2. Wstęp teoretyczny

(1)

WAT – WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 6

WSTĘP TEORETYCZNY Temat: Przetworniki pola magnetycznego

/ POMIARY PARAMETRÓW POLA MAGNETYCZNEGO /

1. Cel ćwiczenia

 poznanie metod pomiaru parametrów pola magnetycznego,

 poznanie możliwości wykorzystania teslomierza,

2. Wstęp teoretyczny

Czujniki pola magnetycznego przetwarzają sygnał proporcjonalny do indukcji lub natężenia pola magnetycznego w powietrzu na sygnał elektryczny: napięcie, zmianę rezystancji, częstotliwość. Indukcja pola magnetycznego w powietrzu lub próżni jest ściśle powiązana z natężeniem tego pola zależnością

B₀H, (1)

gdzie 0 = 410^-7 H/m (0 = 1 G/Oe).

Magnetometry często wyskalowane są jednostkach natężenia pola magnetycznego A/m, ale powszechniejsze jest skalowanie w jednostkach indukcji – pochodnych tesli, najczęściej w T.

W Polsce obowiązuje układ jednostek SI a więc stosuje się jednostki A/m lub T. W literaturze amerykańskiej i w środowisku fizyków wciąż używane są stare jednostki: gauss G jako jednostka indukcji i oersted Oe jako jednostka natężenia pola magnetycznego. Tabela 1 przedstawia zależności miedzy tymi jednostkami.

Tabela 1.

Współczynniki konwersji między najczęściej używanymi jednostkami magnetycznymi

1 T 1 A/m 1 G 1 Oe

1

A/m 1,2561

0^-6

1 12,56

10^-3 12,5610^-3 1

Oe

10^-4 79,6 1 1

1 T 1 7,9610⁵ 10⁴ 10⁴

1 G 10^-4 79,6 1 1

Przy szybkich przeliczeniach podstawowych jednostek można stosować następującą regułę:

1 Oe 1 Gs  100 T  79,6 A/m  0,796 A/cm

(2)

Wbrew nazwie czujniki pola magnetycznego tylko w niewielkim stopniu wykorzystywane są bezpośrednio do pomiaru parametrów pola magnetycznego. Podstawowe zastosowanie czujników pola magnetycznego (szczególnie hallotronów i magnetorezystorów) to bezstykowe pomiary przesunięć, prędkości obrotowej, kąta i prądu. Niemal wszystkie głowice odczytowe stosowane przy zapisie informacji, w pamięciach dyskowych i taśmowych to czujniki magnetorezystancyjne.

Czujniki indukcyjne

Najbardziej uniwersalnym wśród czujników pola magnetycznego jest czujnik indukcyjny (ang. search coil, pick-up coil, B-coil, induction sensor), który charakteryzuje się wieloma zaletami. Najważniejszą jest prostota działania i konstrukcji. Jest to w zasadzie jedyny czujnik, który łatwo można wykonać we własnym zakresie – wystarczy nawinąć cewkę.

Rys.1. Czujnik indukcyjny

Czujnik indukcyjny wykorzystuje prawo Faraday’a. Napięcie indukowane w cewce zależy od indukcji zmiennego pola magnetycznego Bmsint

2 f z S B cos t

dt zd

e__  _ _ _ _ _ _m_ 

. (2)

Warto zwrócić uwagę, że we wzorze (2) nie występują parametry materiałowe (na ogół będące źródłem błędów temperaturowych) – stała przetwarzania zależy jedynie od wymiarów (powierzchni S), liczby zwojów z oraz częstotliwości f. Parametry te można ustalić z dużą dokładnością, a więc czujnik indukcyjny jest dokładny – szczególnie w przypadku badania pól stałych, kiedy częstotliwość f jest częstotliwością wymuszonego ruchu czujnika (np.

prędkość obrotowa silniczka czy częstotliwość drgań podłoża kwarcowego).

Inne ważne zalety czujnika indukcyjnego to brak prądu wzbudzenia i elementów ferromagnetycznych, co pozwala na badania pola magnetycznego praktycznie bezinwazyjnie.

