Read Microsoft Word - Balevicius_2008_Bmatuoklis.doc text version

2008 MET MOKSLINöS KONFERENCIJOS DARBAI

137

STIPRAUS IMPULSINIO MAGNETINIO LAUKO MATUOKLIS

S. Balevicius, V. Stankevic, N. Zurauskien÷, C. Simkevicius, S. Kersulis vadas Impulsinio magnetinio lauko, kuris keicia ne tik savo amplitud, bet ir krypt, matavimas yra sud÷tinga technin÷ problema. Ypac tai aktualu matuojant magnetin lauk b÷gi tipo elektromagnetin÷se svaidykl÷se. J efektyvumas labai priklauso nuo sukurto magnetinio lauko stiprio ir jo pasiskirstymo erdv÷je aplink greitinamj objekt. Siuo tikslu Puslaidininki fizikos institute buvo sukurtas magnetinio lauko matuoklis [1], kuris s÷kmingai buvo isbandytas Pranczijos-Vokietijos tyrim institute Saint-Louise (ISL) [2*, 3*]. Toks matuoklis buvo sudarytas is magnetinio lauko jutiklio, paremto milziniskos magnetovarzos efektu manganituose, maitinimo bloko ir bendraasio kabelio. Tyrimai parod÷, kad elektromagnetin÷s svaidykl÷s sviediniui judant isilgai b÷gi, sukuriamas impulsinis plataus spektro magnetinis laukas. Zemiausi tokio lauko dazn lemia laikas, per kur sviedinys juda svaidykl÷je. Auksto daznio elektromagnetinis laukas atsiranda d÷l plazmos islydzi sviedinio kontaktuose. Toks magnetinis laukas n÷ra sukoncentruotas, jis pasklinda placiai erdv÷je ir yra pakankamai stiprus dideliu atstumu nuo b÷gi. Tyrimai parod÷, jog btina apsaugoti magnetinio lauko matavimo sistem nuo si trukdzi [4*]. Nuo si trukdzi magnetinio lauko jutiklis su kabeliu pakankamai apsaugotas. Jis yra pagamintas is manganit sluoksnio, uzgarinto ant pad÷klo ir prilituoto prie bifiliariskai susukto ekranuoto kabelio. Jo bifiliariskai susuktas laidas kompensuoja indukuot d÷l impulsinio magnetinio lauko elektrovar (EV), o ekranas apsaugo j nuo auksto daznio signalo. Jutiklis buvo prijungiamas prie maitinimo bloko, kuriame varzos pokytis buvo transformuojamas tampos pokyt. Toliau signalas bendraasiu kabeliu yra perduodamas oscilograf. Maitinimo bloko metalinis korpusas gerai ekranuoja elektrin schem nuo auksto daznio trikdzi, bet negali apsaugoti nuo zemo daznio magnetinio lauko. Kita sistemos silpna vieta yra bendraasis kabelis, jungiantis maitinimo blok ir oscilograf. Dazniausiai atstumas tarp matuojamo magnetinio lauko ir registruojancio prietaiso siekia iki 50 metr. Tokiu atveju impulsinis magnetinis laukas kabelyje indukuoja stipr parazitin signal. Kadangi matuojamas signalas yra analoginis, tokie trukdziai daro stipri tak rezultat tikslumui. Tod÷l sio darbo tikslas buvo sukurti nauj magnetinio lauko matuokl, kuris bt apsaugotas nuo auksciau min÷t trukdzi. Matuoklio aprasymas ir veikimo principas Magnetinio lauko matuoklis susideda is magnetinio lauko jutiklio ir signalo registravimo, apdorojimo bei duomen kaupimo bloko. Magnetinio lauko jutiklio konstrukcija buvo patobulinta, atsizvelgus tyrim rezultatus ir skaiciavimus, ir aprasyta [4*] darbe. Matuojant magnetinio lauko pasiskirstym, reikia tiksliai zinoti jutiklio aktyvaus sluoksnio pad÷t. Tod÷l naujoje konstrukcijoje bifiliariskai susukti laidai buvo lituojami statmenai jutiklio plokstumai, o jutiklio pad÷klo apatin÷ dalis paliekama nepadengta epoksidine derva. Tai leido tiksliai vertinti jutiklio aktyviosios sluoksnio dalies atstum nuo jutiklio prispaudimo tasko (jis lygus pad÷klo storiui ­ 400 µm). Be to, laidai buvo bifiliariskai susukami ypac kruopsciai, siekiant uztikrinti minimal ,,kilpos efekt". Skaiciavimai parod÷, kad toks jutiklis gali matuoti kintamus magnetinius laukus, kuri daznis siekia 5 kHz. Signalo apdorojimo ir registravimo blokas susideda is elektrin÷s schemos, patalpintos aliuminin korpus, kuris is vidaus buvo isklotas miumetalo folija. Elektrin÷ schema atlieka sias funkcijas: jutiklio varzos pokyt keicia tampos pokyt, analogin tampos signal konvertuoja

