Устройство для измерения магнитных полей Советский патент 1980 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к области магнитных исследований и может быть использовано для многоканальных ,иэмерений на основе датчиков Холла, п раииетров низкочастотных магнитных полей в широком диапазоне значений, как при физических исследованиях,так и в ряде задач техники. Известны многоканальные устройства Для измерения магнитных полей, со держащие N датчиков Холла, соединенных последовательно между собой и с генератором стабилизированного тока (здесь N-число каналов измерения) и N операционных усилителей с диффёрен циальными входами, имеющих цепи регулировки усиления и баланса и под ключенных каждый к выходу соответствующего датчика, образуя с ним, тем самым, измерительный канал 1. Недостатками данного устройства являются необходимость использования в нем нескольких операционных усилителей, а такЯсе принципиальная трудность создания большого количества каналов измерения из-за меньшего ослабления синфазного сигнала дифференциальными каскадами операционных усилителей при росте величин этого сигнала и его флуктуации, обусловленных температурными и временными нестабильностями сопротивлений токового канала датчиков Холла, Цель изобретения - повышение точности и чувствительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для иэмерения магнитных полей, содержащем N датчиков Холла по, числу каналов измерения, усилитель, генератор :стабилизированного тока, соединенный с первым датчиком Холла и регистрирующий прибор, дополнительно введены N-1 генераторов, последоват€У1ьно соединенные перемножитель и фильтр нижних частот, аналоговый коммутатор, выполненный в виде N аналоговых ключей, синхрогенератор, пере стран по частоте и распределитель, причем первые входы ключей соединены с выходами соответствующих генераторов, вторые входы ключей - с первыми выходами распределителя. Выходы ключей связаны со входом синхрогенератора, выход последнего - со вторым входом перемножителя, первый вход которого через усилитель связан с соединенными пара.плельно между собой холловскими электродами всех датчиков, выход фильтра нижних частот - со входом регистрирующего прибора, а управляющие входы перейтройки частоты синх рогенератора подключены ко вторым выходам распределителя. На чертеже изображена функциональ ная схема устройства в варианте, обе печивающем четыре канала измерения, т.е. для N 4.. Устройство в зтом конкретномварианте исполнения содержит четыре генератора 1, 2, 3 и 4 с различающимися частотами выходного сигнала, а также сами четыре датчика Холла 5, 6, 7 и 8. Устройство также содержит усилитель 9, аналоговый перемножител 10 и аналоговый коммутатор 11, состоящий здесь из четырех двухполярных аналоговых ключей 12, 13, 14 и,15, которые могут быть выполнены в виде одного функционального блока, например, микросхемы,, а также синхрогенератор 16,. Кроме того, устройство содержит распределитель 17, включающий в себя источник 18 сигнала управлени и переключатели 19 и 20 выходных шин р-аспределителй. Состав устройства до вершает фильтр нижних частот 21 и ре гистрирующий .прибор 22. При этом объединенные выходы датчиков 5, б, 7 и 8 Холла через усилитель 9 подключены к одному из входов перемножителя 10. Выход же последнего через фильтр нижних частот 21 связан, со входом регистрирующего прибора 22. Токовые электроды датчиков Холла подключены к выходс л генераторов 1, 2, 3 и 4 куда подключены также сигнальные входы аналоговых ключей 12, 13, 14 и 15 соответственно, входящих в аналоговый коммутатор 11. Выход последнего, т.е. объединенные вы ходы ключей, подключен к общему для этих ключей входу синхрогенератора 16, выход которогЬ, в свою очередь, соединен со вторым из входов перемножителя 10. N 4 выходных шин распределителя, обслуживаемых переключателем 19, задействованы на управля щие входы ключей 12-15, а другие выходные шины, относящиеся к переключателю 20 распределителя, - на управ ляющие входы перестройки диапазонов синхронизатора 16 .1 оличество данных шин и входов тоже, Предпочтительно,по N (при относительно малом числе каналов), но при реализаций в устройстве очень большого числа каналов (много десятков или даже сотни) с не слишком большим разносом частоты меж ду соседними каналами количество управляющих входов синхрогенератора мо жет быть во сколько-то раз меньше N, :. ё. имеется возможность в таких слу чаях не слишком усложнять его, благо Даря использованию каждого диапазона (управляющего входа) настройки часt&tbJ синхрогенератора для нескольких ее смежных значений (близкорасположенных частот генератора 1, 2...). Устройство работает следующим обРазом. С выходов генераторов 1, 2, 3 и 4 сигналь: различных частот поступают на токовые электроды датчиков Холла j5, 6, 7 и 8 соответствнно и одновременно с этим на сигнальные входы ключей 12, 13, 14 и 15 соответственно, в аналоговом коммутаторе , 11. Ключи коммутатора управляются от источника 18 сигнала управления посредством переключателя 19, обеспечивая таким образом на выходе коммутатора 11 только поочередное появление сигналов генераторов. Так, например, если элемент питания - просто источник постоянного тока, то переключателем 19 обеспечивается поочередная подача от него отпирающего (в изображенном варианте переключателя) или снятие запирающего (требуется соответственно измененное изображение переключателя) напряжений на входы (со входов) управления ключей, что соответствует наиболее распрастраненному принципу действия последних. При большой широте диапазона частот, охватываемого набором генераторов 1, 2, 3..., когда уже становится затруднено использование неперестраиваемого синхрогенератора 16, одновременно с работой переключателя 19 осуществляют перестройку собственной частоты,синхрогенератора посредством переключателя 20 так, чтобы она приблизительно равнялась частоте генератора выбранного канала (это достигнуто порядком подключения элементов настройки синхрогенератора, т.е. его управляющих входов к выходным шинам переключателя 20). Независимо от этого, при работе системы генератор работающего канала дополнительно навязывает свою частоту, а также фазу колебаний синхро генератору . . с объединенных холловских электродов всех датчиков сигналы разных частот (т.е. - как работающего, так и всех неработающих в этот момент каналов) одновременно поступают на вход относительно широкополосного усилителя 9 (полоса частот должна обеспечивать усиление сигналов со всех датчиков) а затем на один из входов пр- . ремножителя 10 и умножаются последним на выходное напряжение синхрогенератора 16, поступающее на другой вход перемножителя). В силу закономерностей образования выходного сигнала датчика Холла, сигнал каждого из датчиков 5, 6, 7.... представляет собой несущую генератора питания датчика, модулированную временной фуйкцией величины измеряемого магнитного поля. После перемножения смеси таких сигналов (от всех датчиков) с выхода усилителя 9 и сигнала, имеющего частоту генератора канала, выбранного в данный момент (ключами коммутатора)

