I N V EST I C E D O ROZ VOJ E V Z D Ě LÁVÁ N Í
Přesné magnetické snímače a jejich aplikace Pavel Ripka Czech Technical University, Prague, Czech Republic
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 25.6.2010
1
Obsah přednášky • Rozsah měřených polí • Typy magnetických senzorů • Základní principy a nové trendy: – Polovodičové senzory – XMR – Fluxgate – Resonanční senzory – Indukční cívky …. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
2
Motivation: applications The Earth’s field: total 50 µT, horizontal 20 µT • Compass – 1 deg ~ 350 nT ... makes 17 m error in 1 km – 0.1 deg ~ 35 nT – gimballing error
• UXO location – 155 mm projectile 1.5 m deep ... 10 to 50 nT – bomb 6 m deep ... 1 to 5 nT 1 nT in 50 000 nT ~ 20 ppm 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
3
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
4
Typical daily variations of the Earth’s field
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
5
Magnetic sensors: basic types • Magnetic field sensors – semiconductor – ferromagnetic – other (optical, resonant, SQUID…)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
6
Magnetic field sensors Scalar Measure the size of B (“total field B”)
B = Bx2 + B y2 + Bz2 only resonant sensors
Vector Measure the projection of B into the sensitive axis • single-axis • tri-axial most magnetic sensors
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
7
Tri-axial sensors: compass
X (forward)
Bx
α By
Horizontal component Y (right)
Bz Earth’s Field vector B Z (down) α = Azimuth or Heading
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
8
Magnetic field sensors: DC and AC
AC
DC
Measure only changing field: induction coils
dΦ d = − ( NAB ) Vi = − dt dt
Measure DC and AC fields
most magnetic sensors
Vi .. Induced voltage Φ .. Magnetic flux A .. Coil area N .. Number of turns 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
9
Basic sensor specifications • • • • • •
FS range, linearity, hysteresis TC (“tempco”) of sensitivity Offset, offset tempco and long-term stability Perming (= null change after magnetic shock) Crossfield sensitivity Noise – PSD , rms or p-p value
• Resistance against environment – temperature, humidity, vibrations 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
10
Types of magnetic field sensors • Semiconductor sensors (Hall, …) • Ferromagnetic magnetoresistors (AMR, GMR, …) – – – – –
Resonant magnetometers (Proton, Cesium, ...) SQUIDs (LTS + HTS) Induction coils, rotating coils Optical (Fibre optic, ... ) Fluxgate
• Other principles (GMI, magnetoelastic, …)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
11
Magnetic field magnitudes 100 T 10 T 2T 0.5 T 0.1 T 10 mT 50 µT 1 µT 10 fT
Pulse field Superconducting magnet Electromagnet Surface of strong perm. magnet (NdFeB) Surface of cheap magnet (ferrite) Power cable Earth’s field Vehicle Human brain
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
12
Range fT
pT
µT
nT
mT
T
Induction Coils Fluxgate SQUID
Resonant Hall Magnetoresistors Magnetooptical
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
13
Basic rules Dipole field (from small objects) B ∼ 1/r3 Long iron pipe B ∼ 1/r2 Long straight current conductor B ∼ 1/r
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
14
Semiconductor magnetic sensors • Hall – integrated – GaAs, Si, (Ge) – non-plate: vertical, cylindrical
• Semiconductor magnetoresistors • Exotic (magnetotransistors, magnetodiodes, rotating current domain, ...)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
15
Permalloy Flux concentrators
Used for Hall and MR Increase sensitivity Possible problems: • TC of sensitivity • perming • linearity Cylindrical Hall device with integrated magnetic flux concentrators (Sentron AG) 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
16
InSb Hall element with ferrite field concentrator
(Asahi Kasei Electronic HW series). 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
17
Magnetic force lines of field concentrators for a thin-film Hall sensor
(FEM simulation) - courtesy of Asahi Kasei Electronic 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
18
Semiconductor Magnetoresistors
2%/°C www.murata.com