Wady czujnika indukcyjnego to, relatywnie mała czułość (w porównaniu z innymi czujnikami), pomiar tylko sygnałów przemiennych oraz zależność sygnału wyjściowego od częstotliwości, co stwarza istotne problemy przy analizie przebiegów odkształconych. Sygnał wyjściowy czujnika nie zależy wprost od indukcji B, ale od jej pochodnej dB/dt. Konieczne jest więc stosowanie układu całkującego na wyjściu czujnika – układy takie mogą być źródłem dodatkowych błędów.

W celu otrzymania dużej czułości należy zwiększać wymiary czujnika i liczbę zwojów.

Tak na przykład pierwszy udany eksperyment z przeprowadzeniem magnetokardiogramu przeprowadzono wykorzystując czujnik indukcyjny, w którym cewka liczyła blisko milion zwojów. Oczywiście liczby zwojów nie można zwiększać bez ograniczeń – rozdzielczość czujnika jest bowiem limitowana szumami cieplnymi zależnymi od rezystancji cewki.

Możliwe jest przeprowadzenie optymalizacji konstrukcji czujnika. Szumy czujników

(3)

częstotliwości – typowa czułość optymalizowanego czujnika wynosi 10 V/mT przy f= 0,01Hz oraz 500 mV/nT przy f = 200 Hz.

Generalnie przyjmuje się, że czujnik indukcyjny nieruchomy pozwala na detekcje tylko pól przemiennych. Stosowane obecnie czułe wzmacniacze pozwalają na wykorzystywanie czujników indukcyjnych nawet przy częstotliwości 0,01 Hz, a więc do pomiaru pól quasi- stałych.

Hallotrony

Nazwa hallotron pochodzi od nazwiska odkrywcy zjawiska E. H. Halla, który opisał je po raz pierwszy w 1879 roku. Hali odkrył zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w wyniku odchylania torów nośników prądu w metalu znajdującego się w polu magnetycznym. Zjawisko to przez wiele lat nie odgrywało większej roli, aż do momentu rozwoju prac nad materiałami półprzewodnikowymi. Materiały takie charakteryzują się znacznie większa ruchliwością nośników prądu, przez co zjawisko Halla jest w nich bardziej zauważalne. Do materiałów półprzewodnikowych, które wykorzystuje się do budowy czujników hallotronowych zaliczamy: german Ge, krzem Si, antymonek i arsenek indowy InSb i InAs, arsenofosforek indowy InAsP, selenek i tellurek rtęciowy HgSe, i HgTe. Od lat sześćdziesiątych stosuje się także tellurek rtęciowo-kadmowy CdHgTe oraz arsenek kadmowy CdjAs2.

Wspomniana wcześniej nazwa „czujnik hallotronowy" pochodzi od nazwy anglojęzycznej czujnika wykorzystującego zjawisko Halla, czyli Hali unit, bądź też Hali generator. Coraz większa popularność czujników hallotronowych przyczyniła się do powstania polskiej potocznej nazwy znanej do dzisiaj jako hallotron.

Hallotrony są czujnikami pola magnetycznego produkowanymi w liczbie milionów sztuk – chociaż większość tej produkcji, to tanie elementy sygnałowe, a nie czujniki pomiarowe.

Najważniejsze zalety hallotronów to małe wymiary, w praktyce nieinwazyjny charakter pomiaru (sam element jest niemagnetyczny), względna prostota konstrukcji. Przy relatywnie prostej produkcji nie udaje się jednak uzyskać odpowiedniej powtarzalności charakterystyk i eliminacji błędów temperaturowych – dlatego dobre hallotronowe czujniki pomiarowe są wciąż drogie.

Zasadniczym elementem hallotronu jest prostopadłościenna płytka półprzewodnikowa lub metalowa. Na krawędziach płytki umieszczone są cztery elektrody: dwie zasilające i dwie pomiarowe. Elektrody zasilające, (prostopadłe do osi x) zwane także prądowymi, są odpowiedzialne za przepływ prądu sterującego I1. Elektrody pomiarowe umieszczone są na dłuższych krawędziach płytki i zwane są napięciowymi (Rys.2).

