Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (варианты) Российский патент 2022 года по МПК G01R33/07 

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, и может быть использовано для измерения индукции постоянного магнитного поля, создаваемого магнитными системами на базе постоянных магнитов или электромагнитов, а также в составе систем управления индукцией магнитного поля, в частности, в системах управления поляризующим магнитным полем спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Известен измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (User’s Manual Model 425 Gaussmeter, Rev.1.0, P/N 119-053, 24 March 2010, Lake Shore Cryotronics, Inc. 575 McCorkle Blvd. Westerville, Ohio 43082-8888 USA, www.lakeshore.com) (Фиг. 1), который содержит тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), выход которого через конденсатор, блокирующий постоянную составляющую сигнала (5) соединен с сигнальным входом синхронного детектора (6), опорный вход синхронного детектора соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), а выход со входом фильтра нижних частот (7), выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (8), вход запуска которого соединен с третьим выходом тактирующего устройства (1), а выход АЦП соединен с управляющим микропроцессорным устройством (9), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока на частоте 5.4 кГц так, что одну половину периода этой частоты величина тока равняется оптимальному рабочему току датчика Холла, а вторую половину - нулю, на опорный вход синхронного детектора подается прямоугольная волна напряжения, синхронная с волной возбуждающего тока, полоса пропускания фильтра НЧ на выходе синхронного детектора составляет 400 Гц, а частота выборок АЦП определяется желаемой частотой обновления результатов.

Недостатками данного технического решения являются низкая точность измерений, обусловленная значительным уровнем случайной ошибки (шумов), имеющихся на полезном сигнале после его обработки, и с систематическими ошибками, обусловленными неэквипотенциальностью потенциальных выходов датчика Холла (смещение), температурных коэффициентов смещения и магнитной чувствительности, а также, нелинейности датчика. Кроме того, данное устройство не отличается высокой стабильностью и повторяемостью результатов измерений, а также гибкостью настройки, что связано с использованием аналогового метода обработки сигнала.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (User’s Manual, Model 475 DSP Gaussmeter, Revision:2, P/N 119-036, 18 June 2010, Lake Shore Cryotronics, Inc. 575 McCorkle Blvd. Westerville, Ohio 43082-8888 USA, www.lakeshore.com) (Фиг. 2), содержащий тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), выход которого через конденсатор, блокирующий постоянную составляющую сигнала (5) соединен со входом АЦП (6), вход запуска которого соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), а цифровая выходная шина подключена к одному из входов цифрового перемножителя (синхронного детектора) (7), на второй вход которого подается логический сигнал (0 или 1), синхронный с волной возбуждающего тока, а выход соединен со входом цифрового конфигурируемого фильтра нижних частот (8), к выходу которого подключено управляющее микропроцессорное устройство (9), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока на частоте 5 кГц так, что одну половину периода этой частоты величина тока равняется оптимальному рабочему току датчика Холла, а вторую половину - нулю, частота выборок АЦП (50 кГц) выбрана так, чтобы соответствовать критерию Найквиста (50 кГц/5 кГц = 10 > 2).

Преимущество прототипа перед аналогом объясняется общими преимуществами цифровой обработки сигналов перед аналоговой, а именно, стабильностью работы,

повторяемостью результатов, надежностью, и отсутствием необходимости индивидуальной настройки прибора. Однако алгоритм обработки сигнала при переходе от аналогового метода обработки к цифровому не изменился и основывается на классической модуляционной схеме измерений, направленной на устранение избыточного шума типа 1/f, путем гетеродинирования сигнала с целью переноса информационного спектра в видеополосу и частотной селекции информационного сигнала при помощи фильтра нижних частот, который устраняет не несущие информации области спектра и выполняет функции накопления сигнала в течение его постоянной времени. В то же время селекция сигналов по частотному критерию (фильтрация в частотной области) не позволяет избавиться от помех, спектр которых попадает в полосу пропускания фильтра. Такими помехами будут,

в частности, вклады от переходных процессов на возрастающем и падающем фронтах модулирующего импульса при манипуляции тока датчика Холла.

Технической задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего получение более высокой точности измерения за счет уменьшения как случайной, так и систематической ошибок при невысокой сложности реализации.

