Измеритель магнитной восприимчивости

 

Изобретение предназначено для измерения магнитных свойств различных физических и биологических объектов, а также регистрации различных магнитных маркеров. Измеряемый образец находится в зоне действия магнитного поля, создаваемого индуктивным блоком. Индуктивный блок подключен к выходам генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов. С выходом индуктивного блока соединен фильтр, настроенный на пропускание частоты, которая представляет собой линейную комбинацию частот возбуждающего и модулирующего сигналов. Технический результат состоит в повышении отношения сигнал/шум, увеличении чувствительности устройства, повышении функциональной гибкости устройства и расширении диапазона его применения. 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области разработки средств измерения магнитных свойств различных физических и биологических объектов, а также средств регистрации различных магнитных маркеров.

Известно устройство обнаружения ферромагнитных частиц в жидкости [1], содержащее генератор возбуждающего сигнала; индуктивный блок, измеряемый образец, который находится в зоне воздействия магнитного поля, создаваемого индуктивным блоком; фильтр, вход которого соединен с выходом указанного индуктивного блока; приемник, соединенный своим входом с выходом упомянутого фильтра; формирователь выходного сигнала, подключенный своим входом к выходу указанного приемника, что совпадает с существенными признаками предлагаемого изобретения.

Кроме того, второй вход фильтра подключен к выходу указанного генератора возбуждающего сигнала, причем указанный фильтр настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты с учетом индуктивности, внесенной индуктивным блоком, приемник выполнен в виде диодного моста, а индуктивный блок - в виде катушки индуктивности.

Работа аналога [1] основана на том, что наличие ферромагнитных частиц в измеряемом образце, расположенном внутри возбуждающей катушки индуктивности, приводит к изменению величины этой индуктивности и, следовательно, к изменению частоты настройки фильтра, который выполнен в виде активного радиочастотного фильтра на операционном усилителе. Сдвиг резонансной частоты фильтра вызывает изменение амплитуды сигнала на его выходе, что и позволяет измерить концентрацию ферромагнитных носителей в исследуемом образце.

Недостаток известного аналога состоит в недостаточной чувствительности, а с учетом реально существующей температурной нестабильности окружающей среды, особенно в мобильном варианте устройства, и в недостаточной точности получаемых результатов.

Наиболее близким к предлагаемому является индукционный магнитометр [2], принятый в качестве прототипа и содержащий генератор возбуждающего сигнала; генератор модулирующего сигнала; индуктивный блок, который подключен к выходам упомянутых генераторов, а измеряемый образец находится в зоне воздействия магнитного поля, создаваемого этим блоком; фильтр, вход которого соединен с выходом указанного индуктивного блока, причем указанный фильтр настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты;
приемник, соединенный своим входом с выходом упомянутого фильтра;
формирователь выходного сигнала, подключенный своим входом к выходу указанного приемника,
что совпадает с существенными признаками предлагаемого изобретения.

Кроме того, индуктивный блок известного магнитометра содержит сердечник, на котором размещены катушки индуктивности - возбуждающая, связанная с выходом возбуждающего генератора, модулирующая, связанная с выходом модулирующего генератора, и приемная, связанная с выходом индуктивного блока.

При этом сердечник выполнен в виде прямоугольника с центральной поперечной секцией, например, в виде горизонтальной перегородки и имеет зазор в верхней его части, где помещается измеряемый образец, и зазор в нижней части - для регулировки. Центральная перегородка имеет симметрично расположенную горизонтальную щель. При этом возбуждающая катушка индуктивного блока разделена на четыре равные части, размещенные симметрично на противоположных вертикальных сторонах сердечника, а модулирующая катушка индуктивного блока, разделенная на две равные части, размещена симметричным образом на противоположных горизонтальных сторонах горизонтальной щели в центральной секции этого сердечника. На центральной секции сердечника размещена и приемная катушка для съема сигнала индуктивного блока, к последней катушке подключен выход индуктивного блока, причем выделяемая частота представляет собой удвоенную частоту упомянутого модулирующего сигнала.

Работа устройства-прототипа основана на том, что при отсутствии измеряемого образца вблизи верхнего зазора сердечника последний настроен так, чтобы магнитный поток в центральной секции сердечника был равен нулю вследствие равенства и противоположной направленности протекающих там магнитных потоков. Симметрично намотанные на центральной секции сердечника части модулирующей катушки индуктивного блока также формируют в сердечнике равные, но противоположно направленные потоки, в сумме равные нулю. При этом изменение суммарного магнитного потока в приемной катушке отсутствует, поэтому выходной сигнал устройства равен нулю.

