Магнитометрический датчик

Изобретение относится к области радиоизмерений, радиофизики и радиотехники и может быть использовано для регистрации возмущений электромагнитного поля. Технический результат - снижение уровня собственных шумов, возможность функционирования в ВЧ-УВЧ диапазонах и большой полосой рабочих частот. Магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, две магнитные антенны, генератор тока, при этом в него введены устройство управления разностью фаз между током и напряжением, фильтр отсечки постоянного тока, фильтр отсечки переменного тока, при этом магнитные антенны расположены на расстоянии друг от друга со встречно направленными полями, направленность которых определяется магнитными осями соответствующих магнитных антенн, а взаимодействующий с указанными полями магнитопровод, расположенный между магнитными антеннами так, что гальванически не связан с этими магнитными антеннами, выполнен в виде экрана, изготовленного из материала, являющегося магнетиком, причем каждая из магнитных антенн выполнена в виде спиральной антенны, соединена с соответствующей емкостью и образует с ней резонансный контур, частотные резонансные характеристики которого соответствуют рабочей частоте магнитометрического датчика, магнитные оси упомянутых антенн совмещены, каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока, а генератор тока выполнен в виде генератора постоянного тока и соединен с каждой магнитной антенной через фильтр отсечки переменного тока, причем, выход фильтра отсечки постоянного тока является выходом магнитометрического датчика. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области радиоизмереиий, радиофизики и радиотехники и может быть использовано для регистрации возмущений электромагнитного поля, а также в различных радиофизических и радиотехнических системах для фиксирования электромагнитных возмущений и сигналов.

Известен магнитометрический датчик (см., например, с.65-67 в кн. Афанасьев Ю.В. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки / Ю.В.Афанасьев, Н.В.Студенцов, А.П.Щепкин. - Л.: Энергия, 1972, 272 с.), содержащий две магнитные антенны, генератор тока. Недостатком такого магнитометрического датчика является использование вибрации элементов датчика (магнитных антенн), для регистрации возмущений электромагнитного поля, что технически затруднительно при его использовании с размещением на реальных перемещающихся объектах, а также приводит к затруднениям при регистрации высокочастотных возмущений вследствие низких частот возможных (разрешенных) механических колебаний (вибраций) указанных элементов датчика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является магнитометрический датчик, описанный в авторском свидетельстве СССР №1705785, 1988, «Способ измерения компоненты вектора напряженности магнитного поля», 1992, бюл. №2, МКИ G01R 33/02, содержащий магнитопровод (ферромагнитный сердечник, в указанном изобретении), две магнитные антенны (катушки, охватывающие сердечник, в указанном изобретении) и генератор тока. Недостатком такого датчика (преобразователя - по устройству-прототипу) являются большие собственные шумы (например, связанные с перемагничиванием ферромагнетика, в частности, шумы Баркгаузена). Такой датчик сильно подвержен любым сторонним электромагнитным воздействиям и влияниям, что значительно увеличивает шумовой порог датчика, его подверженность помехам и, следовательно, приводит к сужению его полосы рабочих частот и к снижению чувствительности. В устройстве-прототипе понятие «преобразователь» соответствует понятию «датчик», используемому в настоящем техническом решении, на основании известных определений. Датчик (в соответствии с известным определением (с.132, в кн. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1976. 608 с.) - это воспринимающий (чувствительный) орган, преобразующий контролируемую величину (в данном случае амплитуду возмущения собственного магнитного поля датчика, являющегося внутренним полем этого датчика) в сигнал, удобный для последующей обработки. Иначе датчик - устройство, непосредственно принимающее, преобразующее и передающее специальным приборам (для последующей обработки зарегистрированного сигнала как носителя искомой информации) данные о возмущении собственного магнитного поля (соответственно изложенному на с.155, в кн. Ожегов С.И. Словарь русского языка / С.И.Ожегов. - М.: Рус. яз., 1990. 921 с.).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение полосы рабочих частот датчика, регистрация возмущений электромагнитного поля в высокочастотных диапазонах и уменьшение собственных шумов датчика.

