Устройство для измерения магнитных полей

Союз Советских Социаяистичесиих РеспубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ о 1779953(22) Заявлено 190778 (21) 2645126/18-21 с присоединением заявки Ио С 01 В 33/06 Государствеииый комитет СССР по делам изобретеиий и открытий.(23) Приоритет Опубликовано 15,11,80,6 юплетеиь Ио 42 Дата опубликования описания 15.11.80(72) Авторизобретения В.Е,Ефремов Дальневосточный ордена Трудового Красного Знамениполитехнический институт имени В.В.Куйбышева(54) УСТРОЙСТ ЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХПОЛЕЙ Изобретение относится к областимагнитных исследований и может бытьиспользовано для многоканальных,измерений на основе датчиков Холла, параметров низкочастотных магнитных 5полей н широком диапазоне значений,как при физических исследованиях,таки в ряде задач техники.Известны многоканальные устройства для измерения магнитных полей, содержащие Б датчиков Холла, соединенных последовательно между собой и сгенератором стабилизированного тока(здесь И-число каналов измерения) иН операционных усилителей с дифферен" 5циальными входами, имеющих цепи регулировки усиления и баланса и подключенных каждый к выходу соответствующего датчика, образуя с ним, темсамым, измерительный канал (1),Недостатками данного устройстваявляются необходимость использованияв нем нескольких операционных усилителей, а также принципиальная трудность создания большого количества 2каналов измерения из-за меньшего ослабления синфазного сигнала дифференциальными каскадами операционныхусилителей при росте величин этогосигнала и его флуктуаций, обуслов- Зо ленных температурными и временными нестабильностями сопротивлений токового канала датчиков Холла.Цель изобретения - повышение точности и чувствительности устройства,Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения маг нитных полей, содержащем Н датчиковХолла по числу каналов измерения, усилитель, генератор стабилизированного тока, соединенный с первым дат- чиком Холла и регистрирующий прибор, дополнительно введены Н"1 генераторов, последовательно соединенные перемножительи фильтр нижних частот, аналоговый коьеутатор, выполненный в виде Ы аналоговых ключей, синхрогенератор, нерестрайваемый по частоте и распределитель, причем первые входы ключей соединены с выходами соответствующих генераторов, вторые входы ключей - с первыми выходами рас- пределителя. Выходы ключей связаны со входом синхрогенератора, выход последнего - со вторым входом пере- множителя, первый вход которого через усилитель связан с соединенными параллельно между собой холловскими электродами всех датчиков, выход фильтра нижних частот - со входомрегистрирующего прибора, а управляющие входы перестройки частоты синхрогенератора подключены ко вторымвыходам распределителя.На чертеже изображена Функциональная схема устройства в варианте, обеспечивающем четыре канала измерения,т.е, для И = 4,Устройство в этом конкретном"варианте и полнения содержит четырегенератора 1, 2, 3 и 4 с различаю- ощимися частотами выходного сигнала,а также сами четыре датчика Холла 5,6, 7 и 8. Устройство также содержит . усилитель 9, аналоговый перемножитель10 и аналоговый коммутатор 11, состоящий здесь из четырех двухполярныханалоговых ключей 12, 13, 14 и 15,которые могут быть выполнены в видеодного функционального блока, напри мер; микросхемы, а также синхрогенератор 16. Кроме того, устройство со Одержит распределителЬ 17, включающийв себя источник 18 сигнала управленияи переключатели 19 и 20 выходных шинраспределителя, Состав устройства довершает фильтр нижних частот 21 и ре- дгистрирующий прибор 22, При этомобъединенные выходы датчиков 5, 6,7 и 8 Холла через усилитель 9 подключены к одному из входов перемножителя 10. Выход же последнего черезФильтр нижних частот 21 связан совходом регистрирующего прибора 22.Токовые электроды датчиков Холлаподключены к выходам генераторов 1,2, 3 и 4 куда подключены также сигнальные входы аналоговых ключей 12,13, 14 и 15 соответственно, входящих в аналоговый коммутатор 11. Выход последнего, т.е. объединенные выходы ключей, подключен к общему дляэтих ключей входу синхрогенератора 4016, выход которогЬ, в свою очередь,соединен со вторым из входов перемножителя 10, И =4 выходных шин распределителя, обслуживаемых переключателем 19, задействованы на управляю щие входы ключей 12-15, а другие выходные шины, относящиеся к переключателю 20 распределителя, - на управляющие входы перестройки диапазоновсинхронизатора 16,Количество данных ошин и входов тоже, предпочтительно, -по Б (при относительно малом числеканалов), но при реализации в устройстве очень большого числа каналов(много десятков или даже сотни) с неслишком большим разносом частоты между соседними каналами количество управляющих входов синхрогенератора может быть во сколько-то раз меньше М,:т,е. имеется возможность в таких случаях не слишком усложнять его, благо- Щ "даря использованию каждого диапазона(управляющего входа) настройки частоты синхрогенератора для несколькихее смежных значений (близкорасположенных частот генератора 1, 2). у Устройство работает следующим об:разом.