Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии Советский патент 1981 года по МПК G01V3/14 

3 ройство, пергзый вход которого соединен со схемой лоляризации вещества, а второй - с управляемым входом ключа 2. В известном магнитометре поиск частоты прецессии, соответствующей измеряемому магнитному полю, осущест вляется ступенчато с точностью до по лосы пропускания узкополосного резонансного усилителя и его входного контура, образованного индуктивностью катушки датчика и подключаемой постоянной емкостью, выбираемой из магазина емкостей. Возможная расстройка контура датчика относительно частоты прецессии, уменьшая .отношение сигнал/шум на входе усилителя, увеличивая скорость .затухания сигнал прецессии и приводя к смещению част ты прецессии протонов в связанной с контуром спиновой системе, увеличива ет погрешность измерения. При изменении ориентации датчика в пространстве в сторону от оптималь ного по амплитуде снимаемого с него сигнала, последний уменьшается, что приводит к необходимости снижения уровня порога, которым определяются границы полосы пропускания каждого из узкополосных поддиапазонов. Последнее обстоятельство приводитО к увеличению возможной расстройки контура дат1Й1ка относительно частоты прецессии и увеличению погрешности измерения.. Целью изобретения является повьш1ение точности измерения путем плавног поиска сигнала прецессии и уменьшени времени измерения. Поставленная цель достигается тем что в протонный магнитометр с автома тическим поиском сигнала прецессии, содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий из ампулы (ячейки) с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый клю и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого со динен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход - с управляемым входом ключа, введены схема обна ружения максимальной амплитуды сигнала, формирователь напряжения поиска, аналоговый перемножитель сигна5ЛОВ и дополнительная емкость, причем усилителя соединен со входом схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала, выход которой соединен с одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формирователя соединен с одним из входов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом усилителя, выход аналогового перемножителя соединен через дополнительную емкость с входом усилителя, а третий выход программного устройства соединен со вторым входом формирователя напряжения поиска. В предложенном магнитометре настройка контура датчика в резонанс с частотой прецессии осуществляется за счет эффекта управления умножением емкости С включенной мевду выходом аналогового перемножителя сигналов и входом усилителя. Возникающая при этом динамическая емкость Сд присоединяется параллельно начальной емкости контура Ср, с помощью которой он бып настроен на высшую частоту рабочего диапазона искомых частот , Сд с,(:к-к,-1), где К - коэффициент передачи ycliлителя, К 1; К, - коэффициент передачи аналоговым перемножителем напряжения с выхода усилителя, ,0. Резонансная частота оГр настройки контура датчика, таким образом, равна ,(KK,ti) где La - индуктивность катушки измерения датчика. При изменении коэффициента передачи аналогового перемножителя К, от нуля до единицы резонансная частота . контура датчика изменяется от ,) Изменение коэффициента передачи К, аналового перемножителя сигналов осуществляется плавно путем подачи на его второй вход изменяющегося по величине однополярного напряжения поиска. Нулевое значение напряжения поиска соответствует значению К, 0. Для того. 5 чтобы в перестраиваемый не вносилось заметное дополнительное за тухание, достаточно обеспечить условиертацС, бых.п 5 Вых.п выходное сопротивление аналогового перемножителя На чертеже представлена блокгсхем протонного магнитометра с автоматиче ким поиском сигнала прецессии. Магнитометр содержит датчик 1, с рабочей жидкостью (газом), находящийся в ампуле (ячейке) 2, иьщуктивная катушка 3 которого, подключенная вместе с постоянной емкостью 4 парал лельно инвертирующему входу широкополосного усилителя 5 постоянного тока, образует резонансный LC контур схему 6 поляризации рабочей жидкости (газа), соединенную с одним из выходов программного устройства 7, и час тотомер 8, подключенный к выходу уси лителя через ключ 9, вход управления которого соединен со вторым выходом программного устройства 7. Йыход усилителя 5 соединен со вхо дом схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала. Выход схемы 10обнаружения максимальной амплитуды сигнала соединен с одним из входо формирователя 11 напряжения поиска. Выход формирователя 11 соединен с од ним из входов аналогового перемножителя 12 сигналов. Второй вход аналогового перемножителя 12 соединен с выходом усилителя 5. Выход аналогово го перемножителя 12 соединен через дополнительную емкость 13 с инвертирующим входом усилителя 5. Третий вьтход программного устройства 7 с,оединен со вторым входом формирователя 11напряжения поиска. Протонный магнитометр работает следующим образом; По команде программного устройства 7 схема 6 поляризации производит поля- ризацию рабочей жидкости (газа). После выключения поляризации вектор суммарной намагниченности рабочей жидкости (газа) совершает прецессионное движение вокруг вектора измеряемого поля, индуцируя при этом в индуктивной катушке 3 ЭДС с частотой прецессий, имеющую форму затухающей синусоиды. Часто5та прецессии равна При этом выполняется условие е ц $ та X В исходном состоянии напряжение с выхода формирователя 11 напряжения