Наш сайт доступен

на

52 языках

 

Visual Basic Рейтинг сайтов Наука / Образование

Техника и приборы

Устройство для определения вектора МП с применением элемента холла.

 

Для измерения направления В могут быть использованы элементы Холла, у которых диаграмма направленности близка к идеальной в слабых магнитных полях. При этом принципиально возможны два способа определения направления вектора В: по максимуму или по минимуму выходной величины.    Известно, что чувствительность к углу поворота Sα элемента Холла является функцией угла а между направлениями В магнитной оси элемента i°m: Sα=SBxBxsinα    Следовательно, если определение направления В производится по максимуму выходной величины (α—0), то чувствительность Sα оказывается стремящейся к нулю. С учетом этого в подавляющем большинстве случаев направление вектора В определяется по минимуму выходной величины элемента Холла. Тогда Sα достигает своего максимального значения Sαmax= SB x В.   В настоящее время наибольшее значение магнитной чувствительности SB (примерно 5 В/Тл) получено у пленочных элементов Холла, изготовленных из антимонида индия.     Таким образом, наибольшее достижимое значение Sαmax, скажем, при измерении направления горизонтальной составляющей магнитной индукции поля Земли BXY = 0,15x10-4 Тл в районе г. Санкт-Петербурга равно 75x10-6 В/рад = 1,3 В/градус.    Порог чувствительности элемента Холла по углу поворота, как и в любом другом случае, определяется соотношением между Sα и нестабильностью (дрейфом) его нулевого сигнала Uo. Если элемент Холла питать от источника переменного тока, позволяющего исключить взаимное влияние на нулевой сигнал элемента термо-ЭДС и термомагнитных явлений, то значение ΔU0 будет определяться главным образом дрейфом напряжения неэквипотенциальности UOCT. У лучших экземпляров пленочных ЭХ из антимонида индия эта величина даже при практически неизменной температуре окружающей среды за время измерения лежит в пределах (1-2)х10-7 В. Следовательно, наименьший порог чувствительности элемента Холла по углу поворота при измерении той же горизонтальной составляющей BXY может быть равен 5-10'.    Чувствительность измерительного устройства, в котором используется элемент Холла, может быть резко увеличена путем применения концентраторов магнитного потока, выполняемых в виде стержней из материала с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Так, например, применение концентратора из пермаллоя или феррита длиной 500 мм и сечением 50 мм2 дает увеличение чувствительности примерно в 103. Однако снижения порога чувствительности при этом не происходит. Более того, он достигает 0,5° в поле Земли, чтообъясняется нестабильностью нулевого сигнала измерительного устройства в результате гистерезисных явлений в концентраторе. Определение направления вектора магнитной индукции, как правило, имеет смысл только в том случае, если оно производится относительно вполне определенной системы координат. В качестве такой системы можно использовать систему, образованную направлениями осей каких-либо объектов или систему физических векторов, расположение которых заранее известно. Например, при измерении вектора магнитной индукции поля Земли Вт используют прямоугольную систему координат, образованную двумя совпадающими по направлению с географическим меридианом и местной вертикалью векторами и третьим вектором, перпендикулярным к ним. В этом случае направление Вт задается двумя углами: углом между проекцией Вт на горизонтальную ось и магнитным меридианом (склонение) и углом между Вт и местной вертикалью (наклонение).     Весьма часто возникает и другая задача, когда относительно известного направления В требуется определить направление оси объекта. При этом в навигации и некоторых других областях практической деятельности для определения направления оси обычно пользуются азимутом (углом между осью объекта и местной вертикалью). Оригинальное устройство, позволяющее решить эту задачу, приведено на рис. 1.    