в качестве работающего канала, образуется ряд гармоник, низшей из которых по частоте является как раз временная функция величины магнитного по|ЛЯ, регистрируемого датчиком работающего канала. Конечно, необходимым условием этого является достаточное превышение разноса частот соседних каналов над частотой регистрируемого поля, что, однако, в случае низкочас тотных полей легко достижимо даже при реализации сотен тесно расположенных каналов в одном таком устройстве. Из смешанного выходного сигнала перемножителя данный полезный сигнал (низший по частотному спектру) выделяется фильтром нижних частот 21 и поступает на регистрирующий прибор 22. Таким образом осуществляется развязка между каналами, то есть канал измерения в конкретный момент времени представлен датчиком Холла, питающий генератор которого в этот момент времени/ синхронизирует (за счет соответствующего состояния ключей коммутатора) синхрогенератор.

Как ясно из изложенного выше (реализуемого схемой) принципа селекции каналов, основным преимуществом предлагаемого устройства является применение лишь одного усилителя для всех каналов. Кроме того, достигается возможность резкого увеличения числа каналов. При хорошей линейности амплитудной и амплитудно-частотной характеристик, их количество может доходить до 200-300,так как выбором соответствующего порядка фильтра ЕШЖних частот легко осуществляется требуемая степень развязки. Легko достигаемое здесь увеличение стеНени развязки (особенно в вариантах, ограниченных всего несколькими десятками каналов) ведет к улечшению фильтрации шумов и помеху а следовательно к повьвиению точности и чувствительности устройства в целом.

Формула изобретения

Устройство для измерения магнитных полей, содержащее Мfдатчиков Холла ,

по числу какалов измерения, усилитель,

генератор стабилизированного тока, соединенный с первым датчигсом Холла и регистрирующий прибор, о т л и {Чающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности устройства в него дополнительно

введено N-1 генераторов, последовательно соединенные перемнсжитель и фильтр нижних частот, аналоговый коммутатор, выполненный в виде N аналоговых ключей, сИнхрогенератор, перестранваемь:й по частоте и распределитель, причем первые входы ключей соединены с выходами соответствующих генераторов, вторые входы ключей - с первыми входами распределителя, выходы ключей связаны со входом синхрогенератора, Выход последнего - со вторым входом перемножителя, первый вход которого через усилитель связан с соединенными параллельно между собой холловскими электродами всех датчиков, выход фильтра нижних частот - со входом регистрирующего прибора, а управляющие входы перестройки частоты синхрогенератора подключены ко вторым выходам распределителя,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 40 463934, кл. G 01 R 33/06, 1975,