Магнитометр

(72) (53) (56) и" 13 04. 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1374,1562995607/18-2122.10.8030,07,88. Бюл, Оф 28Физико-технический институтСРИ,Н, Сапранков621.317.44(088.8)Авторское свидетельство ССС4156, кл, С 01 К 33/06,(54)(57) МАГНИТОМЕТР по авт, св.В 1374156, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повьппения точностив него введены последовательно соединенные преобразователь девиациикоэффициента связи между входной ивыходной цепями четырехполюсника вэлектрический сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувствительный детектор, второй входкоторого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход - свходом управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя.Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерения магнитной индукции слабых магнитных полей.Наиболее близким к изобретению является магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла и управляемым элементом перестройки коэффициентов связи между парами выводов четырехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четыре генератора питания четырехполюсника, попарно подключенные к входной и выходной парам его вы водов, два измерительных усилителя, вход каждого из которых раздельно. подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четыре фазочувствительных детектора, сигнальные входы 20 которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы - к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника, два алгебраических сумматора, входы 25 которых подсоединены к входам фазочувствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумматора, генератор тактовых импульсов 4 вход управления скваж ностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питания четырехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, и фазочувствительный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя р опорныи Вход к выходу генератора переменного тока, а его 4 О выход - к входу управления коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей 1.1.Однако указанный магнитометр имеет ограниченную точность из-за муль"45 типликативной погрешности, возникающей за счет нестабильности его чувствительности, Поскольку чувствительность преобразователя Холла является величиной стабильной в связи с термостабилизацией преобразователя, результирующая нестабильность чувствительности известного магнитометра определяется нестабильностью таких параметров, как коэффициенты передачи измерительных усилителей Ки К:. и фазочувствительных детекторов К, К, Кз, К 4 управляющих токов преобразователя Холла 1 у, 1 у 4,1 , 1 у, Для получения стабильнойу 4чувствительности магнитометра. необходимо обеспечить высокую стабильность каждого из перечисленных параметров. Так при требуемой нестабильности чувствительности магнитометра не более 0,17. необходимо достигнуть нестабильности указанныхпараметров не хуже 0,013. Таким образом, реализация прецизионного магнитометра по известной структурнойсхеме требует значительных затрат,что резко ограничивает сферу егоприменения.Цель изобретения - повышение точности измерения,Поставленная цель достигаетсятем, что в магнитометр, содержащийчетырехполюсник с преобразователемХолла и управляемым элементом перестройки коэффицентов связи междупарами выводов четырехполюсника,подключенным к генератору переменного тока, четыре генератора питаниячетырехполюсника, попарно подключенные к входной и выходной парам еговыводов, два измерительных усилителя, вход каждого из которых раздельно подключен к одной из пар выводовчетырехполюсника, четыре фазочувствительных детектора, сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, аопорные входы - к выходам соответствующих генераторов питания четырехполюсника два алгебраическихсумматора, входы которых подсоединены к выходам фазочувствительныхдетекторов, регистрирующий прибор,подключенный к выходу первого сумма-.тора, генератор тактовый импульсов,вход управления скважностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы - квходам синхронизации генераторов питания четырехполюсника, усилитель,вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, фазочувствительный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя,опорный вход - к выходу генераторапеременного тока, а выход - к входууправления коэффициентом передачиодного иэ измерительных усилителей,введены последовательно соединенныепреобразователь девиации коэффициента связи между входной и выходнойцепями четырехполюсника в электрический сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувствительный детектор, второй вход которого соединен с выходом гененатора переменного тока, а выход - с входом управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя.На фиг. 1 изображена блок-схема магнитометра; на фиг. 2 - принципиальная схема четырехполюсника с преобразователем Холла, управляемым элементом перестройки коэффициентов связи цепей четырехполюсника совместно с преобразователем девиации это" го коэффициента в электрический сигнал,Магнитометр содержит генераторы 1-4 питания, четырехполюсник 5 с преобразователем Холла, тактовый генератор 6, первый сумматор 7, первый 8 и второй 9 измерительные усилители, фазочувствительные детекторы 10. - 13, второй сумматор 14, регистрирующий прибор 15, усилитель 16, до полнительный фазочувствительный детектор 17, генератор 18 переменного тока, усилитель 19, подключенный к выходу сумматора 7 и выходу преобра, зователя 20 девиации коэффициента связи ежду входной и выходной цепями четырехполюсника в электрический сигнал, фазочувствительный детектор 21, сигнальный вход которого подсоединен к выходу усилителя 19, его опорный вход - к выходу генератора 18 переменного тока, а его выход - к входу управления коэффициентом передачи второго измерительного усилителя 9.40Четырехполюсник с преобразователем 22 Холла (фиг, 2), в котором последний соединен последовательно регулярно посредством трансформатора 23 с обратимым перестраиваемым четы рехполюсником, выполнен в виде мостовой схемы, составленной из высоко- стабильных резисторов 24-27. В качестве элемента перестройки коэффициента связи обратимого четырехполюсника используется высокостабиль 50 ный резистор 28, периодически подключаемый параллельно резистору 24 посредством электронного ключа 29 (в качестве которого показан транзистор). Вход управления электронным ключом (затвор транзистора) подключен к выходу генератора 18 переменного тока. В качестве преобразователя девиации используются элементы 28,29 и источник 30 эталонного напряжения.Устройство работает следующимобразом.Генераторы 1-4 питания четырехполюсника 5 с преобразователем Холла вырабатывают в различные строгоопределенные моменты времени импульсы управляющего тока прямоугольнойформы, которыми запитываются обе пары выводов четырехполюсника 5, Генераторы 1-4, подключенные к одной итой же паре выводов четырехполюсника 5, формируют импульсы противоположной полярности. Выходные напряжения четырехполюсника (напряжения,возникающие в цепи одной пары выводов во время действия импульсов управляющего тока в цепи другой парывыводов четырехполюсника) представляют собой импульсы напряжения прямоугольной формы.Выходные напряжения четырехполюсника 5 поступают на первый 8 и второй 9 измерительные усилители, а затем на фазочувствительные детекторы10-13.фазочувствительные детекторы 1 О 13 осуществляют синхронное детектирование импульсов, совпадающих во времени с опорными импульсами, поступающими с соответствующих генераторов 1-4.Выходные напряжения ц,П фазочувствительных детекторов 1013 подаются на сумматоры 7 и 14 такимобразом, что для выходного напряжения сумматора 7 выполняется соотношениеПЪт П П + П 2 П та для выходного напряжения П Н. сумматора 14 соотношениеПц П ПЛ + ПлПри условии равенства коэффициентов передачи Б, и Б измерительных трактов, т.е. при Б, = Б 2 = Б и при равенстве токов 1= П=11,у 1=1где Б = КО К 1 у + Ко К 21 У 2 Б 2 КьК 1 у+ КоК 1 у", о ф КбьК, - коэффициенты передачи измерительных усилителей 8 и 9,К -К - коэффициенты передачи фазоФчувствительных детекторов10-13,1 -1 - амплитудные значения импуль 5сов управляющего тока, создаваемых генераторами 1-4соответственно,на выходе первого сумматора 7 присутствует составляющая, пропорциональная остаточному напряжению, т.е.2 БК, где Р о - сопротивление,учитывающее электрическую асимметрию преобразователя Холла (или всего четырехполюсника), а на выходесумматора 14 - составляющая, пропорциональная холловскому напряжению,т.е, пропорциональная индукции измеряемого поля П2 Бд аВ Р)нормальная составляющая индукции, 2 оа - константа, характеризующая чувствительность преобразователя Холла.Инйормативная составляющая с выходавторого сумматора 14 подается нарегистрирующий прибор 15, а составляющая, пропорциональная остаточномунапряжению преобразователя Холла,используется в качестве управляющегосигнала для термостабилизации преобразователя Холла. При неравенствекоэффициентов передач измерительныхтрактов, т.е. при Б,Б, на выходе одного из сумматоров, а именно;в случае модуляции антивзаимной составляющей коэфйициентов передач че 35тырехполюсника - на выходе первогосумматора 7, а в случае модуляциивзаимной составляющей коффициентовпередачи цепей четырехполюсникана выходе второго сумматора 14, присутствует составляющая, амплитудакоторой пропорциональна разностизначений этих коэффициентов, т,е.