Технический результат выражается в создании магнитометрического датчика, который обладает малым уровнем собственных шумов, возможностью функционирования в ВЧ-УВЧ диапазонах и большой полосой рабочих частот.

Результат достигается тем, что в магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, две магнитные антенны, генератор тока, введены устройство управления разностью фаз между током и напряжением, фильтр отсечки постоянного тока, фильтр отсечки переменного тока, при этом магнитные антенны расположены на расстоянии друг от друга со встречно направленными полями, направленность которых определяется магнитными осями соответствующих магнитных антенн, а взаимодействующий с указанными полями магнитопровод, расположенный между магнитными антеннами так, что гальванически не связан с этими магнитными антеннами, выполнен в виде экрана, изготовленного из материала, являющегося магнетиком, причем каждая из магнитных антенн выполнена в виде спиральной антенны, соединена с соответствующей емкостью и образует с ней резонансный контур, частотные резонансные характеристики которого соответствуют рабочей частоте магнитометрического датчика, магнитные оси упомянутых антенн совмещены, каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока, а генератор тока выполнен в виде генератора постоянного тока и соединен с каждой магнитной антенной через фильтр отсечки переменного тока, причем выход фильтра отсечки постоянного тока является выходом магнитометрического датчика.

При этом упомянутый резонансный контур может быть или параллельным, или последовательным резонансным контуром.

Кроме того, упомянутый экран может быть плоским.

Помимо этого форма каждой из упомянутых спиральных антенн может представлять собой часть плоской проекции странного аттрактора.

Также каждая из упомянутых спиральных антенн может быть выполнена в виде многозаходной спирали, форма которой представляет собой N (N>1) непересекающихся частей плоских проекций странного аттрактора, расположенных в одной плоскости вокруг одной центральной точки, являющейся центром двух концентрических окружностей, между которыми размещены упомянутые части плоских проекций странного аттрактора, точка начала каждой из N упомянутых частей плоских проекций странного аттрактора расположена непосредственно на окружности меньшего диаметра, указанные точки начала частей плоских проекций странного аттрактора отстоят друг от друга, причем упомянутый центр концентрических окружностей на плоскости является местом пересечения этой плоскости и перпендикулярной ей оси, совпадающей с магнитной осью спиральной антенны, упомянутые части плоских проекций странного аттрактора, определяющие форму спиральных антенн одного, любого резонатора, имеют одинаковое количество витков, при этом конец каждой из частей плоских проекций странного аттрактора в каждой спиральной антенне соединен с началом следующей части плоской проекции странного аттрактора кроме N-ой части плоской проекции странного аттрактора, конец которой и начало первой части плоской проекции странного аттрактора являются выходом и входом спиральной антенны соответственно.

На дату подачи материалов заявки авторам не известны технические решения, совокупность существенных отличительных признаков которых совпадает с заявляемой.

Предлагаемое устройство выполнено, например, следующим образом. Магнитометрический датчик (с использованием EH-антенны, что позволяет применять для таких магнитометрических датчиков наименование ЕН-датчик) содержит две аналогичные магнитные антенны (выполненные, например, соответственно описанию в патенте РФ №2380835, 2008, бюл. №3, 2010. Способ передачи информации и система для его реализации / Башкиров М.М., Конотоп А.А., Почанин Г.П., Сергеев В.И., Федорова З.Н., Чаплыгин А.А.), располагают на малом расстоянии друг от друга, соосно (учитывая направленность магнитных осей антенн) так, чтобы поля антенн были направлены встречно. Между магнитными антеннами, на равном расстоянии от них, располагают экран (который для технологического удобства может быть выполнен плоским), выполненный из магнетика (например, диа- или парамагнетика). Расстояния между магнитными антеннами и между каждой из магнитных антенн и экраном влияют на частотную настройку датчика (т.е. определяет частоту регистрируемого возмущения электромагнитного поля) и определяются методом практического подбора или численным расчетом. Датчик содержит две емкости. Каждая из магнитных антенн соединена с соответствующей емкостью (подобранной для такой антенны) и образует с ней резонансный контур (параллельный или последовательный), который определяет резонансную (рабочую) частоту такого датчика.

