ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra m ení DIPLOMOVÁ PRÁCE

ESKÉ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra mení

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Systém pro mapování magnetických anomálií s využitím fluxgate gradiometr

System for mapping of magnetic anomalies with the use of fluxgate gradiometers

Vedoucí práce Ing. Michal Janošek

Autor Bc. Jan Roun Praha 2011

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v piloženém seznamu. Nemám závažný dvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona .121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmn nkterých zákon (autorský zákon).

V Praze dne ………………………. ……………………………………. podpis

Podkování Dkuji svým rodim a pítelkyni za podporu a trplivost bhem tvorby této diplomové práce. Dále pak všem, kteí pispli k dokonení této práce, pedevším vedoucímu své diplomové práce Ing. Michalu Janoškovi za odborné vedení práce, pozitivní pístup a za cenné rady a pipomínky

Anotace Diplomová

práce

popisuje

realizaci

šestnáctisenzorového

gradiometrického systému. Ten umožuje mapování magnetických anomálií, k jejichž mení v reálném ase byl vytvoen mící systém v programovém prostedí LabView. K realizaci jednojádrových gradiometr jsou využity fluxgate senzory. V práci je popsán princip innosti a popis realizace jednotlivých ástí gradiometrického systému, kterými jsou soustava gradiometrických sond, stávající elektronika pro buzení senzor, elektronika pro zpracování výstupních signál senzor a mící karta pro sbr dat vetn programového vybavení.

Annotation The objective of this diploma thesis is realization of gradiometric system with 16 sensors. It enables for real-time mapping of magnetic anomalies with a LabView based measuring system. Individual single-core gradiometers were realized by fluxgate sensors. In the diploma thesis, the operating principle and implementation of individual parts of gradiometric system are described. The system consists of gradiometric sensors, excitation electronics, signal extraction electronics and data acquisition module with apropriate software.

Obsah 1. Kapitola .................................................................................................. - 1 - Úvod .............................................................................................................. - 1 - 2. Kapitola .................................................................................................. - 2 - Teoretický rozbor ......................................................................................... - 2 - 2.1

Mení magnetického pole ve vzduchu ............................................. - 2 -

2.2

Rozsahy citlivostí senzor................................................................. - 4 -

2.3

Základní typy senzor pro mení slabých mag. polí ........................ - 5 -

2.3.1

Feromagnetické magnetorezistory ............................................. - 5 -

2.3.2

Sondy typu fluxgate .................................................................... - 7 -

2.4

Technologie PCB pro výrobu fluxgate sond .................................... - 10 -

2.5

Gradient magnetického pole ........................................................... - 11 -

2.6

Mení gradientu magnetického pole - gradiometry ........................ - 12 -

2.7

Digitalizace fluxgate sond ............................................................... - 15 -

3. Kapitola ................................................................................................ - 16 - Realizace a popis gradiometrického systému ......................................... - 16 - 3.1

Fluxgate gradiometr ........................................................................ - 16 -

3.1.1

Jádro senzoru ........................................................................... - 17 -

3.1.2

Snímací, budící a gradientní vinutí senzoru ............................. - 18 -

3.1.3

Návrh senzoru .......................................................................... - 19 -

3.2

Elektronika zpracování signálu ....................................................... - 21 -

3.2.1

Kanál pro zpracování gradientního signálu .............................. - 21 -

3.2.2

Kanál pro kompenzaci homogenního pole ............................... - 25 -

3.3

Použitá budící elektronika ............................................................... - 27 -

3.4

Použitý A/D pevodník..................................................................... - 30 -

3.4.1

Popis A/D pevodníku ............................................................... - 30 -

3.4.2

Analogový vstup ....................................................................... - 31 -

3.4.3

Vícekanálové mení dat – možnosti karty USB-6212 ............. - 32 -

3.5

Gradiometrická soustava sond ........................................................ - 36 -

3.6

Celkové zapojení gradiometrického systému .................................. - 39 -

4. Kapitola ................................................................................................ - 41 - Softwarová realizace .................................................................................. - 41 - 4.1

Struktura mícího systému ............................................................ - 41 -

4.1.1

Triggerování mených dat ....................................................... - 42 -

4.1.2

Zpracování dat.......................................................................... - 43 -

4.2

Ovládání programu ......................................................................... - 47 -

5. Kapitola ................................................................................................ - 50 - Mení ......................................................................................................... - 50 - 5.1

Astatizace gradientního vinutí gradiometr ..................................... - 50 -

5.2

Kalibrace gradiometr ..................................................................... - 52 -

5.3

Testovací mení ............................................................................ - 57 -

6. Kapitola ................................................................................................ - 61 - Závr ........................................................................................................... - 61 - Seznam použité literatury a internetových odkaz ................................. - 62 - Seznam obrázk a tabulek ........................................................................ - 65 - Seznam píloh............................................................................................. - 67 -

1.

Kapitola Úvod Fluxgate gradiometry jsou senzory sloužící k mení gradientu magnetického pole.

Ten je asto vyžadován pi mení v malé vzdálenosti od zdroje meného pole a tehdy, kdy je poteba potlait rušivá pole ze vzdálených zdroj (pedevším magnetické pole zem). Jejich hlavním úelem je lokalizace objekt, které jsou pro lovka neviditelné, ale mají magnetické vlastnosti (vyhledávání min, nedestruktivní defektoskopie atd.). V prbhu 2. svtové války sloužily magnetometry využívající princip fluxgate gradiometr k vyhledávání nepátelských ponorek. Detekce se provádla z extrémn nízko letících letadel (pibližn 150 m nad zemí). Od skonení války se aerometrické mení využívají pedevším k vyhledávání nerostných surovin (rudná ložiska, ropa). V dnešní dob jsou gradiometry využívány také napíklad pro biomagnetická mení (nap. magnetopneumografie - vyšetovací metoda ke zjišování retence prachu v plicích), mohou být použity v zaízeních pro vyhledávání feromagnetických objekt (nap. minohledaky). Bžn jsou také používané v archeologickém a geologickém przkumu. S ohledem na ti faktory (rozsah, rychlost zmn a vektorový charakter senzoru) byly do této diplomové práce jako nejvhodnjší snímae vybrány fluxgate senzory jako nejcitlivjší senzory pracující pi pokojové teplot. Vzhledem k nutnosti sestavit matici 16ti senzor, byla pro jejich základní návrh vybrána technologie plošných spoj. Tato diplomová práce popisuje realizaci gradiometrického systému k mení magnetického pole, resp. anomálií vznikajících v tomto poli. Tento systém se skládá ze 4 hlavních ástí: 1. fluxgate gradiometry 2. držák senzor 3. budící a snímací elektronika 4. mící systém ( 2 A/D pevodníky + mící program) Držák soustavy gradiometr je navržen tak, aby ho bylo v budoucnosti možné pipojit k podvsu kvadrokoptéry, nebo jiného bezpilotního prostedku. Souástí této práce je také návrh mícího systému, který je schopen v reálném ase detekovat odchylky v meném magnetickém poli a zobrazovat pomocí 2D intenzitního grafu v programovém prostedí LabView. -1-

2.

Kapitola

Teoretický rozbor Tato kapitola popisuje principy mení magnetických polí a pístroje, kterými je možné tato pole mit. Na zaátku jsou popsány základní pojmy a veliiny, které jsou dležité pro popis magnetického pole. V další ásti jsou pak uvedeny základní typy senzor a jejich citlivostní rozsahy. Na konci této kapitoly je definován gradient a zpsoby mení magnetického gradientu.

2.1 Mení magnetického pole ve vzduchu Zpracováno z [1] a [2]. Základním vztahem používaným pi mení magnetického pole ve vzduchu je závislost mezi magnetickou indukcí B a intenzitou magnetického pole H. B

P ˜ P0 ˜ H

(1.1)

kde μ je pomrná permeabilita prostedí a jedná se obecn o tenzor 2. ádu. Je to bezrozmrné íslo, avšak pro vzduch je μ prakticky rovna 1, proto ji mžeme zanedbat. μ0 je permeabilita vakua a jedná se o konstantu s hodnotou μ0 = 4·10-7 H·m-1. Magnetická indukce je vektorová veliina, která vyjaduje silové úinky magnetického pole na ástice s nábojem. Mžeme ji definovat jako sílu F psobící na vodi o délce l, kterým prochází elektrický proud I.

F

I >l u B@

>N ; A, m, T @

(1.2)

Jednotkou magnetické indukce je Tesla [T], nkdy se též pedevším v anglicky hovoících zemích užívá jednotka Gauss [G], pevodní vztah je 1 G = 10-4 T. Intenzita magnetického pole je také vektorová veliina a využíváme ji pro vyjádení magnetického pole v látce. Mžeme ji definovat z I. Maxwellovy rovnice (Ampérova zákona)

³ Hdl

I

d\ dt

(1.3)

kde  je elektrický indukní tok, který mžeme pi malých frekvencích zanedbat. Z Ampérova zákona pak platí, že pro velmi dlouhý vodi, jímž prochází známý proud I, mžeme vypoítat intezitu magnetického pole v libovolné vzdálenosti r od stedu vodie podle vztahu

-2-

H

>A ˜ m

I 2 ˜S ˜ r

1

; A, m

@

(1.4)

Další dležitou veliinou je magnetický tok . Vyjaduje souhrnný tok magnetické indukce procházející uritou plochou. Jde o skalární veliinu definovanou naptím indukovaným v závitu ui pi asové zmn toku 

ui

dI dt

>V ;Wb, s@

(1.5)

Jednotkou magnetického toku je Weber [Wb]. 1Wb mžeme také vyjádit jako 1 Vs (Voltsekunda). Tok mžeme také definovat jako plošný integrál magnetické indukce, tedy

I

³³ BdS ³³ B dS n

S

>Wb; T , m @ 2

S

kde Bn je složka vektoru B kolmá na plochu dS.

-3-

(1.6)

2.2 Rozsahy citlivostí senzor Rozsah magnetických polí, které je možné mit pomocí magnetometr, se pohybuje v rozmezí od desítek T až po jednotky fT. Na obr. 1 je znázornn rozsah citlivostí základních senzor. Na X-ové ose je znázornna velikost jednotlivých polí v logaritmickém mítku a na Y-ové ose jsou vyneseny jednotlivé skupiny senzor. Mode zabarvené ára zobrazuje pibližný rozsah polí mitelných vyrábnými pístroji a erven zabarvená ára vyznauje publikované hodnoty namené laboratorními pístroji.

fT

pT

nT

μT

mT

T

kT

Mící cívka Fluxgate sonda Rezonanní SQUID Hallova sonda Magnetorezistor Magnetodioda Magnetooptické

Zemské pole Magnetické anomálie Biomagnetická pole elektromagnety supravodivé a pulsní magnety

Obr. 1– Rozsah citlivostí základních skupin senzor (pevzato z [1])

Nejslabšími mitelnými poli jsou biomagnetická pole, jejich rozsah se pohybuje od jednotek fT (u mozku) až po desítky pT (u srdce). Magnetické pole zem má pibližn 50 μT, jeho variace a anomálie jsou v ádu desítek nT. Navrhovaný systém se bude pohybovat práv v rozsahu zemského magnetického pole, z uvedeného grafu tedy pro vektorové senzory vychází výbr mezi magnetorezistivními a fluxgate sondami.

-4-

2.3 Základní typy senzor pro mení slabých mag. polí Zpracováno z [1] a [2]. K mení slabých magnetických polí se využívají senzory založené na mnoha odlišných fyzikálních principech. Pojem slabé magnetické pole znamená pibližný rozsah magnetické indukce od jednotek nT do stovek μT. V této ásti jsou uvedeny pouze vybrané základní vektorové magnetické senzory, které by bylo možné použít pro konstrukci gradiometrického systému. Jsou to: 1. Feromagnetické magnetorezistory – AMR, GMR 2. Sondy typu fluxgate V tomto výbru nejsou uvedeny Hallovy sondy, pestože jsou to jedny z nejrozšíenjších magnetických sond. Pro mení slabých magnetických polí se však v dnešní dob píliš nevyužívají kvli špatným parametrm a velké teplotní závislosti. Využití nalézají pedevším v mén nároných aplikacích (nap. dvoustavový výstup), zejména v automobilovém prmyslu. Na rozdíl od bžn užívaných sníma mají magnetické snímae specifické vlastnosti dané použitím nelineárních materiál. Mezi dležité parametry magnetických senzor patí teplotní drift, citlivost, spolehlivost, energetická náronost, cena, hystereze, odolnost proti vlivm prostedí a další.

2.3.1 Feromagnetické magnetorezistory AMR Tyto idla využívají anizotropního magnetorezistivního jevu, tzn. že proudu tekoucímu ve smru magnetizace magnetického materiálu je kladen vtší odpor, než proudu tekoucímu kolmo ke smru magnetizace. Jev vzniká v tenkých filmech z magnetických obvykle

materiál, z permalloye.

Magnetorezistivní idla jsou cca 50x citlivjší než Hallovy sondy.