При размещении измеряемого образца в области верхнего зазора симметрия магнитного сопротивления верхней и нижней половин сердечника нарушается, в центральной секции протекает магнитный поток, модулируемый магнитным полем модулирующей катушки. Соответственно, в приемной катушке формируется переменное напряжение, характеризующее измеряемые магнитные свойства образца. Фильтр с приемником выделяют энергию измеряемого сигнала на удвоенной частоте модуляции.

Недостаток прототипа [2], как и аналога [1], состоит в ограниченной чувствительности устройства и недостаточной точности получаемых результатов, что связано с наличием сердечника и сопутствующих ему шумов.

Таким образом, требуемый технический результат состоит в повышении отношения сигнал/шум и соответственно в повышении точности измерений, увеличении чувствительности устройства, повышении достоверности полученных данных, при одновременном снижении затрат за счет сокращения количества и габаритов требуемого оборудования, в повышении функциональной гибкости устройства и расширении диапазона его применения.

Список фигур чертежей
Фиг. 1. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 1 формулы.

Фиг. 2. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 2 формулы.

Фиг. 3. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 3 формулы.

Фиг. 4. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 4 формулы.

Фиг. 5. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 5 формулы.

Фиг. 6. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 7 формулы.

Фиг. 7. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 9 формулы.

Фиг. 8. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 10 формулы.

Фиг. 9. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 11 формулы:
а) вариант по п. 1 с заменой приемника и формирователя выходного сигнала процессором;
б) вариант по п. 2 с заменой приемника и формирователя выходного сигнала процессором;
в) вариант по п. 9 с заменой приемника и формирователя выходного сигнала процессором;
г) вариант по п. 10 с заменой приемника и формирователя выходного сигнала процессором.

Фиг. 10. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 12 формулы.

Фиг. 11. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 13 формулы.

Фиг. 12. Схема предлагаемого устройства, вариант по п. 14 формулы.

На фиг. 1 - 12 использованы следующие условные обозначения составных элементов:
1 - генератор возбуждающего сигнала,
2 - генератор модулирующего сигнала,
3 - индуктивный блок,
4 - измеряемый образец,
5 - фильтр,
6 - приемник,
7 - формирователь выходного сигнала,
8 - формирователь опорного сигнала,
9 - возбуждающая катушка индуктивности,
10 - модулирующая катушка индуктивности,
11 - фазовращатель,
12 - процессор.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, основной вариант по п. 1 формулы.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 2 формулы, с выполнением фильтра синхронным и с введением формирователя опорного сигнала.

На фиг. 3 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 3 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде катушки индуктивности.

На фиг. 4 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 4 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде двух катушек индуктивности.

На фиг. 5 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 5 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде двух катушек индуктивности, расположенных под углом друг к другу.

На фиг. 6 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 7 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде двух катушек индуктивности, расположенных под углом друг к другу, при наличии фазовращателя в цепи одной из катушек.

На фиг. 7 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 9 формулы, где показано выполнение индуктивного блока в виде катушки индуктивности с управляемым режекторным фильтром в тракте приема сигнала.

На фиг. 8 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 10 формулы, где фильтр выполнен с возможностью подстройки по цепям обратной связи.

На фиг. 9 представлена схема предлагаемого устройства, варианты по п. 11 формулы, где функции формирователя выходного сигнала и приемника выполняются процессором.

На фиг. 10 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 12 формулы, где функции формирователя выходного сигнала, приемника и формирователя опорного сигнала выполняются процессором.

На фиг. 11 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 13 формулы, где функции формирователя выходного сигнала, приемника, а также генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов выполняются процессором.

На фиг. 12 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 14 формулы, где функции формирователя выходного сигнала, приемника и формирователя опорного сигнала, а также генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов выполняются процессором.

Недостатки прототипа устраняются в предлагаемом устройстве, которое представлено на фиг. 1 и содержит:
- генератор 1 возбуждающего сигнала;
- генератор 2 модулирующего сигнала;
- индуктивный блок 3, который подключен к выходам упомянутых генераторов 1 и 2, а измеряемый образец 4 находится в зоне воздействия магнитного поля, создаваемого блоком 3;
- фильтр 5, вход которого соединен с выходом указанного индуктивного блока 3;
- приемник 6, соединенный своим входом с выходом упомянутого фильтра 5;
- формирователь 7 выходного сигнала, подключенный своим входом к выходу указанного приемника 6,
что совпадает с существенными признаками прототипа.

