12. MAGNETICKÁ MĚŘENÍ, OSCILOSKOPY měření magnetické indukce a intenzity magnetického pole (stejnosměrné pole - Hallova a feromagnetická sonda, anizotropní magnetorezistor; střídavé pole - měřicí cívka) analogový osciloskop (základní parametry, blokové schéma, spouštěná časová základna – princip synchronizace, pasivní sonda k osciloskopu, dvoukanálový osciloskop – blokové schéma, dva režimy činnosti a jejich použití) osciloskop s číslicovou pamětí – (princip, blokové schéma, způsob zobrazení, stroboskopická metoda, možnosti spouštění)
X38EMA – P12
1
Měření magnetické indukce a intenzity magnetického pole Hlavní zákony užívané v magnetických měřeních t
1.
2.
2 dφ ui = − ⇒ ∆φ = ∫ ui dt dt t1
∫ Hdl = ∑ I
Faradayův indukční zákon (využíváme ke stanovení změny magnetického toku, popř. změny magnetické indukce z indukovaného napětí) III. M.R. v integrálním tvaru (u uzavřených vzorků využíváme ke stanovení intenzity magnetického pole z magnetovacího proudu)
Poznámka – Měření integrálu indukovaného napětí: a) Periodické průběhy (f ≥ 50 Hz) – pasivní integrační článek (RC >> T = 1/f) b) Pomalé změny u1(t) – integrační zesilovač (viz. přednáška 4) t
t
1 2 1 2 φ (t2 ) = u2 (t2 ) = ∫ iC (t ) dt + uc (t1 ) = u1 (t ) dt + uc (t1 ) C t1 RC ∫t1
X38EMA – P12
2
Měření magnetické indukce a intenzity magnetického pole ve vzduchu Poznámka: ve vzduch platí B = µ0H, (µ0 = 4π10-7 H/m)
i
1. Hallova sonda (stejnosměrné i střídavé pole), 1 mT ÷ 2 T, DC ÷ 30 kHz
B
uH = k.i.B
uH 2. Anizotropní magnetorezistor (AMR) (stejnosměrné i střídavé pole), v můstkovém uspořádání 10 nT ÷ 100 µT, DC ÷ MHz
Princip: vodivost feromagnetika ve směru magnetizace je menší než ve směru kolmém. tzv. „barber pole“ struktura vede k linearizaci a možnosti rozlišení směru.
směr citlivosti proud
vodivé pásky (Al)
Hy remanentní magnetizace
X38EMA – P12
Permalloy
3
H0
Fluxgate (feromagnetická sonda) (stejnosměrné, případné NF střídavé pole), v kompenzovaném režimu 100 pT ÷ 200 µT, DC ÷ kHz
~
u
H1,φ1 φ φ1
φ
φ2
H
t
X38EMA – P12
φ1
φ2
t
H
H
φ1 + φ2 = 0
H1 H2
H2,φ2 φ
φ
t
H
Feromagnetická jádra
φ
φ1 + φ2
H1 H0
H2
t
4
4. Vzduchová měřicí cívka (střídavé magnetické pole bez stejnosměrné složky) kmitočtové omezení vlastní rezonancí cívky B
+ΦCM
ΦC 2Φ
mV
u i (t ) = U stř
d φ C (t ) dt
2 = T
t1 +T / 2
t
0
−ΦCM +φ
4φ CM 2 CM u t = d ∫t i T −φ∫ dφC = T 1 CM
ui Ustř t1
1
U′ U stř 1,11 Bm = = 4 fSN 4 fSN U′ U stř 1,11 Hm = = 4 µ 0 fSN 4 µ 0 fSN (U‘ je USAR 1,11 měřené přístrojem s usměrňovačem) U ef Bm = pouze pro harmonický průběh B(t) lze psát: 4,44 fSN
t2
0
X38EMA – P12
t
T/2
5
Analogový osciloskop Y
u2
AC
u1 DC
u1 VZ
PZ GND EXT.
u2
Spouštěcí úr.
INT.
