Магнитометр Советский патент 1987 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения магнитной индукции слабых постоянных магнитных полей.

Известно устройствоJ содержащее преобразователь Холла в качестве первичного преобразователя. Магнито- метры слабых постоянных полей снабжаются системой автоматической компенсации дрейфа нуля преобразователя Холла (аддитивной погрешности измерения). Несмотря на то, что существует несколько разновидностей подобных

систем, следует указать на общий прин-ч5 измерении индукции слабых магнитных

цип их построения - использование свойства необратимости преобразователя Холла,

Принцип действия таких магнитометров основан на том, что у четырехполюсника с преобразователем Холла, помещенным в исследуемое магнитное поле, измеряют сопротивления и Rji (или величины, пропорциональные им) и определяют искомую магнитную индукцию Bg. Магнитометры с автоматической коррекцией аддитивной погрешности могут быть одноканальными.

Недостатком этого магнитометра является инерционность измерений и недостаточная чувствительность, которая ограничивается коммутационной способностью и уровнем помех исполь зуемых коммутаторов (как правило, электромеханических).

Наиболее близким к изобретению

,является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, два генератора питания четырехполюсника, выход каждого из которых подключён к одной из пар выводов четырехполюсника, два селективных из. мерительных тракта (последовательно соединенные измерительный усилитель и фазочувствительный детектор), вход каждого из которых подключен к одной из пар выводов четырехполюсника параллельно выходу одного из генераторов питания, а их выходы подключены посредством алгебраического сумматора к регистрирующему прибору. При этом генератор, подключенный к первой паре выводов четырехполюсника, и селективный измерительный тракт, вход которого подключен к второй паре выводов четырехполюсника, настроены на одну частоту, а второй генератор питания и второй селективный измерительный тракт настроены на

другую частоту, а именно кратную частоте первого генератора в четное число раз, Такая структурная схема позволяет ослабить дрейф нуля измерений в определенном динамическом диапазоне значений индукции магнитного поля.

Недостатком данного магнитомет ра является низкая точность измерения индукции слабых магнитных полей. Вследствие того, что информативная составляющая на выходе четырехполюсника с преобразователем Холла при

0

5

полей не превышает одного милливольта, в то время как в этой цепи действует выходное напряжение смежного генератора (более одного вольта), а

также поскольку один измерительный тракт в магнитометре настроен на частоту, кратную частоте настройки второго измерительного тракта, то в этом случае наблюдается так называемая

5 перекрестная помеха. Эта помеха возникает в измерительном тракте, настроенном на более высокую частоту, за счет присутствия на его входе напряжения, создаваемого генератором с более низкой частотой генерации, и вследствие нелинейности амплитудной характеристики .зтого тракта, т.е. при наличии напряжения определенной частоты на входе нелинейного измерительного тракта, в последнем возникают гармоники более высокого порядка, одна из которых, частота которой совпадает с частотой информационного сигнала в этом тракте, воспринимается как информативная составляющая.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что магнитометр, содержащий четырех полюсник с преобразователем Холла, первый и второй генераторы питания четырехполюсника, выходы каждого из которых подключены к одной из пар выводов четырехполюсника, два измерительных усилителя, входы которых соединены параллельно выходам первого и второго генераторов питания четы-, рехполюсника, первый и второй фазочувствительный детекторы, первые сигнальные входы которых подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входь соединены с выходами первого и второго ге.нераторов питания четырехполюсника, а выходы - к

0

0

5

входам первого сумматора, к выходу которого подключен регистрирующий прибор, снабжен третьим и четвертым дополнительными генераторами питания четырехполюсника с преобразователями Холла, подключенными к каждой из его пар выводов, третьим и четвертым фазочувствительными детекторами, первые сигнальные входы которых раздельно подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с выходами третьего и четвертого генераторов питания четырехполюсника, а их выходы - к входам первого сумматора, генератором тактовых импульсов с перестраиваемой скважностью импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации генератора питания четырехполюсника, вторым сумматором, выход которого соединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, а его входы - с выходами всех фазочувствительных детекторов.

На фиг,1 изображена блок-схема магнитометра; на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Первый и второй генераторы 1 и 2 питания четырехполюсника подключены к одной из пар выводов четырехполюсника 3 с преобразователем Холла, К другой паре выводов четырехполюсника подключены третий и четвертый генераторы 4 и 5 питания четырехполюсника. Указанные генераторы синхронизируются генератором 6 тактовых импульсов с перестраиваемой скважностью импульсов. Устройство содержит также первый сумматор 7, К пиарам выводов четырехполюсника 3 подключены входы змерительных усилителей 8 и 9, к выходам которых подключены сигнальные входы первого, второго, третьего и четвертого фазочувствительных детекторов 10-13, Опорные входы первого второго детекторов 10 и 11 раздельо подключены к выходам первого и второго генераторов 1 и 2, а опорные входы третьего и четвертого детектоов 12 и 13 - к выходам третьего и етвертого генераторов 4 и 5 соответственно. Выходы всех фазочувствительных детекторов подключены к вхоам первого и второго сумматоров 7 14, К выходу первого сумматора 7 одсоединен регистрирующий прибор 15, а скважностью импульсов генера

5

0

5

0

5

0

5

0

5

тора 6 управляет сигнал, снимаемый с выхода второго сумматора 14,

Устройство работает следующим образом.

