DE1466645C

DE1466645C - Magnetometer for measuring the intensity of a magnetic field and the components of this field

Info

Publication number: DE1466645C
Authority: DE
Inventors: Leon Paris Malnar
Original assignee: CSF-Compagnie Generale de Telegraphie, Paris
Publication date: 1972-11-02

Description

. Die Erfindung betrifft ein Magnetometer zur Messung der Intensität eines Magnetfeldes und der Komponenten dieses Feldes in einem vorbestimmten dreiachsigen Bezugssystem.. The invention relates to a magnetometer for measuring the intensity of a magnetic field and the Components of this field in a predetermined three-axis reference system.

Aus der USA.-Patentschrift 2 485 931 ist eine Vorrichtung zur Messung des Absolutwertes der Intensität eines Magnetfeldes mittels drei Magnetometereinheiten bekannt, die derart in einer festen Beziehung zueinander angeordnet sind, daß deren magnetische Hauptachsen senkrecht zueinander verlaufen. Die Spannungen, die in diesen Magnetometereinheiten induziert werden, sind den Komponenten des zu messenden Feldes in diesen Achsen proportional. Es handelt sich hierbei um eine mehrere Komponenten aufweisende aufwendige Vorrichtung.From US Pat. No. 2,485,931 a device for measuring the absolute value of the Intensity of a magnetic field known by means of three magnetometer units, which are so in a fixed Relation to each other are arranged that their main magnetic axes are perpendicular to each other. The voltages induced in these magnetometer units are the components proportional to the field to be measured in these axes. There are several Complex device comprising components.

Die USA.-Patentschrift 2749 506 beschreibt einU.S. Pat. No. 2,749,506 describes one

Magnetometer, bei dem ein Meßverfahren zur Messung des Feldes verwendet wird, welches auf der veränderlichen Sättigung eines Stabes aus magnetischem Material beruht. Diese veränderliche Sättigung ist eine Funktion der Komponente des zu messenden magnetischen Feldvektors in der Achse des Stabes. Ein derartiges Meßinstrument kann lediglich zur Feststellung der Amplitude und Richtung eines magnetischen Feldvektors verwendet werden. Es genügt, den Stab im Raum so auszurichten, bis man eine maximale Anzeige erhält, da dann der Stab gegenüber dem Magnetfeld ausgerichtet ist.Magnetometer, in which a measuring method is used to measure the field which is on the variable saturation of a rod made of magnetic material is based. This changeable saturation is a function of the component of the magnetic field vector to be measured in the axis of the staff. Such a measuring instrument can only be used to determine the amplitude and direction of a magnetic field vector can be used. It is sufficient to align the rod in the room so that until a maximum reading is obtained, as the rod is then aligned with the magnetic field.

Die zitierte USA.-Patentschrift beschreibt nun eine Vorrichtung, die es ermöglicht, die Amplitude und die Richtung des magnetischen Feldvektors festzustellen, und zwar mittels einer Anzahl von Meßstäben. Es handelt sich hierbei wiederum auch um eine kompliziert aufgebaute Vorrichtung.The cited USA. Patent now describes a device that enables the amplitude and determine the direction of the magnetic field vector by means of a number of measuring rods. Again, it is a complicated device.

Bekanntlich werden bei Magnetometern mit optischen Verstärkern mit. selektiver Fluoreszenz zur Messung des Magnetfeldes die bei bestimmten Stoffen auftretenden speziellen Besetzungsänderungen in speziellen Niveauthermen unter speziellen äußeren Bedingungen zur Messung des Magnetfeldes verwendet. Die physikalische Eigenart dieser Vorgänge läßt aber von Natur aus lediglich eine Messung des Absolutbetrages des Feldvektors zu und keinesfalls eine Messung der Richtung, was bedeutet, daß vom Betrieb her gesehen Messungen mit derartigen Magnetometern richtungsunabhängig sind.It is known that in magnetometers with optical amplifiers. selective fluorescence for Measurement of the magnetic field, the special changes in population that occur in certain substances special level thermals are used under special external conditions to measure the magnetic field. The physical peculiarity of these processes allows only a measurement of the nature of the Absolute amount of the field vector and by no means a measurement of the direction, which means that from From the point of view of operation, measurements with such magnetometers are direction-independent.

