ВИБРАЦИОННЫЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 2006 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике, в частности к устройствам для определения магнитных свойств (индукции насыщения, остаточной намагниченности, петель гистерезиса, магнитного момента, магнитной восприимчивости) веществ и материалов и может найти применение в лабораторных и экспедиционных устройствах для решения исследовательских и промышленных задач.

Известен вибрационный магнитометр, содержащий электромеханический вибратор, шток с образцом, магнитную систему, измерительные катушки, контроллер положения штока с образцом, датчик положения образца, а также схемы обратной связи датчика положения образца с вибратором, позволяющие определять амплитуду колебаний и положение образца. При этом контролируют как переменный, так и постоянный токи, подаваемые на вибратор [1].

Указанный вибрационный магнитометр работает следующим образом. Электродинамический вибратор приводит в возвратно-поступательное движение исследуемый образец в магнитном поле намагничивающей системы. В области максимального поля намагничивающей системы расположена система измерительных катушек. При этом образец закреплен на конце достаточно длинного штока, приводимого в движение вибратором, и помещен в центре измерительных катушек. Электрический сигнал, снимаемый с указанных катушек, пропорционален магнитному моменту образца и поступает на систему регистрации.

Особенностью данного изобретения является то, что датчик положения образца и амплитуды колебаний размещен в непосредственной близости от вибратора на большом расстоянии от образца, и при изменении внешней температуры длина штока изменяется, что вызывает смещение образца по отношению к измерительным катушкам и приводит к дополнительной погрешности. Кроме того, известная система [1] работает на частоте вибрации, что снижает помехоустойчивость устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является вибрационный магнитометр [2], содержащий электромеханический вибратор, источник питания вибратора, измерительные и компенсационные катушки, размещенные в вакуумированной штанге, погруженной в криостат. В известное устройство [2] входят также блок регулировки и стабилизации температуры, датчики температуры, давления и магнитного поля (МП), источник намагничивающего поля в виде сверхпроводящего соленоида, размещенного в гелиевом криостате, соединенного с регулируемым источником тока. Измерения в специфической области высоких гидростатических давлений обеспечиваются генератором давления, связанным посредством капилляра с контейнером, в котором размещен исследуемый образец. Измерительная система устройства [2] содержит подключенные к выходам измерительных и компенсационных катушек последовательно соединенные блок компенсации, селективный усилитель, синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом источника питания вибратора, и регистратор, выполненный в виде самописца. На второй вход самописца через переключатель подключают выходы датчиков температуры, давления и магнитного поля.

При возбуждении колебаний вибратором в измерительных и компенсационных катушках наводится ЭДС, пропорциональная магнитному моменту образца, неоднородности намагничивающего поля сверхпроводящего соленоида, магнитным моментам контейнера и блока регулировки и стабилизации температуры. При этом ЭДС, обусловленная неоднородностью намагничивающего поля, значительно больше ЭДС, связанных с магнитными моментами контейнера и блока регулировки и стабилизации температуры. Влияние неоднородности магнитного поля, обусловленное магнитными свойствами контейнера и блока регулировки и стабилизации температуры, может быть уменьшено с помощью блока компенсации. В устройстве [2] предусмотрена возможность изменения температуры, давления и величины намагничивающего поля.

Известный магнитометр характеризуется недостаточной точностью и чувствительностью измерений магнитных параметров вследствие присутствия в ЭДС индуцированной в измерительных катушках помехи от вибратора и других элементов устройства, а также слабой помехозащищенностью вследствие отсутствия экранирования измерительных катушек, отсутствия коррекции однородности магнитного поля в намагничивающей системе, а также отсутствия контроля положения образца в рабочей зоне.

Решаемая техническая задача состоит в повышении помехозащищенности, точности и чувствительности измерений при существенном снижении потребляемой мощности, габаритов и веса вибрационного магнитометра.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагаемый вибрационный генератор содержит электромеханический вибратор с питающей катушкой, жестко соединенный штоком с держателем образца и размещенный в криостате регулируемый источник намагничивающего поля. Устройство содержит измерительные катушки, нагреватель, датчики температуры и магнитного поля, а также синхронный детектор и блок регистрации.

В предлагаемое устройство введен работающий на высокой частоте датчик положения образца, размещенный в непосредственной близости от образца и измерительных катушек, что позволяет значительно снизить погрешности измерений, связанные со смещением образца по отношению к измерительным катушкам при температурном изменении длины штока.

В устройство введены два контроллера. Один из них предназначен для регулировки усиления переменной составляющей амплитуды сигнала вибратора, а другой - контроллер постоянного тока - предназначен для коррекции положения образца относительно измерительных катушек за счет введения в катушки вибратора постоянного тока. Для компенсации неоднородности магнитного поля Земли (МПЗ) и остаточного МП материала экрана введены катушки, образующие дополнительную магнитную систему.

