МАГНИТОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01R33/24 G01R33/20 

Изобретение относится к области измерения постоянного и переменного магнитного поля.

Известный магнитометр [1] , основанный на методах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (Э.П.Р.), предназначается для измерения индукции магнитного поля в диапазоне 0,5•10^-4÷16 Тл с использованием одного датчика.

Многие области современной науки и практики (геофизика, биология аэрокосмическая навигация, системы наведения и обнаружения) требуют измерений индукции магнитного поля в сверхслабом диапазоне 10^-13÷1•10^-4 Тл. С помощью указанного магнитометра выполнить измерения в сверхслабом диапазоне практически невозможно из-за его физико-технических характеристик.

Известен высокочувствительный резонансный преобразователь индукции магнитного поля в широком диапазоне частот, основанный на эффекте ферромагнитного резонанса в ферромагнитном сердечнике из аморфного сплава Fe₅Co_73/78Si₁₀B₁₂ [2].

Недостатком преобразователя является собственный шум транзистора автогенератора, не позволяющий снизить порог чувствительности до значения 10^-13 Тл в постоянном поле.

Целью изобретения является расширение диапазона в область слабого и сверхслабого магнитного поля.

Эта цель достигается тем, что магнитометр дополнительно содержит электронный интегратор, источник опорного напряжения, ферромагнитный сердечник. Инвертирующий вход операционного усилителя интегратора подключен через диод к выходу фотодетектора. К неинвертирующему входу подключен источник регулируемого опорного напряжения. Выход интегратора подключен к катушкам модуляции измеряемого магнитного поля и параллельно - к входу регистрирующего прибора. В качестве рабочего вещества используется ферромагнитный сердечник, дающий сигнал ферромагнитного резонанса (ФМР) в измеряемом постоянном поле в насыщенном состоянии и сигнал измеряемого переменного поля в частично насыщенном состоянии сердечника.

Ввиду общности принципа формирования и регистрации сигналов ФМР, ЭПР и ЯPM целесообразно объединить эти методы для создания одного измерительного устройства для измерения индукции магнитного поля в широком диапазоне и обеспечения единства и достоверности измерений.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого магнитометра.

Он содержит источник света 1, волоконный световод 2, фотодетектор 3, резистор 4, конденсатор 5, катушку индуктивности 6, ферромагнитный сердечник 7, катушки модуляции измеряемого магнитного поля 8, конденсатор 9, генератор модуляции 10, переключатели П₁, П₂, резистор 11, диод 12, источник опорного напряжения (ИОН) 13, конденсатор 14, микросхему 15, сопротивления 16 и 17, усилитель 18, синхронный детектор 19, регистрирующий прибор 20, перестраиваемый генератор по частоте 21, измеритель частоты 22.

Магнитометр работает следующим образом.

Промодулированный генератором 21 световой поток источника 1 проходит через волоконный световод 2 и поступает на фотодетектор 3, ток которого с частотой, равной частоте широкополосного генератора накачки 21, через резистор 4 и конденсатор 5 проходит по катушке индуктивности 6 и создает в ней высокочастотное линейно поляризованное поле. Катушки модуляции поля 8 подключены через переключатель П₂ и конденсатор 9 к генератору модуляции 10. За счет тока, протекающего по катушкам, создается переменное магнитное поле.

Выход фотодетектора 3 через диод 12 подключен одновременно к усилителю 18 и через резистор 16 к инвертирующему входу интегратора, состоящему из операционного усилителя 15 и конденсатора 14. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен через резистор 17 к источнику опорного напряжения, а выход интегратора подключен через резистор 11 и переключатель П₁ к катушкам модуляции и параллельно - к входу регистрирующего прибора 20.

Ферромагнитный сердечник 7 с малой коэрцетивной силой и с низким значением индукции насыщения B_s находится в постоянном магнитном поле В, при котором индукция сердечника больше B_s. Поле В создается током интегратора, протекающим по катушкам модуляции. Регулировка значения поля осуществляется резистором 14. В переменном магнитном поле катушки 6 и постоянном поле катушек 8 получают ферромагнитный резонанс. Сигнал производной кривой резонанса на частоте модуляции поля поступает на усилитель 18, синхронный детектор 19 с опорным напряжением от генератора модуляции 10. Сигнал ферромагнитного резонанса фиксируется регистрирующим прибором 20. В момент перехода производной через нуль в центре резонанса измеряют резонансную частоту генератора 21 частотомером 22 и находят значение постоянного поля из выражения В₁=K₁f, где B₁ - индукция измеряемого поля, K₁ - коэффициент преобразования Т/МГц, f - резонансная частота. Для измерения переменного и импульсного магнитных полей выключают поле модуляции переключателем П₂, устанавливают поле смещения на участок наибольшей крутизны dμ/dB сердечника и находят значение индукции переменного или импульсного поля по формуле В₂=K₂U, где В₂ - амплитуда поля; К₂ - коэффициент преобразования Т/В; U - напряжение сигнала в вольтах.

