Способ измерения магнитного поля и устройство для его осуществления /его варианты/ Советский патент 1982 года по МПК G01R33/07 

Изобретение отйосится к области магнитных измерений, а более конкретно к устройствам, использующим в качестве первичного преобразователя гальваномагнитные датчики.

Известен способ линеаризации характер истики преобразования ггшьвано магнитного датчика, который основан на выборе типа полупроводникового материала и его концентрации для изготовления из них датчиков, т.е. технологический способ линеаризации Си,

Однако технологический способ ли неаризации характиристйки преобразования датчиков обладает низкой чувт ствительностью, а это не позволяет создавать точные и чувствительные магнйтоизмерительные пЕ)иборы для диапазона слабых и. средних магнитных полей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализованный устройством, в котором выходные электроды датчика Холла включены в измерительную цепь с отрицательной обратной связью |ООС), в. которой имеется звено регулирующее степень шунтирования выходного сигнала датчика, т.е., когда выходная характеристика датчика Холла имеет

ярко выраженный нелинейный характер, сигнал на выходе звена регулирования (в данном случае амплитудного Детек тора) возрастаети сопротивление стокисток полевого транзистора понижает-, ся, шунтирование выходного сопротивления датчика Холла нарастает и сигНал на его выходе уменьшае гся 2 .

Описанный способ имеет недостаточ10ную чувствительность измерительной цепи, с введением ООС падает, частный диапазон исследуемых пepё 4eнных и импульсных полей ограничен.

Цель изобретения - повышение точ15ности и помехоэакщщенности.

Поставленная цель достигается , тем, что согласно способу, основанном на воздействии на вы: одной сигнал при протекании через датчик тока пи20танИя при отсутствии магнитного поля устанавливают средний потенциал датчика, создаваем Лй током питания, соединяют точку установления среднего потенциала с точкой нулевого по25тенциала .входной схемы, воздействуют магнитным полем и измеряют значения приращений напряжения на выходных электродах датчика.

