Устройство для измерения величины и направления магнитных полей

( 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯИ НАПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫХИзобретение может быть ио в устройствах, использ с регулируключи 9, 10этом зондвращения воройство имеизмерения. ЧИНЫ(57)зовгн ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ Н АВТОРСКОМУ СВ ССР82,Р71.ВЕЛИОЛЕЙпольэффект Хо чины и на Устройств зонд 2 с ками 3, 4 ковые дет цепь 11 ла с целью измерения велиравления магнитчых полей. содержит источник 1 тока, акрепленными на нем датчиХолла, усилители 5, 6, пикторы 7, 8, измерительную виде цифрового вольтметра емой чувствительностью,блок 12 сравнения. При 2 установлен с возможностью круг выбранной оси. Устет повышенную точность 1 э.п. ф-лы, 2 ил.10 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, 1 представлена блок-схема, устройства; на фиг. 2 - зонд, выполненный в виде цилиндра. 2Устройство содержит источник 1 тока, зонд 2 с закрепленными на нем первым и вторым датчиками 3, 4 Холлау первый и второй усилители 5, 6, первый и второй пиковые детекторы 7, 8, 3 первый и второй ключи, 9, 10, измерительную цепь 11, 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 первый 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 1 О, 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 11 подключены к основным входам блока.12 сравнения. Выходной код измерительной цепи 11 дает информацию о величине и направлении магнитных по 5 лей. 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 данномустройстве 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 второмдатчиках 3, 4 Холла одинаковый постоянный ток. Датчики 3, 4 Холла выбираются из одной партии с идентичнымипараметрами, Усилители 5, 6 имеютстабильные коэффициенты усиления,балансировку куля. Они вьполнены наидентичных элементах так, чтобы ихдрейф напряжения был минимальным иравным.Первый и второй пиковые детекторы7, 8 предназначены для фиксации максимальных значений напряжений, снимаемых на выходах первого и второгоусилителей 5, 6. С целью повышенияточности 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, чтопервый и второй пиковые детекторы7, 8 фиксируют максимальные, противоположные по энаку значения напряжений. Первый и второй пиковые детекторы 7, 8 построены на идентичныхэлементах так, чтобы их дрейф напряжения на выходе был минимальным иравным,При измерении направления магнитных полей калибровка осуществляется подстройкой чувствительности измерительной цепи 1. 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 второго4065усилителей 5, б подключены черезпервый и второй ключи 9, 10 к перво му, и второму входу измерительной цепи 11Оба датчика 3, 4 Холла ориентируютотносительно однородного плоскопараллельного магнитного поля, так, чтобына выходе измерительной цепи 11 появился нулевой код. В этом случаедатчики 3, 4 Холла направлены пододинаковым углом к магнитному полю.Направление ориентации датчиков 3, 4Холла при котором на выходе измерительной цепи 11 нулевой код, соответствует установленному нулевому направлению. Для более точного нахождения нулевого направления в измерительной цепи 11 устанавливают последовательно более высокую чувствительность. 20Настройка устройства для измерения величины и направления магнитныхполей осуществляется однократно в отсутствии магнитного поля и известнымоднородным плоскопараллельным магнитным полем. Выходной код измерительной цепи 11 в этих случаях получаетсяравным нулю, или величине магнитногополя, или направлению магнитного поля. После этого устройство готово кработе,Работа устройства начинается с измерения величины магнитного поля, Выходы первого и второго пиковых детекторов 7, 8 соединены через первый ивторой ключи 9, 10 соответственно спервым и вторым входами измерительнойцепи 11. Пиковые детекторы 7, 8 перед работой сбрасываются в нуль. Выходы управления измерительной цепи 4011 находятся в состоянии высокогоимпеданса. Зонд 2 с закрепленными нанем первым и вторым датчиками 3, 4Холла вращается относительно выбранной оси в измеряемом магнитном поле. 45За период вращения каждый из датчиков 3, 4 Холла ориентируется перпендикулярно магнитному полю. Пиковыедетекторы 7, 8 запоминают максимальные противоположные по знаку значения напряжений, получаемых на выходахпервого и второго усилителей 5, 6 соответственно. Максимальный сигнал,поступающийс выходов пиковых детекторов 7, 8 на первый и второй входыизмерительной цепи 11, соответствуетвеличине магнитного поля.Измерительная цепь 11 представляет собой цифровой вольтметр с регу р.1-П 1) =рВ.С, а.к яЫ(+р)- (1),ц.