DE2656838C3

DE2656838C3 - Magnetometer

Info

Publication number: DE2656838C3
Application number: DE2656838A
Authority: DE
Inventors: Simon Belmont Mass. Foner (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-15
Publication date: 1980-12-18
Also published as: US4037149A; JPS6150277U; DE2656838A1; JPS5276972A; IL51029A; IL51029A0; DE2656838B2

Description

einer ersten zcitauiiängi
gekennzeichnet durch
— eine Einrichtung (164, 162) zum Anlegen eines Wechselstrom-Magnetfeld-Gradienten mit zwei-Die Erfindung betrifft ein Magnetometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Definitionsgemäß wird die Magnetisierungs-Einheit oder insbesondere die Einheit des magnetischen Moments im cgs-System von einem Magneten besessen, der aus zwei 1 cm beabstandeten Magnetpolen mit

b5 entgegengesetztem Vorzeichen und Einheitsstärke besteht Das magnetische Moment kann z. B. als Einheiten je g oder je cm³ ausgedrückt werdea Messungen des magnetischen Moments eines Werkstof-

fes sind in einigen Meßarten möglich, deren eine derzeit als Schwingproben-Magnetometer bekannt ist. So wird z. B. mit einem Schwingproben-Magnetometer zum Messen eines magnetischen Moments die FluGänderung gemessen, wenn eine Probe in einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld in Schwingungen versetzt wird (vgl. V-3-PS 29 46 948). Eine Sonde, wie z. B. ein induktiven- Spulen-Fühler, ist neben der in Schwingungen versetzten Probe angeordnet, um die Änderung des magnetischen Flusses zu erfassen, die durch die sich bewegende Spule erzeugt wird, und eine Bezugssonde ist neben einem Bezugsmagneten vorgesehen, um ein Signal mit bekannter Phasenbeziehung zur Bewegung der Probe abzugeben. Das Ausgangssignal, das die zum magnetischen Moment der Probe proportionale Änderung des magnetischen Flusses anzeigt, und das Bezugssignal werden differentiell verknüpft, um ein Null-Ausgangssignal nHpr pin niffprpnj-5ignaj »m erzeugen.

Es wurde auch bereits ein verbessertes Schwingproben-Magnetometer entwickelt (vgl. US-PS 34 96 459). Bei diesem verbesserten Magnetometer werden die Ausgangssignale von der Magnetometer-Sonde bei einer Frequenz analysiert, die eine Harmonische der Schwingungsfrequenz der Probe ist. Ein derartiges Magnetometer kann in vorteilhafter Weise auch eine Schaltung aufweisen, um phasenverschobene Signale einschließlich Wirbelströmen zu kompensieren (vgl. US-Patentanmeldung 5 13 090 vom 8. Oktober 1974).

Es 'vurde weiterhin ein Wechselkraft-Magnetometer entsprechend dem Schwingproben-Magnetometer entwickelt, bei dem aber Kraft auf eine Probe einwirkt, indem diese einem sich periodisch ändernden Magnetfeld-Gradienten ausgesetzt wird (»An Alternating Force Magnetometer«, Seite 547, Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1972, Band 5).

Es wurden weiterhin Magnetometer entwickelt, bei denen eine Probe in der Nähe einer Schwing-Spule vorgesehen ist. Bei derartigen Magnetometern wird ein Untergrund-Wechselstromsignal erzeugt, indem die Sonden-Spule im Bereich der Probe unter Einwirkung des angelegten rviagneiieides in Schwingungen versetzt ist. Das Wechselstrom-Ausgangssignal der Schwing-Spule gibt jedoch Inhomogenitäten des angelegten Feldes und inhomogene Felder wieder, die durch die Probe umgebenden Materialien oder andere äußere Faktoren erzeugt sind. Diese Abhängigkeit, die zeitabhängig sein kann, macht Messungen des Probenmoments durch ein Schwingspulen-Magnetometer für diese Untergrundfehler empfänglich.

Es ist schließlich ein Drehproben-Magnetometer beschrieben worden (vgl. die Aufsätze von P. J. Flanders: »Utilization of a Rotating Sample Magnetometer«, Review of Scientific Instruments, Band 41, Nr. 5, Seiten 697-710, Mai 1970 und von Stephen J. Hudgens: »Rotating Sample Magnetometer for Diamagnetic Measurements«, Seite 579, Review of Scientific Instruments, Band 44, Nr. 5, Mai 1973).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Magnetometer anzugeben, das störungsfrei Messungen des magnetischen Moments einer Probe ermöglicht

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale von dessen kennzeichnendem Teil gelöst

Erfindungsgemäß ist ein Magnetometer vorgesehen, bei dem wenigstens' zwei Ansteuer-Moden zum Anregen der Sonde und/oder Probe verwendet werden, so daß die Sonde ein magnetisches Moment anzeigt, das von beiden Ansteuer-Moden abhängt. Durch Analysieren oder Demodulieren dieses Ausgangssignales wird ein genaues Maß des magnetischen Moments frei von ί den Fehlern erhalten, die den herkömmlichen Magnetometern mit bewegten Elementen zugeordnet sind. Die Dual-Moden-Ansteuerung kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Die Sonde und die Probe können beide mit bestimmten Frequenzen oder mit aperiodischen

in Funktionen angeregt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Magnetometer aus einer sich bewegenden Probe und einer sich bewegenden Spule wird eine Probe in eine von verschiedenen vorbestimm-■·. ten Bewegungen angesteuert. Diese können periodische Kleinamplituden-, periodische Großamplituden- oder aperiodische Bewegungen sowie Translation und/oder

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Großamplituden Bewegung wird die Probe angesteuert

.'ο von einem Punkt, in dem das Vorliegen der Probe durch die Spulen nicht erfaßt wird, zu einer Stelle im Erfassungsbereich der Probe. Die Probe kann auch in periodischen oder aperiodischen Bewegungen in einem Bereich ganz innerhalb des Empfindlichkeitsbereiches der Spulen angesteuert werden, oder es kann eine Kombination aus periodischer und aperiodischer Probenbewegung verwendet werden. Um die zweite Ansteuer-Mode zu erzeugen, wird auch die Fühler- oder Sondenspule bei einer bestimmten Frequenz oder Mode bewegt. Eine relative Bewegung zwischen der Probe und der Sonde kann bei diesen Ausführungsbeispielen als weitere Ansteuer-Mode oder als Ersatz beigefügt werden, um z. B. die Probe in Schwingungen zu versetzen, wie dies z. B. bei der Produktionsüberwachung bzw. Gütekontrolle gewünscht wird. Die bekannte Kennlinie der relativen Bewegung zwischen Spule und Probe, eine der Ansteuer-Moden, wird dann zur Analyse des Sonden-Ausgangssignales für das magnetische Moment verwendet. Es ist auch möglich, Kombinationen der mehreren Moden einzusetzen. Die Moden können andere Funktionen umfassen. So kann z. B. eine zweite Mode eine periodische oder aperiodische Temperaturänderung oder ein optisches Eingangssignal aufweisen, das eine Modulation der ersten Mode liefert.

Das Ausgangssignal der Sonde enthält eine Signalkomponente bei der Frequenz, bei der die Spulen in Schwingungen versetzt sind, moduliert mit der Frequenz der Proben-Bewegung. Das magnetische Moment der Probe wird erfaßt, indem das Ausgangssignal bei len Summen- oder Differenz-Frequenzen beider Moden oder bei deren Harmonischen analysiert wird. Auf diese Weise können die Fehler im magnetischen Moment, die z. B. auf Untergrund-Feldern beruhen, die einer Ansteuer-Mode überlagert sind, wirkungsvoll durch Demodulierung bei Funktionen beider Ansteuer-Moden ausgeschlossen werden.