При этом вышеуказанный фильтр 5 настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты, представляющей собой линейную комбинацию частот упомянутых возбуждающего и модулирующего сигналов.

Кроме того, введен формирователь 8 опорного сигнала, подключенный своими первым и вторым входами соответственно к выходам упомянутых генераторов возбуждающего 1 и модулирующего 2 сигналов, третьим, управляющим, входом - ко второму выходу указанного формирователя 7 выходного сигнала, а своим выходом - ко второму входу упомянутого фильтра 5, причем фильтр 5 выполнен синхронным.

Кроме того, индуктивный блок 3 выполнен в виде катушки индуктивности 9 без сердечника, причем первый ввод указанной катушки индуктивности 9 соединен с входом и выходом индуктивного блока 3, а второй ввод - с общей шиной.

Кроме того, индуктивный блок 3 выполнен в виде модулирующей 10 и возбуждающей 9 катушек индуктивности без сердечников, причем первые вводы указанных катушек индуктивности 10 и 9 соединены с выходами соответственно генераторов модулирующего 2 и возбуждающего 1 сигналов, а вторые вводы указанных катушек индуктивности 10 и 9 соединены с общей шиной, причем первый ввод одной из указанных катушек индуктивности 10 и 9 соединен с выходом индуктивного блока 3.

Кроме того, оси возбуждающей и модулирующей катушек индуктивности 9 и 10 повернуты одна относительно другой.

Кроме того, угол поворота оси возбуждающей катушки индуктивности 9 относительно модулирующей 10 составляет 90^o.

Кроме того, между генератором модулирующего (возбуждающего) сигнала 2(1) и модулирующей (возбуждающей) катушкой 10(9) введен фазовращатель 11, причем указанный фазовращатель 11 снабжен управляющим входом ввода данных о повороте оси одной из вышеуказанных катушек 9(10) индуктивности относительно другой из вышеуказанных катушек 10(9).

Кроме того, фильтр 5 является режектирующим для сигнала того из упомянутых генераторов 1(2), частота которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

Кроме того, фильтр 5 выполнен управляемым и его управляющий вход соединен с выходом того из упомянутых генераторов 1(2), частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

Кроме того, выход того из упомянутых генераторов 1(2), частота которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте, соединен со вторым входом формирователя выходного сигнала 7, а управляющий вход фильтра 5 подключен к третьему выходу формирователя выходного сигнала 7.

Кроме того, приемник 6 с подключенным к его выходу формирователем выходного сигнала 7 выполнены в виде процессора 12.

Кроме того, формирователь опорного сигнала 8 и приемник 6 с подключенным к его выходу формирователем выходного сигнала 7 выполнены в виде процессора 12.

Кроме того, формирователь опорного сигнала 8 и приемник 6 с подключенным к его выходу формирователем выходного сигнала 7, а также генератор 1 возбуждающего сигнала и генератор 2 модулирующего сигнала, выходы которых соединены с индуктивным блоком 3, выполнены в виде процессора 12.

Кроме того, приемник 6 с подключенным к его выходу формирователем выходного сигнала 7, а также генератор 1 возбуждающего сигнала и генератор 2 модулирующего сигнала, выходы которых соединены с индуктивным блоком 3, выполнены в виде процессора 12.

Работа предлагаемого устройства поясняется рядом замечаний.

Предлагаемое устройство для измерения магнитной восприимчивости имеет весьма широкий диапазон режимов работы и возможных применений. Оно пригодно для решения целого ряда задач, связанных с определением наличия в исследуемом образце или области пространства материала, обладающего в той или иной мере ферромагнитными свойствами, а именно - нелинейной зависимостью намагниченности от внешнего магнитного поля. При этом режимы работы указанного устройства могут быть различными - от порогового срабатывания при обнаружении магнитного материала до измерения количества магнитного материала в исследуемой пробе с заданной погрешностью, а магнитный материал может быть представлен в различных формах от микро- до макрообъектов. К возможным применениям относятся, например, металлоискатели, устройства охранной сигнализации, системы предотвращения выноса товаров за периметр торговой площадки, устройства для магнитной сепарации веществ, биомолекул и биологических объектов, приборы для биохимических анализов с использованием магнитных меток - частиц, прикрепленных к тем или иным молекулам или реагентам. В дальнейшем рассмотрим работу устройства применительно к задачам, связанным с измерением содержания магнитных частиц (меток) в измеряемом образце.