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
19
AMR: anisotropic magnetoresistance
HY
• Permalloy thin film strip deposited on a silicon wafer magnetized in x direction • HY rotates magnetisation M → R changes by 2%-3%
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
20
AMR: linearisation Bad idea:
Shifting the working point by bias field
Good idea:
Barber-pole Al bars deflect the current by 450 (Honeywell)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
21
AMR bridge sensor
Philips KMZ Full bridge made of meandered resistors with barber-pole strips 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
22
Noise of AMR
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
23
Noise of AMR
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
24
AMR: flipping P.F. +
-
Unwanted change of strip permanent magnetization may distort the sensor characteristic. Periodical saturation of the permalloy strips is the cure
Characteristics of Philips KMZ 10 after positive [+] and negative [-] flip P.F. is characteristics for periodicalflipping 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
25
AMR: flipping
Flipping: + decreases offset + reduces perming + increases sensitivity - increases power consumption Honeywell AMR sensor with integrated flat flipping coil
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
26
KMZ 51 – virgin accuracy
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
27
Flipped + compensated KMZ 51 - overall accuracy Linearity error [ppm FS]
Linearity error of flipped & compensated AMR magnetometer 80 60 40 20 0 -400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-20 -40 -60 -80 Magnetic flux density [uT]
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
28
KMZ 51 - overview • no flipping: – Linearity and hysteresis: +/- 1 % FS (+/- 300uT) – Tempco. OFFSET –90 nT/K – Tempco. SENSITIVITY –585 ppm/K
• flipping & feedback: – Linearity and hysteresis: +/- 40ppm FS (+/-300uT) – Tempco. OFFSET approx. 2.1 nT/K – Tempco. SENSITIVITY approx. 20ppm/K + noise: 5 nT/sqrHz @ 1Hz
no statistics! 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
29
HMC 1001
Flipping OFF 7000 6000 5000
Offset (nT)
4000
Hx
3000 2000 1000
Hz Hy
0 -18
-8
-1000
2
12
22
Temperature (°) 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
30
HMC 1001
flipping ON 100 Hz
0
Offset (nT)
-20
-10
-100 -200
0
10
20
30
40
50
Hx
-300 -400 -500
Hy
-600 -700 Temperature (°C) 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
31
HMC 1001 – offset drift nT/ 50 OC
x
y
z
No flipping
7 000
3 500
3 700
flipped
250
200
50
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
32
AMR vs. Hall and fluxgate Hall with field concentarors
AMR
AMR
(KMZ 51)
flipped+feedback
fluxgate
linear range
5 mT
300 µT
300 µT
0. 5 mT
size
6 mm
6 mm
6 mm
30 mm
linearity
0.1 < 0.2 %
1%
40 ppm
1 ppm
sensitivity TC
200 ppm/K
600
20
30
offset@250C
50 µT
< 10 µT
< 1 µT
5 nT
offset TC
600 nT/K
100 nT/K
2 nT/K
0.1 nT/K
resolution
1 µT
10 nT(1 nT)
10 nT
100 pT
perming, hyst.
1 µT (?)
300 nT
10 nT
< 1 nT
BW
100 kHz
100 kHz
100 Hz
1 kHz
power cons.
55 mW
30 mW
100mW
150 mW
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
33
GMR: Giant Magnetoresistance I
B
Spin - dependent scaterring: Resistance of two thin ferromagnetic layers separated by a thin nonmagnetic conducting layer can be altered by changing the moments of the ferromagnetic layers from parallel to antiparallel. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
34
Common GMR structures
technology developed for reading heads
A: Spin valve B: Sandwich C: Multilayer 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
35
GMR sandwich
0.74 0.735 0.73
voltage (V)
0.725 0.72
0.715 0.71 0.705 0.7 -50
-40
-30
-20 -10 0 10 20 applie d fie ld (Oe )
30
40
50
Sensitive, but not good for linear sensors
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
36
GMR: spin valve 2750
13
Resistance (Ω)
Resistance (Ohms)
12
11
10
2700
2650
9
2600 08 -200
-100
-30 0
100
200
Angle (Degrees)
Angular response Unpinned soft layer rotates with external field
-20
-10
0
10
20
30
Applied Field (mTesla)
Large field response hard layer may be demagnetized
If saturated, responds only to field direction, not value 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
