Bachelor's Thesis

Measurement of weak magnetic field in 3D space

Final Thesis 12.29 MB Appendix 1.63 MB

Author of thesis: Ing. Martin Bár

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Stanislav Klusáček, Ph.D.

Abstract:

The aim of this thesis is to theoretically examine the magnetic field of miniature cylindrical NdFeB magnets, compare the simulation results to real-world measurements, and design a magnetic field probe using suitable sensors. A FEM simulation was conducted using Ansys AIM and FEMM 4.2. The simulation shows that the magnetic induction on the surface of the magnet depends on the diameter/height ratio. The simulation results also show that 21 µm thick protective layer of Ni-Cu-Ni metal on the surface of NdFeB magnets lowers flux density of the smallest magnet sample (1x1 mm) by up to 14 %. It was also concluded that a larger magnet edge radius results in a higher flux density on the surface of the magnet. The biggest differences between simulation data and data measured by the F.W. BELL gaussmeter occurred in the smallest magnet sample. Using the FEMM 4.2 simulation software, a three-axis magnetic field probe was designed. Potential problems with this probe design have been identified. A simple procedure for probe calibration was proposed.

Keywords:

Magnetic field, NdFeB magnets, sensors, measurement, Ansys, FEMM 4.2, magnetic probe

Date of defence

25.06.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student při obhajobě uvedl komisi do problematiky měření slabého MP a používaných snímačů. Dále byla popsána poměrně podrobná simulace použitých magnetů v programu ANSYS a návrh měřicí sondy. Otázky oponenta nebyly zpracovány v prezentaci, student na ně ale samostatně odpověděl. Komise měla dále dotazy k provedeným měřením a vlastnostem použitého snímače, které byly také bez problémů zodpovězeny.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Luděk Žalud, Ph.D. (předseda)
Ing. Tomáš Macho, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Fialka, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Jelínek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D.

