Sistema de aquisição e comunicação para sensores magnetoelétricos

Abstract

Os sensores são utilizados para as mais diversas aplicações medindo as mais distintas grandezas analógicas. O propósito desta dissertação é desenvolver um sistema de aquisição de sinal para uma tecnologia recente - os sensores magnetoelétricos (ME), constituídos por uma camada magnetoestritiva (Vitrovac) e uma piezoelétrica (PVDF - Polyvinylidene Fluoride). Para que este compósito ME exiba uma variação do campo magnético contínuo (Hdc), deve existir, simultaneamente, um campo magnético alternado (Hac) a funcionar como campo de excitação. As variações no campo Hdc serão exibidas no sinal de saída do sensor ME como uma mudança na amplitude do sinal. Então, o valor lido em tensão pico a pico, obtido pelo sistema de aquisição de sinal e enviado para uma plataforma computacional ou microprocessador, pode ser utilizado para identificar o valor de campo Hdc ao qual o sensor está sujeito. Para construir um sistema de aquisição de sinal, a metodologia a implementar é baseada em vários estágios do sinal desde a amplificação, conversão de analógico para digital, processamento de dados e comunicações ao nível do firmware. A identificação do nível de campo Hdc pode ser feita através de uma análise prévia, adquirida através da excitação do sensor, com valores linearizados retirados dos dados experimentais obtidos. Os valores de saída do sensor ME são amplificados, convertidos para digital e então armazenados na memória do microcontrolador em forma de amostras do sinal. As amostras são enviadas através de uma comunicação série entre o microcontrolador e o computador. A partir das amostras é obtido no monitor do computador o valor de campo Hdc aplicado ao sensor ME através da cálculo do valor de tensão pico a pico. Subsequentemente, é feita, de uma forma compacta, uma implementação do circuito numa placa de circuito impresso (PCB) do protótipo desenvolvido. Através deste projeto é atingido um sistema pequeno e barato capaz de detetar variações no campo magnético contínuo até 10−6 T, com possibilidade de futuro aperfeiçoamento. As técnicas de produção destes compósitos magnetoelétricos são simples e rápidas. Os materiais são também de baixo custo, contribuindo tudo para um tipo de sensor de custo reduzido, capaz de substituir alguns dos atuais sensores no mercado para gamas de medição do campo magnético como a testada neste projeto entre 0 a 1 mT no campo magnético contínuo. Existem boas expectativas que apontam que, no futuro, este sensor fará parte da integração em dispositivos com aplicações como a magnetocardiografia, a magneto-encefalografia, localização/navegação, entre outras.

Sensors are used in many different applications for measuring the most distinct analogical values. The purpose of this dissertation is to develop a signal acquisition system to a recent technology - the magnetoelectric (ME) sensors, constituted by a magnetostrictive (Vitrovac) and a piezoelectric (PVDF - Polyvinylidene Fluoride) layer. In the last decade, a lot of research has been carried out on this kind of sensors, but not yet for market purposes. In order for this ME composite sense the variations in the continuous magnetic field (Hdc), simultaneously, there must be an alternated magnetic field (Hac) working as an excitation field. The variations in the Hdc will be shown, at the ME sensor output, as a change in the amplitude of its signal. Thereby, the value read in voltage peak to peak obtained by the system to a computational platform or microprocessor, can be used to understand the value of continuous magnetizing field to which the sensor is subjected. To build a signal acquisition system, the methodology to apply is based on amplification, analog to digital conversion, data processing and firmware communications. This can be done by analyzing the signal acquired through the sensor excitation, with linearized values taken from the data obtained from experimental tests. The output values of the ME sensor are amplified, converted to digital and then stored in the microcontroller’s memory in signal samples. The samples are transmitted through a series communication between the microcontroller and the computer. From the samples it’s possible to get the in the computer’s screen the Hdc field value applied to the ME sensor through the computation of the peak to peak voltage value. Subsequently an implementation in a printed circuit board (PCB) of the prototype is done, which must be as compact as possible. It is achieved a cheap and small system which can sense smaller variations in the continuous magnetic field, with a sensibility of 10−6 T, yet with room for improvement. The production techniques of this magnetoelectric composites are simple and fast. Also the materials are cheap contributing to a low cost type of sensor, capable of replacing the current ones on the market, for some reading ranges of magnetic field like the one tested in this project between 0 and 1 mT in the continuous magnetic field. There are good perspectives which pinpoints that, in the future, this sensor will make part of the integration in a variety of devices which are used in fields such as magnetocardiography, magnetoencephalography, localization/navigation, among others. (Xing, Zhai, Dong, Li, Viehland and Odendaal, 2008, p. 19).