Relativní

zmna

odporu, tedy pomr nejvtšího a nejmenšího odporu, je asi

Obr. 2 – základní princip AMR senzor (pevzato z [2])

okolo 4%. Na obr.2 je zobrazen základní princip AMR senzor. V levé ásti je znázornno mené pole psobící v rovin proužku, kolmo k jeho ose. V pravé ásti se nachází základní charakteristika AMR. Jedná se o závislost odporu na úhlu mezi

-5-

proudem a magnetizací. Ta je siln nelineární, navíc nelze zjistit orientaci vnjšího pole. Kvli tomu se využívá tzv. “Barber-pole” geometrické linearizace. Na proužek jsou napaeny pod úhlem 45° proužky hliníkových mnohem

pásk. vtší

Hliník

vodivost

má než

permalloy a proto proud tee mezi hliníkovými

proužky

k ose

permalloyového proužku, dochází k posunu charakteristiky a tedy k její linearizaci. Problém u AMR senzor je, pokud

jsou

vystaveny

silnému

vnjšímu mg. poli. To pak mže zpsobit zniení vnitního uspoádání

Obr. 3 – periodické flipování u AMR (z [24])

domén. ešením je tzv. “flipování“, to znamená, že se obnoví vnitní magnetizace silným mg. polem periodickým magnetováním v obou smrech (viz obr. 3). Dsledkem tohoto ešení je navíc snížení hystereze senzoru, která je bez flipování v ádu jednotek procent, zatímco s flipováním se jedná o setiny procent. Naopak nevýhodou je zvýšení spoteby a také snížení šíky pásma. Magnetorezistivní senzory se používají pro mén nároné aplikace, jako nap. teky karet, mén pesné kompasy i tecí hlavy. GMR Efekt GMR (Giant MagnetoResistance) byl poprvé objeven v roce 1988 výzkumným týmem, který vedl Peter Grünberg. Senzory tohoto typu využívají závislost elektrického odporu na tom, zda magnetizace feromagnetických pilehlých vrstev je paralelní i antiparalelní. Pro paralelní magnetizaci je celkový odpor nejnižší a je nejvyšší pi magnetizaci antiparalelní. GMR senzory se využívají v aplikacích, kde se vyžaduje vysoká citlivost a vysoká rychlost – v dnešní dob jsou pedevším využívány v pevných discích.

-6-

2.3.2 Sondy typu fluxgate Fluxgate senzory patí do skupiny indukních senzor. Ty jsou založeny na Faradayov indukním zákonu. Využití nalézají pedevším v mení stejnosmrného, nebo nízkofrekvenního magnetického pole v rozsahu asi od 100 pT do 0,1 mT. Rozlišitelnost mají obvykle okolo 100 pT (mohou dosáhnout rozlišení až 10 pT). Jedná se o nejcitlivjší vektorové senzory pracující

pi

pokojové

teplot.

Pouze

SQUID senzory (viz [2]) jsou citlivjší,

Obr. 4 – Princip feromagnetické sondy (z [2])

avšak ty potebují tekuté helium nebo dusík (kvli vysokým teplotám) a proto jsou nevhodné pro satelitní i penosné aplikace. Využití fluxgate senzor je velmi široké. První patent na fluxgate senzor získal v roce 1931 H. P. Thomas. Od 80. let byly fluxgate

senzory

spolu

s protonovým

magnetometrem využívány pro sledování zmn magnetického pole zem. V dnešní dob je možné

využít

tyto

v magnetometrech

snímae

pracujících

napíklad v družicích,

defektoskopii, navigaci nebo v laboratorních pístrojích pro mení remanentní magnetizace. V základní konfiguraci obsahuje sonda 1 feromagnetické jádro s navinutou budící a snímací cívkou (viz obr. 4). Jádro je periodicky pesycované budící cívkou. Pi pebuzení klesá relativní permeabilita materiálu. Detekce se provádí

na

V nepítomnosti

2.

(sudé)

vnjšího

pole

harmonické. se

jádro

pesycuje symetricky do obou polarit H (viz obr. 5a – horní prbh magnetického toku ). Pi

psobení

vnjšího

pole

však

dojde Obr. 5 – Prbhy fluxgate senzoru (z [2])

k posunutí (viz obr. 5b – dolní prbh ) a nesymetrie se projeví na výstupu. To

-7-

znamená, že se tedy zanou indukovat naptí do snímací cívky každou sudou harmonickou podle rovnice (musí se uvažovat zmna permeability i indukní efekt):

Ui

N ˜ S ˜ P0 ˜ Pr ˜

dH dP  N ˜ S ˜ P0 ˜ Pr ˜ H dt dt

(2.1)

Mení pomocí Fluxgate sond je nejvyužívanjší v pípad, kdy je poteba rozlišení v ádu nT. Z praktických zkušeností a také z rovnice (viz [12])

Ui

N ˜S ˜

dB dt

N ˜ S ˜ P0 ˜ H 0 ˜

dP (t ) 1 D ˜ 2 ^1  D ˜ P (t )  1` dt

(2.2)

kde D je efektivní demagnetizaní faktor, plyne, že pro dosažení nejvtší citlivosti senzoru existují urité zásady: x

Citlivost je vtší, ím vtší je poet závit N ( pokud je ovšem hodnota N píliš vysoká, tak se projevují další faktory, jako je napíklad parazitní kapacita cívky, omezující zvyšování citlivosti)

x

Citlivost monotónn stoupá s demagnetizaním faktorem D

x

Napová citlivost roste s budící frekvencí, dokud nezane mít významný vliv parazitní efekt (který mní tvar hysterézní smyky)

Pokud je poteba mit stedn silná magnetické pole (v rozsahu cca od 1 μT do 10 mT), je možné využít AMR senzory. Ty mají sice horší rozlišení (desítky nT), avšak jsou menší, levnjší a mají menší spotebu. Z toho tedy plyne, že hlavními nevýhodami fluxgate senzor je jejich pomrn vysoká cena a také velké rozmry. Proto je pi návrhu senzor snaha o miniaturizaci. Naopak jejich pednostmi jsou teplotní stabilita, malý šum na nízkých frekvencích a robustní konstrukce.

Konstrukní uspoádání Pi konstrukci fluxgate sond je možné využít rzné typy uspoádání. V paralelní konfiguraci to mohou být: x

senzor s jedním jádrem

x

senzor s dvojicí jader Vacquierova typu

x

senzor s dvojicí jader Försterova typu

x

senzor s toroidním jádrem

x

senzor s jádrem race-track

-8-

Dvoujádrový fluxgate senzor Vacquierova typu (viz obr. 6) má jádro ve tvaru dvou rovnobžných pásk se spoleným antisériov zapojeným snímacím vinutím, ale oddlenými Jelikož

budícími

jsou

v opaném

vinutími.

jádra

smru,

buzena

odstraní

se

rušivý signál na první harmonické Tato konstrukce nalézá dodnes využití pedevším v defektoskopii. Dalším

typem

je

senzor

Försterova typu. Zde jsou také dv rovnobžná

jádra

jako

u

Vacquiera, ovšem snímací vinutí

Obr. 6 – Konstrukní uspoádání (z [2])

jsou zvláš pro každé jádro a propojena jsou sériov. Tato konstrukce umož uje snadnjší polohování jader a tím regulování vyvážení senzoru. Nevýhody Vacquierova a Försterova typu uspoádání jsou otevené konce jader senzor, které zpsobují horší stabilitu offsetu a menší možnost zamezení rušivých signál. Naopak jejich velkou výhodou je vysoká citlivost a odolnost proti kolmým polím. Velmi asto využívanou konfigurací jsou toroidní senzory (viz obr. 6 vpravo). Ty jsou uspoádány tak, že budící vinutí je namotané na jádru a snímací vinutí je navinuté okolo celého jádra. Toto uspoádání sice snižuje citlivost avšak zvyšuje odolnost proti rušení. Výhodou tohoto typu jsou malé rozmry oproti ostatním konstrukním uspoádání. Posledním typem je senzor s oválným jádrem (race-track senzor, viz obr. 10). Ty jsou vhodné práv do gradiometr. Díky nízkému demagnetizanímu faktoru mají pomrn vysokou citlivost a také jsou odolné vi kolmým polím. Senzory s jádrem race-track byly využity v této diplomové práci.

-9-

2.4 Technologie PCB pro výrobu fluxgate sond Senzory použíté v gradiometrickém systému byly vyrobeny pomocí vícevrstvé hybridní PCB (Printed Cicrcuit Board) technologie. Vícevrstvé desky plošných spoj (DPS) vznikají slisováním nkolika tenkých DPS. Tato technologie je popsána nap. v [19]. Pro vytvoení jednotlivých závit budícího i homogenního vinutí je využito vodivých cest vyrobených leptáním z mdných fólií nalepených na izolaní laminátové desce a prokov spojující tyto vodivé cesty na jednotlivých vrstvách desky. Výhodou této technologie je pedevším možnost hromadné výroby. V neposlední ad také není nutné vinout jednotlivé cívky. Omezení oproti runímu motání cívek spoívá pouze v nutnosti minimální vzdálenosti mezi vodivými cestami (i prokovy), ta je dána možnostmi technologie výroby. Pro návrh DPS se používají CAE systémy usnad ující vývoj. Senzory mohou být tí a vícevrstvé – napíklad v diplomové práci [5] byl popsán 35 mm senzor vyrobený technologií dvojí laminace ve vrstvách 4+1. Bakaláská práce [11] se zase zabývala konstrukcí jednojádrového gradiometru pln v technologii PCB.

Obr. 7 – Tívrstvý PCB senzor (z [20])

- 10 -

2.5 Gradient magnetického pole Matematicky je gradient funkce f promnných x1, x2, ..., xn vektor o souadnicích

Gf Gf ,

x1 x 2

,...,

Gf xn

, znaí se grad(f) nebo ‫׏‬f. Je-li S jednotkový vektor, pak skalární souin

grad(f) · S je derivací funkce f ve smru S. Smr vektoru grad(f) je smrem nejvtší zmny funkce f. Obecn pak znamená gradient smr rstu. Je to tedy vektor, který je v každém bod prostoru tený k dané funkci. Mžeme ho spoítat jako:

grad ( f ) ’f

Gf ˆ Gf ˆ Gf ˆ i j k x

y

z

(2.3)

Obr. 8 – Píklad gradientního pole, a) 3D model, b) 2D model (z [20])

Na obr. 8a) je znázornno gradientní pole ve 3D modelu. Na obr. 8b) je pak to samé pole, pouze v dvourozmrném zobrazení. Šipky v tomto grafu pedstavují smr rstu daného pole. Tato práce se zamuje na mení magnetického gradientního pole. a proto se bude urovat gradient magnetické indukce. Magnetická indukce je vektor a podle tvrzení, že použití gradientu na tenzor zvyšuje ád o jedna, je tedy gradient tenzor 2. ádu. Mžeme napsat:

’B

§ wB x ¨ ¨ wx ¨ wB x ¨ wy ¨ ¨ wB x ¨ © wz

wB y wx wB y wy wB y wz

wB z wx wB z wy wB z wz

· ¸ ¸ ¸ ¸ ¸ ¸ ¸ ¹

(2.4)

kde jednotlivé složky tvoí parciální derivace funkce vyjadující dané skalární pole, tedy každá složka vyjaduje zmnu magnetického pole v jednom smru (x,y,z). V této práci

- 11 -

bude využita pouze složka jednoho smru, a to

wB y wy

(jedná se o vertikální složku). Pro

tuto složku pak lze napsat zjednodušující vztah:

grad ( B)

B y ( y 2 )  B y ( y1 ) y 2  y1

(2.5)

2.6 Mení gradientu magnetického pole - gradiometry Mení gradientu magnetického pole je využíváno v bezkontaktní defektoskopii a pedevším v detekci a lokalizaci feromagnetických ástic. Jednotkou gradientu magnetického pole je T/m (Tesla/metr). Hlavními výhodami mení gradientního magnetického pole je: x

dobré rozlišení blízkých zdroj magnetického pole

x

efektivní potlaení rušivých homogenních polí (pedevším zemského pole)

Tyto výhody jsou dsledkem toho, že magnetická pole od blízkých zdroj mají silný gradient, a proto jsou dobe mitelná. Naopak daleko vzdálené zdroje mají pole tém homogenní a proto jsou pi mení gradientního pole potlaené. Gradient pole je možné mit dvma základními typy gradiometr: 1. Gradiometr ze dvou nebo více senzor 2. Gradiometr z jednoho senzoru První možností je vytvoení gradiometru ze dvou nebo více samostatných senzor a následné odeítání hodnot z tchto sníma (viz [2], [22]). Tento zpsob (pro dva senzory) je zobrazen na obr. 9. Zde je možné vidt tyi dvojice fluxgate senzor. Tuto konstrukci s fluxgate senzory jsem vytvoil v rámci semestrálního projektu. Každé dva snímae umístné vertikáln nad sebou tvoí jeden gradiometr. Samotný gradient je pak následn získán z hodnot senzor rozdílem, který je realizován softwarov v mícím systému. Ideální hodnota vzdálenosti senzor (tzv. gradiometrická základna) by byla nulová, avšak v reálném uspoádání je poteba myslet na vzájemné ovliv ování sond a také na omezení konen nízkou úrovní šumu jednotlivých sond. Proto napíklad u tohoto uspoádání (viz obr. 9, fluxgate gradiometry) byla gradiometrická základna d  20 cm. Minimální vzdálenost bývá nejastji okolo 10 cm. Obvykle se využívá senzor s toroidním jádrem, protože mají lepší šum, vyvážení a stabilnjší offset. Jejich hlavní výhodou jsou však malé rozmry. Fluxgate senzory na obr. 9 však mají race-track jádro,

- 12 -

protože zajišuje vyšší citlivost a odolnost proti kolmým polím. Jejich nevýhodou je naopak horší hodnota šumu. Jeden z dvojice senzor má obvykle zptnovazební smyku nastavenou tak, aby kompenzaní proud, který je výstupní veliinou, byl pro oba senzory stejný. Tím se docílí zvýšení linearity. V takovémto režimu pak druhý senzor pracuje v otevené smyce a jeho výstup je pímo rozdíl pole. Další možností je kompenzace obou senzor zvláš a následné odetení hodnot sníma. Druhou možností je vytvoení gradiometru z jednoho senzoru (tzv. single-core Fluxgate gradiometer, viz lit. [3], [4], [6] a [8]). U takovéhoto uspoádání je možné zmenšit gradiometrickou základnu a zachovat nízkou úrove šumu. Zatímco u systému s dvojicí

Obr. 10 – Gradiometry ze 2 senzor

senzor je minimální základna alespo 10 cm, u jednojádrových gradiometr mže být tato vzdálenost mnohem menší. Kratší gradiometrická základna napomáhá odstranní vlivu blízkých rušivých polí a umož uje lepší aproximaci gradientu jako veliiny (viz 2.5). Napíklad u fluxgate gradiometru na obr. 10, který je popsán v [8], je délka základny pouze

3,75cm. Tyto

gradiometry z jednoho senzoru obsahují

dv

nebo

více

snímacích

gradientních

cívek

obklopující feromagnetické

jediné jádro,

jejichž

rozestup uruje práv velikost gradiometrické Využívá

se

základny. bu

oddlených

blok elektroniky pro každou

Obr. 9 – Píklad jednosenzorového gradiometru (z [8])

snímací cívku zvláš, nebo jsou cívky antisériov propojeny a jediný blok elektroniky získává odezvu na gradientní pole, piemž homogenní pole potlauje.

