Способ измерения магнитного поля и устройство для его осуществления /его варианты/

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 2.708.,80 (21) 2978522/18-21 ($)) М. Кд з

G 01 R 33/06 с присоединением заявки в 2976737/21;

2976715/21 и Р 2982789/21 (23) ПриоритетГосударственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий! 33) УДК621. 317. .44(088.8) Опубликовано 15,09.82. Бюллетень ¹ 34

Дата опубликования описания 150982 (72) Автор изобретения

А.A. Мурадов

Физико-технический институт AH Туркменс (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Изобретение относится к области магнитных измерений, а более конкретно к устройствам, использующим в качестве первичного преобразователя гальваномагнитные датчики.

Известен способ линеариэации характеристики преобразования гальваномагнитного датчика, который основан на выборе типа полупроводникового материала и его концентрации для изготовления из них датчиков, т.е. технологический способ линеаризации (13.

Однако технологический способ линеаризации характиристики преобразования датчиков обладает низкой чув-, ствительностью, а это не позволяет создавать точные и чувствительные магнитоизмерительные приборы для диапазона слабых и. средних магнитных полей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализованный устройством, в котором выходные электроды датчика

Холла включены в измерительную цепь - 25 с отрицательной обратной связью (ООС), в. которой имеется звено регулирующее степень шунтирования выходного сигнала датчика, т.е., когда выходная характеристика датчика Холла имеет ЗО ярко выраженный нелинейный характер, сигнал на выходе звена регулироват ия (в данном случае амплитудного детек тора) возрастает и сопротивление стокисток полевого транзистора понижается, шунтирование выходного сопротивления датчика Холла нарастает и сигнал Hà его выходе уменьшается .2 .

Описанный способ имеет. недостаточную чувствительность измерительной цепи, которая с введением ООС падает, частйый диапазон исследуемых переменных и импульсных полей ограничен.

Цель изобретения - пОвышение точности и помехозащищенности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, основаинсвл на воздействии на вызсодной сигнал при протекании .через датчик .тока питания при отсутствии магнитного поля устанавливают среднИй потенциал датчика, создаваемый током питания, соединяют. точку установления среднего потенциала с точкой нулевого по» тенциала входной схемы, воздействуют магнитным полем и измеряют значения приращений напряжения на выходных электродах датчика.

В устройстве, реализующем этот способ, цель достигается тем, <то

958991 магнитометР содержащий датчик Холла г подключенный холловскими электродами к усилителю, выход которого соединен регистрирующим прибором и резистор компенсации, подключенный между одним из токовых и холловских электро- 5 дов, снабжен делителем, крайние выводы плеч которого подключены к токовым электродам датчика, усилитель выполнен дифференциальным с резистивной отрицательной обратной связью 10

1 по напряжению, а величина сопротивле- .ния резистора компенсации определена из следующего соотношения

BR Р к- п1 пъ и -(3a

01 ql где Rrl1-.сопротивление между первым .токовым и первым холловским электродом, к которым подключен резистор компенсации;

Кп — сопротивление между другим

2 холловским электродом и первым токовым электродом; — величина, равная отношению сопротивлений плеч делителя .между собой.

В варианте устройства поставленная цель достигается тем, что магнитометр, содержащий магниторезистор, подключенный к усилителю с резистором отрица- 30 тельной обратной связи, на выходе которого подключен регистрирующий прибор снабжен делителегл, подключенным к электродам магниторезистора и состоящим из двух резисторОв равной величины,. и двумя регулировочными резисторами, одни выводы которых соединены с электродами магниторезистора, вторые выводы подсоединены к первому и второму входам усилителя, 4О а третьими выводами совместно со средней точкой делителя подсоединены к общему входу усилителя.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2, 3 и 4 — варианты этих устройств. Устройство состоит из датчика 1

Холла (фиг. 1), к входным электродам

2 и 3 которого подсоединены генера- . тор 4 переменного тока и делитель 5 напряжения, а к выходным электродам б и 7 подсоединена первичная обмотка 8 трансформатора 9. Вторичная обмотка 10 крайними выводами 11 и 12 подсоединена к первому и второму 55 входу дифференциального усилителя

13, а средним выводом соединена со средней точкой. делителя 5.