U

¹

U

^H

B

E

^E

E

^H

I

¹

Rys.2. Zasada działania hallotronu

(4)

Mechanizm zjawiska Halla polega na wykorzystaniu zmiany drogi przepływu prądu w elemencie na skutek oddziaływania pola magnetycznego (oddziaływania siły Lorenza wzór 3)

] [v B q E q

F    , (3)

gdzie:

q - ładunek elektryczny przewodnika, v - szybkość przemieszczania się ładunku, E - natężenie pola elektrycznego,

B- gęstość strumienia magnetycznego (prostopadłego do kierunku ruchu ładunku elektrycznego).

W wyniku tego oddziaływania na jednym brzegu elementu gromadzą się ładunki dodatnie, na drugim ujemne. Powstała różnica potencjału (napięcie Halla) jest miarą pola magnetycznego i natężenia prądu zasilania

B d I

U_H  R^h  ₁ , (4)

gdzie:

d – grubość hallotronu [m], I1 – prąd zasilania Hallotronu [A], Rh – stała Halla [Vm/AT],

B- indukcja magnetyczna [T].

Jako materiał na hallotrony należy wiec wykorzystywać związki charakteryzujące się dużą wartością Rh – dużą ruchliwością nośników energii. Hallotrony najczęściej wytwarza się z odpowiednio domieszkowanych InSb, InGaAs, Si, GaAs. Czułość hallotronu jest rzędu 0,1

 1 V/T co powoduje, że największe zastosowanie znajdują one w obszarze pól silnych, powyżej 1 mT. Rozdzielczość ograniczona jest szumami i temperaturowym pełzaniem zera – pomiar pól mniejszych niż 10T wymaga już stosowania dość wyrafinowanych metod pomiarowych.

Istotną zaletą hallotronów jest łatwość ich integracji z innymi elementami elektronicznymi w jednym obwodzie scalonym. Dlatego obecnie coraz częściej spotyka się hallotrony zintegrowane ze wzmacniaczem, układami korekcji czy koncentratorami strumienia.

3. Stanowisko pomiarowe

Stanowisko pomiarowe zawiera ruchomą cewkę indukcyjną z możliwością jej obrotu w pełnym kącie. Zasilana jest ona z regulowanego i stabilizowanego zasilacza prądu stałego. Do pomiaru indukcji i natężenia pola magnetycznego wykorzystuje sondę pomiarową zawierającą czujnik Halla współpracującą z miernikiem cyfrowym.

(5)

Rys. 3. Stanowisko pomiarowe Opis miernika pola magnetycznego

Teslomierz model 5170 jest przenośnym przyrządem pomiarowym wykorzystującym sondę Halla do pomiaru indukcji magnetycznej wyrażoną w Gausach lub Teslach oraz natężenie pola magnetycznego wyrażone w amperach/metr. Zakres pomiarowy wynosi od 0,01mT (0,1G lub 0,01kA/m) do 2,000T (20,00kG lub 1592kA/m). Może on mierzyć stałe pola magnetyczne (DC) jak i pola zmienne (AC).

Model 5170 składa się z miernika mieszczącego się w dłoni oraz odłączanej sondy Halla.

Miernik jest zasilany z czterech alkalicznych ogniw 1,5V typu AA lub też z zewnętrznego zasilacza prądu stałego. Uchylna podpórka umożliwia pionowe ustawienie miernika na płaskiej powierzchni. Duży wyświetlacz jest widoczny ze znacznej odległości. Konfiguracja przyrządu jest łatwa przy za pomocą klawiatury.

Trzy zakresy pomiarowe mogą być wybierane ręcznie albo automatycznie w zależności od aktualnej wartości mierzonej wielkości. Funkcja „zero” umożliwia użytkownikowi usunąć niepożądane odczyty z pobliskich pól magnetycznych (włącznie z ziemskim) lub fałszywe odczyty wywoływane początkowymi prądami równoważenia miernika i sondy. Dołączona komora zerująca („zero flux chamber”) służy do osłony sondy przed wpływem zewnętrznych pól podczas zerowania. Inna cecha zwana “relative mode” umożliwia tłumienie dużych odczytów pola w celu bezpośredniej obserwacji małych zmian dużych pól. Zarówno zerowanie („ZERO”) jak i stosunek („RELATIVE”) może być ustawiane ręcznie lub automatycznie.

