Устройство для измерения составляющих полного вектора магнитного поля Советский патент 1983 года по МПК G01R33/02 

2. Устгройство по П.1, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен из двух взаимно перпендикулярных пересекающихся по диаметру полупроводниковых дисков, в центре которых расположен точечный электрод, вывод которого изолирован от полупроводникового материала чувствительного элемента, а составной кольцевой электрод выполнен в виде сплошного кольца, охватывающе

го внешнюю поверхность горизонтального диска, и двух полуколец, охват тывающих внешний поверхности вертикального диска, при этом вывод .. точечного электрода соединен с общим выходом чувствительного элемента, а вывод сплошного кольца и объединенные выводы полуколец,,составного электрода соединены с измерительными выходами чувствительного элемента.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОГО ВЕКТОРА МАГНИТг НОГО ПОЛЯ, содержащее .укрепленный ию рданном подвесе маятник с располо.женнЕЛл на нем чувствительным элементом, включенным через- электроды в цепэ измерительного сигнала, и регистрирующие приборы, о т л и ч аю ц е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях возможных изменений положения- чувствительного элемента в пространстве, в него дополнительно введены два ключа, два направленных источника света, два фотоэлемента, два пороговых элемента и логический элемент ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых через соответствующие цепи измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами чувствительного элемента,, а выходы оСоих ключей - .с I общим внутренним электродом, входы логического элемента НПИ связаны с выходами пороговых элементов, входы которых под- . ключены к соответствующим фотоэле- - 9 ментам, расположенным напро ив напW равленных источников света, оси кото |РЫХ с относящимися к ним фотоэлементами расположены взаимно - перпендикулярно.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению составляющих полного вектор магнитного поля.

. Известно устройство, содержащее чувствительный элемент с электродами магнитная ось которого постоянно ориентируется по вертикали с помощью маятника, укрепленного в системе карданного подвеса. На маятнике укреплены также компенсационный магнит н система демпфирующих магнитов, перемещающихся при колебанияхмаятника в непосредственной близости от неподвижно закрепленной проводящей поверхности ij .

Однако данное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения..

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее укрепленный в карданном подвесе маятник с располо, женным на нем чувствительным элементом, включенным через электроды в цепь измерительного сигнала.

В устройстве чувствительный элемент выполнен в виде диска из полупроводникового материала с электродом в центре и сплошньви кольцевым электродом по окружности (диск Корбино)г в котором ток протекает в радисшьном направлении,в этом чувствительном элементе происходит изменение электрического сопротивления в магнитном поле (эффект Гаусса) а максимальный эффект магнитосопротивления наблюдается.при расположении диска перпендикулярно полному вектору-магнитного поля. Таким образом, чувствительный элемент, выполненный в виде диска Корбино обладает и свойством направленности Щ

Однако известное устройство не дает возможность одновременно получать Информацию о величинах вертикальной и горизонтальной составляющих полного вектора магнитного поля с достаточной точностью

Цель изобретения - повышение точности измерения в условиях возможных изменений положения чувствительного элемента в пространстве.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих полного вектора магнитного поля, содержащем укрепленный в карданном подвере маятник с расположенным на нем чувствительным элементом, включенным через электроды в цепь измерительного сигнала, и регистрирукнцие при ббры, в ведены два ключа, два направленных источника света, два фотоэлемента, два пороговых элемента и логический элемент ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых через соответствутощие цепи измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами чувствительного элемента, а выходы обоих ключей - с общим внутренним электродом, входы логического элемента ИЛИ связаны с выходами пороговых элементов, входы которых подключены к соответствующим фотоэлементам, расположенным напротив направленных источников света, оси которых с относящимися к ним фотоэлементами расположены взаимно перпендикулярно.

Кроме того, чувствительный элемент выполнен из двух взаимно перпендикулярных пересекающихся по диаметру полупроводниковых дисков, в центре которых расположен точечный электрод, вывод которого изолирован от полупроводникового материала чувствительного элемента, а составной кольцевой электрод выполнен в виде сплошного кoльцa охватывающего внешнюю поверхность горизонтального диска, и двух полуколец, охватывающих внешние поверхности вертикального диска,, при этом вывод

точечного электрода соединен с общим выходом чувствительного элемента, а вывод сплошного кольца и объединенные выводы полуколец составного электрода соединены с измерительными выходами чуствительного элемента.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - маятник; на фиг.З - вид по стрелке А на фиг.1..

Устройство содержит маятний 1 (сферу) из монолитного сплошного полупроводникового материала с чв%, тырьмя удаленными четвертьсферами уменьшенного радиуса, имеющий вид цвух пересекающихся по диаметрам рзаимно перпендикулярных дисков 2 И 3(или четырех взаимно перпенди| улярных полудисков 2.1, 2.2, 3.1 II 3.2 на фиг.2), представляющих .единое целое. В центре маятника 1 |(в центре условной линии перёсе1 ения взаимно перпендикулярных дйс-. ИОВ 2 и 3) размещен точечный электрод 4, вывод 5 которого (фиг.З) |(лектрически изолирован от полупрородникового материала чувствитель ого элемента. Вывод 5 расположен р сквозном канале б, идущем от центра шара по кратчайшему расстоя1 кю к ближайшей точке поверхности чувствительного элемента. Два лежа4 их в одной плоскости полудиска 2.1 (1 2.2 (фиг.2) охвачены по окружности кольцевым .сплошным (неразрезным) электродом 7, от которого идет вывод |9. Два других полудиска 3.1 и 3.2 охвачены полукольцевыми электродами и 10 срответствеНно, выводы 11 и |2 которых электрически объединены и представляют общий вывод 13. При 9ТОМ эпектррды 9 и 10 электрически изолированы от электрода 7. К одному из электродов, например 9, может $ьгть присоединен неметаллический стержень 14, который обеспечивает связь чувствительного элемента. 15 с карданным подвесом. К другому электроду, например 10, может быть подсоединен через неметаллический стержен 16 шарообразный (или другой формы) элемент 17, предназначенный для участия .в фиксации положений в прост ранстве (с помощью соответствующей координатной системы)..