Итак, рассмотрим работу предлагаемого устройства, выполненного, например, по схеме фиг. 4. Возбуждающий сигнал генератора 1 создает в катушке 9 индуктивного блока 3 переменное магнитное поле с частотой возбуждающего сигнала f₁. Модулирующий сигнал генератора 2 создает в катушке 10 переменное магнитное поле с частотой f₂. Поскольку процесс взаимодействия магнитного поля с ферромагнитными частицами является нелинейным, особенно при достаточно большой напряженности воздействующего магнитного поля, в частотном спектре отклика измеряемого образца на воздействие поля появляются комбинационные спектральные компоненты. В общем случае они представляют собой линейные комбинации частот f₁ и f₂ вида f_i = mf₁ + nf₂, где m, n - целые числа, отличные от нуля. В зависимости от конкретной ситуации значения m и n могут меняться. Например, указанная линейная комбинация может иметь вид f_i = f₁ ± f₂ (суммарная и разностная частоты), f_i = f₁ ± 2f₂, и т.д. В принципе, в линейную комбинацию может входить и большее число частот спектральных составляющих воздействующего магнитного поля. Могут использоваться также различные соотношения между амплитудами указанных частотных компонент магнитного поля. Случай, когда модулирующий сигнал имеет наименьшую частоту и наибольшую амплитуду, имеет определенные технические выгоды, связанные с простотой технической реализации и достигаемым техническим результатом. Именно к этому случаю относится осуществленная конкретная реализация предлагаемого устройства с частотами ₁ = 100 кГц и f₂ = 100 Гц.

Поскольку мощность указанных комбинационных компонент однозначно связана с количеством в образце 4 искомых ферромагнитных частиц, то, выделив сигнал комбинационной частоты фильтром 5, на выходе приемника 6 получаем информацию об этом количестве. Для этого приемник 6 выполнен по любой известной схеме, используемой в технике помехоустойчивого приема сигналов малой мощности на фоне шумов и помех, и выполняет функции усиления, детектирования и накопления.

Окончательный результат дает формирователь выходного сигнала 7. Им может служить микропроцессор или компьютер, в который введена необходимая информация с целью учета специфики анализируемого образца и производимых с ним операций.

Отметим, что функции катушек индуктивности 9 и 10 могут выполняться единственной катушкой 9, как показано на схеме фиг. 3.

На схеме фиг. 1 показан обобщенный вариант выполнения устройства, в котором частота выделяемого фильтром 5 сигнала представляет собой линейную комбинацию частот упомянутых возбуждающего и модулирующего сигналов и индуктивный блок 3 которого содержит по крайней мере одну катушку индуктивности, как было показано на примере схем фиг. 3, 4.

В предлагаемом по п. 2 формулы устройстве (схема фиг. 2) введен формирователь опорного сигнала 8, подключенный своим первым и вторым входами соответственно к выходам упомянутых генераторов возбуждающего 1 и модулирующего 2 сигналов, третьим, управляющим, входом - ко второму выходу указанного формирователя 7 выходного сигнала, а своим выходом - ко второму входу упомянутого фильтра 5, причем этот фильтр выполнен синхронным.

