Магнитометр Советский патент 1988 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерения магнитной индукции слабых магнитных полей.

Наиболее близким к изобретению является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла и управляемым элементом перестройки коэффициентов связи между парами выводов четьфехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четыре генератора питания четырехполюсника, попарно подключенные к входной и выходной парам его выводов, два измерительньпс усилителя, вход каждого из которых раздельно, подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четыре фазочувстви- тельных детектора 5 сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы - к выходам соотгзетствующих генераторов питания четьфехполюсника, два алгебраических сумматора, входы которых подсоединены к входам фазо- чувствительных детекторов, регистри- р-ующий прибор, подключенный к выходу первого сумматора, генератор тактовых импульсов, вход ущэавления скваж ностью импульсов которого подключен к выходу второго cjTvjMaTopa, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питания четьфехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, и фазо- чувствительный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя, опорный вход - к выходу генератора переменного тока, а его выход - к входу управления коэффициентом передачи одного из измери- . тельных усилителей lj(t

Однако указанный магнитометр имеет ограниченную точность из-за мультипликативной погрепшости, возникающей за счет нестабильности его чувствительности Поскольку чувствительность преобразователя Холла является величиной стабильной в связи с термостабилизацией преобразователя, результирующая нестабильность чувствительности известного магнитометра определяется нестабильностью таких параметров, как коэффициенты передачи измерительных усилителей Кд и и фазочувствительных детекторов К, К, К 2, К, управляющих токов преобразователя Холла I v 1у

0

5

0

5

0

5

0

5

1о , 1у , Для получения .стабильной чувствительности магнитометра необходимо обеспечить высокзто -стабильность каждого из перечисленных параметров. Так , при требуемой нестабильности чувствительности магнитометра не более 0,1% необходимо достигнуть нестабильности указанных параметров не хуже 0,01%. Таким образом, реализация прецизионного магнитометра по известной структурной схеме требует значительных затрат, что резко ограничивает сферу его применения..

Цель изобретения - повьппение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла и управляемым элементом перестройки коэффицентов связи между парами выводов четьфехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четьфе генератора питания четырехполюсника, 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 фазочувствительных детектора, сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы - к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника, , два алгебраических сумматора, входы которых подсоеди нены к выходам фазочувствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумма-. тора, генератор тактовы51 импульсов, вход управления скважностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питания четырехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, фазочувствитель- ный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя, опорньй вход - к выходу генератора переменного тока, а выход - к входу управления коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей, введены последовательно соединенные преобразователь девиации коэффициента связи между входной и выходной цепями четьфехполюсника в электри

ческий сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувстви- тельный детектор, второй вход которого соединен с выходом гененатора переменного тока, а выход - с входо управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя.

На фиг. 1 изображена блок-схема магнитометра, на фиг. 2 - принципиальная схема четырехполюсника с преобразователем Холла, управляемым элементом перестройки коэффициентов связи цепей четьфехполюсника совмест но с преобразователем девиации это- го коэффициента в электрический сигнал .

Магнитометр содержит генераторы 1-4 питария, четырехполюсник 5 с преобразователем Холла, тактовый гене- ратор 6, первый сумматор 7, первый 8 и второй 9 измерительные усилители, фазочувствительные детекторы 10.- 13, второй сумматор 14, регистри- Р5пощий прибор 15, усилитель 16, дополнительный фазочувствительный детектор 17, генератор 18 переменного тока, усилитель 19, подключенный к выходу сумматора 7 и выходу преобразователя 20 девиации коэффициента связи 1ежду входной и выходной цепями четьфехполюсника в электрический сигнал, фазочувствительный детектор 21, сигнальный вход которого подсоединен к выходу усилителя 19, его опорный вход к выходу генератора 18 переменного тока, а его выход - к входу управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя 9.