37
SDT (spin-dependent tunelling) magnetoresistor
source: Mark Tondra, NVE A cross section of the SDT structure. The vertical scale is exaggerated so the thicknesses are visible. The lateral dimensions of the tunnel junctions range from 0.1 µm to 1000 µm. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
38
SDT (spin-dependent tunelling) magnetoresistor 1600
HARD LAYER 1550 SOFT LAYER
Junction Resistance
JMR = R(high) - R(low) R(low) = 21 %
1500
1450
1400
1350
HARD LAYER
RA = 362 kΩ−µm2 Area = 274 µm2
SOFT LAYER
Hpin = 175 Oe Hc = 9 Oe
1300 -40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Applied Magnetic Field (Oe)
The magnitude of the SDT magnetoresistance can be greater than 40% source: Mark Tondra, compared to ~10% for spin valves. NVE
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
39
Biased SDT sensor 68
1172
1122 64 62
1072
60
Output (mV/V)
Resistance (kΩ)
66
1022 58 56 -0.8
972 -0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Applied Field (mTesla)
A common magnetic tool for getting a linear response from almost any material is to incorporate a feedback coil and measure the current in this coil that is required to keep the sensor’s output at a certain value. source: M. Tondra, NVE 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
40
GMR bridge sensor GMR resistors configured as a Wheatstone bridge sensor (NVE) • •
R2, R3 are shielded R1, R4: field is concentrated by approx. D1/D2
250
Still has nonlinear
40 150 30 100 20 50
(NVE)
0 -2.5
Output (mV/V)
unlike AMR bridge
Voltage (mV)
response
50 200
10 0 -1.5
-0.5
0.5
1.5
2.5
Applied Field (mTesla)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
41
Advantages of magnetoresistors Compared to Hall sensors: • high sensitivity – for position sensors: magnet may be cheaper or smaller or airgap higher – for magnetic field sensors: higher accuracy
• no piezo effect • higher operational temperatures
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
42
GMI Giant magnetoimpedance effect Based on Z ~ δ ~ μ ~ B, Works on MHz frequencies Problems: perming temperature dependence (30nT/K) even response (need bias)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
43
GMI curve GMI (%)
250
200 Decreasing H Increasing H
150
100
50 -50
-30
-10
10
30 H(A/m) 50
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
44
Temperature drift Impedance and resistance dependence on temperature
5.79
22
5.78
21
5.77
|Z| (Ω)
23
RDC (Ω)
5.8
20
-0.005 %/ºC Rdc |Z|
5.76
19
5.75
18 -25
0
25
50
temp (°C) 75
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
45
Double-core GMI
resulting characteristics 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
46
Fluxgate sensors Most sensitive room-temperature magnetic sensors Based on non-linear magnetization characteristics of ferromagnetic core. Measure up to 1 mT with 100 pT resolution Classical fluxgates: precise, but expensive (CTU Prague) 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
47
Fluxgate principle • Ferromagnetic core - non-linear B-H • Excitation and sensing coil • Core is periodically saturated by Iexc, µ drops to 1 twice each period • Measured B0 causes 2nd harmonics in Vind
Vind Iexc(t)
µ(t)
B(t)
Bo
N
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
48
B(Φ)
Φ
Fluxgate principle
H
Hexc
a)
Vi
Hm
t
Φ
t
Vi
B(Φ)
• In absence of external field, magnetisation is symmetrical • External measured field causes assymetry – detected in induced voltage
t
H Hexc+H0
t b)
Vi
t Hm
t
H0
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
49
Basic types of fluxgate
• Double core suppresses first harmonics 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
50
Orthogonal Fluxgate
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
51
Fluxgate magnetometer
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
52
Parameters of fluxgate sensors Parameter
Top
Standard 30 μT / nT
Sensitivity Range
10 mT
200 μT
Linearity error
10 ppm
100 ppm
Tempco of sensitivity
10 ppm / 0C
50 ppm / 0C
Crossfield error for 50 μT field
< 1 nT
5 nT
Temp. offset drift
50 pT / 0C
0.2 nT / 0C
Perming after 10 mT shock
< 1 nT
< 5 nT
Noise (rms 50 mHz..10 Hz)
5 pT
100 pT
Long-term offset stability
2 nT/year
