Разработка установки для калибровки цифрового магнитометра

дипломная работа

2.3 Четырехтактный алгоритм минимизации погрешностей

Погрешность, связанная с термо-ЭДС. контактов UT, можно устранить стандартным методом путем питания датчика Холла переменным током с последующим синхродетектированием [9]. Минимизация погрешности, обусловленной пропорциональным протекающему через токовые контакты току остаточным напряжением датчика UН, не зависящим от магнитного поля, но зависящим от температуры [8], производится методом взаимности. Действительно, выходное напряжение датчика U при пропускании через него входного тока I в магнитном поле В, перпендикулярном плоскости датчика, можно представить как реакцию линейной системы на внешнее воздействие

Ui = ij(B)Ij, = (Rij + KijB)Ij, I, j = 1, 2. (2.2)

Здесь индексом 1 отмечены токовые контакты датчика Холла Т1 и Т2, а индексом 2 - потенциальные П1 и П2 (рис. 2.2), ij(B) - функция восприимчивости во внешнем магнитном поле B, Rij = ij(0) и учтено, что датчик Холла в слабых полях линеен по магнитному полю. Из свойств симметрии восприимчивости [10] следует, что ij(B) = ij(-B).

Риc. 2.2. Структурная схема четырехтактного алгоритма измерения

Следовательно, R12 = R21 = Rн, K12 = - K21 = Kх. Тогда, считая, что I1 = I2 = I, получим U1 = Uн + Uх, U2 = Uн - Uх, где Uн = RнI - остаточное напряжение (напряжение небаланса), связанное с несимметричностью контактов датчика, Uх = KхВI - холловское напряжение, пропорциональное магнитному полю.

Легко видеть, что U1(0) = Uн. Таким образом, если за меру магнитной индукции принимается напряжение U1 на потенциальных контактах датчика Холла, то остаточное напряжение Uн является при абсолютных измерениях источником погрешности Вн = Uн/S, где S = KхI - крутизна преобразования датчика Холла. Кроме того, проявляется погрешность Внс, связанная с собственным магнитным полем датчика также составляет порядка 10- 4 Тл.

Эти погрешности можно исключить путем балансировки датчика Холла, когда с помощью внешнего резистора RБ, подключаемого к датчику Холла, в нулевом магнитном поле добиваются нулевого напряжения на потенциальных контактах. Однако такая процедура требует экранировать измерительный объем до уровня 10-7 Тл, что не всегда возможно. Кроме того, эти погрешности зависят как от температуры датчика, так и от тока, протекающего через датчик.

Устранить эти недостатки позволяет использование четырехтактного алгоритма измерения [9]. Блок схема магнитометра, реализующего этот алгоритм измерения, представлена на рис. 2.2. Алгоритм предусматривает раздельное измерение холловского напряжения Uх, то есть магнитного поля, и остаточного напряжения датчика Холла Uн, что позволяет частично скомпенсировать его с помощью внешнего резистора RБ, подключаемого к датчику Холла, непосредственно в измеряемом магнитном поле.

Заметим, что создаваемое датчиком магнитное поле пропорционально току, протекающему через датчик Внс = kI. Соответственно, для холловского напряжения получаем

UX = KX(B0 + Внс)I = SB0 + KXkI 2 = UX0 + Uнс. (2.3)

Здесь UX0 - часть холловского напряжения, пропорциональная измеряемому магнитному полю B0, Uнс - погрешность, пропорциональная квадрату тока через датчик. Поскольку эта погрешность не зависит от направления тока, ее можно включить в термо-ЭДС контактов.

Измерительная схема содержит датчик Холла ДХ, источник постоянного тока ИТ, систему коммутации СК, включающую ключи К1 - К10 и измерительный усилитель У [9]. Полный цикл измерения происходит за четыре такта системы коммутации.

Первый такт: ключи К1 - К4, К6, К7 разомкнуты, К5, К8 замкнуты. Ток от источника ИТ протекает через ключ К5, контакты Т1, Т2, ключ К8. Напряжение U1 с контактов П1, П2 подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 1, на вход усилителя У. При этом напряжение на входе усилителя U3 = UП + Uн + Uх, где UП = UТ + Uнс + Uсм - суммарная погрешность, не зависящая от направления тока, Uсм - напряжение смещения усилителя У.

Второй такт: ключи К1 - К4, К5, К8 разомкнуты, К6, К7 замкнуты. Ток протекает через ключ К6, контакты Т2, Т1, ключ К7. Поскольку направление тока через датчик Холла инвертировано по отношению к первому такту, напряжение на контактах П1, П2 равно -U1. Это напряжение подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 1, на вход усилителя У. Напряжение на входе усилителя равно U4 = UП - Uн - Uх.

Третий такт: ключи К5 - К8, К2, К3 разомкнуты, К1, К4 замкнуты. Ток протекает через ключ К1, контакты П1, П2, ключ К4. Напряжение U2 с контактов Т1, Т2 подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 2, на вход усилителя У. Напряжение на входе усилителя равно U5 = UП + Uн - Uх.

Четвертый такт: ключи К5 - К8, К1, К4 разомкнуты, К2, К3 замкнуты. Ток протекает через ключ К2, контакты П2, П1, ключ К3. Напряжение на контактах Т1, Т2 равно -U2 и подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 2, на вход усилителя У. Напряжение на входе усилителя при этом равно

U6 = UП - Uн + Uх.

Нетрудно видеть, что

(U3 - U4 + U5 - U6)/4 = Uн,

(U3 - U4 - U5 + U6)/4 = Uх0 = SB0.

Делись добром ;)