Нов портативен 3D магнитометър

Въведение

За нуждите от измерване на слаби магнитни полета, както в лабораторни, така и в и полеви условия, е разработен компактен и лесен за използване преносим магнитометър. μMeter е цифров 3D магнитометър, измерващ големината и посоката на вектора на магнитния интензитет, едновременно и по трите оси x, y и z. Уредът е базиран на интегралната схема HMC5883L на Honeywell International Inc и използва анизотропна магниторезистивна (AMR) сензорна технология [1]. Устройството комуникира с компютъра чрез USB интерфейс, получава команди и изпраща получените данни от измерването. Данните се изобразяват на екрана на компютъра и се записват на твърдия диск за по-нататъшна обработка и анализ.

Основна схема на магнитометъра

Работата на устройството се управлява от микроконтролер с интегриран USB модул, който получава информация от компютъра, съдържаща параметрите на текущото измерване, преобразува ги в команди от ниско ниво и ги изпраща обратно към чипа HMC5883L чрез стандартен I²C интерфейс. След приключване на текущото измерване, HMC5883L изпраща пакета необработени данни към MCU като 12-битови цели числа. Микроконтролерът извършва първична обработка на данните и измерва текущата температура с помощта на вграден цифров сензор. Накрая, процесорът прехвърля данните към компютъра, където е инсталирано GUI Windows приложение.

Софтуер

Софтуерът е разработен с C# за .NET Framework и работи под MS Windows.

USB протоколът е съвместим със стандарта Human Interface Device (HID). Това е важно предимство, което елиминира необходимостта от инсталиране на специален драйвер. HID устройствата използват предварително инсталирани драйвери по подразбиране и са налични във всяка съвременна операционна система. Програмата задава параметрите на работа на магнитометъра като обхват, режим на усредняване, единично или непрекъснато измерване. Получените данни се изобразяват в реално време, в цифров и графичен вид. Програмата позволява данните да бъдат записани в стандартен текстови файлов формат с посочване от потребителя на път за запис на твърдия диск на компютъра.

Вътрешна структура на магнитния сензор

Магнитометъра има осем обхвата на измерване от ±1 G до ±8 G [2]. Разделителната способност за единично измерване (без усредняване) в най-чувствителния обхват достига до 500 µG (50 nT). Отклоненията в линейността за даден обхват не превишават 0.1 % в цялата скала на обхвата. Скоростта на измерване достига 200 отчитания за секунда.

Вътрешно HMC5883L представлява сложна хибридна интегрална схема съдържаща няколко отделни компоненти: сензорна аналогова част и подсистема за нейното управление, 12-битово АЦП, интерфейсна част отговорна за комуникацията с микроконтролера. Аналоговата част се състои от три отделни (по един за всяка ос) диференциални магнито-резистивни моста. Магнито-резистивните елементи са реализирани като тънки лентички от феромагнитен материал (Permalloy), подобен на този използван в познатите ни магнитни ленти за запис, който е нанесен директно върху силициевата подложка [1]. Първоначално магнитните домени във всеки такъв елемент са ориентирани в една и съща посока и проводимостта им е една, като моста е балансиран. Попадайки под влиянието на външно магнитно поле, те се преориентират и така променят съпротивлението си. В следствие моста се разбалансирва. Тази промяна се усилва от дифференциален усилвател е се подава на входа на вграденото 12-битово АЦП, където стойността на дисбаланса, функция съответно от външното магнитно поле, се превръща в цифров код. След всеки акт на измерване магнитните домени в резистивните елементи трябва да бъдат ориентирани в нулево положение (zero direction). За това служи вътрешната Set/Reset верига [3] [4]. Тя създава изкуствено поле чрез кратки импулси от електрически ток и в двете посоки, които преориентират домените в нулева позиция. Всичко това е събрано в миниатюрен 3х3 mm корпус, което позволява използването на HMC5883L в приложения с изключително компактен дизайн.

Първоначални измервания

Заключение

Разработен е преносим цифров 3D магнитометър от ново поколение. Компактния дизайн прави уреда лесен за употреба както в лабораторни, така и в полеви условия. Комуникацията чрез бърз USB интерфейс позволява използването на μMeter с различни съвременни преносими устройства като таблети, смартфони, ноутбуци и др. Предварителния анализ на точността на измерване показва, че разделителна способност от 2 nT при честота на самплиране от 0.1 Hz е напълно постижима. μMeter е подходящ за използване при магнитни и геомагнитни изследвания и мониторинг на околната среда. Като бъдеща работа се предвижда подробно изследване на зависимостта на разделителната способност от осредняването за различните обхвати, разработване на прецизен метод за калибровка, а също и анализ на собствените шумове на магнитометъра и тяхното спектрално разпределение.

Литература

1. Caruso M., Bratland T., Smith C., Schneider R. A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensors, December 1, 1998.
2. Honeywell. HMC5883L Datasheet, 2010.
3. Honeywell. AN212 Handling of Sensor Bridge Offset, Application Notes, 2010.
4. Honeywell. AN215 Cross Axis Effect for AMR Magnetic Sensors, Application Notes, 2010.

Една предварителна версия на този доклад бе представена на Осмата научна конференция с международно участие "Космос, Екология, Сигурност" 04-06 декември 2012 г. София, България.