Inna cecha zawierająca trzy rodzaje operacji typu „HOLD” umożliwia również obliczenie maksimum, minimum lub chwilową wartość szczytową i utrzymanie jej do czasu wyzerowania przez użytkownika.

Zastosowanie przyrządu

 sortowanie lub kontrola magnesów trwałych, szczególnie wielobiegunowych,

 testowanie magnesów na głośniki, elementów wirnika i stojana silników, rdzeni transformatorów, rdzeni toroidalnych, uzwojeń, solenoidów,

 lokalizowanie i pomiar pól błądzących wokół diagnostycznej aparatury medycznej,

(6)

 lokalizowanie źródeł elektromagnetycznych interferencji,

 lokalizacja pęknięć w połączeniach spawanych,

 sprawdzanie materiałów żelaznych,

 sporządzanie map pól magnetycznych,

 badanie magnetycznych głowic nagrywających.

Parametry miernika

Zakres pomiarowy Rozdzielczość

Gaus Tesla A/m Gaus Tesla A/m

1 G 100T 79,6 A/m 0,001 G 1 T 0,01 A/m

200 G 20mT 15,92 kA/m 0,1 G 0,01 mT 0,01 kA/m

2 kG 200mT 159,2 kA/m 1 G 0,1 mT 0,1 kA/m

20 kG 2T 1,592 MA/m 10 G 0,001 T 1 kA/m

PARAMETRY TESLOMIERZA MODEL 5170 (bez sondy w temp. 23 ±3ºC, wilgotność

<85%)

5170 Tryb DC, Low Range:

Mid & High Ranges:

1,25 + 4 1,00 + 3 Tryb AC (dla sinusoidy >6G lub 0,6mT) {1}

10 -20 Hz 20 -20 000 Hz:

20kHz to 25kHz (1x tylko dla sondy osiowej) 3,50 + 8 2,50 + 5

N/A {1} dodatkowo ±8 cyfr tolerancji dla sygnałów

< 4% najmniejszego zakresu i >2kHz

W celu określenia całkowitej dokładności należy dodać dokładność sondy do dokładności miernika

Czas rozgrzewania do osiągnięcia określonej

dokładności:

5 minut

Czas ustalania dla Min/Max

Hold: Tryb DC: 100 ms typowo

tryb AC: 700 ms at 10 Hz do 500 ms dla 300 Hz 250 ms dla 300 -4000 Hz

100 ms > 4kHz Czas ustalania dla Peak Hold: tryb DC lub AC: 128 µs

minimum

Zależność dokładności od temperatury (bez sondy) 0-20ºC i 26-50ºC (typowo) Low Range: ±0,25% + 3,0 cyfry/ ºC Mid &

High Ranges: ±0,02% + 0,2 cyfry/ ºC

(7)

STANDARDOWA SONDA POPRZECZNA

Numer Modelu: (5170): STH17-0404 Pasmo częstotliwości: (5170): 0 to 10 kHz

Zmiana kompensacji od temperatury: ±300 mG/ºC (typowo) Zmiana dokładności od temperatury: 0,05%/ºC (typowo) Temperatura pracy: 0 do +75ºC (+32 do +167F)

Temperatura przechowywania: 25 do +75ºC (13 do +167F)

Rys.4. Sonda pomiarowa poprzeczna KOMORA ZERUJACA : YA111

WYMIARY KOMORY:

Długość: 50,8 mm (2”); Średnica: 8,7 mm (0.343”) TŁUMIENIE: 80 dB do 30 mT (300 G)

PRZEZNACZENIE: Do ekranowania sondy przed zewnętrznymi polami podczas ZEROWANIA lub funkcji RELATIVE.

