Способ определения нормали к магнитной плоскости датчика Холла и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к магнитным измерениям, в частности для юстиров ки магнитных осей многокомпонентых измерителей направления вектора инду ции мапштных полей на базе датчиков Холла. При изготовлении прецизионных трехкомпонентных датчиков магнитного поля или. других устройств, измеряющих пространственное положение вектора индукции магнитного поля, необходимо знать положекие магнитной плоскости датчика Холла, либо направ ление нормали к данной плоскости. Известен способ компенсаций эфгфекта несоосности магнитных осей феррозондов, заключакящйся во вращении в магнитном поле датчика относительно оси, проходящей через его центр, с последующей регастращ гей гибающей разностного сигнала второй гармоники возбуждения; огибакхдая разностного сигнала используется для компенсации эффекта несоосности ij . Способ не требует точного знания направления опорного магнитного поля, в качестве которого можно использовать магнитное поле Земли, однако имеет недостаточную точность вследствие погрешностей, в.озниканзщих при взаимном влиянии сигналов с частотой вращения и полезного сигнала второй гармоники, используемого в способе в качестве несущей частоты. Известно устройство, реализувдее способ, содержащее два феррозондовы датчика, геометрические оси которых расположены на одной оси, шток, ;блок вращения, блок регистрации сиг нала вращения, при этом феррозондовые датчики расположены вдоль оси штока на расстоянии, равном измерительной базе устройства. При вращении штока с расположенныгда на нем датчиками в магнитном поле на выход регистратора появляется разностный сигнал, пропорциональный отклонению магнитных осей феррозондовых датчиков от геометрических 2. Недостатком устройства является низкая точность определения отклоне ния магнитной оси от геометрической вследствие влияния дрейфа второй гар моники сигнала возбуждения феррозон довых датчиков при формировании огибающей разностного сигнала, : Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения нормали.к магнитной плоскости датчика Холла, заклю-I чающийся в ориентации датчика в опорном магнитном поле по максимальному выходному сигналу, после чего по направлению опорного магнитного поля судят о направлении нормали к магнитной плоскости датчика. Критерием совпадения является максимум выходного сиг- н.ала с датчика Холла з . Однако в известном способе чувствительность датчика .к угловым перемещениям определяется зависимостью Uj K-BCosoi, где об - угол .между направлением опорного магнитного поля, и нормалью к магнитной плоскости датчика Холла, При оС-2; О чувствительность датчика Холла очень низка вследствие уплощенного участка косинусоиды. Кроме того, точность знания направления опорного магнитного поля непосредственно влияет на результирукавЕую точность определения нормали к магнитной плоскости датчика. Существующая привязка направления нормали к направлению опорного магнитного поля не лучше долей градуса, следовательно определение направления магнитного поля также сшсжает точность известного способа. Устройство, реализующее известный способ, содержит датчик Холла, расположенный на базовой пластине, прикрепленной к штоку, блок ориентации и блок создания опорного магнитного поля и регистратор, При помощи блока ориентации шток с датчиком поворачивают в опорном магнитном поле до палучени1Я максимального сигнала, а по направлению оси штока определяют направление нормали к датчику Холла З , Недостатком известного устройства является низкая точность определения нормали к магнитной плоскости датчика вследствие низкой угловой чувствительности Датчика Холла при перемещениях вблизи О. Цель изобретения - повышение точности определения нормали к магнитной плоскости датчика Холла. Указанная цель достигается тем, что согласно схюсобу определешя нормали к магнитной плоскости датчика, включающем вращение датчика в магнитном поле относительно оси, проходящей через его центр, и регистрацию разностного сигнала, сравнивают разностные сигналы, полученные от отклонения оси вращения датчика от направления магнитного поля и от изменения ориентации датчика относительно оси вращения датчика, определяют- знак изменения ориентации датчика относительно его оси вращения, затем циклически повторяют операцию изменения ориентации датчика относительно его оси вращения до исчезнования разностного сигнала, о направлении нормали к магнитной плоскости датчика Холла судят по направлению, оси его вращения. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего датчик Холл расположенный на базовой пластине, прикрепленной к штоку, источник маг нитного поля и выходной регистратор в которое дополнительно введены опор ный каркас, фиксатор штока, выполненный на двух подшипниках вращения втулка расположенная на штоке и снабженная регулирующим и фиксирующнм приспособлениями, например, в виде винтов, пружина, стягивающая шток и базовую пластину, которая им ет посадочные отверстия, фиксирующиеся на выступах штока, а втулка выполнена с косым срезом в области, диаметрально противоположной регули рующему приспособлению. На фиг, 1 и 2 изображены векторн диаграм1Ф1 способа; на фиг, 3 - устройство для осуществления предлагае мого способа, продольный разрез; на фиг. 4 - то же, вид сверху (без дат чика Холла,, базовой пластины и регу лируннцего приспособления) , Способ осуществляется следуюпщм образомДатчик 1 Хопяа вращается в напра лении У вокруг оси 2, проходящей че рез центр 3 датчика и повернутой на угол р относительно направления магнитного поля В и на угол Л относительно нормали п к магнитной плос кости датчика Холла (фиг, 1). Составпякяцая Ej, . вектора поля Ё, напра ленная вдоль оси 2, при вращении, датчика не .