ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G01D5/20 G01R33/00 G01R29/08 

Изобретение относится к устройствам индикации и измерения электрических и магнитных полей.

Известен индуктивный датчик, содержащий управляемый генератор электрического сигнала, в цепь обратной связи которого включены общей точкой две индуктивно связанные катушки, одна из которых является измерительной. [1]
Наиболее близким к предлагаемому индуктивному датчику является датчик, описанный в [2] Индуктивный датчик содержит управляемый генератор синусоидального напряжения, в коллекторную цепь которого включен параллельный колебательный контур, катушка индуктивности которого является измерительной. Режим генерации задают посредством базового делителя напряжения. Возникновение генерации обеспечивает положительная обратная связь через вторую катушку, индуктивно связанную с измерительной катушкой колебательного контура. При включении источника питания устройство генерирует синусоидальный сигнал с определенной частотой и амплитудой. При пересечении металлическим предметом части магнитных силовых линий между катушками положительная обратная связь уменьшается, что приводит к резкому срыву генерации. После выхода металлического предмета из зоны действия датчика положительная обратная связь восстанавливается и генератор восстанавливают свою генерацию.

Недостаток известных устройств заключается в том, что время восстановления генерации управляемых генераторов электрических сигналов находится в зависимости от продолжительности времени собственных колебаний, вызванных переходными процессами в контурах, образованных катушками индуктивности. Для снижения этой зависимости добиваются повышения добротности выходного колебательного контура [2] увеличение добротности колебательного контура снижает вероятность срыва генерации управляемого генератора, что приводит к снижению чувствительности устройства, так как оно будет реагировать в этом случае на воздействие более сильных электромагнитных полей. Кроме того, индуктивная связь катушек в обоих устройствах способствует увеличению длительности переходных процессов, что снижает достоверность информации устройств, особенно при длительном воздействии на измерительную катушку контролируемого источника электромагнитного поля.

К недостаткам известных устройств относится также снижение достоверности информации выходного сигнала из-за того, что выходной сигнал устройств по внешнему виду трудно отличим от сигнала помехи.

Таким образом, известные устройства при их осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и достоверности информации, а также в исключении зависимости этих параметров от влияния переходных процессов.

Изобретение решает задачу создания устройства для индикации электромагнитного поля, которое при его осуществлении позволяет достичь технический результат, заключающийся в повышении чувствительности устройства и в повышении достоверности выходной информации при одновременном исключении влияния на достижение этого технического результата переходных процессов.

Суть изобретения заключается в том, что в индуктивном датчике электромагнитного поля, содержащем управляемый генератор синусоидального напряжения, измерительную катушку индуктивности и конденсатор, подключенный параллельно измерительной катушке, управляемый генератор синусоидального напряжения выполнен высокочастотным, кроме того, в устройстве дополнительно введены управляемый низкочастотный генератор прямоугольных импульсов, перемножитель электрических сигналов и устройство обработки сигнала, выполненное с возможностью выделения и усиления постоянной составляющей из входного сигнала, при этом один конец измерительной катушки индуктивности подключен к управляющему входу управляемого высокочастотного генератора, а другой к управляющему входу управляемого низкочастотного генератора, выходы генераторов подключены к соответствующим входам перемножителя электрических сигналов, выход которого подключен к входу устройства обработки сигнала, выход которого является выходом устройства. Кроме того, высокочастотный генератор синусоидального напряжения содержит кварцевый резонатор, первый и второй конденсаторы переменной емкости, резисторы с первого по третий, первый и второй элементы НЕ, при этом кварцевый резонатор и первый конденсатор переменной емкости соединены первыми выводами последовательно, а их вторые выводы являются соответственно входом и выходом управляемого высокочастотного генератора и, кроме того, эти же выводы подключены соответственно к соединенным последовательно первому и второму элементам НЕ, параллельно каждому из которых и параллельно управляющему входу генератора подключены соответственно резисторы с первого по третий, кроме того, параллельно управляющему входу генератора подключен второй конденсатор переменной емкости. При этом низкочастотный генератор прямоугольных импульсов содержит конденсаторы с первого по пятый, варикап, переменный резистор, резистор и два элемента НЕ, при этом первый конденсатор подключен параллельно к управляющему входу генератора и к последовательно соединенным второму конденсатору и варикапу, положительная обкладка которого заземлена, которые общей точкой подключены к подвижному контакту переменного резистора, один из выводов которого заземлен, а второй подключен к источнику питания, конденсаторы третий и четвертый соединены первыми выводами последовательно, а вторыми выводами подключены соответственно к первому выводу пятого конденсатора и к земляной шине, элементы НЕ соединены последовательно, кроме того, параллельно первому элементу НЕ подключен резистор, а вход первого элемента НЕ подключен к первому выводу пятого конденсатора, второй вывод которого является управляющим входом генератора, кроме того, третий и четвертый конденсаторы общей точкой подключены к выходу второго элемента НЕ, выход которого является выходом генератора. Кроме того, устройство обработки сигнала содержит двухполупериодный выпрямитель, подключенный выходом к входу усилителя, вход выпрямителя и выход усилителя являются соответственно входом и выходом устройства обработки.

