Устройство для измерения магнитной восприимчивости Советский патент 1985 года по МПК G01R33/12 

I

Изобретение относится к ма.гнитиым измерениям и может быть использовано ;vtH измерения магнитной восприимчивости слабомагнитных материалов, например полупроводниковых ил биологических объектов в широком диапазоне внешних магнитных полей и температур.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения магнитной восприимчивости.

На чертеже представлена блоксхема пре ;лагаемого устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные термостатированный высокочастотный LC-генератор I, высокочастотный широкополосный усилитель 2, высокочастотный амплитудный детектор 3 и усилитель 4 постоянного тока с начальным смещением, причем выход последнего соединен с цепью питания первого, смеситель. 5 частот, первый вход которого соединен с выходом высокочастотного широкополосного усилителя 2, опорный генератор-синтезатор 6 частот, первый выход которого соединен с вторьм входом смесителя 5 частот, последовательно соединенные широкополосный фильтр 7 сосредоточенной селекции и широкополосный усилитель 8 прО111ежуточной частоты, причем вход первого соединен с выходом смесителя 5 частот, частотный детектор 9, первый вход которого соединен с выходом широкополосного усилителя 8 промежуточной частоты, а второй - с вторым выходом опорного генератора-синтезатора 6 частот, последовательно соединенные фильтр 0 нижних частот, масштабный усилитель 11 постоянного тока с изменяемьм коэффициентом усиления и регистрирующий прибор 12, причем вход первого соединен с выходом частотного детектора 9.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода термостатированного маломощного высокочастотного LC-генератора 1, датчиком в котором служит, индуктивность его колебательного контура, поступает на вход высокочастотного широкополосного усилителя 2. Усиленный высокочастотным широкополосным усилителем 2 сигнал поступает на первый вход смесителя 5 частот,

3192

а на второй вход последнего поступает сигнал с первого выхода опорного генератора-синтезатора 6 частот, причем разность частот сигналов маломощного высокочастотного LC-генератора I и опорного генератора-синтезатора 6 частот составляет 10 МГц и при начальной регулировке вьщерживается с точностью до

единиц герц. Выделенный широкополосным фильтром 7 сосредоточ.енной селекции из смесителя 5 частот сигнал частотой 10 МГц усиливается широкополосным усилителем 8 промежуточНой частоты, подается на первый вход частотного детектора 9, а на второй вход поступает опорный сигнал с частотой 10 МГц из второго выхода опорного генератора-синтезатора 6 частот. При равенстве частот сигналов на обоих входах частотного детектора 9 на его выходе сигнал отсутствует. В случае неравенства частот входных сигналов частотного детектора 9, на его выходе появится некоторая величина постоянного напряжения соответствующей полярности зависящая только от величины разности частот входных сигналов, Вьщеленное частотным детектором .9 постоянное напряжение проходит через фильтр 0 нижних, частот и усиливается масштабным усапителем 11 постоянного тока с измеляемым коэффициентом

усиления. С выхода масштабного усилителя 11 постоянного тока усиленное напряжение поступает на вход регистрирующего прибора 1-2.

При помещении в датчик, которым

служит индуктивность колебательного контура термостатированного маломощного LC-генератора, исследуемого вещества происходит изменение его генерируемой частоты и амплитуды

выходного напряжения. Изменение

частоты генератора вызывает появление на выходе частотного детектора сигнала соответствующей полярности, причем этот выходной сигнал пропорционально зависим от величины магнитной восприимчивости исследуемого вещества, что дает возможность щкалу регистрирующего прибора проградуировать непосредственно в единицах магнитной восприимчивости. Для обеспечения временно-частотной стабильности работы термостатированного маломощного высокочаст(тного

3

LC-генератора 1 и устранения влияния амплитуды его выходного сигна на результаты измерений последний снабжен управляемым источником питания .

Использование отрицательной обратной связи в управляемом источнике питания упомянутого генератор позволило увеличить его временночастотную стабильность на порядок.

Источник питания термостатированного высокочастотного LC-генера тора 1 состоит из последовательно соединенных высокочастотного амплитудного детектора 3, вход которого подключен к выходу широкополоного высокочастотного усилителя 2, и операционного усилителя 4 посто,янного тока, имеющего начальное смещение, выход которого соединен с цепью питания упомянутого генератора.

Установд а начального напряжения питания (около выбранного значения термостатированного высокочастотного LC-генератора осуществляется с помощью установления начального смещения на прямом входе опера-; ционного усилителя 4 постоянного тока,

Выходное высокочастотное напряжение термостатированного высокочастотного LC-генератора 1, усиленное широкополосным высокочастотным усилителем 2, поступает на вход высокочастотного амплитудного детектора 3 и с его выхода в виде постоянной составляющей поступает на инверсный вход операционного усилителя 4 постоянного тока. На выходе операционного усилителя 4 постоянного тока напряжение равно разности начально установленного напряжения и усиленного напряжения постоянной составляющей выпрямленного высокочастотным амплитудным детектором 3. В зависимости от изменения величины амплитуды генерации термостатированного высокочастотного LC-генератора 1 происходит изменение величины напряжения питания его. Дальнейшее управление работой источника питания упомянутого генератора происходит автоматически.

