СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к области радиоизмерений, точнее - к измерению переменных электромагнитных полей, и предназначено для использования в измерителях электромагнитного поля, не требующих периодической поверки от внешнего источника стандартного электромагнитного поля.

Известны различные методы измерения напряженности магнитных составляющих переменных электромагнитных полей. В частности, в книге Е.Т. Чернышева, Н. Г. Чернышева и др. "Магнитные измерения", Москва, изд. Стандарты, 1969, стр. 32-36 описан метод измерения путем преобразования напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля в переменное напряжение, причем величина переменного напряжения пропорциональна напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля. При этом в зависимости от назначения измерительные преобразователи отличаются геометрическими размерами, количеством витков и формой (цилиндрические, в виде шара, квадратного, прямоугольного сечения каркасов).

Наиболее распространенная структурная схема измерителя переменного электромагнитного поля представляет собой последовательно соединенные основная антенна (обратимый преобразователь электромагнитного поля в электрический сигнал) 1, регулируемый усилитель 2, детектор 3 и показывающий прибор 4. При этом основная антенна (обратимый преобразователь) 1 обычно выполнена по возможности точечной. Эта схема представлена на чертеже и подробно описана, например, в В.В. Панин, Б.И. Степанов "Измерение импульсных магнитных и электрических помех", М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 32.

Известен способ измерения напряженности магнитного поля, основанный на использовании магниторезистивного эффекта, в котором о напряженности измеряемого поля судят по величине активного электросопротивления, помещенного в это поле токопроводящего чувствительного элемента [1] Однако известный способ требует использования относительно сложной регистрирующей аппаратуры, что обусловлено небольшой величиной магниторезистивного эффекта, не превышающего, например, для ферромагнитных материалов нескольких процентов. В последнее время, после открытия так называемого гигантского магниторезистивного эффекта, появилась возможность получения более эффективных магниторезистивных сенсоров, однако это требует использования сложных и дорогих технологий.

Известен способ измерения напряженности магнитного поля, в котором искомую величину определяют по индуктивности или индуктивному сопротивлению помещенного в магнитное поле датчика, содержащего чувствительный элемент из ферромагнитного материала, магнитная проницаемость которого зависит от напряженности внешнего магнитного поля [2] Недостатком известного способа является необходимость использования датчиков достаточно сложной конструкции, которая помимо чувствительного элемента, включает в себя, по меньшей мере, одну катушку индуктивности, имеющую с этим элементом магнитную связь.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ измерения напряженности магнитного поля, основанный на изменении эффективного сопротивления проводника с током, расположенного поперек силовых линий измеряемого магнитного поля, за счет ЭДС индукции, возникающей в этом проводнике при движении его в измеряемом поле под воздействием силы Лоренса [3] Это явление не проявляется при расположении проводника вдоль силовых линий магнитного поля или его механической фиксации, кроме того, оно не зависит от материала проводника.

Однако и этот способ требует использования относительно сложной регистрирующей аппаратуры, а также низкая точность измерения.

Наиболее близким к заявляемому способу является измеритель, приведенный в Патенте РФ №2152624 от 2000 г. (прототип).

Измеритель напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля содержит последовательно соединенные основную антенну, регулируемый усилитель, детектор, показывающий прибор, калибровочную антенну, подключенную к выходу калибровочного генератора, калибровочный генератор выполнен регулируемым, калибровочная антенна размещена возможно ближе и симметрично основной антенне, например, витки обмотки калибровочной антенны размещены поверх или между витками обмотки основной антенны - равномерно и симметрично относительно ее витков.

Однако перечисленные средства и меры дороги, усложняют прибор, процесс измерений и не устраняют полностью сомнения в точности проведенных измерений.

Целью изобретения является повышения точности и удобства измерений.

Поставленная цель выполняется тем, что способ измерения напряженности электромагнитного поля, заключается в том, что в качестве чувствительного элемента измерения напряженности магнитного поля используются магнитодиоды, а для улучшения чувствительности применяется метод голографической интерферометрии.

Заявляемый способ реализуют, следующим образом.

На фиг. 1 представлено устройство, которое состоит из калибровочной антенны 1, подключенной к выходу калибровочного генератора 2 и последовательно соединенных магнитодиода 3, фильтра 4, усилителя-корректора 5, интерференционно-голографической системы 6, измерительного прибора 7. Калибровочный генератор выполнен перестраиваемым. Антенна расположена как можно ближе к магнитодиоду. Результат заключается в повышении чувствительности и удобства измерений. Кроме того, отпадает необходимость в периодической поверке измерителя в стационарных условиях специализированного центра.

