Магнитометр

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 С 01 R 33/06

ЕСОР) фц ,l3„"

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ДЯДЕ с ° 1:, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1374,156 (21) 2995607/18-21 (22) 22.10.80 (46) 30.07.88. Бюл. и 28 (71) Физико-технический институт

АН ТССР (72) И.Н. Сапранков (53) 621.317.44(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и" 1374156, кл. G 01 R 33/06, 04.08.1980.

SU 1 413566 А 2 (54)(57) МАГНИТОМЕТР по авт. св.

N 1374156, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, в него введены последовательно соединенные преобразователь девиации коэффициента связи между входной и выходной цепями четырехполюсника в электрический сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувствительный детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход - с входом управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя.

1413566

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерения магнитной индукции слабых магнитных полей.

Наиболее близким к изобретению является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем

Холла и управляемым элементом перестройки коэффициентов связи между парами выводов четырехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четыре генератора питания четырехполюсника, попарно подключенные к входной и выходной парам его выводов, два измерительных усилителя, вход каждого из которых раздельно. подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четыре фазочувствительных детектора, сигнальные входы 2{) которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы — к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника, два алгебраических сумматора, входы 25 которых подсоединены к входам фазочувствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумматора, генератор тактовых импульсов„ вход управления скваж- 30 ностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы — к входам синхронизации генераторов питания четырехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, и фазочувствительный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителяр Опорныи Вход к выходу генератора переменного тока, а его 4О выход — к входу управления коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей (1).

Однако указанный магнитометр имеет ограниченную точность из-за муль45 типликативной погрешности, возникающей за счет нестабильности его чувствительности. Поскольку чувствительность преобразователя Холла является величиной стабильной в связи с термостабилизацией преобразователя, результирующая нестабильность чувствительности известного магнитометра определяется нестабильностью таких параметров, как коэффициенты передачи измерительных усилителей

К и K>: .и фазочувствительных детек-! торов К „, К, К >, К4,, управляющих токов преобразователя Холла I у1, Igg, Для получения стабильной у4 чувствительности магнитометра необходимо обеспечить высокую стабильность каждого из перечисленных параметров. Так при требуемой нестабильности чувствительности магнитометра не более 0,17. необходимо достигнуть нестабильности указанных параметров не хуже 0,01Х. Таким образом, реализация прецизионного магнитометра по известной структурной схеме требует значительных затрат, что резко ограничивает сферу его применения.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем

Холла и управляемым элементом перестройки коэффицентов связи между парами выводов четырехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четыре генератора питания четырехполюсника, попарно подключенные к входной и выходной парам его выводов, два измерительных усилителя, вход каждого из которых раздельно подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четыре фазочувствительных детектора, сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы — к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника,, два алгебраических сумматора, входы которых подсоединены к выходам фазочувствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумма-. тора, генератор тактовых импульсов, вход управления скважностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы — к входам синхронизации генераторов питания четырехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, фазочувствительный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя, опорный вход — к выходу генератора переменного тока, а выход — к входу управления коэффициентом передачи одного иэ измерительных усилителей, введены последовательно соединенные преобразователь девиации коэффициента связи между входной и выходной цепями четырехполюсника в электри1413566 ческий сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувствительный детектор, второй вход которого соединен с выходом гененатора переменного тока, а выход — с входом управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя.

На фиг. 1 изображена блок-схема магнитометра; на фиг. 2 — принципиальная схема четырехполюсника с преобразователем Холла, управляемым элементом перестройки коэффициентов связи цепей четырехполюсника совместно с преобразователем девиации это" го коэффициента в электрический сигнал.

Магнитометр содержит генераторы

1-4 питания, четырехполюсник 5 с преобразователем Холла, тактовый генератор 6, первый сумматор 7, первый

8 и второй 9 измерительные усилители, фазочувствительные детекторы 10.—

13, второй сумматор 14, регистрирующий прибор 15, усилитель 16, до- 25 полнительный фазочувствительный детектор 17, генератор 18 переменного тока, усилитель 19, подключенный к выходу сумматора 7 и выходу преобра, зователя 20 девиации коэффициента связи между входной и выходной цепями четырехполюсника в электрический сигнал, фазочувствительный детектор

21, сигнальный вход которого подсоединен к выходу усилителя 19, еro опорный вход — к выходу генератора

18 переменного тока, а его выход — к входу управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя 9.