Rys.5. Komora zerująca Bezpieczeństwo obsługi

1. Nie podłączać wtyku dodatkowego zasilania do źródła prądu przemiennego.

2. Nie przekraczać podczas regulacji 5 Vdc. Nie zmieniać polaryzacji napięcia.

3. Używać jedynie certyfikowanych w danym kraju regulowanych zasilaczy prądu stałego.

Model A

0,063 B C D Materiał Korekcja

liniowości Czułość Obszar

aktywny Temp.

pracy Temp. stabilności Zakres Częstotl.

zera Kalibracji STH17

-0404 4 0,158

0,004 0,045

0,004 0,0335

(NOM)

Polipropy len

1,0%/20kG 1X 0,015

DIA(NOM)

0C do 75C

0,03 G/C

-0,05

%/C

Od DC do 10kHz

(8)

4. Nie wolno dotykać sondą źródeł napięcia większych niż 30 Vrms lub 60 Vdc.

Opis funkcji miernika

Wyświetlacz. Ciekłokrystaliczny (LCD).

Auto Zero. Aby wybrać funkcję AUTO ZERO, naciśnij przycisk ZERO na klawiaturze. Po chwili przyrząd powróci do normalnej pracy.

Manual Zero. Aby wybrać funkcję MANUAL ZERO, naciśnij kolejno przyciski SHIFT i ZERO. Użyj lewego lub prawego przycisku nawigacji (przycisk ze strzałką) do wyboru cyfry.

Górnego i dolnego przycisku nawigacji użyj do dokładnego ustawienia wymaganej wartości.

Naciśnięcie przycisku RESET kasuje ustawioną wartość poziomu zerowego. Naciśniecie przycisków SHIFT i ZERO powoduje powrót do normalnej pracy.

Auto Relative. W celu wyboru funkcji AUTO RELATIVE naciśnij przycisk RELATIVE. Po chwili przyrząd powróci do normalnej pracy. Funkcja AUTO RELATIVE automatycznie włącza poziom odniesienia. Ponowne naciśnięcie wyłącza tę funkcję.

Manual Relative. Aby wybrać funkcję MANUAL RELATIVE, naciśnij kolejno przyciski SHIFT i RELATIVE. Lewym przyciskiem nawigacji włączamy a prawym wyłączamy poziom odniesienia. Użyj lewego lub prawego przycisku nawigacji (przycisk ze strzałką) do wyboru cyfry. Górnego i dolnego przycisku nawigacji użyj do dokładnego ustawienia wymaganej wartości. Naciśnięcie przycisku RESET kasuje ustawioną wartość poziomu odniesienia. Naciśniecie przycisków SHIFT i RELATIVE powoduje powrót do normalnej pracy.

Auto Range. Automatyczny wybór zakresu (AUTO RANGE) wybieramy naciskając kolejno przyciski SHIFT i RANGE. Ponowne naciśnięcie tych przycisków powoduje rezygnację z tej funkcji.

Manual Range. Ręczny wybór zakresu (MANUAL RANGE) wybieramy naciskając przycisk RANGE. Górnego i dolnego przycisku nawigacji używamy do wyboru zakresu. Ponowne naciśnięcie przycisku RANGE przywraca normalny stan pracy przyrządu.

Units. W celu wyboru jednostek miary (UNITS ) naciskamy kolejno przyciski SHIFT i lewy przycisku nawigacji. Górnym i dolnym przyciskiem nawigacji ustawiamy odczyt w gausach, teslach lub amperach na metr. Ponowne naciśnięcie przycisków SHIFT i lewego przycisku nawigacji powoduje powrót do normalnej pracy.

Hold. W celu ustawienia funkcji HOLD naciśnij kolejno przyciski SHIFT i RESET. Lewym i prawym przyciskiem nawigacji wybieramy między funkcjami MIN HOLD, MAX HOLD, PEAK HOLD, i HOLD OFF. W każdym z tych trybów pracy naciśnięcie przycisku RESET kasuje zatrzymane wskazanie. Ponowne naciśnięcie przycisków SHIFT i RESET powoduje powrót do normalnej pracy.

AC/DC. Rodzaj mierzonego pola wybieramy naciskając kolejno klawisz SHIFT i prawy przycisk nawigacji.

ON/OFF. Naciśnięcie klawisza ON/OFF powoduje włączenie miernika. Naciśnięcie klawisza przez 3 sekundy powoduje wyłączenie miernika.

