Применение соотношений взаимности в пассивной диагностике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Перченко, Сергей Владимирович

• Перченко, Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Перченко, Сергей Владимирович

Содержание

Содержание

Введение

1 Пассивная магнитная диагностика

1.1 Магнитные методы микроструктурного анализа

1.2 Прямая задача магнитостатики

1.3 Обратная задача магнитостатики

1.4. Решение обратных задач методом распознавания образов

1.5 Основные результаты и выводы

2 Соотношения взаимности и эффект Холла

2.1 Соотношения взаимности для линейных и нелинейных систем

2.2 Гальваномагнитные эффекты

2.3 Основные характеристики преобразователей Холла

2.4 Применение линейных соотношений взаимности в магнитных измерениях

2.5 Прецизионное измерение предельно малых напряжений

2.6 Постановка задачи и выбор методов и средств исследования

3 Исследование гальваномагнитных процессов методом взаимности

3.1 Соотношения взаимности для нелинейного преобразователя Холла

3.2 Соотношения взаимности для нелинейной плазмоподобной среды в самосогласованном приближении

3.3 Соотношения взаимности для нелинейного магнитоактивного элемента

3.4 Метод динамической компенсации в прецизионных измерениях

3.5 Аппаратно-программный комплекс для исследования гальваномагнитных преобразователей

3.6 Экспериментальная проверка нелинейных соотношений взаимности

3.7 Основные результаты и выводы

4 Анализ намагниченности

4.1 Параметризация обратной магнитостатической задачи

4.2 Магнитный томограф

4.3 Анализ намагниченности стальных канатов

4.4 Основные результаты и выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А. Цифровой нановольтметр

Приложение Б. Измеритель вольтамперных характеристик

Приложение В. Формирователь поля и температуры

Приложение Г. Интерфейсная программа HallMeasurer

Приложение Д. Магнитный томограф

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение соотношений взаимности в пассивной диагностике»

Введение

Разработка научных основ пассивной диагностики, основанной на современных методах решения обратных задач, является одной из актуальных задач современной радиофизики. Актуальность этой темы заключается в том, что на территории России находится 50 тыс. опасных и почти 5 тыс. особо опасных объектов, включая водохранилища, мосты, электростанции, предприятия [1]. Мировой опыт свидетельствует, что надлежащий уровень безопасности может быть обеспечен только непрерывным мониторингом технического состояния критических объектов [2], который может быть осуществлен методами магнитной пассивной диагностики.

Основной проблемой в достижении необходимых метрологических характеристик метода магнитной диагностики является необходимость одновременного измерения с высокой точностью магнитного поля в нескольких близко расположенных точках и обработки в режиме реального времени большого потока данных при сканировании по поверхности объекта диагностики с последующим решением обратной задачи [3]. Учет нелинейных процессов и соотношений взаимности при разработке новых, или при применении готовых первичных преобразователей магнитного поля позволяет улучшить их метрологические характеристики.

Цель диссертационной работы: Разработка научных основ пассивной магнитной дистанционной диагностики техносферы (цилиндрических объектов), основанных на современных методах решения обратных задач, изучение нелинейных гальваномагнитных процессов в плазмоподобных средах, создание систем дистанционного мониторинга магнитосферы.

Решаемые задачи

1. Анализ соотношений взаимности для нелинейных плазмоподобных сред.

2. Исследование гальваномагнитных явлений в слабых магнитных полях.

3. Измерения предельно малых постоянных напряжений и магнитных полей.

4. Экспериментальная проверка соотношений взаимности для нелинейных магнитоактивных элементов.

5. Обоснование связи микротопологии магнитного поля рассеяния вблизи поверхности слабо намагниченного ферромагнетика с его микроструктурой и намагниченностью.

6. Параметризация обратной магнитостатической задачи.

7. Анализ намагниченности ферромагнитных образцов в геомагнитном поле.

Научная новизна

1. Впервые получены соотношения взаимности для нелинейной плазмоподобной среды и нелинейного магнитоактивного элемента.

2. Предложен новый метод динамической компенсации дополнительных погрешностей.

3. Впервые получены интегральные соотношения однозначной связи микротопологии магнитного поля рассеяния ферромагнетика с его микроструктурой и намагниченностью при слабом намагничивании.

4. Получены физически обоснованные условия решения обратной задачи магнитостатики для цилиндрических ферромагнитных объектов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Соотношения взаимности для нелинейной плазмоподобной среды и нелинейного магнитоактивного элемента.

2. Способ уменьшения дополнительных погрешностей в радиофизических измерениях.

3. Методика определения и оптимизации метрологических характеристик преобразователей Холла.

4. Пассивный метод магнитной дистанционной диагностики, позволяющий разрешать структурные неоднородности с характерным размером более 15 мкм, свободный от влияния магнитной предыстории.

Научно-практическое значение работы

1. Использование соотношений взаимности для нелинейного магнитоактивного элемента в холловском магнитометре позволяют повысить его точность до уровня, необходимого для задач магнитного микроструктурного анализа.

2. Разработанный метод динамической компенсации дополнительных погрешностей позволяет повысить чувствительность радиофизических измерений до уровня, необходимого для решения обратных задач.

3. Разработанный аппаратно-программный комплекс для измерения характеристик гальваномагнитных преобразователей может быть использован для изучения гальваномагнитных процессов в плазмоподобных средах.

4. Разработанный микромагнитный метод анализа параметров микроструктуры, основанный на современных методах решения обратных задач, создает научную основу для производства автоматизированного магнитометрического комплекса технической диагностики.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Работа содержит 154 страницы, из которых 123 занимает основной текст. Первый раздел посвящен описанию методов пассивной магнитной диагностики, прямой и обратной задач магнитостатики и основных проблем, возникающих при решении обратных задач. Во втором разделе приведены соотношения взаимности для линейных и нелинейных систем, и описана возможность их применения при прецизионном измерении магнитного поля гальваномагнитным преобразователем. В третьем разделе описаны соотношения взаимности для нелинейной плазмоподобной среды, метод компенсации дополнительной погрешности в прецизионных измерениях, аппаратно-программный комплекс для исследования гальваномагнитных явлений и произведенная с его помощью

экспериментальная проверка соотношений взаимности для нелинейного преобразователя Холла. В четвертом разделе описаны параметризация обратной магнитостатической задачи для случая цилиндрических объектов диагностики, магнитный томограф и результаты пассивной диагностики стального каната, полученные с его помощью. В заключении сформулированы основные результаты работы, список литературы содержит 101 наименование.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на XII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2007), XIII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2008), XIV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2009), конкурсе научных работ аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности» (Санкт-Петербург, 2009), XVI Всероссийской научной конференции студетов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, Волгоград, 2010), Российско-тайваньском симпозиуме "Физика и механика новых материалов и их применение" (Ростов-на-Дону, 2012), часть результатов получено рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (проекты № П2522, № 14.740.11.0830, № 14.В37.21.0284, № 14.В37.21.0736), в рамках гранта РФФИ 10-07-9713 р_а, в рамках НИОКР ГК № 8959р/14124.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах и 1 патенте на изобретение [А1-А12], из них 7 статей [А1-А7], включая 5 статей в рецензируемых изданиях перечня ВАК [А1-А5], рекомендованных для публикации материалов диссертации, 4 тезиса конференций [А9-А12].

1 Пассивная магнитная диагностика

Известно, что механические свойства сталей, обеспечивающих надежность и безопасность инженерных конструкций, обусловлены их микроструктурой [4]. Несмотря на различную методику получения разных типов сталей и изделий, многообразие их свойств может быть описано различием микроструктуры, поэтому и диагностика металлоконструкций выполняется методами микроструктурного анализа.

Методом прямого контроля в современной диагностике является прямое наблюдение в оптический или электронно-силовой микроскоп микросреза материала [5]. При этом удается обнаружить расположение границ доменов и достаточно точно определить не только тип стали, но и характер воздействий, которому она подвергалась [6]. Однако этот метод является лабораторным, приводит к разрушению изделия и непригоден для мониторинга технического состояния инженерных сооружений. Существуют методы косвенного контроля, большую группу которых составляют магнитные методы.

1.1 Магнитные методы микроструктурного анализа

Магнитные методы микроструктурного анализа основаны на регистрации взаимодействия магнитного поля с изучаемым объектом [7]. Как правило, они применяются для контроля объектов из ферромагнитных материалов. Микроструктурный анализ основан на выявлении различными способами магнитных полей рассеяния, возникающих над нарушениями микроструктуры, и на определение магнитных свойств объекта диагностики [8,9].

Магнитные методы применяют для измерения толщины неферромагнитного покрытия на ферромагнитном основании; для пассивной диагностики поверхностных и подповерхностных участков ферромагнитных материалов, для получения информации о магнитной проницаемости и ее изменении в зависимости от напряженности магнитного поля. В общем

случае при намагничивании объекта диагностики в области нарушения микроструктуры возникают пространственные аномалии напряженности магнитного поля. Появляются поля рассеяния. Изменение напряженности магнитного поля, точнее градиента напряженности, используют как первичный информационный параметр микроструктурного анализа.

Исторически первым методом магнитного микроструктурного анализа была магнитопорошковая дефектоскопия, основанная на выявлении магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами в детали при ее намагничивании, с использованием в качестве индикатора ферромагнитного порошка или магнитной суспензии [10]. Этот метод основан на притяжении частиц магнитного порошка в местах выхода на поверхность контролируемого объекта магнитного потока, и обладает высокой чувствительностью, универсальностью и относительно низкой трудоемкостью контроля. Магнитографический метод основан на регистрации магнитных полей рассеяния, образующихся над структурной особенностью, с помощью магнитной ленты.

