Магнитометр



Магнитометр
Магнитометр

 


Владельцы патента RU 2523099:

Игнатьев Вячеслав Константинович (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный университет" (RU)
Якимец Андрей Леонидович (RU)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, представляет собой магнитометр и может использоваться для измерения напряженности магнитного поля. Магнитометр содержит зонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, являющийся сердечником соленоида и выполненный в виде проволоки из сверхпроводника второго рода, уложенной змейкой так, чтобы направления тока в соседних звеньях проволоки были противоположны. Техническим результатом изобретения является повышение порога чувствительности магнитометра до уровня 10-15 Тл в полосе 1 Гц. 1 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности магнитного поля.

Из существующего уровня техники известен сверхпроводящий магнитометр в параллельных полях [1], содержащий сердечник, выполненный из сверхпроводника второго рода, и охватывающие сердечник первый и второй соленоиды. По первому соленоиду пропускается изменяющийся по гармоническому закону ток, а амплитуда переменного напряжения на зажимах второго соленоида с частотой, равной удвоенной частоте изменения тока в первом соленоиде, является мерой напряженности магнитного поля, параллельного оси сердечника

Недостатком данного технического решения является наличие из-за емкостной и индуктивной связи между соленоидами на зажимах второго соленоида напряжения с частотой, равной частоте изменения тока, который из-за нелинейности измерительной схемы приводит к появлению сигнала с частотой, равной удвоенной частоте изменения тока, даже в отсутствие измеряемого поля, что ограничивает порог чувствительности магнитометра.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является магнитометр, работающий в скрещенных магнитных полях [2], содержащий феррозонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, по которому протекает изменяющийся по гармоническому закону ток, и соленоид, охватывающий феррозонд. Взаимодействие в нелинейном ферромагнетике магнитного поля протекающего по зонду тока и скрещенного с ним внешнего измеряемого поля создает в феррозонде меняющуюся с частотой, равной удвоенной частоте тока, переменную компоненту магнитного поля, параллельную оси зонда. Эта компонента создает на зажимах соленоида переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля. Недостатком данного технического решения является недостаточная чувствительность, ограниченная шумами феррозонда, обусловленными гистерезисными потерями, джоулевыми потерями вихревых токов и шумами Брокгаузена в нем.

Целью изобретение является повышение чувствительности магнитометра. Технический результат достигается путем уменьшения потерь и шумов в зонде.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где изображен магнитометр с зондом из сверхпроводника второго рода.

Магнитометр содержит выполненный в виде проволоки из сверхпроводника второго рода зонд 1, охватывающий его соленоид 2 и конденсатор 3.

Магнитометр работает следующим образом. По зонду 1, выполненному из сверхпроводника второго рода, обладающего нелинейными магнитными свойствами, протекает изменяющийся по гармоническому закону ток. Создаваемое этим током переменное магнитное поле взаимодействует с постоянным измеряемым магнитным полем, параллельным оси зонда 1, и создает в зонде 1 меняющуюся с удвоенной частотой тока переменную компоненту магнитного поля, параллельную оси зонда 1. Эта компонента создает на зажимах соленоида 2 переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля. Поскольку потери в сверхпроводниках в радиочастотном диапазоне пренебрежимо малы, это позволяет использовать нелинейную восприимчивость сверхпроводников для измерения слабых магнитных полей.

Доказательством достижимости заявленного технического результата является расчет амплитуды переменного напряжения на зажимах соленоида 2. Пусть зондом 1 магнитометра является тонкая проволока из сверхпроводника второго рода диаметром 2R, причем ξ<<R<<λ, где ξ - длина когерентности, а λ - глубина проникновения. Уравнения Гинзбурга-Ландау [3] для проволоки, находящейся во внешнем продольном однородном магнитном поле, по которой течет ток i (фиг.1), имеют вид

ξ 2 ( i + 2 π A / Ф 0 ) 2 ψ ψ + ψ | ψ | 2 = 0, ( i + 2 π A / Ф 0 ) 2 n = 0, ( 1 ) r o t r o l A = i ( ψ * ψ ψ ψ * ) Ф 0 / ( 2 π λ 2 ) | ψ | 2 A / λ 2 , ,

где n - вектор нормали к поверхности сверхпроводника, Ψ(r)=ψ(r)/ψ0 - нормированный параметр порядка, A(r) - векторный потенциал магнитного поля, Ф0=2,07×10-15 Вб - квант магнитного потока.

