Магнитометр Советский патент 1980 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерения слабых постоянных магнитных полей. Известны магнитометры для измере ния слабых постоянных магнитных по лей, содержащие датчик Холла, пита емой от источника постоянного тока и помещенный в зазор концентратора с модуляционной обмоткой, подключенной к источнику переменного ток усилитель и регистрирующий прибор Область применения таких магнитометров ограничена из-за температурной нестабильности параметров датчика Холла. Из известных магнитометров для измерения слабых постоянных магнит ных полей наиболее совершенным и близким по технической сущности явл ется магнитометр, содержащий датчик Холла, стабильный источник постоянного тока, концентратор с двумя встречно включенными обмотками, подсоединенными к стабильному генератору переменного тока, избирательный усилитель и регистрирующий прибор Описанный магнитометр также имеет существенные недостатки, а именно: низкую чувствительность и точность измерений вследствие температурной нестабильности чувствительности датчика Холла, возникновение которой связано с тем, что на измерительный преобразователь - датчик Холла, кроме измеряемой индукции постоянного магнитного поля В действует еше побочный фактор - температура Т. В результате такого действия выходная величина датчика Холла оказывается функцией двух переменных, т.ё, и f(B,T)(1) Полное приращение выходной вели-чины будет, очевидно: аи,.| , (2) где Sg - чувствительность датчика Холла к измеряемому магнитному полю; S.- - чувствительность датчика Холла к температурному воздействию;dB - приращение индукции магнитного поля ; dT - приращение температуры.

Чувствительность датчика Холла к измеряемому магнитному полю определяется постоянной Холла К,|, а чувствительность датчика Холла к температурному воздействию определяется температурным коэффициентом постоянной Холла , причем обе вьлиеназванные характеристики находятся межд собой в противоречивом требовании, так при изменении температуры величина второй слагающей выражения (1) может быть значительной, что приводит к ложному сигналу на выходе магнитометра, например, при измерении температуры от О до Sg, л S, т.е. погрешность измерения /jf 100%, поэтому температурная нестабильность выходной величины датчика Холла, порождаемая температурным коэффициентом постоянной Холла , оказывает не только существенное влияние на порог чувствительности и точность магнитометра, но зачастую является основным критерием, определяющим сам возможность использования в измерительных преобразователях датчиков Хола.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что магнитометр, содержащий датчик Холла, концентратор с двумя встречно включенными обмотками, подсоединенными к первому генератору переменного тока, основной избирательный усилитель, связанный с выходными электродами датчика Холла и регистрирующий прибор, снабжен вторым генератором переменного тока, подключенным к входным выводам датчика Холла, частота которого отлична от частоты первого генератора, дополнительным избирательным усилителем с синхронным детектором на выходе, амплитудным детектором, подключенным к выходу основного избирательного усилителя,вычитающим блоком подключенным к выходам детекторов и с масштабным преобразователем, включенным между выходом вычитающего блока и входной цепью датчика Холла, при этом вход дополнительного избирательного усилителя подключен ко входам основного, а второй вход синхронного детектора к выходу второго генератора переменного тока.

На фиг. i изображена функциональная схема магнитометра; на фиг.2 а 9 приведены временные диаграммы.

-Датчик Холла 1 (фиг.1) входными выводами 2 и 3 подключен к генератор тока 4 с частотой f и помещенный в зазор концентратора 5 с двумя встречно включенными обмотками 6, соединенных с генератором переменного тока 7 с частотой fg, а к выходным выводам 8 и 9 датчика Холла 1 подключены дополнительный 10 и основной 11 избирательные усилители, соответственно настроенные на частоты f и f -f 2fj , к выходу усилителя 10 подключен синхронный детектор 12, а к выходу усилителя 11 - амплитудный детектор 13, к выходам обоих детекторов 12 и 13 подключен вычитающий блок 14, причем к выходу детектора 13 подключается регистрирующий прибор 15, вычитающий блок 14 соединен с управляемым масштабным преобразователем 16f в выходную цепь которого подключен входными выводами 2 и 3 дачик Холла 1.