Электромагнитный вид анализа микроструктуры осуществляется в пассивной диагностике методом наведения и регистрации вихревых токов, которые несут информацию о состоянии поверхностного слоя объекта [И]. Индукционный метод предполагает использование приемной катушки индуктивности, перемещаемой относительно намагниченной детали, которая наводит в катушке магнитное поле, характеризующее микроструктуру детали [12 - 14]. Феррозондовый метод основан на преобразовании градиента или напряженности магнитного поля в электрический сигнал с помощью феррозондов - магниточувствительных элементов, состоящих чаще всего из двух частей - полузондов, изменяя коммутацию индикаторных обмоток которых можно измерить либо градиент, либо напряженность постоянного магнитного поля [15]. Пондеромоторный метод основан на измерении силы отрыва постоянного магнита или сердечника электромагнита от контролируемого объекта. Метод эффекта Холла основан на выявлении

магнитных полей преобразователями, использующими эффект Холла [16]. Магниторезисторный метод основан на выявлении магнитных полей магниторезистивными преобразователями, представляющими собой гальваномагнитный элемент, принцип работы которого основан на магниторезистивном эффекте Гаусса [12].

В зарубежной литературе известен ЗМА-метод (Микромагнитный микроструктурный многопараметрический метод анализа), который основывается на комплексном исследовании магнитных свойств материала: петли гистерезиса, шума размагничивания Бракгаузена и др [17], которые, однако, не всегда дают полное представление о микроструктуре материала. Связь микроструктуры с механическими и магнитными свойствами твердых тел в настоящее время теоретически обоснована для случая слабых магнитных полей, энергия которых может рассматриваться как возмущение для модельного гамильтониана в магнитоупорядоченных материалах [18]. Подобное обоснование для сильных магнитных полей, отвечающих насыщению ферромагнетика, пока не разработано, хотя большинство экспериментов магнитного анализа структуры проводятся в состоянии технического насыщения [19].

Математически приближение технического насыщения означает постоянную магнитную проницаемость и однородную намагниченность, что существенно упрощает решение соответствующих интегральных уравнений. Физически приближение технического насыщения в задачах пассивной диагностики означает, что энергия межзеренных границ, дислокаций и других структурных особенностей много меньше энергии магнитного поля в стали и может рассматриваться как малое возмущение. Это обстоятельство, с одной стороны, позволяет применить хорошо разработанные в квантовой механике методы теории возмущений, с другой - «замазывает» тонкие особенности структуры.

Феноменологическая связь между микроструктурой материала и его магнитными свойствами заключается во влиянии микроструктуры на

расположение спиновых моментов электронов - магнитных диполей. Наличие тех или иных элементов микроструктуры приводит к возникновению определенного расположения таких магнитных диполей, что в свою очередь приводит к возникновению того или иного магнитного поля. В участках явных дефектов структуры - трещин или пузырьков электроны просто отсутствуют, что сильно искажает картину магнитного поля вблизи таких мест [10]. Менее заметные изменения свойств материала, связанные с внутренними механическими напряжениями, накопленными в ходе изготовления материала или изделия из него, также влияют на распределение спиновых магнитных моментов.

В основе микроструктурной томографии лежит возможность математического реконструирования пространственного распределения той или иной характеристики вещества внутри объекта по влиянию этого вещества на физическое поле или излучение, пронизывающее объект и регистрируемое внешними датчиками. Томографический метод анализа магнитной микроструктуры заключается в решении обратной задачи магнитостатики при различных внешних условиях [20]. Дополнительная информация об исследуемом теле получается путем контролируемого изменения внешних параметров, таких как подмагничивающее поле [21].

Для проведения количественного анализа в пассивной диагностике [22] требуется установление однозначной связи ее с распределения магнитного поля вблизи исследуемого образца. Для этого требуется выбрать физическую модель. В общем случае она представляет собой магнитостатическую нелинейную задачу с разрывным изменением свойств материала на его границах.

1.2 Прямая задача магнитостатики

Прямая магнитостатическая задача формулируется в литературе различным образом. К примеру, в монографии [20] она понимается, как задача нахождения намагниченности тела М во внешнем поле Н0, если

известны форма тела, не зависящая от магнитного поля намагниченность М0 и тензор магнитной восприимчивости к. Однако в действительности такое определение величин намагниченности и тензора магнитной восприимчивости применимо только для тел, у которых магнитная восприимчивость не зависит от магнитного поля. Как известно, нелинейными и гистерезисными эффектами нельзя пренебрегать при решении задач магнитостатики для ферромагнетиков. Исследования показывают, что нелинейные свойства ферромагнитных материалов приводят к размыванию распределений магнитного поля дефектов микроструктуры материала [23].

Прямую задачу магнитостатики можно сформулировать как задачу нахождения магнитного поля в некоторой области пространства по известному значению намагниченности исследуемого образца. Основными уравнениями, рассматриваемыми в микроструктурном анализе, являются уравнения Максвелла для задачи магнитостатики:

гоШ = 0; (Ну В = 0.

Уравнения (1.1) позволяют ввести скалярный магнитный потенциал:

Н = -£ГЛс1ф .

При этом первое уравнение системы (1.1) выполнится автоматически, а второе уравнение с учетом связи между В, Н и намагниченностью М:

Н + М = —,

Но

примет следующий вид:

Аф = (1.2)

Уравнение (1.2) требует специальных граничных условий следующего

вида:

Ф1-Ф,;|^-|ММ1).-(М1).. (1.3)

дп1к дп1к

Здесь индексы к обозначают номера пространств, п,* - нормаль к поверхности их совместной границы [20].

Различные решения прямой задачи магнитостатики для линейного и нелинейного случая проанализированы в работах М.Л. Щура, Р.В. Загидулина и др. [24 - 26]. В работе [24] приводится уравнение для скалярного потенциала магнитного поля Н в случае нелинейности тензора магнитной восприимчивости:

Здесь нижний индекс у потенциала обозначает частную производную по соответствующей координате. Формула (1.4) приводится для двумерного случая. При этом зависимость ц(//) предполагается известной и является свойством материала. Описание (1.4) сложно при решении и требует знания эмпирической характеристики ц(Л), которая, сильно зависит от температуры, а так же от механических напряжений в материале [27].

Известные методы решения задач магнитной пассивной диагностики не позволяют, за исключением некоторых простых случаев, количественно оценить эти поля (и не всегда даже качественно), так как магнитные массы поляризационных зарядов - источников полей рассеяния - остаются не определёнными. Аналитические выражения для магнитных потенциалов или полей полученные из решения уравнений вида (1.2) или (1.4) для областей с простыми геометрическими формами могут использоваться в численных методах, когда пространство, занятое исследуемым объектом, разбивается на ряд «элементарных» объёмов, поля которых суммируются, а также служить тестовыми примерами при отладке более сложных компьютерных программ. При численных расчетах использование аналитических выражений позволяет уменьшить число элементов разбиения [19].

Для нелинейной среды, даже если известна из эксперимента или постулирована зависимость магнитной проницаемости от поля, не удается в явном виде выразить магнитное поле в окружающем пространстве через заданное распределение намагниченности тела. В этом случае часто используют итерационную процедуру [20]. Существующие интегральные

УУ

(1.4)

уравнения рассматриваются как уравнения для нахождения полей, обеспечивающих заданные намагниченности. По заданному на предыдущем шаге значению намагниченности вычисляется соответствующее ей поле, которое затем подставляется в материальное уравнение для вычисления намагниченности на следующем шаге. Итерационный процесс продолжается, пока значения намагниченности в расчетных точках внутри тела станут относительно мало меняться. Следует отметить, что сходимость этой процедуры, особенно в случае сложного материального уравнения, не поддается сколько-нибудь строгому обоснованию.

Попытку уточнить методики расчета магнитного поля вокруг ферромагнитных образцов была предпринята в работе [25]. Для этого в качестве искомой скалярной функции принимается проекция векторного потенциала магнитной индукции на координатную ось, вдоль которой магнитное поле не меняется. Приводится результат точности решения нелинейной магнитостатической задачи порядка 1/(1. Однако, несмотря на учет нелинейности магнитных характеристик, данный метод не описывает гистерезисного поведения ферромагнитных материалов.

Не меньшие проблемы, чем нелинейность материальных уравнений, представляет для прямой задачи магнитостатики и учет границ. Интегральные соотношения, связывающие напряженность магнитного поля в любой точке пространства с намагниченностями различных областей этого пространства, получены методами теории магнитного потенциала и предполагают задание нормальной производной этого потенциала на границах областей вида (1.3).

Поскольку эта величина сама является неизвестной, то приводимые в различных источниках формулы могут рассматриваться на практике лишь как более или менее полезное нулевое приближение. Так, расчет по полученным Р.И. Янусом общим решениям [9] может быть выполнен лишь приближенно через введение упрощающих предположений, связанных с условиями около границ дефекта. Если в очень сильном поле, когда тело

намагничено до технического насыщения практически однородно, а его магнитная проницаемость постоянна, эти приближения более-менее оправданы, то в слабых полях, например при намагничивании в поле Земли, они заведомо не выполняются [28].

Учет границ различных ферромагнитных тел обычно проводится методом зеркальных отражений, при этом даже в случае сравнительно простых поверхностей изделия и формы дефекта аналитические решения получаются в виде громоздких рядов спецфункций, мало пригодных для практического применения [29]. Так даже в случае технического насыщения, когда оправданы сделанные предположения, для довольно крупных открытых дефектов расхождение расчетных и экспериментальных результатов превышает 10%, что, впрочем, соответствует погрешности измерений. Следует отметить, что сходимость приводимых в различных источниках рядов никогда не исследуется, в результате аналитическое вычисление тензорных компонент поля рассеяния путем дифференцирования таких рядов может оказаться математически некорректным.

