Способ определения составляющей вектора магнитной индукции

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 1830493)5 001 ЯЗЗ ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ с С)ф К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 21) 4856539/21(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ(57) Применение: измерительная техника, в частности для измерения параметров магнитного поля в области геофизических и космических исследований. Суть изобретения: способ определения составляющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направления основан на ориентации оси магниточувствительного преобразователя по упомянутому направлению и измерении выходного сигнала этого преобразователя, пропорционального измеряемой составляющей вектора магнитной индукции, ориентации магниточувствительного преобразователя так, чтобы он занял положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180 вокруг оси выбранного направления и после завершения ориентации мггниточувствительного преобразователя измерении значения составляющей вектора магнитной индукции; ориентации преобразователя, чтобы он занял положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 90 в любой плоскости, проходящей через ось выбранного направления, а затем измерении значения составляющей вектора магнитной индукции; ориентации преобразователя, чтобы он занял положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180" вокруг оси, перпендикулярной выбранному направлению и лежащей в плоскости поворота преобразователя, а затем измерении значения составляющей вектора магнитной индукции; вновь ориентации преобразователя так, чтобы он занял положение в пространстве, соответствующее его повороты на угол 90 в плоскости, перпендикулярной оси выбранного направления, а затем измерении значения составляющей вектора магнитной индукции; ориентации преобразователя так, чтобы он занял положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180 вокруг оси, перпендикулярной первой плоскости поворота и лежащей во второй плоскости поворота преобразователя, а затем измерении значения составляющей вектора магнитной индукции; после этого возвращении преобразователя в исходное положение, повернув его на угол 90 в третьей плоскости, ортогональной первой и второй плоскости поворота, и по измеренным значениям составляющих вектора магнитной индукции при соответствующих ориентациях упомянутого преобразователя определении значений трех ортогональных составляющих вектора магнитной индукции, две из которых перпендикулярны выбранному направлению, и ориентации магнитной оси этого преобразователя относительно выбранного направления. 4 ил.Изобретение относится к области измерительной техники и мокет быль использовано для измерения параметров магнитногополя (составляющих вектора и градиентавектора магнитной индукции), например, вобласти геофизических и космических исследований,Цель изобретения - повышение точности определения составляющей векторамагнитной индукции по оси выбранногонапоавления и расширение функциональных возможностей; заключающееся в определении ориентации магнитной осимагниточувствительного преобразователяотносительно выбранного награаления.На фиг,1 лзображены магниточувствительный преобразователь и ориентация егомагниткой оси относительно направленияоси ОУ декартовой системы координатОХУ 7.На фиг.2 изображены положения магнитной Оси маГниточувствительного преобразователя для измерения составляющихвектора магнитнол индукции,На фиг.З изображена структурная схемаустройства, реализующего способ определения составляющей вектора магнлтцой индукции по оси выбранного направления,На фиг.4 показано объем 08 лзображение поворотного устройства с магниточувствительным преобразователем, входвцИх вустройство, реализующее упомянуть л способ.Устройство для реалиэацил предлагаемого способа состоит (см, фиг,1, 3, 4) изоднокомпонетного магниточувствительного, например, ферроэондовогопреобразователя 1(см, фиг.З), усиллтельнопреобразовательно.о блока 2, регистрирующего прибора 3, генератора переменнойЭДС 4 иоворОТНОго устройства Ь, нагример, теодолита, содержащего (см. фиг.4) оп.