Технический результат достигается следующим образом. Благодаря тому, что параллельно измерительной катушке индуктивности подключен конденсатор, образуется параллельный колебательный контур. Подключение колебательного контура соответствующими концами катушки к входам управляемых низкочастотного генератора прямоугольных импульсов и высокочастотного генератора синусоидального напряжения обеспечивает возможность создания в контуре режима вынужденных колебаний на резонансной частоте колебательного контура измерительной катушки.

Известно, что в колебательном контуре при любых изменениях амплитуды, фазы или частоты передаваемого сигнала возникают колебания на собственной частоте (свободные колебания). В результате подключение колебательного контура измерительной катушки к управляющему входу управляемого низкочастотного генератора прямоугольных импульсов обеспечивает возникновение в колебательном контуре свободных колебаний на собственной частоте по спаду каждого низкочастотного импульса. В свою очередь, подключение колебательного контура измерительной катушки к управляющему входу высокочастотного генератора синусоидального напряжения обеспечивает возникновение в колебательном контуре свободных колебаний на собственной частоте как в момент спада, так и в момент нарастания амплитуды сигнала высокочастотного генератора. Частота собственных колебаний индуктивности и параллельно подключенным конденсатором определяется величиной индуктивности катушки, ее паразитной емкостью и параллельно подключенным к катушке конденсатором. При этом, поскольку колебательный контур является параллельным LC-контуром, то свободные колебания имеют вид затухающих периодических колебаний с полигармоническим спектром. Таким образом, в колебательном контуре измерительной катушки благодаря ее подключению к управляющим входам генераторов формируется электрический сигнал, представляющий собой смесь из вынужденных колебаний контура и колебаний на собственной частоте (частоте свободных колебаний). В этом сигнале присутствуют все основные виды модуляции: амплитудная, фазовая, частотная, т.е. сигнал является сложномодулированным, спектр которого полигармонический. В результате, измерительная катушка контура индуцирует вокруг себя сложномодулированное электромагнитное поле, спектр которого является также полигармоническим. Такое электромагнитное поле обладает высокой информативность, так как высокое содержание гармоник в спектре позволяет выявить даже незначительные изменения исходного электромагнитного поля, вызванные внешним факторами, например взаимодействием с другим электромагнитным полем или попаданием в исходное электромагнитное поле какого-либо предмета. (В.И. Банько и др. "Низкочастотные импульсные сложномодулированные электромагнитные поля в медицине и биологии", Екатеринбург: Издательство УГУ, 1992 г, с. 33). Это повышает чувствительность и достоверность выходной информации предлагаемого датчика.

Благодаря подключению выводов измерительной катушки к управляющим входам управляемых генераторов изменения в спектральном составе сигнала в колебательном контуре измерительной катушки, вызванные изменениями в индуцированном ей электромагнитном поле, вызывают изменения и в выходных сигналах обоих генераторов, а именно изменяются частоты генераторов, характеристики свободных колебаний по спаду низкочастотных прямоугольных импульсов и в моменты спада и нарастания амплитуды высокочастотного сигнала. Таким образом, изменение электромагнитного поля измерительной катушки приводит к изменению пяти исходных параметров, что повышает как чувствительность, так и достоверность выходной информации предлагаемого датчика. Благодаря подключению выходов управляемых генераторов к перемножителю электрических сигналов последний на выходе формирует результирующий сигнал, соответствующий изменениям сигнала в контуре катушки как на низких, так и на высоких частотах, т.е. результирующий сигнал содержит полную информацию об изменении электромагнитного поля измерительной катушки, вызванном внешним воздействием, что также повышает как чувствительность предлагаемого индуктивного датчика электромагнитного поля, так и достоверность его выходной информации.

