Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015
Скачать 2.37 Mb.
|
    Министерство обороны Российской ФедерацииМинистерство промышленности и энергетики Саратовской области ПАО «Тантал», ОАО «Институт критических технологий» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского» Решением Президиума ВАК Министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени доктора и кандидата наук Гетеромагнитная микроэлектроника Сборник научных трудов Выпуск 19 Гетеромагнитная микро- и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015 УДК 621.382.029.6 ББК 548.537.611.44 Г44
В настоящем выпуске сборника представлены материалы по гетеромагнитной микроэлектронике, моделированию усилителей, исследованию тепловых процессов, преобразованию данных в вычислительной технике, методическим аспектам физического образования, инновациям в промышленности и глобальной экономике. Для специалистов-разработчиков, экспертов, работающих в области микро- и наноэлектроники, а также докторантов, аспирантов и студентов. Редакционная коллегия: А. А. Игнатьев, д-р физ.-мат. наук, проф. (отв. редактор); М. Н. Куликов, канд. физ.-мат. наук, проф. (зам. отв. редактора); Л. Л. Страхова, канд. физ.-мат. наук, доц. (отв. секретарь); С. Ю. Глазьев, д-р экон. наук, проф., акад. РАН; В. И. Борисов, д-р техн. наук, член-корр. РАН; С. А. Никитов, д-р физ.-мат. наук, проф., член-корр. РАН; О. С. Сироткин, д-р техн. наук, член-корр. РАН; О. Ю. Гордашникова, д-р экон. наук, проф.; А. Н. Плотников, д-р экон. наук, проф.; Е. А. Наумов, канд. экон. наук, проф., акад. РАЕН; Л. С. Сотов, д-р. техн. наук, проф.; А. А. Солопов, канд. экон. наук; С. П. Кудрявцева, канд. техн. наук, доц.; С. В. Овчинников, канд. физ.-мат. наук, доц.; В. А. Малярчук, канд. техн. наук., доц.; А. Л. Хвалин, д-р техн. наук, проф.; Б. А. Медведев, канд. физ.-мат. наук, доц.; Л. А. Романченко, канд. техн. наук, доц.; А. С. Краснощекова, зам. нач. КБ КТ по общим вопросам (референт ОАО «Институт критических технологий») УДК 621.382.029.6 ББК 548.537.611.44
Предисловие В уходящем 2015 г. все документы по сборнику научных трудов «Гетеромагнитная микроэлектроника» были переоформлены в соответствии с новыми требованиями ВАК РФ и прошли необходимую экспертизу. В сборнике, внесенном в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, с 1 декабря 2015 г. публикуются материалы, соответствующие рубрикам:
В настоящем выпуске сборника «Гетеромагнитная микроэлектроника» содержатся статьи, посвященные следующим вопросам:
В приложении приводятся материалы круглого стола по теме «Человек и свет в естественнонаучной и художественной картине мира».
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ удк 53.088.228 Исследование влияния температуры на смещение нуля выходного сигнала магниторезистивного датчика А. А. Игнатьев, Д. М. Спиридонов*, Л. И. Прокофьев** Саратовский государственный университет Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail: kof@sgu.ru *ОАО «Институт критических технологий» Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А E-mail: kbkt@renet.ru **ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» Россия, 603950, Нижний Новгород, ГСП-486, НИИИС E-mail: niiis@niiis.nnov.ru В работе представлены результаты разработки схемы цифрового магнитометра, построенного на базе отечественного аналогового магниторезистивного чувствительного элемента, оценено смещение нуля выходного сигнала в температурном диапазоне от –50°С до 50°С. Приведен пример компенсации смещения нуля выходного сигнала программно-алгоритмическим путем. Ключевые слова: магниторезистор, магнитометр, импортозамещение, смещение нуля, температура, температурный дрейф. Temperature Effects on Zero Offset Output Magnetoresistive Sensor А. A. Ignatiev, D. M. Spiridonov, L. I. Prokofiev The paper presents the results of a digital circuit magnetometer, built on the basis of domestic magnetoresistive analog sensor, rated zero offset output in the temperature range from –50°C to 50°C. An example of a zero offset compensation output software and algorithmic way. Key words: magnetoresistor, a magnetometer, import substitution, zero offset, temperature, temperature drift. Магниторезистивный эффект в общем случае представляет собой изменение электрического сопротивления материала, вызываемое магнитным полем. Существует