Указанный формирователь опорного сигнала 8, приняв с выходов генераторов 1 и 2 на свои входы возбуждающий и модулирующий сигналы, формирует на своем выходе сигнал комбинационной частоты, используемый в качестве опорного сигнала для синхронного фильтра 5. Последний, являясь перемножителем, выделяет соответствующую комбинационную компоненту из анализируемой смеси сигнал/шум оптимальным, по теории В. А. Котельникова, образом, с учетом последующего накопления результата перемножения в приемнике выходного сигнала 6 и обеспечения синфазности перемножаемых компонент за счет подстройки формирователя опорного сигнала 8, на управляющий вход которого поступает сигнал обратной связи с выхода формирователя выходного сигнала 7. Это позволяет сохранить синфазность перемножаемых компонент в широком диапазоне действия различных дестабилизирующих факторов.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 5, оси указанных катушек 9 и 10 повернуты одна относительно другой. Это приводит к тому, что магнитные поля возбуждающего и модулирующего сигналов в образце 4 скрещены под некоторым углом. При этом за счет изменения угла скрещивания парциальных векторов напряженности магнитного поля в измеряемом образце удается обеспечить повышение эффективности нелинейного преобразования парциальных компонент и, следовательно, повышение отношения сигнал/шум. При этом в одном из реализованных вариантов устройства угол между осями указанных катушек составляет 90^o.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 6, введен фазовращатель 11, подключенный между упомянутым генератором возбуждающего 1 (модулирующего 2) сигнала и соответственно возбуждающей 9 (модулирующей 10) катушкой индуктивности, причем указанный фазовращатель 11 снабжен управляющим входом ввода данных о повороте оси одной из указанных катушек относительно другой. Это обеспечивает дополнительные возможности управления фазой возбуждающего сигнала (одной частотной компоненты) относительно модулирующего (другой частотной компоненты).

В следующем варианте предлагаемого устройства, который можно проиллюстрировать любой из схем фиг. 1-12, за исключением вариантов, где фильтр 5 выполнен синхронным, в качестве фильтра 5 использован режекторный фильтр, обладающий свойством подавления выходного сигнала того из упомянутых генераторов, частота которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте. При этом в случае достаточно высокой добротности указанного фильтра 5 даже мощная помеха на соседней к выделяемой частоте может быть подавлена до необходимого уровня без заметного ослабления полезного сигнала.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 7, фильтр 5 выполнен управляемым и его управляющий вход соединен с выходом того из упомянутых генераторов, частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте, например, с выходом генератора возбуждающего сигнала 1. Введенная связь выхода вышеуказанного генератора 1(2) с управляющим входом фильтра 5 позволяет подстраивать частоту режекцни фильтра 5, компенсируя нестабильность упомянутого выше генератора 1(2).

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 8, выход того из упомянутых генераторов 1(2), частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте (на фиг. 8 это генератор возбуждающего сигнала 1), соединен со вторым входом формирователя 7 выходного сигнала, а управляющий вход фильтра 5 подключен к третьему выходу формирователя 7 выходного сигнала. При этом формирователь выходного сигнала 7, анализируя изменение выходного сигнала при изменении параметров указанного генератора 1(2) и фильтра 5, формирует оптимальное управляющее воздействие на указанный фильтр 5 по цепи обратной связи.

Следует отметить, что во всех вышеуказанных вариантах предлагаемого устройства, связанных с анализом частоты сигнала одного из генераторов 1(2), используется тот из упомянутых генераторов 1(2), частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте, что вызвано следующими причинами. Как правило, это генератор с более высокой частотой сигнала. Напомним, что в нашем случае конкретно реализованного устройства величины частот различались на 3 порядка - это 100 Гц и 100 кГц. Комбинационная частота располагается, конечно же, вблизи более высокочастотного сигнала. Кроме того, характеристики подавления помех фильтрами связаны обычно с абсолютной величиной частотного смещения полосы пропускания фильтра относительно выделяемой частоты. При этом, как известно, величина частотного дрейфа сигнала генератора обычно пропорциональна номиналу его частоты. Поэтому в предложенном устройстве дрейф высокочастотного генератора ожидается на 3 порядка выше, чем низкочастотного, что и послужило причиной слежения за характеристиками первого из генераторов, частота сигнала которого является ближайшей к выделяемой комбинационной частоте.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 9 (а, б, в, г), указанные приемник 6 и формирователь 7 выходного сигнала выполнены в виде процессора 12. Это представляется целесообразным с точки зрения использования возможностей современной техники, а также для обеспечения совместимости предлагаемого устройства с современной научно-технической базой.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 10, функции указанных формирователя 8 опорного сигнала, приемника 6 и формирователя 7 выходного сигнала выполнены в виде процессора 12, что целесообразно по тем же причинам.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 11, указанные (формирователь 8 опорного сигнала, приемник 6 и (формирователь 7 выходного сигнала, а также упомянутые генераторы возбуждающего 1 и модулирующего 2 сигнала выполнены в виде процессора 12, что целесообразно по вышеизложенным причинам.

В следующем варианте предлагаемого устройства, как показано на схеме фиг. 12, указанные приемник 6 и формирователь 7 выходного сигнала, а также упомянутые генераторы возбуждающего 1 и модулирующего 2 сигнала выполнены в виде процессора 12, что целесообразно по вышеизложенным причинам.

