📄Работа №201380
Тема: RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХСЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Тип работы
Диссертация
Предмет
физика
Объем:
199 листов
Год:
2022
Просмотров:
55
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ СВЕРХСЛАБЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 12
1.1 Датчики для измерения сверхслабых магнитных полей 12
1.2 СКВИД-магнитометры 18
1.3 Квантовые магнитометры с оптической накачкой 19
1.4 Флюксометры 21
1.5 Датчики на магниторезистивных эффектах 22
1.5.1 АМР магнитометры 22
1.5.2 ГМР магнитометры 23
1.5.3 ТМР магнитометры 25
1.6 ГМИ магнитометр 27
1.7 Магнитоэлектрические магнитометры 28
1.8 Резонансные оптомеханические магнитометры 29
1.9 Магнитометр на основе спин-волнового интерферометра 30
1.10 Магнитометры на основе азотно-замещенной вакансии в алмазе
(NV-центр) 31
1.11 Датчики на основе эффекта Холла 33
1.12 Магнитоупругие магнитометры 34
1.13 Феррозонды 35
1.14 Сравнение датчиков сверхслабых магнитных полей 36
1.15 Пути совершенствования феррозондов 37
1.16 Выводы к главе 1 49
ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 51
2.1 Математическая модель RTD-феррозонда 51
2.1.1 Кривая намагниченности ферромагнитного сердечника 52
2.1.2 Аналитическое описание работы RTD-феррозондового преобразователя 53
2.2 Экспресс-калькулятор RTD-феррозонда 69
2.3 Конечно-элементная модель RTD-феррозонда 72
2.4 Выводы к главе 2 84
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ 85
3.1 Разработка конструкций RTD-феррозондовых датчиков 85
3.2 Моделирование конструкций RTD-феррозондовых датчиков 92
3.3 Изготовление RTD-феррозондовых преобразователей 119
3.4 Выводы к главе 3 130
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ 131
4.1 Установка для создания измеряемого магнитного поля 131
4.2. Возбуждение RTD-феррозондовых датчиков 133
4.3. Обработка выходного сигнала RTD-феррозондовых датчиков 135
4.4 Экспериментальные исследования изготовленных образцов
RTD-феррозондов 139
4.5. Проверка возможности измерения сложного сигнала 171
4.6 Выводы к главе 4 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176
Список используемой литературы 178
Приложение А 192
Приложение Б. Акты внедрения результатов диссертационной работы 193
ГЛАВА 1. ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ СВЕРХСЛАБЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 12
1.1 Датчики для измерения сверхслабых магнитных полей 12
1.2 СКВИД-магнитометры 18
1.3 Квантовые магнитометры с оптической накачкой 19
1.4 Флюксометры 21
1.5 Датчики на магниторезистивных эффектах 22
1.5.1 АМР магнитометры 22
1.5.2 ГМР магнитометры 23
1.5.3 ТМР магнитометры 25
1.6 ГМИ магнитометр 27
1.7 Магнитоэлектрические магнитометры 28
1.8 Резонансные оптомеханические магнитометры 29
1.9 Магнитометр на основе спин-волнового интерферометра 30
1.10 Магнитометры на основе азотно-замещенной вакансии в алмазе
(NV-центр) 31
1.11 Датчики на основе эффекта Холла 33
1.12 Магнитоупругие магнитометры 34
1.13 Феррозонды 35
1.14 Сравнение датчиков сверхслабых магнитных полей 36
1.15 Пути совершенствования феррозондов 37
1.16 Выводы к главе 1 49
ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 51
2.1 Математическая модель RTD-феррозонда 51
2.1.1 Кривая намагниченности ферромагнитного сердечника 52
2.1.2 Аналитическое описание работы RTD-феррозондового преобразователя 53
2.2 Экспресс-калькулятор RTD-феррозонда 69
2.3 Конечно-элементная модель RTD-феррозонда 72
2.4 Выводы к главе 2 84
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ 85
3.1 Разработка конструкций RTD-феррозондовых датчиков 85
3.2 Моделирование конструкций RTD-феррозондовых датчиков 92
3.3 Изготовление RTD-феррозондовых преобразователей 119
3.4 Выводы к главе 3 130
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
RTD-ФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ 131
4.1 Установка для создания измеряемого магнитного поля 131
4.2. Возбуждение RTD-феррозондовых датчиков 133
4.3. Обработка выходного сигнала RTD-феррозондовых датчиков 135
4.4 Экспериментальные исследования изготовленных образцов
RTD-феррозондов 139