Die Vorteile der Erfindung werden auch bei einem Ausführungsbeispiel erreicht, bei dem in einer Mode sich ändernde Kräfte an der Probe anliegen, indem eine Spule nahe der Probe elektrisch angesteuert wird, um Magnetfelder mit zeitabhängigem Gradienten in der Nähe der Probe zu erzeugen. Entweder die Probe oder die Spule wird dann in einer zweiten Mode angesteuert Kräfte auf die Probe werden erfaßt und bsi beiden Moden analysiert, um die Anzeige des magnetischen Moments zu bewirken.
Eine zusätzliche relative Bewegung (allgemeine

Bewegung mit Verschiebung und/oder Rotation) zwischen der Probe und der Spule kann zusätzlich bei jedem Ausführungsbeispiel vorliegen oder in bestimmten Fällen für eine Ansteuer-Mode eingesetzt werden. Die elektrische Darstellung dieser relativen Bewegung wird dann bei der Analyse des Aiisgangssignales der Sonde verwendet, um das magnetische Moment der Probe zu erzeugen. Damit ermöglicht die Erfindung eine vorteilhafte Dual-Moden-Erfassung des magnetischen Moments von Gegenständen auf Fertigungsstraßen oder während der Verarbeitung, wo ein Zugang zum Gegenstand zeitweise möglich und dessen magnetisches Moment während einem oder mehreren Durchgängen des empfindlichen Sondenbereiches geprüft wird.

Die Erfindung sieht also einen Magnetometer vor, bei dem wenigstens zwei Ansteuer-Moden zum Erregen einer Sonde und/oder Probe verwendet werden, so daß

Hip SnnHp Has maanpticrhp Mnmpnt an^piut Hac vnn

beiden Ansteuer-Moden abhängt. Die Ansteuer-Moden können mit bestimmten Ansteuer-Frequenzen periodisch, aperiodisch sein oder einen Gleichanteil einer Mode aufweisen. Das Ausgangssignal der Sonde enthält Komponenten, die die Frequenz oder die Frequenzen der ersten Mode darstellen, die mit der Frequenz oder den Frequenzen der zweiten Mode moduliert ist. Dieses Sonden-Ausgangssignal wird dann analysiert, um das magnetische Moment der Probe als Funktion der Frequenz-Komponenten beider Ansteuer-Moden anzuzeigen, so daß Beiträge zum angezeigten magnetischen Moment von Untergrund-Signalen oder anderen Störungen ausgeschlossen werden, die bei Betrieb mit einer Mode vorliegen können. Das Mehr-Moden-Magnetometer ist bei zahlreichen Anwendungen für Produktionsüberwachung bzw. Gütekontrolle, Untersuchungen oder magnetischen Eigenschaften inhomogener Magnet-Werkstoffe sowie für allgemeine Messungen magnetischer Momente vorteilhaft. Das Prinzip eines Mehr-Moden-Magnetometers kann auch auf zahlreiche Moder, ausgedehnt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es ?«;igt

t-1 g. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäUen Magnetometers,

Fig.2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Magnetometer mit Schwing-Probe und Schwing-Spule,

Fig.3A ein Ausführungsbeispiel der Erfindung insbesondere für Großamplituden-Gleich-Bewegung,

Fig.3B ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für die gleiche Funktion wie in F i g. 3A,

F i g. 3C eine Überwachungsanlage mit den Schaltungen der F i g. 3A oder 3B,

F i g. 4A bis 4D Signale zur Erläuterung des Betriebs des erfindungsgemäßen Magnetometers,

Fig.5 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Magnetometer mit eingeprägter Kraft und Schwing-Probe, und

F i g. 6 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispieis der Erfindung mit einem Magnetometer mit eingeprägter Kraft und Schwing-Spule.

Die Erfindung sieht ein Magnetometer vor, bei dem zwei oder mehr Ansteuer-Moden oder -Frequenzen vorliegen. Im Magnetometer sind eine Probe und eine Spule angeordnet und in mehreren alternativen Kombinationen durch zwei bestimmte Moden oder Frequenzen so angesteuert, daß das erfaßte Signal Komponenten der ersten Mode aufweist, die mit Komponenten der zweiten Mode moduliert ist Die zur Analyse dieses Signals verwendete Schaltung wirkt auf das modulierte Signal ein, um Fehlersignale auszuschließen, die exklusiv bei jeder Mode auftreten. Ein derartiges Magnetometer und die zugeordnete Schaltung sind allgemein in einem Blockschaltbild in F i g. 1 dargestellt. Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Kombinationen der Mehr-Mode-Schwingprobe-, Schwingspule- und eingeprägter Kraft-Magnetometern werden weiter unten anhand

in bestimmter Schaltungen in den F i g. 2 bis 6 erläutsrt.

Das allgemeine Betriebsprinzip .der Erfindung wird anhand des Blockschaltbilds der F i g. 1 beschrieben. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, magnetisiert ein Magnetfeld B eine Probe 8 und wird durch «ine Sondenspule 6

γ, in der Nähe der Probe 8 erfaßt. (Eine andere Stelle f«r die Sonde 6 besteht darin, die Bewegung oder Kraft auf die Probe 8 durch ein Ansteuerglied 16 zu erfassen.) Die Prnbp. kann aurh pin Dauprmaffnpt spirv iinrl in Hipsprn Fall ist das äußere Feld B nicht erforderlich. Das Feld B kann transversal, longitudinal oder in jeder Orientierung zu Ansteuer-Mode, Feld oder Verschiebung sein. Zur Vereinfachung wird hier ein transversales Feld B angenommen. Zahlreiche Arten geeigneter Sondenspulen können verwendet werden (vgl. die oben angegebenen Literaturstellen).

Ein erstes und ein zweites Ansteuerglied 12 bzw. 16 sind vorgesehen und werden jeweils durch elektrische Signale von Spannungsquellen 10 bzw. 14 erregt, die mit verschiedenen Frequenzen Wl und W2 arbeiten. Die beiden Quellen 10 und 14 erzeugen allgemein Ausgangssignale für die erste bzw. zweite Mode und haben demgemäß verschiedene Frequenzspektren oder Signalformen.

Die Ausgangssignale der Ansteuerglieder 12 und 16 werden abhängig von der Anwendung des Magnetometers zur Spule 6 oder zur Probe 8 bei den verschiedenen Kombinationen gespeist. Auf diese Weise überträgt bei einem ersten Ausführungsbeispiel für ein Magnetometer mit sich bewegender Spule und sich bewegender Probe das Ansteuerglied 12 die Bewegung der ersten Mode zur Spule 6, während das Ansteuerglied 16 die Bewegung der zweiten Mode zur ProDe 8 übertragt. Allgemein können die Signalformen der beiden Ansteuer-Moden jeden beliebigen Verlauf haben. Die Signale können z. B. periodisch (einzige Frequenz oder komplex) oder aperiodisch oder Kombinationen davon sein. Sie können Klein- oder Großamplituden-Bewegung der Spule und/oder Sonde erzeugen. Die Probe kann einfach an der Spule vorbei angesteuert werden, und zwar durch ihren Empfindlichkeitsbereich hindurch von außerhalb mit herkömmlicher Translations-Kennzeichnung durch die Quellen 14 und/oder 10.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden die Wicklungen der Spule 6 mit dem Signal des Ansteuergliedes 12 erregt, um entsprechend einen zeitabhängigen Magnetfeld-Gradienten nahe der Probe 8 zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel des Magnetometers mit sich bewegender Spule und einwirkender Kraft wird die Erregung vom Ansteuerglied 16 zur Bewegung der Spule 6 für die zweite Mode der Erregung abgegeben. Bei einem Ausführungsbeispiel des Magnetometers mit sich bewegender Probe und einwirkender Kraft wird die Probe 8 abhängig vom Ausgangssignal des Ansteuergliedes 16 bewegt, und das Ansteuergiied 12 erregt die Spule 6, um ein Feld mit zeitabhängigem Gradienten zu erzeugen. Die durch die Ansteuerglieder 12 und 16 erzeugten Signale kennen jede allgemeine Form für periodische oder aperiodische

Bewegung (oder Magnetfeld-Änderungen) in Kleinoder Groüamplituden aufweisen. Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetometers mit sich bewegender Probe und einwirkender Kraft verwendet das Ansteuerglied 16, um die Probe 8 zu bewegen, und das Ansteuerglied 12, um die den Gradienten erzeugende Spule 6 zu bewegen, jedoch wird ein Gleichstrom durch die Spule 6 geschickt, um ein Magnetfeld mit konstantem Gradienten zu erzeugen, das durch das Ansteuerglied 12 bewegt wird. Selbstverständlich können auch zahlreiche zusätzliche Kombinationen zu den aufgezeigten Beispielen verwendet werden.

