Устройство для измерения напряженности магнитных полей Советский патент 1983 года по МПК G01R33/08 G01V3/08 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для одновременного измерения модуля полного вектора напряженности постоянного или медленно изменяющегося магнитного поля и направляющих косинусов этого вектора относительно осей ориентированной в пространстве, например, декартовой системы координат, что важно, в частности, при геофизических исследованиях, в которых производится измерение характеристик магнитного поля Земли.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения напряженности магнитного поля, построенное на базе модульного квантового магнито метра с оптической накачкой. Устройство включает,кроме модульного магнитометра, подключенные к последнему фильтры, три генератора и тройную ортогональную, колечную систему. Устройство используетоя для измерения модуля полного вектора напряженности магнитного поля и направляющих косинусов этого вектора в заданной, например, декартовой системе координатГ.

Недостатком устройства является низкая ТОЧНОСТЬ измерения.

Цель изобретения - увеличение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения напряженности магнитных полей, содержащее модульный квантовый магнитометр, подключенные к его выходу фильтры, тройную ортогональную колечную Систему и три генератора, введены последовательно.соединенные с фильтрами сумматор, нелинейное звено, блок извлечения квадратного .корня, вычитающий блок и три ослабителя, а также источник образцового напряжения, подключенный к второму входу вычитающего .блока, причем первые входы ослабителей подключены к выходам генераторов, вторые входык выходу вычислительного блока, а выходы ослабителей.связаны с кольцами тройной ортогональной колечной системы.

1

На чертеже представлена блоксхема устройства для измерения напряженности магнитных полей.

Устройство для измерения напряженности магнитных полей содержит генераторы 1,2 и 3 с частотами соответственно ш, ,и,и to,, подключенные к первым входам ослабителей 4,5 и б соответственно. Выходы ослабителей 4,5 и 6 связаны с кольцами 7,8 и 9, образуквдими тройную ортогональную колечную. систему. Вторые входы ослабителей 4,5 и б соединены с выхо дом вычитающего блока 10, к входам

которого подключены источник 11 обра цового напряженияи блок 12 извлечения квадратного корня.К входу блока 12 извлечения квадратного корня подключено нелинейное звено 13. Устройство содержит также модульный квантовый магнитометр 14, например, следящего типа, содержащий источник 15 резонансного света накачки, поглощающую ячейку 16, радиочастотные

кольца 17, фотодетек ор 18, усилитель 19, частотный дискриминатор 20, частотно-модулируемый .автогенератор 21, синхронный детектор 22 и низкочастотный генератор 23.К 1выходу магнитометра 14 подключены полосовые

фильтры 24-26 с центральными частотами соответственно цг,ШуИси,г фильтр 27 нижних частот,а выходыфильтров 24-26 соединены с сумматором 28. Выходные сигналы фильтров 24 - 26 объединяются сумматором 28 и через, нелинейное звено 13, блок 12 извлечения квадратного корня и вычитающий блок 10 подводятся к входам управления ослабителей

4,5 и 6, задавая их коэффициенты передачи.

Устройство работает следующим образом.. На поглощающую ячейку 16 магнитометра 14 воздействует магнитное поле

Йд+Й,+Йч+Н2С амплитудой H|5 Ho+pHcosd

sinu t / HcoscCJSinш,.QSoi2 хз1пш Ъ,где/3 - коэффициент передачи .. ослабителей 4 - 6, рН « Ц, и, например, hi Ну 1 Н, причем амплитудывспомогательных полей, воздействующих на магнитометр 14, в данном случае равны произведении/JИ. Функционирование квантового модульного.магнитометра 14 следящего типа с оптической

накачкой традиционно. На выходе час-:; тотного дискриминатора 20 магнитометра 14 как реакция на Не появляется сигнал Hj..Фильтр 27 нижних частот выделяет соответствующую Uj , пропорциональную исксяиой величине Н и не зависящую от интенсивностей вспомогательных полей. После фильтров 26, 25,24 имеет сигналы.соответственно

U-j /jHcosoC sinut t, Uy/ /sHcosofySinWyt, (f - fbHcosd sinWj t .

Сумматор 28 суммирует напряжения ,,Uy и Uz f его выходной сигнал под-, вергается обработке нелинейным звеном 13, в качестве которого используется, например, квадратор. Отметим, что в общем случае передаточная характеристика нелинейного звена 13 может быть 0 иной, необходимо лишь, чтобы в разложении ее в степенный ряд не все коэффициенты при четных степенях аргумента одновременно обращались в нуль. Постоявная составляющая выходного напря жения квадратора i U-(/&H|(( (рМ;. Выходной сигнал и блока 12 извлечения квадратного корня ипеет вид . Таким образом, после обработки выходных сигналов фильтрог 24 - 26 с помощью сумматора 28, нелинейног эвена 13 и блока 12 извлечения ква ратного корня получено напряжение пропорциональное a 4плитyдe Н вспо могательных полей. Далее ос)Ю(ествл ется стабилизация интенсивности вспомогательных полей, воздействую на ячейку 16. Для этого в вычитающем блоке 10 образуется разность напряжений U -у,,где Од - высокостабильное напряжение источника 11 Полученная разность напряжений, на пример, после усиления воздействует на входы управления ослабителей 4 - 6, вызывая соответствующее изменение их коэффициентов передачи .Устройство оказывается охваченным глубокой отрицательной обратной связью по величине напряжен ности вспомогательных магнитных полей. При возрастании Н по какю либо причинам увеличиваются сигналы UjffVyfV fV и,, наконец, U ,что ведет к уменьшению коэффициента передачи/5 ослабителей , и компенсации первоначального изменения Н. Отметим, что используемая в предлагаемом устройстве конфигура/ция цепи отрицательной обратной связи позволяет устранить влияние на точность измерений также нестабильности коэффициентов передачи фильтров 24 - 26, изменения параметров колечной системы и элементов схемы модульного квантового магнитометра 14, Последнее обстоятельство попутно способствует увеличению точности измерения модуля вектора нгшряженности магнитного поля При достаточной глубине отрицательной обратной связи произведение / Н остается постоянным, поэтому амплитуды в лходных напряжений фильтров 24 - 26 (выражения для Uxr Uj) с высокой точностью пропорциональны ИСКОШИ4 величинами. cos(A.)(,cosc.y и cosdf Итак, введение в состав известного устройства .ряда новых узлов,соответствуижим образом взаимосяязан-г . . ных с прочими блоками. устройства, Позволило получить существенный положительный эффект - увеличение точности определения положения вектора напряженности магнитного поля в пространстве путем стаб илизации интенсивности вспомогательных магнитных полей и устранения влияния на точность измерений нестабильности характеристик отдельных узлов системл. - ..

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕН НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, содержащее модульный квантовый магнитометр, подключенные к его выходу фильт1ш, тройную ортогон i , ную колечнуго систему и три генератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, .с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные с фильтрами сумматор, нелинейное звено, блок извлечения квадратного корня, вычитающий блок и три ослабителя, а также истбчмик образцового напряжения, подключенный к второму входу . вычитающего блока, причем первые входы ослабителей подключены к выходам генераторов, вторые входы .к выходу вычислительного блока, а выходы ослабителей связаны с кольцами тройной ортогональной колечной систем.J