Протонный магнитометр Советский патент 1987 года по МПК G01R33/24 

1 .1

Р эобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения модуля индукции слабых магнитных полей и, в частности, может быть использовно для измерения гео- магнитного поля с градиентами, достигающими сотен нТл/м.

Цель изобр етения - повышение точности измерений при работе в быстро- изменяющихся полях с большими гра- диентами.

На фиг,1 представлена функциональная схема протонного магнитометра; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу протонного магнитометра; на фиг.З - блок обработки сигнала (вариант); на фиг.4 - блок настройки (вариант).

Протонный магнитометр (фиг.1) со- 20 держит- датчик 1 с блоком настройки, первьй усилитель 2, блок 3 обработки сигнала, формирователь тока поляри- . зации 4, командный блок 5, катушку индуктивности б, второй блок настрой-25 ки 7, второй усилитель 8, блок согласования 9., причем первый вывод 10 катушки индуктивности 6 соединен с выходом второго блока настройки 7, вход которого подключен к третьему ЗО выходу командного блока 5, второй вывод 11 катушки индуктивности 6 сое- динены через блок согласования 9 с выходом первого усилителя 2, третий вывод 12 катушки индуктивности 6 jr соединен с входом второго усилителя 8, выход которого подключен к третьему входу блока 3 обработки сигнала. Блок 3 обработки сигнала (фиг.З) состоит из умножителя частоты 13, 40 схемы синхронизации 14, пересчетной схемы 15 и счетчика 16, при этом первый вход блока 3 обработки сигнала служит входом умножителя Частоты и первым входом схемы синхронизации, 45 выход умножителя частоты соединен с входом счетчика и вторым входом схемы синхронизации, второй и третий входы блока обработки сигнала 3 являются соответственно третьим и чет- о вертым входами схемы синхронизации, выход которой соединен со входом пересчетной схемы, выход пересчетной схемы является первым выходом блока обработки сигнала 3, а выход счетчи- с ка служит вторым выходом блока 3 обработки сигнала.

Второй блок настройки 7 (фиг.4) состоит из конденсаторов настройки

5

0 5 О r 0 5 о

52

17, -17f, и ключей 18,-18f,, причем все конденсаторы 17,-17f, первыми выводами объединены в общ ую шину, служащую выходом блока настройки, а вторыми вьшодами соединяются с первыми рабочими контактами ключей 18,-18,, вторые рабочие контакты которых объединены в общую шину, соединенную с землей, а управлякнцие входы ключей образуют вход блока настройки.

Протонный магнитометр работает следующим образом.

После окончания тока поляризации, создаваемого формирователем 4 тока поляризации, образующийся сигнал ядерной прецессии выделяется колебательным контуром, образованным катушкой и конденсаторами блока настройки датчика в блоке 1. Принципиальная схема блока настройки представлена на фиг.4. Выделенный контуром сигнал усиливается первым усилителем 2, образующим с блоком 1 основной уси-

:лительный канал. 1

Выходной сигнал первого усилителя

2 через блок согласования 9, выполненный, например, в виде резистив- ного делителя,.не создающего фазовых сдвигов в диапазоне рабочих частот магнитометра, поступает во второй усилительный канал, состоящий из колебательного контура, образованного, катушкой индуктивности 6, вторым блоком настройки 7 и вторым усилителем 8 (в частном случае выводы 10-12 катушки индуктивности 6 могут быть объединены) . При этом, катуп1ка индуктивности 6 и второй блок настройки 7 обладают электрическими характеристиками, идентичными электрическим характеристикам датчика 1 с блоком настройки, а первый и второй усилители имеют одинаковые фазо- частотные характеристики. Таким образом, при включении одинаковых настроечных элементов в обоих колебательных контурах, оба усилительных канала создают одинаковый фазовый сдвиг дер, а разность фаз между их выходными сигналами равна фазовому сдвигу, создаваемому каждым каналом в отдельности, т.е. ucf. Сигналы обоих усилительных каналов с выходов усилителей 2 и 8 поступают в блок обработки сигнала (БОС), выполненньй, например, по функциональной схеме, представленной на фиг-.З, га входы схемы синхронизлпии Кч, с целью определения фазового сдвига tf. Кроме того, сигнал с выхода первого усилителя 2 поступает на вход умножите-- ля 13 частоты, который в совокупности со счетчиком 16 образует преобра- зователь частоты прецессии в цифрово код магнитной индукции.

Сразу по окончании измерения частоты прецессии командный блок 5 вырабатывает сигнал, разрешающий работ схемы синхронизации 14 блока 3 обработки сигнала. Схема синхронизации 14 начинает пропускать импульсы умноженной частоты на вход пересчетной схемы 15 синхронно с ближайшим, нап- ример, отрицательным фронтом выходного сигнала первого усилителя 2. .Пересчетная схема 15 имеет коэффициент пересчета, равный коэффициенту умножения N умножителя 13 частоты, поэтому частота ее выходного сигнала практически совпадает с частотой сигнала прецессии, а фаза определяется начальным состоянием пересчетной схемы 15 и моментом начала по- ступления на ее вход импульсов умноженной частоты. Начальное состояние пересчетной схемы 15 определяется кодом предварительной установки, который подбирается при настройке при-30 нения поля при допустимой ошибке синбора и зависит от конкретных харак- -

теристик катушки датчика. Этот код может задаваться внешним переключателем, или жестко фиксироваться на входах предварительной установки 35 пересч етной сх емы 15. Пересчетная схема, представляющая собой делитель

полях с гра- нескольких

хронизации дц))ё 20 составляет 1 100 Гц/с или 520 нТл/м. Эта величина превьштает практически существующие градиенты iгеомагнитного поля и не зависит от

времени поляризации и соответственно от длительности циклов магнитометра, .ч то позволяет работать в диентами, достигающими сотен нТл/м без потери точности.

