Магнитометр (его варианты) Советский патент 1988 года по МПК G01R33/07 

со

4:

сд

ч1

N)

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

Наиболее близким к изобретению является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, четыре генератора питания че- тырехполюсник а, попарно подключенные к входной и выходной парам его выводов, два измерительных усилителя, вход каждого из которых раздельно подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четьфе фазочувстви- тельных детектора, сигнальные входы которых попарно подключены к вьгхоцам измерительных усилителей, а опорные входы - к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника два алгебраических сумматора, входы которых связаны с выходами фазбчув- ствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумматора, и генератор тактовых импульсов, вход управления скважностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питания четырехполюсника.

Недостатком такого магнитометра является ограниченная точность измерений вследствие нестабильнйсти коэффициента передачи магнитометра, которая в основном определяется нестабильностью коэффициентов передачи измерительных усилителей и фазочув- ствительных детекторов, а также нелинейности амплитудных характеристик измерительных трактов (измерительных усилителей с фазочувствительными детекторами) , приводящей к тому, что при измерении более сильных магнитны полей (т.е. в случае, когда холлов- ское) напряжение попадает в тракт температурной стабилизации преобразователя Холла) вызывает дестабилизацию его температурного режима, что приводит к дополнительной погрешности измерения и ограничивает динамический диапазон измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем что в магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, четыре генератора питания четырехполюсника, попарно подключенные

0

к входной и выходной парам выводов четьфехполюсника, два измерительных усилителя, вход каждого из которых раздельно подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четыре фазочувствительных детектора, первые сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а их вторые опорные входы - к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника, первый и второй алгебраические сумматоры, входы которых связаны с выходами всех фазочувствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумматора, и генератор тактовых импульсов, вход управления скважностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питания четырехполюсника, дополнительно введены два элемента ИЛИ, два

5 управляемых ключа, фазоинвертор и аттенюатор, выход которого подключен к входам измерительных усилителей, вход - к выходам управляемых ключей, первые входы первого из которых сое0 динены с регистрирующим прибором, рез фазоинвертор, а второго - непосредственно, вторые входы с выходами элементов РШИ, входы которых связаны с выходами третьего и четвертого импульсных генераторов.

Кроме того, вариантом его является магнитометр, в который дополнительно введены две идентичные цепи, каждая из которых выполнена в виде аттенюатора, двух управляемых ключей и элемента НЕ, вход которого подключен к выходу регистрирующего прибора и первому входу первого управляемого ключа, а выход - к первому входу второ5

0

5

го управляемого ключа, выходы обоих

0

управляемых ключей подключены через аттенюатор к входу одного из измерительных усилителей, а вторые входы управляемых ключей связаны с выходами двух смежных импульсных генераторов.

На фиг. 1 приведена структурная схема магнитометра; на фиг. 2 - то же, вариант.

Импульсные генераторы 1 и 2 подключены к одной из пар выводов четырехполюсника 3 с преобразователем Холла. К другой паре выводов четырехполюсника 3 подключены импульсные генераторы 4 и 5. Указанные генераторы

синхронизируются товых импульсов.

генератором 6 так- скважностью импульмаемый с выхода первого сумматора 7. К парам выводов четырехполюсника 3 с преобразователем Холла подключены входы измерительных усилителей 8 и 9, к выходам которых подсоединены сигнальные входы фазочувствительных детекторов 10713. Опорные входы фазочувствительных детекторов 10 и 11 раздельно подключены к выходам импульсных генераторов 1 и 2, а опор

Генератор 6 тактовых импульсов формирует импульсы синхронизации импульсных генераторов 1, 2, 4, 5. Под воздействием импульсов синхронизации каждый из импульсных генераторов 1, 2, 4, 5 в строго заданные моменты времени вырабатывает разнесенные во времени импульсы управляющего тока стабильной амплитуды для питания входной и выходной цепей четырехполюсника 3 с преобразователем Холла. При этом каждый из двух генераторов, подключенных к одной и той же цепи

1. Магнитометр по авт. св. № 1327025, отличающи й- с я тем, что, с -целью повьшения точности измерений, в него дополнительно введены два элемента ИЛИ, два управляемых ключа, фазоинвертор и аттенюатор, выход которого подключен к входам измерительных усилителей, вход - к выходам управляемых ключей, первые входы первого из которых соединены С регистрирующим прибором через фазоинвертор, а второго - непосредственно, вторые входы с выходами элементов ИЛИ, входы которых связаны с выходами третьего и четвертого импульсных инверторов. .2. Магнитометр по авт. ев, № 1327025, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены две идентичные цепи, каждая из которых выполнена в виде аттенюатора, двух управляемых ключей и элемента НЕ, вход которого подключен к выходу регистрирующего прибора и первому входу первого уйравляемого ключа, а выход - к первому входу второго управляемого ключа, выходы обоих управляемых ключей подключены через аттенюатор к входу одного из измерительных усилителей, а вторые входы управляемых ключей связаны с выходами двух смежных импульсных генераторов.. а S (Л

ныв входы фазочувствительных детекто- 15 четырехполюсника, формирует пряморов 12 и 13 - к выходам импульсных генераторов 4 и 5 соответственно. Выходы фазочувствительных детекторов 10-13 подключены к входам первого и второго сумматоров 7 и 14. К выходу второго сумматора 14 подсоединен регистрирующий прибор 15.

В первом варианте магнитометра (фиг. 1) выход второго сумматора 14 связан с входными цепями измерительных усилителей 8 и 9 посредством аттенюатора 16, во входной цепи

которого находятся первый и второй I

управляемые ключи 17 и 18, а также

угольные импульсы тока, полярность которых противоположна полярности импульсов, формируемых смежным с ним генератором. На входах измерительных

20 усилителей 8 и 9 действуют напряжения, поступающие с четырехполюсника 3, и напряжение, формируемое в соответствующей цепи отрицательной обратной связи.