тическую трубу 6, горизонтальную ось 7,вертикальный круг 8 с нанесенными рлсками угловых единиц, ориэантальный вращающийся круг 9, вилку теодолита 10,неподвижный горизонтальный кГ)уг 11 с нанесенными рисками угловых единиц, вертикаланую ось 12, жестко связанную с кругом11, При этом теодолит 5 выполнен из немагнитного материала, а феррозонд 1 расположен на оптической трубе 6 так, что его, геометрическая ось параллельна оси трубы6, Выход феррозонда 1 (см, фиг.З) подключен к первому входу блока 2, выход блока 2подключен ко входу регистрирующего прибора 3 и первому входу феррозонда 1, ввыходы генератора 4 подключены ко второму входу ферроэонда 1 и ко второму входаблока 2, Оптическая труба 6 установлена на горизонтальной оси 7, которая жестко связана с вертикальным кругом 8, Ось 7 располокена на вилке теодолита 10 с возмокностьювращения на 360, поэтому вертикальный5 круг 8 и труба 6 с феррозондом 1 могутвращаться в вертикальной плоскости на360", Вилка теодоллта 10 жестко связана сгоризонтально врацающимся кругом 9, выполненным с возможностью вращения на10 360 вокруг оси 12,Заявляемый способ реализуется посредством предлагаемого устройства следующим образом.На второй вход феррозонда 1 (см, фиг,З)подается с Генератора 4 переменная ЭДС,возбуждающая этот феррозонд, В результате этоО на выход 8 ф 8 рООэонДа 1 Г 10 ЯвляетсяЭДС второй гармоники, пропорциональнаяпроекцли вектора магнитной индукции на20 магнитную ось феррозонда 1(10,В,Афанасьев, Феррозондовь 8 приборы, Л., "Знергоатомиэдат", 1986, с, 66). Выходной сигнал сфсррозонда 1 усиллвается и детектируетсяв блоке 2, а затем подается на первый входф 8 рроэоДа 1, что ооесГ 18 чива 8 т ОтриЦательную обратную связь по измеряемой состевляощей веогорд магнитной индукции,При этом блок 2 состоит иэ избирательногоусллитегя, сицхроцого д-тсктора и интегОГ 1ратора, ВыхОДИОЙ сиГцал с блока 2, пропорциональный измеряемой составляющейВЕКТОРа МаГНИтНОЙ ИНДУКЦЛИ, СООтнетСтВУОщий п)оек 1 ил вектора магнитной индукцилнв магнии уо ось ферроэоцда 1, подаетсяна реглстрируОший поибор 3,Для определения соетавляюцей вектора маГнитнОЙ инДукЦии по выбранноиу ндправленик) прРдва 1)ительно Ориентируютпо этому направлению трубу 6 (см. фиГ,4),40 поваракивая ее в вортикальнол плоскостиьок)УГ Оси 7 и в ГориэонтальнОЙ плоскостивместе с вил кои тсодолитс 1 1 О. Ориентациюо тгической трубь, 6, например, определяютпо зна)ениям углов на горизонтальном кру 45 ге 11 и ца вертикальном круге 8, Предположим, что труба 6 (см, фиг,4) л геометрическаяОсь феррозонда 1 (см, фиг,1, 2) ориентированы по оси ОУ декартовой системы координат ОХУУ., Угол между проекцией магнитнол50 Оси 11 на плоскость ХОУ и направлением осиОУ обозначен через О 1, а угол между проекцией магнитьОй оси И на плоскость ХОУ инаправлением этой оси обозначен через 62,Углы О и О определяют ориентацию магнитной оси форрозода относТельно выбранного направления осл ОУ, Составляющаявекто 1)а магнитной индукцли В 1, измеренная с помоью реррозонда 1, будет иметьследуОщсе значени 8+Вт 31 пй,где Ву - значение составляющей вектора магнитной функции по оси выбранного на правления ОУ;Вх - значение составляющей вектора магнитной индукции по оси ОХ;В - значение составляющей вектора магнитной индукции по оси 07, 10Повернем трубу 6 (см. фиг.4), а вместе с ней и феррозонд 1 в плоскости ХОУ на угол 1800, а затем повернем трубу 6 с феррозондом 1 в плоскости УОЛ на угол 180. В этом случае магнитная ось феррозонда 1 будет 15 иметь положение 12 (см, фиг,2), что соответствует повороту феррозонда 1 (см, фиг,1) на угол 180 вокруг оси ОУ. Составляющая векторэ магнитной индукции 82, измеренная с помощью феррозонда 1, в этом случае будет 20 иметь значение 82 = Ву соз О 1 соз Ж + Вх 31 п О 1 соз- Вт 31 п .25Повернем трубу 6 (см. фиг.4) с феррозондом 1 в плоскости ХОУ на угол 90. В этом случае магнитная ось феррозонда 1 будет иметь положение 1 з (см. фиг,2), а составляющая вектора магнитной индукции 30 Вз, измеренная с помощью феррозонда, будет иметь значение Вз = Вх соз О 1 соз % Ву 3 и О 1 соз % 82 3 П б, 35 Повернем трубу 6 (см, фиг,4) с феррозондом 1 в плоскости Х 07 на угол 180, а затем повернем трубу 6 с феррозондом 1 в плоскости ХОУ на угол 180. В этом случае 40 магнитная ось феррозонда будет иметь положение 14 (см. фиг,2), что соответствует повороту феррозонда 1, когда его магнитная ось имела ориентацию 1 з на угол 180 вокруг оси ОХ. В этом случае составляю щая вектора магнитной индукции, измеренная с помощью феррозонда, будет иметь значение 84 =. В, соз О 1 соз+ Ву з 1 п О 1 соя Ог+ 50+ Вк 31 п бг. Повернем трубу 6 (см. фиг,4) с феррозондом 1 в плоскости Х 07 на угол 900, В этом случае магнитная ось феррозонда 1 55 будет иметь положение 15 (см. фиг,2), а составляющая вектора магнитной индукции Б 5, измеренная с помощью феррозонда, будет иметь значение 85 = 81 СОЗ О СОЗ Ж + Ву 3 П О 1 СОЗ Ог- Вх 3 П Ог. Повернем вилку теодолита 10 (см, фиг,4) с трубой 6 и феррозондом 1 вокруг вертикальной оси 12 на 180, 8 этом случае магнитная ось феррозонда 1 будет иметь положение Ь (см. фиг,2), а составляющая вектора магнитной индукции 86, измсренная с помощью феррозонда будет иметь значение Вб = 87 соз О 1 соз б Ву 31 п О 1 соз б ++ Вх 3 и Ог. Затем, повернув оптическую трубу 6(см, фиг,4) с феррозондом 1 вокруг горизонтальной оси 7(в плоскости УО) на 90, вернем эту трубу 6 с феррозондом 1 в исходное положение, при этом магнитная ось феррозонда 1 займет положение 11(см. фиг,2),Решая систему уравнений для 81 86 определим неизвестные параметры из следующих выражений: О 1 = агссд 81+ Вг+ Вз+ 84) хх (82 - 81+ 84 Вз),й = агсЩВЗ+ 84) хх (85 - В 5 + (81 + 82) Зфп М В, = - (Вз+ 84) зес О 1 зес бг;12 Ву = - (81+ 82) Зес О 1 Зес 62 1 В, = - (85+ Вз) зес О 1 зесй.12 Углы О 1 и Ог определяют ориентацию магнитной оси 11 (см. фиг.1) феррозонда 1 относительно выбранного направления пооси ОУ.Таким образом, предполагаемое техническое рещение обеспечиоает определение составляющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направления и двух составляющих вектора магнитной индукции, ортогональных этому направлению, исключая влияние поперечных полей на результат измерения, вызванных непараллельностью магнитной оси магниточувствительного преобразователя относительно оси выбранного направления измерения. Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает определение ориентации магнитной оси преобразователя относительно выбранного направления.Для реализации предлагаемого способа может быть использован магнитометр, состоящий из феррозонда, усилительно-преобразовательного блока, регистрирующего прибора и генератора переменной ЭДС, включенных по схеме на фиг,З, Поворотное устройство 5 (см. фиг,З) может быть выполнено на базе теодолита ТТ, у которого разрешающая способность по углу поворота составляет+2". При этом однокомпонентный феррозонд располагает на оптической трубе теодолита как и в известном устройстве,Предлагаемый способ по сравнению с известными техническими решениями, в частности, аналогом и прототипом обеспе ивает определение составляющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направления, исключая погрешность измерения этой составляющей, обусловленную в известных способах влиянием поперечного магнитного поля иэ-за погрешности ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразователя по выбранному направлению, что более чем на порядок повышает точность измерения составляющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направления, Кроме того, предлагаемый способ по сравнению с известными техническими решениями обеспечивает с высокой точностью (более чем на порядок) определение двух взаимно ортогональных составляющих вектора магнитной индукции, перпендикулярных выбранному направлению, и определение ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразователя относительно выбранного направления.