Четьфехполюсник с преобразователем 22 Холла (фиг. 2), в котором последний соединен последовательно регулярно посредством трансформатора 23 с обратимым перестраиваемым четы-

рехполюсником, выполнен в виде мостовой схемы, составленной из высоко- стабильных резисторов 24-27. В качестве элемента перестройки коэффициента связи обратимого четьфехполюсника используется высокостабильный резистор 28, периодически подключаемый параллельно резистору 24 посредством электронного ключа 29 (в качестве которого показан транзистор) . Вход управления электронным ключом (затвор транзистора) подключен к выходу генератора 18 переменного тока. В качестве преобразователя

0

5

0

5

0

35

40

девиаций используются элементы 28, 29 и источник 30 эталонного напряжения .

Устройство работает следующим образом.

Генераторы 1-4 питания четьфехполюсника 5 с преобразователем Холла вырабатывают в различные строго определенные моменты времени импульсы yпpaвляюD eгo тока прямоугольной формы, которыми запитываются обе пары выводов четьфехполюсника 5. Генераторы 1-4, подключенные к одной и той же паре выводов четьфехполюсника 5, формируют импульсы противоположной полярности. Выходные напряжения четьфехполюсника (напряжения, i возникающие в цепи одной пары выводов во время действия импульсов управляющего тока в цепи другой пары вьгаодов четырехполюсника) представляют собой импульсы напряжения прямоугольной формы.

Выходные напряжения четьфехполюсника 5 поступают на первый 8 и второй 9 измерительные усилители, а затем на фазочувствительные детекторы 10-13.

Фазочувствительные детекторы 10- 13 осуществляют синхронное детектирование импульсов, совпадающих во времени с опорными импульсами, поступающими с соответствующих генераторов 1-4.

Выходные напряжения Чу , U , U , Ц фазочувствительных детекторов 10- 13 подаются на сумматоры 7 и 14 таким образом, что для выходного напряже ния сумматора 7 выполняется соотношение

и

о

- и, + и

11

Ut3,

45

а для выходного напряжения U j. сумматора 14 соотношение

МО

-и,, - и

f1

+ и

13

0

При условии равенства коэффициентов передачи S трактов, т.е. при равенстве токов IbJ,

и S-j измерительных

S 1 Ii 1

Sa

(I

Sj и при J

где S K.

Si к;.Кз

Vi

Iv,

к o K I -j , к о к 4 У4 j

ojK - коэффициенты передачи измерительных усилителей 8 и 9,

К„-К - коэффициенты передачи фазо- чувствительных детекторов 10-13;Iyj-I,j - амплитудные значения импульсов управляющего тока, создаваемых генераторами 1-4. соответственно,

а выходе первого сумматора 7 присуттвует составляющая, пропорциональая остаточному напряжению, т.е. J7 2SoRoj где RO - сопротивление, читывающее электрическую асимметию преобразователя Холла (или всего четырехполюсника), а на выходе с т матора 14 - составляющая, пропорциональная холловскому напряжению, т„е„ пропорциональная индукции изеряемого поля и 23д-аБд, В - нормальная составляющая индукции, а - константа, характеризующая чувствительность преобразователя Холла. нформативная составляющая с выхода второго сутчматора 14 подается на регистрирующий прибор 15, а составляющая, пропорциональная остаточному напряжению преобразователя Холла, используется в качестве управляющего сигнала для термостабилизации преобразователя Холла. При неравенстве коэффициентов передач измерительных трактов, т.е. при S .5, на выходе одного из сумматоров, а именно: в случае модуляции антивзаимной составляющей коэффициентов передач четырехполюсника - на выходе первого сумматора 7., а в случае модуляции взаимной составляющей коэффициентов передачи цепей четьфехполюсника - на выходе второго сумматора 14, присутствует составляющая, амплитуда которой пропорциональна разности значений этих коэффициентов, т.е. U(u)) (S т - )), где R(w) - амплитудное значение отклонения сопро-- тивления связи от номинального значения, зависящего от частоты u) управляющего сигнала. Эта составляющая изменяется во времени с частотой со и усиливается посредством усилителя 16j затем детектируется посредством дополнительного фазочувствительного детектора 17„ Полученное на выходе дополнительного фазочувствительного детектора 17 напряжение используется в качестве сигнала управления коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей. При этом в магнитометре удается достичь нестабильность поддержания равенства указанных коэффициентов, не превьппаю- щую 0,01%.