Bei den vier oben dargestellten Kombinationen gibt, das Ausgangssignal auf einer Leitung 17 den Einfluß einer Kombination von zwei oder mehr Ansteuer-Moden wieder. Das Ausgangssignal ist allgemein ein moduliertes Signal, das ein Signal aufweist, das das magnetische Moment der Probe 8 und den Verlauf dci zwei Ansteuer-Moden oder Frequenzen wiedergibt. Bei einem Ausf\.,irungsbeispiel mit sich bewegender Spule und sich bewegender Probe kann dieses Signal die Ausgangsspannung der Spule 6 sein. Für Ausführungsbeispiele mit sich bewegender Spule und einwirkender Kraft oder sich bewegender Probe und einwirkender Kraft ist es ein Signal, das die auf die Probe 8 einwirkende Kraft wiedergibt, wie diese z. B. durch einen mit der Probe 8 gekoppelten Wandler erfaßt wird.

Die hier beschriebenen Sonr'en-Meßumformer oder Wandler können ein induktives Bauelement (Spule), ein Kondensator, ein Elektrostriktions- oder Magnetostriktions-Bauelement, eine optische oder ähnliche Einheit sein, die die auf die Probe einwirkenden Kräfte, die Verschiebung der Probe oder den magnetischen Fluß von der Probe erfassen. Im allgemeinen erfaßt der Wandler die Wechselwirkung zwischen der Probe und den Ansteuer-Signalen als Anzeige des magnetischen Moments der Probe. Wenn der magnetische Fluß nahe der Probe erfaßt wird, kann dieser Wandler die Spule 6 sein. Wenn die auf die Probe einwirkenden Kräfte erfaßt werden, wird ein kraftempfindlicher Wandler nahe der Probe angebracht. Wenn ein starres Glied die Probe ansteuert, kann der Wandler an dieser gut außerhalb des Bereiches der auf die Probe einwirkenden Felder befestigt werden, um Störung bzw. Überlagerung mit den Ansteuer-Signalen möglichst klein zu machen.

In der F i g. 1 kann das Signal auf der Leitung 17 auf verschiedene Weisen verarbeitet werden. Wenn die beiden Moden periodische Signale verwenden, kann die Erfassung bei der Differenz-Frequenz (Wl)-(W2) in einem Fühler 18 oder bei der Summenfrequenz (Wl) + (W2) in einem Fühler 24 erfaßt werden. Die Signal-Fühler 18 und 24 sowie Fühler 22 und 20, die weiter unten beschrieben werden, können jeweils Spitzenwert-Fühler oder Mittelwert-Einrichtungen sein, wie z. B. phasenempfindliche Fühler, um das magnetische Moment der Probe anzuzeigen. Um die Demodulations-Bezugssignale bei den beiden Frequenzen W2 und Wl zu erzeugen, werden diese beiden zu einem Mischer 26 oder einem Mischer 28 gespeist, die das Signal (Wi) + (W2) bzw. das Signal (Wl)-fW2) erzeugen, die ihrerseits als Bezugssignale zu den Fühlern 24 und 18 gespeist werden. Eine Signalerfassung bei Harmonischen jeder verwendeten Frequenz in den Fühlern 18 und 24 ist auch möglich. Die Ausgangssignale der Fühler 18 und 24 können auch zu Verarbeitungsgliedern 25 und 27 gespeist werden, um mit (Wi)-(Wl) bzw. (Wi)+(W2) zu verarbeiten (vg! unten). Die Ausgangssignale der Fühler 18,20,22 und 2* können auch zu einer Kompensations- und Rückkopplungsschaltung gespeist werden (vgl. US-Patentanmeldung 5 13 090 vom 8. Oktober 1974). Wenn eine Ansteuer-Mode periodisch und die anderr nirhtperiodisch ist, wird das Signal auf der Leitung 17 zunächst bei der periodischen Frequenz W1 oder W2 im Fühler 20 bzw. 22 erfaßt und dann weiter in der Schaltung 21 oder 23 verarbeitet, z. B. durch Spitzenwert-Erfassung über einem Bezugspegel oder durch Erfassung des Ausgangs-

in signales als Funktion der Probenstellung. Dies kann z. B. verwendet werden, wenn die Probe nach der Sondenspule angesteuert wird, wie auf einem Förderer.

Die Vorteile einer Signalerfassung bei zwei Frequenzen oder zwei Moden oder deren Harmonischen liegen

15. darin, daß Fehler im Signal auf der Leitung 17 ausgeschlossen werden, die lediglich eine Frequenzkomponente (oder Mode) beeinflussen. Bestimmte iviOuG-^yStciiic üiiu uic mit uicScn jCW6iiä Zu cr^iciciiucfi Vorteile werden weiter unten näher beschrieben.

Ein erstts Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Schwingproben-Schwingspulen-Magnetometer ist in Fig. 2 dargestellt; Signale zur Erläuterung drs Betriebs dieses Ausführungsbeispiels sind in den F i g. 4A und 4B gezeigt.

Ein Wechselstrom-Ansteuerglied 30 in Fig.2 speist ein Wechselstrom-Ansteuersignal bei der ersten Frequenz Wl zu einem Ansteuer-Wandler 32. Der Ansteuer-Wandler 32 arbeitet vorzugsweise elektrostriktiv, magnetostriktiv oder elektromagnetisch. Eine Probe 34, deren magnetisches Moment gemessen werden soll, ist ?.uf einem Ansteuer-Stab 36 befestigt, der seinerseits am Wandler 32 angebracht ist. Durch den Wandler mit der Ansteuer-Frequenz Wl erzeugte Kräfte führen dadurch zu einer entsprechenden

3> Bewegung der Probe 34.

Auf einem Stab 38 odir einer anderen Ansteuer-Einrichtung neben der Probe 34 ist eine Sondenspule 40 vorgesehen, die Änderungen im Magnetfeld nahe der Probe 34 erfaßt. Die Spule 40 und die Probe 34 liegen beide in einem Bereich zwischen Polflächen 42 und 44 eines Magneten, der ein Magnetfeld B nahe der Probe erzeugt.

Ein zweites Wechselstrom-Ansteuergüed 46 steuert einen Wandler 48 mit einer Frequenz W2 an, wobei der Wandler 48 ähnlich zum Wandler 32 aufgebaut sein kann. Der Wandler 48 gibt eine periodische Kraft mit der Frequenz W2 an den Stab (Struktur) 38 ab, der seinerseits die Spule 40 in periodischer Bewegung ansteuert. Die Probe 34 kann bezüglich der Spule 40

so angeordnet sein, um die Grundschwingungen oder die Harmonischen der Ansteuer-Frequenzen zu erfassen (vgl. US-PS 34 96 459).

