ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ МАГНИТОМЕТР НА ЭЛЕМЕНТЕ ХОЛЛА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявленная полезная модель относится к устройствам, предназначенным для измерения направления и величины магнитных полей с применением эффекта Холла, в частности к магнитометрам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из существующего уровня техники известен датчик магнитного поля, основанный на использовании эффекта Холла (патент RU 2262777 C1 «Датчик магнитного поля», Г. Карлова, H01L 43/06 (2001.01), 27.05.2004). Недостатком данного устройства является отсутствие возможности получать точные и стабильные данные при использовании устройства, в том числе при лабораторных исследованиях.
Также известно устройство для локальной магнитометрии, содержащее сенсорный узел, реализованный на использовании эффекта Холла, содержащий подложку и помещенную на нее токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки (патент RU 2321013 C1 «Датчик Холла для локальной магнитометрии», В. Левашов, G01R 33/24 (2006.01), 25.07.2006). Недостатком данного устройства является отсутствие возможности получать точные и стабильные данные при использовании устройства, в том числе при лабораторных исследованиях.
Также из уровня техники известен магнитометр в слуховом аппарате для измерения магнитного поля. Прибор представляет собой высокочувствительный трехосный магнитометр, который обнаруживает магнитное поле в трех ортогонально ориентированных направлениях (патентная заявка ЕР 2925021; MESFINYEZIHALEM [US]; SACHAMICHAELKARL [US]; H04R 25/00; 27.03.2014). Недостатком данного устройства является отсутствие возможности получать точные и стабильные данные при использовании устройства, а также отсутствие невозможности использования при лабораторных исследованиях.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в создании нового, универсального устройства, позволяющего синхронно измерять величину и направление магнитного поля в пространстве, с получением более точных и стабильных данных при использовании устройства, в том числе при лабораторных исследованиях.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в том, что конструкция магнитометра позволяет проводить синхронное измерение величины и направления магнитного поля в пространстве и получать данные с большой точностью, снижая уровень искажений и помех, которые могут быть вызваны рассинхронизацией датчиков, а также электромагнитными полями, исходящими от компонентов магнитометра и его корпуса в частности.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается трехкомпонентный магнитометр на элементе Холла, содержащий корпус, печатную плату, установленную в корпусе, содержащую блок усиления сигналов, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, блок приема/передачи данных, блок питания, три датчика Холла, размещенных в ортогональных осях на пластине размещения и подключенных к печатной плате кабельным соединением.
Кроме того, корпус может содержать щуп, на концевом участке которого установлена пластина размещения, с зафиксированными на ней тремя датчиками Холла в ортогональных осях, подключенных к печатной плате кабельным соединением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель поясняется чертежами. Чертежи представлены в объеме, достаточном для понимания полезной модели специалистами, и ни в какой мере не ограничивают объема полезной модели. На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
На Фиг. 1 показана схема основных элементов магнитометра.
На Фиг. 2 показан магнитометр в сборе со щупом.
ОПИСАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Как показано на Фиг. 1 трехкомпонентный магнитометр на элементе Холла содержит корпус 1, который выполнен из диэлектрического материала, которым в предпочтительном варианте осуществления является пластмасса, но при необходимости корпус может быть выполнен из любого другого полимерного вещества или вещества плохо или совсем непроводящего электрический ток.
Как следует из Фиг. 1 в корпусе установлена печатная плата 2, которая служит для размещения основных компонентов, обеспечивающих работу магнитометра.
На печатной плате 2, как показано на Фиг. 1, размещен блок усиления сигналов 3, служащий для усиления сигналов датчиков Холла 4.
При этом датчики Холла соединены с печатной платой посредством кабельного соединения 5. Подобное соединение позволяет помещать датчики Холла 4 в магнитное поле отдельно от корпуса, что в свою очередь обеспечивает стабильность получения данных со сниженными искажениями и помехами, что обеспечивает более точные данные о величине и направлении магнитного поля в пространстве.
Кроме того, на печатной плате 2 размещен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 6 для преобразования сигналов с датчиков Холла 4 в цифровой вид, с последующей передачей их на микроконтроллер 7.