- 13 -

U systému dle obr. 10 se využilo diferenního snímacího vinutí, tzn. že na oválném jáde byly navinuty dv snímací cívky antisériov propojeny. Podobná konstrukce jako na obr. 10 je využita i v této práci, avšak je využita konstrukce senzoru v PCB vzhledem k perspektiv lepší opakovatelnosti geometrických a dalších parametr senzoru, nehled na ádový rozdíl v cen výroby. Více o konstrukci a parametrech vyrobeného fluxgate gradiometru bude uvedeno v následující kapitole 3. Píkladem využití mení gradientu je tzv. magnetopneumografie, což je diagnostická metoda k vyšeteení zaprášení plic magnetickým prachem. Ta je urená pedevším pro skupiny s profesní zátží (vysoký podíl feromagnetického prachu, tedy napíklad svaovny, brusírny i slévárny). Tuto metodu pvodn navrhl D. Cohen v 70. letech a využil k tomu stínnou místnost a SQUID magnetometr. V dsledku vysoké ceny byla snaha nalézt mnohem levnjší systém s fluxgate gradiometry (viz [4]). Zde nejdíve došlo k zmagnetování subjektu ve stejnosmrném poli, poté se zmilo remanentní pole plic a nakonec se urilo množství a rozmístní prachu v plicích. Více o magnetopneumografii viz [22]. Dalším píkladem využití mení gradientu magnetického pole je detekce podvodních min, kdy je gradiometr umístn na miniaturní, na dálku ízené, ponorce. Primárn je na takovouto lokalizaci uren sonar, který má velký dosah umož ující pokrytí velké oblasti. Nicmén existuje mnoho stav, kdy je mení sonarem neefektivní (umístní miny na dn oceánu, detekce jiných pedmt, atd.). V takovýchto pípadech je využití gradiometr velmi uinné.

- 14 -

2.7 Digitalizace fluxgate sond V mnoha minulých i souasných pracích a experimentech se využívá digitalizace fluxgate magnetometr (viz [16]). Existují ti známé cesty k digitalizaci fluxgate magnetometr: 1. Využití delta-sigma modulace ve zptné vazb senzoru 2. Pln digitální detekce výstupního signálu fluxgate senzoru 3. Analogový magnetometr využívající vysoce pesný A/D pevodník Hlavním dvodem využívání - magnetometr je fakt, že jejich správným návrhem je možné zvtšit ád modulace, který nakonec zvyšuje dynamický rozsah A/D pevodu. První - magnetometr využívající zptnovazební demodulaci byl uveden v [17]. Pi realizaci pln digitálního magnetometru je analogové zpracování signálu nahrazeno pln digitální detekcí realizovanou pomocí programovatelných hradlových polí FPGA (Field Programmable Gate Array), nebo digitálních signálových procesor DSP. Tyto magnetometry se obvykle skládají ze senzoru, budící jednotky, A/D pevodníku, DSP i FPGA, D/A pevodníku a zptnovazebního lenu. Jejich velkou výhodou je digitální rekonfigurace bez nutnosti zmny hardwaru. Nevýhoda tchto magnetometr spoívá v horším rozlišení a také v malé frekvenní odezv oproti analogovým

magnetometrm

s digitálním

výstupem.

Pesto

se

oekává,

že

v budoucnosti s vývojem rychlejších a pesnjších A/D a D/A pevodník budou analogové magnetometry postupn nahrazeny pln digitálními. V souasné dob je však stále nejpoužívanjší koncepce pln analogové elektroniky zpracování signálu a následný A/D pevod je proveden až na samotném výstupu snímací elektroniky pomocí vysoce pesného A/D pevodníku. Tento koncept byl využit také v této práci. Jejich hlavní výhodou je nejvyšší možné dosažitelné rozlišení ze všech tí koncept. Na druhou stranu není možné mnit jejich parametry beze zmny hardwaru.

- 15 -

3. Kapitola Realizace a popis gradiometrického systému V této kapitole budou uvedeny všechny jednotlivé ásti gradiometrického systému. Nejdíve je popsána konstrukce sond fluxgate gradiometru, následují informace o principu snímací a budící elektroniky. Dále je v této kapitole popsána realizace držáku gradiometrické soustavy sond. Nejpodstatnjší ástí této kapitoly je celkové zapojení gradiometrického systému znázornné a popsané v závru této kapitoly.

3.1 Fluxgate gradiometr Podle zadání byl k realizaci fluxgate gradiometru využit stávající koncept jednojádrového fluxgate gradiometru navrhnutý v [11]. Ten byl však upraven tak, že gradientní cívka není provedena v technologii tištných spoj (kvli píliš malé citlivosti a tedy velkému šumu v pvodní verzi) a bylo zmnno také budící a snímací vinutí, u nichž byl zvtšen poet závit a budící vinutí bylo homogenizováno. Celkové externí rozmry senzoru byly zachovány, avšak do koncových ástí po podélné stran byly navrženy obdelníkové výezy, které byly poté využity k runímu navinutí gradientních cívek. Vzhledem k pesnému frézování tchto záez a jejich pozici vzhledem k ostatním ástem senzoru je takové uspoádání vhodné pro konstrukci jednojádrového gradiometru.

Obr. 11 – Schéma fluxgate gradiometru

Senzory byly vyrobeny jako deska plošných spoj, která vznikla slisováním 5 (viz obr. 12)

tenkých DPS. Minimální rozte mezi homogenním vinutí je 0,25 mm

- 16 -

s prmrem m ené cesty 0,15 mm a tlouškou 20 μm. U budícího vinutí byla minimální rozte 0,35 mm, prmr mdné cesty 0,375 mm a tlouška opt 20 μm.

3.1.1 Jádro senzoru Na obr. 11 je principiální schéma jádra senzoru vetn budícího, snímacího a gradientního vinutí. Pro senzor bylo vybráno jádro oválného typu z amorfního materiálu. Ty se vyznaují tím, že nemají krystalovou mížku a jejich hlavní výhodou je tedy absence magnetokrystalické anizotropie, spolu s vynikajícími magnetickými vlastnostmi. Použité jádro je vyrobeno z materiálu VITROKOV 8116 o tloušce 20 μm. Materiál tohoto jádra fluxgate senzoru byl použit napíklad v [3], porovnání s permalloy i nanokrystalickými materiály lze nalézt v [7]. Všechny rozmry jádra jsou uvedeny v tab. 1. Finální rozmr jádra (ovál) byl zhotoven leptáním firmou Pragoboard. Parametry jádra

VITROKOV 8116 (Co67Fe4Cr7St8Br14)

Materiál

délka šíka (celková) šíka pásku Rozmry vnitní oblouk polomr vnjší oblouk polomr tlouška

a b c R1 R2 -

70,50 mm 12,10 mm 2,00 mm 4,08 mm 6,08 mm 0,02 mm

Tab. 1 – Parametry jádra fluxgate gradiometru

Pro správnou funkci gradiometru je dležitou vlastností jádra stejná tlouška po celé délce jádra. Pokud by tlouška jádra kolísala, byl by senzor nesymetrický a docházelo by ke vzniku rušivého signálu. Napíklad v míst, kde je velikost pole stejná na obou gradientních vinutích (nulový gradient) by jádro s rznou tlouškou zpsobovalo - 17 -

falešný výsledek. To samé platí také pro magnetické vlastnosti. V pípad, že by byla napíklad permeabilita materiálu rzná v jednotlivých ástech jádra, zpsobovalo by to stejný efekt jako pro rznou tlouštku po délce jádra. Nicmén alespo ásteného potlaení odezvy vlivem magnetických nehomogenit lze dosáhnout simultánní kompenzací homogenního pole psobícího na gradiometr (viz [18]).

3.1.2 Snímací, budící a gradientní vinutí senzoru Vínutí navrhovaného fluxgate gradiometru (viz obr. 11) lze v této práci rozdlit na: x

Budící vinutí Nb

x

Homogenní snímací/kompenzaní vinutí Ns

x

Gradientní vinutí 2 u Ng (propojeny antisériov)

Budící vinutí obepíná jádro po celé jeho délce. Oproti návrhu senzoru z pvodní verze je rozložení více rovnomrné pedevším v obloucích jádra. Díky tomu je možné dosáhnout nižšího šumu a lepší linearity senzoru – ta totiž závisí práv na rozložení budícího i snímacího vinutí (viz [19]). V tab. 2 jsou porovnány poty závit a jejich odpor pvodní verze a upravené varianty pro tuto práci. Z tabulky je patrný mnohonásobný nárst závit jak budící, tak snímací cívky. Snímací (kompenzaní) cívka sloužící ke kompenzaci homogenní složky pole se 160 závity uzavírá tém celé jádro krom koncových oblouk, kde se oekává vyšší šum senzoru. Nárst jejího odporu je dán pedevším zvýšením potu závit, ale také menším prmrem mdné cesty, nž je u pvodního návrhu (pvodní návrh - prmr m ené cesty 0,20 mm). Parametry

Vinutí

Poet závit

Odpor

Budící Snímací Gradientní Budící Snímací Gradientní

Nb Ns 2 u Ng Nb Ns 2 u Ng

Gradiometr Pvodní Upravený 100 212 47 160 2 u 100 3,8  2,9 4,4  33,1 2 u 28,3  -

Tab. 2 – Porovnání parametr gradiometru

- 18 -

Gradientní cívka je rozdlena do dvou ástí navinuta run pes výezy v senzoru a každá ást je složena ze 100 závit. Tyto dv ásti gradientního vinutí jsou spojeny antisériov a vzdálenost jejich os je 4,65 cm. Takto krátká gradiometrická základna má výhodu práv v mení blízkých zdroj magnetický polí i pi velkém rušení.

3.1.3 Návrh senzoru Na obr. 12 jsou znázornny jednotlivé vrstvy gradiometru. V prostední ásti se nachází jádro, které je umístno mezi laminátovými vrstvami, na kterých je realizována spodní a horní vrstva budícího vinutí. Na krajích jsou pak umístny vrstvy snímacího vinutí. Navržení senzoru jsem provedl v softwaru OrCAD Layout. Motivy plošných spoj jsou zobrazeny v píloze 4. Senzory byl vyrobeny firmou PRAGOBOARD. Kvli problémm pi výrob bylo dodáno se znaným zpoždním 15 funkních senzor. U ostatních sond došlo k propojení budícího a homogenního vinutí a tím defacto k znehodnocení senzoru. Nkteré funkní senzory nemly navíc pesn umístná jádra ve stedu senzoru. Mení tedy muselo být provedeno s 15 gradiometry namísto požadovaných 16. Bylo využito 5 vrstev DPS: nejdíve se jádro (uložené do frézovaného obrysu prostední vrstvy) zalisovalo mezi dv vrstvy tvoící budící vinutí a poté došlo k zalaminování dvou vnjších vrstev se snímacím vinutím. Na obr. 13 je pak znázornn kompletní návrh senzoru. Externí rozmry senzoru jsou 76,7 x 24 mm. Na koncích podélných hran jsou obdélníkové výezy (hloubka výezu 2,6 mm, délka 10 mm), které slouží jako zarážka pro runí navíjení gradientních cívek. Na obr. 14 je finální provedení senzoru s navinutými gradientními cívkami (2 u 28,3 ).

- 19 -

Obr. 12– Vrstvy fluxgate gradiometru

Obr. 13 – Návrh fluxgate gradiometru v programu OrCAD

Obr. 14 – Fluxgate gradiometr

- 20 -

3.2 Elektronika zpracování signálu Ke zpracování výstupního naptí z fluxgate gradiometru byl upraven stávající systém zpracování signálu se spínanými integrátory. O pvodním systému zpracování více informací zde [5]. Jednotka snímací elektroniky byla upravena tak, aby bylo možné zpracovat nejen výstupní signál z gradientního vinutí, ale také signál ze snímacího vinutí, který byl využíván ke kompenzaci homogenní složky pole. Bylo tedy poteba zpracovávat

z každého

fluxgate

gradiometru

2

signály

(gradientní,

snímací

(kompenzaní) homogenní). Na každé desce snímací elektroniky byly tedy umístny 4 kanály pro zpracování gradientního signálu a 4 kanály pro pro kompenzaci homogenního pole, celkem tedy byly poteba 4 elektroniky zpracování signálu (pro 16 gradiometr). Další zmnou byla modifikace elektroniky vycházející ze zkušenosti pi realizaci semetrálního projektu a konzultacemi s vedoucím práce.

