ВВЕДЕНИЕ 3
1. МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ 4
1.1. Магнитометрический метод 4
1.2. Индукционный и пондеромоторный методы 5
1.3. Баллистический метод 5
1.4. Пондеромоторный метод 5
2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ 6
2.1. Пермеаметр 6
2.2. Коэрцитиметр 7
2.3. Коэрцитивный спектрометр 8
2.3.1. Принцип работы устройства 9
2.3.2. Калибровка прибора 10
2.3.3. Блоки управления и сбора данных 11
3. ПРЕДЛАГАЕМАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ КОЭРЦИТИВНОГО СПЕКТРОМЕТРА 14
3.1. Аппаратурная модернизация 15
3.1.1. Замена аналого-цифровых преобразователей 15
3.1.2. Замена цифро-аналоговых преобразователей 17
3.1.3. Беспроводной канал Bluetooth 17
3.2. Программная модернизация 18
3.2.1. Описание работы программного обеспечения 20
3.2.2. Работа с электромагнитом 22
3.2.3. Построение маски 23
3.2.4. Снятие зависимости магнитных свойств образца от напряженности магнитного поля 27
3.3. Вейвлет-фильтрация 31
4. Анализ выходных данных по результатам модернизации 34
4.1. Результаты измерений классическим методом 34
4.2. Сравнение вейвлет-преобразования с классической системой обработки
данных 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 44
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Коэрцитивный спектрометр - устройство, относящееся к области магнитных измерений и предназначенное для изучения магнитного гистерезиса индуктивной и остаточной намагниченностей, коэрцитивных спектров и магнитного последействия различных твердых, сыпучих и вязко-пластичных веществ, в том числе горных пород и промышленных материалов в области геологии, геофизики, экологии, а также в области исследования новых веществ и материалов [1].
Целью данного проекта является обновление системы управления и блока сбора данных коэрцитивного спектрометра на современной элементной базе и внедрение новых способов обработки данных спектрометра.
Усовершенствование системы управления позволит улучшить качество обнаружения полезного сигнала, повысить соотношение сигнал-шум, упростить труд оператора системы и полностью автоматизировать систему получения и обработки конечных результатов спектрометра.
Для реализации поставленной цели потребовалось решить ряд следующих задач:
• Разработка управляющей системы на современной элементной базе;
• Создание специального программного обеспечения;
• Модернизация и автоматизация метода обработки данных;
• Модернизация системы передачи данных;
В результате проделанной работы было показано, что модернизация системы сбора данных коэрцитивного спектрометра, путем замены использовавшихся 12 разрядных аналого-цифровых преобразователей на более современные 24 разрядные АЦП, повысила динамический диапазон в 1.5 раза, что в свою очередь позволило проводить измерения любых образцов без использования блока переключаемых аттенюаторов, понижая шум и упрощая управление системы. Также данная модернизация позволила повысить точность проводимых измерений.
Аппаратная модернизация системы управления (замена использовавшегося 12 разрядного цифро-аналогового преобразователя на 20 разрядный двуполярный ЦАП) позволила увеличить количество ступеней пошагового намагничивания электромагнита и позволит в дальнейшем ликвидировать блок переключения полярности электромагнита.
Программная модернизация системы управления, заключающаяся в полном переносе обработки полученных результатов в контроллер STM32F407, решила главную проблему предыдущей версии устройства, связанную с потерей данных при их передачи на компьютер, уменьшив объем передаваемой информации за полный цикл работы в 150 раз и увеличив временное окно между пакетами.
Также было показано, что используя современный метод обработки данных на основе вейвлет-преобразования, можно полностью автоматизировать процесс выделения полезного сигнала на фоне шумов близких в спектральной области и соотношении сигнал-шум, близком к единице. Проведя сравнение данного метода обработки данных с классическим, были получены средние значения коэффициентов пропорциональности методов. Они составили 1.0389 для датчика индуктивной намагниченности и 1.0011 для датчика остаточной намагниченности. Проведённые измерения показали хорошее соответствие методов, которое в дальнейшем необходимо подтвердить в сериях контрольных экспериментов. Применение предлагаемого метода позволит улучшить качество обнаружения полезного сигнала и повысить соотношение сигнал-шум.
Добавление беспроводного Bluetooth канала передачи данных находится на стадии написания программного обеспечения для платформы Android. Данная модернизация позволит отображать готовые результаты на мобильных устройствах и планшетах, открыв новые возможности в управлении коэрцитивным спектрометром и упростив работу оператора в полевых условиях. Также планируется создание USB Bluetooth модуля, который позволит работать со спектрометром по беспроводному каналу связи на компьютере.