Генератор 6 тактовых импульсов формирует импульсы синхронизации генераторов 1, 2, 4 и 5 питания четырехполюсника (фиг, 2 а, б, в, г). Под воздействием импульсов синхронизации каждый из генераторов 1, 2, 5 4 в строго заданные.моменты времени вырабатывает импульсы управляющего тока стабильной амплитуды для питания четырехполюсника с преобразователем Холла, Причем каждый из двух генераторов, подключенных к одной паре выводов четырехполюсника с преобразователем Холла, формирует прямоугольные импульсы тока, полярность которых противоположна полярности импульсов, формируемых смежным с ним генератором. Таким образом, пары выводов четырехполюсника запитываются управляющими токами в виде последовательности разнесенных во времени униполярных импульсов (фиг. 2д для управляющего тока первой пары выводов четырехполюсника и фиг, 2е для управляющего тока второй пары его выводов), При указанной форме управляющего тока выходные напряжения четырехполюсника 3 с преобразователем Холла представляют собой последовательность прямоугольных .импульсов (фиг, 2 ж, 3 соответственно для одной и другой пары выводов).

Выходные напряжения преобразователя Холла поступают на входы соответствующих измерительных усилителей 8 и 9, а затем детектируются посредством фазочувствительных детекторов 10-13, Позтому напряжения U , U , и на выходе фазочувствительных детекторов прямо пропорциональны амплитудам импульсов выходных напряжений четырехполюсника 3,

Эти напряжения подаются на входы сумматоров 7 и 14 в соответствующей фазировке, которая может быть обеспечена как за счет построения сумматоров с инвертирующими входами, так и за счет инвертирования напряжений непосредственно как на входах фазочувствительных детекторов, так и на их выходах,. Выходное напряжение второго сумматора 14 пропорционально остаточному напряжению преобразователя Холла, а выходное напряжение первого

5 132

сумматора 7 пропорционально холлов- скому напряжению преобразователя (информационной составляющей).

Ослабление взаимного влияния остаточного и холловскОго напряжений, которое можно достичь в данном магнитометре за счет разделения указанных сигналов, находится в пределах от 30 до 100 раз, С целью получения большего эффекта сигнал, пропорциональный остаточному напряжению преобразователя Холла, с выхода второго сумматора 14 подается на управляющий вход генератора 6 тактовых импульсов, Ин- формативная составляющая (холловское напряжение) с выхода первого сумматора 7 подается на регистрируюгций прибор 15,

Под воздействием выходного сигнала первого сумматора 7 (остаточного напряжения) генератор 6 тактовых импульсов изменяет скважность импульсов, а следовательно, скважность импульсов I вырабатываемых генераторами питания четырехполюсника 3 с преобразователем Холла, При этом изменяется мощность, подводимая к преобразователю Холла, Действительно, для импульсной мощности РИ справедливо выражение

R,

где

I .

амплитудное значение управляющего тока преобразователя;

R - сопротивление цепи преобра- зователя с управляющим током ,

Тогда, принимая, что сопротивления обеих пар электродов преобразователя равны между собой, и учитывая, что за период Ту измерения преобразователь Холла запитывается четырьмя

0256

импульсами, для средней мощности подводимой.к преобразователю Холла, можно записать выражение

5

0

5

30

40

Ср

где S

4

I -R -74 4 . I Pv

скважность импульсов, вырабатываемых идним из генераторов питания, равная отно- щению периода их повторения TH и длительности импульса Ту Изменение скважности импульсов можно осуществить как за счет изменения частоты следования импульсов, так и за счет изменения их длительности.

За счет изменения подводимой -мощности к преобразователю Холла изменяется его температура и, соответственно, остаточное напряжение преобразователя, т.е, при соответствующей фазировке цепей в рассматриваемой структурной схеме достигается отрицательная обратная связь по остаточному напряжению преобразователя за счет поддержания его температуры на строго фиксированном уровне. Следовательно, в предлагаемом магнитометре обеспечивается температурная стабилизация преобразователя Холла и минимизация дрейфа остаточного напряжения, Достигаемый при этом эффект определяется глубиной отрицательной обратной связи по указанным параметрам, значение которой может быть легко обеспечено на уровце более трехсот.

Таким образом, результирующее ослабление аддитивной погрешности измерения в предлагаемом магнитометре составляет порядка 80 дВ, что на 50 дВ превышает ослабление, достигнутое в известном устройстве.

U фиг. 2