Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в устройствах для измерения модуля полного вектора напряженности магнитного поля Земли или околоземного пространства.6Известен протонный магнитометр, в котором использован эффект свободной прецессии протонов жидкости в магнитном поле и зависимость частоты6 этой прецессии от напряженности измеряемого магнитного поля. Магнитометр содержит датчик, состоящий из катушки индуктивности, в которой находит 5 ся амгула с рабочей жидкостью, кондея. сатор, подключенный параллельно выводам катушки, последовательно соединенных переключателя, подключенного.к выходу датчика, усилителя сигнала20 н частотомера, а также источника постоянного тока, который подключают к катушке индуктивности на время поляризации рабочего вещества. Поиск сигнала в данном устройс" ве осуществляется ручным переключением поддиапазонов усилителя и входного контура датчика, образованного из катушки индуктивности н конденсаторов, Поиск осуществляется с точностью до полосы пропускания усилителя и его входного контура 11.Недостатком устройства является ручной поиск сигнала прецессии.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии, содержащей датчик с рабочей жидкостью, катушка индуктивности которого с параллельно подключенной постоянной емкостью образует резонансный приемный контур и соединена с входом усилителя, схему поляризации протонов жидкости, а также последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ и частотомер и программное уст 88383530 ройство, первый вход которого соединен со схемой поляризации рабочеговещества, а второй - с управляемымвходом ключа 21.В известном магнитометре поиск5частоты прецессии, соответствующейизмеряемому магнитному полю, осущест-.вляется ступенчато с точностью до полосы пропускания узкополосного резонансного усилителя и его входного 10контура, образованного индуктивностью катушки датчика и подключаемойпостоянной емкостью, выбираемой измагазина емкостей. Возможная расстройка контура датчика относительно частоты прецессии, уменьшая .отношение сигнал/шум на входе усилителя,увеличивая скорость затухания сигналапрецессии и приводя к смещению частоты прецессии протонов в связанной сконтуром спиновой системе, увеличивает погрешность измерения.При изменении ориентации датчикав пространстве в сторону от оптимального по амплитуде снимаемого с негосигнала, последний уменьшается, чтоприводит к необходимости сниженияуровня порога, которым определяютсяграницы полосы пропускания каждогоиз узкополосных поддиапазонов, Последнее обстоятельство приводит 11 кувеличению возможной расстройки контура датФка относительно частотыпрецессии и увеличению погрешностиизмерения.Целью изобретения является повышение точности измерения путем плавногопоиска сигнала прецессии и уменьшениявремени измерения.1Поставленная цель достигается тем,что в протонный магнитометр с автома 40тическим поиском сигнала прецессии,содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий из ампулы (ячейки)с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совместно скатушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризациирабочего вещества, последовательносоединенные усилитель, подключенныйк приемному контуру, управляемый ключ 50и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого сое"динен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход - с управляемым входом ключа, введены схема обна" 55 ружения максимальной амплитуды сигнала, формирователь напряжения поиска, аналоговый перемножитель сигналов и дополнительная емкость, причем выход усилителя соединен со вхоцом схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала, выход которой соединен с одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формирователя соединен с одним из входов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом усилителя, выход аналогового перемножителя соединен через дополнительную емкость с входом усилителя, а третий выход программного устройства соединен со вторым входэм формирователя напряжения поиска,В предложенном магнитометре настройка контура датчика в резонанс с частотой прецессии осуществляется за счет эффекта управления умноже- нием емкости С 1 , включенной мекду выходом аналогового перемножитепя сигналов и входом усилителя. Возникающая при этом динамическая емкость Су присоединяется параллельно начальной емкости контура Со, с помощью которой он бып настроен на высшую частоту рабочего диапазона искомых частотС - С 1(К К, 1) где К - коэффициент передачи усилителя, К 1; К - коэффициент передачи аналого вым перемножителем напряжения с выхода усилителя, 1 Ъ К 1 О. Резонансная частота аГ, настройки контура датчика, таким образом, равна где- индуктивность катушки измерения датчика.