Магнитометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5!) 4 G 01 R 33/06

gg (.t

11! (1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ю,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I (21) 2935624/18-21 (22) 04.06.80 (46) 30,07,87. Бюл, Ф 28 (71) Физико-технический институт

АН ТССР (72) И.H.Сапранков (53) 621. 317. 44 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

1! 487357, кл. G 01 R 33/06, 1975, Авторское свидетельство СССР

У 300108, кл, G 01 R 33/06, 1974, (54)(57) МАГНИТО!1ЕТР, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, первый и второй генераторы питания четырехполюсника, выходы каждого из которых подключены к одной из пар выводов четырехполюсника, два измерительных усилителя, входы которых соединены параллельно выходам первого и второго генераторов питания четырехполюсника, первый и второй фазочувствительные детектОры, первые сигнальные входы которых подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с выходами первого и второго генераторов пита.80„, 1327025 А1 ния четырехполюсника, а выходы — к входам первого сумматора, к выходу которого подключен регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен третьим и четвертым дополнительными генераторами питания четырехполюсника с преобразователем Холла, подключенными к каждой иэ его пар выводов, третьим и четвертым фазочувствительными детекторами, первые сигнальные входы которых раздельно подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с выходами третьего и четвертого генераторов питания четырехполюсника, а их выходы — к sxoдам первого сумМатора, генератором тактовых импульсов с перестраиваемой скважностью импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации генератора питания четырехполюсника, вторым сумматором, выход которого соединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, а его входы — с выходами фазочувствительных детекторов.

2 7025

1 1З

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения магнитной индукции слабых постоянных магнитных полей.

Известно устройство, содержащее преобразователь Холла в качестве первичйого преобразователя. Магнито метры слабых постоянных полей снабжаются системой автоматической компенсации дрейфа нуля преобразователя

Холла (аддитивной погрешности измерения). Несмотря на то, что существует несколько разновидностей п6добных систем, следует указать на общий принцип их построения — использование свойства необратимости преобразователя Холла.

Принцип действия таких магнитометров основан на том, что у четырехполюсника с преобразователем Холла, помещенным в исследуемое магнитное поле, измеряют сопротивления R u

К „ (или величины, пропорциональные им) и определяют искомую магнитную индукцию Вп. Магнитометры с автоматической коррекцией аддитивной погрешности могут быть одноканальными.

Недостатком этого магнитометра является инерционность измерений и недостаточная чувствительность, которая ограничивается коммутационной способностью и уровнем помех используемых коммутаторов (как правило, электромеханических).

Наиболее близким к изобретению ,является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, два генератора питания четырехполюсника, выход каждого из которых подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, два селективных из.мерительных тракта (последовательно соединенные измерительный усилитель и фазочувствительный детектор), вход каждого из которых подключен к одной из пар выводов четырехполюсника параллельно выходу одного из генераторов питания, а их выходы. подключены посредством алгебраического сумматора к регистрирующему прибору. При этом генератор, подключенный к первой паре выводов четырехполюсника, и селективный измерительный тракт, вход которого подключен к второй паре выводов четырехполюсника, настроены на одну частоту, а второй генератор питания и второй селективный измерительный тракт настроены на

55 другую частоту, а именно кратную частоте первого генератора в четное число раз. Такая структурная схема позволяет ослабить дрейф нуля измерений в определенном динамическом диапазоне значений индукции магнитного поля.

Недостатком данного магнитометра является низкая точность измерения индукции слабых магнитных полей.

Вследствие того, что информативная составляющая на выходе четырехполюсника с преобразователем Холла при измерении индукции слабых магнитных полей не превышает одного милливольта, в то время как в этой цепи действует выходное напряжение смежного генератора (более одного вольта), а также поскольку один измерительный тракт в магнитометре настроен на частоту, кратную частоте настройки вто— рого измерительного тракта, то в этом случае наблюдается так называемая

"перекрестная помеха", Эта помеха возникает в измерительном тракте, настроенном на. более высокую частоту, за счет присутствия íà его входе напря>кения, создаваемого генератором с более низкой частотой генерации, и вследствие нелинейности амплитудной характеристики .этого тракта, т,е, при наличии напряжения определенной частоты на входе нелинейного измеритель— ного тракта, в последнем возникают гармоники более высокого порядка, одна из которых, частота которой совпадает с частотой информационного сигнала в этом тракте, воспринимается как информативная составляющая.

Цель изобретения — повышение точности измерений, Поставленная цель достигается тем, что магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, первый и второй генераторы питания четырехполюсника, выходы каждого иэ которых подключены к одной из пар выводов четырехполюсника, два измерительных усилителя, входы которых соединены параллепьно выходам первого и второго генераторов питания четы-. рехполюсника, первый и второй фазочувствительный детекторы, первые сигнальные входы которых подключены в к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с выходами первого и второго генераторов питания четырехполюсника, а выходы — K

1327025 4

25

55 входам первого сумматора, к выходу которого подключен регистрирующий прибор, снабжен третьим и четвертым дополнительными генераторами питания четырехполюсника с преобразователями

Холла, подключенными к каждой из его пар выводов, третьим и четвертым фазочувствительными детекторами, первые сигнальные входы которых раздельно подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с выходами третьего и четвертого генераторов питания четырехполюсника, а их выходы — к входам первого сумматора, генератором тактовых импульсов с перестраинаемой скважностью импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации генератора питания четырехполюсника, вторым сумматором, выход которого соединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, а его входы — с выходами всех фазочувствительных детекторов.