П(ы) = (Б- Б)К(ы), где К(ы) - амплитудное значение отклонения сопро 45тивления связи от номинального значения, зависящего от частоты и) управляющего сигнала, Эта составляющаяизменяется во времени с частотой ыи усиливается посредством усилителя16, затем детектируется посредствомдополнительного фазочувствительногодетектора 17. Полученное на выходедополнительного йазочувствительногодетектора 17 напряжение использует 55ся в качестве сигнала управлениякоэффициентом передачи одного из измерительных усилителей, При этом вмагнитометре удается достичь нестабильность поддержания равенства ука.занных коэффициентов, не превышающую 0,01%,При наличии управляющего тока вцепи одной из пар выводов (например31,32) четырехполюсник в цепи второй пары его выводов (33,34) присутствуют четыре составляющих выходного напряжения, три из которыхобусловлены явлениями, происходящи-ми в преобразователе 22 Холла, ачетвертая составляющая определяетсявеличиной разбаланса обратимого четырехполюсника (мостовая схема изрезисторов 24-27, а также периодически подключаемого с частотой йрезистора 28). Разбаланс четырехполюсника (девиация коэффициентасвязи четырехполюсника К(а обусловлен подключением к резистору 24резистора 28, При этом амплитударазбаланса определяется соотношениемзначений указанных резисторов и,поскольку определяющие ее величиныстабильны, то и амплитуда разбаланса(девиация) является высокостабильной величиной, Подключение резистора 28 к источнику 30 эталонного напряжения сопровождается появлениемна выходе преобразователя девиациипульсирующего с частотой ю напряжения стабильной амплитуды, равнойЭДС источника 30 эталонного напряжения (так как предполагается, чтосопротивление замкнутого ключа -сопротивление канала открытого транзистора - пренебрежимо мало, а сопротивление разомкнутого ключа - бесконечно большое). Таким образом,данная схема обеспечивает стабильное значение К(ы) девиации коэффициента связи цепей четырехполасникаи вырабатывает синхронно изменяющееся переменное напряжение с амплитудой, равной ЭДС источника эталонного напряжения, т,е, стабильной амплитуды, Поскольку данная схемаобеспечивает модуляцию взаимной составляющей коэйфициентов связи четырехполюсника, то при ее использовании в магнитометре на выходе первого сумматора 7 наряду с постояннойсоставляющей напряжения Ж=2 БОК,)присутствует переменное напряжениев виде прямоугольных импульсов, следующих во времени с частотой шДля амплитуды этого напряжения справедливо выражениеТаким образом, при функционировании магнитометра на вход усилителя 19 через дополнительный сумматор поступают импульсное напряжение с выхода преобразователя девиации П (й) и напряжение П , с выхода пер" вого сумматора 7. Поскольку фазу одного из указанных напряжений подбирают противоположной фазе другого напряжения, то на входе усилителя 19 действует разностный сигналП Вх 19 Цо (ф) 2 Б оо (о) фамплитуда которого равна нулю толькопри выполнении условия2 Б(ц) По (ц)Поскольку величины П(о и К(М) высокостабильные, то нарушение последнего равенства является следствием отклонений значения коэффициента передачи Бо от номинального значения. Таким образом, разностное напряжение Пявляется информативной составляющей об отклонении текущего значения коэффициента передачи от его номинального значения, при этом амплитуда этой составляющей указывает абсолютное значение отклонения,а ее фаза - направление этого отклонения, Поэтому эта информативнаясоставляющая используется в предла гаемом магнитометре в качестве управляющего сигнала системы автоматической стабилизации коэффициента передачи Б , С этой целью информативнаясоставляющая усиливается (усилитель 1 О 19) и детектируется фазочувствительным детектором 21, затем с выходадетектора подается на вход управления коэффициента передачи второгоизмерительного усилителя 9Таким15 образом, в предлагаемом магнитьметре реализуется система автоматической подстройки коэффициента Б передачи за счет регулирования коэффициента передачи Ко одного из усилите лей. Поскольку данная система представляет собой замкнутую систему сотрицательной обратной связью, тоэффект уменьшения нестабильностикоэффициента передачи Бо за счет ее 25 реализации оценивается глубиной обратной связи, которая может быть дос:,тигнута более 10 . Это позволяет,энапример, свести исходную нестабильность коэффициента передачи Б , от носительное значение которой допус"- тим равно 5, до уровня 0,01% (сучетом конечной стабильности эталон, ных элементов: резисторов и источникаэталонного напряжения).1413566 Фиг. 2 Составитель Г.ЗмиевскаяТехред М,Дидык Корректор М,Шароши Редактор,Т.Лазоренко Заказ 3780/49 Тираж 772 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5