Благодаря тому, что устройство обработки сигнала содержит двухполупериодный выпрямитель, подключенный к входу усилителя, на выходе устройства формируют уровень напряжения, по изменению амплитуды которого и фиксируют изменения электромагнитного поля измерительной катушки. Подобная форма выходного сигнала хорошо выделяется на фоне помехи. Это также повышает достоверность выходной информации.

Таким образом, в предлагаемом индуктивном датчике электромагнитного поля переходный процесс свободные колебания в контуре, образованном измерительной катушкой индуктивности и подключенным к ней параллельно конденсатором, - используют как для формирования тестового электромагнитного поля, так и для формирования выходной информации. При этом при формировании тестового ЭМП использование переходного процесса повышает информативность ЭМП, индуцируемого измерительной катушкой, так как позволяет сформировать сложномодулированное ЭМП, богатое гармоническими составляющими. При формировании выходной информации индуктивного датчика переходный процесс (свободные колебания контура) инициирует срыв генерации обоих генераторов, обогащая тем самым высокочастотными составляющими суммарный сигнал на выходе перемножителя электрических сигналов и делая более заметными отклонения уровня выходного сигнала от исходного. Следовательно, в предлагаемом индуктивном датчике электромагнитного поля такой отрицательный фактор, как переходный процесс в контуре из измерительной катушки индуктивности и конденсатора, используют для формирования полезных сигналов, что не только исключает влияние переходного процесса на чувствительность устройства и достоверность выходной информации, а наоборот, способствуют улучшению этих характеристик.

Таким образом, предлагаемый индуктивный датчик позволяет повысить чувствительность и достоверность выходной информации при одновременном исключении влияния на достижение технического результата переходного процесса.

На фиг. 1 изображена блок-схема индуктивности датчика электромагнитного поля; на фиг. 2 диаграммы, поясняющие работу устройства.

Индуктивный датчик электромагнитного поля содержит измерительную катушку индуктивности 1, конденсатор 2, подключенный параллельно катушке 1, управляемые низкочастотный генератор 2 прямоугольных импульсов и высокочастотный генератор 4 синусоидального напряжения, перемножитель 5 электрических сигналов и устройство обработки 6 сигнала. Один из выводов измерительной катушки 1 подключен к низкочастотному генератору 3, а другой вывод к высокочастотному генератору 4, выходы которых подключены к перемножителю 5 электрических сигналов, выход которого подключен ко входу устройства обработки 6 сигнала, выход которого является выходом устройства.

Кроме того, высокочастотный генератор 4 синусоидального напряжения содержит кварцевый резонатор 7, конденсатор 8, переменной емкости резисторы с первого по третий 9, 10, 11, первый 12 и второй 13 элементы НЕ и второй конденсатор переменной емкости 14, при этом кварцевый резонатор 7 и конденсатор 8 переменной емкости первыми выводами соединены последовательно, а их вторые выводы являются соответственно входом и выходом управляемого высокочастотного генератора 4 и, кроме того, эти же выводы подключены соответственно к соединенным последовательно первому 12 и второму 13 элементам НЕ, параллельно каждому из которых и параллельно входу генератора 4 подключены резисторы с первого по третий 9, 10, 11 соответственно. Кроме того, параллельно входу генератора 4 подключен второй конденсатор 14 переменной емкости.

Низкочастотный генератор 3 прямоугольных импульсов содержит конденсаторы с первого по пятый 15, 16, 17, 18, 19, варикап 20, переменный резистор 21, резистор 22 и два элемента НЕ 23, 24.

Первый конденсатор 15 параллельно подключен к управляющему входу низкочастотного генератора 3 и к последовательно соединенных второму конденсатору 16 и варикапу 20, положительная обкладка которого заземлена, которые общей точкой подключены к подвижному контакту переменного резистора 21, один из выводов которого заземлен, а второй подключен к источнику питания. Конденсаторы третий 17 и четвертый 18 соединены последовательно и подключены вторым выводом третьего конденсатора 17 к первому выводу пятого конденсатора 19, а вторым выводом четвертого конденсатора 18 к земляной шине. Элементы НЕ 23, 24 соединены последовательно, при этом выход второго элемента НЕ 24 является выходом генератора 3. Кроме того, параллельно первому элементу НЕ 23 подключен резистор 22, а вход первого элемента НЕ 23 подключен к первому выводу пятого конденсатора 19, второй вывод которого является управляющим входом генератора 3. Общая точка конденсаторов 17, 18 подключена к выходу второго элемента НЕ 24.