частоты, может быть йыполнена, например, на базе четырех разрядных реверсивных двоичных счетчиков типа К155ИЕ7. При этом код начального состояния поступает на установочные входы (Д), а умноженная частота поступает на счетный вход счетчика. Поступление импульсов умноженной частоты на вход пересчетной схемы 15 продолжается до появления ближайшего отрицательного фронта сигнала, поступающего с выхода второго усилителя 8, который прекращает их поступление и, .соответствен- но, работу пересчетной схемы до прихода следзтощего одноименного фронта сигнала на выходе первого усилителя 2, вновь разрешающего работу пересчетной схемы. Таким образом, вво- дится опережающий фазовый сдвиг выходного сигнала пересчетной схемы 15 ПО отношению к сигналу на выходе первого усилителя 2. Этот фазовый сдвиг

определяется временным интервалом между одноименными фронтами сигналов первого 2 и второго 8 усилителей, а значит и равен iip (фиг.2). Следовательно, выходной сигнал пересчетно схемы 15 совпадает по фазе с истинны сигналом прецессии. Он включает формирователь тока поляризации 4 своим ближайшим отрицательным фронтом, сле дующим за командой Поляризация, поступающей от командного блока 5. Временная ошибка при включении тока поляризации в устройстве определяется задержкой между моментом запуска схемь синхронизации и моментом начала команды Поляризация t, поступающей из командного блока 5. Эта задержка не превьппает 5-10 мс, причем образующийся за это время фазовый сдвиг, вызванный изменением поля, не содержит составляющих, обусловленных начальной частотной расстройкой и фазовыми сдвигами.в канал усиления и преобразования частоты прецессии и определяется по формуле

2 гС}

. Отсюда

К Л AS

r.t

где К - скорость изменения поля.

Возможная величина скорости изме-

полях с гра нескольких

хронизации дц))ё 20 составляет 1 100 Гц или 520 нТл/м. Эта величина превьштае практически существующие градиенты iгеомагнитного поля и не зависит от

времени поляризации и соответственно от длительности циклов магнитометра, .ч то позволяет работать в диентами, достигающими сотен нТл/м без потери точности.

Формула изобретения

Протонный магнитометр, содержащий датчик с блоком настройки, первый усилитель, блок обработки сигнала, формирователь тока поляризации и командный блок, причем выход датчика соединен с входом первого усилителя, выход которого подключен к первому входу блока обработки сигнала, первый выход которого соединен с первым входом формирователя тока поляризации, выход которого соединен с входом датчика, второй вход формирователя тока поляризации подключен к первому выходу командного блока, второй выход которого соединен с вторым входом блока обработки сигнала, отличающийся тем.

что, с целью повыгаения точности из мерения, он снабжен катушкой индук тивности, вторым блоком настройки, вторым усилителем и блоком согласо вания, причем первый вывод катушки индуктивности соединен с выходом второго блока настройки, вход которого подключен к третьему выходу командного блока, второй вывод катушки индуктивности, соединен с вы12870656

ходом блока согласования, вход которого подключен к выходу первого уси- лителя,, третий вывод катушки индуктивности соединен с входом второго 5 усилителя, выход которого подключен . к третьему входу блока обработки сигнала, второй выход которого является выходом магнитометра, а четвертый вьтод катушки индуктивности соединен, с общей шиной.

10

Времр изменений

„поляризация

Вклн)(/ёйие то каполяризац1ЛГ

ти схемы MfjMsnm усто- ноВки

Фиг. 2

Момент /ToSmoftffOdo запуска

От nepBoso усилителя

От Второго ушлите/г

meflfo токо

политизации

ф1/е, 3

vm настройки

управлений от команд но so 5лока)

Редактор И.Сегллник

Составитель В,Шульгин

Техред Л.Сердюкова Корректор С.Шекмар

Заказ 7712/48 Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретенш и открытий . 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

От кономдтва

К котушке uff дуктидиости

Протонный магнитометр относится к области магнитных измерений. Предназначен для измерения модуля индикации слабых магнитных полей. Цель изобретения - повышение точности измерений при работе в быстроизмег-иТ I г 7 П Г «: 1 няющихся полях с большими градиентами. Для достижения поставленной цели в устройство введены катушка индуктивности 6, блок настройки 7, усилитель 8, блок согласования 9. Кроме того, устройство содержит датчик 1 с блоком настройки, усилитель 2, блок обработки сигнала 3, формирователь тока поляризации 4, командный блок 5. Возможная величина скорости изменения поля при допустимой ошибке синхронизации составляет -1100 Гч/с или 520 н Тл/м. Эта величина превышает практически существующие градиенты геомагнитного поля и не зависит от времени поляризации и, соответственно, от длительности циклов магнитометра, что позволяет работать в полях с градиентами, достигающими нескольких сотен нТл/м, без потери точности. 4 ил. СЛ О5 сд