В качестве полупроводникового материала для шара выбирают, например, антимонид индия (сплав индия и сурьмы) , висмут или антимонид никеля (сурмянистый никельЗ либо любой другой полупроводниковый махериаш, в котором наблюдается эффект магнитосопротивления (эффект Гаусса). Размеры (радиус шара) чувствительног элемента определяются исключительно требованиями по чуствительности, пред явленными к чувствительному элементу, и технологией изготовления. Эти размеры могут быть любыми, но оптимальными являются радиусы в пределах 1-10 см.

Устройство содержит также первый второй генераторы 18 и 19 напряжения первый и второй ивмерители 20 и 21 тока, первый и второй ключи 22 и 23, два направленных источника 24 и 25 света, первый и второй фотоэлементы 26 и 27, первый и второй пороговые элементы 28 и 29 и логический элемен ИЛИ 30, выход которого соединен с первыми входами первого и второго ключей 22 и 23, вторые входы которых через соответствующие измерители 20 и 21. измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами 7, 9 и 10 чувствительного элемента, а выходы - с общим внутренним электродом 4. Входы логического элемента ИЛИ 30 связаны с выходами первого и второго пороговых элементов 28 и 29, вхо;с ы которых подключены к соответствующим фотоэлементам 26 и 27.

Устройство работает следующим образом.

При ориентировании устройства таким образом, чтобы полудиски 3.1 и 3.2 заняли строго вертикальное положение в пространстве, и приложении напряжения постоянного (или переменного) тока к точечному электроду 4. (его выводу 5) и кольцевому электроду 7 (выводу 8), электр.одам 9 и 10 (выводу 13) между электродом 4 и электродами 7, 9 и 10 начингмот перемещаться в плоскостях полудисков 2.1 2,.2, 3.1 и 3.2 носителя зарядов - течет ток, величина которого зависит от величины вертикальной (для 2) и горизонтальной (для диска 3) составляющих полного вектора магнитного поля. Фиксация величины этих токов фактически является процессом измерения. После определения величины и направления составляющих полного вектора магнитного поля определяют известными приемами (при необходимости) величину и направление полного вектора магнитного поля .

При нахождении маятника 1 в строго вертикальной положении элемент 15 (или элемент 17) перекрывает путь световых лучей от направленных источников 24 и 25 света к фотоэлементам 26 и 27 соответственно. При этом исчезает сигнал ( напряжение) на выходах фотоэлементов 26 и 27, что вызывает появление сигналов на выходах пороговых элементов 28 и 29. Эти сигналы, пройдя через логический элемент ИЛИ 30, поступают на управляемые входы ключей 22 и 23 и вызывают их замыкание. Таким ббраэом, измеритель ные цепи, в которые включены полупро водниковые диски 2 и 3, оказываются замкнутыми для токов измерительных Сигналов, Величина зтих токов (при заведомо известных и,постоянных вели чинах напряжений генераторов 18 и 19 зависит исключительно от величины сопротивления соответствующего полупроводникового диска 2 и 3. В указан ный момент величина сопротивления диска 2 определяется величиной горизонтальной составляющей магнитного поля, а величина сопротивления диска 3 - величиной вертикальной составляю щей магнитного поля, причем чем боль ше величины этих составляющих, тем больше сопротивления дисков 2 и 3, включенных в цепи измерительных сигн лов. При выхЬде маятника 1 из строго вертикального положения световые лучи от источников 24 и 25 света поступают на фотоэлементы 26 и 27 соответственно, на их выходах появляются сигналы, которые поступая на входы пороговых элементов 28 и 29, вызывают исчезновение сигналов на их выходах и, соответственно, на выходе логического элемента ИЛИ 30, Это приводит к тому, что на управляющих входах ключей 22 и 23 исчезают сигналы, ключи 22 и 23 размыкаются, и ток перестает протекать по измерительным цепям. Таким образом, измерители 20 и 21 тока фиксируют токи, соответствую щие только заданному для измерения положению чувствительного.элемента в пространстве Земли, когда каждый из взаимно перпендикулярных дисков 2 и 3 фиксирует только вертикальную и только горизонтальную составляющие магнитного поля соответственно. Поэтому любые отклонения маятнака 1 от вертикального положения не вносят погрешности в результат измерения, так как в моменты отклонения маятника от вертикальнО(РО направления цепи снятия измерительной информации разомкнуты Индикацию измерителей 20 и 21 токов можно при необходимости выполнить с запоминанием и периодическим ее стиранием. Фиксация указанного заданного по.; ложения чувствительного элемента с помощыЬ двух взаимно перпе ндикулярных световых потоков обеспечивает работоспособность устройства при любых траекториях движения (качания в любых плоскостях) незакрепленного конца маятника. Технико-экономическая эффектив- ность изобретения заключается в создании быстродействующего практически безынерционного чувствительного элемента для измерения величин и направлений двух взаимно перпендикулярных составляющих полного,вектора маги ит ного поля, позволяющих получить при необходимости) при обработке полученных данных извёг-гнымй приемами также величину модуля и направление самого полного вектора магнитного поля. Это позволяет при меньшем количестве датчиков получить большой объем информации.