Микроконтроллер 7 производит обработку данных, полученных от датчиков Холла 4, преобразованных аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) 6. А именно микроконтроллер 7 осуществляет перевод значения из шкалы напряжения в шкалу магнитной индукции.
Как показано на Фиг. 1 на печатной плате 2 размещен блок приема/передачи данных 8 с микроконтроллера 7. В качестве блока приема/передачи данных может использоваться любое элемент проводного или беспроводного приема передачи данных, в предпочтительном варианте осуществления в качестве блока приема/передачи данных 8 используется USB разъем. Блок приема/передачи данных 8 позволяет передавать данные с микроконтроллера 7 на любое доступное терминальное устройство, а также производить калибровку элементов магнитометра.
Как показано на Фиг. 1 на печатной плате размещен блок питания 9, который обеспечивает питание магнитометра. В качестве блока питания 9 может быть использован разъем для сетевого кабеля питания или аккумуляторная батарея. В случае использования в качестве блока питания 9 аккумуляторной батареи, блок приема/передачи данных 8, который представляет собой USB разъем, может обеспечивать передачу энергии на блок питания 9 от внешнего источника питания, тем самым обеспечивая подзарядку аккумуляторной батареи служащей в качестве блока питании 9 магнитометра. Использование аккумуляторной батареи в качестве блока питания 9, снижает вероятность искажение получаемых магнитометром данных, которые могут быть вызваны потерями электрического тока на стыке кабеля питания с разъемом питания.
Как показано на Фиг. 1 датчики Холла 4 размещены на пластине размещения 10, которая позволяет размещать датчики Холла 4 в ортогональных осях. Подобное размещение датчиков Холла 4 позволяет синхронно измерять величину и направление магнитного поля в пространстве с получением более полных, стабильных и точных данных. Установочная пластина 10 выполняется из полимерного материала.
Как показано на Фиг. 2 корпус 1 магнитометра может дополнительно содержать щуп 11, который выполнен из аналогичного с корпусом 1 материала. Наличие щупа 11 у корпуса 1 позволяет размещать на нем установочную пластину 11 с размещенными на ней датчиками Холла 4. Более того, наличие щупа 11 у корпуса 1 позволяет помещать датчики Холла 4 в магнитное поле, избегая касания пользователем установочной пластины 10 и датчиков Холла 4, что снижает риск возникновения помех в работе датчиков Холла 4. При необходимости щуп 11 может быть выполнен в виде телескопической трубки, на концевом участке которого установлена пластина размещения 10 с датчиками Холла 4.
Далее будет описан пример работы полезной модели.
Датчики Холла 4, расположенные на установочной пластине 10, соединенные с печатной платой 2 кабельным соединением 5, помещаются в магнитное поле. Сигнал с датчиков Холла 4, прошедший через блок усиления сигналов 3, преобразованный в цифровой вид на АЦП 6, попадает на микроконтроллер 7, который осуществляет перевод значения из шкалы напряжения в шкалу магнитной индукции. После чего данные выводятся через блок приема/передачи данных 8 на терминальное устройство.
Для расчета чувствительности датчика и установления коэффициента линейной зависимости величины ЭДС Холла от индукции магнитного поля датчик Холла калибруют по эталонному значению индукции магнитного поля.
В общем случае чувствительность  определяется экспериментально по эталонному значению поля. Для датчиков промышленного производства она указывается в паспорте.
Перевод из шкалы напряжения в шкалу магнитной индукции выполняется делением напряжения на датчике на его чувствительность:
где U - значение напряжения на одном из осевых датчиков, В - индукция магнитного поля на одном из осевых датчиков, S - чувствительность датчика.
Вычисленные значения проекций вектора магнитной индукции в графическом виде выводятся на дисплей и могут быть переданы по USB.
Тем самым обеспечивается стабильность и воспроизводимость данных, получаемых датчиками, определение направления и величины магнитной индукции сразу в трех ортогональных осях декартовой системы координат, что может использоваться при проведении лабораторных работ при изучении магнитного поля, для построения силовых линий магнитного поля.