4.5. Проверка возможности измерения сложного сигнала 171
4.6 Выводы к главе 4 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176
Список используемой литературы 178
Приложение А 192
Приложение Б. Акты внедрения результатов диссертационной работы 193
📖 Введение
Актуальность темы
Измерение сверхслабых магнитных полей (менее 20 мкТл) является одной из важнейших задач в области передовых цифровых и медицинских технологий. Так, при построении квантового компьютера, требуется обеспечить измерение абсолютного значения магнитной индукции с точностью до 100 пТл в широком диапазоне температур, вплоть до 50 мК при тепловыделении менее 100 мкВт. В медицинской диагностике и исследовании биосигналов человека диапазон измерения магнитной индукции варьируется от десятков нТл до долей пТл. Для измерения сверхслабых магнитных полей традиционно применяются СКВИДы, магнитометры с оптической накачкой, магнитометры на основе азотно-замещенной вакансии и феррозондовые датчики. За исключением феррозондов, все перечисленные выше магнитометры являются громоздкими, дорогими и требующими специальных условий эксплуатации устройствами.
Благодаря своему принципу действия, феррозонды являются достаточно простыми технологически и недорогими датчиками, имеющими потенциал совершенствования с точки зрения повышения чувствительности, миниатюризации и пространственного разрешения для измерения трехмерной картины распространения магнитных полей.
Совершенствование феррозондов может идти по трем направлениям: миниатюризации и оптимизация геометрии преобразователя; совершенствование способов возбуждения и обработки измерительной информации; применения новых материалов в качестве магнитного сердечника феррозонда. В последние годы, существует тенденция отказа от моточных феррозондов в пользу планарных, выполненных по технологии микроэлектромеханических систем или по технологии травления печатных плат. Однако, по своим метрологическим характеристикам они, в большинстве своем, уступают традиционным моточным датчикам.
В начале 2000-х годов появились исследования по созданию феррозондов, основанных не на измерении амплитуды второй гармоники в выходном сигнале феррозонда, а на измерении разности временных интервалов между максимальным и минимальным значениями амплитуды ЭДС в выходном сигнале феррозонда за один период. В мировой литературе разность временных интервалов между максимальным и минимальным значениями амплитуды ЭДС за один период получила сокращенное обозначение RTD (от. англ. residence times difference - разница во времени пребывания). Эффект появления разности временных интервалов обусловлен тем, что при возбуждении феррозонда переменным током синусоидальной формы и отсутствии внешнего измеряемого магнитного поля, сердечник намагничен в обоих направлениях симметрично. Однако, при появлении внешнего измеряемого магнитного поля сердечник будет сохранять намагниченность одного из знаков дольше, чем противоположного знака за один период сигнала возбуждения. Тогда выходной сигнал RTD-феррозонда будет иметь временное смещение относительно середины периода. Разность временных интервалов между минимальным и максимальным значениями ЭДС выходного сигнала прямо пропорционально зависит от измеряемого внешнего магнитного поля, а знак этой разности указывает на направление магнитного поля относительно оси чувствительности феррозонда.
RTD-феррозонды являются перспективными датчиками для измерения сверхслабых полей с возможностью минимизации тепловыделения за счет снижения амплитуды тока возбуждения и применения планарных технологий изготовления.
Так как RTD-феррозонды появились сравнительно недавно, в отечественных и зарубежных публикациях отсутствуют полноценные математические модели, описывающие их работу в зависимости от параметров тока возбуждения и формы кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
Целью диссертационной работы является разработка подробной математической модели, конечно-элементный анализ, практическая реализация и экспериментальное исследование конструкций RTD-феррозондовых датчиков для измерения сверхслабых магнитных полей.