Резонансная частота f зависит от величины измеряемого поля и поля анизотропии сердечника и в поле Земли составляет для разных сердечников 18-25 МГц. Ширина резонансной линии на полувысоте для разных аморфных сплавов имеет значение 500÷2000 нТ. Такая узкая резонансная линия позволяет получить высокую чувствительность и низкую погрешность установки момента резонанса исходя из выражения

где ΔB_л - ширина линии магнитного резонанса; U_ш - напряжение шума; В -индукция измеряемого поля; В_м - амплитуда индукции поля модуляции; U_с - напряжение сигнала.

Регистрация измеряемого переменного поля может осуществляться по двум каналам: выход интегратора подключается к входу регистрирующего прибора; выход усилителя подключается к входу регистрирующего прибора. В этом случае усилитель должен быть широкополосным по частоте или перестраиваемый и с узкой полосой пропускания.

На Фиг. 2 показана запись изменения постоянного поля в кольцах Гельмгольца на величину 0,01 нТл с постоянной времени регистрации 2 с. Сигнал превышает шум в 10-15 раз, т.е. пороговая чувствительность составляет 1-2 пТл. Переменное поле может измерять в диапазоне 0,1-2•10⁵ Гц с пороговой чувствительностью 1 пТл.

Так как магнитный резонанс наблюдается при постоянном поле, превышающем В_s, и при малой амплитуде высокочастотного резонансного поля, то не происходит интенсивного перемагничивания сердечника, в результате чего исключаются нестационарные процессы в сердечнике и уменьшаются шумы. Это приводит к низкому порогу чувствительности и временной стабильности.

Замена ампулы с рабочими веществами, дающими сигналы ЭПР и ЯМР, на ампулу с ферромагнитным сердечником позволяет расширить диапазон измеряемого поля от 1•10^-13 Тл до 16 Тл, а частотный диапазон до 200 кГц с использованием одного измерительного устройства.

Литература
1. Тельминов М.М. Патент Российской Федерации N2087920, 1991 (прототип).

2. Тельминов М.М. Высокочувствительный резонансный преобразователь индукции магнитного поля в широком диапазоне частот.

Изобретение относится к области измерения постоянного и переменного магнитных полей. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение диапазона измерения в области слабого и сверхслабого магнитных полей. Указанный технический результат достигается путем того, что магнитометр дополнительно содержит электронный интегратор, источник опорного напряжения, ферромагнитный сердечник, дающий сигнал ферромагнитного резонанса в измеряемом постоянном поле в насыщенном состоянии и сигнал измеряемого переменного поля в частично насыщенном состоянии сердечника. Замена ампулы с рабочими веществами, дающими сигналы электронного парамагнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса на ампулу с ферромагнитным сердечником, позволяет расширить диапазон измеряемого поля от 10^-13 до 16 Тл, а частотный диапазон от 200 кГц с использованием одного измерительного устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитометр, содержащий перестраиваемый генератор накачки, генератор модуляции, катушки модуляции измеряемого поля, датчик с рабочими веществами, последовательно расположенные источник света, волоконный световод и фотодетектор, последовательно соединенные усилитель, синхронный детектор и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен электронным интегратором, источником опорного напряжения, ферромагнитным сердечником, при этом инвертирующий вход операционного усилителя-интегратора подключен через диод к выходу фотодетектора, а не инвертирующий вход - к источнику опорного напряжения, выход интегратора подключен к катушкам модуляции измеряемого поля и параллельно к входу регистрирующего прибора. 2. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что ферромагнитный сердечник дает сигнал ферромагнитного резонанса в измеряемом постоянном поле в насыщенном состоянии и сигнал измеряемого переменного поля в частично насыщенном состоянии сердечника.