Eine erste Bezugssignal-Sonde 50 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Bewegung der Probe 34 darstellt, und hat vorzugsweise einen erregten Elektromagneten 52 (erregt durch Spannung Vl), der starr am Stab 36 befestigt ist Alternativ kann ein elektrostatischer Wandler, wie z.B. ein Schwingkondensator, verwendet werden; es ist auch möglich, für den Elektromagneten 52 einen Dauermagneten mit geeigneter Rückkopplung vorzusehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Bezugssignal-Sondenspule 54 um den Elektromagneten 52 vorgesehen, um entsprechend der Schwingung der Probe 34 ein erstes Bezugs-Ausgangssignal mit der Frequenz Wl zu erzeugen. Eine der Sonde 50 ähnliche zweite Bezugssonde 56 ist dem Stab 38 zugeordnet, um die Bewegung der Schwingspule 40 zu erfassen, und hat vorzuesweise

eine Spule 57 um einen Elektromagneten 60 (erregt durch die Spannung V2\ um ein zweites Bezugs-Ausgangssignal mit einer Frequenz W2 entsprechend der Schwingung der Spule 40 zu erzeugen. Die Sonden 50 und 56 sind nicht auf elektromagnetischen Betrieb beschränkt, sondern können auch elektrostatisch oder elektrooptisch usw. arbeiten.

Die Ausgangssignale der Sonden 50 und 56 werden zu einem Mischer 58 gespeist, der ein Ausgangssignal mit Frequenzkomponenten der Summe und der Differenz der beiden Eingangsfrequenzen' Wi und W2 erzeugt Der Mischer 58 kann auch Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor oder veränderliche Dämpfungsglieder und Phasenschieber für beide Eingangssignale Wi und W2 aufweisen, um die relative Amplitude und Phase der Signale Wi und lV2vordeir. Mischen einzustellen. Die in die Schwingspule 40 induzierte Spannung, die auch beide Frequenzkomponenten aufweist, wird zu einer Phasenschieber-Schaltung 61 gespeist, die das (W 1) ± f W2)-Signal verschiebt, um dessen Phase relativ zum Ausgangssigna! vom Mischer 58 einzustellen. Das Ausgangssignal des Mischers 58 wird zu einem Addierer 62 zusammen mit dem phasenverschobenen Ausgangssignal der Schaltung 61 gespeist Der Addierer 62 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Differenz zwischen dem Bezugs- und Spulen-Ausgangssignal mit Summen- und/oder Differenz-Frequenzen darstellt

Das Ausgangssignal des Addierers 62 wird zu einem phasenempfindlichen Fühler 64 gespeist, der Signale bei Frequenzen gleich der Summe oder Differenz der beiden Ansteuer-Frequenzen IVl und W2 erfaßt Der Fühler 64 empfängt ein Bezugs-Phasensignal von einem Mischer 66 mit ähnlichen Funktionen wie der Mischer 58, der ein Ausgangssignal mit Frequenzkomponenten gleich der Summe oder Differenz der Ansteuer-Frequenzen erzeugt, die von den jeweiligen Wechselstrom-Ansteuergliedern 30 und 46 empfangen werden. Alternativ kann der Fühler 64 auch die Signale von Bezugsquellen 50 und 56 empfangen, die zum Mischer 66 gespeist sind. Der Fühler 64 gibt ein Gleichstrom-Ausgangssignal an eine Verwertungsschaltung 68 ab, die vorzugsweise Ausgangsanzeigen aufweist, wie z. B. ein Schreiber, Rückkopplungs-Spannungserzeuger oder ein Korrelationsglied zur Anzeige der Ausgangssignale als Funktion von Lage, Zeit usw. Rückkopplung und Kompensation kann auch auf das Ausgangssignal des Fühlers 64 ansprechen (vgl. unten).

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem zwei oder mehr Ansteuer-Signale eingespeist werden, können zwei oder mehr Fühler verwendet werden, um Komponenten des Ausgangssignals bei Frequenzen zu erfassen, die gleich den verschiedenen Kombinationen der Ansteuer-Frequenzen sind.

Es kann auch ein Signal-Korrekturglied verwendet werden (vgl. US-Patentanmeldung 5 13 090), um eine Korrektur für Wirbelströme und andere phasenverschobene Effekte durchzuführen.

Bei einem anderen unten beschriebenen AusfUh· rungsbeispiel wird die Probe 34 nicht durch das Ansteüef glied 30 periodisch zur Spule 40 bewegt, sondern die Probe 34 fährt in einer Richtung wie auf einem Förderer von einem Punkt außerhalb der Spule 40 und deren Empfindlichkeit durch die Mitte der Spule 40 zu einem Punkt wiederum außerhalb der Empfindlichkeit der Spule. Diese Großamplituden-Verschiebung der Probe bezüglich des Fühlers kann abhängig von der für das Ansteuerglied 30 gewünschten Ansteuer-Funktion sinusförmig, periodisch oder aperiodisch erfolgen.

Wenn eine einzige Frequenz einer periodischen Ansteuerung als eine Mode und eine Großamplituden-Gleich-Eewegung wie auf einem Förderer vorgesehen sind, kann das Magnetometer in der in den Fig.3A und 3B gezeigten Weise aufgebaut sein. Das Magnetometer erzeugt ein Ausgangssignal abhängig von den Sonden-Ausgangssignalen bei jeder Ansteuer-Frequenz Wi oder W2 mit folgender Signalverarbeitung bei der

ίο anderen dieser Frequenzen oder Ansteuer-Signale. Im ersten Fall wird das Ausgangssignal der Sonde 50 bei Wi in einen Phasenschieber 70 phasenverschoben sowie in der Amplitude geändert und in einen Addierer 72 gespeist, der vorzugsweise ein Differenz-Addierer ist,

is und dort mit dem Ausgangssignal von der Spule 40 gemischt Das Ausgangssignal des Addierers 72 wird zu einem Fühler, wie z.B. einem phasenempfindlichen Fühler 74, gespeist, der auch ein Bezugs-Ausgangssignal vom Wechselstrom-Ansteuerglied 30 empfängt Das Gleichstrom-Ausgangssignal des Fühlers 74 stellt das magnetische Moment mit möglichen Fehlern von Umgebungseffekten dar und kann als Gleichstrom-Rückkopplungssignal zu einem Elektromagneten 52 zum automatischen (elektronischen) Abgleich des Magnetometer-Ausgangssignales gespeist werden. Ein Signal-Prozessor 78 oder ein Daten-Prozessor dient zur weiteren Analyse des Ausgangssignales des Fühlers 74 bei der zweiten Mode, die die relative Großamplituden-Verschiebung der Probe von der Spule 40 darstellt, um Umgebungsfehler-Pegel auszuschließen. Wie weiter unten näher erläutert wird, speist ein Ansteuerglied 114 für eine dritte Mode ein allgemeines drittes Ansteuersignal zur Spule 40 und ist mit einer Ver%ertungsschaltung 75 gekoppelt, die Information betreffend diese dritte Mode und das Ausgangssignal steuert und verarbeitet

Alternativ wird das Ausgangssignal der Sonde 56 bei der Frequenz W2 in einem Phasenschieber 80 phasenverschoben sowie in der Amplitude geändert und mit dem Ausgangssignal der Spule 40 in einem Addierer 82 gemischt (vgl. Fig.3B). Das Ausgangssignal des Addierers 82 wird dann an einem Fühler, wie z. B. einen phasenempfindlichen Fühler 84, abgegeben, der ein Bezugs-Ausgangssignal vom Wechselstrom-Ansteuer glied 46 empfängt und ein Gleichstrom-Ausgangssignal aufgrund Frequenzkomponenten im Ausgangssigna] des Fühlers 56 erzeugt. Das Ausgangssignal des Fühlers 84 stellt das magnetische Moment mit möglichen Fehlern von Umgebungseffekten dar und kann als Gleichstrom- Rückkopplungssignal zu einem Elektromagneten 60 zum automatischen Abgleich des Ausgangssignales der Spule 40 gespeist werden. Das Gleichstrom-Ausgangssignal des Fühlers 84 wird an einen Signal-Prozessor 86 zur weiteren Analyse entsprechend dem Verlauf der anderen Mode abgegeben werden. Die Ausgangssignale der jeweiligen Fühler 74 und 84 können auf ähnliche Weise an eine Signal-Korrektur und -Kompensationsschaltung abgegeben werden (vgl. US-Patentanmeldung 5 13 090), um phasenverschobene Effekte zu korrigie ren. Das Ausgangssignal der Spule 40 kann bei Harmonischen von einer oder mehr Ansteuer-Frequenzen erfaßt werden (vgl. US-PS 34 96 459).

