Устройство для измерения параметров слабых магнитных полей Советский патент 1993 года по МПК G01R33/02 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в области геофизики, геологоразведки, навигации и основано на принципе регистрации смещения электронного потока(ЭП) магнитным полем.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений параметров слабого магнитного поля независимо от его ориентации в пространстве.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства; на фиг,2 - схема отклонения ЭП от оси симметрии трубки.

Устройство содержит объектив 1, оптическая ось которого совпадает с осью симметрии электронно-лучевой трубки 2, имеющей электронную пушку 3 и экран 4, покрытый люминофором, блок регистрации

5. соленоид 6, блок управления током соленоида 7, выход которого подключен к обмотке соленоида и ко входу цифроаналогового преобразователя 8, блок измерения размеров и перемещений светового пятна 9, входная матрица 10 которого ориентирована в сторону светового потока от объектива 1, а также вычислительное устройство 11, первый вход которого подключен к выходу блока измерений размеров и перемещений светового пятна 9, второй вход - к выходу цифроаналогового преобразователя 8, а выход - к бло.ку регистрации 5, причем электронно-лучевая трубка 2 размещена в соленоиде 6 таким образом, однородное магнитное поле, создаваемое соленоидом

6. совпадает с осью симметрии трубки 2 и направлено от электронной пушки 3 к люминесцентному экрану 4.

Блок измерения размеров и перемещения 9 светового пятна выполнен на основе матричного фотоприбора с переносом заряда и расположен за объективом 1 так, что изображение светового пятна на экране 4 ЭЛТ 2 проецируется на матрицу фотодатчиков (входную матрицу 10) прибора с переносом заряда. Вычислительное устройство (ВУ) 11 может быть реализовано любой мик- роЭВМ, в этом случае входы и выход ВУ организуются при помощи интерфейса (на фиг.1 не показан).

С вычислительного устройства 11 информация о размерах светового пятна, о значении и пространственной ориентации измеряемого поля выводится на блок регистрации, в качестве которого может быть использован, например, монитор.

Блок управления током соленоида 7 может быть реализован стабилизированным источником напряжения с регулируемым выходным напряжением и с мощностью,

обеспечивающей получение необходимою поля соленоида 6.

Устройство (фиг.1) функционирует следующим образом

Электронный поток, созданный электронной пушкой 3, высвечивает на экране А ЭЛТ 2 световое пятно (СП). Положение центра пятна и его размеры зависят, в частности, от величины поля соленоида б Вс и от

величины и направления измеряемого поля

Ви (фиг.2). Оптическое изображение СП с экрана 4 ЭЛТ 2 проецируется с помощью объектива 1 на матрицу фотодатчиков 10 прибора с переносом заряда блока измерения размеров и перемещения светового пятна 9, преобразующего оптическое изображение в электрический цифровой сигнал, несущий информацию о размерах СП и координатах (X и У) его центра. Этот сигнал

через интерфейс поступает на ВУ 11. Также на ВУ 11 поступает цифровой сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 8, несущий информацию о значении напряжения на выходе блока 7, а следовательно при

известных параметрах соленоида и о значении поля Вс, созданного соленоидом 6. Поясним процесс измерений. При Ви 0 поле соленоида при помощи блока 7 устанавливается такой величины,

что центр СП находится в центре экрана 4 и СП имеет минимальную площадь (фокусировка ЭП продольным магнитным полем).

При включении Ви 0 на ЭП вез- действовать суммарное поле В0 Ви + Вс,

значение которого уже не равно фокусирующему. СП фокусируется путем изменения поля соленоида 6 при помощи блока 7 так, что значение В0 равно значению фокусирующего магнитного поля. После фокусировки

центр СП лежит на продолжении вектора Во, (направление И), а его положение на экране 4 определяет ориентацию этого вектора в системе координат, связанной с осью симметрии ЭЛТ 2 (фиг.2).

Поместим ЭЛТ 2 в сферическую систему координат, полюс которой совпадает с точкой 0. направляющая - с осью Z, полуплокость нулевого меридиана - с плоскостью XOZ.

Пусть Ви ориентирован произвольно по отношению к Вс (оси ЭЛТ). Определим значение Ви и его ориентацию в заданной системе координат. Значение векторной суммы В0 определяется выражением:

Во В + 2 Вс Ви cos a t- В, где а угол между Ви и осью ЭПТ;

(1)

а угол «1 между В0 и осью ЭЛТ - выражением

Решением системы являются уравнения

Применение: измерительная техника, может быть использовано в области геофизики, геологоразведки, навигации. Устройство содержит объектив 1, электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) 2, электронную пушку 3. экран 4, блок регистрации 5, соленоид 6. блок управления током соленоида 7. цифро- аналоговый преобразователь 8, вычислительное устройство 11, блок измерения размеров и перемещения светового пятна 9, матрицу фотодатчиков 10. Устройство использует измерение отклонения электрон- ного потока (ЭП) от оси ЭЛТ при воздействии на ЭП двух однородных магнитных полей, регулируемого поля с известными параметрами и измеряемого. 2 ил.

