Наблюдение на космическото време с AMR магнитометър

Научен доклад | 03 април 2022

Разработен е нов магниторезистивен векторен магнитометър с подобрена температурна стабилност. Инструментът е монтиран на наблюдателно място, чисто от магнитни смущения, в близост до град Стара Загора. Направен е сравнителен анализ между събраните геомагнитни данни и данните от различни INTERMAGNET обсерватории. Предварителните резултати показват прилики в наблюдаваните времеви редове и динамиката на регистрираните геомагнитни процеси.

Въведение

Анизотропният магниторезистивен (AMR) ефект във феромагнитните материали е открит от Уилям Томсън (лорд Келвин) през 1856 г. Изминава повече от век, докато напредъкът в тънкослойните технологии позволява практическото му използване. Сензорите, базирани на този ефект, са подходящи както за промишлени приложения, където има силни магнитни полета, така и за измервания на полета сравними по интензитет с магнитното поле на Земята. Съвременните реализации на такива типове сензори показват чувствителност, честотна характеристика и съотношение сигнал към шум сравними, а понякога и по-добри от тези, характерни за други типове магнитометри магнитометри, използвани в геофизичните приложения, като флуксгейт (fluxgate) магнитометър, протоннен магнитометър (Proton Precession Magnetometer) или инструменти, базирани на ефекта на Overhauser. Освен това AMR сензорите са превъзходни със своите ниска цена, миниатюрни размери и незначителна консумация на енергия. От тази гледна точка естествено възниква въпросът за тяхната приложимост в геомагнитните изследвания. Опит да се даде кратък предварителен отговор на този въпрос е същността на настоящия доклад.

Описание на магнитометъра

Общ вид на магнитометъра. Показан е резултат от температурната стабилизация на сензора.
Общ вид на магнитометъра с показан резултат от температурната стабилизация на сензора.

Представеният нов векторен магнитометър MAGER™ е усъвършенствана версия на описания в предишни доклади USB портативен магниторезистивен магнитометър µMeter [1] [3]. Настоящият инструмент използва вградена система за стабилизиране на температурата на магнитния сензор, базирана на отрицателна обратна връзка (negative feedback) с PI (пропорционален, интегрален) алгоритъм, реализиран чрез широчинно-импулсна модулация (Pulse Width Modulation) с променлив коефициент на запълване (duty cycle), управляван от вграден микроконтролер. Магнитният измервателен модул и температурният сензор са монтирани върху печатната платка един до друг, така че температурата на двата чипа да е еднаква чрез общ алуминиев блок, монтиран върху тях. За по-добър контакт между повърхностите се използва термопаста. Малък немагнитен резистор, вграден в алуминиевия блок, работи като нагревателен елемент. Системата за управление използва N-channel MOSFET, работещ като ключ (low-side switch), за да контролира тока през нагревателния резистор.

Сигналът от температурния сензор се цифрова от 12-битово АЦП и се подава към микроконтролера, където се обработва, за да се изчисли текущата стойност за коефициента на запълване на широчинно-импулсната модулация. Задава се долна граница от 40% за коефициента на запълване (стойностите варират между 40% и 100%), като магнитните данни се получават през периода на изключено състояние (от 0% до 40%). По този начин се елиминира влиянието на тока през нагревателния резистор (оставащият транзисторен ток на утечка е от порядъка на няколко десетки nA и в този случай може да се пренебрегне). Системата за температурен контрол работи с честота 4 Hz. Фигурата по-горе показва общия вид на магнитометъра заедно с алуминиевия нагревателен блок. Вдясно е показан резултатът от работата на системата за температурна стабилизация. Забележете първоначалното време за установяване на температурата около крайната й зададена стойност (set point). Постигнатата точност е не по-малка от 0.01 °C при честота на самплиране 1 Hz.

Софтуер

Магнитометъррът е проектиран като USB Human Interface Device (HID) устройство и не се нуждае от инсталиране на допълнителни USB драйвери. За контрол на работата на инструмента е разработено специализирано софтуерно приложение написано на C# и работещо с платформата .NET Framework на Microsoft. Главният екран на програмата е показан по-долу.

Главен екран на MAGER софтуерно приложение.
MAGER софтуер.

Софтуерът е предназначен да визуализира данните от магнитните измервания в графичен и числов формат, да ги записва на твърдия диск на компютъра като текстови файлове, да управлява основните режими на работа на магнитометъра, като честота на дискретизация и диапазон на интензитета на измерването, да задава калибрационните коифициенти и коефициентите за контрол на температурата. Приложението има опростен и интуитивен интерфейс и е лесно за инсталиране и използване.

Инсталиране и работа

Инструментът е монтиран в наблюдателен пункт на 12 km от гр. Стара Загора. Мястото е избрано като относително леснодостъпно и същевременно достатъчно далече от града, за да бъдат сведени до минимум магнитните смущения в градската среда. Магнитометърът е поставен във водонепропусклива пластмасова кутия, монтирана на дъното на специална немагнитна шахта, вкопана в земята на дълбочина 1 m. Управлението е напълно автоматично и се осъществява от персонален компютър, разположен на разстояние 10 m от шахтата. Измерванията се правят в непрекъснат режим с честота на самплиране от 1 Hz. Резултатите се записват на твърдия диск като форматирани текстови файлове. Времето се отчита като UTC (Universal Time Coordinated) и синхронизирането се извършва чрез интернет Wi-Fi връзка. Преди монтажа, магнитометърът се калибрира in situ, следвайки процедурата описана в [2].

