Измеритель индукции магнитного поля на основе ПС AD 22151

Содержание
Введение
1. Теоретический обзор
2. Определение требований к устройству и составление структурной схемы
3. Расчет, выбор и согласование элементов схемы
4. Разработка конструктивного решения, печатной платы и корпуса
Заключение
Список использованной литературы

Измеритель индукции магнитного поля на основе ПС AD 22151

Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл).
Кроме чувствительности для определения качества прибора используют такой параметр, как разрешающая способность, который также измеряется в нанотеслах и определяет ту минимальную разницу индукции, которую возможно зарегистрировать прибором. Для того чтобы представить величину индукции магнитного поля, которое регистрируют современные магнитометры, достаточно вычислить величину магнитного поля, создаваемого проводник с током в 1 мА на расстоянии 0.1м.
Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поляили искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01 нТл до 1 нТл, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.
Различают магнитометры для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометры классифицируют также по условиям эксплуатации и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия.
Магнитостатические магнитометры - основаны на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле Низм; J = [М, Низм], где М - магнитный момент индикаторного магнита. Момент J в Магнитометр различной конструкции сравнивается: а) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нтл); б) с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~ 10 - 15 нтл); в) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Низм, можно измерить абсолютную величину Низм (абсолютный метод Гаусса). Основное назначение магнитостатических Магнитометров - измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.
Электрические магнитометры - основаны на сравнении Низм с полем эталонного соленоида Н = kl, где k - постоянная соленоида, определяемая из геометрических и конструктивных его параметров, I - измеряемый ток. Электромагнитные магнитометры состоят из компаратора для измерения размеров соленоида и обмотки, теодолита для точной ориентации оси соленоида по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрической системы для измерения тока I и чувствительного датчика - индикатора равенства полей. Чувствительность магнитометра этого типа ~ 1 мкТл, основная область применения - измерение горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля.
Индукционные магнитометры - основаны на явлении электромагнитной индукции - возникновении ЭДС в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока Изменение потока dФ в катушке может быть связано: а) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры - индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G ~ 10 (-4) вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ 10 - 6 вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ 10 (-8) вб/деление и другие; б) с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле; простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ 10 (-4) тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0.1 - 1 нТл; в) с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу феррозондовые магнитометры имеют G ~ 0.2 - 1 нТл. Применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д. Квантовые магнитометры - приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе, свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах. Для наблюдения зависимости частоты w прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости Низм измеряемого поля (w = g Низм, где g - магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопический магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнитометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой и другие. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнетохимии (G до 10 (-10) нТл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ 10 (-5) Тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей. Сверхпроводящие квантовые магнитометры основаны на квантовых эффектах в сверхпроводниках: выталкивании магнитного поля из сверхпроводника, квантовании магнитного потока в сверхпроводнике, на зависимости от Низм критического тока контакта двух сверхпроводников. Сверхпроводящими магнитометрами измеряют компоненты геомагнитного поля, они нашли применение в биофизике, магнетохимии и т. д. Чувствительность сверхпроводящих магнитометров достигает ~ 10 (- 5) нТл.
Гальваномагнитные магнитометры - основаны на явлении искривления траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном поле Низм, под действием силы Лоренца. К этой группе магнитометров относятся: магнитометр на эффекте Холла (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току и Низм); магнитометр на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магнитном поле Низм); на явлении падения анодного тока в вакуумных магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного отклонением электронов в магнитном поле) и другие. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей (чувствительностью 10 (-5) Тл; градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкв/Тл; чувствительность электронно- вакуумных магнитометров ~ 30 нТл.
Датчики магнитного поля обеспечивают на выходе электрическое напряжение (разность потенциалов), пропорциональное величине магнитной индукции.
Самым известным и используемым устройством для измерения величины магнитной индукции является датчик Холла. Измерители на основе этого устройства проектируются как пробники небольших габаритов, которые могут содержать один, два или три кристалла полупроводника для измерения магнитного поля в одно-, двух- или трех- взаимно перпендикулярных направлениях.
Индукционный датчик состоит из катушки индуктивности и предназначен для измерения переменного магнитного поля. Напряжение, индуцируемое на катушке, помещенной в переменное магнитное поле, пропорционально величине измеряемой магнитной индукции.
Постоянное магнитное поле может быть измерено вращающейся с постоянной скоростью катушкой индуктивности. Переменное напряжение, образующееся в катушке при пересечении линий магнитного поля, пропорционально величине магнитной индукции.
Если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I плотностью j, а в другом направлении воздействовать магнитным полем B, то в третьем направлении можно измерить напряжение V, меняющееся пропорционально силе магнитного поля:
V = R · B · b · j,
где R – постоянная Холла, b – расстояние между гранями, на которых возникает измеряемое напряжение.
Данное явление получило название эффекта Холла, по имени физика Эдвина Герберта Холла, открывшего этот эффект в 1879 году в тонких пластинках золота. Так как измеряемое напряжение меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.