Устройство работает следующим образом.

При помещении в измеряемое магнитное поле BQ датчика Холла 1 с концентратором 5, магнитопровод концентратора 5 намагничивается одновременно измеряемым постоянным полем В и переменным магнитным полем, создаваемым обмотками 6, подключенными к генератору переменного тока 7, в этом сдгучае дифференциальная магнитная проницаемость концентратора 5 является четной функцией и поэтому содержит переменную составляющую дифференциальной магнитной проницаемости - частотой 2fj, а также постоянную составляющую дифференциальной магнитной проницаемости j (фиг.2а), при этом амплитуды переменной и постоянной составляющих магнитных индукций концентратора 5 пропорциональны измеряемому постоянному магнитному полю ЕС, причем воздействие на датчик Холла 1 вышеуказанных полей концентратора 5 приводит к появлению в выходной цепи датчика Холла 1 двух холлQнеких ЭДС: холловской ЭДС с комбинационной частотой 2f2 и холловской ЭДС частотой

Тогда с учетом напряжения неэквипотенциальности на выходных выводах 8 и 9 датчика Холла 1 присутствует сумма напряжений, а именно:

,()

2%)t. .O. cosuj t,

е.ы.

де

-напряжение на выходных выводах 8 и 9 датчика Холла 1; в

-амплитуда переменной составляющей э.г.читного ПОЛЯ концентратора 5, пропорциональная измеряемому магнитному полю BO;

в.

- амплитуда постоянной составляющей магнитного поля концентратора 5, пропорциональная измеряемому магнитному полю BO; v - величина управляющею тока, протекающего через датчик Холла 1; R, - коэффициент постоянной Холла полупроводниковой пластины датчика; С- толщина полупроводниковой пластины датчика ост остаточное сопротивление между выходными выводами 8 и 9 датчика Холла 1, возникающее из-за асимметричности расположения выходных выводов 8 и 9 при отсутствии магнитного , -пол я. Из выражения (3) следует отметить что третье слагаемое является неинформативной составляющей выходного напряжения Uj, датчика Холла 1, которую целесообразно довести до минимума, т.е. скомпенсировать. Компенсацию и, осуществляют при заданной температуре Т датчика Холла 1, например, при 45С. При этом на выходе усилителей 10 и 11 появляются напряжения OJ f +2f и (фиг.2б). Тогда на выходе ампли тудного детектора 13 и на выходе синхронного детектора 12 возникают соответственно два выходных напряже ьых4 определяются следующими вьгражениями : L..f,4..D.W ;b.K;V,.., (5) где 2f - величина холловско ЭДС комбинационной частоты присутЪтвую щая на входе усили теля 1 1 ; -величина холловско ЭДС частоты, присутствующая на вхо усилителя 10; -коэффициент усиления усилителя 11; -коэффициент усиления усилителя 10; -коэффициент переда а1 1плитудного детек тора 13; - коэффициент синхро ного детектора 12. Анализируя вышеприведенные выражения (2) и (3) можно заметить, что путем варьирования величин коэффици ентов усиления Ку и К,о избирательных усилителей 11 и 10, а подбором коэффициентов передач К и можно достигнуть равенства IT tl , что и было осуществлено в предлагаемом магнитометре (фиг.2в до . При этом на обоих входах вычитающего блока 14 присутствуют равные напряжения , и ,,поэтому выходное напряжение вычитающего блока 14, воздействующее на масштабный преобразователь 16 будет равно нулю. В этом случае ток подогрева, вырабатывае «з1й масштабным преобразователем 16 и действующим в выходной цепи масштабного преобразователя 16, к которой подключен входными выводами 2 и 3 датчик Холла 1 также равен нулю. При изменении температуры Т датчика Холла 1, условие компенсации нарушается, поэтому даже незначительное изменение величин иц,обуславливает появление на выходе синхронного детектора суммы напряжений Uj,, и Uxf (фиг.2в t;,-t,), т.е. ,. в этом случае на входе вычитающего блока 14 возникают UjjJ,, и f,m значения величин которых отличаются друг от друга на вели-пшу мэ ( J обуславливает появление на выходе вычитающего блока 14 управляющего напряжения (фиг.2г, ,), воздействующего на масштабный преобразователь 16, в выходной цепи которой появляется постоянный ток, величина которого пропорциональна изменению температуры датчика Холла 1, время существования постоянного тока масштабного преобразователя 16 определяется достижением датчика Холла 1 первоначальной заданной температуры Т (фиг.2г, ). По достижению температуры Т, и скомпенсируется, управляющее напряжение на выходе вычитающего блока 14 и постоянный ток к выходной цепи масштабного преобразователя пропадает (фиг.2д, ,j). Всякий раз, при изменении температуры вышеописанный процесс повторяется, при этом, тем с большей точностью будет поддерживаться температура Т датчика, чем больше коэффициент усиления масштабного преобразователя и чем с большей точностью выдержано выражение (6), так как общеизвестно, что в системе с отрицательной обратной связью влияние возмущающего воздействия ослабляется в 1 + р К раз по сравнению с этой системой при разомкнутой цепи отрицательной обратной связи. В этом вьфажении К - петлевой коэффициент передачи системы, р - коэффициент обратной связи. На основании вышеизложенного можно утверждать, что для системы с замкнутой обратной связью для выходного напряжения, создаваемого избирательным усилителем 10, синхронным детектором 12 и масштабным преобразователем 16, будет справедливо следующее выражение: , .ЧО О ТТК--УЧ-Н;Г -.);где К