Der vorliegende Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, derartige spezielle Magnetometer so zu verbessern, daß nicht nur der Absolutbetrag des Feldvektors, sondern auch die Komponenten des Feldvektors und damit die Richtung des Feldvektors im Raum bestimmt werden können.The present invention is based on the object of providing such special magnetometers in this way improve that not only the absolute value of the field vector but also the components of the Field vector and thus the direction of the field vector in space can be determined.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Magnetometer ein Magnetometer mit einem optischen Verstärker mit selektiver Fluoreszenz ist, mit Einrichtungen, mittels welchen dem zu messenden Feld drei Wechselfelder überlagert werden, die längs der drei Achsen verlaufen und von denen jedes eine feste, vorbestimmte Frequenz hat und daß am Ausgang des Magnetometers mit optischem Verstärker mit selektiver Fluoreszenz Filter angeordnet sind, mit denen die drei Wechselfeldkomponenten entsprechend der drei vorbestimmten Frequenzen und eine kontinuierliche Komponente enthalten werden. Das Magnetometer, welches verwendet wird, kann ein Signal abgeben, dessen Frequenz dem Augenblickswert des zu messenden Feldes direkt proportional ist. Um nun die Richtungskosinus des zu messenden Feldes zu bestimmen, wird ein Kunstgriff verwendet, gemäß welchem die Intensität dieses zu messenden Feldes moduliert wird, und zwar mittels dreier Hilfswechselfelder, deren Richtungen und Frequenzen voneinander verschieden sind und steuerbar sind. Diese Superposition von Magnetfeldern wird nun durch das spezielle Magnetometer, und zwar durch das Magnetometer mit optischem Verstärker mit selektiver Fluoreszenz in ein frequenz-This object is achieved in that the magnetometer is a magnetometer with an optical one Amplifier with selective fluorescence is, with devices by means of which the field to be measured three alternating fields are superimposed, which run along the three axes and each of which is one fixed, predetermined frequency and that at the output of the magnetometer with optical amplifier with selective fluorescence filters are arranged, with which the three alternating field components accordingly of the three predetermined frequencies and a continuous component. The magnetometer that is used can emit a signal whose frequency corresponds to the instantaneous value is directly proportional to the field to be measured. In order to now determine the direction cosine of the to To determine the measuring field, an artifice is used according to which the intensity of this to be measured field is modulated, namely by means of three auxiliary alternating fields, their directions and frequencies are different from each other and are controllable. This superposition of magnetic fields is now through the special magnetometer, namely through the magnetometer with optical Amplifier with selective fluorescence in a frequency