Дополнительная магнитная система подключена к источнику намагничивающего поля таким образом, что ее МП направлено встречно по отношению к МП существующей магнитной системы. Это позволяет увеличить степень однородности создаваемого намагничивающего магнитного поля и, следовательно, повысить точность измерений. При этом, в силу малых размеров дополнительной магнитной системы, ток для компенсации неоднородности существенно меньше тока в магнитной системе. Так, ток питающий катушки компенсации неоднородности МП составляет примерно 5% от тока катушек источника намагничивающего поля. В предлагаемом решении в качестве источника намагничивающего поля использованы катушки Гельмгольца, что позволяет значительно снизить габариты и вес устройства в целом.

Для снижения уровня помех от внешних источников на измерительные катушки и для увеличения концентрации магнитного поля внутри магнитной системы введен экран. При этом экран выполнен из магнитомягкого материала, например, магнитомягкой стали.

В предлагаемом устройстве экран с размещенным в нем источником намагничивающего поля, измерительными катушками, катушками дополнительной магнитной системы и нижним концом вакуумированной штанги с закрепленными внутри нее штоком с держателем образца, датчиком положения образца, датчиком магнитного поля, датчиком температуры и нагревателем помещены в азотный криостат. В криостате также установлен низкотемпературный широкополосный усилитель (НТУ).

При размещении экранированной магнитной системы в криостате обеспечивается стабильность магнитных свойств всей магнитной системы. Кроме того, применение магнитного экрана позволяет увеличить напряженность магнитного поля за счет концентрации ее в объеме образца, что ведет к снижению потребляемой мощности от источников питания магнитной системы не менее чем в два раза.

Измерительные катушки и НТУ, как и магнитная система в целом, работают при температуре жидкого азота, при этом существенно снижается уровень внутренних шумов указанных катушек и усилителя.

Измерительная система в предлагаемом устройстве реализована следующим образом. Сигнал с измерительных катушек через НТУ поступает на вход дополнительного усилителя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов. В свою очередь, выход второго синхронного детектора соединен с входом контроллера постоянного тока и первым входом контроллера регулировки усиления. Первый выход контроллера постоянного тока подключен к первому входу усилителя мощности, выход которого соединен с питающей катушкой электромеханического вибратора, а первый выход контроллера регулировки усиления соединен с первым входом входом регулятора усиления, выход которого подключен ко второму входу усилителя мощности.

Первый выход генератора низкой частоты соединен со вторым входом первого синхронного детектора, второй выход генератора низкой частоты соединен со вторым входом контроллера регулировки усиления, а третий выход генератора низкой частоты подключен ко второму входу регулятора усиления. Первый и второй входы блока согласования подключены ко вторым выходам соответственно контроллера регулировки усиления и контроллера постоянного тока. Выход первого синхронного детектора подключен к третьему входу блока согласования.

Четвертый выход блока согласования соединен с катушками компенсации остаточного МП, пятый выход - с катушками регулируемого источника намагничивающего поля и через резистор R - с катушками компенсации неоднородности МП. Шестой выход блока согласования соединен с нагревателем. Седьмой вход блока согласования подключен к датчику МП, а восьмой вход - к датчику температуры. Блок согласования соединен с персональным компьютером (ПК).

Веденный в предлагаемом вибрационном магнитометре блок согласования выполняет следующие функции:

- управления током в катушках Гельмгольца, задания и измерения индукции магнитного поля,

- задания и измерения температуры образца,

- управления нагревателем,

- приема и обработки сигнала от измерительных катушек,

- задания и измерения положения образца,

- задания и измерения амплитуды колебаний образца.

ПК совместно с блоком согласования выполняет задание и измерение индукции магнитного поля через изменение токовых параметров, задание и измерение температуры образца, задание и измерение положения образца относительно измерительных катушек, задание и измерение амплитуды колебаний, а также приема, обработки и представления результатов измерений полезного сигнала от образца.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема вибрационного магнитометра.

На чертеже вибрационный магнитометр содержит электромеханический вибратор 1 с питающей катушкой, полый шток 2, на конце которого укреплен держатель 3 образца, регулируемый источник 4 намагничивающего поля, датчик 5 положения образца, измерительные катушки 6, дополнительная магнитная система, состоящая из катушек 7 компенсации неоднородности МП и катушек 8 компенсации остаточного МП, датчик 9 магнитного поля, нагреватель 10, датчик 11 температуры, криостат 12, экран 13, низкотемпературный широкополосный усилитель 14 (НТУ), дополнительный усилитель 15, первый синхронный детектор 16, второй синхронный детектор 17, генератор 18 высокой частоты, контроллер 19 постоянного тока, контроллер 20 регулировки усиления, генератор 21 низкой частоты, регулятор усиления 22, усилитель мощности 23, блок 24 согласования, персональный компьютер 25.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере вибрационного магнитометра, реализованного в виде опытного образца.