Известные способы решают задачу измерения трех взаимно ортогональных составляющих вектора магнитной индукции. Однако эти способы не обеспечивают с требуемой в настоящее время точностьюопределение составляющей вектора магнитной индукции по выбранному произвольно направлению и определение двух взаимно ортогональных составляющих этого вектора, перпендикулярных выбранному направлению, Это обусловлено тем, что известные способы не обеспечивают решение задачи ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразователя относительно выбранного направления. За направление магнитной оси преобразователя в известных технических решениях, также как и в известном способе определение угла склонения и наклонения магнитного поля, принимают направление геометрической оси преобразователя или считают, что магнитная ось параллельна оси оптической трубы40 45 50 55 соответствующее его повороту на угол 180 вокруг оси выбранного направления, и после завершения ориентации магниточувствительного преобразователя измеряют значение составляющей вектора магнитной индукции, после этого ориентируют преобразователь так, чтобы он занял положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 90 в любой плоскости, проходящей через ось выбранного направления, а затем измеряют составляющую вектора магнитной индукции; потом ориентируют преобразователь так, чтобы занял положение в пространстве, соответствующее егоМоповороту на угол 180 вокруг оси. перпендикулярной выбранному направлению и лежащей в плоскости поворота преобразователя, а затем измеряют значение составляющей вектора магнитной индукции, вновь ориентируют преобразователь так, чтобы он занял положение в пространстве, соответтеодолита, Это приводит к существенной погрешности измерения составляющей вектора магнитной индукции, В известной работе показано, что смещение магнитной оси 5 может составлять примерно +0,5 относительно выбранного направления измерения, Результаты пусконаладочных работ магнитометрической аппаратуры свидетельствуют о том, что угол между магнитной 10 осью феррозонда и его геометрическойосью составляет до +2,5, что приводит к погрешности измерения составляющих вектора магнитной индукции, перпендикулярных, например, вектору геомагнитного поля 15 б10 нТл, в пределах до -2617 нТл, Пред 4лагаемый способ исключает эту погрешность измерения, что повышает точность определения составляющей вектора магнитной индукции по выбранному направле нию.Формула изобретения Способ определения составляющейвектора магнитной индукции по оси выбранного направления, заключающийся в изменении пространственной ориентации оси магниточувствительного преобразователя относительно упомянутого направления и измерении выходного сигнала этого преобразователя пропорционально измеряемойсоставляющей вектора магнитной индукции, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности опоеделения составляющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направления и определенияориентации магнитной оси магниточувствительного преобразователя относительно выбранного направления, ориентируют магниточувствительный преобразователь так, чтобы он занял положение в пространстве, 1830493 10оствующее его повороту на угол 90 в плоскости, перпендикулярной к оси выбранного направления, а затем измеряют значение составляющей вектора магнитной индукции, ориентируют преобразователь так, чтобы он занял положение в пространстве,о соответствующее его повороту на угол 180 вокруг оси, перпендикулярной к первой плоскости поворота и лежащей во второй плоскости поворота преобразователя, а затем измеряют значение составляющей вектора магнитной индукции, после этого возвращают преобразователь в исходное положение, повернув его на угол 90" в третьей плоскости, ортогональной первой и второй плоскостям поворота, и по измеренным 5 значениям составляющих вектора магнитной индукции при соответствующих ориентациях упомянутого преобразователя определяют ориентацию магнитной оси этого преобразователя относительно вы бранного направления и значение состаеля.ющей вектора магнитной индукции по этому направлению.1830493 Составитель Б. СмирновТехред М,Моргентал " Корректор С. Лиси авло дак Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгоро 01 ага Заказ 2521 Тираж Г 1 одписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5