Σχεδίαση και ανάπτυξη μαγνητικών αισθητήρων και διατάξεων χαρακτηρισμού των, με χρήση μαγνητικών φαινομένων

Abstract

Magnetic sensors are useful tools, offering the ability to detect and measure the magnetic field. They can be found in many applications in the fields of sciences, industry and transport. The design and development of magnetic sensors vary according to the desired characteristics and applications. However, the use of a calibration device, in order to initially calibrate the sensors and verify their proper functionality, is a necessary step in any case. As part of this PhD thesis, a magnetometer calibration device was developed, consisting of a magnetic field sensing element, an arrangement that produces the counter-acting magnetic field and finally, the required electronics for measurement and power supply. The operating principle of the developed device is based on measuring a physical quantity, in particular, time. In this way, it can be developed as a secondary, or even primary calibration standard. Afterwards, the device was used to calibrate the magnetic sensors that were designed and developed. Specifically, two Fluxgate-type magnetometers of different topologies were developed, providing high-sensitivity magnetic field measurements. Two devices for Non-Destructive Testing of ferromagnetic materials have also been developed. The devices include the electronics required to perform the measurements and send the data for further processing. They can be portable, in order to be used for real-time on-field measurements.

Οι μαγνητικοί αισθητήρες αποτελούν χρήσιμα εργαλεία, καθώς προσφέρουν τη δυνατότητα ανίχνευσης ή και μέτρησης του μαγνητικού πεδίου. Συναντώνται σε πολλές εφαρμογές, σε τομείς όπως οι επιστήμες, η βιομηχανία και οι μεταφορές. Η σχεδίαση και η ανάπτυξη μαγνητικών αισθητήρων ποικίλλουν αναλόγως των επιθυμητών χαρακτηριστικών και του πεδίου εφαρμογής. Όμως, απαραίτητο στάδιο σε κάθε περίπτωση αποτελεί η χρήση μιας διάταξης διακρίβωσης, με σκοπό την αρχική βαθμονόμηση των αισθητήρων, αλλά και τον μετέπειτα έλεγχο της ορθής λειτουργίας τους. Στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, δημιουργήθηκε μία διάταξη διακρίβωσης μαγνητομέτρων, αποτελούμενη από μία τοπολογία πρωτεύοντος-δευτερεύοντος πηνίου για την ανίχνευση του μαγνητικού πεδίου, ένα σύστημα επιβολής του επιθυμητού μαγνητικού πεδίου και τέλος, τα απαιτούμενα ηλεκτρονικά μέτρησης και τροφοδοσίας. Η αρχή λειτουργίας της αναπτυχθείσας διάταξης βασίζεται στη μέτρηση μιας φυσικής ποσότητας και συγκεκριμένα του χρόνου. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να αποτελέσει δευτερεύον ή και πρωτεύον πρότυπο διακρίβωσης. Στη συνέχεια, η διάταξη χρησιμοποιήθηκε για τη διακρίβωση μαγνητικών αισθητήρων που σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δύο μαγνητόμετρα τύπου Fluxgate διαφορετικών τοπολογιών, προσφέροντας υψηλή ευαισθησία κατά τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου. Ακόμη, αναπτύχθηκαν δύο διατάξεις Μη Καταστροφικού Ελέγχου φερρομαγνητικών υλικών. Οι διατάξεις περιλαμβάνουν τα απαιτούμενα ηλεκτρονικά για τη διεξαγωγή των μετρήσεων και την αποστολή των δεδομένων για περαιτέρω επεξεργασία, ενώ μπορούν να είναι φορητές, ώστε να χρησιμοποιούνται για τον επί τόπου έλεγχο σε πραγματικό χρόνο.