Выберем цилиндрическую систему координат так, чтобы ось z совпадала с осью проволоки. Пусть напряженность внешнего магнитного поля равна He=He(r)eφ=const. Магнитное поле, создаваемое током, имеет вид H i = H i ( r ) e ϕ = c o n s t H I = H I ( r ) e ϕ . Выберем калибровку вектора потенциала A A таким образом, чтобы функция Ψ была вещественной. В силу симметрии задачи можно считать, что параметр порядка Ψ и вектор потенциал A зависят только от координаты r. Тогда следует, что Ar(r)≡0 и вектор A имеет только z и φ компоненты: A=Az(r)ez+Aφ(r)eφ. Приближенное решение уравнений (1) имеет вид

A ϕ H e r 2 ( 1 + 3 2 ( ς λ 2 i Ф 0 R 2 ) 2 ) .

Отсюда для магнитного потока через поперечное сечение зонда 1 получаем:

Ф = l A d l = π R 2 H e [ 1 + 1 18 ( j j C ) 2 ] , ( 2 )

где j C = Ф 0 / ( 3 3 π λ 2 ξ ) - критическая плотность тока, j=i/S, S=πR2 - площадь поперечного сечения зонда 1.

Пусть по зонду 1 протекает переменный ток i(t)=i0sin(ω0t), создающий в нем плотность тока j(t)=j0sin(ω0t), близкую к критической.

Соленоид 2, сердечником которого является зонд 1, и конденсатор 3 образуют колебательный контур с резонансной частотой, близкой к 2 со0 (фиг.1). Если длинный соленоид 2 содержит n витков, то

H e ( t ) = H 0 + L n S d q d t , ( 3 )

где H0 - постоянное или медленно меняющееся измеряемое магнитное поле,

q(t) - заряд на конденсаторе 3, L - индуктивность соленоида 2.

Колебания в резонансном контуре описываются уравнением

n d Ф d t + R 0 d q d t + q C = 0. ( 4 )

Подставляя в уравнение (4) выражение (2) для магнитного потока через сверхпроводящий зонд с учетом соотношения (3), получим дифференциальное уравнение второго порядка:

где обозначено ω 1 2 = 1 / 2 L C ( 1 + α ) , τ=2ω0t, δ=R0/2L(1+α), q=q0x, a=Snα2/(2Lω0q0), D=δ/ω0, ω 1 2 / ( 4 ω 0 2 ) = 1 ξ , α=(j0/6jC)2.

В нулевом по малому параметру a«1 приближении решение уравнения (5) имеет вид

.

При точной настройке контура (ξ<<D) для выходного напряжения магнитометра u(t) получаем

u ( t ) = q 0 x 0 C = U 0 cos ( 2 ω 0 t ) , U 0 = 2 Q n α 2 ω 0 S H 0 , ( 6 )

где Q=1/D - добротность контура.

Из формулы (6) видно, что выходное напряжение магнитометра u(t) осциллирует с частотой 2ω0 синхронно с переменным током i(t), текущим по зонду 1, что позволяет использовать для измерения его амплитуды метод синхронного детектирования. Амплитуда U0 выходного напряжения пропорциональна потоку Ф измеряемого магнитного поля H0 через поперечное сечение зонда 1.

Критическая частота для сверхпроводника порядка 1011 Гц и для рабочей частоты 30 МГц? ей можно пренебречь. При низких температурах легко получить для контура, содержащего n=100 витков? добротность Q=103. Если j0/jC=0,9, то из формулы (6) следует, что U0=1012 Ф.

Собственное шумовое напряжение измерительного усилителя, приведенное к входу, имеет величину порядка 1 нВ в полосе 1 Гц, тогда порог чувствительности магнитометра по магнитному потоку составит Ф n = 10 21 В б Г ц = 5 10 7 Ф 0 Г ц .

Эффективная глубина проникновения магнитного поля в керамический высокотемпературный сверхпроводник при температуре 77 K порядка 100 мкм. Поскольку в соответствии с формулой (2) поток переменного магнитного поля через сечение сверхпроводника не зависит от направления тока в нем, сверхпроводящую проволоку диаметром 0,1 мм можно уложить змейкой так, чтобы в соседних звеньях направления тока были противоположны. При этом создаваемое током переменное магнитное поле на поверхности зонда не превосходит поля на поверхности одного звена независимо от диаметра зонда 1.