3.2.1 Kanál pro zpracování gradientního signálu Blokové schéma kanálu pro zpracování gradientního signálu je zobrazeno na obr. 15. Naptí z gradientního vinutí sondy LG je pivedeno na horní propust prvního ádu (C1, R1) a následn zesíleno v neinvertujícím zesilovai (NI). Signál je pak veden do synchronního detektoru PSD (Phase-Sensitive Detector), který je složen ze dvou spína a integrátoru (podrobnjší popis níže). Spínae jsou ízeny externím signálem A/. Ped výstupem je signál ješt filtrován pes dolní propust 2. ádu. Na rozdíl od kanálu pro snímací signál, kanál pro zpracování gradientního signálu neobsahuje zptnou vazbu. Postup návrhu jednotlivých souástek je uveden dále. Protože gradientní citlivost je pomrn nízká, musel jsem uvažovat velikost šumu na vstupu horní propusti a zesilovae. Horní propust je použita jak pro ástené odstranní první harmonické signálu, tak pro oddlení vstupního klidového proudu OZ a jeho šumu od vlastní cívky (tento proud by zase generoval šum).

Obr. 15 – Blokové schéma gradientního kanálu

- 21 -

Návrh horní propusti

Hodnoty C1 a R1 byly upraveny oproti stávajícímu návrhu tak, aby se dosáhlo co nejmenšího Johnsonova (tepelného) šumu, jehož zdrojem je každý odpor. Vycházím z rovnice: UŠ

4 ˜ k ˜T ˜ R ˜ B

(3.1)

k......... Boltzmannova konstanta (1,380658·10-23 J·K-1)

kde

T......... teplota [K] R......... odpor [] B......... šíka pásma [Hz] Vlastní šum s pvodním odporem R1 vycházel 27 nV/ Hz . Pro minimalizaci byl zmenšen odpor R1 více jak desetkrát na hodnotu 1k. S tímto odporem byla hodnota vlastního šumu 5 nV/ Hz . To odpovídá pi teoretické minimální hodnot citlivosti

50 V/T/ m na gradientním vinutí šumu 100  pT / m / Hz a na snímacím vinutí pi hodnot 300 V/T šumu o velikosti pibližn 20 pT / Hz , což pln dostauje pro

uvažované provedení gradiometru. Pro zlomovou frekvenci f < 15 kHz byl navržen kondenzátor C1 na hodnotu 100 nF. Optimalizací se sice zvtšilo zatížení snímacího vinutí gradiometru, avšak vzhledem k nízkému potu závit a nízké výstupní impedanci vinutí to není na závadu. Návrh neinvertujícího zesilovae

Kvli minimálnímu šumu byly také zmnny odpory R1 a R2 u neinvertujícího operaního zesilovae, jehož schéma je na obr. 16. Ten je realizován OZ AD797, který se vyznauje práv nízkým šumem a malým zkreslením. Zesílení

zesilovae

bylo

experimentáln nastaveno na 10 a hodnoty odpor R1 a R2 byly podle

Obr. 16 – Schéma neinvertujícího zesilovae

katalogových list (viz [25]) vybrány pro R1 = 33  a R2 = 300 . Zde se muselo uvažovat s tím, že pokud by byly hodnoty odpor vtší, zvýšil by se tím i vlastní šum zesilovae. U nových hodnot odpor je pak vlastní šum na vstupu zesilovae 1,2 nV / Hz . Pro gradientní vinutí (a tedy pro kanál ke zpracování gradientního signálu) s minimální - 22 -

citlivostí 50 V/T/ m je hodnota šumu na vstupu zesilovae 24  pT / m / Hz a pro snímací vinutí (tedy pro kanál ke kompenzaci homogenního pole) je šum 4 pT / Hz . Kvli optimální stabilit pi šumu vtším než 1 nV / Hz se mže ješt pidat paraleln k R2 kondenzátor CL, který má hodnotu 5 pF. Popis synchronního detektoru

Synchronní detektor, který pvodn využíval rozdílového pístrojového zesilovae se spínanými integrátory, byl modifikován podle [14]. Princip tohoto synchronního detektoru je takový, že i když jsou oba spínae S1 a S2 rozpojeny, dostane se do obvodu nepatrný náboj (charge injection). Ten je však absorbován kondenzátory C1 a C2 Kondenzátor C2 spolu se zesilovaem v tom okamžiku tvoí integrátor ukládající pouze rušivé naptí z injektovaného náboje. Díky obvodovému ešení se pak rušivé naptí (z obou injektovaných náboj) vyruší. Odpor R2 pak zajišuje, aby obvod zstal symetrický. Díky tomuto principu je možné využít ke konstrukci detektoru i relativn levnjší a rychlejší spínae s vyšší katalogovou hodnotou injektovaného náboje než v práci [5].

Obr. 17 – Schéma PSD detektoru

Schéma zapojení fázov citlivého detektoru je na obr. 17. Dvojice spína S1 a S2 je realizována ADG611 (monolitický CMOS spína). Obsahuje 4 nezávislé spínae a proto bylo možné využít 1 souástku pro 2 kanály. Spínae jsou ízeny obdélníkovým

- 23 -

signálem (/A) pipojeným z budící elektroniky. Jedná se o asov synchronní okno, jehož parametry (frekvence, amplituda, stída) je možné dále mnit a nastavit tak správnou fázi synchronního detektoru. Jako operaní zesilova byl zvolen AD8676, který má dv dvojice nezávislých vstup, 2 rail-to-rail výstupy a minimální šum. Proto ho bylo možné, stejn jako spína ADG611, využít vždy na dva kanály elektroniky. Hodnoty souástek RC lánku R1 a C1 byly zvoleny tak, aby asová konstanta byla mnohem vtší, než je spínací doba S1. Pi nastavené hodnot ídícího signálu /A na budící jednotce f=15 kHz a stíd 20%, byla šíka okna integrátoru: T 1

1 ˜ 0 ,2 13,3 μs f

(3.2)

Pi hodnotách odporu R1 = 2,2 k a kondezátoru C1 = 68 nF byla velikost asové konstanty W

R1 ˜ C1 150Ps . Je tedy patrné, že podmínka je splnna.

Z hlediska popisu v asové oblasti integraní lánek funguje jako pamový obvod. To znamená, že po ukonení naintegrování naptí rozepnutím spína S1 a S2 je na výstupu nemnný signál až do doby, než spínae opt sepnou, výstupní signál detektoru je tedy ásten vzorkován, je nutné ho rekonstruovat dolní propustí. Návrh dolní propusti

Dolní propust 2. ádu typu Butterworth umístná ped výstupem byla navržena se zlomovou frekvencí 25 Hz. Oproti pvodní verzi byly pepoítány souástky tak, aby se snížila impedance filtru (a tedy jeho vlastní šum) zhruba desetkrát. Je zde využit OZ AD8671 a hodnoty odpor a kondenzátor byly navrženy takto: R1=9,1 k, R2=10 k, C1=470 nF, C2=1 μF. Dvojitý OZ nebyl nakonec kvli vhodnému uspoádání na desce plošných spoj použit.

Obr. 18 – Dolní propust 2. ádu

- 24 -

3.2.2 Kanál pro kompenzaci homogenního pole Na obr. 19 je znázornno blokové schéma kanálu využívajícího snímací signál. Oproti gradientnímu kanálu využívá zptnovazebního režimu. Vytváené pole kompenzuje pole vnjší v uzavené smyce. Výstupní veliinou je hodnota kompenzaního naptí snímaného na odporu RZV. Vstupní naptí ze snímacího homogenního vinutí LH stejn jako u gradientního kanálu vedeno pes horní propust do neinvertujícího zesilovae (NI) a následn pes fázov citlivý detektor (PSD), ke kterému je pipojen externí signál (A/) z budícího obvodu. Výstupní naptí z detektoru je dále integrováno invertujícím integrátorem. Ten byl realizován pomocí AD8610. Rezistor Rzv a snímací odpor Rs realizuje funkci zptné vazby – výstupní naptí integrátoru je pevedeno na kompenzaní proud v kompenzaní cívce. Mronosný signál je pak ješt zesílen pomocí pístrojového zesilovae, který zde byl využit AD620. Odpor Rg urující jeho zesílení G je dán vztahem RG

49,4 k: G 1

(3.3)

byl zvolen na hodnotu 5,6 k, což odpovídá zesílení pibližn 10. Na vstupech pístrojového zesilovae se nacházejí dolní propusti kvli maximalizaci potlaení rušivých složek na vstupu pístrojového zesilovae. Výstupní naptí je nakonec ješt filtrováno pomocí dolní propusti 2. ádu stejn jako u gradientního kanálu. Hodnoty souástek u jednotlivých ástí obvodu jsou stejné jako u gradientního kanálu.

Obr. 19 – Blokové schéma kanálu pro kompenzaci homogenního pole

Na obr. 20 je znázornna deska plošných spoj snímací elektroniky, kterou jsem navrhl. Jedná se o tyvrstvou DPS (viz píloha 2 - motivy plošných spoj elektroniky). Krom horní montážní vrstvy (TOP) jsou vedeny m ené cesty i na spodní ásti desky (BOT). Vnitní vrstvy (IN1 a IN2) slouží k vyvedení napájecích naptí (±9V a ±5V) k píslušným souástkám a jako zemní vrstva. Snahou bylo využít kvli úspoe místa na DPS pevážn SMD souástek s pouzdry 0805 a 1206. Na výstup byly zvoleny 9-ti

- 25 -

pinové konektory CANON, k pipojení napájecích naptí ±9V a synchronního okna /A bylo využito standartních dvouadých desítipinových patic. Desky jsou sestaveny tak, aby je bylo možné sestavit vertikáln napíklad pomocí distanních sloupk.

Obr. 20 – DPS elektroniky zpracování signálu

- 26 -

3.3 Použitá budící elektronika Pro buzení fluxgate senzor byla využita stávající jednotka pulsního buzení (použita v [5]), která nebyla nijak upravována. Pulsní buzení se používá pedevším z dvodu snížení píkonu. Pro snížení výkonové spoteby je možné vyladit budící obvod do rezonance, to však v tomto pípad nebylo možné, kvli velkým odporm budící cívky a její malé induknosti.

Obr. 21 – Referenní prbh budící jednotky - (okno a budící proud senzoru)

Proud je možné regulovat ve zptnovazební smyce, v tomto pípad bylo nastaveno pevné naptí extérním zdrojem. Zátž je v H-mstku plovoucí, pipojuje se konektory EXC1 a EXC2. Dále je možné na jednotce nastavit dv asov synchronní okna (Wa , Wb) – logická AND kombinace obou oken sloužila jako reference pro synchronní detektory elektroniky. Prbh signálu 2f pi frekvenci 20 kHz a stíd 10%

je

znázornn na obr. 21 (horní prbh signálu 2f a dolní prbh budícího proudu) pi pipojení jednoho fluxgate gradiometru bhem jeho ovování. Správn umístné okno integrátoru Wa (= fáze synchronního detektoru) je znázornno na obr. 22 a 23 spolu s budícím proudem a výstupním signálem ze snímacího (homogenního) vinutí fluxgate senzoru v zemském poli (odezva senzoru na pulsní buzení) po zesílení v neinvertujícím zesilovai ve vstupní ásti snímací elektroniky. Signál se skládá ze tí rzných periodicky se opakujících impuls. První dva jsou sousledné impulsy s opanou polaritou, jejichž zmna amplitudy je ovlivnna zmnou velikosti magnetického pole. Tetí impuls vzniká dsledkem rozepnutí spínae na PSD detektoru vlivem Faradayova indukního zákona, kdy se na výstup zesilovae dostává zptné indukované naptí. Jelikož bylo nutné nastavit správn polaritu

- 27 -

detekovaného naptí pro innost zptné vazby, byl pro elektroniku relevantní pouze druhý impuls. K integrátoru ve fázov citlivém detektoru (PSD) je výstupní signál ze senzoru pivádn pouze v okamžiku, když je na ídícím signálu Wa (okno integrátoru) log. 0 (spínae S1 a S2 na synchronním detektoru sepnuty). Impuls v ase T1 je naintegrován a po rozepnutí spína S1 a S2 na synchronním detektoru (pepnutí ídícího signálu do log.1) je toto naintegrované naptí nemnným výstupním signálem až do okamžiku, než pijde impuls v ase T2 (integraní lánek v PSD se chová jako pamový obvod). V ase T2 se opt integruje impuls z fluxgate senzoru a souet integrál aktuálního a pedchozího

impulsu je po rozepnutí spína PSD opt nemnným výstupním

signálem. Tento proces se poté opakuje stále dokola. Na obr. 22 je vidt prbh v okamžiku, kdy je fluxgate senzor a jeho snímací vinutí kolmo k magnetickému poli Zem. Teoreticky by v tomto nulovém zemském poli mla být amplituda užiteného impulsu nulová, resp. tém nulová, protože se projevuje vliv offsetu senzoru. Prakticky je zde však vidt parazitní signál, který není úmrný tomuto zemskému poli (modré okno). Jak je ale vidt z obr. 22, tento parazitní signál se odstraní tak, že vždy v následující period je polarita impulsu (resp. jeho integrálu) opaná, než v pedchozí period, rozdíl integrál je tedy nulový. Obr. 23 naopak zobrazuje výstupní signál z fluxgate senzoru pi natoení do smru vektoru magnetického zemského pole. Velikost amplitudy impulsu je tedy pímo ovlivnna magnetickým polem zem.

