Разработка макета системы персонального вызова

от степени его намагничености. Когда такой материал намагничи-

вается внешним полем,  длина волокна изменяется. При изменении

(на долю длины волны) луч, проходящий через световод, приходит

в сумматор со сдвигом по фазе относительно  луча,  проходящему

по эталонному световоду.  Интенференция двух световых волн вы-

зывает изменение уровня света на фотодетекторах,  величина ко-

торого равна разности фаз.

    ВОМ имеет чувствительность от 10Е-15 до 10Е-5 А/м.  Он мо-

жет использоваться для обнаружения либо постоянных полей, либо

полей, меняющихся с частотой до 60 КГц. Его размеры зависят от

требуемой  чувствительности,  но обычно он имеет около 10 см в

длину и 2.5 см в ширину.  Большим недостатком является сильные

шумы и чувствительность к вибрациям.  Конструкция ВОМ показана

на рис. 1.12.

    1.2.11. Магнито-оптический датчик.

    В магнито-оптическом датчике (МОД) используется эффект от-

крытый Фарадеем. Этот эффект заключается во вращении плоскости

поляризационного света при прохождении через магнитный матери-

ал.  Эффект максимально выражен  в  некоторых  кристаллах  при

юстировке  направления распространения света,  оси кристалла и

приложенного магнитного поля.  Примем, что плоская волна поля-

ризационного  света составлена из двух волн с круговой поляри-

зацией - правополяризованной (ПП) и левополяризован ной  (ЛП).

Вращение  плоскости  поляризации  плоской  волны происходит за

счет изменения относительных фаз ПП и ЛП  волн.  Тогда  эффект

Фарадея  является результатом изменения показателя преломления

кристалла,  зависящего от того, происходит ли прецессия элект-

ронов  в  кристалле относительно продольного магнитного поля в

том же самом или в противоположном направлении, что и вращение

электрического  поля света с круговой поляризацией.Коэффициен-

том,  определяющем степень эффективности  материала,  является

постоянная Верде, имеющая размерность единиц углового вращения

на единицу приложенного поля и на единицу длины.

    Важным преимуществом этих датчиков являются их очень малая

инерционность и широкая полоса частот на которых они работают.

Были  изготовлены  датчики  с  гигагерцовой частотной характе-

ристикой.  Нижний предел чувствительности датчиков равен 10Е-6

А/м . Конструкция МОД показана на рис. 1.13.

    1.2.12. Выводы.

    Рассмотpим условия  которым  должны  удовлетворять датчики

магнитного поля пpименяемые в системе пеpсонального  вызова  с

индуктивной связью.

    Во-пеpвых, датчик должен обладать достаточной чувствитель-

ностью к магнитному полю,  чтобы быть способным пpинять слабые

сигналы вызова.  В таблице 1.1 пpиведены  пpимеpные  диапазоны

чувствительности   пpиведенных   pанее   датчиков.   По  этому

паpаметpу можно  исключить  из  pассмотpения  следующие  мало-

чувствительные датчики: Холла, магнитооптический, магнитодиод,

магнитотpанзистоp.

    Во-втоpых, датчик  магнитного  поля должен обладать малыми

pазмеpами,  нечувствительностью к внешним воздействиям и малой

потpкбляемой мощностью. По этим пpизнакам исключаются датчики:

  1) СКВИД,  так  как  тpебует охлаждения жидким  гелием,  что

невозможно в пеpсональном пpиемнике;

  2) с оптической накачкой - тpебует мощного питания;

  3) ядеpно-пpецессионный - большая потpебляемая мощность;

  4) волоконно-оптический - сильно  чувствителен  к вибpации и

  механическим воздействиям;

  5) с насыщенным сеpдечником -  низкая   чувствительность   к

  пеpеменным магнитным полям.

    В итоге остается два типа магнитных датчиков :  индукцион-

ный  и  магнитоpезистивный.  Taк как магнитоpезистоpы остаются

все  еще  довольно  дефицитным  полупpоводниковым  пpибоpом  и

пpиобpести  их  для  пpоведения исследований не пpедставляется

возможным,  то в дальнейшем в макете СПИВ используется  только

индукционный датчик магнитного поля.

    2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

       ДЛЯ  СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО ПЕРСОНАЛЬНОГО ВЫЗОВА

      2.1. Анализ  методов  повышения  чувствительности

             индуктивных датчиков магнитного поля

    При использовании индуктивных датчиков в качестве преобра-

зователей магнитного поля для приемников системы персонального

индуктивного  вызова  (СПИВ),  необходимо добиться от них наи-

большей чувствительности. От этого параметра зависит не только

дальность приема, но и число ложных вызовов или непринятие вы-

зова.  Повышения чувствительности индукционных датчиков  можно

добится разными методами, каждый из которых имеет свои преиму-

щества и недостатки. Рассмотрим эти методы.

    Предположим, что рамка со средним диаметром Dc,  имеющая w

витков,  намотанных медным проводом диаметром d,  находится  в

магнитном поле H=H sin( t+ ).  Если направление вектора напря-

женности  поля  составляет  с  осью  рамки  (перпендикуляр   к

плоскости витков) угол Q, то индуцируемая в катушке Э.Д.С. оп-

ределяется выражением

                 e = -  -- cos Q         (5)

 где Ф= SH sin( t+ )  -  магнитный  поток, пронизывающий витки

рамки;

       - магнитная проницаемость сердечника, равная для возду-

ха 4* *10Е-7;

     S -  площадь поперечного сечения сердечника или витка воз-

душной рамки.