EXT. TRIG. AUTO
GSP
u3
ČZ
X
Spoustěná časová základna nastavení spouštěcího bodu: - úroveň - hrana (vzestupná, sestupná) - zdroj spouštění: vnitřní, vnější, siť; - vazba spouštěcího signálu (ss, stř,)
X38EMA – P12
u3
u5 u4 ČZ
u4 HZ
X
x 10
u5
Režim HOLD OFF
6
Dvoukanálový analogový osciloskop Y1
u1
PZ1 DC
Y2
Přepínání ČZ (Alt) u2,1
AC
u2,1
GND
u2,2
AC
u1
PZ2 DC
Alt
Chop
GND EXT.
EXT. TRIG.
u2,2
VZ
u6
u3
AM
u4 Přepínání AM (Chop)
CH1 CH2
u5
GSP
u3
ČZ
u4 ČZ HZ X
AUTO
X
X38EMA – P12
u6
Čas. lupa x 10
7
Pasivní sonda 1:10 a) ekvivalentní obvod, b) ekvivalentní obvod překreslený jako frekvenčně kompenzovaný odporový dělič napětí SONDA
HROT SONDY
OSCILOSKOP
R1
C1
Ci
Ri
CK
R1
C1
Ri
Ci + CK
CK – kapacita kabelu
a)
b)
Kalibrace sondy (nastavení kapacity C1) pomocí periodického obdélníkového průběhu u
u t
a) R1C1 < Ri(CK+Ci)
X38EMA – P12
u t
b) R1C1 = Ri(CK+Ci) (správná kompenzace)
t c) R1C1 > Ri(CK+Ci)
8
Osciloskop s číslicovou pamětí (číslicový osciloskop) VSTUP (2)
KANÁL 2 (VZ, VZP, AČP, ČP) Mikropočítač
VSTUP (1)
Vstup. zesil.
Vzorkovač
AČP
RAM
FIFO Standard. rozhraní
Ext. TRIG
Gen.“spouštěcího“ pulsu
ČASOVAČ
HODINY
IEEE 488 RS-232 USB
Videoprocesor
Způsob ukládání vzorků do paměti: Paměti v jednotlivých kanálech typu FIFO (first in first out) – po zapnutí trvale plněny vzorky signálu; Po generování „spouštěcího“ pulsu – zastavení plnění paměti a) okamžitě (záporného zpoždění – pre-trigger) b) po zpoždění, které odpovídá době naplnění paměti FIFO („normální”) c) po zpoždění delším než odpovídá době naplnění paměti FIFO (zpožděný - delay) X38EMA – P12
9
Režim „pre-trigger“ (záporné zpoždění) a režim „delay“ (zpoždění) SB – „spouštěcí“ (u číslicových osciloskopů přesněji „zastavovací“) bod FIFO paměť: šířka n bitů (obvykle 8), délka k vzorků a) „pre-trigger“ (záporné zpoždění): zobrazeno l vzorků před SB a k - l vzorků po SB (zápis do paměti se zastaví po zapsání k - l vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB
k
spouštěcí úroveň
k-l
b) „normální“ režim: zobrazeny vzorky následující po SB – odpovídá zobrazení analog. osc. (zápis do paměti se zastaví po zapsání k vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB
spouštěcí úroveň
k c) „delay“ (zpoždění): zobrazeny vzorky následující d vzorků po SB (zápis do paměti se zastaví po zapsání k + d vzorků po generování „spouštěcího“ pulsu) SB
. X38EMA – P12
d
k k+d
spouštěcí úroveň 10
Druhy vzorkování signálu u číslicového osciloskopu 1. V REÁLNÉM ČASE 4 až 10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky umožňuje pre-trigger mode umožňuje záznam přechodných dějů 2. SEKVENČNÍ V EKVIVALENTNÍM ČASE (STROBOSKOPICKÉ) jen pro periodické průběhy v každé periodě jen jeden vzorek posunutý o ∆t ekvivalentní vzorkovací frekvence fVZ.EKV.=1/(∆t)
T T+∆t
∆t T+∆t
3. NÁHODNÉ V EKVIVALENTNÍM ČASE jen pro periodické průběhy po spuštění se vzorkuje s maximální vzorkovací frekvencí (několik vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky signálu) každá sada vzorků zpožděna o náhodnou ale známou dobu rychlejší rekonstrukce než dle bodu 2) X38EMA – P12
11