moduliertes Signal.transformiert, welches nach Durchgang durch einen Frequenzdiskriminator ein Signalgemisch der Messung liefert, aus. welchem man die Amplitude des zu messenden Feldes und die drei Wechselkomponenten entnehmen kann,, die den Richtungskosinus des zu messenden Feldes proportional sind. Es müssen keine speziell angeordneten besonderen Meßorgane verwendet werden.modulated signal.transformed, which after passage delivers a composite signal of the measurement through a frequency discriminator. which one the Amplitude of the field to be measured and the three alternating components can be found, which is the direction cosine are proportional to the field to be measured. It doesn't have to be specially arranged special Measuring organs are used.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine optische Zelle vorgesehen sein, deren Resonanzfrequenz eine Funktion des angelegten Magnetfeldes ist und die einen Generator mit einstellbarer Frequenz aufweist, der ein Hochfrequenzfeld in der Zelle erzeugt, und es kann eine Rückkopplungsschleife vorgesehen sein, die eine Fotozelle aufweist, um die Frequenz des Feldes a.uf die Resonanzfrequenz der Zelle einzustellen, und der Ausgang des Magnetometers kann Vorrichtungen zur Messung dieser Resonanzfrequenz aufweisen und damit zur Messung des angelegten Feldes. Dabei kann mit besonderem Vorteil die Schleife einen Phasenkomparator aufweisen, der einerseits mit der Fotozelle verbunden ist und andererseits mit einem Modulator, der den Generator frequenzmoduliert und der einen Ausgang hat, der die Frequenzen des Generators überwacht. Mit ganz besonderem Vorteil können drei Felder durch drei Spulen, erzeugt werden, welche die Zelle umgeben, und deren Achsen in Richtung der drei Bezugsachsen ausgerichtet sind. Es kann vorteilhaft sein, daß die Meßvorrichtung einen Zähler aufweist, der die Frequenz π des Generators mißt, und eine Recheneinrichtung, welche die Größe n² erzeugt, und einen Wandler. Mit besonderem Vorteil können die Meßvorrichtungen einen Frequenzdiskriminator aufweisen, der mit dem Generator verbunden ist.In a preferred embodiment, an optical cell can be provided, the resonance frequency of which is a function of the applied magnetic field and which has an adjustable frequency generator which generates a high frequency field in the cell, and a feedback loop can be provided which has a photocell in order to to adjust the frequency of the field to the resonance frequency of the cell, and the output of the magnetometer can have devices for measuring this resonance frequency and thus for measuring the applied field. The loop can particularly advantageously have a phase comparator which is connected on the one hand to the photocell and on the other hand to a modulator which frequency-modulates the generator and which has an output that monitors the frequencies of the generator. With particular advantage, three fields can be generated by three coils which surround the cell and whose axes are aligned in the direction of the three reference axes. It can be advantageous for the measuring device to have a counter which measures the frequency π of the generator, and a computing device which generates the quantity n ² , and a converter. The measuring devices can particularly advantageously have a frequency discriminator which is connected to the generator.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter. Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung eingehend erläutert werden. Es zeigtThe invention is intended in the following description below. Reference to the figures of the drawing are explained in detail. It shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung, die das Prinzip der Erfindung erläutert,F i g. 1 is a schematic illustration that explains the principle of the invention,

F i g. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung und F i g. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In -Fig. 1 ist im Punkt 0 das kontinuierliche Magnetfeld H₀ aufgetragen, welches gemessen werden soll.F i g. 2 shows a circuit diagram of a first exemplary embodiment of the device according to the invention, and FIG. 3 shows a circuit diagram of a second exemplary embodiment of the device according to the invention.
In fig. 1, the continuous magnetic field H _{0 is} plotted at point 0, which is to be measured.

Diesem Punkt 0 ist ein Achsenkreuz Oxyz zugeordnet. An axis cross Oxyz is assigned to this point 0.

Das gestellte Problem besteht darin, gleichzeitig H₀ und dessen Projektionen H_0x, H_Oy, H_{0 z} auf die drei Achsen zu messen.The problem posed is to simultaneously _{measure H 0} and its projections H _0x , H _Oy , H _{0 z} onto the three axes.

Zu diesem Zweck sind gemäß der Erfindung Vorrichtungen vorgesehen, um längs der Achsen Ox, Oy, Oz drei magnetische Felder mit fester Richtung zu erzeugen, die jedoch eine veränderliche Intensität . haben, und zwar eine als Funktion der Zeit periodisch veränderliche Intensität, die gegeben wird durch:For this purpose, devices are provided according to the invention in order to generate three magnetic fields with a fixed direction along the axes Ox, Oy, Oz, but which have a variable intensity. have, namely an intensity which varies periodically as a function of time and which is given by:

Ox, H_x = H₁ sin W₁ ί, Ox, H _x = H ₁ sin W ₁ ί,

Oy, H_y = H₁ sin w₂i,
Oz, H_z — H₁ sin ω₃ί. Oy, H _y = H ₁ sin w ₂ i,
Oz, H _z - H ₁ sin ω ₃ ί.