В,С,а 1 яЫ(-р)=2 рВаК созе(япр,где П - напряжение, измеренное измерительной цепью 11;р - чувствительность измерительной цепи.11;П - напряжение на выходе усилителя 5, определяемое величиной магнитного поля;11 - напряжение на выходе усили 1теля б, определяемое величиной магнитного поля;В - магнитная индукция;- плотность тока, текущего вдатчиках 3, 4 Холла;Ы - угол между плоскостями, вкоторых расположены датчики 3, 4 Холла, и найденнымнулевым направлением;- угол между найденным нулевым направлением и направлением магнитного поля;С - постоянная Холла;а - ширина датчиков Холла;к - коэффициенты усиления усилителей 5, 6,Для малых углов код на выходе измерительной цепи 11 определяется вы- ражением С 1 р я 1 пС 1 р, (2)С = 2 ВС,аК соя,где После измерения величины магнитного поля устройство измеряет направление магнитного поля. Блок 12 454лируемой 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 угломк направлению поля. Тогда на первый и второй входы измерительной цепи 11 подается напряжение 3 и 11 . На выходе измерительной цепи 11 код равен величине 11 и прясло пропорционален чувствительности измерительной цепи 11.Измерение направления магнитного поля описывается математически следующим образом:5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сравнения содержит основные и дополнительные входы 13 управления. Основные входы подключены к соответствующим входам измерительной цепи 11. Надополнительные .входы 13 управленияблока 12 сравнения подается .код, покоторому проводится калибровка выходного кода измерительной цепи 11.Блок 12 сравнения оценивает разбаланскодов, поданных на основные и дополнительные входы 13 управления, и выдает соответствующие сигналы управления. Сигналы управления поступаютна входы управления измерительнойцепи 11, С первого выхода блока 12сравнения поступает сигнал равенствакодов, подаваемых на основные и доволнительные входы блока 12 сравне.ния. С второго выхода блока 12 сравкения поступает сигнал о том, какойкод больше на основных или дополнительных входах 13 управления. Стретьего выхода блока 12 сравненияпоступает сигнал о том, равны илинет первые разряды этих кодов. С четвертого выхода блока 12 сравненияпоступает сигнал о том, равны илинет вторые разряды этих кодов и такдалее, С последнего выхода блокасравнения поступает сигнал о том,равны или нет последние разряды этихкодов. Выходы управления измерительной цепи выключены из состояния высокого импеданса и по ним калибруется код на выходе измерительной цепи11, Калибровка заключается в регулировке коэффициента пропорциональности между магнитной индукцией и кодомна выходе измерительной цепи 11, Изменением чувствительности этой цепиосуществляют регулировку ее выходногокода в широком диапазоне, Если кодна основных входах блока 12 сравнения больше, чем код на его дополнительных входах, то за счет отрицательнойобратной связи чувствительность измерительной цепи 11 уменьшается.Если код на основных входах блока 12сравнения меньше, чем код на его дополнительных входах, то за счет отрицательной обратной связи чувствительность измерительной цепи 11 увеличивается,Калибровка происходит до тех пор,пока коды, подаваемые на основные идополнительные входы блока 12 сравнения, не будут, равны между собой,После этого входы управления измерительной цепи 11 переходят в состояние высокого импеданса, Прекращаетсявращение зонда 2 с зафиксированнымина нем первым и вторым датчиками 3,4 Холла. Чувствительность измерительной цепи 11 после этого фиксируется.Выходы усилителей 5, 6 соединеныключами 9, О с первым и вторым входом измерительной цепи 11. Затем всоответствии с диапазоном измерениянаправления магнитного поля дискретно изменяется чувствительность измерительной цепи 11. При измерении направления магнитного поля код на выходе измерительной цеги 11 зависит только отнаправления магнитного поля, Коэффициент пропорциональности между этимкоцом и направлением магнитного поляне зависит от величины магнитногополя, так как чувствительность измерительной цепи 11 обратно пропорциональна величине поля. Код на выходеизмерительной цепи 1 соответствуетнаправлению магнитного поля относительно установленного нулевого направления,Формула изобретения1. 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 возможностью 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 чае. 2 Составитель Г. ПавловРедактор М. 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, Раушская наб д, 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 рительной цепи подключены к соответствующим входам блока сравнения, авыходы последнего - к соответствующим входам управления измерительнойцепи,82. 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.