несколько видов магниторезистивного эффекта. В данной статье речь пойдет о датчике, работающем на анизотропном магниторезистивном эффекте, который впервые был обнаружен в 1856 г. Уильямом Томсоном. Теория этого эффекта была построена в середине XX в. и в дальнейшем уточнялась и дополнялась. Анизотропный магниторезистивный эффект по своей природе является квантово-механическим и заключается в изменении сопротивления образца ферромагнитного материала в зависимости от угла направления вектора намагниченности образца по отношению к направлению протекания электрического тока через него, а также от величины напряженности воздействующего магнитного поля. Играет роль и то, под каким углом течет ток по отношению к некоторому выделенному направлению кристаллической решетки образца (ось легкого намагничивания), вдоль которого изначально ориентированы магнитные домены. Магниторезистивные чувствительные элементы, реализующие принцип анизотропного магниторезистивного эффекта, представляют собой интегральную схему, состоящую из подложки, на которой определенным образом сформированы четыре магниторезистора, объединенные в мост Уитстона и катушку индуктивности. Внешний вид и электрическая схема рассматриваемого магниторезистивного чувствительного элемента (МРЧЭ), разработанного в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова», представлены на рис. 1, где R1–R4 – магниторезисторы, образующие мост Уитстона, L1 – катушка индуктивности, Set/Reset – выводы питания катушки индуктивности, Uпит – выводы питания моста Уитстона, Uвых – выводы выходного напряжения. L1 +Set/Reset –Uвых +Uпит R1 R2 R3 R4 –Set/Reset –Uпит +Uвых а б Рис. 1. Магниторезистивный чувствительный элемент: а – внешний вид; б – электрическая схема Изменение сопротивления магниторезистора при изменении напряженности магнитного поля во всем измеряемом диапазоне не превосходит нескольких процентов от его номинального значения. В соответствии с этим изменение напряжения между выходами МРЧЭ также имеет небольшую величину (десятки милливольт) [1]. Для построения на таком элементе датчика магнитного поля, обладающего высокой разрешающей способностью и вместе с тем широким диапазоном измерения, необходимо использовать схему усиления, фильтрации и цифровой обработки сигнала. Для исследования влияния изменения температуры на выходной сигнал магниторезистивного датчика был разработан и изготовлен макет, включающий в себя МРЧЭ, схему усиления и оцифровки сигнала, а также микроконтроллер, системы перемагничивания и питания. Блок-схема макета, где ДУ – дифференциальный усилитель, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, МК – микроконтроллер, ДТ – датчик температуры, ФИП – формирователь импульсов перемагничивания, RS 485 – выходной интерфейс, ИОН – источник опорного напряжения, ИП – источник питания, Tx, Rx – сигнальные выводы, Uпит – вход напряжения питания, представлена на рис. 2. МРЧЭ ДУ + + – АЦП ФИП ДТ МК ИП ИОН Uпит Tx Rx RS 485 – Рис. 2. Блок-схема макета Сигнал с выхода МРЧЭ усиливается дифференциальным усилителем и подается на дифференциальный вход АЦП. Оцифрованный сигнал поступает в микроконтроллер, где могут быть реализованы различные алгоритмы фильтрации и компенсации смещения нуля. Для формирования контура обратной связи по температуре в схему включен интегральный датчик температуры [2]. Для компенсации эффекта разориентации доменной структуры МРЧЭ и снижения его чувствительности в схему включен формирователь импульсов перемагничивания, образующий мощные кратковременные импульсы тока через интегрированную в структуру МРЧЭ катушку индуктивности, восстанавливающие доменную структуру магниточувствительного материала. Источник опорного напряжения схемы используется для питания МРЧЭ высокостабильным напряжением и для формирования опорного напряжения АЦП. Источник питания осуществляет подачу напряжения на все остальные элементы схемы [3]. Для определения зависимости выходного сигнала от температуры в диапазоне –50°С до 50°С был проведен ряд экспериментов в климатической камере. В ходе каждого эксперимента климатическая камера прогревалась до 50°С, выдерживалась при этой температуре в течение 30 минут, после чего в течение 3 часов температура снижалась до –50°С, и камера выдерживалась 30 минут при этой температуре [4]. Зависимость выходного сигнала макета магнитометра от температуры T(°С) представлена на рис. 3. U, мВ 150 200 250 300 350 400 450 500 1 2 3 Т, оС –60 –40 –20 0 20 40 Рис. 3. Зависимость выходного сигнала от температуры: 1 – для схемы усиления и оцифровки; 2 – только для МРЧЭ; 3 – для измерительного канала Обработка полученных данных показала, что вид функций зависимости выходных сигналов во всех трех экспериментах имеет форму параболы, т. е. описывается уравнением полинома второй степени:
Численные значения коэффициентов a, b, c уравнения параболы для трех зависимостей приведены в таблице. Коэффициенты уравнения параболы
Изменение выходного сигнала в среднем составляет:
Для перевода полученных данных в единицы измерения выходного сигнала (нТл) воспользуемся соотношением, описывающим связь измеряемых электрических величин с величиной измеряемого параметра:
Температурный коэффициент составит:
Анализ полученных результатов выявил, что наибольший вклад в смещение нуля выходного сигнала, вызванное изменением температуры, вносит схема обработки и усиления сигнала. Во-первых, это собственный температурный дрейф элементов схемы, а во-вторых, дрейф МРЧЭ, обусловленный высоким коэффициентом усиления сигнала. Если исключить последний, то собственный температурный дрейф МРЧЭ составит 0,079нТл/°С. Таким образом, как один из вариантов минимизации смещения нуля выходного сигнала, вызванного изменением температуры, можно использовать схему усиления с меньшим коэффициентом усиления, а заданную разрешающую способность получить за счет применения АЦП с меньшим опорным напряжением или большим количеством значащих разрядов. Другим методом уменьшения температурного смещения нуля выходного сигнала является программная компенсация температурного дрейфа схемы. Поскольку результирующая кривая зависимости выходного сигнала от температуры имеет параболическую форму без ярко выраженных изломов, для программной компенсации этой зависимости воспользуемся следующей формулой:
где B – результирующий выходной сигнал измерительного канала после температурной компенсации, нТл; B0 – измеренный сигнал, переведенный в нТл с помощью формулы (2); T – температура измерительного канала, °С; b, c – коэффициенты уравнения параболы, вычисленные на основе проведенного эксперимента. Размерности коэффициентов нТл/°С и нТл/°С2 соответственно. Результат проведения программной компенсации зависимости выходного сигнала от температуры представлен на рис. 4. Среднеквадратическое отклонение выходного сигнала макета магнитометра после температурной компенсации соответствует 151,5 нТл. До компенсации величина дрейфа составляла 1250 нТл во всем рассматриваемом температурном диапазоне. Интерполирующая кривая После компенсации До компенсации Т, оС –60 –40 –20 0 20 40 14500 15000 15500 16000 16500 17000 В, нТл Рис. 4. Зависимость выходного сигнала магнитометра от температуры до и после компенсации Таким образом, можно сделать вывод о том, что магнитометр, построенный на базе магниторезистивных чувствительных элементов, будет иметь дрейф нуля выходного сигнала, вызванный изменением температуры. Устранение этого дрейфа можно реализовать с помощью использования контура обратной связи по температуре путем идентификации температурной зависимости МРЧЭ и тракта обработки сигнала программно-алгоритмическим путем без внесения в схему устройства дополнительных управляющих контуров. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
УДК 536.24.02 инженерные методы оценки коэффициента теплоотдачи при течении теплоносителя в каналах |
Похожие:
 | Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |  | К38 Неправомерные действия должностных лиц налоговых органов. Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 2008 376 с.: ил. 978-5-292-03835-1 |
| Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со | | Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со |
| Экономика. Теория и практика: материалы III международной научно-практической конференции (16 июня 2015 г.). Отв ред. Зарайский А.... | | О. В. Бессчетнова : под ред. Г. В. Дыльнова. — Саратов : Научная книга, 2008. — 288 с |
| Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» | | Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» |
| «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева | | «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева |