментальными усилителями AMP04 среднеквадратичные значения шумов на выходах усилителей без специальных мер их подавления могут достигать (6...7) мВ, из которых (4...5) мВ приходятся на долю усилителей [2]. Если, например, в трёхкомпонентном магнитометре информационные сигналы будут иметь такие шумы, то измеренное с его помощью направление вектора геомагнитного поля будет отличаться от истинного в лучшем случае на (6.8)0, что, очевидно, никак не соответствует современным требованиям к точности ориентации объектов.
Электрические шумы имеют характер «белого» шума. Поэтому наиболее эффективно они подавляются с помощью низкочастотной фильтрации. В частности, для снижения электрических шумов в [1] предлагается изменять амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) инструментальных усилителей в сторону подавления высоких частот за счёт использования в цепях обратной связи усилителей внешних конденсаторов. Таким путём можно подавить шумы не только инструментальных усилителей, но и датчиков. Однако, если в данном случае использовать усилители AMP04 с несимметричной внутренней структурой, то можно будет подавлять шумы
сигналов, поступающих только на инвертирующие входы усилителей, в результате чего шум сигналов на выходах усилителей составит примерно (1...2) мВ. Для получения лучших результатов совместно с магниторезистивными датчиками целесообразно использовать инструментальные усилители с симметричной внутренней структурой, например, AD623 [3].
Рассмотрим приведённую в [1] схему включения магниторезистивного датчика (Рис.1а). В ней в цепь обратной связи инструментального усилителя включен конденсатор, предназначенный для подавления шума сигнала. Вследствие этого после каждого перемагничивания датчика на выходе усилителя возникают вполне чёткие переходные процессы, сопровождающие установку очередного стационарного значения его выходного сигнала U(t) (Рис.1б). Например, переход значения сигнала от стационарного состояния Urst к Uset будет выглядеть так:
-t
Uset(t) = U0 + Uset - (Uset - Urst)e T , (3)
где т - постоянная времени, характеризующая длительность переходного процесса. Здесь она определяет частоту среза АЧХ усилителя и соответственно степень подавления электрических шумов сигнала.
Magnetic
Рис.1
Аналогичный эффект подавления электрических шумов может быть получен за счёт использования простых гс-цепей, подключаемых к выходам усилителей в качестве фильтров низких частот (ФНЧ) (Рис.1а). При этом параметры инструментальных усилителей остаются без изменений, а переходные процессы будут определяться постоянной времени т = гс.
Очевидно, что для лучшего подавления шумов необходимо увеличивать значение т. При этом становится необходимым увеличивать и временные интервалы 1;п между моментами перемагничивания датчика и моментами аналого-цифрового преобразования сигнала и(1), когда ибй, цгб1 достигают своих установившихся значений, а также увеличивать время Т между
моментами перемагничивания датчика, т.е. снижать частоту работы датчика.
В частности, для снижения шума сигнала Ц(11) до уровня примерно 1мВ может потребоваться снижение частоты перемагничивания датчика до 1.. .10 Гц. В этом случае в процессе перемещения датчика вместе с подвижным объектом значения сигнала Шй, цгб1 будут соответствовать различным значениям измеряемого поля и алгоритм (2) при определении проекции вектора поля на ось чувствительности датчика будет давать значительную ошибку. Поэтому рассмотренный способ подавления шумов целесообразно использовать только в устройствах, предназначенных для измерения медленно меняющихся магнитных полей, т.е. для определения пространственной ориентации медленно движущихся объектов.
Промышленные помехи и вибрационные помехи проявляются в виде периодических знакопеременных составляющих измеряемого магнитного поля И(ю1). Источниками промышленных помех могут быть различные электрические приборы или линии электропередач, в зоне влияния которых находятся магнитометрические устройства. Вибрационные помехи наиболее характерны для устройств, работающих, например, в составе забойных инклинометров и измеряющих геомагнитное поле в процессе бурения скважин.