вызывает на его выходе сигнала с частотой вращения, а сое- тавлянщая В) перпендикулярная оси 2, возбуждает такой сигнал. В этом случае амплитуда сигнала пропорциональна . Uj()B| sin(.sinot (l) При установке датчика 1 так, что п совпадает с напра:впением оси 2 вращения (фиг. 2) значение U становится равным нулю. Как видно из выражения (.0 зависимость sinoi обеспечивает в данном способе максимальную чувствительность при значениях oi вблизи нуля, Чувствительность типичных современных датчиков Холла ( мкВ/10 Т) такова, что даже при малых /J в средних (2Т) магнитных пОлях возможно регистрировать сигналы на выходе датчика Холла, эквивалентные отклонению 6i от поля меньшеугловой минуты. Кроме того, поскольку регистратор фиксирует разностные сигналы, получаемое при вращении датчика Холла, нет влияния на точность определения .. нормали имеющихся в канале регистрации нестабильностей типа дрейфов. Возможность работы с малыми /3 позволяет полностью исключить .влияние планарногр эффекта датчика Холла на точность определения нормали к магнитной плоскости датчика. Существенным преимуществом способа является то, что отпадает необходимость в знании и привязке к направлению магнитного поля. Устройство для осуществления способа фиг, 3).содержит датчик Холла 1, помещенньй в магнитное поле В, шток 4, базовую пластину 5 и выходной регистратор 6. В устройство дополнительно введены опорный каркас 7, фиксируемый двумя подшипниками 8 вращения относительно каркаса 7, втулка 9 расположенная на штоке 4 и снабженная регулирующим 10 и фиксирующим 1 1-приспособлениями, например, в виде винтов, и пружина 12, стягивающая шток 4 и базовую пластину 5 за упоры 13 и 14, Базовая пластина 5 имеет посадочные отверс тия, фиксирукяциеся на шлступах 15 штока 4. Втулка 9 выполнена с косым срезом 1б в области, диаметрально противоположной регулирующему приспособлению 10, При этом ребро 17, образованное пересечением плоскости косого среза и торцовой плоскости втулки перпендикулярно плоскости поворота базовой пластины 5 к задает ось вращения пластины при регулировочной подстройке нормали п датчика к напранг;ению оси 2 вращения штока 4, 1 Устройство работает следующим образом. Датчик 1 Холла закрепляется в центре 3 базовой пластины 5. На внутренней стороне базовой пластины 5 в центре имеется упор 13, а по окружности вокруг центра посадочные отверстия. Пластина 5 прижимается с помощ| ю пружины 12 к торцу штока А, имеющего выступы 15 и к торцовой поверхности втулки 9, которая установлена в йосадочном месте в конце штока и соосно с ним. й 1ступы 15 што ка 4 входят в посадочшле отверстия базовой ппастины 5. Во втулке 9 имеются фиксирующее I1 и регулирующее 10 приспособления, выполненные в виде винтов. Шток 4 помещается в под шипники 8, закрепленные в опорном каркасе 7. Шток 4 может вращаться относительно оси 2. Все устройство помещается в однородное магнитное поле, без особых требований к точности знания его направления. При этом ось -вращения 2 штока 4 должна не совпадать с направлением магнитного поля. При вращении штока 4 с датчиком 1 Холла на его выходе кром постоянной -составляющей возникает разностный сигнал. Втулка 9 поворачивается в положение, близкое к максимуму сигнала. Это положение проверяется при повторных вращениях шток 4 в опорах подшипников 8 вращения. Положение максимума сигнала фиксируётся винтом 11. Регулирующим винтом 76 10 поднимается соответствующии край пластины 5 с датчиком 1 Холла. Для обеспечения устойчивости и определенности поворота пластины 5 на втулке 9 выполнен косой срез 16, диаметрально противоположный регулирунмцему винту 10. При зтом ребро 17, образованное пересечением плоскости косого среза 16 и торцовой плоскости втулки 9, перпендикулярно плоскости поворота базовой пластины 5 и задает ось вращения Ш1асти ы 5 при регулировочной операции винтом iO. Регулировкой углового положения пластины 5 разностный сигнал при повторных вращениях устанавливается равным нулю. При этом нормаль к магнитной плоскости датчика I Холла устанавливается по нагправлению оси 2. Способ определения нормали к магнитной плоскости датчика Холла и устройство для его осуществления позволяют повысить точность и чувствительность при определении нормали. Кроме того, упрощается и улучшается сама технологическая процедура определения нормали, так как в этом случае отпадает необходимость в наличии магнитных калибровочных полей, имеющих высокую степень однородности и большую протяженность. Отпадает необходимость в жесткой привязке самой калибровочной операции к ощ)еделенному направлению опорного магнитного поля.

1. Способ определения нормали к магнитной плоскости датчика Холла, включающий вращение датчика в магнитиом поле относительно оси проходящей через его центр и регистрацию разностного сигнала, о т л и ч ающий ся тем, что, с целью повышения точности определения нормали, сравнивают разностные сигналы, полученные от отклонения оси вращения датчика от направления магнитного поля и от изменения ориентации датчика относительно оси вращения датчика, определяют знак изменения ориентации датчика относительно его оси вращения, затем циклически прв- торяют операцию изменения ориентации датчика относительно его оси вращения до исчезновения разностного сигнала, о направпении нормали к магнитной плоскости датчика Холла судят по направлению оси его вращения. 2. Устройство для осуществления способа по п. I, содержащее датчик Холла, расположенный на базовой пластине, прикрепленной к штоку, источник магнитного поля и выходной регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности оп(Л ределения нормали, в него Дополнительно введены опорный каркас, фиксатор штока, выполненный на двух подшипниках вращения, втулка, расположенная на штоке и снабженная регулирующим и фиксирующим приспособлениями, например, в виде винтов, пружина, стягивающая шток и базовую пластину, со которая имеет посадочные отверстия, о фиксирукяциеся на йлступах штока, 00 а втулка выполнена с косым срезом о в области, диаметрально противоположной регулирующему приспособлению.