5 nT/8 hours
Bandwidth
10 kHz
20 Hz
Temp. range
-60 ..+2000C
-20 ..+70 0C
Power consumprion
1 mW
100 mW
Size
2 mm
30 mm
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
53
Low-noise fluxgate sensor
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
54
Temperature offset drift of Oersted sensor
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
55
Offset recovery after temperature shock
offset change (nT)
10 5 0 -5 -10 0
1000
2000
3000 time (s)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
56
Sensitivity tempco
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
57
Crossfield effect
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
58
Micro-fluxgate sensors (in development) • flat coils • electrodeposited core or amorphous strips • electronics on chip • cheap • resolution still higher than MR
Shizuoka University 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
59
Flat coils Core
B0
Flat coils
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
60
Two-axial sensor with flat coils
B0x
B0y
pair of cores for x axis
Vix Bexc
Bexc
x-axis pick-up coils excitation coil Uind y Bexc
Bexc
y x Iexc
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
61
Microfluxgate sensor with symmetrical core
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
62
Microfluxgate: Large field characteristics
Vout [mV]
20
15
Iexc 10
waveform - SIN, fexc = 1MHz 5
0 -3000
-2000
-1000
0 -5
1000
2000
B [uT]
3000
Iexc=30mA Iexc=50mA
-10
Iexc=80mA Iexc=100mA
-15
Iexc=120mA Iexc=140mA Iexc=160mA
-20
Iexc=180mA
-25
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
63
Hysteresis and perming of the single-core sensor in the 400 mT range Uout [V]
12
waveform - SIN fexc=1MHz Iexc=180mA
D 10 8 6 4
C
2
A 0 -400
-300
-200
-100
0
E
100
200
-2 -4 -6
300
400
B [uT] 1- initial curve after -6mT shock I after +6mT shock
-8
after -6mT shock II
-10
B -12
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
64
Uout [mV]
Hysteresis and perming of the sensor with double-sided core waveform - SIN fexc=1MHz Iexc=200mAp-p
Z 8
3
X -500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
-2
-7
400
500
B [µT]
1- initial curve after -6mT shock (first)
Y
-12
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
65
Present limitation of microfluxgate: 80 nT p-p noise
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
66
Resonance sensors • Proton magnetometer (NMR – Nuclear Magnetic Resonance) • Overhauser • Optically pumped – Cesium All resonance magnetometers are scalar
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
67
Proton magnetometer • based on precession frequency of proton ω = γB 42 MHz/T ... 42 mHz/nT • usually free precession after polarization switched off • absolut precission • sensitive to gradient and EMC • slow (1 sec) • requires 10 ml to 500 ml volume – difficult miniaturization
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
68
Overhauser magnetometer Variation of proton magnetometer Based on dynamic nuclear polarization: from electrons to protons 0.1 nT resolution 0.5 nT absolute accuracy Resistant to field gradients and EMC
source: GEM 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
69
Optically pumped magnetometers • Cesium, Potassium, Helium • Based on ESR (electron spin resonance) or Zeeman splitting • highest resolution: 7Hz/nT • Requires lamp + RF source
source: GEM
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
70
Optically pumped magnetometers
Potassium (GEM) • •
0.2 nT absolute accuracy 7 pT resolutin @ 10 Hz sampling
Cesium (Geometrics) •
1 nT heading error
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
71
Precise fluxgate magnetometers
O.V.Nielsen, J.R.Petersen, F.Primdahl, P.Brauer, B.Hernando, A.Fernandez, J.M.G.Merayo, P.Ripka: Development, construction and analysis of the 'Orsted' fluxgate magnetometer Meas. Sci. Technol. 6 (1995), 1099-1115. P. Ripka, F. Primdahl, O.V. Nielsen, J.R. Petersen, A.Ranta: AC magnetic field measurement using the fluxgate, Sensors and Actuators A, 46-47 (1995), pp. 307-311 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
72
Testing and calibration • • • •
Precise coil systems + current sources Shieldings Non-magnetic thermostats Large non-magnetic facilities