Основные частоты промышленных помех лежат в пределах (50 .60) Гц, а указанных вибрационных помех - в пределах (15.25) Гц, и для их снижения уже нельзя обойтись коррекцией АЧХ усилителей. Поэтому здесь используют синхронное детектирование выходных сигналов инструментальных усилителей с последующей их фильтрацией с помощью ФНЧ [4, 5]. Сигнал на выходе соответствующего канала аналогового преобразования сигналов магниторезистивных датчиков в данном случае принимает вид
Ц вых = кк1к(ш)[И + И(ш1)] + Ц0, (4)
где к1, к(ю) - коэффициенты передачи соответственно синхронного Ц'
детектора и ФНЧ, 0 - приведенное к выходу канала суммарное смещение нулевых уровней сигналов инструментального усилителя, детектора и ФНЧ.
Основным недостатком такого преобразования является наличие
смещения Цо, которое нужно учитывать при обработке сигнала. При этом, вследствие существенной зависимости данной величины от температуры окружающей среды, следует корректировать также и её температурный дрейф, используя для этого сигнал дополнительного датчика температуры.
Следует заметить, что для определения ориентации объектов имеют значения только относительные координаты вектора геомагнитного поля. Поэтому одинаковые температурные дрейфы коэффициентов преобразования каналов обработки сигналов практически не оказывают влияния на конечный результат измерений.
Таким образом, алгоритм формирования информационного сигнала (4)
существенно проигрывает алгоритму (2), лежащему в основе построения магниторезистивных датчиков и позволяющему избавится от смещений нулевых уровней сигналов в трактах аналоговых преобразований. При этом реализация алгоритма (4) требует усложнения не только схем и калибровок устройств, но и обработки измерительной информации.
Поиск вариантов построения магнитометрических устройств, реализующих алгоритм (2) и одновременно позволяющих осуществлять фильтрацию низких частот, привёл к простому решению, основанному на разделении сигнала U(t) на две составляющие, одна из которых определяется только стационарным значением Uset, а другая - только Urst, и раздельной фильтрации этих составляющих.
Это решение воплощается с помощью схемы (Рис.2а), подключаемой к выходу инструментального усилителя (Рис.1а.). Она представляет собой двухканальный синхронный детектор и состоит из двух аналоговых ключей, управляемых в противофазе сигналом «Signal input» и разделяющих сигнал U(t) на указанные составляющие, и двух пассивных ФНЧ. Выбор именно пассивных фильтров был обусловлен здесь тем, что они не создают смещений сигналов и в то же время могут быть подключены непосредственно к входам АЦП, входные сопротивления которых в настоящее время делаются настолько большими, что они не влияют на работу этих фильтров.
Рис.2
При воздействии помех h(rot) стационарные значения сигнала U(t) будут иметь вид
Uset = U0 + k[H + h(rot)], Urst = U0 - k[H + h(fflt)]. (5)
Если предположить, что
h(rot) = Hm sin rot ^
т.е. помеха меняется по гармоническому закону с частотой ю и амплитудой Hm, величина т пренебрежимо мала по сравнению с периодом следования импульсов перемагничивания датчика T, а ФНЧ имеют одинаковые параметры, т.е. R1 = R2 = R и C1 = C2 = C, то сигналы на выходах детектора будут соответственно равны (Рис.2)
кН Т X
и* = и0 + кН + I-
8ег 0 Т | к + хс
кН 2Т х и * = и0 - кН - кНт I-с— б1п
0 Т Г) I V
1 Т К + Хс , (7)
Хс =
где юС. В результате полуразность этих сигналов, которая
используется для определения измеряемого поля Н, в соответствии с (2) составит
Ли = 0.5(и^ - иг*81) = кН + кНтЛ
(8)
л 1 2Т Хс . ^ к(ю) Г . , „ Г . , Г
Л = — I -с—Б1пш1а1 = —Б1п(ф + 2л— )Б1П(Л—)
Т I Я + Хс Л ^ ^ ^
где 0 с 1 11 (9) -
к(ю) = 1
коэффициент ослабления помехи,
>/1 + (юСЯ)2 ф = -агс^(юСЯ)
г = ^ =-!_
2п - циклическая частота помехи, 2Т - частота перемагничивания датчика.