Зонд 1 магнитометра диаметром 1 мм может состоять из 100 таких звеньев и позволит получить порог чувствительности по магнитному полю порядка B n = 10 15 Т л Г ц .

Таким образом, достигаемая чувствительность намного превосходит чувствительность феррозондовых магнитометров, является рекордной даже для квантовых магнитометров и позволит проводить предельные измерения в области гео- и био-магнетизма.

Источники информации

1. Игнатьев В.К., Черных С.В. Сверхпроводящий магнитометр с обратной связью по магнитному полю. Приборы и техника эксперимента. 1996. №2. - С.124-126.

2. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.: Энергия, 1969. - 168 с. (прототип)/

3. Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. К теории сверхпроводимости. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1950. Т.20. Вып.12. - с.1064-1082.

Магнитометр, содержащий зонд с нелинейной магнитной восприимчивостью, через который пропускается изменяющийся по гармоническому закону ток, и охватывающий зонд соленоид, причем амплитуда переменного напряжения на зажимах соленоида с частотой, равной удвоенной частоте изменения тока, является мерой напряженности магнитного поля, параллельного оси зонда, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности магнитометра зонд выполнен в виде проволоки из сверхпроводника второго рода, которая уложена змейкой так, чтобы в соседних звеньях проволоки направления тока были противоположны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой способ измерения напряжённости постоянного магнитного поля. Способ заключается в том, что конденсатор, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещают в измеряемое постоянное магнитное поле, прикладывают заданное переменное магнитное поле и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры.

Предложен cпособ локализации источника магнитного поля дипольной модели. В способе одновременно измеряют приращения индукции магнитного поля между опорной точкой и точкой на каждой полуоси системы координат и измеряют расстояния между точками.

Изобретение относится к инвазивным медицинским устройствам. Медицинский зонд содержит вводимую трубку, имеющую продольную ось и дистальный конец, дистальный кончик, расположенный на дистальном конце вводимой трубки и сконфигурированный для введения в контакт с тканью тела, стык, который соединяет дистальный кончик с дистальным концом вводимой трубки, и датчик стыка, заключенный внутри зонда, для распознавания положения дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки, причем датчик стыка содержит первый и второй подузлы, которые расположены внутри зонда на противоположных соответствующих сторонах стыка, и каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей.

Изобретение относится к средствам для обеспечения жизнедеятельности инвалидов по зрению, а именно предназначено для получения информации и облегчения ориентации незрячих людей в пространстве.

Изобретение относится к поверке магнитоизмерительных систем, в том числе предназначенных для поиска ферромагнитных объектов, без демонтажа входящих в систему магнитометрических средств.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли.

Изобретение относится к датчиковому устройству измерения магнитного поля. Датчиковое устройство измерения магнитного поля содержит датчиковую часть, которая включает в себя магнитоимпедансное устройство, имеющее магнитную аморфную структуру; стержневую часть сердечника, которая направляет магнитное поле к магнитной аморфной структуре и расположена в продольном направлении относительно магнитной аморфной структуры; и средство подавления магнитного поля, которое создает корректирующее магнитное поле, которое подавляет магнитное поле окружающей среды, обусловленное земным магнетизмом, входящее в магнитную аморфную структуру.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерений магнитного поля надводного или подводного объекта при наладке его системы электромагнитной компенсации.

Изобретение относится к области измерения параметров магнитного поля конструкций из ферромагнитного материала, например корпуса судна. .

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой дифференциальный датчик постоянного магнитного поля. Датчик состоит из конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещенный между катушками Гельмгольца, создающими заданное переменное магнитное поле. При помещении датчика в измеряемое постоянное магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов, представляющая собой сумму двух сигналов - с обычной частотой, величина которого пропорциональна произведению напряженностей постоянного и переменного магнитного полей, и с удвоенной частотой, величина которого пропорциональна квадрату напряженности переменного магнитного поля, и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. Использование предлагаемого датчика позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении. 1 табл., 3 ил.