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
73
Shieldings and calibration coils
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
74
Resources • www.nve.com (GMR) • www.Sentron.ch (vertical Hall) •
www.ssec.honeywell.com/magnetic/ (AMR)
• www. Micronas.com (Hall) • www.Infineon.com (Siemens: Hall, GMR) •
www.semiconductors.Philips.com/automotive/sensors_discretes (AMR)
• www.Geometrics.com (resonant magnetometers) • measure.feld.cvut.cz/groups/maglab (fluxgate) • P. Ripka (ed.): Magnetic sensors and Magnetometers Artech, 2001,www.artechouse.com • Tumanski S, Thin film magnetoresistive sensors, IOP (2001) ISBN 075030702 • Popovic, R.S., Hall Effect Devices, Bristol: Adam Hilger, 1991. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
75
OSTATNÍ APLIKACE
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
76
Applications: Metal detectors
Finding small objects: mines, coins, golden nuggets.. portable instruments… similar to NDT Finding large and deep objects: scanning, sensor fields … -> geophysical methods, image analysis, recognition 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
77
Testing fields of European Comission in Ispra, Italy
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
78
Gauss laboratory, Ispra
Sensor footprint 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
79
ERW – explosive remnants of war • Mines and Booby traps – AP pressure mines – Tripwire activated AP mines – AT mines – often protected by AP • Active magnetic methods (AC metal detectors) – eddy currents • GPR • Sniffing of explosive
• Small UXO (unexploded ordnance): projectiles, sub-munition, … • Deeply burried ERW – mainly bombs • Active AC magnetic methods • Passive magnetic methods: DC magnetometers – up to 5 m 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
80
PMN antipersonnel mine
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
81
Small fragmentation bomb (sub-munition)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
82
Humanitarian demining • HD: all explosive items must be removed or destroyed to a recorded depth. • military demining: under time pressure, small losses acceptable
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
83
Metal detectors: working principles • Pulsed induction – – – – –
Ebinger 420GC Guartel MD8 Minelab F1A4 and F3 Schiebel AN19 (PSS12) Vallon 1620 and VMH2.
• Continuous wave – CEIA MIL D1 – Foerster Minex 2FD – Ebinger 420SC
• (DC)Magnetometers: fluxgate, Cesium 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
84
Pulsed induction detectors 1-coil-systems, measurements in TD 10-5s - 10-3s.
370 μs pulse width 225 Hz repetition freq. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
85
Ground compensation
soil signal decays after 20 μs Advanced methods: processing multiple samples and/or using excitation pulses of different lengths. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
86
Continuous wave detector
2 or 3 coils: compensation of the primary field with differencial receiver-coils or bucking coils Förster Minex 2FD 4500
Sorce: Jörn Lange, Institute for Geophysics & Meteorology, Cologne
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
87
Basic principle Transmitter (0)
M02
V2 Receiver (2)
I0
M01
R
M12
L
Target (2)
I1
M 01 R − j ωL I 1 = − jω I 0 = − jωM 01 2 I 2 2 0 R + j ωL R +ω L
R − jωL V2 (ω ) = − jωM 12 I1 = ω M 12 M 01 2 I 2 2 0 R +ω L 2
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
88
Basic principle V2 (ω ) = − jωM 12 I 1 = ω M 12 M 01 2
R − j ωL I 2 2 2 0 R +ω L
Response function
F = V2 (ω ) / ω = ωM 12 M 01
ωL
Where
α=
and
α = σµωa 2
R
jα R − j ωL I = β 2 2 2 0 R +ω L 1 + jα
is response parameter for “first order object”
for metal sphere of diameter a
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
89
Response function
ideal response
12” shell Chilaka 2004
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
90
If the receiver is set up to reject signals of a certain phase the soil signal in this case will be ignored. Even better ground compensation can be achieved by using two or more frequencies. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
91
Continuous wave detector 2 400 Hz + 19 200 Hz.