Bakalářská práce navazovala na předchozí semestrální projekt a cílem práce byl teoretický návrh sondy pro měření prostorového rozložení magnetického pole malého neodymového magnetu s využitím miniaturních magnetometrů. Student pro úspěšné zvládnutí tohoto úkolu nastudoval principy měření magnetického pole a zpracoval průzkum trhu vhodných integrovaných snímačů magnetického pole. Následně se seznámil s prostředky pro simulaci magnetického pole permanentních magnetů a tuto simulaci využil při porovnání teoretického rozložením magnetického pole s polem experimentálně určeným komerčním magnetometrem F.W. BELL na malých vzorcích magnetů. Zde identifikoval několik potenciálních vlivů, které mohou způsobovat rozdíly získané simulací a reálným měřením, zejména vliv povrchové úpravy magnetu a vliv zaoblení hran. Ověřil i možnost extrapolace výsledků rozložení magnetického pole u různých rozměrů magnetů, kdy identifikoval, že poměr d/h je určujícím parametrem pro hodnotu magnetické indukce na povrchu magnetu v ose čela. Následně navrhnul a připravil podklady pro výrobu sondy s možností kompenzace magnetického pole Země a diskutoval možné komplikace pro budoucí praktickou realizaci. V rámci zpracování bakalářské práce prokázal odpovídající teoretické i praktické znalosti a dovednosti, zejména v oblasti modelování magnetického pole, přípravě a zpracování experimentálních výsledků z měření reálného magnetického pole malých magnetů, identifikaci možných parazitních vlivů a v neposlední řadě i návrhu měřicí sondy. Z důvodu přípravy experimentálních měření a nutnosti přesného polohování magnetů s využitím motorizovaných posuvů ovládaných z počítače nemohl student pracovat ze začátku úplně samostatně, ale postupem času byl schopen měřicí pracoviště obsluhovat s minimální podporou vedoucího. Student pracoval iniciativně a po sestavení měřicího pracoviště již úplně samostatně. Konzultací využíval v menší míře, zejména v souvislosti s praktickými měřeními v laboratoři, na konzultace se dostavoval vždy připravený. V průběhu zpracování práce se nedostal do časové tísně a všechny body zadání byly tedy splněny. Potřebné praktické experimenty nutné pro porovnání praktických a teoretických výsledků realizoval v dostatečném předstihu a nedostal se tak do problémů při nedostupnosti laboratorního vybavení v druhé polovině letního semestru. Při řešení práce využil odbornou literaturu z hodnověrných zdrojů potřebnou pro pochopení dané problematiky. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm výborně A/97b. Points proposed by supervisor: 97
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Cílem bakalářské práce bylo podle zadání navrhnout sondu pro měření prostorového rozložení magnetického pole malého permanentního magnetu s využitím integrovaných snímačů. Nosnou částí předložené práce je simulační analýza pro optimální uspořádání a měření finálně navržené zmíněné sondy. 
Předložená práce obsahuje celkem 68  stran včetně příloh s obvyklou skladbou v teoretické a praktické části.  Teoretická část popisuje přehledným a dostatečným způsobem teoretické základy vybraných fyzikálních principů snímačů magnetického pole a přehled principů se zaměřením na citlivé magnetorezistivní a fluxgate snímače. V závěru této části je pak i srovnání vybraných základních parametrů snímačů měření magnetického pole v řádu jednotek mT, které jsou aktuálně na trhu. Teoretická část z pohledu oponenta je zpracována velmi pečlivě a výstižně postihla problematiku.
Praktická část práce se stěžejní částí zabývá problematikou simulačních analýz, ať už je to simulování magnetického pole v okolí magnetu, dále pak závislostí magnetické indukce na rozměrech a tvaru NdFeB magnetů nebo minimalizace vlivu magnetického pole Země. Tyto simulační analýzy jsou výstižně popsány a diskutovány a to včetně popisu problémů (limitních podmínek simulace), což jako oponent bych chtěl vyzdvihnout. Druhá část této realizační práce pak spočívala v praktickém návrhu sondy podle zadání s konkrétně vybraným senzorem MEMSIC MMC5883MA a popisu výstupního  komunikačního rozhraní s měřicí kartou, respektive počítačem. Jsou uvedeny a opět simulací podloženy možná omezení fyzické realizace sondy, tj. poloha měřicích elementů a problém přesného usazení pouzdra senzoru na DPS. Nemám připomínek k realizační části práce, snad jen škoda, že - pravděpodobně i z důvodu pandemické situace  - nebyla možná fyzická realizace a praktické ověření navržené sondy a tím i k porovnání/konfrontace simulace s reálnými daty.
Zadání bakalářské práce lze hodnotit po stránce odborné i časové jako náročné. Student prokázal velmi dobrou orientaci v problematice, zvolená koncepce i postup řešení vedl k úspěšnému splnění zadání. Závěr shrnuje a vystihuje výsledky a přínos práce.
Po grafické a formální stránce je práce na velmi kvalitní úrovni, je vyvážená po stránce teoretické i praktické. Chyby či překlepy se téměř nevyskytují a práce je dobře srozumitelná. Rozsah stěžejních kapitol práce odpovídá jejich důležitosti. Tabulky, grafy i obrázky umožňují představu o dané problematice. Jsou správně uvedeny citace a odkazy na ně v textu. V předložené bakalářské práci jsou shrnuty a naplněny všechny potřebné informace a jsou splněny všechny body zadání práce.
Odevzdaná práce a v ní dosažené výsledky svědčí o bakalářských schopnostech studenta, práci doporučuji k obhajobě s hodnocením podle klasifikační stupnice ECTS - A/92. Topics for thesis defence:
  1. Jak byste doporučil - jaký je váš návrh pro praktickou realizaci vámi navržené sondy s ohledem na zpracování a vizualizaci měřených dat? Máte konkrétní představu o hardwarové konfiguraci meřicího řetězce a softwarovém řešení? Zkuste alespoň rámcově představit tyto prostředky.
Points proposed by reviewer: 92
Display more

Grade proposed by reviewer: A