Проблема адекватности аналитических методов расчета полей детально проанализирована Г.А. Гринбергом [30], который особое внимание уделил сходимости соответствующих рядов. Причину возникающих сложностей Г.А. Гринберг связывал с несостоятельностью самого метода частных решений и предложил ряд его обобщений, которые позволяют получить решение конкретной задачи в различных формах, каждая из которых может иметь свою область наивыгоднейшего применения. При этом регулярные сообщения в различных научных журналах о разработке и использовании нового математического и программного обеспечения для решения задач магнитостатики свидетельствует, что эта область вычислительной электродинамики еще далека от своего логического завершения.

1.3 Обратная задача магнитостатики

Обратная задача магнитостатики в монографии [20] сформулирована как «Задача оценки формы тела или его электрических и магнитных характеристик, или того и другого одновременно по измеренному полю в некоторой ограниченной области пространства (как правило вне тела)». Форма тела при этом оценивается по распределению магнитной восприимчивости, а именно, тело имеется там, где восприимчивость отлична от нуля, то есть в общем случае задача сводится именно к определению магнитной восприимчивости. Если из теории или эксперимента известна связь магнитной восприимчивости с микроструктурой тела и механическими напряжениями в нем, по найденному распределению магнитной восприимчивости можно судить о наличии, форме, расположению и характеристиках дефектов и напряжений в нем, то есть решить основную задачу пассивной магнитной диагностики и магнитного микроструктурного анализа.

Обратные задачи сложны в большинстве случаев своей некорректностью [31] и неоднозначностью своего решения. Вместе с тем обратные задачи в теории потенциала имеют большое прикладное значение в гравитационной разведке, например при отыскании полезных ископаемых по аномалиям силы тяжести, и потому достаточно подробно исследованы. Известно, что данная задача не имеет единственного решения без дополнительных предположений. Связано это с тем, что тела, имеющие разную плотность и разный носитель этой плотности, могут создавать вне некоторой поверхности /5 одно и то же поле. В работе [32] доказывается неоднозначность решения обратной магнитостатической задачи восстановления магнитной проницаемости шара.

Таким образом, проблема характеристик источников поля внутри тела не может быть решена по измерениям только внешнего поля. Поэтому любая обратная задача должна быть поставлена настолько физически определенно, чтобы исключить возможность физически разных распределений источников

поля. Например, если при решении задачи о шаре априорно задать функцию распределения плотности заряда, по измерениям внешнего поля можно однозначно вычислить радиус шара. Если задать радиус шара и функцию распределения заряда с точностью до одного неизвестного параметра, по измерению внешнего поля можно найти этот параметр [20]. Понятно, что для задач пассивной диагностики такая однопараметрическая обратная задача совершенно неадекватна.

Поэтому относительно плотности всегда делаются некоторые упрощающие предположения, чаще всего плотность считается заданной. В таком предположении доказана теорема о единственности решения обратной задачи [33]. Аналогичная ситуация имеет место в электростатике для поля, создаваемого заряженным телом, и в магнитостатике для поля магнитных (фиктивных) зарядов. Применительно к задачам магнитной дефектоскопии разработан ряд приближенных методов решения обратных задач, в которых используются дополнительные априорные предположения о находимой величине [20] или методы регуляризации [34].

Проведенный в монографии [20] анализ показывает, что решение обратной магнитостатической задачи в общем случае не единственно, математический алгоритм в общем виде очень сложен как для аппаратной реализации, так и для компьютерных вычислений, даже в случае регистрации только одной компоненты поля рассеяния, например, тангенциальной. По существу, получить удовлетворительное решение обратной задачи магнитостатики удается только в скалярной постановке на модельных распределениях поля, предварительно полученных путем численного моделирования аналитических решений прямой задачи. Вопрос о решении обратной задачи магнитостатики для слабо намагниченного тела по результатам измерения компонент поля рассеяния остается открытым, хотя необходимость такой постановки задачи не вызывает сомнений [24].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перченко, Сергей Владимирович, 2013 год

Список литературы

1. Бандурин М.А., Волосухин Я.В. Проведение эксплуатационного мониторинга технического состояния гидротехнических сооружений с применением методов неразрушающего контроля // Предотвращение аварий зданий и сооружений. Вып. 9. М.: РААСН, 2010. с. 317 - 324.

2. Structural Health Monitoring /D. Balageas, С.-P. Fritzen and A. Guemes. London: ISTE, 2006. - 488 p.

3. Васин B.B. и др. // Математическое моделирование, 2003. - № 2. - с. 69;

4. Tkalcec I. Mechanical propeties end microstructura of a high carbon steel. Lausanne: EPFL, 2004.

5. Hayakawa M., Matusoka S., Tsuzaki K.. Microstructural Analyses of Grain Boundary Carbides of Tempered Martensite in Medium-Carbon Steel by Atomic Force Microscopy. // The Japan Institute of Metals. Material Transactions, 2002. -Vol. 43. -№. 7.-pp. 1758- 1766.

6. Wolanska N., Lis A.K., Lis J.. Micro structure Investigation of low carbon steel after hot deformation // Journal of achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2007. - Vol. 20. - Issues 1-2. -pp 291-294.

7. В. В. Клюев, Ф. P. Соснин, А. В. Ковалев и др. Неразрушающий контроль и диагностика. Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2003. - 656 с.

8. Щербинин В. Е., Горкунов Э. С. Магнитный контроль качества металлов. -Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 1996. - 264 с.

9. Аркадьев В.К. О развитии теоретических основ дефектоскопии. // Известия АН СССР, ОТН, 1937. - № 2. - С. 233 - 240.

10. Янус Р. И. Магнитная дефектоскопия. - М.: ГИТТЛ, 1946. - 170 с.

11. Макроструктурный и микроструктурный анализ. // Сост.: Л.В. Картонова. Владимир: Владим. гос. Ун-т, 2003. - 20 с.

12. Герасимов В. Г. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами. / В. Г. Герасимов, Ю. А. Останин, А. Д. Покровский и др. - М.: Энергия, 1978. - 216 с.

13. Герасимов В. Г., Клюев В. В., Шатерников В. Е. Методы и приборы электромагнитного контроля. - М.: ИД Спектр, 2010. - 256 с. 14 Дорофеев А. Л., Казаманов Ю. Г. Электромагнитная дефектоскопия. - М.: Машиностроение, 1980. - 232 с.

15. Горницкий В. М., Дубов. А. А. Исследование структурной поврежденности стальных образцов с использованием магнитной памяти металла. // Контроль. Диагностика, 2000. - № 7. - С. 3 - 8.

16. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий. - М.: Высш. шк., 1991.-271 с.

17. Dobman G. Physical basics and industrial applications of 3MA -micromagnatic multiparameter microstructure and stress analysis. // Europe Conférence of Non-Destructive Testing. Moscow, 2010 - June 7. - P. 11.

18. Изюмов Ю.А., Кацнельсон М.И., Скрябин Ю.Н. Магнетизм коллективизированных электронов. - М.: Физматлит, 1994. - 386 с.

19. Золотовицкий А.Б., Щур М.Л., Загидулин Р.В. Влияние нелинейной ферромагнитной среды на формирование магнитного поля внутреннего дефекта // Дефектоскопия, 1989. - № 5. - С. 42 - 50.

20. Печенков А.Н. Алгоритмы расчетов и моделирования прямых и обратных задач магнитостатической дефектоскопии и устройств технической магнитостатики: дис... д-ра техн. наук. - Екатеринбург, 2007. - 269 с.

21. Печенков А. Н., Щербинин В. Е. Некоторые прямые и обратные задачи технической магнитостатики. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 177 с

22. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материала. Методы исследования и контроля. - М.: Техносфера, 2004. - 384 с.

23. Сапожников А. Б., Мирошин Н. В. К вопросу о роли магнитной нелинейности среды при формировании поля скрытого дефекта. // Труды ИФМ АН СССР, 1967. - вып. 26. - С. 189 - 198.

24. Загидулин Р.В. К расчету магнитного поля дефекта сплошности с учетом нелинейности магнитных свойств ферромагнетика. // Дефектоскопия № 3, 2000.-С. 43 -54.

25. Щур М. Л., Шеленков А. С., Щербин В. Е. К вопросу о формировании поля и индукции в ферромагнитных средах. // Дефектоскопия, 1983. - № 10. -С. 11 - 18.

26. Щур М., Л., Загидулин Р. В., Щербинин В. Е. Теоретические вопросы формирования поля поверхностного дефекта. // Дефектоскопия, 1988. - № 3. -С. 15-25.

27. Мельгуй М.А. Магнитный контроль механических свойств сталей. -М.: Наука и техника, 1980. - 184 с.

28. Янус Р. И. Некоторые вопросы теории магнитной дефектоскопии. // ЖТФ, 1945 - Т. 15. - № 1-2. - С. 3 - 14.

29. Загидулин Р. В. Распознавание дефектов сплошности в ферромагнитных изделиях: дис. д-ра техн. наук. - Уфа: ОАО «Геофизика», 2001. - 412 с.

30. Гринберг Г.А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. - М.-Л.: изд. Академии Наук СССР, 1948. - 727 с.

31. Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Кравцов В.В. Лекции по математической физике. -М.: Изд-во МГУ, 1993. - 352 с.

32. Дякин В.В. Прямая и обратная задача магнитостатики. // Дефектоскопия, 1996. -№3.- С. 3-6.

33. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1979.-285 с.

34. Новиков П.С. О единственности обратной задачи теории потенциала. // Докл. АН СССР, 1938. - Вып. 18. - С. 165 - 168.