- 28 -

Obr. 22 – Posloupnost puls výstupního signálu snímacího vinutí

Obr. 23 – Spínání integrátoru signálem Wa

- 29 -

3.4 Použitý A/D pevodník K pipojení výstupního signálu z elektroniky zpracování signálu k poítai PC byla využita mící karta USB-6212. Tento A/D pevodník byl vybrán z toho dvodu, že je pímo uren pro komunikaci s programovým prostedím LabView (v nm navržen mící systém), je relativn levný a pedevším byl k dispozici. A/D Pevodník mící karty je sice multiplexovaný, avšak pro pomalý dj nevadí. Modul je díky své velikosti (rozmry: 17cm x 9,5cm x 3,1cm) uren speciáln pro mobilní aplikace nebo pro aplikace v menších prostorech. Nepotebuje externí zdroj napájení.

3.4.1 Popis A/D pevodníku Modul USB-6212 je 16-bitová multifunkní mící karta od firmy National Instruments. Obsahuje 16 multiplexovaných 16-ti bitových analogových vstup ±10V o maximální vzorkovací frekvenci (400 kHz) , 2 analogové výstupy a 32 obousmrných digitálních linek. Na obr. 24 je zobrazena mící karta a její možnosti pipojení.

Obr. 24 – Modul NI USB-6212 (z [15])

Jelikož modul obsahuje pouze 16 analogových vstup a bylo poteba zpracovávat nejen signál z gradientního vinutí (16 kanál), ale také ze snímacího homogenního vinutí (16 kanál), bylo nutné využít dv mící karty 6212. Pro mení byl využit softwarový trigger na hodiny generované jednou kartou, moduly byly tedy vzájemn propojeny pes analogový výstup AO1 první karty do univerzálního vstupu PFI0 druhé karty, softwarový trigger byl tedy shodný pro oba moduly (více v ásti 3.6 Celkové zapojení systému).

- 30 -

3.4.2 Analogový vstup Na obr. 25 je zobrazeno blokové schéma analogového vstupu mící karty [15]. Pes vstupn / výstupní svorku (I/O Connector) je možné pipojit analogové signály. Karta má jeden AD pevodník (ADC), který pevádí vstupní naptí na íslicovou informaci ve formátu dat. Multiplexor (MUX) pipojuje jednotlivé analogové vstupy AI. Signál z AI je ješt zesílen i zeslaben v programovatelném zesilovai (NI-PGIA) tak, aby bylo zajištno maximální rozlišení AD pevodníku. Za AD pevodníkem je zaazena vyrovnávací pam typu fronta AI FIFO (First In – First Out), která bhem mení zajišuje, aby nedošlo ke ztrát dat.

Obr. 25- Blokové schéma analog. vstupu modulu NI USB-6212 (z [28])

Blok nastavení referenní zem analogového vstupu (AI Ground-Reference Settings) kontroluje, jakým zpsobem jsou pipojeny vstupní signály k modulu. Vybírá se jeden ze tí vstupních mód: -

rozdílový (diferenciální) režim (DIFF)

-

referenní uzemnný režim (RSE)

-

nereferenní uzemnný režim (NRSE)

Každý vstupní kanál mže využívat jiný režim. V této práci byl pro pipojení analogových vstup obou karet využit referenní uzemnný režim RSE. Rozdílový režim (kladný pól na vstup AI+ a záporný na vstup AI-) by v našem pípad ani nebylo možné uskutenit kvli redukci potu vstup mící karty na polovinu - je zapotebí všech 16 kanál (resp. 32 z obou mících karet).

- 31 -

3.4.3 Vícekanálové mení dat – možnosti karty USB-6212 Mící karta USB-6212 umož uje vícekanálový sbr dat. Na obr. 26 je znázornn princip mení vzork pro více kanál. V modulu je možné nejen nastavit vzorkovací periodu (Sample Period), za kterou je odebrán jeden vzorek, ale také pevodní dobu mezi zahájením odbru vzorku jednoho a druhého kanálu (Convert Period). Pokud není tato pevodní perioda nastavena, mící karta volí maximální možnou pevodní frekvenci závislou na rychlosti A/D pevodníku, piemž se pidává 10 μs mezera mezi každý kanál, aby byla zajištna adekvátní doba ustálení signálu. Tento režim umož uje kanálm tém simultánní vzorkování pi souasném dodržení ádné doby ustálení. Pro naši mící kartu, která má maximální vzorkovací frekvenci fvz = 400 kHz a 16 pipojených kanál PK platí (1 kanál má tedy max. vzorkovací frekvenci 400 kHz / 16 = 25 kHz), že minimální možná doba tvzmin pro odmení jednoho vzorku z každého z 16 kanál je:

t vz min

§ · ¨ 1 ¸  t pauza ¸ ˜ PK ¨f ¨ vz ¸ © PK ¹

40Ps  10Ps ˜ 16

800Ps

(3.3)

Obr. 26 – Princip více kanálového mení (z [28])

Bylo nutné zjistit, který signál spouští jakou akci. Z obr. 27 plyne, že poté co pijde triggerovací signál (AI Start Trigger) na vstup mící karty, spustí se odmr jednotlivých vzork kanálu. Podle velikosti nastavené vzorkovací frekvence (resp. vzorkovací periody – AI Sample Clock) a frekvence ídícího signálu triggeru se odebere uritý poet vzork z každého kanálu za jeden odmr. V tomto konkrétním píklad bude triggerovací frekvence ftr = 200 Hz (doba jednoho odmru = 5 ms). Pokud budeme chtít odebrat napíklad 4 vzorky od každého kanálu v 1 odmru, musíme nastavit vzorkovací frekvenci na hodnotu alespo : f vz

f tr ˜ 4

800 Hz

- 32 -

(3.4)

A jelikož jsou meny 4 kanály (viz obr. 27 – Channel measured: 0,1,2,3), musí být minimální pevodní frekvence fc (tj. rychlost, za kterou musí jeden kanál odmit 1 vzorek): f c t f vz ˜ 4 3,2kHz

(3.5)

což odpovídá asu tc = 1/fc = 312,5 μs. Minimální splnitelná doba je podle rovnice 3.2 v tomto pípad pro 4 kanály tvzmin = 80 μs a protože tvz = 1/fvz = 1,25 ms, je tedy splnna podmínka tvz  tvzmin . Pevodní frekvence je možné danou mící kartou dosáhnout.

Obr. 27 – Píklad vícekanálového mení vzork u mící karty USB-6212

Pokud je bhem jednoho odmru nameno více vzork v jednom kanálu, výslednou hodnotou odmru je prmr z tchto vzork, což umožní vtší pesnost daného mení. Nicmén v nkterých pípadech navýšení potu odebíraných vzork zpsobuje zkrácení doby ustálení a tedy zhoršení pesnosti. Vzorkovací a pevodní úrovn asování mící karty USB-6212 fungují tak, že dokud nejsou splnny požadavky správného asování na všech úrovních, tak jsou jednotlivé asové signály ignorovány. Napíklad zaízení ignoruje jak vzorkovací tak pevodní hodiny do té doby, než karta pijme platný triggerovací signál. Stejn tak jakmile zaízení rozpozná puls vzorkovacích hodin, ignoruje jakékoli další pulsy ze vzorkovacích hodin, dokud neobdrží ádný poet puls pevodních hodin. Podobn v opaném pípad zaízení ignoruje všechny pulsy pevodních hodin, dokud nerozpozná korektní puls vzorkovacích hodin. Samozejm stejn tak jako v pedchozím pípad pokud mící karta pijme již správný a pedem nadefinovaný poet puls pevodních hodin, jakékoli další pulsy z tchto hodin ignoruje do té doby, než pijde další puls ze vzorkovacích hodin. Obr. 28, 29 a 30 zobrazují sekvenci mení 4 kanál a demonstrují nesprávné nastavení vzorkovacích a pevodních hodin. Pulsy - 33 -

které jsou v obrázcích oznaeny šedou barvou jsou ignorovány mící kartou. Na obr. 28 je znázornna chyba špatného nastavení hodin, kdy ješt nedojde k odbru dat ze všech 4 kanál a vzorkovací hodiny vyžadují píchodem pulsu následující odmr. Tento požadavek je ale ignorován do té doby, než se odeberou data ze všech 4 kanál. Obr. 29 zobrazuje opaný problém, kdy jsou naopak konvertovací hodiny píliš rychlé (resp. vzorkovací hodiny píliš pomalé) a proto jsou nadbytené pulsy konvertovacích hodin ignorovány až do doby, než pijde další puls ze vzorkovacích hodin. Na obr. 30 je pak znázornno špatné sesynchronizování konvertovacích i vzorkovacích hodin spolu se špatným nastavením jejich rychlosti. To vede k následnému neperiodickému vzorkování. Tyto píklady uvádím proto, že jsem se s nimi bhem nastavování mící karty setkal. Nastavení vzorkovacích a pevodních hodin, které jsem použil v této práci je znázornno na obr. 40. v ásti 4.1.1 triggerování mených dat. Nastavena byla triggerovací frekvence ftr = 200 Hz a pro odebírání 5 vzork v jednom odmru bylo tedy poteba nastavit fvz = 1000 Hz. Z rovnic 3.3, 3.4 a 3.5 plyne, že doba, ze kterou musí 1 kanál odmit 1 vzorek je tc = 66,7 μs. Vzorkovací doba má hodnotu tvz = 1 ms, minimální splnitelná doba (pi max. vzorkovací frekvenci) pro 15 kanál je tvzmin = 760 μs, podmínka tvz  tvzmin

je splnna. Podrobný popis fungování vícekanálového

odebírání dat a ostatní informace o mící kart NI USB-6212 lze nalézt v [28].

Obr. 28 – Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, vzorkovací signál píliš rychlý pro pevodní hodiny (z [28])

Obr. 29 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, pevodní signál píliš rychlý pro vzorkovací hodiny (z [28])

- 34 -

Obr. 30 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, vzorkovací a pevodní hodiny nesprávn propojeny, vede k aperiodickému vzorkování (z [28])

- 35 -

3.5 Gradiometrická soustava sond Na obr. 34 jsou zobrazeny držáky fluxgate gradiometr. Samotný držák jsem navrhl v programu AutoCAD Mechanical a skládá se ze dvou základních ástí: x

Podstava

x

“L” konstrukní prvky

Podstava má prmr 40 cm a na tyech protilehlých krajích jsou vyvrtány kruhové otvory dvoucentimetrového prmru. Ty mohou sloužit nap. k upevnní pomocí provazu na podvs bezpilotního prostedku. Výška válcové podstavy je 5 mm. Jako materiál byl pro realizaci vzorku v rámci práce použit plast, který sice nedisponuje dobrými mechanickými vlastnostmi, ale byl v daném rozmru k dispozici pro postupné výrobní iterace. Držáky tvaru “L” byly vytvoeny ze sklolaminátu, který spl uje

podmínku

nemagnetického

pevného,

materiálu

tvarovatelného

s výbornou

ale

mechanickou

stabilitou. Vzhledem k velké hmotnosti sklolaminátu ho není vhodné použít na podstavu – pro minimalizaci hmotnosti by

Obr. 31 – “L” prvek s gradiometrem

ji bylo nutné vyrobit nap. z uhlíkových vláken. Jeho nákres je zobrazen na obr. 33. Do podstavy byly vyvrtány díry o prmru 6mm stejn jako do kratší ásti “L” prvk. Spojení obou ástí bylo provedeno nemagnetickými plastovými maticemi a šrouby. Do ásti, kde je k “L” prvku pilehlý gradiometr, byly vyvrtány 4 díry o prmru 3 mm. Vzdálenost mezi jednotlivými gradiometry je 70 mm. Ta byla urena z požadavk na rozmry podstavy (pibližn stejné velikosti jako hledací cívky detektoru kov ATMID o prmru 30 cm) a na celkové rozmry gradiometrické soustavy sond, kdy je nutné vzhledem k zptnovazebnímu režimu dodržovat odstupy mezi sondami.

- 36 -

Obr. 32 – Gradiometrická soustava sond

Jelikož je gradiometrický systém uren k mení gradientu magnetického pole pouze v jednom smru

wBy , jsou všechny gradiometry vertikáln rovnobžné. wy

Z rozmístní jednotlivých gradiometr je však patrné, že by bylo možné mit nejen požadovanou složku

wBy , ale wy

také pomocí homogenních (snímacích) vinutí dvou senzor složky

wBy wBy a wx wz

(viz obr. 35). To je možné napíklad jednoduchou

softwarovou

úpravou

oproti zadání.

Obr. 33 – Osa citlivosti gradiometr

- 37 -

Obr. 34 – Konstrukce gradiometrické soustavy sond

- 38 -

3.6 Celkové zapojení gradiometrického systému Zapojení gradiometrického systému pro detekci magnetických anomálií je znázornno na obr. 37. Jednotka pulsního buzení je napájená ze zdroje ±12V. Výstupem z této jednotky jsou budící singály EXC1 a EXC2, které vedou na první fluxgate senzor umístný na sklolaminátové konstrukci. Z nj jsou poté budící signály v sérii pipojeny k ostatním fluxgate sondám.