Резултати

При първоначалния анализ на данните от магнитометъра е установена известна остатъчна зависимост от денонощните вариации в температурата на околната среда. Въпреки системата за температурна стабилизация на магнитния сензор, описана по-горе, устройството като цяло се намира в среда с непостоянна околна температура и нейните промени влияят, в една или друга степен, върху работата на всички електронни компоненти на магнитометъра. За да се намали този ефект, използвана е следната процедура: връзката между некоригираните магнитни данни и температурата на околната среда Ta, се намира по метода на най-малките квадрати като полином от трета степен, който след това се изважда от стойностите на некоригираните данни, или:

Fcorr = Fraw - ( a3⋅Ta3 + a2⋅Ta2 + a1⋅Ta + a0 )

където Fcorr и Fraw са съответно коригираните и суровите данни от магнитните измервания, a0 до a3 са коефициентите на полинома. Подобна процедура е описана в [4], но използва линейна функция на температурата. На фигурата по-долу са показани коригирани данни получени от магнитометъра сравнени с минутни редове от измервания направени в три геомагнитни обсерватории, разположени в Източна Европа като част от мрежата INTERMAGNET (International Real-time Magnetic Observatory Network). Данните от нашия магнитометър се осредняват за получаване на минутни стойности и се филтрират с помощта на 5-минутен двупосочен нискочестотен цифров филтър. Като предварителен резултат можем да подчертаем факта на почти перфектната корелация (коефициентът на корелация е близо 95%) между данните от Стара Загора и тези от другите обсерватории.

Сравнение между данните от MAGER и данните от други INTERMAGNET обсерватории.
Геомагнитни данни за Стара Загора и минутни редове от три геомагнитни обсерватории от мрежата INTERMAGNET. Нашите данни са филтрирани с помощта на 5-минутен нискочестотен двупосочен филтър. Измерванията обхващат периода 20-23 октомври 2015 г.
Сравнение между данните от MAGER и данните от геомагнитната обсерватория в Панагюрище.
Сравнение между тоталния интензитет |B| на геомагнитното поле за Стара Загора и минутни данни от геомагнитната обсерватория в Панагюрище, за периода 05-12 март 2016. Редовете от нашия магнитометър са филтрирани с 15-минутен двупосочен нискочестотен филтър.
Three components of the geomagnetic intensity vector in Stara Zagora.
Трите компонента на геомагнитното поле за Стара Загора показват силна геомагнитна буря G3 на 06-07 март 2016 г. с нарастваща активност отново на 11 март 2016 г. Най-вероятно, причината е изхвърляне на коронална маса (Coronal Mass Ejection, CME) от 06 март 2016 г. Данните са филтрирани с 15-минутен нискочестотен двупосочен филтър.
Planetary Kp indexes from the TESIS satellite.
За сравнение с горната фигура, планетарни Kp индекси от сателитните данни получени от сателитен комплекс TESIS, обхващащи същия период от 06-12 март 2016 г.

Заключение

Нов AMR магнитометър MAGER™ с подобрена стабилизация на температурата на магнитния сензор е разработен и докладван в настоящата работа. Получените резултати са демонстрирани в сравнение с резултатите от други геомагнитни обсерватории, разположени в Източна Европа. Предварителният анализ показва висока корелация между нашите данни и данните, получени в обсерваториите от мрежата INTERMAGNET. В случая с данните от геомагнитната обсерватория в гр. Панагюрище (PAG), коефициентът на корелация е 92%. Като бъдеща работа планираме да подобрим условията, при които работи магнитометъра, за да се намали влиянието на околната температура върху качеството на измерванията. На този етап от нашето изследване можем да заключим, че разработеният от нас инструмент успешно доказва, че магниторезистивната сензорна технология може да се използва в геомагнитните приложения и е особено подходяща за мониторинг и анализ на космическото време.

Литература

  1. Benev B., Stoev A., Stoeva P. Portable 3D magnetometer for local geomagnetic field disturbance measurements, SES 2012, pp. 345-347, 2013.
  2. Renaudin V., Muhammad A., Lachapelle G. Complete triaxis magnetometer calibration in the magnetic domain, Journal of Sensors, Vol. 2010, article ID 967245, 2010.
  3. Stoev A., Maglova P., Benev B. Investigation of the variations of geomagnetic activity on the territory of ancient rock sanctuaries, SES 2012, pp. 76-81, 2013.
  4. Uozumi T., Yumoto K., Kitamura K., Abe S., Omoto T., MAGDAS Group. A calibration technique for temperature drift of MAGDAS magnetometer data, Earth & Planet. Sci., Vol. XXXII, No. 2, pp. 95-104, 2009.

Съкратена версия на този доклад беше представена на Първия VarSITI Генерален Симпозиум, 06-10 юни 2016 г. Албена, България и на Единадесетата научна конференция с международно участие "Космос, Екология, Сигурност" 04-06 ноември 2015 г. София, България.