Итак, предложен измеритель магнитной восприимчивости, включающий генератор возбуждающего сигнала, генератор модулирующего сигнала, индуктивный блок, который подключен к выходам упомянутых генераторов, а измеряемый образец находится в зоне воздействия магнитного поля, создаваемого этим блоком, фильтр, вход которого соединен с выходом указанного индуктивного блока, причем указанный фильтр настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты, приемник, соединенный своим входом с выходом упомянутого фильтра, формирователь выходного сигнала, подключенный своим входом к выходу указанного приемника, отличающийся тем, что выделяемая частота представляет собой линейную комбинацию частот упомянутых возбуждающего и модулирующего сигналов.

Кроме того, введен формирователь опорного сигнала, подключенный своими первым и вторым входами соответственно к выходам упомянутых генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов, третьим, управляющим, входом - ко второму выходу указанного формирователя выходного сигнала, а своим выходом - ко второму входу упомянутого фильтра, причем этот фильтр выполнен синхронным.

Кроме того, индуктивный блок выполнен в виде катушки индуктивности без сердечника, причем первый ввод этой катушки соединен с входом и выходом индуктивного блока, а второй ввод соединен с общей шиной.

Кроме того, индуктивный блок содержит возбуждающую и модулирующую катушки индуктивности без сердечников, причем первые вводы указанных катушек соединены с выходами соответственно упомянутых генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов, вторые вводы соединены с общей шиной и, кроме того, первый ввод одной из указанных катушек соединен с выходом упомянутого индуктивного блока.

Кроме того, оси указанных катушек повернуты одна относительно другой.

Кроме того, угол между осями указанных катушек составляет 90^o.

Кроме того, введен фазовращатель, подключенный между упомянутым генератором возбуждающего/модулирующего сигнала и соответственно возбуждающей/модулирующей катушкой индуктивности, причем указанный фазовращатель снабжен управляющим входом ввода данных о повороте оси одной из указанных катушек относительно другой.

Кроме того, фильтр является режектирующим для сигнала того из упомянутых генераторов, частота которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

Кроме того, фильтр выполнен управляемым и его управляющий вход соединен с выходом того из упомянутых генераторов, частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

Кроме того, выход того из упомянутых генераторов, частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте, соединен со вторым входом формирователя выходного сигнала, а управляющий вход фильтра подключен к третьему выходу формирователя выходного сигнала.

Кроме того, указанные приемник и формирователь выходного сигнала выполнены в виде процессора.

Кроме того, указанные формирователь опорного сигнала, приемник и формирователь выходного сигнала выполнены в виде процессора.

Кроме того, указанные формирователь опорного сигнала, приемник и формирователь выходного сигнала, а также упомянутые генераторы возбуждающего и модулирующего сигналов выполнены в виде процессора.

Кроме того, указанные приемник и формирователь выходного сигнала, а также упомянутые генераторы возбуждающего и модулирующего сигнала выполнены в виде процессора.

Далее следует, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого устройства обеспечивается требуемый технический результат.

То, что частота сигнала, выделяемого фильтром 5, представляет собой линейную комбинацию частот упомянутых возбуждающего и модулирующего сигналов, позволяет:
- сформировать выходной сигнал индуктивного блока 3 на частоте, отсутствующей в спектре возбуждающего и модулирующего сигналов,
- эффективно выделить энергию информационного сигнала на фоне внешнего магнитного поля, флуктуационных шумов и аппаратурных помех.

Таким образом, обеспечивается требуемый технический результат - повышается отношение сигнал/шум и соответственно точность измерений, увеличивается чувствительность устройства, повышается достоверность полученных данных, при одновременном снижении затрат на проведение эксперимента за счет сокращения числа необходимых операций, времени (с учетом применения методов накопления для реализации необходимого качества измерений), количества и габаритов требуемого оборудования.

То, что введен формирователь опорного сигнала 8, подключенный своими первым и вторым входами соответственно к выходам упомянутых генераторов возбуждающего 1 и модулирующего 2 сигналов, третьим, управляющим, входом - ко второму выходу указанного (формирователя 7 выходного сигнала, а своим выходом - ко второму входу упомянутого фильтра 5, причем этот фильтр выполнен синхронным, позволяет дополнительно повысить эффективность выделения слабых информационных сигналов из шумов, реализовав условия оптимального приема, что также обеспечивает требуемый технический результат.