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
92
Magnetic and conductive soils Many places Susceptibility 10-6 to 10-3 … ferrites and other Conductivity .. Salt water “Difficult soils” Bosnia, Laos, … Frequency dependent susceptibility - mainly due to superparamagnetic nanoparticles 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
93
Soil characterisation in time domain
0.1 0.0001
0.00001
PK2
0.01
1/x
0.001
1.5
1/x
1.1
1/x
0.0001
Neel theory of superparamagnetic isolated particles: 1/t time response
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
94
Soil characterisation in frequency domain
k [10e-5 SI]
PJ1 250
200
150 100 mA
100
Bartington
50
0 0.1
1
10
100
1000 f [kHz]
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
95
Frequency-domain versus time-domain
• Time-domain detectors always use pulsed field excitation. • Frequency-domain detectors: usually continuous wave fields
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
96
Static and dynamic modes ‘dynamic mode’ detectors: the alarm turns off after a few seconds • can help when working in the presence of constant background disturbance, such as alongside a metal rail or fence or when attempting to locate a small AP mine in the vicinity of a large metal-cased AT mine. • Requires experienced operator • Dynamic: Guartel MD8, Minelab F1A4 and Vallon detectors • Selectable Static-dynamic: Ebinger 421GC
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
97
Single versus double-D (differential, gradient) receive coils can also be used beside rails and metal fences
CEIA MIL D1 Foerster Minex 2FD Guartel MD8 detectors. 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
98
Size of the coil • Small objects – small coil • Deep objects – large coil Typical diameters: Demining detector: 20 cm UXO detector: 1 m 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
99
Large-loop detector
Ebinger UPEX 740 M Geonix EM61 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
100
CEIA UXO detector
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
101
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
102
Finding large and/or deep objects • AC methods: require artificial source: big coils, 100 A sensing coils: up to 10 kg
Can detect conducting objects • DC methods: use Earth’s field Can detect only ferromagnetic objects
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
103
DC methods UXO location – 155 mm projectile 1.5 m deep ... 10 to 50 nT – bomb 6 m deep ... 1 to 5 nT 1 nT in 50 000 nT ~ 20 ppm
Vectorial sensors: angular stability 0.001 deg ~ 0.35 nT 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
104
DC Magnetometers Vectorial: • Fluxgate – Ebinger Magnex – Foerster Ferex – Schiebel Dimads (3-axis)
Scalar: • Optically pumped: Cesium vapour • Proton, Overhauser 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
105
Why fluxgate and not Hall, AMR, GMR, SDT, GMI.. Classical fluxgates: big and expensive (CTU Prague)
Fluxgates: most precise magnetic sensors Based on non-linear magnetization characteristics of ferromagnetic core. Measure up to 1 mT with 100 pT resolution (10 pT) 10 ppm linearity
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
106
Ebinger Magnex
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
107
Gradiometer suppresses interferences t [hod] 0
1
2
3
4
5
6
20 nT B1
B2
20 nT/m
Grad
16.2.1999
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
108
Foerster Ferex
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
109
Work nice in Europe, problems in Singapore
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
110
Fluxgate object locator DIMADS Schiebel Austria, sensors from Czech Technical University
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
111
Geometrics Cesium magnetometer
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
112
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
113
Geometrics Multi-Sensor Towed Array Detection System (MTADS 8 Cesium magnetometers (3) modified Geonics EM-61 time domain electromagnetic (TDEM) sensors
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
114
Other explosive remnants of war detection methods • • • • • •
Ground-penetrating radar (GPR) Electrical impedance tomography X-ray backscatter detection Infrared and multi-spectral detection Acoustic detection Detecting explosives
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
115
Explosive detecting dogs (EDDs) A: to run dogs over the suspect area, B: to take air sample filters in a suspect area and present the filters to dogs later. Also rats and insects (bees, vasps)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
116
Ground-penetrating radar (GPR) – dielectric contrast necessary (not plastic mines in dry sand) – short-wavelength radar waves needed to find small mines (over 800 MHz frequency) do not penetrate wet soil very well. – Good for metal objects New mine detectors: Eddy currents + GPR
Primary: Detect small metal objects
To reduce the response to clutter
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
117
GPR imaging system
Noggin 1000 (Sensors and Software Inc.