В соответствии с поставленной целью, были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработка аналитической модели RTD-феррозонда, связывающей параметры тока возбуждения с ЭДС, наводимой в измерительной обмотке, и учитывающей аналитическое описание кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
2. Анализ работы RTD-феррозонда с учетом параметров тока возбуждения, амплитуды измеряемого магнитного поля и параметров кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
3. Разработка конструкций RTD-феррозондов на основе предложенной аналитической модели с использованием технологии печатных плат, и проведение их конечно-элементного анализа.
4. Изготовление и экспериментальные исследования RTD-феррозондов при измерении сверхслабых постоянных магнитных полей и магнитных полей, имитирующих магнитное поле сердца человека.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электромагнитного поля, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты Mathcad, Multisim, Comsol и LabVIEW.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации RTD-феррозондовых датчиков с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодические поверку и калибровку.
Научная новизна работы
1. Получены аналитические выражения для расчета разности временных интервалов между пиками ЭДС выходного сигнала RTD-феррозонда в зависимости от амплитуды и частоты тока возбуждения и формы кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
2. Предложена методика конечно-элементного анализа конструкций RTD-феррозонда для заданных параметров: геометрия сердечника, амплитуда и частота тока возбуждения, форма петли гистерезиса ферромагнитного сердечника; и на его основе предложены варианты конструкций планарных RTD-феррозондов.
3. Реализованы и экспериментально исследованы предложенные конструкции планарных RTD-феррозондов с коэффициентом преобразования до 0,464 мкс/мкТл для измерения сверхслабых постоянных магнитных полей и переменных магнитных полей сложной формы, имитирующих биосигналы.
Практическая ценность работы. Разработанные в ходе диссертационных исследований аналитическая модель и методика конечно-элементного анализа могут найти широкое применение при проектировании высокочувствительных RTD-феррозондов. Разработанные конструкции
RTD-феррозондов могут найти применение в системах магнитного вакуума и биомагнитных исследованиях, а также в составе систем навигации, ориентации и стабилизации робототехнических комплексов как наземного, так подводного и космического назначения, в системах экранирования квантовых компьютеров, при поиске и обнаружении магнитных аномалий .
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих НИР:
• Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК- 873.2020.8 «Высокочувствительные средства сравнения для передачи единиц физических величин», 2020-2021 гг.
• Грант РФФИ № 19-37-90061 «Планарный феррозондовый преобразователь для магнитокардиографии», 2019-2021 гг.
• Грант РНФ № 17-79-10083 «Планарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера», 2017-2019 гг.
• Грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», № 14.578.21.0232 «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг.
Результаты работы также используются: в ООО «Лорге Медикал» при реализации проекта по созданию медицинских систем для биомагнитных исследований; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложенные на основе математического анализа
RTD-феррозондов обобщенные аналитические выражения позволяют рассчитать временные интервалы в выходном сигнале датчика с учетом параметров тока возбуждения, амплитуды измеряемого магнитного поля и характеристик кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
2. Использование разработанной методики конечно-элементного анализа позволяет проводить оценку амплитуды выходного сигнала, разности временных интервалов, коэффициента преобразования и рабочего диапазона измерений для различных конструкций RTD-феррозонда, при заданных амплитуде и частоте тока возбуждения и форме петли гистерезиса ферромагнитного сердечника.
3. Разработанные RTD-феррозонды позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля сложной формы с коэффициентом преобразования до 0,464 мкс/мкТл в диапазоне от 100 нТл до 15 мкТл и относительной погрешностью не более 3,2 %.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• VIII International Scientific and Practical Conference Information and Measuring Equipment and Technologies (IME&T 2017), г. Томск, 2017 г.;
• VI Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2018 г.;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2018), г. Новосибирск, 2018 г.;
• III International Conference Cognitive Robotics, г. Томск, 2018 г.;
• XXII IMEKO World Congress, г. Белфаст, Великобритания, 2018 г.;
• International Conference on Electrical Engineering, Control and Robotics (EECR 2018), г. Чэнду, Китай, 2018 г.