В предлагаемом техническом решении электромеханический вибратор представляет собой цилиндрический магнит, помещенный в многовитковую питающую катушку. Магнит подпружинен с двух сторон для обеспечения возвратного движения. При пропускании переменного тока низкой частоты (20-100 Гц) через питающую катушку вибратора создается переменное магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем магнита и приводящее к его периодическому смещению. Смещение магнита относительно измерительной катушки 6 производится при пропускании постоянного тока через питающую катушку вибратора, а изменение амплитуды вибрации - за счет изменения амплитуды переменного тока. Возможны и другие решения конструкции вибратора, например, на основе линейного двигателя.

К магниту механически подсоединен полый шток 2, на конце которого закреплен держатель 3 образца. На штоке 2 вблизи образца размещен датчик 5 положения образца в виде катушки, запитываемой стабильным током от генератора 18 высокой частоты (50-400 кГц).

Устройство работает следующим образом. Перед работой устройства в ПК, в зависимости от конкретной решаемой задачи, вводят следующие параметры: амплитуда колебаний образца, положение образца относительно измерительных катушек, амплитуда намагничивающего поля, значение температуры, т.е. параметры, обеспечивающие работу устройства.

По команде ПК 25 происходит включение электромеханического вибратора 1, при этом шток 2 с образцом, укрепленным в держателе 3, вибрирует с низкой частотой (20-100 Гц), наводя ЭДС в измерительной катушке 6; от датчика 5 положения образца, запитываемого от генератора 18 высокой частоты (50-400 кГц), также в измерительных катушках 6 наводится высокочастотная ЭДС, модулированная по амплитуде с частотой вибрации.

В измерительных катушках 6 вибрационного магнитометра индуцируется ток от образца и от датчика 5 положения образца. В результате суммарный ток в измерительной катушке 6 представляет собой суперпозицию тока сигнала и амплитудно-модулированного тока от катушки положения образца.

Суперпозиция сигналов усиливается НТУ 14. Нижняя граница полосы пропускания этого усилителя определяется частотой сигнала (т.е. частотой вибрации), а верхняя граница - значением высокой частоты питания датчика 5 положения. Суперпозиция сигналов усиливается в дополнительном усилителе 15 и поступает на первые входы синхронных детекторов 16 и 17. На второй вход первого синхронного детектора 16 подается опорное напряжение от генератора низкой частоты 21. На второй вход второго синхронного детектора 17 подводится сигнал от генератора высокой частоты 18. Выход первого синхронного детектора 16, содержащий информацию о магнитном моменте образца, направляется на третий вход блока согласования 24 для последующей обработки и представления на экране монитора ПК 25.

При этом к первому и второму входам блока согласования 24 подключены вторые выходы соответственно контроллера 20 регулировки усиления и контроллера 19 постоянного тока. Четвертый, пятый и шестой выходы блока согласования 24 соединены соответственно с катушкой 8 компенсации остаточного МП, с катушками регулируемого источника 4 намагничивающего поля и через резистор R с катушками 7 компенсации неоднородности МП и с нагревателем 10. Седьмой вход блока согласования 24 подключен к датчику 9 МП, а восьмой - к датчику 11 температуры.

Сигналы, пропорциональные амплитуде колебаний образца и положению образца относительно измерительных катушек 6, выделяются вторым синхронным детектором 17 и контроллером регулировки усиления 20.

Благодаря обратной связи от катушки датчика положения 5 до питающей катушки электромеханического вибратора 1 указанные контроллеры поддерживают постоянную амплитуду вибрации и положение образца относительно измерительной катушки 6. Контроллер регулировки усиления 20 воздействует на регулятор 22 усиления, изменяя амплитуду колебаний образца, а сигнал контроллера постоянного тока 19 вводит в усилитель мощности постоянную составляющую по току для смещения вибратора относительно измерительных катушек 6. Уровни по амплитуде колебаний и смещению образца относительно измерительной катушки задаются в персональном компьютере 25 и поступают на указанные контроллеры 19 и 20 через блок согласования 24.

В качестве источника намагничивающего поля в опытном образце использована система катушек Гельмгольца. Измерительные катушки, а также катушки дополнительной магнитной системы для компенсации неоднородности МП и остаточного МП выполнены также в виде катушек Гельмгольца.

В качестве датчика МП 9 для измерения индукции МП может использоваться, в частности, датчик Холла, который размещают в периферийной области МП, создаваемого источником намагничивающего поля 4. Выходной сигнал датчика МП 9 поступает на вход 7 блока согласования 24 для дальнейшего управления током в катушках регулируемого источника 4 намагничивающего поля и катушках 7 компенсации неоднородности МП. Блок согласования 24 выполнен на базе современных цифроаналоговых, аналого-цифровых преобразователей и операционных усилителей, обеспеченных источниками питания и согласующими элементами. Датчик температуры 11 в устройстве выполнен, в частности, на основе термопары, а нагреватель 10 - в виде бифилярной обмотки с теплоизлучателем.