Устройство обработки 6 сигнала содержит двухполупериодный выпрямитель 25, подключенный ко входу усилителя 26. Вход выпрямителя 25 является входом устройства 6, а выход усилителя выходом устройства 6.

Индуктивный датчик электромагнитного поля работает следующим образом. Включением источника питания запускают высокочастотный генератор 4 синусоидального сигнала и низкочастотный генератор 3 прямоугольных импульсов. При этом в колебательном контуре, образованном измерительной катушкой 1 индуктивности и конденсатором 2, возникают вынужденные электромагнитные колебания. Поскольку колебательный контур, образованный измерительной катушкой 1 и конденсатором 2, включен как в управляющую цепь низкочастотного генератора 3, так и в управляющую цепь высокочастотного генератора 4, то вынужденные колебания в контуре возникают под действием обоих генераторов 3,4. Кроме того, в моменты времени, соответствующие спаду и нарастанию синусоидального сигнала высокочастотного генератора 4, и в моменты времени, соответствующие спаду прямоугольных импульсов низкочастотного генератора 3, в колебательном контуре возникают свободные колебания на собственной частоте.

Таким образом, в колебательном контуре, образованном измерительной катушкой индуктивности 1 и конденсатором 2, после запуска генераторов 3 и 4 возникает колебательный процесс, представляющий собой смесь из вынужденных и свободных колебаний контура (фиг.2а). Электрический сигнал, соответствующий этому колебательному процессу, содержит все основные виды модуляции: амплитудную, фазовую, частотную, т.е. электрический сигнал является сложномодулированным, а следовательно, и полигармоническим. Отсюда и электромагнитное поле, которое индуцирует под действием этого сигнала измерительная катушка 1, также является сложномодулированным и полигармоническим. Такое электромагнитное поле обладает большой информативностью.

Таким образом, измерительная катушка индуктивности 1 после запуска генераторов 3 и 4 индуцирует вокруг себя сложномодулированное, полигармоническое поле, обладающее большой информативностью.

После возникновения электромагнитных колебаний в контуре, образованном измерительной катушкой 1 и конденсатором 2, соответствующий этим колебаниям электрический сигнал поступает на управляющие входы обоих генераторов 3, 4. В низкочастотном генераторе 3 высокочастотная составляющая входного сигнала через первый конденсатор 15 проходит на землю, а низкочастотная составляющая вносит разбалансировку в работу схемы генератора 3, изменяя электрический режим работы варикапа 20. В результате изменяется частота следования выходных импульсов генератора 3. Кроме того, по спаду каждого выходного импульса низкочастотного генератора наблюдается срыв генерации, обусловленный возникновением свободных колебаний в колебательном контуре измерительной катушки 1 (фиг. 2б).

В высокочастотном генераторе 4 низкочастотная составляющая входного сигнала проходит на землю через переменный конденсатор 14, а высокочастотная составляющая сигнала вносит разбалансировку в работу схемы высокочастотного генератора 4, изменяя электрический режим работы кварцевого резонатора 7. В результате изменяется частота следования выходного сигнала генератора 4. Кроме того, в моменты времени, соответствующие спаду и нарастанию амплитуды синусоидального сигнала наблюдается срыв генерации, вызванный возникновением в эти моменты времени свободных колебаний в колебательном контуре измерительной катушки индуктивности. (фиг.2в). Выходные сигналы генераторов 3 и 4 поступают на соответствующие входы перемножителя 5 электрических сигналов, который формирует на входе двухполупериодного выпрямителя 25 результирующий сигнал (фиг. 2г). Выпрямитель 25 выделяет из поступившего на его вход сигнала постоянную составляющую, и передает на вход усилителя 26, который устанавливает на выходе датчика выходной сигнал в форме уровня напряжения (фиг. 2д).

