Systementwicklung und Optimierung eines hochempfindlichen digitalen Magnetfeldsensors

Haverkamp, Imke GND

Measurements of extremely weak magnetic fields in unshielded environments require mobile sensors providing a high dynamic range and slew rate. At present, analog Superconducting Quantum Interference Devices (DC-SQUIDs) are favored for applications necessitating a flux resolution within the fT-range. Due to the periodic voltage-flux characteristics those devices exhibit, a flux locked loop is required to keep the sensor in its operation point. The additional electronics lead to a limitation of the dynamic field change (slew rate) and thus of mobility. The present work deals with the Digital-SQUID as an alternative concept to the analog solutions. The sensor works as a counter of magnetic flux quanta. It is based on a delta modulation scheme thus exhibiting a theoretically infinite dynamic range. During this work, a measurement system was developed embedding the integrated circuit that had been designed by Reich/Ortlepp. The measurement system was evaluated using approaches from signal and system theory. The main focus was put on the analysis and optimization of linearity and dynamic range taking into account the effects of noise and non-linear distortion. The reasons for the practical limitation of the dynamic range could hence be identified. Furthermore, the parameters influencing the required properties as well as their mutual interdependence were derived. The comprehensive experimental part of the work validates the theory on the cause-effect relationships. The knowledge gained was used to derive design rules permitting to optimize the system with regard to the required parameters. In addition, further steps necessary for running the sensor in magnetically unshielded environment were introduced and discussed. First measures were already implemented in an improved circuit design. The results of the presented work make an important contribution to the transfer of a laboratory-based magnetic field sensor concept into a measurement system for mobile applications with extremely high sensitivity in magnetically unshielded environments.

Hochauflösende mobile Magnetfeldmessungen im unabgeschirmten Erdmagnetfeld stellen hohe Anforderungen an Bandbreite und Dynamikbereich des verwendeten Sensorsystems. Die in Biomedizin und Geoexploration derzeit eingesetzten supraleitendenQuanteninterferometer (DC-SQUID) erreichen eine Auflösung im fT-Bereich, müssen jedoch aufgrund ihrer periodischen Kennlinie mit Hilfe einer Flussregelschleife in ihrem Arbeitspunkt gehalten werden, was zu einer Begrenzung der maximalen Feldänderung und damit der erlaubten Bewegungsgeschwindigkeit führt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem alternativen Konzept des Digital-SQUIDs, eines als Flussquantenzähler arbeitenden Magnetfeldsensors, welcher als Delta-Modulator einen theoretisch unbegrenzten Dynamikbereich besitzt. Das von Reich/Ortlepp entwickelte Schaltungskonzept wurde in ein selbst entwickeltes Messsystem eingebettet und unter Zuhilfenahme von Ansätzen aus Systemtheorie und Signalverarbeitung evaluiert. Der Schwerpunkt wurde hierbei auf die Analyse und Optimierung von Linearität und Dynamikbereich unter Berücksichtigung von Rauscheinflüssen und Nichtlinearitäten gelegt. Die Ursachen für die praktische Begrenzung von Auflösung und Dynamikbereich wurden abgeleitet. Des Weiteren wurden die Einflussparameter auf diese Kenngrößen sowie ihre komplexen Wirkzusammenhänge identifiziert und Schlussfolgerungen unter den gegebenen technologischen Rahmenbedingungen gezogen. Der umfangreiche experimentelle Teil der Arbeit bestätigt die erarbeitete Theorie. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden Entwurfsregeln abgeleitet, welche zur Optimierung des Systems hinsichtlich der geforderten Kenngrößen führen. Darüber hinaus wurden Maßnahmen aufgezeigt und diskutiert, welche für einen Einsatz des Systems im unabgeschirmten Erdmagnetfeld erforderlich sind. Erste Maßnahmen wurden in einem neuen Entwurf bereits implementiert. Das Ergebnis der Arbeit ist ein wichtiger Beitrag zur Überführung des vorliegenden Schaltungskonzepts in ein praktisches hochauflösendes Messsystem zum mobilen Einsatz im Freifeld.

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Haverkamp, Imke: Systementwicklung und Optimierung eines hochempfindlichen digitalen Magnetfeldsensors. 2013.

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