Четырехполюсник с преобразователем 22 Холла (фиг. 2), в котором последний соединен последовательно регулярно посредством трансформатора

23 с обратимым перестраиваемым четы- 4 рехполюсником, выполнен в виде мостовой схемы, составленной из высокостабильных резисторов 24-27. В качестве элемента перестройки коэффициента связи обратимого четырехполюсника используется высокостабиль50 ный резистор 28, периодически подключаемый параллельно резистору 24 посредством электронного ключа 29 (в качестве которого показан транзистор). Вход управления электронным ключом (затвор транзистора) подключен к выходу генератора 18 переменного тока. В качестве преобразователя девиации используются элементы 28, 29 и источник 30 эталонного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Генераторы 1-4 питания четырехполюсника 5 с преобразователем Холла вырабатывают в различные строго определенные моменты времени импульсы управляющего тока прямоугольной формы, которыми запитываются обе пары выводов четырехполюсника 5. Генераторы 1-4, подключенные к одной и той же паре выводов четырехполюсника 5, формируют импульсы противоположной полярности. Выходные напряжения четырехполюсника (напряжения, возникающие в цепи одной пары выводов во время действия импульсов управляющего тока в цепи другой пары выводов четырехполюсника) представляют собой импульсы напряжения прямоугольной формы.

Выходные напряжения четырехполюсника 5 поступают на первый 8 и второй 9 измерительные усилители, а затем на фазочувствительные детекторы

10-13.

Фазочувствительные детекторы 1013 осуществляют синхронное детектирование импульсов, совпадающих во времени с опорными импульсами, поступающими с соответствующих генераторов 1-4.

Выходные напряжения U o П,« ь U12 фазочувствительных детекторов 1013 подаются на сумматоры 7 и 14 таким образом, что для выходного напряжения сумматора 7 выполняется соотношение

Път П(о U«+ Un ПЭ а для выходного напряжения U< <,. сумматора 14 соотношение

U „, = U(, — U« — U(q + U(g .

При условии равенства коэффициентов передачи Б, и S< измерительных трактов, т.е. при S = S = S> и при равенстве токов l I, I = П =11,у I=

Ф „

Ко K„ I у, + K K y

81 Кь К5 I. уз+ Ко К4?у э

3 О я

К.„К вЂ” коэффициенты передачи измерительных усилителей 8 и 9, 14135бб

К -К вЂ” коэффициенты передачи фазоФ чувствительных детекторов

10-13

1 -I — амплитудные значения импуль9 5 сов управляющего тока, создаваемых генераторами 1-4 соответственно, на выходе первого сумматора 7.присутствует составляющая, пропорциональная остаточному напряжению, т.е.

28 К, где Р о — сопротивление, учитывающее электрическую асимметрию преобразователя Холла (или всего четырехполюсника), а на выходе сумматора 14 — составляющая, пропорциональная холловскому напряжению, т.е. пропорциональная индукции измеряемого поля U 2Sд аВ Р нормальная составляющая индукции, а — константа, характеризующая чувствительность преобразователя Холла.

Информативная составляющая с выхода второго сумматора 14 подается на регистрирующий прибор 15, а составля- 25 ющая, пропорциональная остаточному напряжению преобразователя Холла, используется в качестве управляющего сигнала для термостабилизации преобразователя Холла. При неравенстве коэффициентов передач измерительных трактов, т.е. при S 4 .S, на выходе одного из сумматоров, а именно: в случае модуляции антивзаимной составляющей коэффициентов передач че35 тырехполюсника — на выходе первого сумматора 7, а в случае модуляции взаимной составляющей ко ффициентов передачи цепей четырехполюсника на выходе второго сумматора 14, присутствует составляющая, амплитуда которой пропорциональна разности значений этих коэффициентов, т.е. П(ы) = (S q — Б ) В(ы), где К(ы) — амплитудное значение отклонения сопро-45 тивления связи от номинального значения, зависящего от частоты и> управляющего сигнала. Эта составляющая изменяется во времени с частотой ы и усиливается посредством усилителя

16, затем детектируется посредством дополнительного фазочувствительного детектора 17. Полученное на выходе дополнительного фазочувствительного детектора 17 напряжение использует55 ся в качестве сигнала управления коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей. При этом в магнитометре удается достичь нестабильность поддержания равенства указанных коэффициентов, не превышающую 0,01%.

