Магнитометр

(5) 4 С 01 К 3 ИЕ ИЗОБРЕТМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОП Н АВТОР ель ств о СС СР 3/06, 1975, ство СССР 3/06, 1974 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(54)(57) МАГНИТОМЕТР, содержащий четырехполюсник с преобразователем Хол ла, первый и второй генераторы питания четырехполюсника, выходы каждого иэ которых подключены к одной из пар выводов четырехполюсника, два измерительных усилителя, входы которых соединены параллельно выходам первого и второго генераторов питания четырехполюсника, первый и второй фазочувствительные детектОры, первые сигнальные входы которых подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с .выходами первого и второго генераторов пита,801327025 ния четырехполюсника, а выходы - квходам первого сумматора, к выходукоторого подключен регистрирующийприбор, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения тонностиизмерения, он снабжен третьим и четвертым дополнительными генераторамипитания четырехполюсника с преобразователем Холла, подключенными ккаждой иэ его пар выводов, третьими четвертым фазочувствительными детекторами, первые сигнальные входыкоторых раздельно подключены к выходам измерительных усилителей, вторыевходы соединены с выходами третьегои четвертого генераторов питания четырехполюсника, а их выходы - к входам первого сумМатора, генераторомтактовых импульсов с перестраиваемойскважностью импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизациигенератора питания четырехполюсника,вторым сумматором, выход которогосоединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, а его входы - с выходами фазочувствительныхдетекторов.2 7025 1 13Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения магнитной индукции слабых постоянных магнитных полей.Известно устройство, содержащее преобразователь Холла в качестве первичйого преобразователя. Магнитометры слабых постоянных полей снабжаются системой автоматической компенсации дрейфа нуля преобразователя Холла (аддитивной погрешности измерения). Несмотря на то, что существует несколько разновидностей подобных систем, следует указать на общий принцип их построения - использование свойства необратимости преобразователя Холла.Принцип действия таких магнитометров основан на том, что у четырехполюсника с преобразователем Холла, помещенным в исследуемое магнитное поле, измеряют сопротивления К и К (или величины, пропорциональные им) и определяют искомую магнитную индукцию Вп. Магнитометры с автоматической коррекцией аддитивной погрешности могут быть одноканальными.Недостатком этого магнитометра является инерционность измерений и недостаточная чувствительность, которая ограничивается коммутационной способностью и уровнем помех используемых коммутаторов (как правило, электромеханических).Наиболее близким к изобретению ,является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла, два генератора питания четырехполюсника, выход каждого из которых подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, два селективных из.мерительных тракта (последовательно соединенные измерительный усилитель и фазочувствительный детектор), вход каждого из которых подключен к одной из пар выводов четырехполюсника параллельно выходу одного из генераторов питания, а их выходы подключены посредством алгебраического сумматора к регистрирующему прибору, При этом генератор, подключенный к первой паре выводов четырехполюсника, и селективный измерительный тракт, вход которого подключен к второй паре выводов четырехполюсника, настроены на одну частоту, а второй генератор питания и второй селективный измерительный тракт настроены на 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 другую частоту, а именно кратную частоте первого генератора в четное число раз, Такая структурная схемапозволяет ослабить дрейф нуля измерений в определенном динамическом диапазоне значений индукции магнитногополя.Недостатком данного магнитометраявляется низкая точность измеренияиндукции слабых магнитных полей.Вследствие того, что информативнаясоставляющая на выходе четырехполюсника с преобразователем Холла приизмерении индукции слабых магнитныхполей не превьппает одного милливольта, в то время как в этой цепи действует выходное напряжение смежногогенератора (более одного вольта), атакже поскольку один измерительныйтракт в магнитометре настроен на частоту, кратную частоте настройки второго измерительного тракта, то в этомслучае наблюдается так называемая"перекрестная помеха , Эта помехавозникает в измерительном тракте,настроенном на. более высокую частоту,за счет присутствия на его входе напрякения, создаваемого генераторомс более низкой частотой генерации,и вследствие нелинейности амплитуднойхарактеристики, этого тракта, т,е, приналичии напряжения определенной частоты на входе нелинейного измеритель -ного тракта, в последнем возникаютгармоники более высокого порядка,одна из которых, частота которой совпадает с частотой информационногосигнала в этом тракте, воспринимается как информативная составляющая,Цель изобретения - повышение точности измерений,Поставленная цель достигается тем,что магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла,первый и второй генераторы питаниячетырехполюсника, выходы каждого иэкоторых подключены к одной из парвыводов четырехполюсника, два измерительных усилителя, входы которых соединены параллепьно выходам первогои второго генераторов питания четы-.рехполюсника, первый и второй фазочувствительный детекторы, первыесигнальные входы которых подключенывк выходам измерительных усилителей,вторые входы соединены с выходамипервого и второго генераторов питания четырехполюсника, а выходы - квходам первого сумматора, к выходу которого подключен регистрирующий прибор, снабжен третьим и четвертым дополнительными генераторами питания четырехполюсника с преобразователями Холла, подключенными к каждой из его пар выводов, третьим и четвертым фазочувствительными детекторами, первые сигнальные входы которых раздельно подключены к выходам измерительных усилителей, вторые входы соединены с выходами третьего и четвертого генераторов питания четырехполюсника, а их выходы - к входам первого сумматора, генератором тактовых импульсов с перестраиваемой скважностью импульсов, выходы которого подключены к входам синхронизации генератора питания четырехполюсника, вторым сумматором, выход которого соединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, а его входы - с выходами всех фазочувствительных детекторов.