Магнитометр Советский патент 1981 года по МПК G01V3/40 

(54:

МАГНИТОМЕТР

1

Изобретение относится к геофизике, предназначено для измерения компонентов магнитного поля Земли и может быть использовано в стационарных магнитных обсерваториях и при геофизических исследованиях в полевых услоВИЯХ.

Известны оптико-механические магнитометры, содержащие кварцевый магнитный вариометр, осветитель и устройство регистрации. Регистрация .траектории перемещения отраженного светового луча производится, как правило, в аналоговой форме на фотобумаге когда координата светового луча пропорциональна углу отклонения плоскости зеркальца магниточувствительного элемента вариометра. Протяжка фотобумаги осуществляется посредством часового или электромеханического привода. Повышение чувствительности известного устройства достигается за счет увеличения оптического пути многократным отражением светового луча от плоских зеркал tl и C2J. Недостатками известных магнитометров являются представление результатов измерений в виде фотозаписи, требующей фотохимической обработки и дальнейшей трудоемкой расшифровки

а также иев 53Г«о :шость оперативного преобразования информации в цифровой код и интерпретацию измерений посредством ЭЦВМ. Кроме того, с целью увеличения чувствительности за счет увеличения оптического рычага путем применения нескольких плоских зеркал, с увеличением чиcJra отражающих зеркальных плоскостей существенно ус ложняется настройка и тарировка прибора..

Известен также автоматический кварцевый магнитометр, содержащий магниточувствительный кварцевый элемент с компенсирующей колечной системой , фотодатчик и аналого-цифровой преобразователь с регистратором. Фиксация перемещения светового луча осуществляется посредством фотодатчика,

20 который,Е зависимости от отклонения

светового луча, выдает на селектор . сигналы, управляющие поступлением импульсов тактового генератора на один из входов реверсивного счетчика. В