http://www.sensoft.ca)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
118
Dual technology detectors
AN/PSS-14 : dual technology, audio output CyTerra Corp. (radar part) http://www.cyterra.com and MineLab (metal detector part) Also Vallon VMR-1 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
119
APPLICATIONS
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
120
Applications II • Detection and recognition of vehicles (incl. submersible)
• Detection frames and other sensors for border security • Magnetic labels and anti-theft system • Navigation systems • Magnetic tracking • Distance measurement • Distributed sensors and sensor areas 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
121
Detection and recognition of vehicles Vehicles can be identified usig magnetic signature The same technology is used for detection of ferromagnetic bodies
Magnetic field of Skoda car measured by 3-axis CTU fluxgate under the road surface 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
122
Detection frames and other sensors for border security
Eddy-current technollogy – multi-pulse Multi-zone Ceia, Vallon, …
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
123
Magnetic labels and anti-theft system
Sensormatic/ Tyco Fire & Security
Magnetoelastic labels www.vacuumschmelze.de
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
124
Aplication: Compass
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
125
Fluxgate compass: 0.05 deg accuracy
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
126
Micro-fluxgate sensors (in development) • flat coils • electrodeposited core or amorphous strips • electronics on chip • cheap • resolution still higher than MR
Shizuoka University 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
127
AMR Compass: Honeywell Magnetic compass + inclinometers
X (forward) Bx
Hnorth
α
Y
= backup for GPS
(right)
By
Hearth
Bz Z (down) α = Azimuth or Heading
x
φ
pitch
Com
pas s
Forward Level
y z
θ Right roll
Level
Honeywell 3-axis AMR magnetometer with digital output
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
128
AMR Compass: Our experimental system
AMR modules with HMC100X, HMC102X, KMZ51
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
129
AMR compass system
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
130
AMR compass system
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
131
Obstacles in compass application • • • •
Crossfield sensitivity Orthogonality of XYZ sensors Horizontality (knowledge of tilt) Angular deviations: g sensors B sensors reference directions
• Offset, perming, temperature drifts of sensors
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
132
Crossfield error - simulation Azimuth Error due to CrossAxis
Azimuth Error (deg)
3
a .B V= BS + BC
2 1 0 -1 0
90
180
270
360
-2 -3 Azimuth (deg)
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
133
Crossfield error: possible solutions • Feedback compensation – power consumption – limited bandwidth – precision?
• Numerical corrections – is the formula precise? – how precisely we know Bs?
a .B V= BS + BC
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
134
Azimuth residual error (deg)
Crossfield error after numerical correction effect of bad estimate of Bs (model) 0,15
V=
0,1
a .B BS + BC
0,64 0,72 0,76 0,88
0,05 0 0
90
180
270
360
-0,05 Azimuth (deg) -0,1 -0,15
HMC 1002
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
135
Error due to non-orthogonality
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
136
Error due to non-horizontality Synth. Data: Mag Pitch 0 Roll 0..5 not corrected 15
Pitch 0 Roll 0 Pitch 0 Roll 1 Pitch 0 Roll 2 Pitch 0 Roll 5
Azimuth Diff [deg]
10 5 0 0
45
90
135
180
225
270
315
360
-5 -10 -15 Azimuth Ref [deg]
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
137
Angular deviations
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
138
A: rotation in roll … accelerometers Gx before and after correction (rotation in roll)
-36
0
5
10
15
Gx[mg]
-38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 sample (roll)
Gx before correction Gx after correction
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
139
A: rotation in roll … magnetic sensors
Azimuth [°]
Azimuth before and after correction (rotation in roll) 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 0
5
10 sample (roll)
Azimuth before correction 15 20 Azimuth after correction
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
140
Total error
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
141
Total error
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
142
Magnetic tracking – moving sensors
Translation Range : 3 m x 3 m Static Accuracy Position: 1.5 cm RMS Static Accuracy Orientation: 1.0° RMS
/www.ascension-tech.com/
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
143
Magnetic tracking – moving marker
Hashi et al, 2004) 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
144
Magnetic tracking – moving marker
Hashi et al, 2004) 25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
145
Dipole source
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
146
Distance measurement
Distance - Induced Voltage 160 140
Uind [microV]
120 100 80 60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Distance [cm]
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
147
Distance measurement in vivo
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
148
References • P. Ripka (ed.): Magnetic sensors and Magnetometers Artech, 2001,www.artechouse.com • Guelle, D., Smith, A., Lewis, A., and T. Bloodworth (2003): Metal Detector Handbook for Humanitarian Demining European Communities 2003, ISBN 92-894-6236-1Fulltext available at http://serac.jrc.it/publications/pdf/metal_detector_handbook.pdf • J. Dirscherl, C. Bruschini: Metal Detectors Catalogue 2005 Geneva International Centre for Humanitarian Demining, ISBN 2-88487-009-1 Available at www.gichd.ch
25.6.2010
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
149