Индикатор положения Севера.

Постановка задачи:

Проектируемое устройство должно с максимальной точностью определять положение северного магнитного полюса Земли и по нахождении верного направления давать сигнал в виде индикации (например, светодиода). В устройстве будет учитываться только горизонтальная составляющая направления, т.е. прибор должен быть расположен перпендикулярно к оси гравитации. Прибор будет основан на высокочувствительном датчике магнитного поля (т.к. поле Земли достаточно слабо). Посторонние поля и помехи в расчете учитываться не будут.

Структурная схема:

Первичный преобразователь (датчик) даст зависимость поле/напряжение. В виду малого поля Земли это будут небольшие значения напряжения, которые затем будут усиливаться с помощью операционного усилителя. Прибор основан на принципе сравнения текущего состояния поля с пиковым состоянием за определенный промежуток времени. Оператор совершает оборот вокруг своей оси, максимальный сигнал за полный оборот будет соответствовать максимуму поля, т.е. Северу. Амплитудный детектор позволит сохранять значение максимума напряжения, а компаратор сравнит это пиковое напряжение с текущим напряжением на усилителе. Если напряжение на усилителе станет меньше напряжения на амплитудном детекторе, значит, в этой точке расположен максимум поля. Загорится сигнал – положение Севера определено. Но такой способ определения положения Севера не всегда будет работать. (См. график на следующей странице)

Зависимость напряжения на выходе усилителя сигнала от времени (При вращении устройства вокруг своей оси.)

N

U1 – локальный максимум поля

U2 – истинный максимум поля

T1 – Начало измерения

T2 – момент второго срабатывания компаратора и, соотв., определения положения Севера

Примерный вид зависимости напряжения ( магнитного поля) от времени. Время определяется скоростью вращения оператора вокруг своей оси. Соответственно, если в начальный момент времени, когда оператор не знает, где расположен Север, он расположил устройство чувствительной осью в Западном направлении и двинулся против часовой стрелки, поле станет убывать, дойдя до минимума (Юг), а затем вновь возрастать, пока не достигнет максимального значения(Север). В начальной точке измерений был локальный максимум поля, однако он не соответствовал положению Севера. Чтобы устранить эту методическую ошибку измерения, в схему добавлен счетчик до 2-х (на основе Т-триггера). Это позволит проигнорировать первое срабатывание компаратора.

Также следует отметить, что для сброса амплитудного детектора необходимо добавить в схему ключ, ускоряющий разряд конденсатора в блоке детектора. Ключ должен быть выполнен, как кнопка RESET на корпусе устройства.

Выбор элементов схемы:

1 ) Датчик. В результате анализа выпускаемых измерителей и датчиков магнитного поля за основу данного индикатора был взят одноосевой магниторезистивный чувствительный датчик магнитного поля HMC1001 фирмы Honeywell.

• Диапазон измеряемых полей Гаусса. (Магнитное поле Земли Гаусса)

• Высокая чувствительность -

• Низкая погрешность измерения поля (см. таблицу характеристик датчика)

• Практически линейная зависимость мВ/Гаусс

Д ля питания датчика рекомендовано однополярное напряжение в 5В, Выходное сопротивление (сопротивление резистивного моста) лежит в диапазоне от 600 до 1200 Ом в зависимости от величины магнитного поля.

Поле Земли Гаусса. показания датчика по направлению к Северу

_{Примечание. При однополярном питании может быть в два раза больше.}

Примечание 2. Без учета постоянных полей смещения и намагниченности магниторезистивного слоя.

Стоимость датчика составляет примерно 450 рублей.

2) Дифференциальный усилитель на оу

В ыходное напряжение с датчика подается как разность потенциалов на двух выводах. Нам необходимо усилить разность этих напряжений для дальнейших преобразований.

Из документации к датчикам Honeywell - Рекомендуемый коэффициент усиления = 100

Без учета конденсатора в ОС:

Для R3=R6 и R5=R4 формула будет выглядеть следующим образом:

Возьмем R3=R6=100КОм, а R4=R5=1КОм (1% С2-23 стоимость 8 рублей)

Чтобы уменьшить влияние помех, следует в цепь обратной связи усилителя добавить конденсатор. Таким образом, получится ФНЧ 1-го порядка.

Частота, на которой коэффициент усиления станет меньше в раз, будет выражаться формулой :

, (без учета конденсатора в цепи ООС)

(с ФНЧ) Следует подобрать емкость и сопротивления так, чтобы коэффициент усиления был равен 100, а колебания выше частоты среза (например, 100 Гц) не усиливались.

Так, для емкости конденсатора 47нФ (x7r 10% стоимость 6рублей) и R3=100КОм .

Тогда (на частоте 1 Гц)

Тогда при предположительно низкой частоте сигнала с датчика (в силу небольшой скорости вращения оператора вокруг своей оси) конденсатор не внесет значительной погрешности в расчет дифференциального усилителя. Коэффициент усиления допустимо принять равным 100.