• XIII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2019), г. Новосибирск, 2019 г.;
• IV Международная научно-практическая конференция «Инновации в технике и технологиях (ИТТ-2021), г. Великий Новгород, 2021 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 11 публикациях: 7 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science (WoS) и Scopus; 3 статьи в рецензируемых научных сборниках трудов международных и российских конференций; 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и приложений. Работа содержит 195 страниц основного текста, включая 132 рисунка и 37 таблиц.
В первой главе дан обзор современных датчиков для измерения сверхслабых магнитных полей, применяемых для измерения биомагнитных сигналов и остаточного магнитного поля в системах магнитного вакуума квантового компьютера. Описаны сверхпроводящие квантовые интерферометры, магнитометры с оптической накачкой, флюксометры, магниторезистивные, магнитоэлектрические, оптомеханические, магнитоупругие преобразователи, магнитометры на основе азотно-замещенной вакансии в алмазе и спин-волнового интерферометра. Особое внимание уделено перспективным решениям в феррозондовых датчиках.
Во второй главе проведен математический анализ работы RTD-феррозондового преобразователя. Предложена математическая модель RTD-феррозонда, связывающая параметры тока возбуждения с ЭДС, наводимой в измерительной обмотке с учетом аналитического описания кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Описана разработанная программа экспресс-калькулятора для оценки характеристик RTD-феррозонда при различных наборах входных параметров и методика конечно-элементного анализа RTD-феррозонда, позволяющая провести моделирование работы датчика в зависимости от конструктивных особенностей и свойств всех материалов, входящих в конструкцию.
В третьей главе приведено описание шести разработанных конструкций RTD-феррозондовых датчиков. Проведен конечно-элементный анализ в среде мультифизического моделирования Comsol Multiphysics предложенных конструкций. На основании результатов моделирования сделаны выводы о необходимых параметрах тока возбуждения для рассматриваемых форм сердечников с учетом геометрических особенностей датчиков. Приведено описание процедуры изготовления макетных образцов RTD-феррозондовых датчиков по технологии печатных плат.
В четвертой главе приведено описание установки для создания измеряемого магнитного поля, схемы возбуждения RTD-феррозондовых датчиков, схемы и программного обеспечения для обработки и анализа измерительной информации с RTD-феррозондов. Для каждого изготовленного образца приводятся результаты определения чувствительности и диапазона измерений магнитной индукции в зависимости от амплитуды и частоты тока возбуждения, оценивается возможность измерения биосигналов на примере магнитокардиограммы.
Измерение сверхслабых магнитных полей (менее 20 мкТл) является одной из важнейших задач в области передовых цифровых и медицинских технологий. Так, при построении квантового компьютера, требуется обеспечить измерение абсолютного значения магнитной индукции с точностью до 100 пТл в широком диапазоне температур, вплоть до 50 мК при тепловыделении менее 100 мкВт. В медицинской диагностике и исследовании биосигналов человека диапазон измерения магнитной индукции варьируется от десятков нТл до долей пТл. Для измерения сверхслабых магнитных полей традиционно применяются СКВИДы, магнитометры с оптической накачкой, магнитометры на основе азотно-замещенной вакансии и феррозондовые датчики. За исключением феррозондов, все перечисленные выше магнитометры являются громоздкими, дорогими и требующими специальных условий эксплуатации устройствами.
Благодаря своему принципу действия, феррозонды являются достаточно простыми технологически и недорогими датчиками, имеющими потенциал совершенствования с точки зрения повышения чувствительности, миниатюризации и пространственного разрешения для измерения трехмерной картины распространения магнитных полей.