Частота среза стабилизации лХ),1 Гц. Мощность, рассеиваемая источником питания, 410 мВт. Времен3194

но-частотная нестабильность термостатированного маломощного йысокочастотного LC-генератора при питании от такого источника составля- ет не более 10 Гц/ч.

Катушка индуктивности колебательного контура термостатированного маломощного высокочастотного LC-генератора, являющаяся зондом, вьшолнена цилиндрической и соединена с электронной схемой с помощью коаксиальной линии длиной 80 мм, состоящей из нейзильберовой трубки диаметром 12 мм и центрального медного провода диаметром 1 мм, который центрирован тремя тефлоновыми шайбами, помещена вместе с электронной схемой в термостат.

Смеситель частот собран на двухзатворном полевом транзисторе

КП 350 Б, в исток которого включен широкополосный фильтр сосредоточенной селекции с полосой пропускания 3 МГц, выполненный трехзвенным на

LC элeмeнтax с внешнейемкостной связью и средней рабочей частотой 10 МГц. . ,

Широкополосный усилитель промежуточной частоты выполнен трехкаскадным

и собран на транзисторах, в коллекторные цепи которых включены двухконтурные полосовые фильтры. Общее усиление широкополосного усилителя промежуточной частоты при полосе

пропускания 3 МГц и средней рабочей частоте 10 МГц составляет- . Согласование входных и выходнытс сопротивлений каскадов широкополосного усилителя промежуточной частоты

достигнуто за счет применения автотрансформаторной связи с коллекторными контурами и слабой связи с базовыми контурами. Связь коллекторных и базовых контуров-выбрана ниже

критической. Во избежание зависимости выходного напряжения от частоты последний каскад широкополосного усилителя промежуточной частоты выполнен усилителем, работающим в режиме ограничения. Нагрузкой последнего каскада широкополосного усилителя промежуточной частоты является колебательньй контур частотного детектора, настроенньпТ на среднюю рабочую частоту широкополосного усилителя промежуточной частоты 10 МГц.

Частотный детектор вьтолнен по схеме дробного детектора, собранного на. диодах, с отдельным источником сигнала опорной частоты, в качестве которого использован второй выход опорного генератора-синтезатора частот. Для подавления паразитной амплитудной модуляции и компенсации асимметрии частотного детектора, вызванного неидентичностью параметров диодов, перед нагрузочными резисторами включены подстроечные per зисторы. Ширина линейного участка статистической частотно-амплитудной характеристики- частного детектора составляет.i1,2 МГц с крутизной характеристики 0,5 В/МГц. Отклонение от линейности на краях диапазона tO,5Mrn не превьппает 1%.

Для подавления высокочастотной составляющей, содержащейся на выходе частотного детектора, использован П-образный LC-фильтр нижних частот с частотой среза 3 кГц.

В качестве масштабного усилителя постоянного тока с изменяемым коэффициентом усиления использован операционный усилитель типа К 1АО УД 2, охваченный местной отрицатель, ной обратной связью, глубина которой выбрана из условия обеспечения соответствующего коэффициента усиления. Установка нуля напряжения на выходе масштабного усилителя

O постоянного тока осуществляется с помощью напряжения смещения, подаваемого на его инверсный вход.

Для обеспечения стабильной работы устройства в целом смеситель

5 частот, широкополосный усилитель промежуточной частоты, частотный детектор, усилитель постоянного тока помещены в общий пассивный термостат, изготовленный из силлу0 мина.

Эксперименты показали, что предлагаемое устройство обладает чувствительностью 2-10 при погрешности измерений 1,5%. Временная неста5 . бильность выходного напряжения составляет 5 мкВ/ч.

1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ, содержащее последовательно соединенные генератор питания, термостатированный LC-генератор, индуктивность колебательного контура которого является датчиком, широкополосный усилитель, а также регистрирующий прибор, о тлич ающе е с я тем, что, с целью повьшения чувствительности, и точности измерения, в него введе- ны последовательно соединенные опорный генератор-синтезатор частот, смеситель частот, фильтр сосредоточенной селекции, широкополосный усилитель промежуточной частоты. З-п частотный детектор, фильтр нижних частот и масштабный усилитель постоянного тока с изменяемым коэффициентом усиления, причем второй вход смесителя частот соединен с выходом широкополосного усилителя, второй вход частотного детектора подключен к второму выходу опорного генератора-синтезатора частот, выход масштабного усилителя постоянного тока с изменяемым коэффициентом усиления соединен с входом регистрирующего прибора, термостатированньй LC-генератор выполнен маломощным i и высокочастотным, а широкополосный усилитель - высокочастотным. (Л 2, Устройство по п, 1, о т л и ч ающе е ся тем, что генератор питания выполнен в, виде последовательно соединенных высокочастотного амплитудного детектора и операциоЯного усилителя постоянного тока с начальным смещением, причем вход со высокочастотного амплитудного део со тектора подключен к выходу широкополосного высокочастотного усилителя, а выход операционного усилителя со постоянного тока с начальным смещением - к входу LC-генератора,