Группа изобретений относится к области магнитных микро- и наноэлементов, представляет собой магнитный элемент для контроля параметров магнитной структуры типа «вихрь», который может быть использован как основа для создания магниторезистивной памяти с произвольной выборкой, а также способ такого контроля, применимый для диагностики наноматериалов. Сущность изобретения: на подложке из кремния формируют магнитный элемент из двух ферромагнитных дисков разного диаметра, асимметрично размещенных друг на друге и разделенных прослойкой из немагнитного материала, имеющей форму диска. Размеры магнитного элемента таковы, что в большом диске в отсутствие индуцированного магнитного поля формируется вихревое состояние, а в малом диске - однодоменное. Такое исполнение магнитного элемента позволяет создать асимметричную конфигурацию магнитной структуры, что является необходимым условием для контроля параметров вихря при его формировании в большом диске, и дает возможность контролировать хиральность вихря, образованного в большом диске, и направление намагниченности в малом диске. Это достигается при приложении магнитного поля под углами 0, 90, 180 или 270 градусов относительно оси, соединяющей центры дисков. В зависимости от угла приложения магнитного поля в большом диске формируется вихревое состояние с определенной хиральностью, а в малом - однодоменное состояние с контролируемым направлением намагниченности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к сенсорному устройству с сенсором и устройством для сигнальной обработки. Технический результат - надежное распознавание манипулирования с магнитом. Сенсорное устройство (1'; 1”) содержит сенсор(10; 10') и устройство (11'; 11”) для сигнальной обработки сигнала (US; IS) сенсора, причем сенсор вырабатывает сигнал сенсора в зависимости от величины магнитного поля, и устройство содержит первый блок (110') сравнения, причем блок сравнения сравнивает сигнал сенсора с по меньшей мере одним пороговым значением (S1, S2) и в зависимости от него вырабатывает сигнал (U_OUT) импульсного датчика с первым или вторым значением, устройство (11'; 11”), кроме того, для распознавания попытки манипулирования содержит второй блок (120) сравнения, который сравнивает сигнал сенсора с заданным рабочим диапазоном (АВ) и инициирует сигнал (MS) манипуляции, если значение сигнала (US; IS) находится вне рабочего диапазона (АВ). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой устройство для определения параметров магнитного поля и может применяться для определения коэффициента ослабления модуля индукции магнитного поля в экранируемых рабочих объемах, а также в объемах с активной компенсацией геомагнитного поля. Устройство содержит два магнитометра, измеряющих магнитное поле внутри и снаружи экранированного объема соответственно, синхронизированные сигналы с которых через соответствующие аналоговые коммутаторы, фильтры верхних частот и аналого-цифровые преобразователи подаются на мультиплексор, после чего обрабатываются процессором. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства для измерения параметров магнитного поля за счет обеспечения возможности одновременного измерения параметров магнитного поля внутри экранирующей камеры и за ее пределами. 1 ил.