В устройстве, реализук-яцем этот

30 способ, цель достигается тем, что магнитометр,содержащий датчик Холла подключенный холловскими электродами к усилителю, выход которого соединен регистрирующим прибором и резистор компенсации, подключенный между одним из токовых и холловских электро дов, снабжен делителем, крайние выводы плеч которого подключены к токовым электродам датчика, усилитель выполнен дифференциальным с резистив ной отрицательной обратной связью |по напряжению, а величина сопротивле ния резистора компенсации определена из следующего соотношения ,-ч -Rl -dR Ч а где Rf - .сопротивление межДу первым токовым и первым холловским электродом, к которыгл подключен резистор компенсации RP-- сопротивление между другим холловским электродом .и пер вым токовыг.1 электродо1 ; d - величина, равная отношению сопротивлений плеч делителя собой. в варианте устрхзйства поставленна цель достигается тем, что магнитомет содержащий магниторезистор, подключе ный к усилителю с резистором отрицательной обратной связи, на выходе которого подключен регистрирующий прибор снабжен делителем, подключенным к электродам магниторезистора и cocTOrttuiM из двух резисторов равной величины,, и двумя регулировочными резисторами, одни выводы которых сое динены с элёктроДалш магниторезистора, вторые выводы подсоединены к первому и второму входам усилителя, а третьими выводами совместно со сре ней точкой делителя подсоединены к общему входу усилителя. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2, 3 и 4 - варианты этих устройств. Устройство состоит из датчика Г Холла (фиг. 1), к входным электродам 2 и 3 которого подсоединены генератор 4 переменного тока и делитель 5 напряжения, а к выходным электродам 6 и 7 подсоединена первичная обмотка 8 трансформатора 9. Вторичная обмотка 10 крайни выводами 11 и 12 подсоединена к первому и второму входу дифференциального усилителя 13, а средним выводом соединена со средней точкой делителя 5, Устройство работает следующим образом. При отсутствии магнитного поля и питании датчика 1 от генератора 4 переменного тока через входные электроды 2 и 3 протекает ток питания 3i , через делитель 5 также протекает ток 2 1 так как плечи делителя 5 выполняют из резисторов с. одинаковыми значениями сопротивлений , а сопротивлений плеч датчика 1, а именно: сопротивление плеч мехщу одним выходным электродом 2 и двумя выходньими электродами б и 7 равно сопротивлению плеча между другим входным электродом 3 и двумя выходными электродаг-ш б и 7. Потенциал делителя 5 в средней точке и потенциалы датчика на выходных электродах б и 7 равны, определяют (устанавливают) средний потенциал датчика 1. Благодаря гальваническому соединению потенциала точки среднего вывода трансформатора и общей точки дифференциального усилителя 13, все эти точки представляют между собой одну эквипотенциальную линию Ug,. Вся схема в этом случае Уравновешена и выходное напряжение дифференциально,го усилителя 13 равно нули. При воздействии магнитного поля на выходных электродах б и 7 датчика 1появляется холловская ЭДС е, которая через первичную обмотку индуктируется во вторичную обмотку 10. При этом на выводах 11 и 12 относительно общего вывода возникают равные по величине, но противоположные по знаку напряжения U и U. Эти напряжения поступают на первый и второй входы дифференциального усилителя 13, выходное напряжение Ug,,, которого пропорционально измеряемому магнитному полю В, а именно k(U-U), где Ugjiij - выходное напряжение дифференциального усилителя 13, и -.приргадение напряжения между выводами 11 и средним выводом трансформатора 9. и - приращение напряжения между выводами 12 ;и средним выводом трансформатора 9. k - коэффициент усиления усилителя;k - коэффициент передачи всего измерительного тракта; .8 - измеряемое магнитное поле. Магнитометр (фиг. 2) Состоит из, датчика 14 Холла, токовыми электродами подключенного к резистору 15, холловскими электродами - к усилителю 16, на выходе которого имеется регистрирующий прибор 17, второго ре- . зистора 18, делителя 19 и 20, подключенного к токовым электродам датчика 1, усилитель выполнен по дифференциальной схеме с первым и вторым входами, подсоединенными соответственно к холловским электродам датчика 1, ас выхода усилителя 16 на его входы через второй резистор 18 цепь параллельной ООС по напряжению, причем первый резистор 15 включён межд одним холловским и одним токовым электродом датчика 1. Соединительны линии заэкранированы и соединены между собой в точке 2i. Питается да чик ot источника 22. Устройство работает следуюищм образом. При отсутствии магнитного поля , эквивалентную схему датчика Холла можно П ьедставить в виде моетовой схемы. Сопротивление небаланса датчика ROOT.возникает из-за ассиметричности расположения Холловских электродов, но RQCT. можно устранить рводом сопротивления компенсации резистора 15 в случае временного или температурного разбаланса .(эти условия для датчика можно создать и принудительным путем). При воздействии магнитного поля в датчике 14 на холловских электрод возникают напряжения их и Ux-. Эти напряжения, равные по значению, но противоположные по знаку, поступают на входы дифференциальногоусилителя 16. в этом случае наего выходе появляется напряжение Uet,)xr описыва мое соотношением Ueb.x ()-K kB , где Ug., выходное напряжение усилителя 16 при воздействии магнитного поля В; Ux - напряжение холловскоП. ЭДС между электродом б и средней точкой Делителя 19 f Ux - напряжение холловской ЭДС мевду электродом 7 и средн точкой делителя 19; k - коэффициент усиления усили теля 16; k - коэффициент передачи всего измерительного тракта. Помимо всего этого для более устойчивой работы датчика 14 и дифференциального усилителя 16 с его выхода через резистор 18 на его вход образована цепь параллельной .