Для подготовки индуктивного датчика к работе регулируют режимы работы генераторов 3 и 4 (в генераторе 3 изменяют электрический режим работы варикапа 20, варьируя величиной переменного резистора 20; в генераторе 4 изменяют электрический режим работы кварцевого резонатора, варьируя величинами емкостей переменных конденсаторов 8 и 14), добиваясь устойчивого значения выходного уровня напряжения. После этого измерительную катушку 1 датчика помещают в зону действия исследуемого объекта (источник ЭМП или исследуемый предмет), что приводит к изменениям в электромагнитном поле измерительной катушки 1, а следовательно, и к изменениям параметров электрических колебаний в колебательном контуре из катушки 1 и конденсатора 2. Это вновь приводит к разбалансировке режимов работы схем генераторов 3 и 4. В результате, амплитуда уровня напряжения выходного сигнала индуктивного датчика отклоняется от исходного уровня в ту или иную сторону.

Сущность изобретения: устройство содержит параллельный колебательный контур из измерительной катушки индуктивности 1 и конденсатора 2. Управляемые низкочастотный генератор 3 прямоугольных импульсов и высокочастотный генератор 4 синусоидального напряжения подключены входами к одному из выводов катушки. В колебательном контуре формируется сигнал из смеси колебаний, вынужденных генераторами 3 и 4, и свободных колебаний и катушка 1 индуцирует сложномодулированное ЭМП. Поле такого типа, имея высокую информативность, повышает чувствительность датчика. Перемножитель 5, подключенный к выходам генераторов 3 и 4, формирует сигнал, содержащий информацию об изменении ЭМП катушки 1. Устройство 6 выделяет из этого сигнала постоянную составляющую, изменения уровня которой соответствуют изменениям ЭМП катушки 1. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности и достоверности при одновременном исключении влияния переходного процесса. 1с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Индуктивный датчик электромагнитного поля, содержащий управляемый генератор синусоидального напряжения, измерительную катушку индуктивности и конденсатор, подключенный параллельно измерительной катушке, отличающийся тем, что управляемый генератор синусоидального напряжения выполнен высокочастотным, кроме того, в устройство дополнительно введены управляемый низкочастотный генератор прямоугольных импульсов, перемножитель электрических сигналов и устройство обработки сигнала, выполненное с возможностью выделения и усиления постоянной составляющей из входного сигнала, при этом один конец измерительной катушки индуктивности подключен к управляющему входу управляемого высокочастотного генератора, а другой к управляющему входу управляемого низкочастотного генератора, выходы генераторов подключены к соответствующим входам перемножителя электрических сигналов, выход которого подключен к входу устройства обработки сигнала, выход которого является выходом устройства. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что высокочастотный генератор синусоидального напряжения содержит кварцевый резонатор, первый и второй конденсаторы переменной емкости, резисторы с первого по третий и первый и второй элементы НЕ, при этом кварцевый резонатор и первый конденсатор переменной емкости соединены первыми выводами последовательно, а их вторые выводы являются соответственно входом и выходом управляемого высокочастотного генератора и, кроме того, эти же выводы подключен соответственно к соединенным последовательно первому и второму элементам НЕ, параллельно каждому из которых и параллельно управляющему входу генератора подключены соответственно резисторы с первого по третий, кроме того, параллельно управляющему входу генератора подключен второй конденсатор переменной емкости. 3. Датчик по п.1, отличающееся тем, что низкочастотный генератор прямоугольных импульсов содержит конденсаторы с первого по пятый, варикап, переменный резистор, резистор и два элемента НЕ, при этом первый конденсатор подключен параллельно к управляющему входу генератора и к последовательно соединенным второму конденсатору и варикапу, положительная обкладка которого заземлена, которые общей точкой подключены к подвижному контакту переменного резистора, один из выводов которого заземлен, а второй подключен к источнику питания, конденсаторы третий и четвертый соединены первыми выводами последовательно, а вторыми выводами подключены соответственно к первому выводу пятого конденсатора и к земляной шине, элементы НЕ соединены последовательно, кроме того, параллельно первому элементу НЕ подключен резистор, а вход первого элемента НЕ подключен к первому выводу пятого конденсатора, второй вывод которого является управляющим входом генератора, кроме того, третий и четвертый конденсаторы общей точкой подключены к выходу второго элемента НЕ, выход которого является выходом генератора. 4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что устройство обработки сигнала содержит двухполупериодный выпрямитель, подключенный выходом к входу усилителя, вход выпрямителя и выход усилителя являются соответственно входом и выходом устройства обработки.