С выходов генераторов 1, 2, 3 и 4 сигнал,. различных частот поступают на токовые электроды датчиков Холла )5, 6, 7 и 8 соответствнно и одновременно с этим на сигнальные входы ключей 12, 13, 14 и 15 соответственно, в аналоговом коммутаторе,11. Ключи коммутатора управляются от источника 18 сигнала управления посредством переключателя 19, обеспечивая таким образом на выходе коммутатора 11 только поочередное появление сигналов генераторов. Так, например, если элемент питания - просто источник постоянного тока, то переключателем 19 обеспечивается поочередная подача от него отпирающего (в изображенном варианте переключателя) или снятие запирающего (требуется соответственно измененное изображение переключателя) напряжений на входы (со входов)управления ключей, что соответствует наиболее распрастраненному принципу действия последних, При большой широте диапазона частот, охватываемого набором генераторов 1, 2, 3, когда уже становится затруднено использование неперестраиваемого синхрогенератора 16, одновременно с работой переключателя 19 осуществляют перестройку собственной частоты синхрогенератора посредством переключателя 20 так, чтобы она приблизительно равнялась частоте генератора выбранногоканала (это достигнуто порядком подключения элементов настройки синхрогенератора, т.е, его управляющих входов к выходным шинам переключателя 20) . Независимо от этого, при работе системы генератор работающегоканала дополнительно навязывает своючастоту, а также Фазу колебаний синхрогенераторуС объединенных холловских электродов всех датчиков сигналы разных частот (т.е, - как работающего, так ивсех неработающих в этот момент каналов) одновременно поступают на входотносительно широкополосного усилителя 9 (полоса частот должна обеспечивать усиление сигналов со всех датчиков) а затем на один из входов пе- .ремножителя 10 и умножаются последним на выходное напряжение синхрогенератора 16, поступающее на другой вход перемножителя), В силу закономерностей образования выходного сигнала датчика Холла, сигнал каждого из датчиков 5, 6, 7представляетсобой несущую генератора питания датчика, модулированную временной Фуйкцией величины измеряемого магнитногополя. После перемножения смеси таких сигналов (от всех датчиков) с выхода усилителя 9 и сигнала, имеющего частоту генератора канала, выбранного в данный момент (ключами коммутатора)в качестве работающего канала, образуется ряд гармоник, низшей из которых по частоте является как раэ временная функция величины магнитного по,ля, регистрируемого датчиком работающего канала. Конечно, необходимым условием этого является достаточное превышение разноса частот соседних каналов над частотой регистрируемого поля, что, однако, в случае низкочастотных полей легко достижимо даже при реализации сотен тесно расположенных каналов в одном таком устройстве. Из смЕшанного выходного сигнала перемножителя данный полезный сигнал (низший по частотному спектру) выделяется фильтром нижних частот 21 15 и поступает на регистрирующий прибор 22. Таким образом осуществляется развязка между каналами, то есть канал измерения в конкретный момент времени представлен датчиком Холла, питаю О щий генератор которого в этот момент времени синхронизирует (за счет соответствующего состояния ключей коммутатора) синхрогенератор.Как ясно иэ изложенного выше (ре 23 алиэуемого схемой) принципа селекции к ан алов, основным преимуществом предлагаемого устройства является применение лишь одного усилителя для всех каналов. Кроме того, достигается возможность резкого увеличения числа ка- ЗО налов. При хорошей линейности амплитудной и амплитудно-частотной характеристик, их количество может доходить до 200-300, так как выбором соответствующего порядка фильтра ниж них частот легко осуществляется требуемая степень развязки, Лег- Мо достигаемое здесь увеличение стеПени развязки (особенно в вариантах, ограниченных всего нес колькими десятками каналбв) ведет кулечшению фильтрации шумов и помех;а следовательно к повышению точностии чувствительности устройства в целом,Формула изобретенияУстройство для измерения магнитных полей, содержащее Я датчиков Холла по числу каналов измерения, усилитель, генератор стабилизированного тока;соединенный с первым датчиком Холла и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности устройства в него дополнительно введено Ы"1 генераторов, последовательно соединенные перемножитель и фильтр нижних частот, аналоговый коммутатор, выполненный в виде Б аналоговых ключей, синхрогенератор, перестраиваемь.й по частоте и распределитель, причем первые входы ключей соединены с выходами соответствующих генераторов, вторые входы ключей - с первыми входами распределителя, выходы ключей связаны со входом синхрогенератора, ,выход последнего - со вторым входом перемножителя, первый вход которого через усилитель связан с соединенными параллельно между собой холловскими электродами всех датчиков, выход фильтра нижних частот - со входом регистрирующего прибора, а управляющие входы перестройки частоты синхрогенератора подключены ко вторым выходам распределителя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 463934, кл. С 01 В 33/06, 1975.ВУжгород Проектная,Редактор Н,КЕМттЗакаэ 9333/ВНИИ ь Е.Данилина Граб Корре Составител оляда Техред Н 2 Тираж 101 ПИ Государственн о делам изобрете Москва, Ж,ППП Патент, Подписного комитета СССРий и открытийаушская наб., д, 4/ рН. Григорук