Магнитные антенны (с обеспечением встречной направленности постоянных полей датчика, формируемых магнитными антеннами), через фильтр отсечки переменного тока (который выполняется в зависимости от требуемой степени защиты - а именно от уровня подавления переменного тока, активным или пассивным, в частности, как последовательно соединенная индуктивность и параллельная (заземленная, запуленная), емкость, то есть по схеме фильтра нижних частот (ФНЧ), описанного, например, на сс.336-339 в кн. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И.Баскаков. - М.: Высш. Шк., 1988, 448 с.), подключены к генератору постоянного тока (выполненному в зависимости от требуемого выходного напряжения и тока и, в частности, описанному на с.130-288 в кн. Трейстер Р. 44 источника электропитания для любительских электронных устройств / Р.Трейстер, Дж.Мейо. - М.: Энергоатомиздат, 1990, 288 с., а также в виде аккумулятора или батареи питания), что обеспечивает формирование в таком датчике собственного (внутреннего) постоянного магнитного поля. Упомянутый экран из магнетика обеспечивает концентрацию поля в таком датчике. Возмущение собственного поля в датчике приводит к возбуждению (наведению) в магнитных антеннах датчика переменного тока, который для последующей обработки передается с выхода датчика на регистрирующее устройство: каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока (выход которого является выходом датчика), защищающим вход регистрирующего устройства от воздействия постоянного тока (который может быть выполнен, например, как фильтр верхних частот (ФВЧ), по методу «преобразования частоты» относительно ФНЧ, в частности, последовательно соединенная емкость и параллельная (заземленная, запуленная) индуктивность - см., например, с.338 в кн. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И.Баскаков. - М.: Высш. шк, 1988, 448 с.).

Фильтры отсечки обеспечивают развязку между электрической цепью регистрации возмущения электромагнитного поля и электрической цепью передачи постоянного тока, обеспечивающего формирование собственного магнитного поля датчика.

Для повышения чувствительности магнитометрического датчика и для увеличения его полосы пропускания упомянутые магнитные антенны выполняют в виде спиральных антенн. Более того, с той же целью может быть избрана форма каждой из упомянутых спиральных антенн как часть плоской проекции странного аттрактора (аттрактора Лоренца), что также способствует усилению постоянного магнитного поля, возникающего при пропускании постоянного тока по магнитным антеннам за счет их соединения с генератором постоянного тока, вход которого защищен от воздействия переменного тока фильтром отсечки переменного тока.

Также, в частности, каждая из упомянутых спиральных антенн может быть выполнена в виде многозаходной спирали, форма которой представляет собой N (N>1) непересекающихся частей плоских проекций странного аттрактора, расположенных в одной плоскости вокруг одной центральной точки, являющейся центром двух концентрических окружностей, между которыми размещены упомянутые части плоских проекций странного аттрактора, точка начала каждой из N упомянутых частей плоских проекций странного аттрактора расположена непосредственно на окружности меньшего диаметра, указанные точки начала частей плоских проекций странного аттрактора отстоят друг от друга, причем упомянутый центр концентрических окружностей на плоскости является местом пересечения этой плоскости и перпендикулярной ей оси, совпадающей с магнитной осью спиральной антенны, упомянутые части плоских проекций странного аттрактора, определяющие форму спиральных антенн одного, любого резонатора, имеют одинаковое количество витков, при этом конец каждой из частей плоских проекций странного аттрактора в каждой спиральной антенне соединен с началом следующей части плоской проекции странного аттрактора кроме N-ой части плоской проекции странного аттрактора, конец которой и начало первой части плоской проекции странного аттрактора являются выходом и входом спиральной антенны соответственно (формула катушки Тесла, см., например, патент США №512340, 1894. Coil for electro-magnets / N.Tesla). Данная форма исполнения магнитных антенн, сравнительно с другими антеннами в планарном, плоском исполнении, дополнительно обеспечивает большее значение напряженности поля.

