CC BY
138
УДК 621.317.4
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТОКА С УЛУЧШЕННОЙ СХЕМОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
А.О.Никитин, В.С.Леонтьев, Р.В.Петров, Д.Г.Мельничук
MAGNETOELECTRIC CURRENT SENSOR WITH IMPROVED CIRCUIT OF THE SIGNAL PROCESSING
A.O.Nikitin, V.S.Leont'ev, R.V.Petrov, D.G.Mel'nichuk
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассмотрен улучшенный датчик электрического тока, работающий на основе магнитоэлектрического эффекта. В представленном устройстве оптимизирована схема обработки сигнала, поступающего с магнитоэлектрического элемента. Показан расчет схемы усиления с регулируемой передаточной характеристикой. Данное улучшение позволит избавиться от прогнозируемых недостатков датчиков тока на магнитоэлектрическом эффекте на этапе серийного производства, связанных с
трудностью получения магнитоэлектрических элементов с одинаковыми характеристиками, а также увеличить динамическии диапазон выходных напряжений. Разработанный в лабораторных условиях магнитоэлектрический датчик тока по показателям чувствительности, на уровне 664 мВ/А, и линейности, сравним с датчиками тока на эффекте Холла ведущих производителей электроники.
Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, измерение магнитных полей, магнитоэлектрический датчик тока
Sensors operating on completely different physical effects are of great interest. In this paper, a current sensor using magnetoelectric effect with improved circuit of the signal processing is described. The signal for processing comes from magnetoelectric element. The proposed method of signal processing allows to get rid of problems associated with difficulty of obtaining the series of magnetoelectric elements with the same parameters, and it also allows to increase dynamical range of the output voltage. The current sensor, developed in laboratory conditions, has good characteristics of sensitivity (664 mV/A) and linearity. This is comparable with the parameters of Hall-effect-based current sensors produced by leading electronics manufacturers.
Keywords: magnetoelectric effect, magnetic-field measurement, magnetoelectric current sensor
Введение
Электроника является одной из самых динамично развивающихся областей человеческой деятельности. И связано это в первую очередь с существенным влиянием электроники практически на все сферы деятельности человека, а также на развитие мировой экономики. Электроника полностью перекроила мир, окружающий человека, обеспечила его безопасность, повысило качество и доступность образования, сделала жизнь качественнее и красивее.
С другой стороны, на развитие электроники весомое влияние оказывает мировая экономика. Обострившийся за последние годы глобальный экономический кризис вынудил компании электронной промышленности перейти к поиску в своих разработках передовых технических решений, в первую очередь тех, которые не требуют существенных вложений ресурсов.
Одним из таких решений в области электрических измерений может стать использование сенсоров на основе магнитоэлектрического эффекта. Магнитоэлектрический эффект (МЭ) — это индуцирование магнитным полем электрической поляризации либо индуцирование электрическим полем намагниченности. МЭ-элементы, составляющие основу МЭ-датчика, конструктивно представляют собой простую структуру, состоящую из тонкой пластины пьезоке-рамики ЦТС и двух металлических магнитострикци-онных обкладок из аморфного магнито-мягкого сплава на основе железа — метглас [1]. Такая композитная структура по чувствительности приближается к сверхчувствительным и дорогим СКВИД-системам и значительно превосходит по показателям чувствительности и радиационной стойкости сенсоры на эффекте Холла. Последнее дает все основания полагать, что в будущем МЭ-сенсоры составят серьезную конкуренцию существующим системам измерения магнитных полей в областях медицины, машиностроении, робототехники.
Целью данной статьи является описание улучшенной конструкции и схемы МЭ датчика электрического тока для измерений постоянного тока до 5 А.
Конструкция магнитоэлектрического датчика тока с улучшенной схемой обработки сигнала
В работах [2] и [3] рассмотрены конструкции датчиков магнитного поля и электрического тока на основе МЭ-эффекта. Дальнейшее изучение указанных конструкций МЭ-датчиков привело к выявлению ряда задач, решение которых является необходимой составляющей перехода к серийному производству. Первая задача связана со строением самого МЭ-элемента. Величина индуцируемого электрического поля определяется из соотношения [4]:
E = aEH, (1)
где aE — магнитоэлектрический коэффициент по напряжению, Н — магнитное поле, прикладываемое к МЭ-элементу.