138

2008 MET MOKSLINöS KONFERENCIJOS DARBAI

skaitmenin, raso laikin atmint ir persiuncia kompiuteriui. Elektrinei schemai keliami tokie reikalavimai: nuskaitymo greitis ­ 1 mln. informacijos task per sekund (1 MSPS); matavimo zingsnis ­ 80 µV arba maziau; nuolatinis bei impulsinis veikos rezimai; automatinis paleidimas nuo paties signalo arba sinchronizuojant nuo isorinio prietaiso; USB ssaja su kompiuteriu; suderinamumas su IEEE 488 protokolu. renginio blokin÷ schema yra pavaizduota 1 pav. Magnetinio lauko jutiklis yra maitinamas atramine 2,5 V tampa nuo stabilitrono. Kintant jutiklio varzai, keiciasi jo tampa. tampos pokytis atkartojamas operaciniu stiprintuvu ir paduodamas analogin-skaitmenin keitikl

1 pav. Signal apdorojimo ir registravimo bloko blokin÷ schema.

(ASK). ASK yra valdomas procesoriaus (CPU) programuojama v÷liav÷le. Procesorius inicijuoja kiekvien matavim, o ASK pasibaigus matavimui issiuncia 16 bit duomen paket procesoriaus SPI ssaj. CPU vykdo program, rasyt isorin÷je atmintyje EEPROM. Priklausomai nuo programos darbo rezimo protokolo, duomenys yra siunciami personalin kompiuter (PK) nuolat arba paketais. Atsizvelgiant iskeltus reikalavimus matavim spartai ir tikslumui, pirmiausiai buvo pasirinkti pagrindiniai komponentai ­ ASK ir CPU. Buvo naudotas naujas, greitas, pakankamai dinamin÷s atminties turintis skaitmenini signal procesorius ADSP Blackfin 532 (analog devices). Sis procesorius suteikia daug galimybi ateityje tobulinant sistem. Jo sisteminis laikrodis veikia 100 MHz dazniu, o branduolio ­ 400 MHz dazniu. Tai leidzia greitai vykdyti sud÷ting program, nestabdant matavim. Vidin÷ 32 KB dinamin÷ atmintis, skirta duomenims, leidzia issaugoti iki 16 tkstanci matavim. Blackfin 532 yra maitinamas 3,3 V tampa, naudoja mazai galios, tod÷l tinka maitinamai nuo kompiuterio sistemai. Kitas svarbus komponentas, ASK, buvo pasirinktas 16 skilci ir 1 MSPS AD7980 (analog devices). AD7980 yra labai lengvai valdomas, jungiamas prie CPU, konfigruojamas. Naudojama SPI ssaja, tod÷l valdymas ir duomen siuntimas vyksta, naudojant tik 3 CPU isvadus: MISO, SCK ir PF1 (programuojama v÷liav÷l÷). Pasirinktas keitiklis taip pat naudoja mazai galios, nes yra jungiamas tik matavim ir duomen siuntimo metu. Duomen siuntimui PK yra naudojama UART ssaja. Tam reikalingas UART-USB keitiklis. Pasirinktas modelis FT232RL (FTDI), nes jis yra suderinamas su vairiomis PK operacin÷mis sistemomis, reikalauja mazai papildom element, turi tiksl vidin laikrod, taigi nereikalauja isorinio kvarcinio rezonatoriaus. Programai saugoti naudojama isorin÷ 16 KB EEPROM atmintis M95128, jungiama per t paci SPI ssaj kaip ir ASK. CPU yra sukonfigruotas taip, kad jungus iskart pasikraut programa is isorin÷s atminties darbin dinamin atmint. Procesoriaus ADSP Blackfin 532 programa rasoma programavimo aplinkoje Visual DSP++. Sioje aplinkoje galima rasyti program, simuliuoti, steb÷ti registrus, atminties lsteles,

2008 MET MOKSLINöS KONFERENCIJOS DARBAI

139

kintamuosius. Pasirinkta asemblerio programavimo kalba, nes Blackfin procesori asemblerio komandos yra aiskios, intuityvios. Programa susideda is dviej pagrindini dali: inicializacijos ir trki valdymo paprogrami. Inicializacija yra labai svarbi dalis, nes taip nustatomi vairi funkcini dali veikimo rezimai, greiciai, jungiamos ar isjungiamos kai kurios funkcijos. Taip pat sioje dalyje yra apibr÷ziami kintamieji ir konstantos, kintamj adresai. Trki valdymo paprogram÷s yra atsakingos uz programos algoritmo vykdym.

a. b. 2 pav. Is÷jimo signalas veikiant kintamam magnetiniam laukui neekranuot (a) ir ekranuot (b) magnetinio lauko matavimo tais.

Elektrin÷ grandin÷ yra patalpinta korpus, kuris buvo pagamintas is aliuminio ir is vidaus isklotas miumetalo folija. Miumetalo folija yra skirta apsaugoti elektrin grandin nuo zemo daznio magnetinio lauko. Jos storis buvo parengtas bandym bdu paveikiant rengin impulsiniu magnetiniu lauku. 2 pav. parodyti is÷jimo signalai, veikiant jutikl ir vis matavimo sistem kintamu magnetiniu lauku, kai keitiklio blokas buvo be miumetalo folijos (2a pav.) ir kai keitiklio korpusas buvo patalpintas apsaugin ekran, padaryt is folijos (2b pav.). Jos storis buvo 0,2 mm, o santykin÷ magnetin÷ skvarba lygi apytikriai µr = 20 000. Pirmuoju atveju signal sudaro du signalai: tampos pokytis d÷l magnetinio lauko jutiklio varzos pokycio ir EV, indukuota magnetinio lauko, prasiskverbusio keitiklio blok. Antruoju atveju (b) grafike matome tik vieno poliskumo magnetinio lauko signal, ismatuot jutikliu. PK programin÷s rangos krimas Sistemos valdymas yra panasus oscilografo valdym, tod÷l buvo pasirinkta panasi oscilograf vaizdin÷ ssaja. Programos krimui buvo pasirinkta LabView vaizdinio programavimo ir automatizavimo aplinka. 3 pav. pateiktas LabView programos aplinkos vaizdas. Kompiuterio monitoriuje matyti matavimo rezimo nustatymo mygtukai (matavimo rezimas, matavimo trukm÷, trigerio lygis, jutiklio numeris ir t.t.) bei ekranas panasus oscilografo ekran. Kompiuterio operacin÷ sistema identifikuoja matuoklio elektrin grandin kaip virtuali COM ssaj. Tam naudojama LabView funkcija VISA. Ateinantys duomenys automatiskai rasomi pri÷mimo bufer, o is ten programa juos pertvarko lentel÷s pavidalu. Priklausomai nuo darbo rezimo duomenys yra nuolat vaizduojami 3 pav. LabView programos aplinkos vaizdas.