35. Золотовицкий А.Б., Лопатин В.В., Шлеенков A.C. Решение обратной задачи магнитной дефектоскопии методом определения мультипольных моментов эффективного эллиптического дефекта. // Дефектоскопия, 2000. -№ 11.-С. 27-42.

36. Загидулин Р.В., Дударев М.С., Щербин В.Е. Определение параметров искусственных и естественных дефектов в ферромагнитных изделиях. // Дефектоскопия, 1994. - № 2. - С. 38 - 46.

37. Сурков Ю.П., Щербин В.Е., Ваулин C.JI. и др. К вопросу об определении геометрических размеров эксплуатационных дефектов трубопроводов. // Дефектоскопия, 1994. -№ 12. - С. 35-41.

38. Семенов В. Г. Решение обратной задачи по определению источника физического поля дипольной или квадрупольной модели. // Методы и средства измерения параметров магнитного поля: сб. науч. тр. Л.: НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева», 1980. - С. 3 - 18.

39. Смирнов Б. М. Определение момента магнитного диполя и расстояния до него на основании измерений градиента магнитной индукции при заданном направлении на диполь. // Методы и средства измерения параметров магнитного поля: сб. науч. тр. -Л.: НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева», 1980.-С. 50 - 58.

40. Разработка автоматизированного комплекса магнитометрической дефектоскопии на основе метода тензорной магнитной микротопологии. Отчет по 2 этапу НИР/ ГОУ ВПО ВолГУ; рук. В. К. Игнатьев; исполн. С. В. Перченко и др. - Волгоград, 2011. - 196 с. - Г.К. № 14.740.11.0830 от 01.12. 2010 г, № госрегистрации 01201150201.

41. Загидулин Р. В., Мужицкий В. Ф. Определение геометрических параметров дефекта сплошности в ферромагнитной пластине путем минимизации сглаживающего функционала. 1. Исследование параметров сглаживающего функционала и признаков классификации дефектов сплошности // Дефектоскопия, 2001. - № 10. - С. 3 - 12.

42. Загидулин Р.В., Игумнова Н.Б., Щербинин В.Е. Распознавание дефектов сплошности в магнитной дефектоскопии. // Дефектоскопия, 1994. - № 5 - С. 68-79

43. Загидулин Р.В., Дударев М.С., Щербинин В.Е. Определение параметров искусственных и естественных поверхностных дефектов в ферромагнитных изделиях // Дефектоскопия, 1994. - № 2. - С. 38 - 46.

44. Новикова И.А. Математическая модель, количественно описывающая магнитостатические поля поверхностных дефектов, и ее применение в задачах дефектометрии // Дефектоскопия, 1986. - № 2. - С. 37 - 45.

45. Хватов JI. А., Колтовой Н. А., Жукова Г.А. О применении методов распознавания образов для автоматизации магнитного контроля труб // Дефектоскопия, 1986. - № 3. - С. 55 - 60.

46. Загидулин Р. В., Ничипурук А. П., Игумнова Н. Б., Сомова В. М. Определение качества термической обработки конструкционных сталей методами теории распознавания // Дефектоскопия, 1993. - № 2. - С. 73-78.

47. Загидулин Р. В., Щербинин В. Е. Определение геометрических параметров дефектов сплошности методами теории распознавания. Детерминированные признаки классификации// Дефектоскопия, 1994. - № 12.-С. 70-83.

48. Загидулин Р. В. К расчету признаков классификации дефектов сплошности конечной протяженности в ферромагнитных изделиях // Дефектоскопия, 1995. - № 10. - С. 50 -58.

49. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс — М.: ООО "И.Д. Вильяме", 2006. — 1104 с.

50. Кротов JI. Н., Мельник Р. С., Яковлев М. В. Приближенное восстановление формы дефекта поверхности сварного соединения магнитным методом // Тезисы ВНТК «Сварка и контроль — 2004». - Пермь: 2004.-Т. 2.-С. 318-325.

51. Астафьева H. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения// Успехи физических наук, 1996. - Т. 166. - № 11. - С. 1145 -1170.

52. Дремин И. М., Иванов О. В., Нечитайло В. А. Вейвлеты и их использование// Успехи физических наук, 2001. - Т. 171. - № 5. - С. 465 -501.

53. Onsager. L. Reciprocal relations in irreversible processes. // Physical Review, 1931.-V. 37.-P. 405 -426.

54. Onsager. L. Reciprocal relations in irreversible processes. II. // Physical Review, 1931.-V. 38.-P. 2265 -2279.

55. Грот C.P. Термодинамика необратимых процессов. - M.: ГИТТЛ, 1956. -281 с.

56. Файн В.М., Ханин Я.И. Квантовая радиофизика - М.: Советское радио, 1965.-606 с.

57. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. - М.: Мир, 1974. - 304 с.

58. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе A.A. Основы электродинамики плазмы. - М.: Высш. Школа, 1978. - 407 с.

59. Von Klitzing К. The Quantized Hall Effect: Nobel Lecture. Stockholm, December 9, 1985. - P. 316 - 347.

60. Кучис E.B. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. -М.: Радио и связь, 1990. - 264 с.

61. Давыдов A.C. Теория твердого тела. - М.: Наука, 1976. - 644 с.

62. Ramsden, Edward. Hall-Effect Sensors - Theory and Application. - Elsevier, 2007.-291 p.

63. Техническое описание датчика Холла HG-0111 [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.gmw.com/magnetic_sensors/asahi/documents/hg-011 l_gmw.pdf дата обращения 01.10.2013.

64. Техническое описание датчика Холла HZ-116C [Электронный ресурс]. -Режим доступа:

http://www.gmw.com/magnetic_sensors/asahi/documents/hz-l 16c_gmw.pdf дата обращения 01.10.2013.

65. Техническое описание датчика Холла HW-105A [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.gmw.com/magnetic sensors/asahi/documents/hw-105a_gmw.pdf дата обращения 01.10.2013.

66. Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. - М.: Энергия, 1971.-352 с.

67. Голубев A.A., Игнатьев В.К., Никитин A.B. Прецизионный магнитометр. Приборы и техника эксперимента, 2008. - № 5. - С. 123 - 128.

68. Голубев А. А., Игнатьев В. К. Цифровой нанотеслометр. // Известия ВУЗов. Приборостроение, 2010. - Т. 53. - № 1. - С. 49 - 54.

69. Пат. 2311655 Российская Федерация. Способ уменьшения погрешностей Холловского магнитометра. / Игнатьев В. К.; опубл. 27.11.2007.

70. Справочник по электроизмерительным приборам / Под ред. К.К. Илюнина. JL: Энергоатомиздат, 1983. - 784 с.

71. Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина. Д.: Энергоатомиздат, 1987. -480 с.

72. Макаренко В. Операционные усилители с нулевым дрейфом напряжения смещения. // Электронные компоненты и системы, 2010. - Т. 157. - № 9. - С. 3-8;

73. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. -М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.

74. Техническое описание микросхемы ОРА211 [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa211.pdf, дата обращения 01.10.2013

75. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. М.: Мир, 1986. -400 с.

76. Гуров К.П. Основания кинетической теории. Метод Н. Н. Боголюбова. -М.: Наука, 1966.-353 с.

77. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе A.A. Основы электродинамики плазмы. - М.: Высш. Школа, 1978. - 407 с.

78. Игнатьев В. К., Орлов А. А. Системная функция магнитоактивного элемента. // Наука и образование, 2012. - № 10. - С. 453 - 476 с.

79. Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Кравцов В.В. Лекции по математической физике. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 352 с.

80. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990. - 584 с.

81. Технические характеристики преобразователей Холла серии ПХЭ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nvlab.spb.ru/Hall%20sensors.pdf дата обращения 01.10.2013.

82. Бредов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. - М.: Наука, 1985. - 400 с.

83. Боровик Е.С., Еременко В.В., Мильнер A.C. Лекции по магнетизму. - М.: Физматлит, 2005. - 512 с.

84. Дайсон Ф. Релятивистская квантовая механика. - М.: Ижевск: ИКИ, НИЦ "РХД", 2009. - 248 с.

85. Уайт P.M. Квантовая теория магнетизма. - М.: Мир, 1972. - 306 с.

86. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1966.-С. 329-342.

87. Семенов В.Г. Дзария Г.Н. Решение обратной задачи по определению дипольного момента. // Метрология, 1977. - № 2. - С. 29-35.

88. Реутов Ю.Я., Пудов В.И., Волков A.B. Определение расстояния до ферромагнитного объекта с неизвестными магнитными характеристиками. // Дефектоскопия, 2011. - № 9. - С. 37 - 46.

89. Новиков В.А., Кушнер A.B., Шилов A.B. Измерение напряженности магнитного поля у поверхности ферромагнитного изделия. // Дефектоскопия, 2010,-№6.-С. 25 -28.

90. Тихонов А.Н., Гончарский A.B., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1990. - 232 с.

91. Gilbert T.L. A Lagrangian Formulation of Giromagnetic Equation of the Magnetization Field. Phys. Rev, 1955. - V. 100. - p. 1243.

92. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практическое применение. - М.: Мир, 1987. - 419 с.

93. Игнатьев В.К., Козин Д.А., Орлов A.A., Станкевич Д.А. Микромагнитный метод микроструктурного анализа ферромагнитных цилиндрических образцов. // Физические основы приборостроения, 2012. - № 4. С. 44 - 57.

94. Игнатьев В.К., Никитин А.В., Перченко С.В., Станкевич Д.А. Дефектоскопия стальных стержней. // Дефектоскопия, 2013. - № 1. - С. 61 -66.

95. Allan D.W. and Barnes Y.A. A modified «Allan variance» with increased oscillator characterization ability. - Proc. 35-th Ann. Frequency Control Symposium, May 1981. - pp. 470 - 475.

96. Рытов C.M. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы. - М.: Наука, 1976. - 496 с.

97. Barron, J.L., Fleet, D.J., and Beauchemin, S. (1994) Performance of optical flow techniques // International Journal of Computer Vision, 12(1). pp 43 - 77.

98. Официальный сайт программного продукта openCV - [Электронный ресурс], URL: http://opencv.org/ дата обращения 01.10.2013

99. Описание работы алгоритма - [Электронный ресурс], URL: http://docs.opencv.org/modules/imgproc/doc/feature detection.html/ дата обращения 01.10.2013

100. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы / Под ред. В.М. Курейчика. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2006 - 320 с.

101. Новиков В.Ф., Рогалиева Е.В. Определение намагниченности длинномерной конструкции. // Дефектоскопия, 2012. - № 4. - С. 30 - 33.

Список работ автора по теме диссертации

AI. Игнатьев В.К., Никитин A.B., Перченко C.B., Станкевич Д.А. Оперативный неразрушающий контроль несущих конструкций. // Технологии техносферной безопасности, 2011. - вып. 6(40). - 9 с. А2. Игнатьев В.К., Никитин A.B., Перченко C.B., Станкевич Д.А. Динамическая компенсация дополнительной погрешности АЦП // Инженерный вестник Дона, 2012. - № 2. - С. 191-195.

A3. Игнатьев В.К., Никитин A.B., Перченко C.B., Станкевич Д.А. Цифровой нановольтметр. // Приборы и техника эксперимента, 2012. -№ 1. -С. 50-55.

A4. Игнатьев В.К., Никитин A.B., Перченко C.B., Станкевич Д.А. Дефектоскопия стальных стержней. // Дефектоскопия, 2013. -№ 1. -С. 61 -66.

А5. Игнатьев В.К., Перченко C.B. Трехканальный цифровой магнитометр. // Приборы и техника эксперимента, 2013. -№ 6. -С. 117-119. А6. Ignatjev V.K., Perchenko S.V. Nonlinear reciprocal relations of plasma-like media // Physics and mechanics of new materials and their application. New York, 2013.-P 65-72

A7. Перченко. C.B., Станкевич Д.А. Холловский дефектоскоп // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1: Математика. Физика, 2010. - № 13. - С. 118-126.

А8. Игнатьев В. К., Перченко С. В. Способ уменьшения погрешностей усилителя постоянного тока с модулятором на входе и демодулятором на выходе. Решение от 20.05.2013 о выдаче патента на изобретение по заявке №2011154424 от 29.12.2011.

А9. Игнатьев В.К., Перченко C.B., Станкевич Д.А. Прецизионный широкодиапазонный холловский магнитометр. Тезисы XIII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград, 2008.-С. 260-261

А10. Игнатьев В.К., Перченко C.B. Цифровой нановольтметр. Тезисы XIV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. - Волгоград, 2009. - С. 261-262.

All. Игнатьев В.К., Перченко C.B. Цифровой нановольтметр. Сборник конкурсных научных работ аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности». - Волгоград, 2009. - С. 359-363.

А12. Игнатьев В.К., Перченко C.B., Нановольтметр. Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студетов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010 г.: материалы конф., информ. бюл.: в 1 т. - Т. 1. -Екатеринбург; Волгоград: Издательство АСФ России, 2010. - С. 581-582.

Приложение А. Цифровой нановольтметр

Принципиальная схема измерительного блока нановольтметра приведена на рис. А.1. Входной усилитель построен по принципу модуляции-демодуляции (МДМ), причем модуляцию производит мультиплексор DAX ADG884 фирмы Analog Devices, а демодуляция

Рисунок А. 1 - Принципиальная схема измерительного блока нановольтметра

осуществляется с помощью микроконтроллера. Усилитель нановольтметра реализован на элементах DA2 - DA6, R2 - R14. Предварительный каскад собран на пяти прецизионных малошумящих операционных усилителях DA2 - DA5 ОРА211 фирмы Texas Instruments, включенных по схеме неинвертирующих усилителей. На микросхеме DA6 ОР1177 фирмы Analog Devices собран инвертирующий сумматор. Прецизионные резисторы R2 -i? 14 задают коэффициент усиления, равный 800.

Для преобразования напряжений с выхода усилителя в цифровой код используется высокопроизводительный 24-разрядный дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DA% AD7190 фирмы Analog Devices,

включенный по рекомендуемой производителем схеме включения. Для повышения точности используется внешний источник опорного напряжения, реализованный на специализированной микросхеме DAI ISL21007BFB825Z фирмы Intersil.

Питание измерительного блока осуществляется от аккумуляторной батареи GBl, составленной из двух литий-ионных аккумуляторов 3,7 В емкостью 2200 мА/ч. Для стабилизации напряжения питания используется интегральный стабилизатор с малым падением напряжения U2 ADP3330 фирмы Analog Devices, а средняя точка создается параллельным стабилизатором на микросхеме Ul TL431 фирмы Texas Instruments. АЦП DA% питается от отдельной микросхемы U3 ADP3330 с целью уменьшения импульсной помехи. Для снижения воздействия управляющей части нановольтметра на измерительный блок управление микросхемой DA 1 производится через оптоэлектронную развязку DOI.

Принципиальная схема цифрового блока приведена на рис. А.2. Главнм элементом блока является сравнительно дешевый микроконвертер DDI ADuC847BS62-5 фирмы Analog Devices, который имеет встроенный интерфейс UART и необходимое количество линий ввода-вывода. Для связи с компьютером используется преобразователь интерфейса RS232 - USB DD2 FT232RL фирмы FTDIChip. Для снижения воздействия компьютера на прибор используются оптоэлектронные развязки D03, DO А. Питание цифрового блока осуществляется от аккумуляторной батареи GBl измерительного блока, напряжение которой стабилизирует микросхема U4 ADP3330.

Конструктивно прибор выполнен на трех печатных платах из фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм. На первой плате смонтирован блок управления, на второй - измерительный блок, за исключением микросхемы DA 1, которая размещена на отдельной плате. Термоэдс контакта медь-олово примерно равна 3,7 мкВ/°С, поэтому со всех выводов микросхемы DA 1 и выводов 2, 3 микросхем DA2-DA5 удалено лужение, а их

Рисунок А.2 - Принципиальная схема цифрового блока нановольтметра

пайка осуществлена индием, имеющим существенно меньшую термоэдс в паре с медью.

Плата с мультиплексором DAX помещена в отдельный пассивный термостат, изготовленный из алюминия. Термостат имеет внешние габариты 24x18x10 мм, толщина стенок 3 мм, и помещен в поролоновый кожух с толщиной стенок 10 мм. Кожух используется для уменьшения теплового воздействия остальных элементов усилителя на мультиплексор. Соединение с остальными элементами аналоговой части выполнено медными нелужеными проводами в тефлоновой изоляции. Для понижения температурного дрейфа, а также для выравнивания температур микросхем DA2-DA5 используется медный тепловой шунт с габаритами 40x5x0,5 мм.

На шунте размещен мост измерения температуры с платиновым резистором R1 700-102ААВ-В00 фирмы Honeywell, для электрической изоляции используется слюдяная прокладка. Напряжение с диагонали моста, пропорциональное температуре, измеряется АЦП DA 8, производная вычисляется по пятиточечному шаблону.

Элементы измерительного блока и батарея питания помещены в дюралюминиевый литой экран G0124F фирмы Gainta. По этой причине управление питанием измерительного блока осуществляется при помощи твердотельного реле D02. Экран защищает преду си литель от внешних помех

и помех, создаваемых блоком управления, а также является пассивным термостатом. Экран помещен в поролоновый кожух с толщиной стенок 20 мм.

Для калибровки нановольтметра была изготовлена калибровочная установка с выходным напряжением 250 мкВ, которая состоит из источника опорного напряжения (ИОН) 18Ь21007ВРВ8252 и резистивного делителя 1:10000 на прецизионных 8МЭ-резисторах сопротивлением 1,5 Ом и 15 кОм и допуском 1%. Питание калибровочной установки осуществляется от четырех щелочных батарей напряжением 1,5 В. На ИОН и делитель установлен медный тепловой шунт, на котором размещен мост измерения температуры, аналогичный показанному на рис. А. 1. Калибровочная установка, за исключением батарей питания, размещена в медном штампованном экране габаритами 10x10x30 мм, соединение с нановольтметром выполнено экранированной витой парой, изготовленной из нелуженых проводников МГТФ-0,12.

Приложение Б. Измеритель вольтамперных характеристик

Принципиальная электрическая схема узла измерения напряжения (УИН) и узла управления током (УУТ) аналоговой части измерителя вольтамперных харктеристик приведена на рис. Б.1. Рассмотрим сначала узел управления током. Источник тока управляемый напряжением (ИТУН) собран на операционном усилителе DA3 AD8531ARZ, поскольку он обеспечивает максимальный выходной ток 300 мА и имеет дрейф напряжения смещения не более 30 мкВ/°С. Опорное сопротивление RI задает крутизну преобразования i = U+/Rl, i — выходной ток, U+- напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA3. Для улучшения стабильности источника тока резистор R1 изготовлен из манганиновой проволоки, имеющей ТКС не более 0,005 %/°С. Резистор R2 используется для контроля величины протекающего тока. В качестве ЦАП используется микросхема DA2 DAC8830ID фирмы Texas Instruments - она имеет разрядность 16 бит и уровень выходного шума 10 нВЛ/Гц.

Источник опорного напряжения 2,5 В собран на микросхеме DA 1 ISL21007BFB825Z. При указанных на схеме номиналах элементов дискретность установки тока в диапазоне 0 ч- 100 мА равна 1,5 мкА.

Систем коммутации тока реализована на транзисторных сборках VT3, VT5, VT6 IRF7103, и VT2, VT4 IRF7104 фирмы International Rectifier, которые представляют собой два МДП-транзистора с n-каналом и р-каналом соответственно. Микросхемы, VT2 и VT3 включенные по мостовой схеме, позволяют включать и выключать ток через токовые выводы ПХ ZQ1, а также изменять его направление. Аналогично используются элементы VT4 и VT5 для потенциальных выводов ПХ. Включенные параллельно транзисторы микросхемы VT6 позволяют замыкать нагрузку на момент переключения тока, удерживая тем самым микросхему DAS в линейной области. Введение в

Рисунок Б. 1 - Принципиальная схема узла измерения напряжения и узла управления током: DAI, DA5 ISL21007BFB825Z, DA2 DAC8830ID, DA3 AD8531ARZ, DA4 ADG884RMZ, DA6 OPA211IDR, DA7 AD7190BRUZ, DDI 74F138, DD2 74F08, Ul, U2 ADP3330, VT1 LCA710C, VT2, VT4 IRF7104, VT3, VT5, VT6 IRF7103

схему четырех элементов НЕ, входящих в микросхему DD2 74F08, позволяет вдвое сократить количество линий управления транзисторами VT2 - VT5, а введение дешифратора DD 1 74F138 - еще в 2 раза. Таким образом, для изменения направления тока используется всего две цифровых линии. В таблице Б.1 представлена зависимость направления тока от кода управления. Очевидно, что линия СРС определяет, через какие выводы ПХ протекает ток, а линия INV - в каком направлении.

Питание элементов узла управления тока осуществляется от LDO стабилизатора Ul ADP3330 фирмы Analog Devices. Для включения и выключения питания используется твердотельное реле VTl LCA710C. Для снижения сетевых наводок батарея питания узла экранирована.

Рассмотрим узел измерения напряжения. В качестве АЦП используется микросхема DAI AD7190BRUZ фирмы Analog Devices, поскольку она имеет эффективную разрядность 21 бит при частоте дискретизации 1 кГц. Опорное напряжение для АЦП задает микросхема DA5 ISL21007BFB825Z.

Для исключения влияния синфазного напряжения на напряжение смещение схемы важно, чтобы усилитель имел КОСС > 120 дБ. Инструментальные усилители, например AD8222, с таким коэффициентом ослабления имеют уровень собственных шумов 8 нВ/^Гц и более.

Таблица Б.1 - Зависимость направления тока от кода управления

Код управления Направление тока

Линия А(СРС) Линия B(INV)

0 0 Ток течет через потенциальные выводы в обратном направлении

0 1 Ток течет через потенциальные выводы в прямом направлении

1 1 Ток течет через токовые выводы в прямом направлении

1 0 Ток течет через токовые выводы в обратном направлении

Применение схемы неинвертирующего усилителя позволяет избавиться от синфазного сигнала, но требует либо использования ИТУН с заземленной нагрузкой, либо разделения питания УУТ и УИН. Так как схема ИТУН с заземленной нагрузкой менее надежна и стабильна, питание узлов разделено. В качестве усилителя используется прецизионный малошумящий операционный усилитель DA6 OPA211IDR фирмы Texas Instruments, так как он имеет низкий уровень собственных шумов 1 н В/л/Гц. Коэффициент усиления, равный 563, задают термостабильные SMD резисторы R3 и R4. Система коммутации напряжения реализована на мультиплексоре DA4 ADG884RMZ фирмы Analog Devices, так как его ключи обладают низким сопротивлением в замкнутом состоянии, равным 0,28 Ом. Для удержания микросхемы DA6 в линейной области во время переключения мультиплексора DA4 используется конденсатор С1. Питание элементов УИН осуществляется от стабилизатора U2 ADP3330.

Принципиальная электрическая схема узла управления приведена на рисунке Б.2. В качестве управляющего микроконтроллера DD3 используется микроконвертер ADuC847BS62-5. Опорное напряжение для АЦП микроконтроллера задает микросхема ISL21007BFB825Z. Микросхемы DO 1 - D06 (LTV817) используются для гальванической развязки от цепей питания УУТ, a DOl, DOS (LTV817) - от цепей питания компьютера. Для связи с компьютером используется микросхема DD4 FT232RL. Питание УУ осуществляется от стабилизатора U3 ADP3330.

Порог чувствительности модифицированного измерителя определяется шумовыми характеристиками усилителя и источника тока. Оценка спектральной плотности мощности (СПМ) шума, приведенного к входу АЦП узла измерения напряжения, была получена с применением метода периодограмм Уэлча и рассчитывалась по следующей формуле:

LtJ

to

Рисунок Б.2 - Принципиальная электрическая схема узла управления D01-D08 РС817, DD3 ADuC847BS62-5, DD4 FT232RL, U3 ADP3330, DA7 ISL21007BFB825Z

А/ 0-1 л'~1 2

=1717^7 Е X М - )ехр(~ ,

1=0 п=О

где N - количество отсчетов в одной реализации х,[п\, Q - количество реализаций, А? - шаг дискретизации по времени, Ки - коэффициент усиления внутреннего усилителя микроконтроллера, м>[п] - используемое окно данных, Е - энергия этого окна, определяемая как

п=О

Шумовая спектральная характеристика (нВ/л/Гц) рассчитывалась на

частота х/к= к/{ЫА().

Для проведения испытаний модифицированного измерителя вольтамперных характеристик был изготовлен ряд эквивалентов ПХ, схемы которых приведены на рис. Б.З. Резисторы Я2 имитируют сопротивление выводов ПХ, резистор ЯО - сопротивление небаланса. На этих эквивалентах проверяется правильность измерения сопротивления небаланса и напряжения Холла, которое должно быть равно нулю.

Шумовые спектральные характеристики напряжений £У3, £/4, и5 и £/6 измеренные на эквиваленте с нулевым сопротивлением небаланса (рис. Б.З.а),

Т1 т 10

О-ОЗ

Т2

о-

Т2

о-

ТО 10 П1

-О-0

П2 а)

Н2 10 [34 10

-0

Т1 1*110 КЗ 10 П1

О-0-1-0-0

го

га ю м ю

-0

т 8,2

КО

П1 ®

Т1

о-

200

КЗ 8,2

200

ЯО 1К

>-С

ч:

н

Т2

и 1—0

В)

ь

Рисунок Б.З - Эквиваленты ПХ: а) с нулевым сопротивлением небаланса, б) с сопротивлением небаланса 1,5 мОм, в) с регулируемым сопротивлением небаланса

133

полученные по Q = 20 реализаций выборок по N = 1024 отсчета при Ки - 227 и At = 6,6 мс имеют примерно одинаковый вид. Для примера, на рис. Б.4 представлена оценка СПМ шума напряжения £/3. Видно, что низкочастотные наводки отсутствуют, это подтверждает правильность выбора режима работы АЦП и топологии разводки печатных плат. Очевидно присутствие фликер-шума, который проявляется в виде подъема спектральной характеристики в низкочастотной области. Этот шум является следствием медленного дрейфа напряжения смещения ОУ. Полученные характеристики хорошо согласуются с паспортными данными используемых элементов, а система коммутации вносит незначительный вклад в шумовое напряжение.

При измерении напряжения U\ используется коммутация тока, поэтому напряжение на входе усилителя и АЦП меняется скачкообразно. Экспериментально установлено, что для выхода в стационарное состояние АЦП требуется 5 тактов, поэтому было принято решение увеличить частоту дискретизации до 660 Гц. Оценка СПМ шума напряжения U\ представлена на рисунке Б.5. Видно, что за исключением точки с частотой 4 Гц, во всем

VG(f), нВЛ/Гц

» 0

• •

•

• Г

0,00 л

-1- ■! - 1 - -- 1 ......- 1 1 " ! Э 10 20 30 40 50 60 70 8 f, Гц

Рисунок Б.4 - Оценка СПМ шума напряжения £У3

диапазоне частот спектр шума равномерен и составляет 2,5 нВ в полосе 1 Гц. Отсутствие фликер-шума свидетельствует о малом дрейфе напряжений С/3 и £/4 за время измерения.

Далее была произведена оценка СПМ напряжения ин, которая приведена на рис. Б.6. Для увеличения производительности измерителя при этих измерениях частота тактирования АЦП была увеличена до 960 Гц. Видно, что уровень шума несколько уменьшился, что обусловлено увеличением частоты тактирования. Это свидетельствует о том, что коммутация потенциальных ключей ЭА4 вносит незначительный вклад в шумовые характеристики измерителя.

Аналогичные эксперименты были произведены с использованием эквивалента ПХ с постоянным сопротивлением небаланса (рис. Б.3.б). Результаты не отличаются от представленных на рис. Б.4 - Б.6, что свидетельствует о стабильной работе источника тока.

нВЛ/Гц

4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

0 5 10 15 20 25 30

I Гц

•

» •

■Лл'.гЙ •

.»• • л * •

• •

Рисунок Б.5 - Оценка СПМ шума напряжения 11\

3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

• . • . . • - 'л- и / .• • • •• • • \ V * . « . . • •• • • »

* . •••• ^ ♦• У» . •... • » ... .'7 • '.у " •* • •* . . .1 ч - - • * • . . ». • • •

г V • . ... • ••» . »в • • • . • • • •

10

12 14

I Гц

Рисунок Б.6 - Оценка СПМ шума напряжения £/#

Приложение В. Формирователь поля и температуры

Принципиальная схема узла управления магнитным полем приведена на рис. В.1. ИТУН собран на сдвоенном прецизионном операционном усилителе DA3 AD8672 фирмы Analog Devices, полевом транзисторе VTI 2П901А и резисторах R1 -R3. Микросхема AD8672 обладает малым дрейфом напряжения смещения 0,8 мкВ/°С, и низким уровнем собственных шумов 2,8 нВЛ/Гц на частоте 1 кГц. Главным образом стабильность источника тока определяет опорный резистор R3. Для снижения рассеиваемой на нем мощности, и для большей стабильности, его номинал выбран равным 0,2 Ом. Поэтому в отличие от схемы, представленной на рис. Б.1, используется дополнительный каскад усиления на элементе DA3.2, коэффициент усиления которого задается проволочными резисторами и R2 серии МРХ. Эти резисторы изготовлены из манганиновой проволоки, поэтому их ТКС не более 0,001%/°С. В качестве ЦАП используется микросхема DA 1 DAC8830ID, опорное напряжение для которой задает специализированная микросхема DA2 ISL21007BFB825Z. Эти микросхемы были выбраны исходя из тех же требований, что были предъявлены к схеме на рис. Б.1.

Гальваническая развязка собрана на микросхемах DO 1 - D03 LTV817. Для изменения направления тока используются электромагнитные реле К\ и К2 V23100 фирмы Siemens. Чтобы источник тока не выходил из линейной области на момент переключения реле К\ замыкается реле К2. Питание микросхем DA 1, DA2 стабилизирует микросхема Ш UA7805 фирмы Texas Instruments. Питание узла осуществляется от блока питания персонального компьютера мощностью 200 Вт. Для снижения тепловых флуктуаций микросхемы DA3 узел запитан несимметрично напряжениями +12 В и -5 В.

oo

VDPCTRl

SC

£5_

SCLK

SDI

2,2

d01

2,2

d02

1K

5Z-*

ft

2,2

d03

2

1 4

U1

зЦ> V

0.1

IN VR OUT

GND

1K

1K

10

>1

k1 ¿\1n4148

"On

10

k2 д1n4148 da1

0,1

T+10 мкГн J т+ Л

10 мкФ

+10 мкГн^ ЮмкФ

10 мкФ

0,1

CS DAC OUT

CLK RFF

SDI

VDD

GND

GND

IN REF OUT

GND

GND

da2

1000 мкФх16В

1000 мкФх16В

ЮмкФ

1200 мкФх 16В

Рисунок В.1 - Принципиальная схема узла управления магнитным полем DAI DAC8830ID, DA2 ISL21007BFB825Z, DA3 AD8672, VT1 КП901А, D01-D03 LTV817, Kl, К2 V23100,

U1 UA7805

На рис. В.2 приведена принципиальная схема узла управления и узла управления температурой. В качестве термоэлемента используется модуль Пельтье ZQ\ ТЕС1-127080-50, так как при помощи него можно как повышать, так и понижать температуру преобразователя Холла. Для управления направлением тока через термоэлемент используется электромагнитные реле КЗ и К4 HJR-3FF-S-Z фирмы Tianbo, включенные по мостовой схеме. Для измерения температуры используется платиновый терморезистор R5 сопротивлением 1 кОм фирмы Honeywell. Ток, величиной 100 мкА, протекающий через платиновый резистор, задает источник тока, собранный на элементах DA5 и ^4. Это позволяет измерять температуру с погрешностью не более 0,1 °С.

В этой схеме не применяется стабилизация температуры, поскольку при использовании стабилизации через модуль Пельтье ZQ1 будет протекать значительный ток, а порождаемое им магнитное поле будет искажать результаты измерений. Для измерения температурных зависимостей достаточно разогреть или охладить преобразователь Холла, а затем, выключив термоэлемент, снимать зависимость до тех пор, пока температура преобразователя не станет равной комнатной.

В качестве микроконтроллера узла управления используется микроконвертер DDI ADuC847BS62-5, поскольку он имеет встроенный 24-разрядный АЦП, опорное напряжение для которого задает микросхема DA4 ISL21007BFB825Z. Связь с компьютером осуществляется посредством микросхемы DDI FT232RL. При этом используется гальваническая развязка, собранная на элементах D04 и DOS LTV817. Так как нагрузочной способности ПВВ контроллера недостаточно для управления электромагнитными реле, то используются усилители на транзисторах VT2 -VT& ВС818. Питается схема от внешнего стабилизатора напряжения 5 В.

Для обеспечения равномерного распределения температуры по объему преобразователя Холла используется термокамера, чертеж которой приведен на рис. В.З.

Рисунок В.2 - Принципиальная схема узла управления и узла управления температурой. DDI ADuC847BS62-5, DD2 FT232RL, DA4 ISL21007BFB825Z, DA5 AD8531, VT2 - VT8 ВС818,

D04, D05 LTV817

Рисунок В.З - Чертеж термокамеры

Внешний диаметр термокамеры 70 мм обусловлен габаритными размерами модуля Пельтье ЕС)1. Во внутренней полости диаметром 50 мм размещается преобразователь Холла. На поверхности на расстоянии 32 мм друг от друга прорезаны две канавки шириной 5 мм и глубиной 5 мм для размещения колец Гельмгольца. Для крепления модуля Пельтье и радиатора для его охлаждения в глухом торце термокамеры расположены 4 отверстия диаметром 4 мм.

Намоточные данные колец Гельмгольца рассчитывались с помощью программы НСоПз У1.0. В качестве входных параметров приняты следующие величины: внутренний радиус кольца Ш = 30 мм, внешний радиус кольца Ю. = 35 мм, высота кольца Н — 5 мм, расстояние между кольцами к = 32,5 мм, диаметр намоточного провода В = 0,35 мм, фактор упаковки X = 0,6. В результате расчета получены следующие значения: число витков на одно кольцо = 156, сопротивление системы Я = 11 Ом, индуктивность системы Ь = 6 мГн, коэффициент преобразования = 3,917 мкТл/мА. Перед намоткой

канавки были смазаны клеем БФ-2, разбавленным этиловым спиртом в соотношении 1:1. Этим же клеем пропитан каждый из слоев намотки. Клей БФ-2 обладает хорошей теплопроводностью и высоким сопротивлением, поэтому повышает прочность обмотки и улучшает отдачу тепла термокамере.

Эскиз установки в сборе приведен на рис. В.4.

Рисунок В.4 - Эскиз установки: 1 - термокамера, 2 - текстолитовое основание, 3 - термоэлемент, 4 - радиатор, 5 - латунные болты, 6 -теплоизолятор, 7 - тесктолитовые стойки, 8 - переходная пластина, 9

гониометр ГР-1

К термокамере 1 при помощи основания 2, изготовленного из текстолита толщиной 10 мм, и латунных болтов 5 присоединяется термоэлемент 3 и радиатор с жидкостным охлаждением 4. Для надежного теплового контакта поверхности термоэлемента смазаны теплопроводящей пастой КТП-8. Для ограничения отвода тепла в окружающее пространство термокамера, термоэлемент и радиатор помещены в теплоизоляционный кожух 6, изготовленный из поролона. При помощи текстолитовых стоек 7 и переходной пластины 8 система крепится к гониометру 9 ГР-1. Гониометр необходим для точного позиционирования преобразователя Холла при калибровке в магнитном поле Земли. Фотография установки в собранном состоянии приведена на рис. В.5.

Рисунок В.5 - Фотография установки

Приложение Г. Интерфейсная программа HallMeasurer

Интерфейсная программа HallMeasurer написана на языке С# входящем в состав пакета разработки приложений Microsoft Visual Studio 9.0. Программа объединяет измеритель вольтамперных характеристик и формирователь поля и температуры и позволяет измерить одну из трех зависимостей:

а) Зависимости холловского напряжения иц(г) и напряжения небаланса щ(г) от управляющего тока г. При этом индукция магнитного поля В и температура Т предполагаются постоянными. Далее эти зависимости будем обозначать буквой I.

б) Зависимости холловского напряжения ин{В) и напряжения небаланса щ(В) от индукции магнитного поля В. При этом управляющий ток i и температура Т считаются постоянными. Далее эти зависимости будем обозначать буквой В.

в) Зависимости холловского напряжения и^Т) и напряжения небаланса щ{Т) от температуры Т. При этом индукция магнитного поля В и управляющий ток i считаются постоянными. Далее эти зависимости будем обозначать буквой Т.

Связь с установками осуществляется при помощи библиотеки FTD2XX_NET.dll. Для удобства программирования в программе реализованы несколько структур и классов:

• Структура TDependencyPoint включает в себя поля для хранения аргумента зависимости и напряжений Холла и небаланса.

• Класс TDependency хранит информацию о текущей зависимости, а именно ее тип (I, В или Т), имя файла для сохранения результата, описание (условия эксперимента) и отсчеты средних значений и дисперсий структур TDependencyPoint. Также сохраняются параметры зависимости, такие как начальный и конечный токи, начальная и

конечная индукция поля, начальная и конечная температура, число усреднений и число пропускаемых перед усреднением отсчетов напряжений. Этот класс содержит методы для добавления точек в зависимость, а также методы для сохранения в файл и чтения из файла.

• Класс ТРго]ес1 объединяет зависимости в один проект, что существенно облегчает поиск нужного файла. Этот класс содержит методы для создания, удаления, сохранения и загрузки проекта. Применительно к зависимостям реализованы методы добавления и удаления зависимостей из проекта, а также экспорта файла в текстовом формате.

• Для облегчения работы с проектом введена структура ТРго]ес1РПе, которая хранит только имена файлов и тип зависимости, к которой этот файл принадлежит.