На фиг,l изображена блок-схема магнитометра; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Первый и второй генераторы 1 и 2 питания четырехполюсника подключены к одной иэ пар выводов четырехполюсника 3 с преобразователем Холла. К другой паре выводов четырехполюсника подключены третий и четвертый генераторы 4 и 5 питания четырехполюсника, Указанные генераторы синхронизируются генератором 6 тактовых импульсов с перестраиваемой скважностью импульсов, Устройство содержит также

4 первый сумматор 7, К парам выводов четырехполюсника 3 подключены входы измерительных усилителей .8 и 9, к выходам которых подключены сигнальные входы первого, второго, третьего и четвертого фазочувствительных детекторов 10-13. Опорные входы первого и второго детекторов 10 и 11 раздельно подключены к выходам первого и второго генераторов 1 и 2, а опорные входы третьего и четвертого детекторов 12 и 13 — к выходам третьего и четвертого генераторов 4 и 5 соответственно. Выходы всех фазочувствительных детекторов подключены к входам первого и второго сумматоров 7 и 14. К выходу первого сумматора 7 подсоединен регистрирующий прибор

15, а скважностью импульсов генератора 6 управляет сигнал, снимаемый с ныхода второго сумматора 14, Устройство работает следующим образом.

Генератор 6 тактовых импульсон формирует импульсы синхронизации генераторов 1, 2, 4 и 5 питания четырехполюсника (фиг, 2 а, б, в, r).

Под воздействием импульсов синхронизации каждый из генераторов 1, 2, 5

4 в строго заданные. моменты времени вырабатывает импульсы управляющего тока стабильной амплитуды для питания четырехполюсника с преобразователем Холла, Причем каждый из двух генераторов, подключенных к одной паре выводов четырехполюсника с преобразователем Холла, формирует прямоугольные импульсы тока, полярность которых противоположна полярности импульсов, формируемых смежным с ним генератором, Таким образом, пары выводов четырехполюсника запитываются управляющими токами в виде последовательности разнесенных но времени униполярных импульсов (фиг. 2д для управляющего тока первой пары выводов четырехполюсника и фиг. 2е для управляющего тока второй пары его выводов). При указанной форме управляющего тока выходные напряжения четырехполюсника .3 с преобразователем Холла представляют собой последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 2 ж, з соответственно для одной и другой пары выводов).

Выходные напряжения преобразователя Холла поступают на входы соответствующих измерительных усилителей 8 и 9, а затем детектируются посредством фазочувствительных детекторов

10-13. Поэтому напряжения Б.ю, U, U è U на выходе фаэочувствительных детекторов прямо пропорциональны амплитудам импульсов выходных напряжений четырехполюсника 3.

Эти напряжения подаются на входы сумматоров 7 и 14 в соответствующей фазировке, которая может быть обеспечена как за счет построения сумматоров с инвертирующими входами, так и за счет инвертирования напряжений непосредственно как на входах фаэочувствительных детекторов, так и на их выходах., Выходное напряжение второго сумматора 14 пропорционально остаточному напряжению преобразователя Холла, а выходное напряжение первого

5 132702 сумматора 7 пропорционально холловскому напряжению преобразователя (информационной составляющей), Ослабление взаимного влияния остаточного и холловского напряжений, которое можно достичь в данном магнитометре за счет разделения указанных сигналов, находится в пределах от

30 до 100 раз. С целью получения большего эффекта сигнал, пропорциональ- 10 ный остаточному напряжению преобразователя Холла, с выхода второго сумматора 14 подается на управляющий вход генератора 6 тактовых импульсов. Ин формативная составляющая (холловское напряжение) с выхода первого сумматора 7 подается на регистрирующий прибор 15, Под воздействием выходного сигнала первого сумматора 7 (остаточного 20 напряжения) генератор 6 тактовых импульсов изменяет скважность импульсов, а следовательно, скважность им пульсоВ, вырабатываемых генераторами питания четырехполюсника 3 с преоб- 25 раэователем Холла. При этом изменяет— ся мощность, подводимая к преобразователю Холла, Действительно, для

1 импульсной мощности Р> справедливо выражение 30

Ри

1. где Š— амплитудное значение управ3 ляющего тока преобразователя;

R - сопротивление цепи преобра- 3 зователя с управляющим током.

Тогда, принимая, что сопротивления обеих пар электродов преобразователя равны между собой, и учитывая, 40 что за период Т измерения преобразователь Холла запитывается четырьмя

5 б импульсами, для средней мощности Р подводимой к преобразователю Холла, можно записать выражение

Еу R — - ч 4 Е R

P = 4

) сР Т S где S — - скважность импульсов, вырабатываемых идним из генераторов питания, равная отношению периода их повторения

Т, и длительности импульса Тд

Изменение скважности импульсов можно осуществить как эа счет изменения частоты следования импульсов, так и эа счет изменения их длительности.

За счет изменения подводимой мощности к преобразователю Холла изменяется его температура и, соответственно, остаточное напряжение преобразователя, т,е. при соответствующей фаэировке цепей в рассматриваемой структурной схеме достигается отрицательная обратная связь по остаточному напряжению преобразователя эа счет поддержания его температуры на строго фиксированном уровне, Следовательно, в предлагаемом магнитометре обеспечивается температурная стабилизация преобразователя Холла и минимизация дрейфа остаточного напря>кения, Достигаемый при этом эффект определяется глубиной отрицательной обратной связи по указанным параметрам, значение которой может быть легко обеспечено на уровне более трехсот °

Таким образом, результирующее ослабление аддитивной погрешности измерения в предлагаемом магнитометре составляет порядка 80 дВ, что на

50 дВ превышает ослабление, достигнутое в известном устройстве.

I 32 7025

Составитель Р. Змиев ская

Редактор М.Петрова ТехредВ.Кадар

Кррректор B,Áóòÿãà

Заказ 3384/41 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4