Wenn O₁, a₂ und a₃ die Richtungswinkel des Feldes H₀ sind, so kann man die Komponenten, des resultierenden Feldes auf den drei Achsen wie folgt schreiben:If O ₁ , a ₂ and a _{3 are} the direction angles of the field H ₀ , the components of the resulting field can be written on the three axes as follows:

H₀ cos O₁ + H₁ sin W₁ ί,
H₀ cos (Z₂ + H₁ sin w₂i,H ₀ cos O ₁ + H ₁ sin W ₁ ί,
H ₀ cos (Z ₂ + H ₁ sin w ₂ i,

H₀ cos (Z₃ + H₁ sin ω₃ί.H ₀ cos (Z ₃ + H ₁ sin ω ₃ ί.

Nimmt man an, daß H₁ gegenüber H₀ klein ist, so kann man die Intensität des Feldes H, welches durch ein Magnetometer mit optischer Pumpe gemessen wird, wie folgt schreiben:Assuming that H ₁ is small compared to H ₀ , the intensity of the field H, which is measured by a magnetometer with an optical pump, can be written as follows:

1 / H H 1 / H H

H = H₀ / 1 + -ητ-y sin² ω_;ί + 2 -tj^T"cos a_;sin ω,ί. V n₀ ^- Hq H = H _0/1 + -ητ-y sin ² ω _; ί + 2 -tj ^ T "cos a _; sin ω, ί. V n ₀ ^ - Hq

Vernachlässigt man den AusdruckIf you neglect the expression

H\_H\_
HlSt.

so kann man die Feldstärke H wie folgt schreiben:so one can write the field strength H as follows:

1 /
H = H₀ y1 + 2 1 /
H = H ₀ y 1 + 2

cos α,· sin ω,ί .cos α, sin ω, ί.

Wenn man noch die Terme zweiter Ordnung vernachlässigt, so gilt:If one neglects the terms of the second order, then the following applies:

H = H₀ + H₁ cos (X₁ sin ω_χί
+ H₁ cos a₂ sin cu₂i
+ H₁ cos a₃ sin w₃i H = H ₀ + H ₁ cos (X ₁ sin ω _χ ί
+ H ₁ cos a ₂ sin cu ₂ i
+ H ₁ cos a ₃ sin w ₃ i

. Es genügt demnach, am Ausgang des Magnetometers ein Tiefpaßfilter zur Gewinnung von H₀ anzuordnen und drei Tiefpaßfilter, die auf W₁, w₂ und ω₃ eingestellt sind, um die Ausdrücke H₁ cos O₁, H₁ cos O₂, H₁ cos (Z₃ zu gewinnen, wobei H₁ bekannt ist, und daraus ergeben sich COSa₁, cos. a₂ und cos a₃. . It is therefore sufficient to arrange a low-pass filter at the output of the magnetometer to obtain H ₀ and three low-pass filters, which are set to W ₁ , w ₂ and ω ₃ , to express the expressions H ₁ cos O ₁ , H ₁ cos O ₂ , H ₁ cos (Z ₃ to be obtained, where H _{1 is} known, and this results in COSa ₁ , cos. a ₂ and cos a ₃ .

In F i g. 2 ist ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. In dieser Figur ist ein Magnetometer mit einer optischen Pumpe mit seinen üblichen Teilen dargestellt. Man erkennt die Resonanzzelle 1, die Lichtquelle 2, die photoelektrische Zelle 3, deren Ausgang mit dem Verstärker 4 verbunden ist und mit dem ersten Eingang des Phasenkomparators 5.In Fig. 2 shows a circuit diagram of a first exemplary embodiment. In this figure is a Magnetometer with an optical pump shown with its usual parts. You can see the resonance cell 1, the light source 2, the photoelectric cell 3, the output of which is connected to the amplifier 4 is and with the first input of the phase comparator 5.

Der zweite Eingang des Phasenkomparator nimmt das Ausgangssignal des Modulators 6 auf, der den Oszillator 7 steuert, welcher die Resonanzspulen 8 speist.The second input of the phase comparator receives the output signal of the modulator 6, which the Oscillator 7 controls which feeds resonance coils 8.

