Датчик магнитного поля Советский патент 1992 года по МПК G01V3/40 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в геофизике для измерения компонент и полного вектора слабого магнитного поля, а также в системах ориентации по магнитному полю Земли.

Известно устройство для измерения магнитного поля, первичный преобразователь которого состоит из ферромагнитного стержня с пьезоэлементом на конце. Длина стержня кратна половине длины волны возбуждаемой катушкой индуктивности механических колебаний. Катушка помещена на стержне в области узла механических колебаний и подключена к генератору синусоидального тока. Выходной сигнал, зависящий от величины измеряемого магнитного поля, снимается с пьезоэлемента.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является датчик магнитного поля. Датчик содержит генератор возбуж- дения, выход которого присоединен к измерительному контуру с ферромагнитным

сердечником из магнитострикционного материала. Сердечник закреплен торцом на пьезокерамической пластине, установленной на виброгасящем основании в вакууми- рованном баллоне. При этом пьезокерамическая пластина является час- тотозадающим элементом генератора возбуждения. Сигнал генератора подается на измерительный контур, частично растроен- отношению к частоте генератора. Измеряемое магнитное поле, направленное вдоль сердечника, вызывает изменение индуктивности контура, в результате чего изменяется его резонансная частота, а следовательно, изменяется напряжение на контуре и ток в катушке.

Изменение тока приводит к изменению линейной магнитострикции сердечника и к изменению амплитуды генератора. Так как сердечник закреплен на пьезокерамической пластине, то обеспечивается электромеханическая положительная обратная связь на частоте работы генератора. Ампли2

ю

00 XI Os

туда высокочастотных колебаний линейно зависит от коэффициента обратной связи, что обеспечивается мягким режимом самовозбуждения генератора.

Недостатком устройства является сложность реализации трехкомпонентного варианта датчика, так как в этом случае необходимы три генератора с раздельными пьезокерамическими пластинами, причем эти пластины (для исключения взаимного влияния) необходимо разнести на значительное расстояние одна от другой, что приводит к существенному увеличению размеров датчика и снижению точности при измерении неоднородного магнитного поля.

Цель изобретения - повышение точности и информатпвности измерения компонент и полного вектора магнитной индукции.

Цель достигается тем, что датчик индукции магнитного поля содержит генератор возбуждения и три колебательных контура с ферромагнитными сердечниками. Сердечники закреплены одним концом к плоскости пьезокерамической пластины взаимно ортогонально, а каждая катушка индуктивности расположена в области максимума механических колебаний соответствующего ей сердечника. При этом резонансная частота пьезокерамической пластины кратна частоте механического резонанса сердечников и равна резонанснои частоте колебательных контуров.

Датчик отличается от известных тем, что с помощью одной пьезокерамической пластины осуществляется упругое возбуждение трех сердечников, что позволяет одновременно измерять все три компоненты магнитного поля и полный оектор. Отсутствие магнитных полей возбуждения позволило свести все три компоненты в малом объеме, что повысило точность измере- ний в неоднородных магнитных полях.

На чертеже показана схема трехкомпонентного датчика.

Датчик содержит колебательные контуры 1-3 с ферромагнитными сердечниками 4-6, закрепленные на пьезокерамической пластине 7 взаимно ортогонально, а пьезо- керамйческая пластина соединена с генератором 8.

Датчик работает следующим образом.

Генератор 8 возбуждения создает с помощью пьезокерамической пластины 7 (на ее резонансной частоте) акустические волны в ферромагнитных сердечниках 4-6. Вследствие магнитоупругого взаимодействия в колебательннх контурах 1-3, также настроенных на частоту возбуждения, возникает электрическое напряжение той же частоты, амплитуда которого пропорциональна соответствующей составляющей индукции внешнего магнитного поля, а с помощью фазы выходных сигналов по отношению к фазе генератора возбуждения определяют направление измеряемого магнитного поля.

Ферромагнитные сердечники изготовлены из аморфного сплава FesCoroSiisBюс размерами незакрепленной части 7 0,6 -0,03 мм. Длина закрепленной части составляет 0,5 мм. Возбуждение осуществлось на частоте 430 кГц, что соответствует частоте основного резонанса пьезокерамической пластины диаметром 5 мм и толщиной 1 мм из пьезокерамики ЦТС-19, Катушки индуктивности содержат по 300 витков медного

провода, расположены в области пучности механических колебаний сердечников и совместно с соответствующим каждой конденсатором образуют колебательные контуры, настроенные на частоту возбуждения. В этом случае коэффициент преобразования датчика достигается 20 мкВ/нТл при разрешающей способности по магнитному полю около 0,05 нТл, Частотный диапазон изменяемого поляО-10 кГц, линейныйдинамический диапазон измерений ±0,7 -10 Тл.

Формула изобретения Датчик магнитного поля, содержащий генератор возбуждения, колебательный

контур с ферромагнитным сердечником, при этом катушка индуктивности колебательного контура помещена в области максимума механических колебаний сердечника, закрепленного торцом на пьезокерамической пластине, имеющей резонансную частоту, равную резонансной частоте колебательного контура и кратную частоте резонанса механических колебаний ферромагнитного сердечника, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности и информативности, содержит два дополнительных колебательных контура с ферромагнитными сердечниками, причем ферромагнитные сердечники дополнительных колебательных контуров закреплены на пьезокерамической пластине таким образом, что оси первого ферромагнитного сердечника и двух дополнительных ферромагнитных сердечников взаимно ортогональны, -а катушки индуктивности дополнительных колебательных контуров также расположены в области максимума механических колебаний дополнительных ферромагнитных сердечников.

.к е

Использование: в области магнитных измерений для измерения слабого магнитТ ного Ноля и его вариаций, для магнитного каротажа геологических скважин. Сущность изобретения: устройство содержит три колебательных LC-контура с ферромагнитными сердечниками, прикрепленными одйими концами к одной плоскости пьезокерамиче- ской пластины взаимно ортогонально. Пье- зокерамическая пластина подключена к генератору в качестве частотозадающего элемента. Устройство позволяет измерять составляющие вектора магнитного поля в широких частотном и динамическом диапазонах. 1 ил.