Die F i g. 3C zeigt eine Anwendung der Schaltungen der Fig.3A oder 3B (insbesondere Fig.3B) auf die Erfassung des magnetischen Moments einer Probe 71 auf einem Förderer 73. Die Probe 71 wird nach der Spule 40 so angesteuert, daß das Ausgangssignal der Spule 40 von einem die Untergrundsignale darstellen-

den Umgebungspegel auf einen Spitzenwert ansteigt, wenn die Probe 71 im Empfindlichkeitsbereich der Spule 40 ist, und dann fällt das Ausgangssignal auf den Umgebungspegel ab. Hierzu ist der Prozessor 86 (oder 78) ein Lesegerät für einen relativen Spitzenwert, das ein Ausgangssigna] abgibt, das die Differenz zwischen dem Spitzenwert und dem Umgebungssignal (Maximum-Minimum) vom Fühler 84 (oder 74) darstellt Eine Verwertungsschaltung 75 kann auf dieses Signal ansprechen, um eine Förderer-Rückkopplungsschleife 77 über Schalter 79 so zu steuern, daß die Probe 71 erneut in einem Prozessor 81 verarbeitet wird, wenn die erfaßte Spitzenwert-Differenz, das magnetische Moment, außerhalb eines annehmbaren Bereiches liegt Der Prozessor 81 kann mehrere Funktionen erfüllen, wie z.B. ein Ofen zur Wärmebehandlung, eine Magnet-Vorrichtung zum magnetischen Ändern des Dauerfeldes der Probe oder zum Entmagnetisieren der Probe oder ein metallurgischer Prozessor, der die Proben-Zusammensetzung oder das Proben-Gewicht ändert Der Daten-Prozessor 86 kann auch das magnetische Moment je Masseneinheit berechnen, indem er auf das Ausgangssignal von einer Wiegestation 85 in der Schleife 77 oder auf dem Förderer 73 anspricht Wenn zusätzlich das Ausgangssignal der Probe unterhalb einer gegebenen Grenze liegt, kann der Prozessor 86 Schalter 79 steuern, um die Probe in einer Richtung periodisch nach der Spule 40 zu behandeln, damit die Signale für jeden Durchgang integriert oder addiert werden, bis der Rauschabstand für eine genaue Anzeige ausreichend ist Als anderes Beispiel kann eine Standardprobe in die Schleife als Vergleichswerkstoff eingeführt werden, um die Verarbeitung durch das Glied 81 zu überwachen. Wiederum können programmierte Antworten der Station 85 und des Prozessors 86 zur Steuerung der Förderer-Strecke usw. eingesetzt werden.

Eine ähnliche Verwendung der Schaltung der F i g. 3A ist möglich, wenn die Probe in Schwingungen versetzt wird und die Spule 40 die Probe abtastet.

Der Betrieb der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wird anhand der F i g. 4A bis 4D näher erläutert. Das Ausgangssignal eines typischen Schwingspulen-Magnetometers ist in F i g. 4A dargestellt und hat einen sinusförmigen Verlauf, dessen Amplitude proportional zum magnetischen Moment der Probe ist, die einem

' Term beigefügt ist, der proportional zu jedem Magnetfeld-Gradienten ist, der durch benachbarte magnetische Werkstoffe und Feldinhomogenitäten

(Umgebungseffekte) hervorgerufen wird. Auf diese Weise ist die Ausgangsspannung eines herkömmlichen Schwingspulen-Magnetometers in erster Näherung

ίο gegeben durch:

V_oul = (aHo + b Hs) cos (Wl) t,

mit a = Konstante,

Ho=Magnetfeld-Inhomogenität aufgrund Einwirkungen, die nicht auf die Probe zurückgehen,

b = andere Konstante,
Hs= durch Probe erzeugte Feld-Inhomogenität, t = Zeit, und

W 2=Frequenz, mit der die Spule zu Bewegungen angesteuert ist

Es sei darauf verwiesen, daß die Summe der Beiträge der Probe und andere Beiträge erfaßt werden und zwischen diesen nicht unterschieden wird. Wenn erfindungsgemäß die Probe ebenfalls in Schwingungen versetzt wird, bewirkt dies, daß sich die Feld-Inhomogenität Hs₁ die durch das magnetische Moment der Probe jo erzeugt wird, als Funktion der Zeit mit der Schwing-Frequenz der Probe ändert. Diese Feld-Inhomogenität ist gegeben durch:

Hs = (cM)

mit c = Konstante,

M = magnetisches Moment der Probe, und Wi = Ansteuer-Frequenz der Proben-Schwingung.

Das Ausgangssignal des Schwingspulen- und Schwingproben-Magnetometers bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung am Ausgang der Spule 40 kann dann vorzugsweise wie folgt angegeben werden:

= (aHo + bHs) cos (W2)t

cos (W2)f + ^bcM [cos((Wl) + (W2))t + cos((Wl) - (W2))f].

Auf diese Weise enthält das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Magnetometers einen ersten Term proportional zur Feld-Inhomogenität, moduliert bei der Frequenz W2, der ohne Unterscheidung Effekte der Probe und anderer Felder einschließt (das übliche Ausgangssignal für ein Schwingspulen-Magnetometer), und einen zweiten Term proportional lediglich zum magnetischen Moment der Probe, die bei den Summen- und Differenz-Frequenzen (W\)±(W2) moduliert ist Auf diese Weise liefert die Erfassung des Ausgangssignals der Spule 40 bei der Summe oder Differenz der beiden Ansteuer-Frequenzen eine Anzeige des magnetischen Moments unabhängig von Fremdfeld-Inhomogenitäten Ho. Für eine allgemeinere Mode gilt Hs = c MF(t)m\t F(t) = beliebige Funktion von t.

Im oben gezeigten Beispiel der F i g. 2 wurde das Signal aufgrund unerwünschter Feld-Inhomogenitäten in Ho (gewöhnlich bei einem Schwingspulen-Magnetometer vorhanden) im Signal für den gewünschten Parameter Hs unterdrückt Dieses Vorgehen erlaubt eine selektive Unterscheidung zwischen den Momenten der Probe und des unerwünschten Untergrundes des Schwingspulen-Magnetometers, indem die Proben-Bewegung überlagert wird.

In einigen Fällen kann die Proben-Bewegung zu einem großen unerwünschten thermischen Eingangssignal zur Probe führen, was Fehler im erfaßten Moment hervorruft. Die Frequenz der Schwingprobe kann dann im wesentlichen verringert oder aperiodisch gemacht werden, und es kann eine wesentlich höhere Spulen-Schwingfrequenz verwendet werden, um eine geringfügige Verschiebung des Proben-Moments zu erfassen.