Совершенствование феррозондов может идти по трем направлениям: миниатюризации и оптимизация геометрии преобразователя; совершенствование способов возбуждения и обработки измерительной информации; применения новых материалов в качестве магнитного сердечника феррозонда. В последние годы, существует тенденция отказа от моточных феррозондов в пользу планарных, выполненных по технологии микроэлектромеханических систем или по технологии травления печатных плат. Однако, по своим метрологическим характеристикам они, в большинстве своем, уступают традиционным моточным датчикам.
В начале 2000-х годов появились исследования по созданию феррозондов, основанных не на измерении амплитуды второй гармоники в выходном сигнале феррозонда, а на измерении разности временных интервалов между максимальным и минимальным значениями амплитуды ЭДС в выходном сигнале феррозонда за один период. В мировой литературе разность временных интервалов между максимальным и минимальным значениями амплитуды ЭДС за один период получила сокращенное обозначение RTD (от. англ. residence times difference - разница во времени пребывания). Эффект появления разности временных интервалов обусловлен тем, что при возбуждении феррозонда переменным током синусоидальной формы и отсутствии внешнего измеряемого магнитного поля, сердечник намагничен в обоих направлениях симметрично. Однако, при появлении внешнего измеряемого магнитного поля сердечник будет сохранять намагниченность одного из знаков дольше, чем противоположного знака за один период сигнала возбуждения. Тогда выходной сигнал RTD-феррозонда будет иметь временное смещение относительно середины периода. Разность временных интервалов между минимальным и максимальным значениями ЭДС выходного сигнала прямо пропорционально зависит от измеряемого внешнего магнитного поля, а знак этой разности указывает на направление магнитного поля относительно оси чувствительности феррозонда.
RTD-феррозонды являются перспективными датчиками для измерения сверхслабых полей с возможностью минимизации тепловыделения за счет снижения амплитуды тока возбуждения и применения планарных технологий изготовления.
Так как RTD-феррозонды появились сравнительно недавно, в отечественных и зарубежных публикациях отсутствуют полноценные математические модели, описывающие их работу в зависимости от параметров тока возбуждения и формы кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
Целью диссертационной работы является разработка подробной математической модели, конечно-элементный анализ, практическая реализация и экспериментальное исследование конструкций RTD-феррозондовых датчиков для измерения сверхслабых магнитных полей.
В соответствии с поставленной целью, были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработка аналитической модели RTD-феррозонда, связывающей параметры тока возбуждения с ЭДС, наводимой в измерительной обмотке, и учитывающей аналитическое описание кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
2. Анализ работы RTD-феррозонда с учетом параметров тока возбуждения, амплитуды измеряемого магнитного поля и параметров кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
3. Разработка конструкций RTD-феррозондов на основе предложенной аналитической модели с использованием технологии печатных плат, и проведение их конечно-элементного анализа.
4. Изготовление и экспериментальные исследования RTD-феррозондов при измерении сверхслабых постоянных магнитных полей и магнитных полей, имитирующих магнитное поле сердца человека.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электромагнитного поля, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты Mathcad, Multisim, Comsol и LabVIEW.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации RTD-феррозондовых датчиков с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодические поверку и калибровку.
Научная новизна работы
1. Получены аналитические выражения для расчета разности временных интервалов между пиками ЭДС выходного сигнала RTD-феррозонда в зависимости от амплитуды и частоты тока возбуждения и формы кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
2. Предложена методика конечно-элементного анализа конструкций RTD-феррозонда для заданных параметров: геометрия сердечника, амплитуда и частота тока возбуждения, форма петли гистерезиса ферромагнитного сердечника; и на его основе предложены варианты конструкций планарных RTD-феррозондов.
3. Реализованы и экспериментально исследованы предложенные конструкции планарных RTD-феррозондов с коэффициентом преобразования до 0,464 мкс/мкТл для измерения сверхслабых постоянных магнитных полей и переменных магнитных полей сложной формы, имитирующих биосигналы.