Der Oszillator 7 wird über eine: Rückkopplungsschleife gesteuert, welche den Servomechanismus 9 aufweist, der mit dem Ausgang des Komparators 5 verbunden ist.The oscillator 7 is controlled via a: feedback loop which controls the servomechanism 9 which is connected to the output of the comparator 5.

Die Frequenz des Oszillators 7 ist auf .die Resonanzfrequenz der Zelle eingestellt, und daraus ergibt sich eine Anzeige des Wertes des zu messendenThe frequency of the oscillator 7 is set to .the resonance frequency of the cell, and from it the result is a display of the value to be measured

Magnetfeldes. Diese Frequenz
Diskriminators 10 gemessen.Magnetic field. This frequency
Discriminator 10 measured.

Die im vorstehenden dargelegte Betriebsweise ist an sich bekannt und ist in der einschlägigen Literatur eingehend beschrieben worden. .The mode of operation set out above is known per se and can be found in the relevant literature has been described in detail. .

Gemäß der Erfindung ist die Resonanzzelle in den Feldern von drei Spulen angeordnet, deren Achsen ein rechtwinkliges Achsenkreuz bilden. Es handelt sich hierbei. um die Spulen 101, 102 und 103. Diese Spulen werden von den Generatoren 11, 12 und 13 gespeist. Diese Generatoren haben drei Frequenzen W₁, ω₂ und ω₃. Der Diskriminator 10 ist mit vier Filtern 110, 111, 112 und 113 verbunden.According to the invention, the resonance cell is arranged in the fields of three coils, the axes of which form a right-angled axis cross. It is here. around the coils 101, 102 and 103. These coils are fed by the generators 11, 12 and 13. These generators have three frequencies W ₁ , ω ₂ and ω ₃ . The discriminator 10 is connected to four filters 110, 111, 112 and 113.

Der Filter 110 ist ein Tiefpaßfilter, der eine Information abgibt, die sich auf das Feld H₀ bezieht.The filter 110 is a low-pass filter which outputs information relating to the field H ₀ .

•Die Filter 111, 112 und 113 sind Tiefpaßfilter, die auf die Frequenzen W₁ , ω₂ und w₃ eingestellt sind.The filters 111, 112 and 113 are low-pass filters that are set to the frequencies W ₁ , ω ₂ and w ₃ .

Am Ausgang eines jeden dieser Filter erhält man eine Information, die sich auf H_0x, H_{0 y}, H_{0 z} bezieht, d. h., man erhält die drei Richtungs-Cosinusse des Feldes in bezug auf die drei Achsen Ox, Oy, Oz der drei Spulen 101, 102 und 103.At the output of each of these filters, information relating to H _0x , H _{0 y} , H _{0 z} is obtained, ie the three directional cosines of the field with respect to the three axes Ox, Oy, Oz of the three are obtained Coils 101, 102 and 103.

Es ist klar, daß diese Achsen gegenüber H₀ feste Richtungen haben, d. h. gegenüber der Richtung des Erdmagnetfeldes, welches gemessen werden soll.It is clear that these axes have fixed directions with respect to H ₀ , ie with respect to the direction of the earth's magnetic field which is to be measured.

Es ist möglich, die drei Achsen in einem Fahrzeug anzuordnen, welches das Magnetometer trägt. Man kann die Ausgangsspannung der drei Filter verwenden, um eine Stabilisierung gegenüber der. Masse des Fahrzeuges zu erhalten.It is possible to arrange the three axles in a vehicle that carries the magnetometer. Man can use the output voltage of the three filters to stabilize against the. Dimensions of the vehicle.

F i g. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher nicht mehr H, sondernF i g. 3 shows a modified embodiment of the invention, in which no longer H, but

wird mittels eines H gemessen wird. Man kann zeigen, daß die Geis measured by means of an H. It can be shown that the Ge

nauigkeit der Messungen von cos O₁, cos a₂, cos a₃ besser ist, wenn man H² kennt. .accuracy of the measurements of cos O ₁ , cos a ₂ , cos a _{3 is} better if one knows H ^2. .