То, что упомянутый индуктивный блок выполнен в виде катушки индуктивности 9 без сердечника, причем первый ввод этой катушки соединен с входом и выходом упомянутого индуктивного блока 3, а второй ввод соединен с общей шиной, уменьшает внутренние шумы устройства, исключает шумы, неизбежные при наличии сердечников, вызываемые неоднородностью процесса перемагничивания магнитных материалов, кроме того, снижает габариты и вес устройства, открывая возможность его микроминиатюризации, применения современных технологий микроэлектроники. Все это способствует дополнительному снижению порога измерений, повышению чувствительности, помехоустойчивости и помехозащищенности устройства.

То, что упомянутый индуктивный блок 3 содержит возбуждающую 9 и модулирующую 10 катушки индуктивности без сердечников, причем первые вводы указанных катушек соединены с выходами соответственно упомянутых генераторов возбуждающего 1 и модулирующего 2 сигналов, вторые вводы соединены с общей шиной и, кроме того, первый ввод одной из указанных катушек 9(10) соединен с выходом упомянутого индуктивного блока 3, обеспечивает дополнительные возможности повышения эффективности нелинейного взаимодействия спектральных компонент возбуждающего и модулирующего сигналов с магнитными частицами измеряемого образца 4. Во-первых, разнесение катушек может способствовать их определенной развязке, снижению их взаимовлияния по каналу, не связанному с наличием магнитных частиц. Во-вторых, индуктивная система, состоящая из двух катушек, с учетом всегда присутствующих паразитных или специально введенных элементов, имеет, как правило, более высокую добротность, является фильтрующей системой более высокого порядка, а значит, обладает более высокими характеристиками подавления шумов.

Это способствует дополнительному снижению порога измерений, повышению чувствительности, помехоустойчивости и помехозащищенности устройства, в том числе с учетом того, что оси указанных катушек повернуты одна относительно другой. Последнее обеспечивает возможность воздействия векторами магнитного поля возбуждающего и модулирующего сигналов различной ориентации и таким образом обеспечивает дополнительную степень свободы при оптимизации эффективности указанного воздействия для увеличения измеряемого сигнала.

То, что угол поворота оси одной из указанных катушек индуктивности 9(10) относительно другой катушки 10(9) составляет 90^o, обеспечивает условия для привлечения альтернативных методов формирования информационного сигнала, например, с использованием спиновой прецессии.

Этому же способствует и то, что введен фазовращатель 11, подключенный между упомянутым генератором возбуждающего 1 (модулирующего 2) сигнала и соответственно возбуждающей 9 (модулирующей 10) катушкой индуктивности, причем указанный фазовращатель 11 снабжен управляющим входом ввода данных о повороте оси одной из указанных катушек 9(10) относительно другой 10(9). Кроме того, введение фазовращателя 11 позволяет учитывать изменение угла между осями катушек 9 и 10. При реализации устройства угол между катушками может выбираться в широких пределах, например, исходя из конструктивных или иных требований, а необходимое соотношение фаз взаимодействующих в материале магнитных полей обеспечивается за счет фазовращателя. Все это приводит к повышению измеряемого сигнала и соответственно к обеспечению вышеуказанного технического результата.

Этому же способствует и то, что фильтр является режектирующим для сигнала того из упомянутых генераторов, частота которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте. При этом устраняется наиболее опасная помеха, которая могла бы воздействовать на чувствительные каскады приемника 6, вызывая эффекты нелинейного обогащения спектра принимаемого сигнала, снижая соотношение сигнал/шум, а также и достоверность полученных результатов.

Дополнительное повышение качества приема полезной информации при одновременном снижении требований к качеству аппаратуры обеспечивается тем, что фильтр 5 выполнен управляемым и его управляющий вход соединен с выходом того из упомянутых генераторов 1(2), частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте. При этом требования к стабильности указанного генератора, вносящего наибольший вклад в дрейф частоты выделяемого сигнала, могут быть существенно снижены, так как дрейф частоты указанного сигнала будет компенсироваться соответствующей подстройкой характеристики фильтра 5.