Устройство (рис. 1) включает в себя четыре дискретных элемента Холла 1-4. Два из них (1, 2) закреплены на карданном подвесе 3 (4 - оси карданного подвеса) и находятся внутри воздушного зазора магнитной системы 5, жестко связанной с объектом б, так что направление В перпендикулярно оси объекта. Два других элемента Холла (8, 9) жестко скреплены с концентраторами, перпендикулярными их плоскости.    Из рис. 1 видно, что концентратор 12 перпендикулярен плоскости элемента Холла 8, а концентратор 11 - плоскости элемента 9. Элементы Холла 1 и 2 жестко связаны немагнитным стержнем 7 с элементами 8 и 9.    Плоскости элементов Холла 1 и 2 и соответственно 8 и 9 взаимно перпендикулярны, что достигается путем наклеивания их на смежные грани кубиков 13. Благодаря грузу 10 стержень и, следовательно, плоскости элементов Холла всегда занимают вертикальное положение.    Токовые цепи элементов Холла 1, 8 и 2 включены попарно последовательно и питаются токами I1 и I2, сдвинутыми относительно друг друга на угол Π/2, то есть если (6.5) Рис. 19. Устройство для определения направления оси объекта контроля: а - конструкция; б - расположение осей.    Холловские электроды элементов 1, 2 и 8, 9 тоже соединены последовательно и согласованно, так что на выходе элементов Холла 1 и 2 имеется суммарная ЭДС равная (6.6) где φ - угол между Вх и проекцией магнитной индукции поля Земли Вт на горизонтальную плоскость; γ - Угол азимута; κ - постоянный коэффициент.     Поскольку элементы Холла 8 и 9 реагируют на составляющую магнитной индукции, параллельную осям соответствующих концентраторов, то их суммарная ЭДС равна: (6-7)     Таким образом, измерив фазометром разность фаз между еI и еII, можно определить угол Y     Модуль еI измеряемый милливольтметром, пропорционален синусу зенитного угла Θ.     Элементы Холла находят широкое применение в различных системах ориентации. Для этого специально разработаны ЭХ, регистрирующие магнитное поле в двух или в трех взаимно перпендикулярных осях. При этом первые условно можно называть двухкоординатными, а вторые - трехкоординатными приборами.      Зарубежными фирмами выпускается широкая номенклатура таких приборов. В качестве примеров можно назвать двухкоординатные ЭХ типа ВН-706 (фирма F. W. Bell) или трехкоординатные ЭХ типа ВН-703 (фирма F. W. Bell) и 3D-H-10 (фирма Sentron AG). Более совершенными приборами признаны интегральные датчики, реализованные на основе ЭХ. Конструкция таких датчиков, кроме интегрального элемента Холла, содержит схемы предварительного усиления и обработки сигнала. Примерами интегрального ориентационного датчика могут служить магнитные датчики типа 1490, 1525 и 1625, выпускаемые фирмой Dinsmore Instrument Co. Датчики данной серии размещаются в миниатюрном корпусе и содержат все необходимые элементы. Сигнал на выходе датчика может выдаваться в аналоговой форме (1525 и 1625) и в цифровой форме (1490). Напряжение питания датчиков составляет 5В для типа 1525 и 1625 и 5-18 В - для типа 1490 при потребляемом токе до 30 мА. Датчики могут работать при наклоне до 12°относительно поверхности Земли. Внешний вид и выходная характеристика датчиков типа 1525 даны на рис. 2. Рис. 2. Датчик типа 1525: а - внешний вид; б - выходная характеристика   Наиболее совершенным вариантом считается интеллектуальный датчик магнитного поля Земли типа EMF-01, выпускаемый нидерландской фирмой Xensor Integration bv. Датчик размещается в пластмассовом корпусе, выполненном в виде куба. Внешний вид датчика приведен на рис. 3. Рис. 3. Внешний вид датчика магнитного поля Земли типа EMF-01    В корпусе датчика размещаются два кремниевых кристалла размером 4x4 мм, каждый из которых расположен на отдельной гибкой подложке. В кристалле сформированы интегральный элемент Холла и схема усиления и обработки сиг- нала. Кристаллы размещаются в корпусе датчика под углом 90° друг к другу. В том же корпусе находится и микропроцессор. Напряжение питания датчика - 5 В, ток потребления - не более 3 мА. Датчик может работать при наклоне до 45° относительно поверхности Земли. Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.