поиска равно нулю. Ключ 9 закрыт. Поэтому коэффициент передачи К аналогового перемножителя 2 также равен нулю, так как выходное напряжение аналогового перемножителя 12 пропорционально произведению напряжения с выхода усилителя 5 и напряжения поиска с выхода формирователя 11. Резонансный контур, образованный индуктивностью катушки 3 и емкостями 4 и 13, настроен на частоту команде программного устройства 7 формирователь 11 напряжения поиска начинает формировать монотонно нарастающее по абсолютной величине однополярное напряжение. В качестве формирователя 11 напряжения поиска может быть использован, например, RC-интег-. ратор, на вход которого по команде программного устройства подключается постоянное напряжение. При этом на ВБГходе интегратора будет линейно нарастающее напряжение. Возрастание напряжения на выходе формирователя П напряжения поиска, приводя к увеличению коэффициента передачи аналогового перемножителя 12, вызывает пере-.. стройку резонансной частоты контура датчика в сторону более низких частот за счет увеличения динамической емкости Со путем умножения емкости 13. При приближении частоты Wp настройки контура к частоте о/п на выходе усилителя 5 появляется сигнал, превышаюпщй некоторый, установленный в схеме 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала, порог. Сигнал включает схему 10 и отключает постоянное напряжение со входа и тегратора формирователя 11. В качестве схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала может быть использован известный амплитудный выпрямитель, накопительная ёмкость которого подзаряжается лишь до тех пор, пока амплитуда сигнала в последующем периоде повто.т пчагто о ттлг-ттотплтокл гголт гч-га nrin-rr-i- рения синусоидального сигнала с выхода усилителя 5 больше, чем в предьщущем. Достижение максимальной амплитуды на выходе усилителя 5 соответствует резонансу в контуре датчика по отношению к частоте сигнала прецессии. Импульсы тока подзаряда накопительной емкости используются для управления подачей на вход формирователя 11 напряжения поиска в виде импульсов постоянного напряжения, что приводит к дальнейшему, нарастанию напряжения на выходе формирователя 11 до тех пор, пока существуют импульсы подза ряда накопительной дикости, т.е. до выполнения условия | IV После прекращений управляющих им.пульсов со схемы 101 прекращается нарастание напряжения на выходе формир вателя 1 I и, таким образом, прекраща ется nepiecTpoftKa резонансного контура датчика. После этого по комавде программного устройства 7 открываетс ключ 9, и сигнал с выхода усилителя 5 поступает в частотомер 8 для й мерения частоты сигнал прецессии. Повторение цикла йоиска и измерения производится пр команде бтпрограммного устройства 7 которое ббра сывает в исходное состоякие формиро ватель Пи закрывает ключ 9. Предложенный магнитометр позволяе произвести; плавный поиск частоты Вре цессии и настроить р зОйаНсный входной контурТОЧНО на частот сигнала прецессии (с: точностью до чувствйтел ности амплитудного йьшрямитёля мы 10} незавйсимо от Ьриёнтацйф дат чика. За счет этого уменьйается о6 щая погрешность измеренияi . : ; Действительно, при и щугсШззяосШ катушки измерения датчика,фавнрй 0,03 Гн, для перестройки его резонансной частоты, йаприм1Вр, Ьт АОООГц до 750 Гц, что со(зтветствуетййапаз6ку земных магнитных пойей, Требуется изменять емкости контура бт 53000 :пФ до 1,5 мкФ. , ; Плавно изменяемой ём1сости в таком диапазоне емкостей не существует.. В этом случае используется ступенчато коммутируемый магазин постоянных -емкостей. В предложенном магнитомет1 е вмест магазина постоянных емкостей используется лишь одна постоянная емкость величиной, например 1000 пФ при К 1500. Благодаря исключению времени, необходимого для коммутации магазина емкостей, сокращается время поиска сигнала. Это время сокращается до вр feни, определяемого лишь параметрами динамической частотной характеристики колебательного контура, т.е, определяемого соотношением добротности контура и скорости изменения напряж ния поиска. В диапазоне частот от 750 до ббО Гц возможно осуществить плавный поиск и настройку контура датчика на низшую частоту сигнала прецессии за .100-150 мс. Формула изобретения Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецесСи), содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий из ампулы и ячейки с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемы ключ и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого соединен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход - с управляемым входом ключа, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения пу;7ем гшааного поиска сигнала прецессии к уменьшения времени измерения, в него введены схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала формироваталь напряжения поиска, аналоговый йерёмко}китель сигналов и дополш;:твльйая емкости, причем выход усилителя соединен, со входом схемь обнарул:ения максимальной .амплитудй сигнала выход которой соединен с одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формироватапя соединен с одним и:з вхот дов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен свыходом усилителя, вькод аналогового перемножителя соединен через дополнительную ёмкость с входом усилителя,а третий выход программного ус гройства соединен со вторым входом формирователя напряжения поиска. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 405097, кл. G 01 V 3/14, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР 641378, кл. G 01 V 3/14, 1979 (проотип)

lOi