Obr. 35 – Celkové schéma zapojení gradiometrického systému

Z budící jednotky je také využito asov synchronní okno Wa. Tento synchronní signál je piveden na elektroniku zpracování signálu. Z jednotlivých vinutí fluxgate gradiometr vedou snímací (homogenní) a gradientní signály do 4 elektronik zpracování signálu. Každá elektronika zpracovává 4 gradientní a 4 snímací signály a je napájena ze zdroje ±9V. Je k ní též pivedeno asov synchronní okno (Wa). Z jednotlivých kanál elektronik je signál piveden na analogové vstupy dvou modul pro sbr dat NI USB-6212. Na jednu mící kartu jsou pivedeny signály z gradientních kanálu (uG1 – uG16) elektronik a na druhou ze homogenních kanál (uH1 – uH16), jak je vidt na obr. 38. Každý signál do mících karet je vždy piveden mezi analogový vstup (AI0-15) a zem (AGND) v režimu RSE. Dále je u prvního modulu propojen analogový - 39 -

výstup AO1 a univerzální vstup PFI0, jelikož z výstupu AO1 jde signál ze softwarového generátoru do triggerovacího vstupu PFI0. Výstupní signál ze SW generátoru je také pipojen k triggerovacímu vstupu druhé mící karty, aby bylo zajištno spouštní odmru vždy ve stejný okamžik (více 4.1.1. triggerování mených dat). Mící modul 6212 vysílá data do poítae pes USB kabel.

Obr. 36 – zapojení modul NI USB-6212

Pomocí mícího systému v programovém prostedí LabView, který je popsán dále v kapitole 4, je pak možné mapovat prbh v matici gradiometr v reálném ase. Poíta je také pomocí USB pípojen k jednotce pulsního buzení a v libovolném terminálu je možné mnit hodnoty všech parametr této jednotky. K propojení budící elektroniky a gradiometr bylo využito nemagnetických teflonových vodi o nízké vlastní hmotnosti. Tyto vodie byly využity i k propojení gradiometr z gradientního a snímacího/homogenního vinutí s elektronikami zpracování signál.

- 40 -

4. Kapitola Softwarová realizace Tato kapitola shrnuje realizaci mícího systému, jeho jednotlivých ástí a jejich funkcí. Je zde popsán zpsob spouštní odmr, zpracování hodnot, ukládání a zobrazování mených dat a také ovládání samotného programu. .

4.1 Struktura mícího systému K vytvoení mícího systému byl využit program LabView verze 8.6 od firmy National Instruments. Strukturu mícího systému lze rozdlit do 4 základních ástí (viz obr. 39). V prvním bloku se pijmou namená data z modulu USB 6212 do bloku Kanál G (gradientní) a Kanál H (homogenní, snímací). Jde o signály z gradientních a homogeních kanál elektroniky zpracování signálu. Jelikož jsou data pijímána dvma rznými mícími kartami, je i samotné pijmutí dat v mícím systému oddlené do dvou samostatných blok, resp. vláken. V tchto blocích se pak dále nastaví rozsah vstupu a vzorkovací frekvence.

Obr. 37 – Blokové schéma mícího systému

Druhou základní ástí je softwarový generátor triggeru. Pomocí funkních terminál je nastaven generátor na výstup z mící karty AO1. Výstup ze softwarového generátoru je pak propojen s univerzálním vstupem PFI0 první i druhé mící karty. Generátor slouží ke spouštní odmr (triggerování) kanálu G a kanálu H, byl

- 41 -

generován tedy obdélníkový signál o velikosti 0 a 5V (TTL logika). Generátor je uzaven v While smyce, která zajišuje nepetržité generování daného signálu. Tetí ást se skládá ze dvou sublok. Prvním z nich je výpoet klouzavého prmru. Druhým sublokem je ukládání dat do souboru. Zde bylo pedevším poteba zvolit formát, v jakém budou hodnoty ukládány a také samozejm vybrat pouze podstatné namené informace k ukládání. Oba tyto subloky jsou také uzaveny ve while smyce, aby probíhalo mení a zpracování dat do té doby, než program neukoní sám uživatel. Více informací o této ásti bude uvedeno v 4.2.2 Zpracování dat. Posledním dležitým blokem je zobrazení namených dat. To je provádno ve form 2D intenzitního grafu. Tato ást je v samostatné while smyce kvli tomu, aby nezatžovala proces zpracování dat, v ideálním pípad na víceprocesorových poítaích bží na samostatném procesoru.

4.1.1 Triggerování mených dat Trigger je využíván pro spouštní i zastavování A/D pevodníku. Mící karta NI USB-6212 podporuje jak vnitní softwarové spouštní, tak i externí digitální triggering.

Obr. 38 – Triggerování dat

Ke spouštní odmr byl využit digitální trigger. Jak je vidt na obr. 40, digitální trigger zde funguje tak, že pi každé nábžné hran se spustí odmr. Doba odmru trvá 5 ms. Po pijetí pulsu triggerovacího signálu pijme mící karta v ten stejný okamžik puls ze vzorkovacích hodin. Velikost vzorkovací frekvence byla v této práci nastavena na hodnotu 1000 Hz, tedy vzorkovací perioda mla hodnotu 1 ms. Z toho plyne, že bhem jednoho odmru se odebralo 5 vzork z každého kanálu. Jelikož pevodním hodinám byla ponechána výchozí hodnota, mící karta jim nastavila minimální pevodní dobu

- 42 -

37,5 μs a mezi každý impuls vložila 10 μs mezeru (viz kapitola 3.4.2 Vícekanálové mení dat). Na obr. 41 je pak vidt detail triggerování dat v jedné (neúplné) vzorkovací period.

Obr. 39 – Detail jednoho (neúplného) odmru dat

Z 1 odmru pak pímo vzniká hodnota získaná z prmru vzork, která je následn bu zobrazena formou grafu i uložena do souboru. Je samozejm nutné si uvdomit, že na obr. 40 a 41 je zobrazen prbh pouze z 1 mící karty (16 kanál). Pi samotném mení jsme využívali jednu mící kartu pro odeítaní hodnot z G kanálu a jednu pro odeítání hodnot z H kanál. Z hlediska triggerování dat to však není dležité, jelikož prbhy obou karet jsou z asového hlediska shodné díky stejnému ídícímu signálu digitálního triggeru (viz obr. 38).

4.1.2 Zpracování dat V této ásti se zamím na popis provedení samotného klouzavého prmru a také na zpsob a formát uložených dat. Dále zde bude popsán celkový prbh vytvoeného programu. Princip klouzavého prmru pro 1 kanál je zobrazen na obr. 42. Proces zaína tak, že se provede odmr 5 vzork za 5 ms. Z tchto vzork se následn vytvoí prmr, který je výstupní hodnotou jednoho odmru. Takto se namí první tyi hodnoty za celkovou dobu 20 ms a následn dochází k výpotu prmru z tchto ty hodnot.

- 43 -

Obr. 40 – Princip klouzavého prmru pro 1 kanál

K realizaci v programu LabView byl využit posuvný registr o velikosti 2-D pole 3x16. To znamená, že mohl uložit vždy 3 pedchozí odmry pro 16 gradientních signál (hodnot). Ped každým spuštním programu byl registr naplnn nulami, a proto nebylo možné první ti namené a vypotené hodnoty brát za klouzavý prmr ze 4 odmr (1. odmr = vlastní hodnota, 2. odmr = prmr ze 2 hodnot, 3. odmr = prmr ze 3 hodnot). V dsledku to ale nemlo žádný vliv na mení s tímto systémem.

- 44 -

Jelikož je blokový diagram celého mícího systému pomrn rozsáhlý a složitý (viz píloha 5 – Schéma mícího systému), uvádím

vývojový diagram (viz obr. 43).

V prvním kroku nejdíve dochází k vytvoení fyzických kanálu pro pijímaní a vysílání analogových signál. Ty jsou rozdleny na gradientní kanál (složený z 16 analogových vstup), homogenní (snímací) kanál (také z 16 analogových vstup) a výstupní kanál (z 1 analogového výstupu) pro softwarový generátor. V tom samém okamžiku je také vytvoen (i nahrazen) soubor data.txt pro ukládání namených hodnot. V dalším kroku jsou nastaveny parametry u jednotlivých kanál, které zde byly ped spuštním programu vloženy. U kanálu G a H je to vzorkovací frekvence, zdroj digitálního triggeru a maximální a minimální pijímané hodnoty. U výstupního kanálu je to pak typ signálu, frekvence, amplituda a stída. Po nastavení parametr již dochází k spuštní a tení mených dat. Po skonení odmru je u gradientního kanálu vypoten klouzavý prmr s využitím posuvného registru. U homogenního kanálu se klouzavý prmr neprovádí, jelikož se namené hodnoty dále nezobrazují ve form grafu, ale pouze se uloží do souboru a také proto, aby tento proces ješt více nezatžoval procesor poítae. Po vypotení klouzavého prmru jsou data zobrazena pomocí 2D intenzitního grafu. Než však pijdou data k zobrazení, je zde vložena 5 ms pauza. Ta nezpsobí zpož ování následujícího spouštní odmru, jelikož terminály zajišující zobrazení dat jsou oddleny od samotného mení while smykou (Graf jednoduše zobrazuje pijatou hodnotu do té doby, než mu pijde hodnota nová). Souasn s grafickým zobrazením jsou data z kanál G a H spojena a následn upravena (zmna datového typu z ísla na etzec) tak, aby je bylo možné uložit do souboru. Do souboru jsou uloženy následující hodnoty: x

íslo odmru

x

namené hodnoty z gradientního kanálu (16 hodnot)

x

klouzavý prmr namených hodnot z gradientního kanálu (16 hodnot)

x

namené hodnoty z homogenního kanálu (16 hodnot)

Pokud nebyl do této doby zvolen uživatelem konec mení, vrací se proces ke spuštní odmru, pípadn ke zmn parametr jednotlivých kanal. To nastane, pokud zmnil uživatel v prbhu mení libovolné nastavení kanál. Pokud uživatel ukoní mení, jsou uzaveny kanály pro analogové vstupy a analogový výstup a také je uzaven soubor data.txt. Poté dojde k ukonení programu.

- 45 -

Obr. 41 – Vývojový diagram mícího systému

- 46 -

4.2 Ovládání programu Ped spuštním programu je poteba nastavit nkolik parametr, aby bylo možné mící systém používat. To se provádí na pedním panelu (viz obr. 44), kde jsou upravené zobrazovací prvky, tlaítka a lišty tak, aby práce s programem byla co nejsnadnjší. Hlavní pepínání lišt se nachází v levém horním rohu. Zde se nachází záložka gradientní kanál, která obsahuje všechny dležité prvky pro ovládání a zobrazení namených dat z gradientního vinutí senzoru. Další záložkou je homogenní kanál, která obsahuje pouze nastavení analogového vstupu a výpisovou tabulku s namenými hodnotami. V prvním kroku je teba nastavit blok Channel Parameters. Zde se pomocí lišty v záložce Physical Channel nastaví analogový vstup. Musíme nejdíve definovat, která karta zpracovává data z gradientních kanál snímací elektroniky a která z homogenních kanál. Dále je poteba v této záložce nadefinovat vstupy, z kterých budeme chtít odebírat analogový signál. V našem pípad jsou to tedy pro gradientní signály vstupy /Dev1/ai0:15 (Dev1 – zaízení .1 a vstupy ai0 až ai15). Pro homogenní signály je toto nastavení tém totožné, tedy /Dev2/ai0:15. Dále je v bloku Channel Parameters možné nastavit maximální a minimální hodnotu na vstupech, kterou bude karta pijímat. V bloku Timing Parameters se urí vzorkovací frekvence jednoho kanálu (poet odebraných vzork pro jeden kanál za jednu sekundu). V ásti Trigger Parameters se pak zvolí zdroj triggerovacího signálu (Trigger Source) a také hrana (Slope), na kterou bude trigger reagovat. Defaultn jsem použil nábžnou hranu. V tetím bloku zleva Generator Paramateres se zvolí parametry výstupního signálu. Je zde možnost nastavit frekvenci, amlitudu, typ signálu a offset.. Hned napravo se pak nachází dopl ující nastavení Generator Parameters II. Zde je možné nastavit tzv. sample mode, což je režim odebírání vzork. Zde je možné zvolit následující možnosti podle tab. 3.

- 47 -

Vzorky se získávají v jednom odmru do té doby, než je proces ukonen samotným programem

Continuous Samples

V jednom odmru se pijímá konený poet vzork nastavený uživatelem

Finite Samples

Hardware Timed Single Point

Vzorky se získávají nepetržit využitím hardwarového asovae bez vyrovnávací pamti (bufferu)

Tab. 3 – Režimy odebírání vzork

V mícím programu byl využit režim odbru vzork Continuous Samples. V tomto módu si program sám uruje velikost vyrovnávací pamti (pokud není zadána extérn uživatelem) podle velikosti vzorkovací frekvence (viz tab. 4). Režim Continuous Samples nebyl využit pouze u kanálu softwarový generátor, ale také v gradientním a homogenním kanálu. Vzorkovací frekvence Nedefinovaná 0 – 100 S/s 100 – 10 kS/s 10k – 1MS/s >1MS/s

Velikost vyrovnávací pamti 10 kS 1 kS 10 kS 100 kS 1 MS

Tab. 4 – Urení velikosti vyrovnávací pamti

V bloku Generator Parametrs II lze dále ješt nastavit velikost vzorkovací frekvence, velikost bufferu, analogový výstup, a minimální a maximální hodnotu na výstupu. V horní ásti napravo se nachází graf zobrazující velikost gradientu u jednotlivých senzor v podob barevné intenzity (barevný pruh piazující danou hodnotu k barv se nachází napravo od grafu). Aby bylo možné pímo odeítat hodnoty gradientu senzor, v pravém dolním rohu jsou umístná textová pole o velikosti 4x4 a v každém z nich je íseln zobrazena hodnota nameného signálu. Nalevo se pak nachází graf zobrazující prbh jednotlivých gradiometr jak nezpracovaného signálu, tak klouzavého prmru. Zmnu zobrazovaného gradiometru, resp. jeho signálu, lze provést pomocí lišty umístné nalevo od prbhu. Dále se zde nachází nkolik funkních tlaítek a pepína. Napravo od intenzitního grafu se nachází knoflíky X points a Y points. Ty slouží k nastavení tzv. loop smyek. Urují tedy velikost pole které se bude dále zpracovávat pomocí grafu. Referen je zde nastavená hodnota 4 u obou tlaítek (tedy pole o velikosti 4x4). Dole uprosted se pak nacházi pepína spouštjící zápis do souboru a napravo od nj je umístno tlaítko Stop ukonující bh programu.