На фиг,1 изображена блок-схема магнитометра; на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.Первый и второй генераторы 1 и 2 питания четырехполюсника подключены к одной иэ пар выводов четырехполюсника 3 с преобразователем Холла, К другой паре выводов четырехполюсника подключены третий и четвертый генераторы 4 и 5 питания четырехполюсника, Указанные генераторы синхронизируются генератором 6 тактовых импульсов с перестраиваемой скважностью импульсов, Устройство содержит также первый сумматор 7, К парам выводов четырехполюсника 3 подключены входы измерительных усилителей .8 и 9, к выходам которых подключены сигнальные входы первого, второго, третьего и четвертого фазочувствительных детекторов 10-13. Опорные входы первого и второго детекторов 10 и 11 раздельно подключены к выходам первого и второго генераторов 1 и 2, а опорные входы третьего и четвертого детекторов 12 и 13 - к выходам третьего и четвертого генераторов 4 и 5 соответственно. Выходы всех фазочувствительных детекторов подключены к входам первого и второго сумматоров 7 и 14. К выходу первого сумматора 7 подсоединен регистрирующий прибор 15, а скважностью импульсов генера 35 40 45 50 55 5 10 152530 тора 6 управляет сигнал, снимаемый с выхода второго сумматора 14,Устройство работает следующим образом.Генератор 6 тактовых импульсов формирует импульсы синхронизации генераторов 1, 2, 4 и 5 питания четырехполюсника (фиг, 2 а, б, в, г).Под воздействием импульсов синхронизации каждый из генераторов 1, 2, 5 4 в строго заданные. моменты времени вырабатывает импульсы управляющего тока стабильной амплитуды для питания четырехполюсника с преобразователем Холла, Причем каждый из двух генераторов, подключенных к однойпаре выводов четырехполюсника с преобразователем Холла, формирует прямоугольные импульсы тока, полярностькоторых противоположна полярностиимпульсов, формируемых смежным с нимгенератором, Таким образом, пары выводов четырехполюсника запитываются управляющими токами в виде последовательности разнесенных во времениуниполярных импульсов (фиг. 2 д для управляющего тока первой пары выводов четырехполюсника и фиг. 2 е для управляющего тока второй пары его выводов), При указанной форме управляющего тока выходные напряжениячетырехполюсника 3 с преобразователем Холла представляют собой последовательность прямоугольных .импульсов (фиг, 2 ж, з соответственно для одной и другой пары выводов).Выходные напряжения преобразователя Холла поступают на входы соответствующих измерительных усилителей 8 и 9, а затем детектируются посредством фазочувствительных детекторов 10-13. Поэтому напряжения Уо, Б, Б, и 11, на выходе фаэочувствительных детекторов прямо пропорциональны амплитудам импульсов выходных напряжений четырехполюсника 3.Эти напряжения подаются на входы сумматоров 7 и 14 в соответствующей фазировке, которая может быть обеспечена как за счет построения сумматоров с инвертирующими входами, так и за счет инвертирования напряжений непосредственно как на входах фаэочувствительных детекторов, так и на их выходах., Выходное напряжение второго сумматора 14 пропорционально остаточ- ному напряжению преобразователя Холла, а выходное напряжение первого5 132 702сумматора 7 пропорционально холловскому напряжению преобразователя (информационной составляющей),Ослабление взаимного влияния остаточного и холловского напряжений,которое можно достичь в данном магнитометре за счет разделения указанныхсигналов, находится в пределах от30 до 100 раз. С целью получения большего эфФекта сигнал, пропорциональный остаточному напряжению преобразователя Холла, с выхода второго сумматора 14 подается на управляющий входгенератора 6 тактовых импульсов. Информативная составляющая (холловское 15напряжение) с выхода первого сумматора 7 подается на регистрирующий прибор 15.Под воздействием выходного сигнала первого сумматора 7 (остаточного 20напряжения) генератор 6 тактовых импульсов. изменяет скважность импульсов, а следовательно, скважность им пульсоВ, вырабатываемых генераторамипитания четырехполюсника 3 с преобраэователем Холла. При этом изменяется мощность, подводимая к преобразователю Холла, Действительно, дляимпульсной мощности Р справедливовыражение 30Р= 1 К,1,где 1 - амплитудное значение управляющего тока преобразователя;К - сопротивление цепи преобразователя с управляющим током.Тогда, принимая, что сопротивления обеих пар электродов преобразователя равны между собой, и учитывая, 40что за период Т измерения преобразователь Холла запитывается четырьмя 5 бимпульсами, для средней мощности Рподводимой к преобразователю Холла, можно записать выражение1 у В. - ч 4 Е ЕР = 4)с Т, 8 где Я - скважность импульсов, вырабатываемых идним из генераторов питания, равная отношению периода их повторения Т, и длительности импульса ТИзменение скважности импульсов можно осуществить как эа счет изменения частоты следования импульсов, так и эа счет изменения их длительности,За счет изменения подводимой мощности к преобразователю Холла изменяется его температура и, соответственно, остаточное напряжение преобразователя, т,е. при соответствующей фаэировке цепей в рассматриваемой структурной схеме достигается отрицательная обратная связь по остаточному напряжению преобразователя эа счет поддержания его температуры на строго фиксированном уровне, Следовательно, в предлагаемом магнитометре обеспечивается температурная стабилизация преобразователя Холла и минимизация дрейфа остаточного напрякения, Достигаемый при этом эффект определяется глубиной отрицательной обратной связи по указанным параметрам, значение которой может быть легко обеспечено на уровне более трехсотТаким образом, результирующее ослабление аддитивной погрешности измерения в предлагаемом магнитометре составляет порядка 80 дВ, что на 50 дВ превышает ослабление, достигнутое в известном устройстве,327025Составитель Р.Змиевская Редактор М,Петрова ТехредВ.КадарКорректор В.Бутяга Заказ 3384/41 Тираж 730 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий .113035, Москва, Ж, Раушскав наб д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4