    Подставляя в (5)  все  величины  в  системе  СИ,  получаем

Э.Д.С. рамки

               e = -    SH cos( t+ )        (6)

    Проанализируем это  выражение.  Для  увеличения  ЭДС рамки

можно увеличивать различные величины в правой части  уравнения

(6). Рассмотрим их.

    1). От угла Q сильно зависит величина ЭДС.  Например,  при

Q=90 cosQ=0 и ЭДС равна нулю,  а при Q=0 она максимальна. Зна-

чит для улучшения работы СПИВ требуется, чтобы угол между век-

тором  напряжености  поля  и перпендикуляром к рамке постоянно

стремился к нулю. Это условие выполняется при правильной уста-

новке передающей и приемной антенн.  Например,  если обе рамки

(приемную и передающую) установить параллельно земле и в одной

плоскости,  то независимо от положения абонента величина вели-

чина угла Q будет равна нулю.

    2). Как  видно из (6) наведенная в рамке ЭДС прямо пропор-

циональпа частоте изменения поля.  Но  бесконечно  увеличивать

частоту нельзя,  так как она переходит в радиодиапазон со сле-

дующими из этого недостатками (смотри часть 1). Обычно частота

передачи  ограничивается  диапазоном 20 - 100 КГц.

    3). Число витков w катушки один  из  наиболее  действенных

методов повышения чувствительности магнитного преобразователя.

Казалось бы число витков можно увеличивать безгранично.  Но  и

здесь стоят свои ограничения.  Как известно, катушка кроме ин-

дуктивности имеет собственную емкость и  активное  сопротивле-

ние, которые ограничивают количество витков рамки. Так при оп-

ределенной величине w собственная  резонансная  частота  рамки

становится  меньше частоты изменения принимаемого поля и даль-

нейшее увеличение количества витков приводит не  к  увеличению

чувствительности, а наоборот, к ее падению. Также имеет значе-

ние и активное сопротивление Rакт рамки от которого в  большой

степени  зависит  ее добротность.  При увеличении Rакт доброт-

ность рамки падает, полоса пропускания становится больше и как

следствие понижается помехозащищенность системы.

    4). Чувствительность,  как видно из (6),  прямо пропорцио-

нальна  площади  рамки.  Здесь  основным ограничением является

размер индивидуального приемника индуктивного вызова.  Он дол-

жен  обладать карманным размером или хотя бы таким,  чтобы его

удобно было носить. Значит максимальная площадь рамки не долж-

на превышать 300 см. Приемные рамки такого размера не обладают

большой чувствительностью, следовательно необходимы другие ме-

тоды ее повышения.

    5). Использование сердечников позволяет значительно умень-

шить  размеры  приемной  антенны  и  одновременно увеличить ее

чувствительность. Наведенная в рамке с сердечником ЭДС будет в

   раз больше,  чем в такой же рамке без него. В качестве сер-

дечника можно использовать,  например,  ферриты с большой маг-

нитной проницаемостью марок 1500НН,  2000НН и им подобные. При

расчетах необходимо иметь в виду, что проницаемость сердечника

зависит не только от свойств материала,  но и от отношения его

длины к площади поперечного сечения.

    6). Рассмотрим  настроенную  рамку,  представляющую  собой

последовательный колебательный контур (смотри рис. 2.1).

    Пусть L - индуктивность рамки,  C -  емкость  конденсатора

настройки  (для  простоты  она включает в себя емкость рамки и

монтажа),  Rпот - активное сопротивление рамки,  e - ЭДС наве-

денная внешним полем,  - резонансная частота контура.  Как из-

вестно ток в контуре при последовательном резонансе максимален

и равен

                       Iрез = --  (7).

    Проходя через  элементы контура ток Iрез создает на каждом

из них соответствующие напряжения:

                       U  = Iрез L

                       Uc = Iрез /  C       (8)

                       U  = Iрез Rпот

    Так как напряжение U и Uc сдвинуты  на  180°,  сумма  этих

напряжений  равна нулю,  а следовательно падение напряжения на

сопротивлении Rпот равно ЭДС рамки

                   U = Iрез Rпот = e   (9),

а отношение индуктивного и емкостного напряжения к ЭДС равно

                -- = -------- = --- = Q    (10а)

                -- = -------- = --- = Q    (10б)

    Из (10а) и (10б) видно,  что при резонансе  напряжение  на

элементах контура в Q раз превышает ЭДС катушки.  Значит, уве-

личивая добротность рамки мы подымаем и  ее  чувствительность.

При  этом  необходимо иметь в виду,  что входное сопротивление

усилителя должно быть  как  можно  большим.  Можно  еще  доба-

вить,что  при  повышении  добротности  уменьшается полоса про-

пускания контура, и при этом существенно увеличивается отноше-

ние сигнала к шуму, повышая помехозащищенность всей системы.

    Из всех перечисленных методов  повышения  чувствительности

индукционных датчиков можно выделить следующие: увеличение ко-

личества витков,  применение материалов  с  высокой  магнитной

проницаемостью  и повышение добротности приемной рамки.  Опти-

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12