Из данного соотношения следует, что на величину индуцируемого МЭ-элементом электрического поля, а следовательно, на величину выходного напряжения, при условии H = const оказывает влияние значение МЭ-коэффициента. Величина последнего зависит от материальных параметров слоев композитной структуры, а также от качества механической связи между ними. Проблема вытекает из условия сложности получения серии МЭ-элементов с абсолютно одинаковыми значениями магнитоэлектрического коэффициента по напряжению. Игнорирование этой проблемы приведет к разбросу значений выходных напряжений на серийных образцах при равных входных величинах (магнитное поле или электрический ток), что неприемлемо для измерительной техники.
Следующей задачей является увеличение динамического диапазона выходных напряжений, в идеальном случае от 0 В до значения величины питающего напряжения.
Рис.1. Структурная схема МЭ-датчика тока
Структурная схема рассматриваемого МЭ-датчика тока изображена на рис.1. Основу датчика составляет МЭ-элемент, состоящий из пьезокерамики ЦТС с размером 8^1x1,2 и двух обкладок метгласа соответствующего размера, помещенного в катушку индуктивности. Катушка с датчиком помещается на токовую шину, через которую пропускают измерительный ток. Снимаемый сигнал с МЭ-элемента поступает на схему обработки, включающую в себя усилитель и детектор.
Решить вышеуказанные проблемы позволило применение в качестве схемы усиления специальное схемотехническое решение на основе операционного усилителя с заданной передаточной линейной характеристикой, которая описывается уравнением:
Vout = ±mVin ±b, (2)
где Vout, Vin — напряжения на выходе и входе усилителя соответственно.
Исходя из соображения диапазона измерения разрабатываемого датчика (от 0 А до 5 А), были сняты значения амплитуд на выходе МЭ-элемента при пропускании электрического тока через измерительную шину 0 А и 5 А. Были получены значения 33 мВ и 42 мВ соответственно (значения Vin). Был задан необходимый динамический диапазон от 0,8 В до 4,5 В (значения Vout). Подставляя данные значения в уравнение (2), была получена система уравнения, решение которой имело вид:
Vout = 41U1Vn -12,77. (3)
Основываясь на методике, изложенной в [5], за основу линейного усилителя, реализующего передаточную функцию вида (3), взята схема, представленная на рис.2.
Рис.2. Схема, реализующая заданную передаточную характеристику
Уравнение для передаточной характеристики данной схемы имеет вид:
'Я4 + Я3 + Щ Я2 ^ у/ ( Я2 У Я4
V t = V' пит r m
|. (4)
Яз + Д1Р2 ) ПА + Я2 ЛЯ +№2, Подставляя значения коэффициентов т и Ь из выражения (3) в (4), так же принимая Vref = 3,3, получили соотношение для сопротивлений:
Я1 «105Я2. (5)
Для простоты расчетов значения сопротивлений были выбраны из ряда номинальных сопротивлений Е24: Я2 = 110 Ом, Я1 =12 кОм. Далее было получено соотношение для сопротивлений:
Я4 « 410,11Я3 + 44702,33. (6)
Были выбраны следующие значения сопротивлений: Я3 = 100 Ом, Я4 = 91 кОм.
Внимательнее проанализировав схему, представленную на рис.2, можно прийти к заключению, что при постоянных значениях сопротивлений Я2 и Я3 изменение значения сопротивления Я4 приведет к изменению значения коэффициента усиления (т.е. крутизны передаточной характеристики усилителя), а изменение значения сопротивления Я1 — к смещению этой характеристики. Иными словами, поставив вместо постоянных сопротивлений Я1 и Я4 переменные, появляется возможность на этапе настройки изделия получить необходимую передаточную характеристику (заданный диапазон выходных напряжений).