При изменении коэффициента передачи аналогового перемножителя К 1 от нуля до единицы резонансная час",.ота контура датчика изменяется отдоИзменение коэффициента передачи К 1 аналового перемножителя сигналов осуществляется плавно путем подачи на его второй вход изменяющегося по величине однополярного напряжения поиска. Нулевое значение напряжения поиска с.оответствует значению К, =О, Для тсго,чтобы в перестраиваемый контур не вносилось заметное дополнительное затухание, достаточно обеспечить условиегде Йып - выходное сопротивлениеаналогового перемножителя,На чертеже представлена блокгсхемаОпротонного магнитометра с автоматичес 1ким поиском сигнала прецессии.Иагнитометр содержит датчик 1,срабочей жидкостью (газом), находя 5щийся в ампуле (ячейке) 2, индуктивная катушка 3 которого, подключеннаявместе с постоянной емкостью 4 параллельно инвертирующему входу широкополосного усилителя 5 постоянноготока, образует резонанснъ 1 й .С контур,26схему б поляризации рабочей жидкости(газа), соединенную с одним из выходов программного устройства 7, и частотомер 8, подключенный к выходу уси 25лителя через ключ 9, вход управлениякоторого соединен со вторым выходомпрограммного устройства 7,Выход усилителя 5 соединен со входом схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала. Выход схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала соединен с одним из входов формирователя 11 напряжения поиска. Выход формирователя 11 соединен с од 35 ним из входов аналогового перемножи- теля 12 сигналов. Второй вход аналогового перемножителя 12 соединен с выходом усилителя 5. Выход аналогово 40 го перемножщтеля 12 соединен через дополнительную емкость 13 с инвертирующим входом усилителя 5. Третий выход программного устройствасоединен со вторым входом Формирователя4 ф 11 напряжения поиска.Протонный магнитометр работаетследующим образом.По команде программного устройства 7 схема 6 поляризации производит поля-" ризацию рабочейжидкости (газа). После выключения поляризации вектор суммарной намагниченности рабочей жидкости (газа) совершает прецессионное двиМ жение вокруг вектора измеряемого поля, индуцируя при этом в индуктивной катушке 3 ЭДС с частотой прецессии, имеющую форму затухающей синусоиды. Частота прецессии равна (йп . При этом вьгполняется условиерппси с .ГръахВ исходном состоянии напряжение свыхода фоомирователя 11 напряженияпоиска равно нулю. Ключ 9 закрыт. Поэтому коэффициент передачи К 1 аналогового перемножителя 12 также равеннулю, так как выходное напряжение аналогового перемножителя 12 пропорцио-нально произведению напряжения с выхода усилителя 5 и напряжения поиска свыхода Формирователя 11, Резонансныйконтур, образованный индуктивностьюкатушки 3 и емкостями 4 и 13, настроен на частоту МрщПо команде программного устройства7 Формирователь 11 напряжения поисканачинает формировать монотонно нарастающее по абсолютной величине однополярное напряжение. В качестве формирователя 1 напряжения поиска можетбыть использован, например, ЙС-интег-,ратор, на вход которого по командепрограммного устройства подключаетсяпостоянное напряжение. При этом на выходе интегратора будет линейно нарастающее напряжение. Возрастаниенапряжения на выходе Формирователя1 напряжения поиска, приводя к увеличению коэффициента передачи аналогового перемножителя 12, вызывает пере-стройку резонансной частоты контурадатчика в сторону более низких частот за счет увеличения динампческойемкости С путем умножения емкости 13.При приближении частоты Мр настройки контура к частоте а 3 на выходеусилителя 5 появляется сигнал, превышающий некоторый, установленный всхеме 10 обнаружения максимальнойамплитуды сигнала, порог. Сигнал вклю.