Практическая ценность работы. Разработанные в ходе диссертационных исследований аналитическая модель и методика конечно-элементного анализа могут найти широкое применение при проектировании высокочувствительных RTD-феррозондов. Разработанные конструкции
RTD-феррозондов могут найти применение в системах магнитного вакуума и биомагнитных исследованиях, а также в составе систем навигации, ориентации и стабилизации робототехнических комплексов как наземного, так подводного и космического назначения, в системах экранирования квантовых компьютеров, при поиске и обнаружении магнитных аномалий .
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих НИР:
• Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК- 873.2020.8 «Высокочувствительные средства сравнения для передачи единиц физических величин», 2020-2021 гг.
• Грант РФФИ № 19-37-90061 «Планарный феррозондовый преобразователь для магнитокардиографии», 2019-2021 гг.
• Грант РНФ № 17-79-10083 «Планарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера», 2017-2019 гг.
• Грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», № 14.578.21.0232 «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг.
Результаты работы также используются: в ООО «Лорге Медикал» при реализации проекта по созданию медицинских систем для биомагнитных исследований; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложенные на основе математического анализа
RTD-феррозондов обобщенные аналитические выражения позволяют рассчитать временные интервалы в выходном сигнале датчика с учетом параметров тока возбуждения, амплитуды измеряемого магнитного поля и характеристик кривой намагничивания ферромагнитного сердечника.
2. Использование разработанной методики конечно-элементного анализа позволяет проводить оценку амплитуды выходного сигнала, разности временных интервалов, коэффициента преобразования и рабочего диапазона измерений для различных конструкций RTD-феррозонда, при заданных амплитуде и частоте тока возбуждения и форме петли гистерезиса ферромагнитного сердечника.
3. Разработанные RTD-феррозонды позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля сложной формы с коэффициентом преобразования до 0,464 мкс/мкТл в диапазоне от 100 нТл до 15 мкТл и относительной погрешностью не более 3,2 %.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• VIII International Scientific and Practical Conference Information and Measuring Equipment and Technologies (IME&T 2017), г. Томск, 2017 г.;
• VI Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2018 г.;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2018), г. Новосибирск, 2018 г.;
• III International Conference Cognitive Robotics, г. Томск, 2018 г.;
• XXII IMEKO World Congress, г. Белфаст, Великобритания, 2018 г.;
• International Conference on Electrical Engineering, Control and Robotics (EECR 2018), г. Чэнду, Китай, 2018 г.
• XIII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2019), г. Новосибирск, 2019 г.;
• IV Международная научно-практическая конференция «Инновации в технике и технологиях (ИТТ-2021), г. Великий Новгород, 2021 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 11 публикациях: 7 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science (WoS) и Scopus; 3 статьи в рецензируемых научных сборниках трудов международных и российских конференций; 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и приложений. Работа содержит 195 страниц основного текста, включая 132 рисунка и 37 таблиц.
В первой главе дан обзор современных датчиков для измерения сверхслабых магнитных полей, применяемых для измерения биомагнитных сигналов и остаточного магнитного поля в системах магнитного вакуума квантового компьютера. Описаны сверхпроводящие квантовые интерферометры, магнитометры с оптической накачкой, флюксометры, магниторезистивные, магнитоэлектрические, оптомеханические, магнитоупругие преобразователи, магнитометры на основе азотно-замещенной вакансии в алмазе и спин-волнового интерферометра. Особое внимание уделено перспективным решениям в феррозондовых датчиках.
Во второй главе проведен математический анализ работы RTD-феррозондового преобразователя. Предложена математическая модель RTD-феррозонда, связывающая параметры тока возбуждения с ЭДС, наводимой в измерительной обмотке с учетом аналитического описания кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Описана разработанная программа экспресс-калькулятора для оценки характеристик RTD-феррозонда при различных наборах входных параметров и методика конечно-элементного анализа RTD-феррозонда, позволяющая провести моделирование работы датчика в зависимости от конструктивных особенностей и свойств всех материалов, входящих в конструкцию.