коэффициент усиления

VC масштабного преобразова-теля 16;

«э

-величина напряжения неэквипотенциально сти на входе избирательного усилителя 10, возникающая при изменении температуры Т от заданной величин

Из анализа выражения (8) следует два существенных вывода: 1 - чувствительность датчика Холла 1,а значит и всего магнитометра, не зависит от обратной связи по U,, ; 2 - выбором коэффициента усиления масштабного преобразователя 16 можно добиться зизлштельной температурной стабилизации датчика Холла 1, т.е. высокого яостояиства чувствительности датчика Холла 1, Наводки на выводах даттака за счет магнитного поля при этом могут быть подавлены избирательными усилителями 10 и 11 при соответствующем выборе полосы пропускани этих усилителей. Выход масштабного преобразователя 16, подсоединенного к входным выводам 2 и 3 датчика Холла 1 и выход генератора 4 питания (Датчика, подключенного также к входkbiM выводам 2 и 3 датчика Холла 1, могут быть согласованы введением ооо7;эетствующих развязывающих цепей, ;:. j.:.ap Фильтров.

Формула изобретения

Магнитометр, содержасдай датчик Солла, концентратор с двумя встречно

включенными обмотками, подсоединенными к первому генератору переменного тока, основной избирательный усилитель, связанный с выходными электродами датчика Холла и регистрирующий прибор, о т л и ч а rota и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, он снабжен вторым генератором переменного тока, подключенным к входным выводам датчика Холла, частота которого отлична от частоты первого генератора, дополнительным избирательным усилителем с синхронным детектором на выходе, амплитудным детектором, подключенным к выходу

5 основного избирательного усилителя, вычитающим блоком, подключенным к выходам детекторов и с масштабным преобразователем, включенным между выходом вычитающего блока и входной

0 цепью датчика Холла, при этом вход дополнительного избирательного усилителя подключен ко входам основного, а второй вход синхронного детектора к выходу второго генератора пере5менного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

0 1. Авторское свидетельство СССР I 418817, кл. G 01 R 33/06, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР № 475572, кл. G 01 R 33/06, 1975.