25 Рассмотрим принцип действия цепи отрицательной обратной связи, введенной в магнитометр.

В первом варианте магнитометра (фиг. 1) в момент действия импульса

фазоинвертор 19, подключенный к входу 30 (допустим, положительной полярности).

второго ключа 18. Входы первого и второго управляемых ключей 17 и 18 подключены к выходам логических зла- ментов ИЛИ 20 и 21, входы которых связаны с выходами генераторов 2, 5 и 1, 4 соответственно.

Во втором варианте магнитрометра (фиг. 2) выход второго сумматора 14 связан с входными цепями измерительных усилителей 8 и 9 посредством дву цепочек, в каждой из которых находятся аттенюатор 16 (для входной цепи усилителя 9) и аттенюатор 22 (для входной цепи усилителя Ю Во входной цепи аттенюаторов 16 и 22 находятся первый и второй управляемые ключи 17 и 23, 18 и 24, а также фазоинверторы 19 и 25, подключенные к входу вторых ключей 18 и 24. При этом входы первого и второго управляемых ключей, находящихся в цепочке, связывающей входную цепь измерительного усилителя 8, подключены к выходам импульсных генераторов 1, 2, 4, 5, которые подключены к входной цепи измерительного усилителя 9, и наоборот.

Устройство работает следующим об- разом.

угольные импульсы тока, полярность которых противоположна полярности импульсов, формируемых смежным с ним генератором. На входах измерительных

усилителей 8 и 9 действуют напряжения, поступающие с четырехполюсника 3, и напряжение, формируемое в соответствующей цепи отрицательной обратной связи.

Рассмотрим принцип действия цепи отрицательной обратной связи, введенной в магнитометр.

В первом варианте магнитометра (фиг. 1) в момент действия импульса

Е

0

5

0

5

сформированного импульсньм генератором 1, на выходе четырехполюсника 3 действует импульс. Одновременно импульс генератора 1 через логический элемент ИЛИ 21 поступает на вход второго управляемого ключа 18. Второй управляемый ключ 18 на время действия импульса, формируемого импульсным генератором 1, подключает выходную цепь второго сумматора 14 посредством фазоинвертора 19 к входу аттенюатора 16, Таким образом, в момент действия импульса на выходе аттенюатора 16 присутствует импульс с длительностью, равной длительности импульса, вырабатываемого импульсным генератором 1, и амплитудой, пропорциональной выходному напряжению второго сумматора 14 и коэффициенту ослабления аттенюатора 16. С выхода аттенюатора 16 импульсное напряжение подается на входы измерительных усилителей 8 и 9. Следовательно, на входе измерительного усилителя 8 в рассмат- риваемьш интервал времени наряду с импульсом, снимаемым с выхода четырехполюсника .3 с преобразователем Хол- ла, действует импульс, сформированный в цепи отрицательной обпатной

связи, причем его полярность подбирается за счет соответствующей фази- ровки противоположной полярности хол- ловского напряжения, снимаемого с четырехполюсника. ,

При воздействии импульса,сформированного импульсным генератором 2, срабатывает первый управляемый ключ 17 и формируется выходное напряжение синхронного фазочувствительного детектора 1 1.

Анализ результирующего напряжения на втором сумматоре 14 показывает, что данньй магнитометр представляет систему с отрицательной обратной связью по холловскому напряжению, охватывающую измерительные усилители, фазочувствительные детекторы и второй сумматор 14,

Влияние нестабильности коэффициента передач измерительных усилителей и фазочувствительных детекторов и нелинейностей их характеристик в данном магнитометре незначительно сказывается на стабильности результирующего коэффициента передачи системы; его стабильность в основном определяется стабильностью коэффициента передачи аттенюатора 16, Результирующая нестабильность с учетом нестабильности первого и второго ключей 17 и 18 и фазоинвертора 19 в данном магнитометре может быть снижена до 0,01%, Кроме того, на входах измерительных усилителей 8 и 9 значительно снижен уровень информа- тивной составляющей, что улучшает работу системы термостабилизации

10

15

20

13741576

п реобразователя Холла при работе в более сильных магнитных полях.

Из принципа действия второго варианта магнитометра следует, что в момент формирования импульса импульсным генератором 1 (фиг, 2) на вход измерительного усилителя 9 поступают выходной импульс четырехполюсника 3 и импульс с выхода аттенюатора 16, формируемьш за счет подключения его входной цепи посредством второго управляемого ключа 18 и фазоинвертора 19 к выходу второго сум- матора 14, Таким образом, формируется выходное напряжение фазочувствительного детектора 10, Рассмотрев функционирование схемы в моменты формирования импульсов генераторами 2, 4, 5 и полагая, что коэффициенты передач аттенюаторов 16 и 22 равны между собой, вывод для первого варианта магнитометра в отношении повьшгения его точности и расширения динамического диапазона измерений справедлив и для второго варианта магнитометра.

Вновь введенными совокупностями узлов в обоих вариантах магнитометра реализуется избирательная (по холловскому напряжению) высокостабильная цепь отрицательной обратной связи, охватывающая избирательные усилители и фазочувствительные детекторы. Такое решение позволяет снизить уровень холловского напряжения на входах измерительных усилителей и уменьшить влияние нестабильности коэффициента передач и нелинейностей амплитудных характеристик измерительных усилителей и фазочувствительных детекторов на точность измерения.

25

30

35

40

«NJ