• Ключевым классом является класс ТОеуюе, который используется в качестве надстройки для облегчения работы с библиотекой FTD2XX_NET.dll. Этот класс содержит методы для поиска устройств РТВ1, их открытия, закрытия, чтения и записи данных.

• Так как библиотека FTD2XX_NET.dll позволяет работать только с однобайтовыми массивами, что не всегда удобно, то введена структура ТРТБГОа1а, позволяющая работать с 4-байтовой переменной, как целиком, так и по отдельности с каждым байтом.

Внешний вид главного окна программы НаПМеаБигег приведен на рис. Г. 1. В верхней части окна располагаются элементы управления проектом и измерением - главное меню и панель управления. Слева расположено дерево проекта, в котором все зависимости отсортированы по категориям. Таблица результатов выводит средние значения и дисперсии аргумента и напряжений. Список событий отображает отправленные и принятые устройством команды, а также данные открытой зависимости.

Дерево проекта

Hall Measurer vi.О

.Главное меню , Панель управления

Проект Измерение

/

.a Unnamed.hpr \ б I зависимости \ 7868.1

ПХЭ60Б117Б_7 ПХЭ606117Б_7 ПХЭ606117А_П ПХ3602117А_П 02117А П61Н6

Зквивалент2.1

Проверка! ПХ3602117А_П ПХ3602117А_П ПХЭ602117А_П В зависимости Т зависимости

I.MA

U х, мкВ

U 0, мк.В

5,083627700.. 8,326450347 11.56553363. 14,80577373.. 18,04697132.. 21.29520893 24,55188751.. 27.84874057.. 31.18390274. 34,50980281.. 37.81300163 41.09021472. 44.36139488.. 47,62737941. 50,88477325. 54,14005374.. 57.39482784 60.64869213.. 63.89735984.. <1

0,00299062.. -0,0007229... 0,01019172.. 0.00250103.. 0,00382633.. 0.00017383.. -0,0043174... •0.0038574... 0.01071445.. •0.0094723... ■0.0015882... ■0.0002034... ■0.0045140... 0,00049419.. 0,00250988. ■0,0058269... 0,00110254.. 0.00094175.. •0,0032167...

-8.1370098..

-13,356444..

-18,591314..

•23,818133..

-29,052121..

-34.290984..

-39.545458..

-44.868203..

•50.246199..

-55,613473..

-60.933454

-66,230654..

-71,505790..

-76,762207..

-82,029851..

-87,273679..

-92,528417.

•97.775018.

•103.02400.

Таб.шща результатов

5.00210387.. ' 0.00133962.. 0,00112484 0,00128336 0,00136783.. 0,00135695.. 0,00103581.. 0,00128811.. 0.00094750. 0,00091663.. 0.00220274 0,00130430.. 0,00210029. 0,00078187.. 0,00120264 0.00112674 0,00183642.. 0.00220483. 0,00089706..

D[Ux], мкВ D[U0], мкВ ±

0,00690326.. 0,01556370... 0,01784613... 0,01057560. . 0,01049587... 0,00800682... 0,01611701... 0,00867313... 0,00760426... 0,00872813... 0,01139928... 0.01083450... 0.01263514... 0.01147513... 0,00692613... 0.00778786. 0,01560530... 0,01480038.. 0.01163504...

0,00818951.. 0,01238409. 0,01444826 0,01039052. 0,00991590. 0.01273573. 0.01128029. 0,01067689. 0,01199406 0,00663741. 0,01270829 — 0,00706853.. 0.01082039.. 0,01707569. 0,01162770 0,01338726.. 0,01034372.. 0,00756933 0,01043995.

"1т1

Конечное поле 1(мкТл) - 0 Начальная температура Т(С) = -273 Конечная теперагтура Т(С) « -273 Число усреднений N=10 Число пропущенных тактов Б = 50

Измерения проводились по 30 точкам

\

V

Панеть состояния устройств

Список СОбЫТНН

Рисунок Г.1 - Внешний вид главного окна интерфейсной программы

НаПМеаБигег (экранная копия)

Панель состояния отображает состояния устройств. При этом под MGM во всей программе подразумевается измеритель вольтамперных характеристик, под CAL - формирователь поля и температуры. На панели инструментов слева направо расположены кнопки: поиск и подключение устройств, новый проект, открыть проект, экспорт зависимости в текстовый файл, измерение I-зависимости, измерение В-зависимости, измерение Т-зависимости, прервать измерение.

Для предотвращения нестабильной работы компьютера опрос устройств осуществляется по таймеру. Если устройства долгое время не отвечают, необходимо остановить измерение либо нажав соответствующую кнопку на панели задач, либо выбрав пункт меню Измерение->Прервать измерение, перезапустить устройства и начать измерение сначала.

Алгоритм работы программы в режиме измерения 1-зависимости приведен на рис. Г.2. Сначала инициализируется измерение, для этого вызывается диалоговое окно ввода всех параметров, необходимых для измерения и устанавливаются начальные значения переменных. Затем устанавливается и измеряется начальная индукция магнитного поля, и измеряется начальная температура. В этом режиме измерения ведутся при комнатной температуре. Далее управление передается основному циклу программы, в котором циклически измеряются напряжения и ток. При этом ведется пропуск холостых тактов, которые необходимы для того, чтобы преобразователь Холла успел прийти в стационарное состояние после смены значения управляющего тока. При достижении количеством отсчетов усреднения заданного значения, вычисляются средние значения и дисперсии, которые добавляются в зависимость. После того, как весь диапазон токов окажется пройденным, производится расчет конечной индукции магнитного поля и измерение конечной температуры, зависимость сохраняется в файл, и измерение завершается.

Аналогично работает и измерение В - зависимости, только в этом случае аргументом является индукция магнитного поля В, а постоянной -управляющий ток г.

Измерение Т-зависимости происходит несколько иным способом. Алгоритм работы программы в этом режиме приведен на рис. Г.З. Сначала устанавливаются управляющий ток и ток через кольца Гельмгольца, затем рассчитывается индукция магнитного поля и производится единичное измерение температуры, результат которого сравнивается с начальной температурой. В зависимости от результата сравнения включается либо режим нагрева, либо режим охлаждения (пункт Установка температуры).

Усреднение и вычисление дисперсии

Увеличение тока

Измерение индукции

магнитного поля

Рисунок Г.2 - Алгоритм работы программы в режиме измерения

I - зависимости

Рисунок Г.З - Алгоритм работы программы в режиме измерения

Т-зависимости

Программа не продолжит выполнение, пока измеренная температура не достигнет установленной. Далее производится измерение напряжений в зависимости от температуры. Программа завершится, когда измеренная температура будет отличаться от установленной менее чем на 3 градуса. Затем рассчитывается конечное значение магнитного поля, измеряется управляющий ток и результат сохраняется в файл.

Приложение Д. Магнитный томограф

Принципиальная электрическая схема магнитного томографа приведена на рисунке Д.1. Основой каждого канала томографа являются микросхемы А10 - ,412 AD7190BRUZ фирмы Analog Devices. Микросхема представляет собой 24-битный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с малошумящим предварительным усилителем с программируемым коэффициентом усиления и четырехканальным аналоговым мультиплексором. Преобразователи Холла HI - НЗ ПХЭ602117А фирмы Сенсор подключены непосредственно к входам мультиплексоров микросхем Л10 - А 12. Опорные напряжения 2,5 В для АЦП задают специализированные микросхемы А5, А7, А9 ISL21007BFB825Z фирмы Intersil.

Управляющий ток через включенные последовательно преобразователей Холла задает источник стабильного тока, который собран на операционном усилителе средней мощности А2 AD8531ARZ фирмы Analog Devices и прецизионном резисторе R1 типоразмера 2410. Цепь управляющего тока на схеме рисунке Д.1 показана жирной линией. Опорное напряжение 1,25 В для источника тока задает специализированная микросхема А1 ISL21007BFB812Z фирмы Intersil. Направление тока через преобразователи выбирается мультиплексором A3 ADG884BRMZ фирмы Analog Devices. Преобразователи Холла включаются в цепь управляющего тока контактами 1-3 либо 2-4 мультиплексорами A4, А6, AS. Для шунтирования источника тока на время коммутации мультиплексоров A3, A4, А6, А8 используется ключ на полевом МДП-транзисторе 71 IRF7456 фирмы International Rectifier.

Управление процессом измерения осуществляет 32-разрядный микроконтроллер D1 STM32F100C4T6 фирмы STMicroelectronics, включенный по схеме, рекомендованной в техническом описании.

Рисунок Д. 1 - Принципиальная электрическая схема магнитного томографа

Программирование контроллера осуществляется через разъем ХР4. Для передачи информации в персональный компьютер используется микросхема DD2 FT232RL фирмы FTDI Chip, которая представляет собой преобразователь интерфейса RS232 - USB. Для снижения импульсных помех, создаваемых источником питания, компьютера используется оптоэлектронная гальваническая развязка, выполненная на элементах А15, А16, Т2, Ti,R2-Rl.

Питание томографа осуществляется от двух литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650 и емкостью 2500 мА/ч, подключаемых к разъему ХР2. Напряжения для питания цифровых цепей формируется с помощью микросхемы Al4 LM1117IMP-3.3 фирмы Texas Instruments, питание аналоговых цепей формирует стабилизатор А15 ADP3330 фирмы Analog Devices. Заряд батареи питания осуществляется через разъем ASl.

Технические характеристики.

• Количество измерительных каналов: 3

• Диапазоны измерений индукции магнитного поля: ±30 мТл, ±300 мТл, ±3 Тл

• Среднеквадратичное отклонение (в диапазоне ±30 мТл): 100 нТл