Устройство способа работает следующим образом. Вначале, при установке чувствительности измерителя, на магнитодиод 3 воздействуют стандартным равномерным переменным электромагнитным полем заданной напряженности формируемого, например, кольцами Максвелла. Бэрк Г. Справочное пособие по магнитным явлениям. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 274-276, 302-303. Данное поле магнитодиодом преобразуется в электрический сигнал, который усиливается регулируемыми усилителями 5 и 6, и подается на прибор 7. Изменяя усиление устройств 5 и 6 на измерительном приборе 7, устанавливают значение, соответствующее заданной напряженности внешнего стандартного электромагнитного поля. Затем отключают внешний генератор и включают калибровочный регулируемый генератор 2. Частота генератора такая же, как у внешнего генератора стандартного поля. Выходное напряжение регулируемого генератора 2 поступает на антенну 1 и образует вокруг калибровочной антенны электромагнитное поле. Напряженность поля, созданного генератором 2 и антенной 1, воздействует на магнитодиод 3 и преобразуется в нем в соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал усиливается регулируемыми усилителями 5 и 6 и передается на измерительный прибор 7.

Изменяя амплитуду выходного сигнала генератора 2, добиваются таких значений измерительного прибора 7, которые были на нем при воздействии стандартного внешнего электромагнитного поля заданной напряженности. Эти значения перестраиваемого генератора 2 фиксируют. При этом, созданное поле отличается от равномерного стандартного, но оно эквивалентно ему и вызывает в магнитодиоде такой же электрический сигнал. Калибровка измерителя используется для осуществления постоянной и своевременной коррекции изменений, связанных со старением, температурой, давлением и тряской.

При эксплуатации, перед измерением, вначале экранируют измеритель и калибруют его. После этого, изменяя усиление перестраиваемых усилителей 5 и 6, устанавливают значения измерительного прибора 7, равное значениям при первичной установке чувствительности. После этого выключают калибровочный генератор 2 и производят измерение.

Распределение интенсивности поля в интерферрограмме усилителя 6 фиг. 2, формируемого в плоскости линейки фотоприемных устройств, при наличии измеряемого сигнала (Iгл) можно определить, как:

где:

b₀ - член, характеризующий постоянный световой фон в плоскости главного изображения;

b₁ - член, характеризующий амплитуду колебаний волны;

j - мнимая единица;

k - волновое число;

х - значение координаты по оси ОХ;

L - расстояние от точки О зеркала до точки N по оси OZ (расстояние между голограммой и отражательным зеркалом);

R - расстояние от точки наблюдения S₁ до точки N по оптической оси OZ (оптическая ось перпендикулярна плоскости голограммы);

α - угол между голограммой и зеркалом;

ΔR - расстояние, на которое осуществляется перемещение точечного источника из S₁ в S₁'.

На фиг.2 обозначено:

S₁' - член, характеризующий положение точечного источника S₁ после его перемещения вдоль оптической оси;

S₂' - зеркальное отражение точки S₂;

r_1i - расстояние от S₁ в плоскости XOZ до произвольной точки на голограмме;

r_2i - расстояние от S₂ в плоскости XOZ до произвольной точки на голограмме;

r'_1i - расстояние от S₁' в плоскости XOZ до произвольной точки на голограмме;

r'_2i. - расстояние от S₂' в плоскости XOZ до произвольной точки на голограмме;

L - расстояние от точки О зеркала до точки N по оси OZ (расстояние между голограммой и отражательным зеркалом);

R - расстояние от точки наблюдения S₁ до точки N по оптической оси OZ (оптическая ось перпендикулярна плоскости голограммы);

ΔR - расстояние, на которое осуществляется перемещение точечного источника поля из S₁ в S₁';

α - угол между голограммой и зеркалом;

АВ - голограмма;

AD - отражательное зеркало.

Калибровка измерителя используется для осуществления постоянной и своевременной коррекции изменений, связанных со старением, температурой, давлением и тряской.

Применение рассмотренного выше способа измерения напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля позволит существенно повысить точность и удобство измерений, даст возможность создавать высокочувствительные, малогабаритные, сравнительно простые в эксплуатации приборы, обеспечивающие возможность сопряжения с различными устройствами вывода и наглядности информации.

Изобретение относится к области измерений переменных электромагнитных полей. Технический результат – повышение точности и удобства измерений. Технический результат достигается тем, что способ измерения напряженности электромагнитного поля заключается в том, что в качестве чувствительного элемента измерения напряженности магнитного поля используются магнитодиоды, а для улучшения чувствительности применяется метод голографической интерферометрии. 2 ил.

Способ измерения напряженности электромагнитного поля, заключающийся в том, что в качестве чувствительного элемента измерения напряженности магнитного поля используют магнитодиоды, а для улучшения чувствительности применяется метод голографической интерферометрии, при этом распределение интенсивности поля в интерферограмме усилителя, формируемого в плоскости линейки фотоприемных устройств, при наличии измеряемого сигнала определяется как

,

где b₀ - член, характеризующий постоянный световой фон в плоскости главного изображения;

b₁ - член, характеризующий амплитуду колебаний волны;

j - мнимая единица;

k - волновое число;

х - значение координаты по оси ОХ;

L - расстояние от точки О зеркала до точки N по оси OZ (расстояние между голограммой и отражательным зеркалом);

R - расстояние от точки наблюдения S₁ до точки N по оптической оси OZ (оптическая ось перпендикулярна плоскости голограммы);

α - угол между голограммой и зеркалом;

ΔR - расстояние, на которое осуществляется перемещение точечного источника из S₁ в S₁'.