Разработка прибора для определения магнитного поля Земли

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Одним из видов современных навигационных систем являются магнитные навигационные системы. Несмотря на то, что по точности определения местоположения объекта они уступают спутниковым навигационным системам, магнитные навигационные системы имеют и ряд достоинств. Главным из них является автономность, т.е. независимость от каких-либо внешних источников информации. В большинстве случаев на движущихся объектах магнитная навигационная система используется как дублирующая или запасная, тогда когда невозможно получить сигнал со спутника (под землей, в тоннелях, плохих погодных условиях и т.д.). Магнитные навигационные системы, в качестве первичной информации используют параметры магнитного поля Земли.

Наблюдение и использование магнитных явлений является одной из древнейших отраслей человеческих знаний. Уже в III в. до н. э. в Китае применяли магнитный компас, который состоял из круглой ложки с короткой ручкой, выполненной из магнитного железняка. В Европе компас стал известен лишь в XII в. До конца XVIII в. все геомагнитные наблюдения сводились к измерению магнитного склонения и наклонения. Лишь в 1785 г. Кулоном [1] был предложен метод измерения напряженности геомагнитного поля, основанный на определении периода свободных колебаний магнита или магнитной стрелки относительно точки опоры.

Индукция магнитного поля Земли составляет величину порядка 40-103 нТл (0,4 Гс) и относится к слабым магнитным полям. Измерение величины и направления индукции магнитного поля осуществляется с помощью специальных систем - магнитометров. Основой любого магнитометра является датчик магнитного поля -- устройство, создающее электрический сигнал, характеристики которого зависят от величины индукции магнитного поля (обычно одной из его проекций на некоторое выделенное направление). В магнитометре также должно быть устройство, измеряющее этот сигнал и устройство отображения, переводящее электрический сигнал в численное значение измеряемой индукции магнитного поля. В магнитометре также должны быть предусмотрены устройства его настройки и калибровки [2].

Применение магнитометров для навигации, очень перспективно. Разработан целый ряд конструкций магнитных компасов с высоким, разрешением по углу, на основе которых создаются схемы управления движением различных аппаратов [2].

Для обеспечения приемлемой точности навигации требуется датчик, позволяющий уловить изменение угла положения на 0,1°, имеющий низкий гистерезис (<0,05%) и высокую степень линейности (ошибка <0,5%).

Существуют различные типы датчиков, служащие для измерения магнитных полей, основными из которых являются: магнитомеханические, индукционные, феррозондовые, гальваномагнитные: магниторезистивные, датчики Холла, а также типа SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices - квантовые интерференционные устройства на основе сверхпроводимости), [3-13].

Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Принцип работы магниторезистивных датчиков 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 [14].

Основой компаса является двухканальный магниторезистивный датчик НМС1002, позволяющий измерять одновременно напряжённость магнитного поля по осям Х и Y. Далее сигнал через мост поступает на нормирующий преобразователь (НП), где усиливается. В системе два магниторезистивных моста, по этому требуется коммутатор (К), с его выхода сигнал подаётся АЦП (см. Рис. 1) Полученные с выхода АЦП значения поступают на микроконтроллер (МК), имеющий порт для внутрисхемного программирования и производящий требуемые математические вычисления. Результат вычисления азимута по последовательному порту выводится непосредственно в систему навигации или на устройство отображения.

магнитный навигационный датчик

Рис. 1. Структурная схема канала измерения геомагнитного поля земли

При воздействии на магниторезистивный датчик сильного внешнего магнитного поля может наблюдаться эффект остаточной намагниченности, что связано с внутренней структурой пермаллоя. Устройство размагничивания убирает эффект остаточной намагниченности, наблюдающийся после воздействия сильного магнитного поля

Нормирующий преобразователь выполнен на усилителе LM324B [15], 12 разрядный АЦП входит в состав микроконтроллера ADuC812 [16]. Особенность микроконтроллера и усилителей в том, что у них однополярное питание +5В. Для обмена данных микроконтроллера с USB устройствами подключена микросхема CP2101, представляющая собой преобразователь сигналов USB в сигналы UART.

Сам интерфейс USB соответствует спецификации 2.0. Он обеспечивает передачу данных на скорости до 12 Мбит/с. Интерфейс содержит встроенную систему защиты и не требует внешних элементов.

Выходной последовательный интерфейс UART вырабатывает полный комплект сигналов интерфейса RS232C. Формат передачи данных - восемь бит + один стоп-бит. Интерфейс может работать с контролем на четность, на нечетность или без контроля. Интерфейс обеспечивает работу на скоростях от 300 бит/с до 921,6 Кбит/с. Имеются два внутренних буфера оперативной памяти по 512 байт каждый на прием и передачу соответственно. Обеспечивается также аппаратный контроль передачи [17].

Устройство размагничивания выполнено на базе микросхем IRF7105 [18] и MAX662A [19].

Литература

1. Афанасьев Ю.В, Студенцов Н.В. Средства измерения параметров магнитного поля. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979.-320 с.

2. Романченко Лариса Александровна Улучшение характеристик датчиков измерения слабых магнитных полей // Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления :Диссертация.-Саратов, 2008.-132 с

3. Магниторезистивный датчик: пат. № 6 692 847 США: НКИ 428/692, В 32 В 19/00 / авторы и заявители: Fumio Shirasaki; Hiroyuki Mima, Hitoshi Harata, 34. Материалы сайта www.giscogeo.com.

4. Чувыкин Б.В. Применение СКВИД-магнитометров для решения задач магнитной локации // Датчики и системы №5, 2001г.

5. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука. 1973.

6. GSM-30 Portable Potassium Magnetometer / Gradiometer. Материалы сайта www.giscogeo.com.

7. GSM-19T (W) Proton Precession Magnetometer / Gradiometer.

8. Беляев Б.А., Бутаков C.B., Лексиков A.A. Микрополосковый тонкоплёночный датчик слабых магнитных полей // Микроэлектроника. 2001. Т. 30. №3.- С. 228-237.

9. Бычков С. И. Стабилизация частоты генераторов СВЧ / Бычков С. И.,

10. Буренин Н. И., Сафаров Р. Т. / Под ред. Бычкова С. И. М.: Сов. радио. 1962. -376 с.58.3-axis magnetic sensor. Solid State Electronics Center // Материалы сайта: www.magneticsensors.com.

11. Magnetometers. PC board level 3-axis fluxgate magnetometer. Материалы сайта www.xbow.com.

12. Устройство для измерения параметров ферромагнитного резонанса ферритовых сфер: пат. № 1190743 СССР: G 01 R 33/00 / авторы и заявители Андреев В.И., Петров В.В.; патентообладатели Андреев В.И., Петров В.В. Опубл. 27.09.1995 г. Заявка № 3743987/21.

13. Датчик магнитного поля и устройство на основе датчика: пат. № 02 061 445 ВОИС: G 01 R 33/02 / авторы и заявители Mapps Desmond James (GB); V

14. Александр Маргелов Компонентные магниторезистивные датчики и компасы компании HONEYWELL// Материалы сайта http://ecworld.ru/media

15. Datasheet LM324B. http://www.datasheetarchive.com/LM324b-datasheet.html

16. DatasheetADuC812. http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/A/D/U/C/ADUC812BCP.shtml

17. Datasheet CP2101 http://datasheet4u.com/datasheet/C/P/2/CP2101_ETC.pdf.

18. Datasheet IRF7105 http://archive.espec.ws/files/IRF7105.pdf

19. Datasheet MAX662A http://archive.espec.ws/files/MAX662A.pdf

Размещено на Allbest.ru