Регистрирующим устройством для магнитометрического датчика может являться любой приемник, приемное или иное радиотехническое или радиофизическое устройство (например, селективный микровольтметр, анализатор спектра, стробоскопический осциллограф и т.д.), обеспечивающее регистрацию, обработку и/или анализ полученного сигнала (возмущения электромагнитного поля, преобразованного магнитометрическим датчиком в соответствующий выходной сигнал).

Устройство управления разностью фаз между током и напряжением может быть выполнено, например, в виде последовательно соединенной управляемой емкости, варикапа или иным образом, например, аналогично описанному на c.309, 310 в кн. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И.Баскаков. - М.: Высшая школа, 1988 или в патентах 4:40-50, патент США №6956535, 2005. Coaxial inductor and dipole EH antenna / R.T.Hart; 3:35-5:23, патент США №6864849, 2005. Method and apparatus for creating an EH antenna / R.T.Hart и в международном патенте (РСТ) № WO 01/91238, 2001. ЕH antenna / R.T.Hart. Упомянутое устройство управления разностью фаз между током и напряжением может быть выполнено и в ином виде, обеспечивающем возможность управляемого изменения фаз тока и напряжения в электрической цепи регистрируемого сигнала (цепи регистрации возмущения электромагнитного поля).

Магнитометрический датчик функционирует следующим образом.

С генератора постоянного тока через фильтр отсечки переменного тока на магнитные антенны подается постоянный ток, вследствие чего возбуждается постоянное (встречное, для каждой из магнитных антенн) поле - внутреннее (собственное) поле магнитометрического датчика. Такое поле концентрируется в магнитопроводе датчика. Возмущение внешнего электромагнитного поля приводит к перераспределению (с частотой возмущения) сформированных в магнитопроводе зарядов и, следовательно, к возмущениям внутреннего поля датчика. Такое возмущение внутреннего поля влечет возбуждение магнитных антенн и, соответственно, наведение переменного тока в магнитных антеннах. Рабочая частота магнитометрического датчика и его полоса пропускания определяются настройками резонансных контуров, образуемых магнитными антеннами и соответствующими емкостями. Частота регистрируемого возмущения электромагнитного поля должна входить в полосу рабочих частот датчика (его полосу пропускания).

При этом использование в качестве магнитопровода экрана на основе таких магнетиков, как, например, медь (диамагнетик) или алюминий (парамагнетик), исключает шумы на перемагничивание, которые наблюдаются, в частности, при применении ферромагнетиков.

То есть рассматриваемый магнитометрический датчик (в частности, EH-датчик) является преобразователем, принцип действия которого связан с существованием и взаимодействием (в магнитопроводе) двух магнитных полей - регистрируемого (в порядке регистрации возмущения) и вспомогательного (собственного, внутреннего, постоянного), что соответствует классическим определениям (см., например, с.5 в кн. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы / Ю.В.Афанасьев. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, 188 с.).

Полученный сигнал поступает (через фильтр отсечки постоянного поля) на регистрирующее устройство. Устройство управления разностью фаз между током и напряжением позволяет настроить (подстроить) магнитные антенны (по принципу взаимности - подстроить фазы полей Е и Н в пространстве между магнитными антеннами).

Сигнал (регистрируемое возмущение электромагнитного поля) регистрируется на частоте несущего колебания (частоте возмущения). Однако в зависимости от типа выбранного магнитопровода (например, на основе сильных или слабых магнетиков) регистрируемый сигнал может иметь комбинационные и/или модуляционные частоты (что определяется физическими процессами преобразования регистрируемого возмущения внешнего электромагнитного поля в собственные токи магнитопровода и в возмущения собственного, внутреннего, постоянного поля датчика).