Для подтверждения вышесказанного предположения был собран макет усилителя (рис.3) согласно схеме, представленной на рис.2. Вместо резисторов Я1 и Я4 были использованы группы резисторов — постоянный-переменный, исходя из условия Я = Яном ± Яном/2. В качестве операционного усилителя была использована микросхема МСР602, напряжение питание 5 В и опорное напряжение иг^ = 3,3 В обеспечивались источниками питания АКИП-1101. Входной сигнал и1П обеспечивался генератором сигналов АКИП-3407/4А и представлял собой меандр с частотой 1 кГц, смещением 0 В, амплитуду импульсов изменяли от 33 мВ до 42 мВ. Полученные в результате эксперимента данные хорошо совпадают с данными расчета и подтверждают предположение о возможности регулировки передаточной характеристики.
Рис.3. Макет усилителя с регулируемой передаточной характеристикой
В лабораторных условиях согласно структурной схеме, представленной на рис. 1, был собран МЭ-датчик тока (рис.4), реализующий вышерассмотрен-ное схемотехническое решение усилителя с управляемой передаточной характеристикой.
а)
б)
Рис.4. МЭ-датчик тока: а) плата с генератором усилителем и детектором: 1 — сопротивление R4; 2 - сопротивление R1; б) магнитоэлектрический датчик тока: 1 — токовая шина; 2 — магнитоэлектрический элемент
Рис.5. Зависимость выходного напряжения МЭ-датчика тока от силы электрического тока в измерительной шине
Экспериментальные данные
Измерительный стенд включал в себя два источника питания постоянного тока АКИП-1101 и осциллограф Tektronix TDS-1001. Была измерена зависимость выходного напряжения МЭ-датчика тока от электрического тока, пропускаемого по измерительной шине, приведенная на рис.5. Погрешность измерений составила менее 1%. Чувствительность представленного магнитоэлектрического датчика тока составила 664 мВ/А.
Заключение
Разработан датчик электрического тока, в основе которого используется МЭ-эффект, с улучшенной схемой обработки сигнала. Данное схемотехническое решение позволяет на этапе сборки устройства задавать необходимый диапазон выходных напряжений, исходя из решаемых задач на детектирование необходимого диапазона электрических токов. При этом сводятся к минимуму изменения схемы обработки сигнала МЭ-элемента, а следовательно, минимизируются ре-
сурсные затраты. Данное решение также создает возможность серийного производства изделий с одинаковыми выходными характеристиками.
Работа выполнена при поддержке проектной части государственного задания в сфере научной деятельности по проекту №3.1639.2014/К.
1. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и метгласа [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2012. №№1. URL: www.science-education.ru/101-5367.
2. Петров Р.В., Леонтьев В.С. Магнитоэлектрический магнитометр // Вестник НовГУ. Сер.: Тех. науки. 2013. №75 Т.1. С.29-31.
3. Соловьев И.Н., Бичурин М.И. Низкочастотный магнитоэлектрический датчик тока // Там же. С.35-36.
4. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Сринива-сан Г. Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах. В.Новгород: НовГУ, 2005. 226 с.
5. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех. М.: Додэка-XXI. 2011. C.46.
References
1. Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Is-sledovanie magnitoelektricheskikh sensorov na osnove p'ezokeramiki TsTS i metglasa [Magnetoelectric microwave devices for phased array]. Sovremennye problemy nauki i ob-razovaniia - Modern problems of science and education, 2012, no. 1. Available at: www.science-education.ru/101-5367.
2. Petrov R.V., Leont'ev V.S. Magnitoelektricheskii magnito-metr [Magnetoelectric magnetometer]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2013, no. 75, vol. 1, pp. 29-31.
3. Solov'ev I.N., Bichurin M.I. Nizkochastotnyi magnitoelektricheskii datchik toka [Low frequency magnetoelectric current sensor]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2013, no. 75, vol. 1, pp. 35-36.
4. Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A., Srinivasan G. Magnitoelektricheskii effekt v kompozitsionnykh materialakh [Magnetoelectric effect in composite material]. Velikii Novgorod, NovSU Publ., 2005. 226 p.
5. Karter B., Manchini R. Operatsionnye usiliteli dlia vsekh [Across-the-board operating amplifiers]. Moscow, "Dodeka-XXI" Publ., 2011, p. 46.