(9)

Wyświetlacz

Włączanie /Wyłączanie Klawisz nawigacji /Zmniejszanie

Ręczny lub automatyczny wybór zakresu

Klawisz nawigacji /Wybór jednostek

Tryb DC lub AC /Klawisz nawigacji Klawisz nawigacji

/Zwiększanie

Ręczne automatyczne

zerowanielub Ręczne automatyczne

ustawienie poziomu odniesienia lub

Wybór funkcji nad klawiszami

Wyb unkcja

MIN, MAX lub PEAK HOLD ór i kasowanie f /

Rys. 6. Widok panelu czołowego Teslomierza

Włączanie zasilania

Naciśnij przycisk POWER. Usłyszysz sygnał dźwiękowy i zaświecą się wszystkie segmenty wyświetlacza.

Przed rozpoczęciem pomiaru nastąpi samotest przyrządu. Jeśli wystąpi problem na wyświetlaczu pojawi się symbol “Err” z trzycyfrowym kodem.

Jeśli test przyrządu przebiegnie pomyślnie nastąpi kalibracja przyrządu. W tym czasie na wyświetlaczu pojawi się napis "CALX". Przy kalibracji musi być podłączona sonda w przeciwnym wypadku sygnalizowany będzie błąd.

(10)

4. Przebieg ćwiczenia

Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów należy:

 ustalić temperaturę pracy sondy pomiarowej przez włączenie miernika na 5 minut,

 wyzerować miernik umieszczając uprzednio sondę pomiarową w komorze zerującej.

POMIARY

4.1 Pomiar parametrów stałego pola magnetycznego.

4.1.1 Pomiar parametrów pola magnetycznego w funkcji odległości od źródła pola magnetycznego

Zasilić cewkę napięciem stałym o ustalonej wartości i utrzymywać stałą wartość napięcia przez cały czas pomiaru. Mierząc składowe indukcji określić w jaki sposób nawinięta jest cewka.

Ustawić sondę miernika pola w miejscu wskazanym przez prowadzącego. Sonda nie powinna jej dotykać cewki przy jej obrocie w wybranym kącie. Następnie obracając cewkę dokonać pomiarów indukcji i natężenia pola magnetycznego dla kilku różnych kątów . Po zadaniu kąta dokonać pomiaru obydwu wielkości jednocześnie.

Zwrócić szczególną uwagę na punkty w których cewka znajduje się w położeniu będącym wielokrotnością kąta 90.

Przed rozpoczęciem pomiarów dokonać kalibracji miernika.

Napięcie zasilające cewkę U=…….V

Tab. 2

Lp.  [º] B [mT] H [kA/m]  [H/m]

Zwrócić uwagę na przebieg zmiany indukcji w funkcji czasu na oscyloskopie i porównać ją z przebiegiem prądu. Zarejestrować przebiegi z oscyloskopu.

Na podstawie otrzymanych wyników wykreślić zależność parametrów pola B i H w funkcji kąta. Obliczyć przenikalność magnetyczną ośrodka w którym rozchodzi się pole magnetyczne.

(11)

4.1.2 Pomiar parametrów pola magnetycznego w funkcji napięcia zasilającego cewkę

Zasilając cewkę ze źródła napięcia stałego regulujemy wartość tego napięcia w zakresie od 0 do wartości wskazanej przez prowadzącego. Dla ustalonego położenia sondy dokonujemy dla wybranych wartości napięć pomiarów indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego.

Tab.3

Lp. U [V] B [mT] H [kA/m]  [H/m]

Na podstawie otrzymanych wyników wykreślić zależność parametrów pola B i H w funkcji napięcia zasilającego. Obliczyć przenikalność magnetyczną ośrodka w którym rozchodzi się pole magnetyczne.

4.2 Pomiar parametrów zmiennego pola magnetycznego.

4.2.1 Pomiar parametrów pola magnetycznego w funkcji odległości od źródła pola magnetycznego

Zasilić cewkę napięciem z autotransformatora o takiej wartości aby nie przekroczyć dopuszczalnego prądu cewki. Ustawić sondę miernika pola w miejscu wskazanym przez prowadzącego. Sonda nie powinna jej dotykać cewki przy jej obrocie w wybranym kącie.

Następnie obracając cewkę dokonać pomiarów indukcji i natężenia pola magnetycznego dla kilku różnych kątów . Po zadaniu kąta dokonać pomiaru obydwu wielkości jednocześnie.