Изобретение относится к системам магнитно-импедансной томографии. Система содержит систему возбуждения, имеющую несколько катушек возбуждения для генерирования магнитного поля возбуждения с целью наведения вихревых токов в исследуемом объеме, измерительную систему, имеющую несколько измерительных катушек для измерения полей, сгенерированных наведенными вихревыми токами, при этом измерительные катушки расположены в объемной (3D) геометрической компоновке, и устройство реконструкции, предназначенное для приема измерительных данных из измерительной системы и реконструкции изображения объекта в исследуемом объеме по измеренным данным. Каждая из отдельных измерительных катушек охватывает область и ориентирована по существу поперечно силовым линиям магнитного поля возбуждения катушек возбуждения, отдельные измерительные катушки совместно охватывают область, соответствующую объемной (3D) геометрической компоновке, причем катушки возбуждения охватывают область, в которой расположены измерительные катушки. Область, охваченная каждой из отдельных измерительных катушек, ориентирована перпендикулярно области, охваченной катушками возбуждения. Использование изобретения позволяет повысить качество изображения для объемных объектов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к физике ферромагнетиков и может быть использовано при исследовании магнитной восприимчивости ферромагнетиков в широком диапазоне намагниченности, включая область глубокого насыщения, в частности, при исследовании эффекта динамического аномального намагничивания под действием магнитной вязкости ферромагнетиков. Технический результат состоит в проверке магнитного трения двух разноименных магнитных полюсов, перемещаемых друг относительно друга без изменения расстояния между этими полюсами. Прибор для проверки магнитного трения содержит электромагнит с плоско-параллельными торцами магнитных полюсов, подключенный к регулируемому источнику постоянного тока. В его магнитный зазор помещен край ферромагнитного кольца из исследуемого ферроматериала, приводимого во вращательное движение от синхронного двигателя переменного тока, связанного с генератором переменного тока с регулируемой частотой, между которыми введен измеритель мощности электрических колебаний, информация от которого о потребляемой мощности синхронным двигателем переменного тока поступает на дополнительный вход блока управления и обработки информации. Плоско-параллельные торцы электромагнита снабжены плоскими насадками из исследуемого ферроматериала, например, их приклеиванием. 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при исследовании физической природы так называемого магнитного трения и его связи с магнитной восприимчивостью ферромагнетика, помещенного в изменяющееся внешнее магнитное поле. Технический результат - обеспечение возможности исследовании магнитного трения в ферромагнетиках, в частности зависимости магнитного трения от величины приложенного к ферромагнетику внешнего магнитного поля. Устройство для исследования магнитного трения содержит намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор, выполненные из исследуемого ферромагнитного вещества, катушку подмагничивания, высокочастотный трансформатор, регулируемый источник постоянного тока, электромагнитный датчик угловой скорости вращения ротора с противовесом, измеритель частоты, блок управления и обработки информации, широкополосный малошумящий усилитель и спектроанализатор, синхронный двигатель, регулируемый по частоте источник переменного тока, прибор измерения потребляемой синхронным двигателем мощности. Вращающийся ротор выполнен в виде симметричной конструкции с двумя одинаковыми цилиндрическими полюсами, зазор которых относительно цилиндрического статора не менее чем на два порядка меньше радиуса цилиндрических полюсов ротора. Указанные элементы соединены между собой так, как указано в материалах заявки. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой феррозондовый магнитометр и способ измерения компонент индукции магнитного поля при помощи векторной компенсации и может использоваться в точных измерениях компонент индукции магнитного поля. При реализации способа одновременно преобразуют индукцию внешнего магнитного поля в напряжение переменного тока, наведенное в трех измерительных катушках и пропорциональное трем взаимноортогональным компонентам индукции внешнего магнитного поля, подавляют первую и усиливают в режиме параметрического резонанса вторую гармоники поля перемагничивания в снимаемых с измерительных катушек сигналах, осуществляют амплитудное детектирование и усиление сигналов, регистрацию выходного напряжения, преобразование этого напряжения в токи компенсации. Напряжение переменного тока и токи компенсации подают в согласующие цепи, где производят развязку переменных токов с измерительных катушек и постоянных токов компенсации, а векторную компенсацию производят путем подачи токов компенсации непосредственно в измерительные катушки. Техническим результатом является снижение погрешности измерений компонент индукции магнитного поля, повышение надежности и уменьшение массогабаритных показателей датчика магнитометра. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам. Цифровой феррозондовый магнитометр содержит задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока управления, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, первые выходы которых соединены с первыми входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов, а вторые входы соединены со вторым выходом логического блока управления, третий выход которого соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей, дополнительно в него введены три суммирующих усилителя и три устройства выборки-хранения квадратурного напряжения, первые входы которых соединены с четвертым выходом логического блока управления, вторые входы соединены со вторыми выходами избирательных усилителей, а выходы соединены со вторыми входами суммирующих усилителей, выходы которых соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, а первые входы соединены с вторыми выходами устройств выборки хранения. Технический результат - повышение устойчивости измерительного канала магнитометра, точности и стабильности измерений. 3 ил.

Изобретение относится к судовым средствам магнитной защиты надводного или подводного объекта. Маневренный стенд для измерения и настройки магнитного поля надводного или подводного объекта включает измерительные датчики магнитного поля, устройства определения их координат для передачи сигналов с датчиков на стенд или надводный или подводный объект. Все измерительные датчики и устройства размещаются на общей дистанционно поворачиваемой балке, буксируемой до выбранного места акватории на платформе с регулируемой плавучестью, позволяющей установить ее на грунт и зафиксировать необходимое положение дистанционно управляемыми со стенда или с надводного или с подводного объекта, конструктивно связанными с платформой домкратами. Улучшаются условия эксплуатации маневренного стенда. 1 ил.
Наверх