25 каждый момент времени значение , зафиксированного на выходах реверсивного счетчика,преобразуется в то преобразователя код-ток. От преобразователя ток поступает в кольцо компенсирующей системы таким образом, что компенсирует отклонение свето вого луча до тех пор, пока световой луч не установится в центре фотодат чика. Регистрация производится чере определенные промежутки времени и о ществляется посредством самопишущег прибора. Кроме того, информация в ц ровом коде может поступать непосред ственно на цифровые регистраторы ил на вход ЭЦВМ 3. Недостатком данного магнитометра является применение нестабильного во времени фотодатчика, что снижает разрешающую способность измерения, сложность и ненадежность электронной схемы, ток в цепи обратной связи пре ставляет собой ступенчато-изменяющий ся сигнал, что может привести к авто колебаниям в измерительной системе. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения. Поставленная цель достигается тем что в магнитометр, содержащий магниточувствительный кварцевый элемент, осветитель, аналого-цифровой преобразователь с регистратором, оптическ связанным с осветителем и магниточув ствительным элементом через оптическую систему, введено цилиндрическое зеркало, а аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде растрового волоконно-оптического жгута из свето водов, на выходном конце которого закреплена интегральная фотоприемная матрица, соединенная выходами с регистратором, при этом входные торцы световодов жгута расположены на окружности, центр которой совпадает с центральной осью симметрии цилиндрического зеркала. Применение цилинд рического зеркала позволяет уменьшит число отражений светового луча при достижении такого же оптического пути , как и получаемого посредством плоских зеркал. Это упрощает настройку и тарировку, и за счет измененения диаметра цилиндрического зерка ла появляется возможность изменения чувствительности магнитометра в широком диапазоне. Применение оптоэлектронисго аналого-цифрового преоб разователя типа строка-кадр, состоящего из гибкого, волокно-оптического осветительного жгута-преобразова теля с диаметром волокон 100 мкм и полупроводниковой интегральной фотоприемной матрицы, позволяет с необходимой точностью регистрировать на строке торцов световодов жгута положение грани перемещающего светового луча, отраженного от цилиндрического зеркала. Кроме того, приме нение оптоэлектронного аналого-цифрового преобразователя позволяет применять на выходе любое сочетание серийно выпускаемых различных приборов и устройств вычислительной техни .ки, производить согласование и стыковку с аналогичными устройствами, выдавать информацию в цифровом коде. На фиг.1 представлена геометрия хода светового луча: на фиг.2-график изменения функции чувствительности; на фиг.З - предлагаемый магнитометр, общая схема. Падающий луч счета осветителя 1 (фиг.1) отражается зеркальцем магниточувствительного кварцевого элемента 2 и попадает на наружную поверхность цилиндрического зеркала 3, имею-щего радиус R и расположенного на расстоянии от зеркальца магниточувствительного элемента 2, затем световой луч попадает на поверхность 4, концентрически расположенную относительно цилиндрического зеркала. Из построения фиг.1 вытекают очевидные геометрические соотношения j , откуда SI и ос Sinot / tВ СВОЮ очередь. sinp (oc)-p) S1n{«- + /bj-- S(. тогда пределены -sVnoC -oCj (1) jb -arcs ii( угол R - U угловая -1 -aoC; 12) чувстви- - i-TTTRTT: тельно.сть . R величина перемещеBC ()yb) ния луча линейА BC 2-{R-t-b)x ная J. COS ОС. ,-iJ-dct (Ч) чувст Ь-г: -;- вительY-/-{-p-) sin л ность Таким образом, из (3) и (4) следует, что системе с цилиндрическим зеркалом эквивалентна система со сканирующим плоским зеркалом, поворачи-вающимся на угол /Ь вокруг центральной оси симметрии цилиндрического зеркала 3. Из требования линейности отсчета вытекает необходимость расположения геометрических мест регистрации светового луча по окружности с центром, совпадающим с центром цилиндрического зеркала. В известном устройстве (1)при днократном отражении светового луча величина чувствительности, равна В предлагаемом устройстве величина чувствительности определяется следующим выражением il.L.h.f)-{cOSoC.-/l r-Sf«V-)«L.K. ..(Я На фиг.2 приведен график изменения функции чувствительности- fCocjJts , ДОС Т / Из кривых графиков (фиг.2) следует, что при одних и тех же габаритах устройства его чувствительность толь ко путем изменения диаметра цилинд-;рического зеркала возможно дополнительно увеличить в 5-7 раз. Следовательно, применение цилиндрического зеркала и указанной системы, регистра .ции позволяет при однократном отраже нии получить световой рычаг в 5-7 ра больший при меньших габаритах устрой ства и без заметного ухудшения линей ности отсчета. На графиках (фиг.2) пунктиром отмечена область линейного отклонения светового луча. Зависимость величины коэффициента k из формулы {5 ) от изменения угла отклонения светового луча и отношения кратчайшего расстояния 1 между зеркальцем магниточувствительного кварцевого элемента 2 к радиусу R цилиндрического.зеркала 3 представлена в таблице. k f ( ОС; L/R) 15. 5,40 . Магнитометр (Лиг.З) состоит из герметического кожуха 1, выполненно го из немагнитного материала, внутр которого закреплены осветитель 2, магниточувствительный кварцевый эле мент 3 с фокусирующей линией 4,.цилиндрическое зеркало 5, растровый оптоэлектронный аналого-цифровой преобразователь, содержащий волокон но-оптические осветительные жгутыпреобразователи 6 и полупроводников интегральные фотоприемные матрицы 7 Магнитометр работает .следующим образом.. Отраженный цилиндрическим зеркалом 5 световой луч, исходящий из ос ветителя 2 и сфокусированный на маг ниточувствительном кварцейом элемент 3 посредством линзы 4, перемещается по торцам световодов волоконно-оптического осветительного жгута-преобразователя 6; пропорционально углу отклонения зеркальца магниточувствительного кварцевого э: эмента 3. Торцы световодов на входном конце жгута образуют непрерывную растровую строку с дискретностью шага в 100 мкм, а на втором конце жгута преобразованы в прямоугольный кадр, соответствующий структуре входных характеристик полупроводниковой интегральной фотоприемной матрицы 7. Кадр матрицы формируется из входной строки-растра путем последовательного расложения его на строки кадра, который непосредственно стыкуется со входом полупроводниковой интегральной фотоприемной матрицы 7 Адрес отдельного элемента матрицы, в который попадает световой луч, является кодом линейного отклонения светового луча на входных торцах световодов жгута-преобразователя 6. В предлагаемом устройстве в каждый определенный момент времени границы светового пятна и его центр определяются с погрешностью не более +100 мкм. Для достижения еще большей точности в 10-20 раз имеется возможность применять световоды с диаметром волокон 5-10 мкм. Формула изобретения Магнитометр, содержащий магниточувствительный кварцевг элемент, осветитель, аналого-цифровой преобразователь с регистратором, оптически связанный с осветителем и млгниточувствительным элементом через оптическую систему, отличающийся тем, что, с целью повын ения чувствительности и точности измерения, в него введено цилиндрическое зеркало, а аналого-цифровой преобразо ватель выполнен в виде растрового волоконно-оптического жгута из свето-водов, на выходном конце которого закреплена интегральная фотоприемная матрица, соединенная выходами с регистратором, при этом входные торцы световодов жгу.та расположены по окружности, центр которой совпадс1ет с центральной осью симметрии цилиндрического зеркала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 166506, кл. G 01 V 3/00, 1963. 2.Авторское свидетельство СССР К 166510, кл. G 01 V 3/00, 1963. 3.Авторское свидетельство СССР К 409175, кл. Q 01 V 3/00, 1972 (прототип),

-

L.. К

3

Зона пропо/зционоль//остг/

г

--4

изВесглное Устройс/пёо П

Код

LfUlJL

Фиг. 5