При Я = 20к0м, С = 47мкФ и частоте перемагничивания датчика А=100Гц значения коэффициента подавления помех с частотами 50Гц и 20Гц равны соответственно А(50) = 0.048 и А(20) = 0,091. Эти значениях коэффициентов при работе схемы в условиях лаборатории с большим количеством работающих электронных приборов и компьютеров позволяют получить помехи сигналов её выходах на уровне 0,5мВ, что обеспечивает высокую точность измерений при калибровке и поверке магнитометрических устройств, а в условиях вибраций со средней частотой примерно 20Гц и ускорениями 15...20g, на уровне (1...1,5)мВ, что при использовании рассмотренной схемы в инклинометрах обеспечивает точную ориентацию буровых инструментов в процессе бурения скважин.
В силу того, что сигнал и(1) - однополярный, в ФНЧ схемы можно использовать полярные конденсаторы большой ёмкости, увеличив тем самым эффективность подавления различных помех.
Напряжения на выходах ФНЧ равны средним значениям сигнала и(1) за соответствующие промежутки времени 11.12 и 12.13, длительности которых равны Т (Рис.2б). В частности, значение сигнала на конденсаторе С1 без учета действующих помех составляет
-Т
и*е1 = и + и8е1 - (и8е1 - и^)^(1 - е^)
Т (10) и зависит от отношения т к Т. Поскольку т определяется параметрами
датчика, цепей перемагничивания датчика и инструментального усилителя, то изменения этих параметров из-за воздействия температуры, а также вследствие использования датчиков и усилителей различных типов и разброса параметров используемых элементов будут приводить к неодинаковым изменениям сигналов на выходах детектора и соответствующим погрешностям измерения поля.
Для минимизации этих погрешностей целесообразно воспользоваться двумя путями. Первый из них очевиден и сводится к увеличению Т по отношению к т, т.е. снижению частоты работы датчика. При этом для получения хороших результатов достаточно выполнить условие Т > 100т. Второй путь заключается в формировании задержек открывания ключей детектора относительно моментов появления импульсов перемагничивания датчика на время, в течение которого завершаются переходные процессы. Он реализуется с помощью схемы (Рис.За), в которой импульсы управления ключами формируются посредством одновибратора и имеют укороченную
длительность (Т - т1) (Рис.36), где Т1
Рис.3
В данной схеме переходные процессы не участвуют в формированиии выходных сигналов детектора, и значения сигналов всегда равны
и* = и
соответствующим стационарным значениям сигнала И(1) ( ^ 8е1, И * = И
), которые определяются только достаточно стабильными параметрами датчика и инструментального усилителя. Благодаря этому такой подход к построению схемы детектора позволяет при соответствующем подборе временных характеристик и параметров ФНЧ измерять переменные магнитные поля с относительно высокими частотами до 0,5.. .1,0 кГц.
Детекторы, выполненные по схеме на Рис.1а, были использованы в трёхкомпонентном магнитометре забойного кабельного инклинометра (НИИ Технических Систем «Пилот», г. Уфа, 2016 г.). При этом магнитометр обеспечивал измерение направления вектора геомагнитного поля с погрешностью не более 0,40 в диапазоне температур (20.140)0С. Детекторы с более сложной схемой (Рис.За) используются в настоящее время в
электронном компасе и девиационном магнитометре (Катав-Ивановский Приборостроительный Завод).
Использованные источники:
1. 1- and 2-Axis Magnetic Sensors.URL: http://www.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/pdf/167567/HONEYWELL/HMC1001.html;
2. Single Supply Instrumentation Amplifier URL: https:// www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/48926/AD/AMP04.html;
3. Single Supply, Rail-to-Rail, Low Cost Instrumentation Amplifier, URL: http://html.alldatasheet.eom/html-pdf/48093/AD/AD623/19/1/AD623. html;
4. Воробьев А.В. Модуль аналоговой обработки информационного сигнала для геоинформационных магнитометрических систем / А.В. Воробьев // Датчики и системы. - 2013. - № 2;
5. Воробьев А.В. Анализ и параметрический синтез модуля аналоговой обработки информационного сигнала для геоинформационных магнитометрических систем / Воробьев А.В. // Вестник УГАТУ. - 2013. - №1. - С. 150-157.