In diesem Schaltbild kennzeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in der F i g. 2. Der Diskriminator 10 ist durch einen Zähler 10 a ersetzt und mißt die Frequenz η des Generators 7. Ein arithmetisches Rechenwerk 11 nimmt die Zahl η auf und gibt die Größe n² ab. n² ist proportional zu H². Diese Größe wird durch den Wandler 14 in eine Spannung umgewandelt, wobei am Ausgang des Wandlers die Filter 110, 111, 112 und 113 angeordnet sind.In this circuit diagram, the same reference numerals denote the same parts as in FIG. 2. The discriminator 10 is replaced by a counter 10a and measures the frequency η of the generator 7. An arithmetic calculator 11 picks up the number η and outputs the quantity n ² . n ² is proportional to H ² . This variable is converted into a voltage by the converter 14, the filters 110, 111, 112 and 113 being arranged at the output of the converter.

Dieser Vorgang entspricht:This process corresponds to:

H² H ²

Hl {■St. {■

l + 2l + 2

cos a_; sincos a _; sin

Die Filter 111, 112 und 113 geben an ihren Ausgängen die entsprechenden Informationen ab, die sich auf cos a_1; cos a₂ und cos a₃ beziehen.The filters 111, 112 and 113 emit the corresponding information at their outputs, which relates to cos a _1; cos a ₂ and cos a ₃ .

Als Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung nicht beschränkt ist, sei angegeben, daß die Resonanzfrequenz/ des Magnetometers in der Größenordnung von 10^s Hz liegt.As an exemplary embodiment, to which the invention is not limited, it should be stated that the resonance frequency / of the magnetometer is in the order of magnitude of 10 ^s Hz.

Die Frequenzen f_x, f₂, /3 (die Kreisfrequenzen Cu₁, ü>₂; CU₃) sind in der Größenordnung von 10 ~⁴/. Um alle Zwischenmodulationseffekte auszuschalten, werden die Frequenzen Z₁, /₂, /₃ im Verhältnis 8, 10 und ,13 gehalten.The frequencies f _x , f ₂ , / 3 (the circular frequencies Cu ₁ , ü>₂; CU ₃ ) are of the order of 10 ~ ⁴ /. In order to switch off all intermediate modulation effects, the frequencies Z ₁ , / ₂ , / _{3 are kept} in the ratio 8, 10 and, 13.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

· 1. Magnetometer for measuring the intensity of a magnetic field and its components Field in a predetermined three-axis reference system, characterized in that that the magnetometer is a magnetometer with an optical amplifier with selective fluorescence (optical pump) is, with facilities by means of which the field to be measured three Alternating fields are superimposed, which run along the three axes and each of which is one fixed, predetermined frequency that at the output of the magnetometer with optical amplifier with selective fluorescence filters are arranged with which the three alternating field components corresponding to the three predetermined frequencies and a continuous component can be obtained.

2. Magnetometer according to claim 1, characterized in that an optical cell is provided whose resonance frequency is a function of the applied magnetic field and which an ultra-high frequency generator which generates a high frequency field in the cell that a feedback loop is provided which has a photocell to the frequency of the Field to adjust the resonance frequency of the cell that the output of the magnetometer Has devices for measuring this resonance frequency and thus for measuring the created field.

3. Magnetometer according to claim 2, characterized in that the loop has a comparator . has, which is connected on the one hand to the cell and on the other hand to a modulator that modulates the generator and which has an output that controls the frequency of the generator.

4. Magnetometer according to claim 3, characterized in that three fields through three coils which surround the cell and whose axes are in the direction of the three reference axes are aligned.

5. Magnetometer according to claim 4, characterized in that the measuring device has a counter which measures the frequency η of the generator, a computing ^{device which generates the variable n 2} , and a converter.

6. Magnetometer according to claim 4, characterized in that the measuring devices have a Have discriminator connected to the generator.