чает схему О и отключает постоянноенапряжение со входа интегратора формирователя 11. В качестве схемы 1 Ообнаружения максимальной амплитудысигнала может быть использован известный амплитудный выпрямитель, накопительная емкость которого подзаряжается лишь до тех пор, пока амплитудасигнала в последующем периоде повторения синусоидального сигнала с выхода усилителя 5 больше, чем в предыдущем. Достижение максимальной амплитудына выходе усилителя 5 соответствуетрезонансу в контуре датчика по отноше 3нию к частоте сигнала прецессии.Импульсы тока подзаряда накопительУной емкости используются для управлеформула изобретения Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии, содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий иэ ампулы и ячейки с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совме тно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого соединен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход - с управляемым входом ключа, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения пу",.ем плавнога поиска сигнала прецессии и уменьшения времени измерения, в него введены схемы обнаружения макси" мальнай амплитуды сигнала,формирователь напряжения поиска, аналоговый йеремнажитель сигналов и дополнктель- ная емкость, причем выход усилителя соединен, со входом схемы обнаружения максимальной .амплитуды сигнала, выход которой соединен е одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формирователя соединен с одним из вхо", дов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен свыходом усилителя, выход аналогового перемножителя соединен через дополни- тельную емкость с входом усилителя,а третий выход программного устройства соединен са вторым входом формирователя напряжения поиска. 30 7 88383 ния подачей на вход формирователя 11 напряжения поиска в виде импульсов постоянного напряжения, что приводит к дальнейшему, нарастанию напряжения на выходе формирователя 11 до тех пор, пока существуют импульсы подзаряда накопительной емкости, т.е. до выполнения условияцР =4 иПосле прекращения управляющих им,пульсов со схемы Опрекращается нарастание напряжения на выходе формирователя 11 и, таким образом, прекращается перестройка резонансного конту-. ра датчика. После этого по команде программного устройства 7 открывается ключ 9, и сигнал с выхода усилителя 5 поступает в частотомер 8 для измерения частоты сигнала прецессии.Повторение цикла поиска и измерения производится по команде от программного устройства 7, которое сбра" сывает в исходное состояние формирователь 11 и закрывает ключ 9.Предложенный магнитометр позволает произвести плавный поиск частоты прецессии и настроить резонансный вход-. ной контур точно на частоту сигнала прецессии (с точностью до чувствитель ности амплитудного выпрямителя схе мы 1 О) независимо от ориентациш дат чика. За счет этого уменьшается общая ногрейность измерения.действительно, при индуктивности катушки измерения датчика, равной 0,03 Гн, для перестройки ега резонансной частоты, например, ат 4 ОООТц до 750 Гц, что соответствует диапазону земных магнитных полей, требуется изменять емкост." контура от 53000 пф до 1,5 мкф.40Плавно изменяемой емкости в такам диапазоне емкостей не существует. В этом случае используется ступенчато коммутируемый магазин постоянных емкостей.В предложенном магнитаметре вместо магазина постоянных емкостей используется лишь одна постоянная емкость величиной, например 1000 пФ при К = 1500, 50Благодаря исключению времени, не" обходимого для коммутации магазина емкостей, сокращается время поиска сигнала. Это время сокращается до вре Мени, определяемого лишь параметра ми динамической частотной характеристики колебательного контура, т. е, определяемого соотношением добротности контура и скорости изменения напряжения поиска,В диапазоне частот от 750 до 400 Гц возможно осуществить плавный поиск и настройку контура датчика на низшую частоту сигнала прецессии за 100-150 мс. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 405097, кл. С 01 Ч 3/14, 1973.3 Авторское свидетельство СССР 9 64137 В, кл. О 01 Ч 3/14, 1979 (прототип)а Тираженного митет открыт ская н ретенчЖ4/5ЯПатент , г. Ужгород, ул. Проектна Составитель В.актор О, Половка Техоеп Э.Фечо735 Заказ 0224770 ВНИИПИ Государс по делам из 113035 Москва