Данная задача решается за счет того, что в заявленном измерителе индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (Фиг. 3), содержащем тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), его выход соединен со входом АЦП (5), вход запуска которого соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), согласно изобретению дополнительно содержит устройство селекции по времени (6), вход которого соединен с выходом АЦП, управляющий вход с третьим выходом тактирующего устройства (1), а выход - с первым входом цифрового перемножителя (7), на второй вход которого с четвертого выхода тактирующего устройства подается цифровой сигнал (-1 или 1), а выход соединен со входом цифрового накопителя (8), к выходу которого подключено управляющее микропроцессорное устройство (9), к которому также подключен измеритель температуры (10) датчика Холла (3), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока так, что одну половину периода оптимальный рабочий ток датчика Холла имеет одно направление, а вторую половину - противоположное, а частота прямоугольной волны выбирается так, чтобы ее период значительно превышал длительность переходного процесса переключения направления тока, частота выборок АЦП выбирается так, чтобы интервал между выборками был меньше длительности переходного процесса.

Как вариант, данная задача решается за счет того, что в заявленном измерителе индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (Фиг. 4), содержащем тактирующее устройство (1), один из выходов которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего тока (2), а его выходы соединены с токовыми клеммами датчика Холла (3), потенциальные клеммы датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя (4), его выход соединен со входом АЦП (5), вход запуска которого соединен со вторым выходом тактирующего устройства (1), выход АЦП соединен с первым входом цифрового перемножителя (7), на второй вход которого с третьего выхода тактирующего устройства подается цифровой сигнал (-1 или 1), согласно изобретению дополнительно содержит устройство селекции по времени (6), вход которого соединен с выходом перемножителя, управляющий вход с четвертым выходом тактирующего устройства (1), а выход соединен со входом цифрового накопителя (8), к выходу которого подключено управляющее микропроцессорное устройство (9), к которому также подключен измеритель температуры (10) датчика Холла (3), причем источник возбуждающего тока вырабатывает прямоугольную волну тока так, что одну половину периода оптимальный рабочий ток датчика Холла имеет одно направление, а вторую половину - противоположное, а частота прямоугольной волны выбирается так, чтобы ее период значительно превышал длительность переходного процесса переключения направления тока, частота выборок АЦП выбирается так, чтобы интервал между выборками был меньше длительности переходного процесса.

Источник возбуждающего тока (2) (Фиг. 5) содержит источник постоянного стабильного тока (11), выходы которого соединены с одной из диагоналей моста, образованного быстродействующими ключами (12, 13, 14, 15), вторая диагональ моста соединяется с токовыми клеммами датчика Холла, а управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест (12 и 14) и (13 и 15) соединены параллельно и соединены, соответственно, со входом инвертора (16), на который подается управляющий логический сигнал и выходом инвертора.

Работает измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла (Фиг.3) следующим образом.

Тактирующее устройство (1) вырабатывает цифровой тактовый сигнал (меандр) на заданной частоте (как правило, 10² ÷ 10³ Гц), управляющий источником знакопеременного питающего тока (2), выполненного в виде быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного (постоянного) тока, управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.

В результате, питающий датчик Холла ток постоянно сохраняет свою номинальную величину, но дважды за период меняет направление на обратное. Использование знакопеременной волны тока имеет преимущество перед волной с отключением тока на полпериода, поскольку удваивает эффективное время наблюдения сигнала, что увеличивает отношение сигнал/шум.

Выходное напряжение датчика Холла (3), подаваемое на входы дифференциального усилителя (4) предназначенного для отделения полезного дифференциального сигнала от синфазного и предварительного его усиления имеет форму прямоугольной волны с чередующейся каждые полпериода полярностью, а амплитуда является функцией индукции магнитного поля, в которое помещен датчик.

Выходное напряжение усилителя оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (5), причем частота оцифровки, определяемая управляющим сигналом с тактирующего устройства (1), значительно (в 100 и более раз) превышает частоту переключения тока, питающего датчик. Таким образом, на одном периоде питающего тока укладываются сотни (и более) выборок АЦП.

Поток цифровых данных с выхода АЦП поступает на устройство селекции по времени (6), которое по сигналам управления от тактирующего устройства (1) исключает из потока выборки, полученные в интервалы времени, когда направление питающего тока переключается и его значение не совпадает с номинальным, а также, непосредственно после переключения, когда конвейер АЦП (при наличии конвейера) еще не обновился полностью. В результате, на выходе устройства селекции по времени (6) имеются только данные, полученные при токе, равном номинальному (но разного знака).