Bei der in den F i g. 3A, B und C gezeigten Anwendung der Erfindung wird eine periodische Großamplituden- oder eine aperiodische Proben-Bewegung verwendet. In diesem Fall wird die Probe durch

den Spulen-Erfassungsbereich geschickt (z, B. auf dem Fließband); sie wird geändert, durch eine andere Probe oder eine Standard-Probe ersetzt, oder sie wird vom Spulen-Bereich aufgenommen und zeitlich gemittelt, bis dadurch der Rauschabstand einen geeigneten Wert erreicht

Die F i g. 4B zeigt den Verlauf des Ausgangssignales des Fühlers, wenn die Erfindung mit zwei Ansteuer-Frequenzen arbeitet. Wenn die Frequenz W\ der Proben-Schwingung merklich kleiner als die Frequenz ι ο W2 der Spulen-Schwingung ist, beschreibt das Ausgangssignal der Spule 40 ein Trägersignal 100 bei W2, dessen Amplitude durch ein Hüllensignal 102 der Frequenz W\ moduliert ist

Die F i g. 4C zeigt das Wechselstrom-Ausgangssignal des anderen Ausführungsbeispiels eines Magnetometers mit in Schwingungen versetzter Spule und bewegter Probe, wobei die Probe, wie oben angedeutet, aperiodisch in einer Richtung von einer Stelle außerhalb des Erfassungsbereiches der Spule nach der Spule und dann wieder aus deren Erfassungsbereich bewegt wird. Der Unterschied zwischen einem Spitzenampiituden-Pegel 104 des Ausgangssignales, wenn die Probe im Erfassungsbereich der Spule liegt, und dem Mittelwert-Spitzenamplituden-Pegel 106, wenn die Probe außerhalb des Bereiches liegt, zeigt das magnetische Moment an. Das Ausgangssignal der Prozessoren 78 oder 86 stellt diesen Unterschied dar. Die Korrelation der Fläche der Hüllkurve (zwischen den Strichlinien und der Hüllkurve gegenüber der Zeit oder Verschiebung zeigt auch das magnetische Moment an und kann als andere Verarbeitung.möglichkeit verwendet werden.

Ein weiteres Ausfühnmgsbeirpiel des Schwingspulen-Schwingproben-Magnetometers der Fig.2 verwendet eine aperiodische oder relative -Großamplituden-Ver-Schiebung zwischen Probe und Spule (eine dritte Mode). Das sich ergebende Ausgangssignal der Spule 40 ist in F i g. 4D dargestellt Die Komponenten des Ausgangssignales der Spule 40 bei der Summen- und Differenz-Frequenz sind gegen die Verschiebung oder Zeit aufgetragen. Die in Fig.4D dargestellte Amplitude zeigt die sich ergebende Hüllkurve 108 (durch die dritte Mode erzeugt), überlagert auf die Hüllkurve 112 (durch die zweite Mode erzeugt), die das Signal 110 der ersten Mode moduliert Die Beifügung dieser dritten Ansteuer-Mode erlaubt die Erfassung des magnetischen Moments durch Analyse der Änderung der Hüllkurve 108, z. B. durch Spitzenwert-Erfassung des Ausgangssignales des Fühlers64in Fig.2.

In einer Vereinfachung der Schaltung der F i g. 2 für ein erfindungsgemäßes Schwingspulen-Schwingproben-Magnetometer können die Bezugs-Signalquellen 52 und 60 und die Bezugs-Signalsonden 54 und 57 weggelassen werden. Die jeweiligen Bezugs-Eingangssignale zu den Mischern 58 und 66 und zum Addierer 62 werden durch direkte Ausgangssignale von den Wechselstrom-Ansteuergliedern 30 und 46 erzeugt. Eine ähnliche Vereinfachung ist auch für die Schaltungen der F i g. 3A und 3B möglich. Wenn die Bezugs-Quellen weggelassen werden, liegt keine automatische Kalibrierung und Korrektur für Amplituden- und/oder Phasenänderungen in der Übertragung des Ansteuer-Signales zur Probe oder zum Fühler durch die Ansteuerung vor, und die Linearität zwischen der Ansteuerung und der Proben- und Fühler-Antwort muß für einen genauen b^r> Betrieb auf andere Weise aufrechterhalten werden.

In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung dargestellt, die für ein Magnetometer mit Schwing-Spu-Ie und einwirkender Kraft dient Wie bei dem anhand der F i g. 2 erläuterten Schwingspulen-Schwingproben-Magnetometer hängt eine Probe 120 an einem Stab 122, der seinerseits an einem Meßumformer oder Wandler 140 befestigt ist Die Probe 120 liegt zwischen entgegengesetzten Polflächen 126 und 128 des Magneten, der in der Nähe der Probe 120 ein Magnetfeld B erzeugt Eine Spule 130 neben der Probe ist elektrisch mit einer Frequenz IVl durch ein Signal von einem Wechselstrom-Ansteuerglied 132 erregt, um nahe der Probe 120 einen zeitabhängigen Feldgradienten zu erzeugen. Die Spule 130 ist auf einem Halter angebracht, wie z. B. einem Stab 134, der seinerseits an einem Wandler oder Meßumformer 136 befestigt ist Ein zweites Wechselstrom-Ansteuerglied 138 speist ein Ansteuersignal mit einer zweiten Frequenz W2 zum Meßumformer 136, um die Spule 130 nahe der Probe 120 in Schwingungen zu versetzen. Der Meßumformer 140 erfaßt die Kräfte auf die Probe. Das Ausgangssignal des Meßumformers 140 dient als anderes Eingangssignal zu den Addierern 72 und 82 oder zum Phasenschieber 61 (vgl. F i g. 3A, 3B bzw. 2). Bezugs-Signale können erzeugt und erfaßt werden, wie dies oben anhand der F i g. 2 erläutert wurde, und die Erfassung oder Analyse der das magnetische Moment anzeigenden Signale bei den beiden Ansteuer-Frequenzen, wie bei der Summe und Differenz der Ansteuer-Signal-Frequenzen oder deren Harmonischen, kann erfolgen, wie dies oben anhand der Schaltungen der F i g. 2, 3A oder 3B erläutert wurde. Eine Rückkopplung kann vorgesehen sein, um ein Signal zum Meßumformer 140 von einem der Fühler zu speisen, wie z. B. den Fühlern 18,20, 22 oder 24. Die Rückkopplung hat in diesem Fall vorzugsweise einen Verstärker 141 mit einstellbarem Verstärkungsfaktor, der eine Steuerung über den W2-Signal-Pegel (oder Wl, oder Wl± WZ abhängig von der Erregung des Meßumformers 140) erzeugt, um die Kraft durch den Meßumformer 140 zum Verschwinden zu bringen. Ein Phasenschieber 143 bewirkt eine genaue Phasenbeziehung, damit c*s Verschwinden der Kraft gewährleistet ist. Es kann auch ein zusätzlicher Meßumformer verwendet werden, um die einwirkenden Kräfte auszugleichen, so daß beim Ausgleich die Proben verschiebung den Wert Null hat.

Die Spule 130 kann durch zwei getrennte Spulen nahe der Probe ersetzt werden. In diesem Fall empfängt eine Spule ein Signal bei der Frequenz W\ vom Ansteuerglied 132, um einen Wechselstrom-Ansteuer-Feldgradienten zu erzeugen, und die andere Spule wird nahe der Probe abhängig von einem Ansteuer-Signal bei der Frequenz W2 vom Ansteuerglied 138 in Schwingungen versetzt.