При наличии управляющего тока в цепи одной из пар выводов (например 31,32) четырехполюсник в цепи второй пары его выводов .(33,34) присутствуют четьфе составляющих вы-

ходного напряжения, три из которых обусловлены явлениями, происходящи- ми в преобразователе 22 Холла, а четвертая составляющая определяется величиной разбаланса обратимого че5 тьфехполюсника (мостовая схема из резисторов 24-27, а также периодически подключаемого с частотой cJ резистора 28), Разбаланс четырехполюсника (девиация коэффициента

0 связи четырехполюсника К(и)) обусловлен подключением к резистору 24 резистора 28. При этом амплитуда разбаланса определяется соотношением значений указанных резисторов и,

5 поскольку определяющие ее величины стабильны, то и амплитуда разбаланса (девиация) является высокостабильной величиной. Подключение резистора 28 к источнику 30 эталонного нап0 ряжения сопровождается появлением на выходе преобразователя девиации пульсир ующего с частотой о) напряжения стабильной амплитуды, равной ЭДС источника 30 эталонного напряжения (так как предполагается, что сопротивление замкнутого ключа - сопротивление канала открытого транзистора - пр енебрежимо мало, а .сопротивление разомкнутого ключа - бес- .Q конечно большое). Таким образом, данная схема обеспечивает стабильное значение R(w) девиации коэффициента связи цепей четырехполюсника и вырабатывает синхронно изменяющееся переменное напряжение с амплитудой, равной ЭДС источника эталонного напряжения, т.е. стабильной амплитуды. Поскольку данная схема обеспечивает модуляцию взаимной составляющей коэффициентов связи четы5

5

0

55

рехполюсника, то при ее использова- НИИ в магнитометре на выходе первого сумматора 7 наряду с постоянной составляющей напряжения (U -2SgRo) присутствует переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов, следующих во времени с частотой to . Для амплитуды этого напряжения справедливо выражение

и

5:7

2SpR(u)).

Таким образом, при функционирова- НИИ магнитометра на вход усилителя 19 через дополнительный сумматор поступают импульсное напряжение с выхода преобразователя девиации Uj,({i) и напряжение U, с выхода первого сумматора 7, Поскольку фазу одного из указанных напряжений подбирают противоположной фазе другого напряжения, то на входе усилителя 19 действует разностный сигнал

ив,,э ) - ),

амплитуда которого равна нулю только при вьтолнении условий

(uj)

и„ (w) .

Поскольку величины иJJ (ю) и R(ci) высокостабильные, то нарушение последнего равенства является следствием отклонений значения коэффициента передачи S от номинального значения. Таким.образом, разностное напряжение и является информативной составляющей об отклонении текущего значения коэффициента передачи от его номинального значения, при этом амплитуда этой составляющей указьша- ет абсолютное значение отклонения.

а ее фаза - направление этого отк- лонения . Поэтому эта информативная составляющая используется в предла- ц гаемом магнитометре в качестве управляющего сигнала системы автоматической стабилизации коэффициента пере- дачи SP. С этой целью информативная составляющая усиливается (усилитель

0 19) и детектируется фазочувствитель- ным детектором 21 затем с выхода детектора подается на вход управле- ния коэффициента передачи второго измерительного ycRпитeля 9, Таким

15 образом, в предлагаемом магнитомет™ ре реализуется система автоматичес кой подстройки коэффициента S передачи за счет регулирования коэффици ента передачи К одного из усилите0 лей. Поскольку данная система представляет собой замкнутую систему с отрицательной обратной связью, то эффект уменьшения нестабильности коэффициента передачи S за счет ее

25 реализации оценивается глубиной обратной связи, которая может быть .тигнута более 10 . Это позволяет, .например, свести исходную нестабильность коэффициента передачи S.. от

30 носительное значение которой допус - ТИМ равно 5% , до уровня 0,01% (с учетом конечной стабильности эталон , ных элементов: резисторов и источних а. эталонного напряжения).

3/ 320

Фиг. 2