ООС по напряжению, благодаря этому Rg усили теля 16 повышается, и датчик 14 рабо тает в режиме холостого хода. Для большей эффективности помехозащищенности и стабильности параметров соединительной линии, резисторы делителя выполнены в виде индуктнвностей, так как их погрешность сбставляет наименьшую величину порядка , что позволяет точнее произвести компенсацию плеч двух мостов с учето именно сопротивлений соединительных проводов. Поэтому в качестве источни ка 22 примененгенератор переменного тока. Кроме того, все соединительные линии, соединяющие датчик, вход усилителя и делитель размещены в экранах, которые подсоединяются друг другу в одной Точке корпуса магнитометра. Вариант устройства (фиг. 3) на магниторезисторе 23 дополнен регулировочными резисторами 24 и 25. При воздействии магнитного поля на первом и втором входах относительно общего входа усилителя появляются два приращения напряжений U и Uj. Благодаря тому, что резисторы 26 и 27 делителя равны по значению, эти приращения И. и Oj равны по величине., но противоположны по знаку. Тогда на выходе усилителя имеем выходное напряжение Ueb,x , где k - коэффициент передачи измерительного тракта; В -. величина воздействующегомагнитного поля. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что при соотношении мевду г (начальным сопротивлением) магниторезйстора 23 и резисторами 26 и 27, подключенными к нему, коэффициент передачи по напряжению высок в случае, если различие между TQ и , 11 менее чём в 5 раз. Вариант устройства (фиг.4) содержит усилитель 28. Благодаря минимизации нелинейности характеристики преобразования магниторезйстора значительно повышается точность измерений на порядок за счет разностей схемы измерения магнитометра. Предлагаемый магнитометр позволяет измерять постоянное, переменные и импульсные магнитные поля в широком диапазоне измеряемьлх магнитных полей и в широком диапазоне рабочих температур от 300 до 2°кi За счет разностной схемы измерений магнитометра значительно уменьшается проявление дестабилизирующих факторовизменение сопротивлений соединительных проводов, влияние синфазной наводки и т.д. На основе предлагаемого магнитометра возможно создавать различные устройства с линейной характеристикой преобразования. Следует отметить и положительный эффект, создаваемый магнитометром за счет результатов измерений, получаемых от этого прибора с улучшенными параметрами. Однако в связи с отсутствием экономических данных, получаемых от результатов измерений, данный расчет не представляется возможным. Для данного способа и устройств го реализующих .отмечается: отсутствие на выходе дифференциальной схемы квадратных (четных) составляющих, то позволяет уменьшить нелинейность характеристики преобразования более, чем па порядок или что то же самое, линеаризацию повысить более, чем на порядок. В устройствах, реализующих способ можно повысить чувствительность и точность. у магнитометров станет класс точности 0,2-0,1. Формула изобретения 1. Способ измерения магнитного поля путем воздействия на выходной сигнал при протекании через датчик тока питания, отличающийс я тем, чтс, с целью повышения точ ности и помехозащищенности, при отсутствии магнитного поля устанавливают средний потенциал датчика, создаваемый током питания, соединяют точку установления среднего потенциала с точкой нулевого потенциала входной схемы, воздействуют магнитны полем и измеряют значения приращений напряжения на выходных электродах датчика. . 2. Устройство для измерения магнитного поля содержащее датчик Холла подключенный холловскими электродами к усилителю, выход которого соединен с регистрирующим прибором, и резисто компенсации, подключённый между одни ИЗ токовых и одним холловских электродов, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что он снабжен делителем, крайние выводы -которого подключены к токовым.электродам датчика, усилитель выполнен дифференциальным с реэистивной отрицательной обратной связью по напряжению, а величина

iL уй

Фиг.1 сопротивления резистора компенсации i определена из следующего соотношения . , сопротивление между первьгм токовым и первым холловским электродом, к которым подключен резистор компенсации} сопротивление, между другим холловским электродом и первым токовым :.элё 5р6дом; величина, равная отношений сопротивлений плеч делителя. 3. Устройство для измерения магнитного поля, содержащее магниторезистор, подключенный к усилителю с резистором отрицательной обратной связи, на выходе которого.подключен регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с я, тем, что -он снабжен делителем, подключенным к электродам магниторезистора и состоящим из двух резисторов равной величины, и двумя регулиро вочнкп |и резисторами, первые выводы которых подсоединены с электродами; магниторезистора, вторые выводы подсоединены к первому и второму Вхйдам усилителя, а третьи выводы совместно со средней точкой делителя подсоединены к общему входу усилителя. . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Афанасьев Ю.В. Магнитометрические преобразователи, приборы и установки. Л., энергия, 1972, с. 114-155. 2.Авторское свидетельство СССР №524146, кл. 5 01 ft 33/06, 1976.

,/ а tt

f ЦнВ