В третьей главе приведено описание шести разработанных конструкций RTD-феррозондовых датчиков. Проведен конечно-элементный анализ в среде мультифизического моделирования Comsol Multiphysics предложенных конструкций. На основании результатов моделирования сделаны выводы о необходимых параметрах тока возбуждения для рассматриваемых форм сердечников с учетом геометрических особенностей датчиков. Приведено описание процедуры изготовления макетных образцов RTD-феррозондовых датчиков по технологии печатных плат.
В четвертой главе приведено описание установки для создания измеряемого магнитного поля, схемы возбуждения RTD-феррозондовых датчиков, схемы и программного обеспечения для обработки и анализа измерительной информации с RTD-феррозондов. Для каждого изготовленного образца приводятся результаты определения чувствительности и диапазона измерений магнитной индукции в зависимости от амплитуды и частоты тока возбуждения, оценивается возможность измерения биосигналов на примере магнитокардиограммы.
✅ Заключение
1. Разработана аналитическая модель RTD-феррозонда, связывающая параметры тока возбуждения с ЭДС наводимой в измерительной обмотке и учитывающей аналитическое описание кривой намагничивания ферромагнитного сердечника для расчета временных интервалов прямо пропорциональных измеряемой магнитной индукции.
2. Разработана методика конечно-элементного анализа RTD- феррозондов в зависимости от геометрии датчика, амплитуды и частоты тока возбуждения и учитывающая форму петли гистерезиса ферромагнитного сердечника.
3. На основе предложенных решений, спроектированы, промоделированы и экспериментально исследованы варианты конструкций планарных RTD-феррозондов, которые позволяют измерять индукцию постоянного магнитного поля с коэффициентом преобразования до 0,464 мкс/мкТ в диапазоне от 100 нТл до 15 мкТл и относительной погрешностью не более 3,2 %.
4. Экспериментально показана принципиальная возможность измерения разработанным RTD-феррозондовым датчиком биосигналов на примере магнитокардиограммы.
5. Результаты диссертационной работы были использованы при
выполнении НИР: Грант Президента Российской Федерации для
государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-873.2020.8 «Высокочувствительные средства сравнения для передачи единиц физических величин», 2020-2021 гг.; Грант РФФИ № 19-37-90061 «Планарный феррозондовый преобразователь для магнитокардиографии», 2019-2021 гг; Грант РНФ № 17-79-10083 «Планарный феррозондовый
преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера», 2017-2019 гг.; Грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», № 14.578.21.0232 «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг.
6. Разработанные аналитические выражения и методика конечноэлементного анализа конструкций RTD-феррозондов используются в ООО «Лорге Медикал» при реализации проекта по созданию медицинских систем для биомагнитных исследований и в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета, что подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.
2. Разработана методика конечно-элементного анализа RTD- феррозондов в зависимости от геометрии датчика, амплитуды и частоты тока возбуждения и учитывающая форму петли гистерезиса ферромагнитного сердечника.
3. На основе предложенных решений, спроектированы, промоделированы и экспериментально исследованы варианты конструкций планарных RTD-феррозондов, которые позволяют измерять индукцию постоянного магнитного поля с коэффициентом преобразования до 0,464 мкс/мкТ в диапазоне от 100 нТл до 15 мкТл и относительной погрешностью не более 3,2 %.
4. Экспериментально показана принципиальная возможность измерения разработанным RTD-феррозондовым датчиком биосигналов на примере магнитокардиограммы.
5. Результаты диссертационной работы были использованы при
выполнении НИР: Грант Президента Российской Федерации для
государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-873.2020.8 «Высокочувствительные средства сравнения для передачи единиц физических величин», 2020-2021 гг.; Грант РФФИ № 19-37-90061 «Планарный феррозондовый преобразователь для магнитокардиографии», 2019-2021 гг; Грант РНФ № 17-79-10083 «Планарный феррозондовый
преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера», 2017-2019 гг.; Грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», № 14.578.21.0232 «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг.
6. Разработанные аналитические выражения и методика конечноэлементного анализа конструкций RTD-феррозондов используются в ООО «Лорге Медикал» при реализации проекта по созданию медицинских систем для биомагнитных исследований и в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета, что подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.