При наличии управляющего тока в цепи одной из пар выводов (например

31,32) четырехполюсник в цепи второй пары его выводов (33,34) присутствуют четыре составляющих выходного напряжения, три из которых обусловлены явлениями, происходящи- ми в преобразователе 22 Холла, а четвертая составляющая определяется величиной разбаланса обратимого четырехполюсника (мостовая схема из резисторов 24-27, а также периодически подключаемого с частотой Ы резистора 28). Разбаланс четырехполюсника (девиация коэффициента связи четырехполюсника К(а)) обусловлен подключением к резистору 24 резистора 28. При этом амплитуда разбаланса определяется соотношением значений указанных резисторов и, поскольку определяющие ее величины стабильны, то и амплитуда разбаланса (девиация) является высокостабильной величиной. Подключение резистора 28 к источнику 30 эталонного напряжения сопровождается появлением на выходе преобразователя девиации пульсирующего с частотой у напряжения стабильной амплитуды, равной

ЭДС источника 30 эталонного напряжения (так как предполагается, что сопротивление замкнутого ключа— сопротивление канала открытого транзистора — пренебрежимо мало, а сопротивление разомкнутого ключа — бесконечно большое). Таким образом, данная схема обеспечивает стабильное значение К(ы) девиации коэффициента связи цепей четырехполшсника и вырабатывает синхронно изменяющееся переменное напряжение с амплитудой, равной ЭДС источника эталонного напряжения, т,е. стабильной амплитуды. Поскольку данная схема обеспечивает модуляцию взаимной составляющей коэффициентов связи четырехполюсника, то при ее использовании в магнитометре на выходе первого сумматора 7 наряду с постоянной составляющей напряжения (U z = 2SoRo) присутствует переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов, следующих во времени с частотой ш

Для амплитуды этого напряжения справедливо выражение

1413566

Цх, = 2$0К(ы) °

Таким образом, при функционировании магнитометра на вход усилителя

19 через дополнительный сумматор поступают импульсное напряжение с выхода преобразователя девиации

U (ab) и напряжение Б, с выхода первого сумматора 7. Поскольку фазу одного из указанных напряжений подбирают противоположной фазе другого напряжения, то на входе усилителя

19 действует разностный сигнал ьх19 Цо (4) 2$îRî () э амплитуда которого равна нулю только при выполнении условия

2S R(u)) = Uo() °

Поскольку величины Б (о9) и К(М) высокостабильные, то нарушение последнего равенства является следствием отклонений значения коэффициента передачи S от номинального значения. Таким образом, разностное напряжение U S<<9 является информативной составляющей об отклонении текущего значения коэффициента передачи от

его номинального значения, при этом амплитуда этой составляющей указывает абсолютное значение отклонения, а ее фаза — направление этого отклонения. Поэтому эта информативная составляющая используется в предла5 гаемом магнитометре в качестве управляющего сигнала системы автоматической стабилизации коэффициента передачи $О. С этой целью информативная составляющая усиливается (усилитель

10 19) и детектируется фазочувствительным детектором 21, затем с выхода детектора подается на вход управления коэффициента передачи второго измерительного усилителя 9 ° Таким

15 образом, в предлагаемом магнитометре реализуется система автоматической подстройки коэффициента S передачи за счет регулирования коэффициента передачи Ко одного из усилите20 лей. Поскольку данная. система представляет собой замкнутую систему с отрицательной обратной связью, то эффект уменьшения нестабильности коэффициента передачи $0 за счет ее

25 реализации оценивается глубиной обратной связи, которая может быть дос:>.тигнута более 10 . Это позволяет, э например, свести исходную нестабильность коэффициента передачи $, от30 носительное значение которой допус-тим равно 5, до уровня 0,017 (с учетом конечной стабильности эталон. ных элементов: резисторов и источника эталонного напряжения).

1413566

Фиг. 2

Составитель Г.Змиевская

Техред М.Дидык Корректор M.Øàðîøè

Редактор, Т. Лазоренко

Заказ 3780/49 Тираж 772 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