Устройство работает следующим образом. 60

При отсутствии магнитного поля

В 0 и питании датчика 1 от генератора 4 переменного тока через входные электроды 2 и 3 протекает ток питания 31, через делитель 5 также протекает ток 3, так как плечи делителя 5 выполняют из резисторов с.одинаковыми значенияии сопротивлений, а сопротивления плеч датчика 1, а именно: сопротивление плеч между одним выходным электродом 2 и двугля выходными электродами 6 и 7 равно сопротивлению плеча между другим входным электродом 3 и двумя выходными электродаии б и 7. Потенциал делителя 5 в средней точке и потен- циалы датчика ца выходных электродах б и 7 равны, определяют (устанавливают) средний потенциал датчика 1 °

Благодаря гальваническому соединению потенциала точки среднего вывода трансформатора и общей точки дифференциального усилителя 13, все эти точки представляют между собой одну эквипотенциальную линию 0 . Вся схема в этом случае уравновешена и выходное напряжение дифференциально;го усилителя 13.равно нулю.

При воздействии магнитного поля на выходных электродах б и 7 датчика 1 появляется холловская ЭДС ем, которая через первичную обмотку индуктируется во вторичную обмотку 10.

При этом на выводах 11 и 12 относительно общего вывода возникают равные по величине, но противоположные по знаку напря><ения U и U . Эти нап-. ряжения поступают. на первый и второй входы дифференциального усилителя 13, выходное напряжение 0 „,„ которого пропорционально измеряемому магнитному полю В, а именно

0ЬЫх =k<(U -U )=kgB, где 08,х — выходное напряжение дифференциального усилителя 13, U †.приращение напряжения между выводами 11 и средним выводом трансформатора 9.

U — приращение напряжения между выводами 12 и средним выводом трансформатора 9. коэффициент усиления усилителя; коэффициент передачи всего измерительного тракта;

8 — измеряемое магнитное поле.

Магнитометр (фиг. 2) состоит из датчика 14 Холла, токовыми элЕктродами подключенного к резистору 15, холловскими электродами — к усилителю

1б, на выходе которого имеется регистрирующий прибор 17, второго резистора 18, делителя 19 и 20, подключенного к токовым электродам датчика 1, усилитель выполнен по дифференциальной схеме с первым и вторым входами, подсоединенными соответственно к холловским электродам датчика 1, а с выхода усилителя 1б íà его входы через второй резистор 18 цепь параллельной ООС по напряжению, при958991

UВЫХ о . 3

5 чем первый резистор 15 включен между одним холловским и одним токовым электродом датчика 1. Соединительные линии заэкранированы и соединены между собой в точке 21. Питается датчик от источника 22. 5

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии магнитного поля

B=O, эквивалентную схему датчика холла можно представить в виде мос- 10 товой схемы. Сопротивление небаланса датчика R« возникает из-за ассиметричности расположения Холловских электродов, но Ва т можно устранить вводом сопротивления компен- 15 сации резистора 15 в случае временного или температурного разбаланса .(эти условия для датчика можно создать и принудительным путем). .При воздействии магнитного поля в датчике 14 на холловских электродах возникают напряжения Ux и Ux .. Эти напряжения, равные по зйачений, но противоположные по знаку, поступают на входы дифференциального усилите- ля 16. В этом случае на его выходе появляется напряжение Ua описываемое соотношением где 0 — выходное напряжение усилителя 16 при воздействии магнитного поля В;

0„ - напряжение холловской. ЭДС

1 между электродом 6 и средней точкой делителя 19;

Ux — напряжение холловской ЭДС между электродом 7 и средней точкой делителя 19; коэффициент усиления усили- 40 теля 16; — коэффициент передачи всего измерительного тракта.

Помимо всего этого для более устойчивой работы датчика 14 и диффе- 45 ренциального усилителя 16 с его выхода через резистор 18 на его вход образована цепь параллельной .ООС по напряжению, благодаря этому R „ усилителя 16 повышается, и датчик 14 работает в режиме холостого хода.

Для большей эффективности помехозащищенности и стабильности параметров соединительной линии, резисторы делителя выполнены в виде индуктивностей, так как их.погрешность.составляет наименьшую величину порядка

10, что позволяет точнее произвести компенсацию плеч двух мостов с учетом именно сопротивлений соединительных проводов. Поэтому в качестве источни- 60 ка 22 применен генератор переменного тока. Кроме того, все соединительные линии, соединяющие датчик, вход уси лителя и делитель размещены в экранах, которые подсоединяются друг 65 другу в одной точке корпуса магнитометра.