- 48 -

Obr. 42 – Pední panel mícího systému

- 49 -

5. Kapitola Mení Tato kapitola se zabývá základní kalibrací fluxgate gradiometr a mení jejich citlivosti, které sice nevyplývá pímo ze zadání, ale pro oživení systému bylo nutné. Nejdíve se provedla astatizace gradiometr a po pipevnní jednotlivých senzor na držáky se mila a následn kalibrovala citlivost všech sond. Dále jsou zde prezentovány výsledky mení na testovacích objektech.

5.1 Astatizace gradientního vinutí gradiometr Základním cílem tohoto mení byla hrubá kalibrace gradientních vinutí tak, aby hodnota citlivosti obou gradientních cívek (1. a 2. Ng) byla pibližn stejná. Jelikož je úplná astatizace obtížná, ne-li nemožná (viz [4]), bylo navrženo odstranní parazitní citlivosti na homogenní pole mením tohoto pole a kalibrací parazitní citlivosti v gradientních cívkách (viz 5.2 Kalibrace gradiometr). Pi hrubé astatizaci jsem postupoval následovn: poet závit jedné z dvojice spojených cívek Ng byl odebírán tak, aby bylo dosaženo pokud možno stejn velké citlivosti obou gradientních vinutí Ng. Tento proces bylo poteba provést ješt pedtím, než byl na gradientní vinutí senzor aplikován lak kvli upevnní závit cívek k senzoru a také pedtím, než byly sondy pipevnny pomocí plastových šroub k „L“ konstrukním prvkm gradiometrické soustavy sond. Tato citlivost se mila podle zapojení na obr. 45. Budící vinutí senzoru bylo pipojeno k jednotce pulsního buzení, jejíž parametry byly nastaveny v termínálu poítae. Hodnota amplitudy byla nastavena na 500 mA, frekvence 2f na 30 kHz a stída na 40%.

Obr. 43 – Mení citlivosti fluxgate gradiometru

- 50 -

Mení probíhalo tak, že se senzor nejdíve natoil vertikáln do smru magnetického pole zem. Následn se na Lock-In zesilovai SR 830, jehož referenní vstup byl pipojen k signálu 2f jednotky pulsního buzení, nastavila fáze a odeetla se hodnota naptí reálné složky X prvního a následn druhého gradientního vinutí Ng už beze zmny nastavení fáze (cívky jsou totiž v koneném provedení antisériov propojeny). V dalším kroku se senzor otoil o 1800. Opt se odeetly hodnoty z obou vinutí a rozdíl z prvního a druhého (otoený senzor) mení se následn porovnával mezi prvním a druhým vinutí Ng. Citlivost pi hodnot magnetického pole zem 48 μT mla velikost mV/ 96 μT. Postupným odebíráním závit u prvního i druhého se nakonec dosáhlo pibližn stejné hodnoty citlivosti. Tato metoda je pouze orientaní, protože je nutné brát v úvahu nkolik znepes ujících vlastností (opakovatelnost, hodnota 48 μT pouze pibližná, blízká rušivá pole atd.). V tab. 5 jsou uvedeny namené hodnoty, poet ubraných závit a vypotená pibližná citlivost u tí vybraných senzor. Pesnjší kalibrace gradientních vinutí se poté provádla až v samotném mícím systému. První gradientní vinutí (1. Ng) Druhé gradientní vinutí (2. Ng) Senzor Uxsmr1 Uxsmr2 odebráno citlivost Uxsmr1 Uxsmr2 odebráno

citlivost .

[mV] [mV] [mV] závit [mV/μT] [mV] [mV] závit [mV] [mV/μT] 1

169

-168

0

337

3,5

2

166

-162

0

328

3,4

3

174

-173

0

347

3,6

182  170 194  165 201  174

-178  -166 -193  -164 -201  -172

Tab. 5 – kalibrace gradientního vinutí fluxgate sond

- 51 -

9

336

3,5

16

329

3,4

18

346

3,6

5.2 Kalibrace gradiometr Po astatizaci gradientních cívek gradiometr jsem stanovil citlivost jednotlivých fluxgate senzor pomocí zapojení zobrazeného na obr. 46. Pomocí namených dat pak bylo možné provést kalibraci v mícím systému vytvoeném v prostedí LabView.

Obr. 44 – Kalibrace gradiometr

Ke kalibraci gradiometr byly využity nejen všechny ásti mícího systému (budící jednotka, elektronika zpracování signálu a modul pro sbr dat NI USB-6212), ale hlavn systém gradientních a homogenních (viz obr. 46 a obr. 47) cívek pro vytvoení dostaten velkého gradientního resp. dostateného homogenního pole. Velikost homogenního resp. gradientního magnetického pole je úmrná proudu I dodávaného ze stejnosmrného zdroje a také konstant homogenních KH [T/A] resp. gradientních KG [T/m/A] cívek. Pro homogenní pole tedy platí:

B K ˜ I >T; T/A, A@

(5.1)

Gradient magnetického pole je:

dBy dy

K G ˜ I >T/m; T/m/A, A @

- 52 -

(5.2)

Konstanta pro homogenní cívky je 120 μT/A a pro gradientní cívky má hodnotu 78 μT/m/A. Dále bylo využito poítae k nastavení parametr budící elektroniky a také ke sbru namených dat.

Obr. 45 – Systém homogenních a gradientních cívek

Kalibrace se provádla následujícím postupem. Nejdíve se umístil jeden z šestnácti gradiometr do stedu systému gradientních a homogenních cívek ve smru osy citlivosti. Ovení, že se senzor nachází ve stedu cívek, se provádlo podle obr. 48. Ke gradientním cívkám se pipojil generátor, který byl nastaven na frekvenci 10 Hz a dodával dostatený budící proud. Pokud byl senzor umístn ve stedu cívek, na výstupu homogenního kanálu snímací elektroniky se nenacházel tém žádný stídavý signál 10 Hz (viz obr. 48 – graf 1). V pípad, že byl senzor posunut mimo sted cívek, projevil se vliv generovaného gradientního pole a amplituda výstupního homogenního signálu gradiometru narostla (viz obr. 48 – graf 2).

- 53 -

Obr. 46 – Ovení umístní senzoru

Po umístní senzoru se ke kalibraci použil stejnosmrný zdroj, který dodával proud bu do gradientních, nebo do homogenních cívek systému. Budící parametry fluxgate gradiometru byly stejné jako pi astatizaci (amplituda 500 mA, frekvence 30 kHz a stída 40%). Mení na jednom gradiometru se skládalo ze tí hlavních ástí: 1. Mení a následný výpoet citlivosti SH na homogenním kanálu snímací elektroniky proti homogenním cívkám systému ª d B y º 2. Mení a následný výpoet gradientní citlivosti S « » na gradientním ¬ dy ¼

kanálu snímací elektroniky proti gradientním cívkám systému 3. Mení a následný výpoet parazitní citlivosti SP na gradietním kanálu snímací elektroniky proti homogenním cívkám systému V prvním kroku se komutací proudu v homogenních cívkách urila hodnota citlivosti homogenního vinutí gradiometru SH pomocí rovnice SH

U1  U 2 I1  I 2 ˜ K H

>V/T; V, A, T/A@

- 54 -

(5.3)

V následujícím kroku se pepojil zdroj ke gradientním cívkám systému a podobn jako v pedchozím kroku (odetení hodnoty U1 a U2 z výstupního gradientního kanálu ª d B y º snímací elektroniky ped a po komutaci proudu) se urila gradientní citlivost S « » ¬ dy ¼

podle rovnice: ª d B y º S« » ¬ dy ¼

U1  U 2 I1  I 2 ˜ K G

˜d

S G ˜ d >V/ T/m ; V, A, T/m/A, m@

(5.4)

kde d je velikost gradiometrické základny. V poslední ásti mení jsem zjistil parazitní citlivost gradientního vinutí senzoru na homogenní pole. Opt se odetou, stejn jako v pedchozích krocích, hodnoty z gradientního kanálu snímací elektroniky, avšak pi pipojených homogenních cívkách systému ke stejnosmrnému zdroji. Po získání všech tí hodnot citlivostí (homogenní kompenzaní SH, gradientní SG a parazitní SP), které jsou zobrazeny v tab. 6, bylo již možné – vzhledem k zhruba lineárnímu prbhu parazitní citlivosti G kanálu na homogenní pole - provést samotnou kalibraci gradiometru v mícím systému. Její princip je popsán na následujícím píkladu. Na výstupu homogenní (kompenzaní) cívky senzoru .1 je pomocí mícího systému zmena v jednom okamžiku hodnota UH = 4,923 V. Pi známé hodnot homogenní citlivosti SH = 123063 V/T mže mící program vypoítat velikost homogenního magnetického pole pomocí vztahu BH = (1/SH) · UH = 40 μT. Poté pi známé velikosti magnetického pole a známé parazitní citlivosti SP = 334 V/T lze vypoítat parazitní naptí UP = SP · BH = 13,36 mV. Toto naptí se nakonec odete od výstupní hodnoty naptí z gradientního vinutí senzoru, tedy výsledná kompenzovaná hodnota gradientního vinutí je UGvysl = UG - UP. Výhodou tohoto principu je tedy to, že simultánní mení homogenního pole zpsobuje podstatné snížení parazitní citlivosti gradientní odezvy na toto homogenní pole jednak vlivem stabilní nulové homogenní složky pole v okolí jádra senzoru, jednak díky možnosti softwarové kompenzace. Hodnoty parazitní citlivosti SP, na rozdíl od homogenní citlivosti SH, mají pomrn velké odchylky od prmrné hodnoty. To je zpsobené pedevším runím navíjení gradientních cívek a také rozdílným odebíráním závit na jednotlivých gradiometrech pi astatizaci senzor (viz 5.1 Astatizace gradientního vinutí gradiometru).

- 55 -

Senzor . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 prmr:

123062,75 122840,64 123537,60 122955,53 122388,77 123154,66 123078,07 122541,95 123078,07 123001,48 122695,12 123078,07 123767,37 123461,01 123767,37

1000,64 914,74 1164,10 1026,92 852,56 812,18 892,31 991,99 800,00 946,54 966,67 934,62 914,87 906,41 836,54

SG·d [μV/nT/4,65cm] 465,30 425,36 541,31 477,52 396,44 377,66 414,92 461,27 372,00 440,14 449,50 434,60 425,42 421,48 388,99

123093,90

930,74

432,79

SH [V/T]

SG [V/T/m]

Tab. 6 – Citlivosti jednotlivých gradiometr

- 56 -

SP [V/T] 334,00 411,50 291,67 162,50 139,17 207,58 260,83 179,17 195,00 22,50 156,67 68,33 225,83 20,42 325,00 200,01

5.3 Testovací mení K ovení funknosti celého gradiometrického systému posloužilo zkušební mení podle konfigurace na obr. 49. To vychází ze základního zapojení zobrazeného na obr. 36.

Obr. 47 – Konfigurace testovacího mení

Jako testovací objekty posloužily patrona z útoné pušky a siln zmagnetovaný šroubovák (viz obr. 50). Mení probíhalo tak, že se testovací pedmt umístil v pedem urené vzdálenosti do stedu lepenkové krabice (v horizontální rovin) umístné pod gradiometrickou soustavou sond. Pro šroubovák bylo mení provedeno ve vzdálenosti (ve vertikální rovin) 24, 19, 14, 9 a 4 cm od senzor. Druhý testovací pedmt (patrona) byl men ve vzdálenostech 14, 9, 8, 7, 6, 5 a 4 cm. Kvli rušivým zdrojm gradientního

pole

v laboratoi

bylo

poteba

u

jednotlivých senzor nastavit offset pomocí mícího systému tak, aby ukazovaly všechny senzory pibližn nulový gradient. U šroubováku bylo provedeno mení

- 57 -

Obr. 48 – Testovací objekty

jak gradietního (obr. 51), tak homogenního pole (obr. 52). Výsledky mení jsou znázornny ve form intenzitních graf. Rozsah gradientu

dBy dy

je piazen barevné

škále od erné  -100 μT/m, pes modrou barvu až k bílé  100 μT/m.

Obr. 49 – Mení gradientního pole – mený objekt šroubovák

Z prbhu zmeného gradientního pole na obr. 51 pedevším v nejkratší vzdálenosti od senzoru (4cm) je dobe patrné to, jak magnetické pole psobí okolo meného pedmtu. Zatímco siloáry meného pedmtu smují v jedné ásti nahoru

- 58 -

a tedy senzor mí kladnou hodnotu (bílá pole), v další ásti naopak mají smr dol a tudíž je zde hodnota pole záporná (erná pole). Na obr. 52 jsou pak znázornny výsledky mení homogenního pole. Zde je patrné, že se pibližující testovaný objekt tém neprojeví na homogenním poli Zem – svtle modrá ( 45 μT).

Obr. 50 - Mení homogenního pole – mený objekt šroubovák

Druhým testovaným objektem byla nábojnice, prbh graf pi pibližování je znázornn na obr. 53.