Испытания созданного авторами макета вибрационного магнитометра показали, что заложенные в нем технические параметры соответствуют расчетным значениям. При этом чувствительность вибрационного магнитометра возрастет не менее чем в 8 раз по сравнению с известными магнитометрами, работающими при комнатной температуре.

Литература

1. Патент США №6630825 от 07.10.2003 г. на "Механический привод для магнитометров", МПК G 01 R 33/12, авт. Краузе Дж. и др.

2. А.с. №1277757 от 12.03.85 г. на "Вибрационный магнитометр для измерения под высоким гидростатическим давлением", МПК G 01 R 3/02, авт. Бужинский С.А. и Кирбитов В.М.

Вибрационный магнитометр относится к технике измерения магнитных полей и может быть использован для определения магнитных свойств веществ и материалов в лабораторных и экспериментальных устройствах. Вибрационный магнитометр содержит электромеханический вибратор, соединенный с держателем образца, регулируемый источник намагничивающего поля, измерительные катушки, нагреватель, датчики температуры и магнитного поля, синхронный детектор, криостат и персональный компьютер. Особенность вибрационного магнитометра заключается в том, что он снабжен катушками компенсации неоднородности магнитного поля, катушками компенсации остаточного магнитного поля, датчиком положения образца, контроллером постоянного поля, контроллером регулировки усиления, блоком согласования и персональным компьютером. Благодаря размещению катушек и датчиков в экране из магнитомягкого материала, помещенном в азотный криостат, и детально раскрытым в описании другим особенностям вибрационного магнитометра, обеспечивается повышение чувствительности и точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вибрационный магнитометр, содержащий электромеханический вибратор с питающей катушкой, жестко соединенный штоком с держателем образца, регулируемый источник намагничивающего поля, измерительные катушки, нагреватель, датчики температуры и магнитного поля, первый синхронный детектор, криостат и персональный компьютер, отличающийся тем, что в устройство введена дополнительная магнитная система, состоящая из катушек компенсации неоднородности магнитного поля и катушек компенсации остаточного магнитного поля, подключенная таким образом, что магнитное поле дополнительной магнитной системы направлено встречно магнитному полю регулируемого источника намагничивающего поля; введен датчик положения образца, размещенный в непосредственной близости от образца и измерительных катушек, подключенный к первому выходу генератора высокой частоты, второй выход которого соединен со вторым входом второго синхронного детектора, введены два контроллера: контроллер постоянного тока и контроллер регулировки усиления, при этом вход контроллера постоянного тока и первый вход контроллера регулировки усиления соединены с выходом второго синхронного детектора, первый выход контроллера постоянного тока подключен к первому входу усилителя мощности, второй вход которого соединен с выходом регулятора усиления, а выход - с питающей катушкой электромеханического вибратора, первый выход контроллера регулировки усиления подключен к первому входу регулятора усиления, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора низкой частоты, второй выход которого подключен ко второму входу контроллера регулировки усиления, а первый выход генератора низкой частоты - со вторым входом первого синхронного детектора; первые входы первого и второго синхронных детекторов соединены с выходом дополнительного усилителя, вход последнего через низкотемпературный широкополосный усилитель подключен к измерительным катушкам; первый и второй входы блока согласования соединены со вторыми выходами соответственно контроллера регулировки усиления и контроллера постоянного тока, третий вход блока согласования подключен к выходу первого синхронного детектора, а четвертый выход блока согласования подключен к катушкам компенсации остаточного магнитного поля, пятый выход - к катушкам регулируемого источника намагничивающего поля и через резистор к катушкам компенсации неоднородности магнитного поля, шестой выход блока согласования соединен с нагревателем, седьмой вход - с выходом датчика магнитного поля, восьмой вход - с датчиком температуры, блок согласования соединен с персональным компьютером; при этом катушки регулируемого источника намагничивающего поля, измерительные катушки, катушки дополнительной магнитной системы, а также нижний конец вакуумированной штанги с закрепленными внутри нее штоком с держателем образца, датчиком магнитного поля, датчиком температуры и нагревателем размещены в экране из магнитомягкого материала, помещенном в азотный криостат, в котором расположен также низкотемпературный широкополосный усилитель.2. Вибрационный магнитометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве регулируемого источника намагничивающего поля использована система катушек Гельмгольца.3. Вибрационный магнитометр по п.1, отличающийся тем, что измерительные катушки и катушки дополнительной магнитной системы выполнены в виде катушек Гельмгольца.4. Вибрационный магнитометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве датчика магнитного поля использован датчик Холла.