Вариант устройства (фиг. 3) на магниторезисторе 23 дополнен регулировочными резисторами 24 и 25.

При воздействии магнитного поля на первом и втором входах относительно общего входа усилителя пОярлЯются два приращения напряжений U и U .

Благодаря тому, что резисторы 26 и 27 делителя равны по значению, эти приращения О > и 0 3 равны по величи це, но противоположны по знаку.

Тогда на выходе усилителя имеем выходное напряжение где k — коэффициент передачи измерительного тракта;

В -. величина воздействующего магнитного поля.

Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что при соотношении между. го (начальным сопротивлением) магниторезистора 23 и резисторами 26 и 27, подключенными к нему, коэффициент передачи по напряжению высок в случае, если различие между г, и и ь, К7-, не менее чем в

5 раз.

Вариант устройства (фиг. 4) содержит усилитель 28.

Благодаря минимизации нелинейности характеристики преобразования магниторезистора значительно повышается точность измерений на порядок за счет разностей схемы измерения магнитометра. Предлагаемый магнитометр позволяет измерять постоянное, переменные и импульсные магнитные поля в широком диапазоне измеряемых магнитных полей и в широком диапазоне рабочих температур от 300 до 2 К;

3а счет разностной схемы измерений магнитометра значительно уменьшается ! проявление дестабилизирующих факторовизменение сопротивлений соединительных проводов, влияние синфазной наводки и т.д.

На основе предлагаемого магнитометра возможно создавать различные устройства с линейной характеристикой преобразования. Следует отметить и положительный эффект, создаваемый магнитометром за счет результатов измерений, получаемых от этого прибора с улучшенными параметрами. Од» нако в связи с отсутствием экономических данных, получаемых от результатов измерений, данный расчет не представляется возможным.

Для данного способа и устройств его реализующих отмечается: отсутствие на выходе дифференциальной схемы квадратных (четных) составляющих, что позволяет уменьшить нелинейность характеристики преобразования более, \ 7

I.) 50991

Формула изобретения

Фи41

Фиа2 чем па порядок или что то же самое, линеаризацию повысить более, чем на порядок.

В устройствах, реализующих способ; можно повысить чувствительность и точность. У магнитометров станет класс точности 0,2-0,1.

1. Способ измерения магнитного поля путем воздействия на выходной сигнал при протекании через датчик тока питания, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, чтс,. а целью повышения точности и помехозащищенности, при отсутствии магнитного поля. Устанавливают средний потенциал датчика, создаваемый током питания, соединяют точку установления среднего потенциала с точкой нулевого потенциала входной схемы, воздействуют магнитным полем и измеряют значения приращений напряжения на выходных электродах датчика.

2. Устройство для измерения магнитного поля содержащее датчик Холла,, подключенный холловскими электродами к усилителю, выход которого соединен З0 с регистрирующим прибором, и резистор компенсации, подключенный между одним из токовых и одним холловских электродов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что он снабжен делителем, край- ЗУ иие выводы плеч которого подключены к токовым электродам датчика, усилитель выполнен дифференциальнь}м с резистивной отрицательной обратной связью по напряжению, а, величина 40 сопротивления резистора компенсации определена из следующего соотношения

I "П И

"к- р др

П1 П? где R}} — сопротивление между первым токовым и первым холловским электродом, к которым подключен резистор компенсации;

R„ - сопротивление, между другим холловским электродом и пер-, вым токовым.электродом;

d - величина, равная"отношению сопротивлений плеч делителя.

3. Устройство для измерения магнитного поля, содержащее магниторезистор., подключенный к усилителю с резистором отрицательной обратной связи, на выходе которого. подключен регистрирувщий прибор, о т л и ч а ю щ е е с я, тем, что он снабжен делителем, подключенным к электродам магниторезистора и состоящим иэ двух резисторов равной величины, и двумя регулировочними резисторами, первые выводы которых подсоединеий с электродами магниторезистора, вторые выводы подсоединены к первому и второму

}входам усилителя, а третьи выводы совместно со средней точкой делителя подсоединены к общему входу усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Афанасьев t0.Â. Магнитометрические преобразователи, приборы и установки. Л, "Энергия", 1972, с. 114-155 .

2. Авторское свидетельство СССР

Р 524146, кл. Я 01 и 33/06, 1976.

958991 фиа3

Составитель Г. Змиевская

Редактор л. Авраменко техред л.пекарь корректор.В. Бутяга

Заказ 7009/61 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород; ул. Проектная, 4