«1 - arctg ---

Ви sin a

Вс + Ви cos «

Значение фокусирующего поля Вф для направления И, если угол расходимости ЭП мал (параксиальные электроны) определяется формулой:

2яУц H

где И - расстояние, пройденное электронами ЭП в фокусирующем магнитном поле до экрана 4;

Vi-i - скорость электронов в направлении It;

ij - отношение заряда электрона к его массе

Из фиг.2 видно, что

VH Vcos a,

COS«1 т

li

где V - скорость электронов после ускорения в электронной пушке;

I - расстояние от электронной пушки до экрана.

Выполним условие фокусировки (В0 «Вф).

Тогда из (3). с учетом (4) и (5), следует, что

В0

2лМ i/l

Так как И2 г2 + I2, где г - линейное смещение центра СП от центра экрана (точка Oi), то

В0

27TV

/(/ -Н2) Как видно из фиг.2,

а 1 arctg --.

Из (2) и (8) следует, что г sin a I вГ-ГВи cos a

Составим из уравнений (1), (7) и (9) систему и решим ее стшг.игпльно Ви и О..

Вц :

/rA VJLrJJkgJ

й /(г -н2)

V7+|2

-f +

+ г Be2} ° 5

(Ю)

10

«1,2 arcsln x

г I Bc±r/Bg(r2+l2)-r2Bi

Ви(г2-Н2)

-.(11)

15 Момент фокусировки СП при изменении Вс при помощи блока 7 определяется по минимальному размеру СП (информация на экране монитора).

Значение Вс рассчитывается в ВУ 11

20 при известном напряжении блока 7. вводимом в ВУ 11 с выхода аналого-цифрового преобразователя 8. и при известных параметрах соленоида.

Линейное смещение г определяется в

25 ВУ 11, как г Vjr-fy2 а угол фмежду полуплоскостью нулевого меридиана и направлением линейного смещения, как

30

(р arctg

JL

(12)

при этом за начало координат принимается точка Or.

На экран монитора при минимальном

35 размере СП (момент фокусировки) выводятся значения Ви, рассчитанные в ВУ 11 по алгоритму, определяющему вычисления по формулам (10), (11) и (12),

Как показывает расчет, при I 0,3 м, V

40 3,2 107м/с, а 1°, Ви 1 э, поле соленоида Вс равно 37,68 э, г 110 мкм, а по результатам эксперимента скорость изменения диаметра СП при возрастании или уменьшении значения магнитного поля от

45 значения фокусирующего составляет 300 мкм/э.

Такие перемещения СП и изменения его площади, связанные с возрастанием диаметра, легко могут быть зарегистрированы

50 блоком 9, Повышение чувствительности и точности устройства при измерении углов а, значения Ви возможно путем повышения длины I и.уменьшения размеров светового пятна.

55Положительный эффект предложенного устройства для измерения параметров слабых магнитных полей заключается в следующем:

- повышается достоверность измерений параметров слабых магнитных полей

независимо от их ориентации в пространстве;

- повышается удобство эксплуатации устройства, обусловленное отсутствием необходимости предварительной его ориентации по отношению к силовым линиям измеряемого магнитного поля, и в связи с этим уменьшается время измерения

- уменьшается погрешность измерения, что обусловлено применением в качестве измерителя размеров и перемещений матричного фотоприбора с переносом заряда.

Формула изобретения Устройство для измерения параметров слабых магнитных полей, содержащее объектив, оптическая ось хртОр&го совпадает с осью симметрии элекгрЬнно-лучевой трубки, имеющей электронную пушку и экран, покрытый люминофором, а также блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е о я тем, что, с

целью повышения достоверности измерений параметров магнитного поля независимо от его пространственной ориентации, введены соленоид, блок управления током

соленоида, выход которого подключен к обмотке соленоида и к входу цифроаналого- вого преобразователя, а также блок измерения размеров и перемещений светового пятна, входная матрица которого ориентирована в сторону светового потока от объектива, и вычислительное устройство, входы которого подключены соответственно к выходу блока измерения размеров и перемещений светового пятна и выходу

цифроаналогового преобразователя, а выход связан с блоком регистрации, причем электронно-лучевая трубка размещена в соленоиде таким образом, что однородное магнитное поле, создаваемое соленоидом,

совпадает с осью симметрии трубки и направлено от электронной пушки к люминесцентному экрану.