Die F i g. 6 zeigt ein Magnetometer mit eingeprägter Kraft und Schwing-Probe, bei dem ein Ansteuersignal an einem Meßumformer 150 von einem Wechselstrom-Ansteuerglied 152 mit einer Frequenz IVl liegt. In Antwort auf dieses Signal speist der Meßumformer 150 eine Schwingung zu einer Probe 154 über eine starre mechanische Verbindung 156. Die Probe 154 liegt zwischen entgegengesetzten Polflächen 158 und 160 eines Magneten, der ein Magnetfeld B nahe der Probe 154 erzeugt. Neben der Probe 154 ist eine Spule 162 vorgesehen, die durch ein Wechselstrom-Ansteuersignal einer Frequenz W2 von einem Wechselstrom-Ansteuerglied 164 erregt ist, um ein Wechselstrom-Gradient-Feld nahe der Probe 154 zu erzeugen. Das Wechselstrom-Gradient-Feld führt zur Einprägung einer sich wechselstrommäßig ändernden Kraft auf die

Probe, die entlang der Verbindung 156 zum Meßumformer 170 übertragen wird. Das gemischte Signal, das am Meßumformer 170 entsteht, wird zu Addierern 72, 82 bzw. einem Phasenschieber 61 in den F i g. 3A, 3B bzw. 2 gespeist. Bezugs-Signale werden für diese Ausführungsbeispiele in der gleichen Weise wie in den F i g. 3A, 3B oder 2 erzeugt, und die Erfassung der das magnetische Moment anzeigenden Signale bei den beiden Ansteuer-Frequenzen als Summe und Differenz der Ansteuer-Signalfrequen^en oder deren Harmonischen erfolgt mittels der Schaltungen der Fig.3A, 3B und 2. Der Sonden-Meßumformer 170 kann magnetisch oder elektrisch oder optisch usw. arbeiten und die Verschiebung der Verbindung 156 z.B. erfassen und so die Verschiebung der Probe 154 anzeigen. Die Bewegung des Magneten oder der Kondensatorpiatten auf der Verbindung 156 kann z. B. durch eine — " ande

Spule oder Kondensatorplatten jewtu., _u» . Nähe

erfaßt werden. Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetometers mit Schwingprobe und eingeprägter Kraft kann so aufgebaut sein, daß ein Meßumformer 180 ein RückkopplungssigTia! empfängt, das die auf die Probe 154 eingeprägten Kräfte löscht. Was zu einem Ausgleich der Kräfte auf die Probe 154 führt, so daß der Meßumformer 170 als Null-Sonde arbeitet Ein derartiges System ist in F i g. 5 gezeigt
Bei einer weiteren Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Magnetometers, bei der die Probe eine inhomogene Masse aufweist, wird die Magnetometer-Spule bei einer Frequenz in Schwingungen versetzt um die erste Mode der Ansteuerung zu erzeugen. Die Spule wird dann in einer dreidimensionalen Translations- und/oder Rotations-Abtastung (allgemeine Bewegung) angetrieben, wie durch das Ansteuerglied 114 in Fig.3A, um die Probe, so daß ein magnetisches Moment entsteht, das sich mit der Lage und Orientierung der Spule zur Probe ändert Die durch das Ansteuerglied 114 erzeugte relative Bewegung der Probe und des Magnetometers kann erreicht werden, indem entweder die Probe und/oder das Magnetometer auf jede geeignete Weise in Bewegung versetzt werden. Es kann dann eine Aufzeichnung des magnetischen Moments gegenüber der Lage durch ein Aufzeichnungsgerät in der Verwertungsschaltun f 75 erfolgen, so daß eine folgende Analyse möglich ist, um ein vollständiges magnetisches Profil der Probe zu liefern.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Magnetometer mit einer Sende zum Erfassen eines Signales einschließlich eines Signalteiles, der das magnetische Moment einer Probe bei einer von einem ersten Generator erzeugten ersten Anregungsmode, wie z. B. einem elektrischen oder magnetischen Signal oder einer periodischen oder aperiodischen Temperaturänderung oder einem optischen Signal, darstellt,
gekennzeichnet durch

— mindestens einen weiteren Generator (12) zum Einspeisen mindestens einer anderen Anregungsmode mit einer zur ersten Anregungsmode unterschiedlichen Frequenz in das Magnetometer, um das mit der Sonde erfaßte magnetische Moment der Probe (8) mit der anderen Anregungsmode zu modulieren,

— wobei wenigstens eine der Anregungsmoden eine Relativbewegung zwischen der Probe (8) und der Sonde (6) derart bewirkt,

— daß eine Translation und/oder Rotation der Sonde (6) bezüglich der Probe (8) in einer beliebigen Richtung auftritt

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der weitere Generator (12) die Sonde (6) mit der anderen Anregungsmode ansteuert

3. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der weitere Generate/ (12) die Probe (8) mit der anderen Anregun.gsmode ansteuert

4. Magnetometer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

— daß der weitere Generator (12) die Temperatur der Probe (8) ändert.

5. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der weitere Generator (12) die Probe (8) bestrahlt

6. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

— daß der erste Generator (12) eine Ansteuer- bzw. ·*ϊ Antriebs-Kraft auf die Probe (8) ausübt, und

— daß der weitere Generator (16) ein Ansteuersignal in die Sonde (6) speist, damit deren Anzeige ein Signal aufweist, das von dem durch eine Funktion der Lage der Probe (8) modulierten Ansteuersignal abhängt.

7. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

— daß der erste Generator (12) eine Ansteuer-bzw. Antriebs-Kraft auf die Probe (6) ausübt, und

— daß der weitere Generator (16) ein Ansteuersignal in die Sonde (6) speist, damit deren Anzeige ein Signal aufweist, das von dem durch eine Funktion der Kraft auf die Probe (8) modulierten e>o Ansteuersignal abhängt

8. Magnetometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Sonde (6) ein Spitzenwert-Fühler (18,20, 22,24) ist, um das magnetische Moment abhängig von der Anzeige darzustellen.

9. Magnetometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet.

— daß der Spitzenwert-Fühler (18, 20, 22, 24) die Differenz zwischen der Spitzenwert-Amplitude der Anzeige und einem vorbestimmten Signaipegel erfaßt

10. Magnetometer nach Anspruch 6 oder 7,
gekennzeichnet durch

— eine Mittelwert-Einrichtung (21, 23. 25, 27), die das magnetische Moment der Probe (8), bhängig von der Anzeige bestimmt

11. Magnetometer nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,

— daß der erste Generator (16) aufweist:

— eine erste Wechselstrom-Signalquelle (14) mit einem Ausgangssignal einer ersten Frequenz,

— einen Meßumformer (140), der ein erstes Wechselkraft-Ausgangssignal abhängig vom Ausgangssignal der ersten Wechselstrom-Signalquelle (14) bei der ersten Frequenz erzeugt und

— eine erste Koppeleinrichtung (122) zum Koppeln des ersten Wechselkraft-Ausgangssignales mit der Probe (120).

12. Magnetometer nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

— daß die erste Koppeleinrichtung (122) eine starre Befestigung hat

13. Magnetometer nach Anspruch 6 oder 7 oder 11,

dadurch gekennzeichnet

— daß die Sonde eine Spule (130) nahe der Probe (120) ist und

— daß der weitere Generator (12) aufweist:

— eine zweite Wechselstrom-Signalquelle (138, 132) mit einem Ausgangssignal einer zweiten Frequenz,

— einen zweiten Meßumformer (136), der ein zweites Wechselkraft-Ausgangssignal abhängig vom Ausgangssignal der zweiten Wechselstrom-Signalquelle (138,132) bei der zweiten Frequenz erzeugt und

— eine zweite Koppeleinrichtung (134) zum Koppeln des zweiten Wechselkraft-Ausgangssignales mit der Spule (130).

14. Magnetometer nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

— daß die zweite Koppeleinrichtung (134) starre Befestigungen aufweist.

15. Magnetometer nach Anspruch 6 oder 7,
gekennzeichnet durch

— eine erste Bezugssignal-Quelle (50), die ein Ausgangssignal entsprechend der Antwort der Probe (34) auf die eingeprägte Ansteuer-Kraft erzeugt,

— eine zweite Bezugssignal-Quelle (56), die ein Ausgangssignal entsprechend der Antwort der Sonde auf das eingeprägte Ansteuersignal erzeugt, und

— eine Verknüpfungseinrichtung (58,61,62,64,66) zum Verknüpfen der Anzeige der Sonde (40) mit dem Ausgangssignal der ersten und der zweiten Bezugssignal-Quelle (SQ)₁ um das magnetische Moment der Probe (34) anzuzeigen.