140

2008 MET MOKSLINöS KONFERENCIJOS DARBAI

grafike arba laukiama vieno impulso. Abiem atvejais pries atvaizdavim jie yra perskaiciuojami pagal duotojo jutiklio kalibracin kreiv is santykini vienet tamp, varz ir magnetinio lauko indukcij. Matavimo sistema su magnetinio lauko jutikliu ir kompiuteriu parodyta 4 pav. Matuoklis buvo testuojamas, matuojant l÷tai kintancius magnetinius laukus iki 300 mT (impulso trukm÷ iki 10 s) bei ultrastipriuosius impulsinius magnetinius 4 pav. Matavimo sistema su magnetinio lauko jutikliu ir kompiuteriu. laukus iki 25 T (impulso trukm÷ 0,6 ms). Pagrindiniai matuoklio parametrai: signal nuskaitymo greitis ­ 1 MSPS; task skaicius ­ 8000; matuojamo signalo daznis ­ nuo 0 iki 100 kHz; magnetinio lauko amplitud÷ ­ nuo 0,02 iki 40 T; matavimo paklaida (d÷l jutiklio magnetovarzos anizotropijos) magnetini lauk ruoze ­ 0,02­1 T ­ 20 %, 1­2 T ­ 10 %, 2­40 T ­ < 1 %; sinchronizavimas ­ nuo isorinio impulso ir nuo paties signalo; matmenys ­ 11×8×3 cm; svoris ­ 200 g. Isvados Sukurtas magnetinio lauko matuoklis tenkina visus auksciau iskeltus reikalavimus. Matuoklis patikimai apsaugotas nuo zemo ir auksto daznio magnetinio lauko trukdzi. Tam analoginis matavimo signalas buvo paverstas skaitmeniniu, o signalas registravimo aparatr buvo siunciamas tik po to, kai buvo pasibaigs magnetinio lauko impulsas ir isnyk j lydintys elektromagnetiniai triuksmai. Be to, pats signalo konvertavimo ir registravimo blokas miumetalo folija yra apsaugotas nuo zemo daznio magnetinio lauko. Sukurtas renginys yra suderintas su bet kokia operacine sistema ir bet kokiu kompiuteriu, kuriame yra USB jungtis. Tokio renginio pranasumas ­ signalas yra siunciamas tiesiai kompiuter (nereikalingas oscilografas). Literatra

1. V. Stankevic, S. Balevicius, N. Zurauskien÷, C. Simkevicius, P. Cimmperman, O. Kiprijanovic, R. Tolutis, J. Novickij, Elektromagnetini svaidykli magnetinio lauko matuoklis, Is PFI XVII mokslin÷s konf., skirtos akad. Juro Pozelos 80-meciui pazym÷ti, darbai, Vilnius, 2005 m. gr. 5­8 (PFI: Vilnius, 2006), p. 145­148. ISBN 9986-9284-7-8. 2*. M. Schneider, O. Liebfried, S. Balevicius, V. Stankevic, N. Zurauskien÷, A. Abrutis, V. Plausinaitien÷, Magnetic diffusion in railguns: measurements using CMR-based sensors, IEEE Trans. Magnetics [priimtas]. 3*. Liebfried, M. Schneider, M. Löffler, S. Balevicius, N. Zurauskien÷, V. Stankevic, Measurement of the magnetic field distribution in railguns using CMR-sensors, Acta Phys. Polon. A [priimtas]. 4*. S. Balevicius, V. Stankevic, C. Simkevicius, N. Zurauskien÷, O. Liebfried, M. Loeffler, M. Schneider, A. Abrutis, V. Plausinaitien÷, Thin film manganite-metal interconnection and "loop effect" Studies in CMRbased high magnetic field sensors, Acta Phys. Polon. A [priimtas].

Information

Microsoft Word - Balevicius_2008_Bmatuoklis.doc

4 pages

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

452746


You might also be interested in

BETA
Microsoft Word - Balevicius_2008_Bmatuoklis.doc