Далее, под управлением сигналов с тактирующего устройства (1) умножитель на ±1 (7) изменяет знак выборок, взятых при одной из полярностей тока (например, отрицательной). Иными словами, это устройство производит цифровое умножение потока данных на +1 или на -1, в зависимости от того, на какой фазе питающего тока была получена данная выборка. В данном случае, такое умножение вырождается в отсутствие каких-либо действий с данными при положительной полярности тока и смене знака данных, при отрицательной.

Полученный таким образом поток данных поступает на накопитель (8), аккумулирующий данные в течение заданного времени, определяющего время измерения. Огромная кратность накопления (порядка 105 и более для времени измерения 1 секунда) эффективно устраняет случайную погрешность измерения, связанную с шумами в измерительном устройстве и работает как фильтр НЧ с частотной характеристикой типа определяя полосу пропускания приемного канала. На выходе накопителя оказываются полностью подавлены вклады в сигнал, не меняющие знак при изменении направления тока.

Поскольку операции временной селекции и умножения на ±1 коммутативны, возможен вариант, когда выборки АЦП вначале подвергаются цифровому умножению, а затем селекции по времени (Фиг. 4).

Последним этапом цифровой обработки данных является этап устранения систематических погрешностей измерений, связанных, в первую очередь, с отклонением поведения датчика Холла от идеального. Основными источниками погрешностей такого рода являются неэквипотенциальность выходов датчика и ее температурная зависимость, температурная зависимость магнитной чувствительности датчика и его нелинейность. Для значительного подавления таких систематических погрешностей искомое значение измеряемой величины (индукции магнитного поля) вычисляется как полином достаточно высокого порядка (в ряде случаев достаточно второго), аргументами которого являются результат накопления данных накопителем (8) и значение температуры датчика Холла в момент проведения измерений для ряда значений индукции магнитного поля в диапазоне измерения и ряда температур в рабочем диапазоне измерителя, а коэффициенты индивидуальны для каждого экземпляра устройства и должны быть найдены в процессе калибровки. Информация о температуре поступает с измерителя температуры датчика Холла (10), конструктивно размещенным в тепловом контакте с датчиком Холла, а вычисления полинома производятся микропроцессорным вычислительным устройством (9). Значения полинома для каждой точки калибровки (индукция, температура) определяются при помощи эталонного измерителя индукции магнитного поля, например ЯМР магнетометра. Калибровка производится однократно в процессе производства измерителя.

Знакопеременный ток для питания датчика Холла может быть получен с помощью быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, а вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного (постоянного) тока. Управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.

Таким образом, предложено техническое решение для построения измерителя индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, характеризующееся высокой точностью измерений, связанной с использованием селекции полезных сигналов во временном пространстве с последующим накоплением результатов и подавлением систематических погрешностей путем использования калибровочных данных, а также простотой, дешевизной и малым энергопотреблением, что определяется простотой аппаратной реализации устройства, в частности, цифрового канала обработки данных.

Группа изобретений относится к измерительной технике. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен со входом устройства селекции по времени, его управляющий вход соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным. Технический результат – повышение точности измерений индукции постоянного магнитного поля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, содержащий тактирующее устройство, источник возбуждающего тока, датчик Холла, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой перемножитель и микропроцессорное вычислительное устройство, при этом выходные клеммы источника возбуждающего тока соединены с токовыми контактами датчика Холла, вход управления источника возбуждающего тока соединен с первым выходом тактирующего устройства, потенциальные контакты датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя, а его выход - со входом АЦП, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен со входом устройства селекции по времени, его управляющий вход соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным.

2. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла по п.1, отличающийся тем, что источник возбуждающего тока выполнен в виде быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного, постоянного тока, управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно, соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.

3. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, содержащий тактирующее устройство, источник возбуждающего тока, датчик Холла, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой перемножитель и микропроцессорное вычислительное устройство, при этом выходные клеммы источника возбуждающего тока соединены с токовыми контактами датчика Холла, вход управления источника возбуждающего тока соединен с первым выходом тактирующего устройства, потенциальные контакты датчика Холла соединены со входами дифференциального усилителя, а его выход - со входом АЦП, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - со входом устройства селекции по времени, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным.

4. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла по п.3, отличающийся тем, что источник возбуждающего тока выполнен в виде быстродействующего мостового коммутирующего устройства, к одной из диагоналей которого подключены токовые клеммы датчика Холла, вторая диагональ включена как нагрузка генератора стабильного, постоянного тока, управляющие входы ключей, расположенных крест-накрест попарно, соединены параллельно, а управляющие сигналы таких пар противофазны.