Упомянутое выполнение магнитных антенн рассматриваемого магнитометрического датчика в виде спиральных антенн, кроме того, обеспечивает прием сигналов (регистрацию возмущения) на частотах ВЧ-УВЧ диапазонов. То есть частотный диапазон датчика определяется в том числе геометрическими размерами магнитных антенн (в данном случае применение спиральных антенн расширяет полосу рабочих частот (полосу пропускания) датчика, сравнительно с одновитковой магнитной антенной, т.к. каждый виток спирали может рассматриваться как одновитковая рамочная антенна со средним (для витка спирали) диаметром). Так как магнитная антенна (одновитковая рамочная, спиральная, многозаходная спиральная и т.д.) является соленоидом (плоским или объемным, например, трубчатым), то, как указывалось, рабочая частота датчика определяется резонансными частотами резонансных контуров, образуемых магнитными антеннами и соответствующими емкостями.

Таким образом, рассматриваемое устройство, магнитометрический датчик, позволяет при соответствующей настройке регистрировать возмущения внешнего электромагнитного поля в ВЧ-УВЧ диапазонах, обладает значительной (в том числе за счет выполнения магнитных антенн спиральными антеннами) полосой пропускания и характеризуется (при использовании магиитопровода на основе диа- или парамагнетиков) отсутствием собственных шумов, обусловленных перемагничиванием магнитопровода.

1. Магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, две магнитные антенны, генератор тока, отличающийся тем, что в него введены устройство управления разностью фаз между током и напряжением, фильтр отсечки постоянного тока, фильтр отсечки переменного тока, при этом магнитные антенны расположены на расстоянии друг от друга со встречно направленными полями, направленность которых определяется магнитными осями соответствующих магнитных антенн, а взаимодействующий с указанными полями магнитопровод, расположенный между магнитными антеннами так, что гальванически не связан с этими магнитными антеннами, выполнен в виде экрана, изготовленного из материала, являющегося магнетиком, причем каждая из магнитных антенн выполнена в виде спиральной антенны, соединена с соответствующей емкостью и образует с ней резонансный контур, частотные резонансные характеристики которого соответствуют рабочей частоте магнитометрического датчика, магнитные оси упомянутых антенн совмещены, каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока, а генератор тока выполнен в виде генератора постоянного тока и соединен с каждой магнитной антенной через фильтр отсечки переменного тока, причем выход фильтра отсечки постоянного тока является выходом магнитометрического датчика.

2. Магнитометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что резонансный контур представляет собой параллельный резонансный контур.

3. Магнитометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что резонансный контур представляет собой последовательный резонансный контур.

4. Магнитометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что экран выполнен плоским.

5. Магнитометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что форма каждой из упомянутых спиральных антенн представляет собой часть плоской проекции странного аттрактора.

6. Магнитометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что каждая из упомянутых спиральных антенн выполнена в виде многозаходной спирали, форма которой представляет собой N (N>1) непересекающихся частей плоских проекций странного аттрактора, расположенных в одной плоскости вокруг одной центральной точки, являющейся центром двух концентрических окружностей, между которыми размещены упомянутые части плоских проекций странного аттрактора, точка начала каждой из N упомянутых частей плоских проекций странного аттрактора, расположена непосредственно на окружности меньшего диаметра, указанные точки начала частей плоских проекций странного аттрактора отстоят друг от друга, причем упомянутый центр концентрических окружностей на плоскости является местом пересечения этой плоскости и перпендикулярной ей оси, совпадающей с магнитной осью спиральной антенны, упомянутые части плоских проекций странного аттрактора, определяющие форму спиральных антенн одного, любого резонатора, имеют одинаковое количество витков, при этом конец каждой из частей плоских проекций странного аттрактора в каждой спиральной антенне соединен с началом следующей части плоской проекции странного аттрактора кроме N-й части плоской проекции странного аттрактора, конец которой и начало первой части плоской проекции странного аттрактора являются выходом и входом спиральной антенны соответственно.