То, что выход того из упомянутых генераторов 1(2), частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте, соединен со вторым входом формирователя 7 выходного сигнала, а управляющий вход фильтра 5 подключен к третьему выходу формирователя 7 выходного сигнала, позволяет оптимизировать работу устройства за счет формирования оптимального управляющего воздействия на указанный фильтр 5 по цепи обратной связи с выхода формирователя 7 выходного сигнала, на основе анализа изменения выходного сигнала при изменении параметров указанного генератора 1(2) и фильтра 5, что также обеспечивает вышеуказанный технический результат.

Новые возможности в совершенствовании устройства обеспечиваются тем, что выполнение функций различных совокупностей блоков, кроме индуктивного блока 3 и фильтра 5, предлагаемого устройства по п.п. 11-14 обеспечено введением управляющего блока 12, например, в виде микропроцессора или компьютера. При этом реализуются максимально достижимые характеристики устройства, повышается функциональная гибкость устройства и расширяется диапазон его применения.

Это представляется целесообразным и с точки зрения использования возможностей современной техники, а также для обеспечения совместимости предлагаемого устройства с современной научно-технической базой.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемого устройства.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого устройства.

Источники информации
1. Патент США N 4,731,578 от 15.03.88 г., Int. Cl. G 01 N 27/24, US. Cl. 324/204.

2. Патент США N 5,287,056 от 15.02.94 г., Int. Cl. G 01 N 27/72, US. Cl. 324/239 (прототип).

Формула изобретения

1. Измеритель магнитной восприимчивости, включающий генератор возбуждающего сигнала, генератор модулирующего сигнала, индуктивный блок, который подключен к выходам упомянутых генераторов, а измеряемый образец находится в зоне воздействия магнитного поля, создаваемого этим блоком, фильтр, вход которого соединен с выходом указанного индуктивного блока, причем указанный фильтр настроен на пропускание сигнала выделяемой частоты, приемник, соединенный своим входом с выходом упомянутого фильтра, формирователь выходного сигнала, подключенный своим входом к выходу указанного приемника, отличающийся тем, что выделяемая частота представляет собой линейную комбинацию частот упомянутых возбуждающего и модулирующего сигналов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введен формирователь опорного сигнала, подключенный своими первым и вторым входами соответственно к выходам упомянутых генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов, третьим, управляющим, входом - к второму выходу указанного формирователя выходного сигнала, а своим выходом - к второму входу упомянутого фильтра, причем этот фильтр выполнен синхронным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый индуктивный блок выполнен в виде катушки индуктивности без сердечника, причем первый ввод этой катушки соединен с входом и выходом упомянутого индуктивного блока, а второй ввод - с общей шиной.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый индуктивный блок содержит возбуждающую и модулирующую катушки индуктивности без сердечников, причем первые вводы указанных катушек соединены с выходами соответственно упомянутых генераторов возбуждающего и модулирующего сигналов, вторые вводы - с общей шиной, и, кроме того, первый ввод одной из указанных катушек соединен с выходом упомянутого индуктивного блока.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оси указанных катушек повернуты одна относительно другой.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что угол между осями указанных катушек составляет 90^o.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что введен фазовращатель, подключенный между упомянутым генератором возбуждающего сигнала и возбуждающей катушкой индуктивности или между упомянутым генератором модулирующего сигнала и модулирующей катушкой индуктивности, причем указанный фазовращатель снабжен управляющим входом ввода данных о повороте оси одной из указанных катушек относительно другой.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр является режектирующим для сигнала того из упомянутых генераторов, частота которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что фильтр выполнен управляемым и его управляющий вход соединен с выходом того из упомянутых генераторов, частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход того из упомянутых генераторов, частота сигнала которого является ближайшей к указанной выделяемой частоте, соединен с вторым входом формирователя выходного сигнала, а управляющий вход фильтра подключен к третьему выходу формирователя выходного сигнала.

11. Устройство по любому из пп.1, 2, 9 и 10, отличающееся тем, что указанные приемник и формирователь выходного сигнала выполнены в виде процессора.

12. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что указанные формирователь опорного сигнала, приемник и формирователь выходного сигнала выполнены в виде процессора.

13. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что указанные формирователь опорного сигнала, приемник и формирователь выходного сигнала, а также упомянутые генераторы возбуждающего и модулирующего сигналов выполнены в виде процессора.

14. Устройство по любому из пп.1, 3-10, отличающееся тем, что указанные приемник и формирователь выходного сигнала, а также упомянутые генераторы возбуждающего и модулирующего сигналов выполнены в виде процессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12