- 59 -

Obr. 51 – Mení gradientního pole – mený objekt nábojnice

- 60 -

6. Kapitola Závr Hlavním cílem této diplomové práce bylo zkonstruovat gradiometrický systém pro mení magnetických anomálií a k efektivní analýze výstupních signál vytvoit mící systém v programovém prostedí LabView. Senzory jsou tzv. „single-core fluxgate gradiometers“, tedy gradiometry s jedním jádrem oválného (race-track) typu, vyrobené technologií plošných spoj. Senzor byl upraven podle stávajícího návrhu (z [11]) a obsahuje budící, kompenzaní snímací a dvojici run navinutých gradientních vinutí. Mení gradientu magnetického pole pomocí fluxgate gradiometr bylo využito hlavn z toho dvodu, že poskytuje dobré rozlišení zdroj magnetického pole v malé vzdálenosti (nap. pi skenování terénu run nebo využitím nízkoletícího UAV) a naopak efektivn se potlaují rušivá homogenní pole. Kompenzace parazitního vlivu tchto rušivých homogenních polí na gradientní výstup (pedevším zemského magnetického pole) se provádla pomocí kompenzaní zptnovazební smyky senzoru. Tímto zpsobem mohla být zbytková, parazitní citlivost gradientního kanálu na homogenní pole kompenzována simultánn v mícím programu. Zobrazování namených dat v matici senzor je v programovém prostedí možné v reálném ase pomocí intenzitního 2D grafu. Citlivosti jednotlivých gradiometr mají hodnoty prmrn 123000 V/T na homogenním vinutí a pibližn 930 V/T/m na gradientních cívkách. Navržený gradiometrický systém lze využít nejen k mení dBy/dy, ale i dalších dvou složek dBy/dx a dBy/dz pomocí homogenních vinutí dvou senzor. Pokud by byl systém pi zavšení na UAV používán ve vtších výškách, bylo by možné využít prmrování hodnot z matice senzor pro získání jediné hodnoty a tak efektivn snížit šum mení. Kvli problémm s výrobou PCB senzor by bylo v pípad další produkce vhodnjší upravit technologii výroby, která není výhodná pro senzory s velkými jádry. Zásadním problémem souasné technologie je ne zcela pesné umístní amorfního jádra doprosted senzoru (v podélné rovin) vi budícímu vinutí, které zpsobilo vtšinu problém pi výrob a také znaný rozptyl gradientních parametr.

- 61 -

Seznam použité literatury a internetových odkaz Tištné dokumenty: [1]

Draxler, K., Kašpar, P., Ripka, P.: Magnetické prvky a mení. Skripta VUT, Praha 1999

[2]

Ripka, P., (ed): Magnetic sensors and magnetometers. Artech House, Inc., 2001

[3]

Ripka, P.: Race-track fluxgate sensors, Sens. Act. A, vol. 37-38(1993), pp. 417 – 421

[4]

Navrátil, P., Ripka, P.: Fluxgate sensors for magnetopneumometry, Sens. Act. A, vol. 60(1997), pp. 76 – 79

[5]

Janošek, M.: Diplomová práce – Magnetometr s miniaturními senzory fluxgate, 2007, VUT FEL

[6]

Kašpar, P., Platil, A., Ripka, P., Tomek, J.:Application of fluxgate gradiometer in magnetopneumography, Sens. Act. A, vol. 132(2006), pp. 214 – 217

[7]

Draxler, K., Styblíková, R.: Use of nanocrystalline materials for current transformer construction, Journal of Magn. Materials, vol. 157/158 (1996), pp. 447 – 448

[8]

Draxler, K., Kašpar, P., Ripka, P.: Race-track fluxgate gradiometer, El. Letters, vol. 29 (1993), pp. 1193 – 1194

[9]

Janošek, M., Ripka, P.: PCB Fluxgate gradiometer measuring dBx/dy, Journal of El. engineering, vol. 61 (2010), pp. 1 – 3

[10] Schimdt, P.W., Clark, D.A.: The magnetic gradient tensor: Its properties and uses in source characterization, The Leading Edge, 2006 , pp. 75 – 78

- 62 -

[11] Jank, P.: Bakaláská práce - Magnetický senzor v PCB technologii, 2010, VUT FEL [12] Ripka, P.: Advances in fluxgate sensors, Sens. Act. A, vol. 106 (2003), pp. 8 – 14 [13] Ripka, P.: Sensors based on bulk soft magnetic materials: Advances and challenges, Journal of Magn. Materials, vol. 320 (2008), pp. 2466 – 2473 [14] Nielsen, O. V. et al.:Development, construction and analysis of the ´Oersted´ fluxgate magnetometer, IOP Publishing, vol. 6 (1995), pp. 1099 – 1115 [15] Roun, J.: Bakaláská práce – Vyhodnocení akustického signálu detektoru kov, 2009, VUT FEL [16] Cerman, A., Kuna, A., Ripka, P., Merayo, J.M.G.: Digitalization of highly precise fluxgate magnetometers, Sens. Act. A, vol. 121 (2005), pp. 421 – 429 [17] Kawahito, S., Cerman, A., Aramaki, K., Tadokoro, Y.: A weak magnetic field measurement system using micro-fluxgate sensors and delta–sigma interface, IEEE Trans. Inst. Meas. 25 (1) (2003) 103–110. [18] Janošek, M., Ripka, P.: Zapojení feromagnetické sondy pro mení gradientu magnetického pole. Užitný vzor 21161, Patentový úad R 2010

[19] Kubík, J., Janošek, M., Ripka, P.: Magnetometer with pulse-excited miniature fluxgate sensor. Journal of El. engineering, vol. 57 (2006), pp. 80 – 83 [20] Kubík, J.: Disertaní práce – PCB Fluxgate sensors. VUT FEL, 2007

- 63 -

Internetové odkazy [21] http://cs.wikipedia.org/wiki/Gradient -

Gradient

[22] http://crr.vutbr.cz/system/files/prezentace_08_1006_2.pdf -

Platil, A., Ripka, P: Prezentace - Pesné magnetické snímae a jejich aplikace, 2010

[23] http://www.linkeova.cz/skripta/pdf/06_spoje.pdf -

Linkeová, I.: Prezentace – Výkresová dokumentace elektromech. spoj

[24] http://archives.sensorsmag.com/articles/0399/0399_18/main.shtml -

Caruso, M.J., Bratland, T.: lánek - princip AMR senzor

[25] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/48364/AD/AD797.html -

Datasheet AD797

[26] http://www.isibrno.cz/~joe/elektronika/elektronika_8.pdf -

prezentace, druhy šumu

[27] http://www.daycounter.com/Calculators/Thermal-Noise-Calculator.phtml -

Kalkulátor Johnsonova šumu

[28] http://www.ni.com/pdf/manuals/371931f.pdf -

NI USB-621X User Manual

- 64 -

Seznam obrázk a tabulek Obr. 1– Rozsah citlivostí základních skupin senzor (pevzato z [1]) ............ - 4 - Obr. 2 – základní princip AMR senzor (pevzato z [2]) ................................. - 5 - Obr. 3 – periodické flipování u AMR (z [23]) .................................................. - 6 - Obr. 4 – Princip feromagnetické sondy (z [2]) ................................................ - 7 - Obr. 5 – Prbhy fluxgate senzoru (z [2]) ...................................................... - 7 - Obr. 6 – Konstrukní uspoádání (z [2]) ......................................................... - 9 - Obr. 7 – Tívrstvý PCB senzor (z [20]) ......................................................... - 10 - Obr. 8 – Píklad gradientního pole, a) 3D model, b) 2D model (z [20]) ........ - 11 - Obr. 9 – Gradiometry ze 2 senzor .............................................................. - 13 - Obr. 10 – Píklad jednosenzorového gradiometru (z [8]) .............................. - 13 - Obr. 11 – Schéma fluxgate gradiometru ...................................................... - 16 - Obr. 12– Vrstvy fluxgate gradiometru........................................................... - 20 - Obr. 13 – Návrh fluxgate gradiometru v programu OrCAD .......................... - 20 - Obr. 14 – Fluxgate gradiometr ..................................................................... - 20 - Obr. 15 – Blokové schéma gradientního kanálu........................................... - 21 - Obr. 16 – Schéma neinvertujícího zesilovae .............................................. - 22 - Obr. 17 – Schéma PSD detektoru ................................................................ - 23 - Obr. 18 – Dolní propust 2. ádu .................................................................... - 24 - Obr. 19 – Blokové schéma kanálu pro kompenzaci homogenního pole ....... - 25 - Obr. 20 – DPS elektroniky zpracování signálu ............................................. - 26 - Obr. 21 – Referenní prbh budící jednotky .............................................. - 27 - Obr. 22 – Posloupnost puls výstupního signálu snímacího vinutí .............. - 29 - Obr. 23 – Spínání integrátoru signálem Wa .................................................. - 29 - Obr. 24 – Modul NI USB-6212 (z [15]) ......................................................... - 30 - Obr. 25- Blokové schéma analog. vstupu modulu NI USB-6212 (z [28])...... - 31 - Obr. 26 – Princip více kanálového mení (z [28]) ....................................... - 32 - Obr. 27 – Píklad vícekanálového mení vzork u mící karty USB-6212 - 33 - Obr. 28 – Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, vzorkovací signál píliš rychlý pro pevodní hodiny (z [28]) ......... - 34 - Obr. 29 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, pevodní signál píliš rychlý pro vzorkovací hodiny (z [28]) ........................ - 34 -

- 65 -

Obr. 30 - Nesprávné asování vzorkovacích a pevodních hodin, vzorkovací a pevodní hodiny nesprávn propojeny, vede k aperiodickému vzorkování (z [27]) ............................................ - 35 - Obr. 33 – “L” prvek s gradiometrem ............................................................. - 36 - Obr. 34 – Gradiometrická soustava sond ..................................................... - 37 - Obr. 35 – Osa citlivosti gradiometr ............................................................. - 37 - Obr. 36 – Konstrukce gradiometrické soustavy sond ................................... - 38 - Obr. 37 – Celkové schéma zapojení gradiometrického systému.................. - 39 - Obr. 38 – zapojení modul NI USB-6212 ..................................................... - 40 - Obr. 39 – Blokové schéma mícího systému .............................................. - 41 - Obr. 40 – Triggerování dat ........................................................................... - 42 - Obr. 41 – Detail jednoho (neúplného) odmru dat ....................................... - 43 - Obr. 42 – Princip klouzavého prmru pro 1 kanál ...................................... - 44 - Obr. 43 – Vývojový diagram mícího systému ............................................ - 46 - Obr. 44 – Pední panel mícího systému .................................................... - 49 - Obr. 45 – Mení citlivosti fluxgate gradiometru ........................................... - 50 - Obr. 46 – Kalibrace gradiometr .................................................................. - 52 - Obr. 47 – Systém homogenních a gradientních cívek.................................. - 53 - Obr. 48 – Ovení umístní senzoru ............................................................ - 54 - Obr. 49 – Konfigurace testovacího mení ................................................... - 57 - Obr. 50 – Testovací objekty ......................................................................... - 57 - Obr. 51 – Mení gradientního pole – mený objekt šroubovák.................. - 58 - Obr. 52 - Mení homogenního pole – mený objekt šroubovák ................ - 59 - Obr. 53 – Mení gradientního pole – mený objekt nábojnice ................... - 60 - Tab. 1 – Parametry jádra fluxgate gradiometru ............................................ - 17 - Tab. 2 – Porovnání parametr gradiometru ................................................. - 18 - Tab. 3 – Režimy odebírání vzork ............................................................... - 48 - Tab. 4 – Urení velikosti vyrovnávací pamti ............................................... - 48 - Tab. 5 – kalibrace gradientního vinutí fluxgate sond .................................... - 51 - Tab. 6 – Citlivosti jednotlivých gradiometr .................................................. - 56 -

- 66 -

Seznam píloh 1. Tištné pílohy: Píloha 1: Schéma snímací elektroniky pro zpracování signálu Píloha 2: Motivy plošných spoj elektroniky Píloha 3: Výkres návrhu držák a podstavy Píloha 4: Motivy plošných spoj senzoru Píloha 5: Schéma mícího systému 2. Obsah CD: Píloha 6: Diplomová práce (MS Word 97-03, MS Word 2007 a PDF) Píloha 7: Snímací elektronika (Orcad 9.2) Píloha 8: Výkres držák (Autocad Mechanical 2001) Píloha 9: Schéma fluxgate gradiometru (Orcad 9.2) Píloha 10: Mící systém (NI LabView 8.6) Píloha 11: Použité obrázky Píloha 12: Použité tabulky

- 67 -

Píloha 1: Schéma snímací elektroniky pro zpracování signálu – kanál 1 až 4

- 68 -

Píloha 1: Schéma snímací elektroniky pro zpracování signálu – kanál 5 až 8

- 69 -

Píloha 2: Motivy plošných spoj elektroniky

Rozložení souástek na DPS

Motiv vnjší horní vrstvy DPS (TOP)

Motiv vnjší spodní vrstvy DPS (BOT)

Motiv vnitní vrstvy DPS (IN2)

- 70 -

Píloha 3: Výkres návrhu držák a podstavy – konstrukní „L“ prvek

- 71 -

Píloha 3: Výkres návrhu držák a podstavy – konstrukní „L“ prvek

- 72 -

Píloha 4: Motivy plošných spoj fluxgate senzoru

Motiv vnjší horní (TOP) a spodní (BOT) vrstvy snímacího vinutí

Motiv vnitní horní (IN1) a spodní (IN2) vrstvy snímacího vinutí

- 73 -

Píloha 5: Schéma mícího systému

- 74 -