16. Magnetomete'r nach Anspruch 6 oder 7,
gekennzeichnet durch

— einen Bereich um die Sonde (40, 6), in dem diese eine beträchtliche Empfindlichkeit für das magnetische Moment der Probe (71,8) aufweist, und außerhalb dem diese eine wesentlich geänderte Empfindlichkeit für das magnetische Moment

der Probe (71,8) hat, und

— eine Relativbewegungs-Einrichtung (73, 16, 12) zur Relativbewegung zwischen der Probe (71,8) und der Sonde (40, 6) auf einem Weg teilweise innerhalb und außerhalb des Bereiches.

17. Magnetometer nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,

— daß die Bewegung eine beliebige Großamplituden-Bewegung der Probe (71, 8) relativ zur Sonde (40,6) ist

18. Magnetometer nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,

— daß die Großamplituden-Bewegung eine dreidimensionale Translation, Rotation oder deren Kombinationen ist

19. Magnetometer nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnt

— daß die Großampi · en-Bewegung in einer Richtung bzw. gleichs. ,'verläuft

20. Magnetometer nach A,:. jruch 17, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Relativbewegungs-Einrichtung die Probe (71,8) bewegt

21. Magnetometer nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Relativbewegungs-Einrichtung eine beliebige Großamplituden-Bewegung der Sonde (6,40) bewirkt

22. Magnetometer nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Probe (120) wenigstens für eine Lage im Empfindlichkeitsbereich der Sonde (130) liegt.

23. Magnetometer nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

— daß die Anzeige ein Signal aufweist, das auf die Ansteuer-Kraft und das Ansteuersignal anspricht.

24. Magnetometer nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch

— eine Rückkopplungseinrichtung zum (NuIl-)Abgleich der Probenbewegung abhängig von der ausgeübten Ansteuer-Kraft und/oder dem eingespeisten Ansteuersignal.

25. Magnetometer nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Koppeleinrichtung eine Befestigungseinrichtung (134) zum starren Befestigen der Spule am zweiten Meßumformer (136) ist, um dessen Kraft-Ausgangssignal mit der Spule (130) zu koppeln.

26. Schwingproben-Schwingsonden-Magnetometer zum Erfassen des magnetischen Moments einer Probe,

— mit einer ersten Wechselstrom-Signalquelle mit einem Ausgangssignal einer ersten Frequenz,

gekennzeichnet durch

— einen ersten Meßumformer (32), der ein Wechselkraft-Ausgangssignal abhängig vom Ausgangssignal bei der ersten Frequenz erzeugt,

— eine erste Koppeleinriehtung (36) zum Koppeln to der Probe (34) mit dem ersten Meßumformer (32), um die Wechselkraft bei der ersten Frequenz zur Probe (34) zu übertragen,

— eine zweite Wechselstrom-Signalquelle (48) mit einem Ausgengssignal einer zweiten Frequenz, (,5

— einen zweiten Meßumformer (40), der ein Wechselkraft-Auigangssignal abhängig vom Ausgangssignal der zweiten Frequenz erzeugt,

— eine Sonde (40) neben der Probe (34) zur AifZeige,

— eine zweite Koppeleinriehtung (38) zum Koppeln der Sonde (40) mit dem zweiten Meßumformer (48), um das Wechselkraft-Ausgangssignal hiervon bei der zweiten Frequenz zur Sonde (40) zu übertragen,

— wobei das Ausgangssignal der Sonde (40) ein Signal der /Ken Harmonischen (n = positiv ganzzahlig) der zweiten Frequenz aufweist, die mit der η-ten Harmonischen (n = positiv ganzzahlig) der ersten Frequenz moduliert ist, und

— eine Analysiereinrichtung (156, 61, 66, 64, 68) zum Analysieren der Anzeige bei Signalfrequenzen gleich der Summe oder Differenz der n-ten Harmonischen der ersten und der zweiten Ansteuerfrequenz, um das magnetische Moment der Probe (34) anzuzeigen.

27. Magnetometer nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,

— daß die Sonde (40) eine Spule ist

28. Magnetometer mit bewegter Spule und ausgeübter Kraft,

— mit einer ersten Signalquelle mit einem zeitabhängigen Ausgangssignai einer ersten Kennlinie,

gekennzeichnet durch

— eine zweite Signalquelle (138) mit einem zeitabhängigen Ausgangssignai einer zweiten Kennlinie,

— einen Magnetfeld-Gradient-Generator (132, 130), der auf das Ausgangssignal der ersten Kennlinie anspricht, um nahe der Probe (120) einen zeitabhängigen Magnetfeld-Gradienten zu erzeugen,

— eine Einrichtung zum Bewegen des Magnetfeld-Gradient-Generators (130) entsprechend dem Ausgangssignai der zweiten Kennlinie,

— eine Sonde (140, 143, 141) zum Erfassen der auf die Probe (120) ausgeübten Kräfte zu deren Anzeige, die Signalkomponenten mit der ersten und der zweiten Kennlinie aufweist, und

— eine Einrichtung (26,28,18,20,22,24,27, 25, 21, 23) zur Anzeige des magnetischen Moments aus der Sonden-Anzeige als Funktion der ersten und der zweiten zeitabhängigen Kennlinie.

29. Magnetometer nach Anspruch 28,
gekennzeichnet durch

— eine Einriphtung (12) zum Erzeugen einer beliebigen Relativbewegung zwischen der Probe (8) und der Sonde (6).

30. Magnetometer nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet,

• ,!aß die Sonde (130) auch der Magnetfeld-Gradient-Generator (130) ist.

31. Magnetometer mit bewegter Probe, bewegtem Gradient-Feld und ausgeübter Kraft,

— mit einer ersten Signalquelle mit einem zeitabhängigen Ausgangssigna¹ einer ersten Kennlinie,

gekennzeichnet durch

— eine zweite Signalquelle (138) mit einem zeitabhängigen Ausgangssignal einp.r zweiten Kennlinie,

— einen Meßumformer zum Ausüben einer Kraft auf die Probe (120) entsprechend dem Ausgangssignal der ersten Kennlinie,

— einen Magnetfeld-Gradient-Generator (130,132) zum Erzeugen eines Magnetfeld-Gradienten nahe der Probe (120),

— eine Einrichtung (134, 136) zum Bewegen des Magnetfeld-Gradient-Generators (132, 130) entsprechend dem Ausgangssigna! der zweiten Kennlinie,

— eine Sonde (143, 141) zum Erfassen der auf die Probe (120) ausgeübten Kräfte, um eine entsprechende Ausgangsanzeige zu erzeugen, und mit Signalkomponenten mit der ersten und der zweiten Kennlinie, und

— eine Einrichtung (20, 28, 18, 20, 22, 24, 27, 25, 21, 23) zum Erzeugen einer Ausgangsanzeige des magnetischen Moments aus der Ausgangsdarstellung als Funktion der ersten und der zweiten zeitabhängigen Kennlinie.

32. Magnetometer nach Anspruch 31.
gekennzeichnet durch

— eine Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbe-

n(.gUllg L *T I.Jt.Mt.11 U»_, I I\JVJ\. \ t ΛΜ f UIIU UtIII

Magnetfeld-Gradient-Generator (130,132).

33. Magnetometer nach Anspruch 31.
dadurch gekennzeichnet,

— daß wenigstens die erste oder die zweite Ausgangssignal-Kennlinie aperiodisch verläuft.

34. Magnetometer mit bewegter Spule und ausgeübter Kraft zur Erfassung des magnetischen Moments einer Probe,

— mit einer ersten Wechselstrom-Signalquelle, die ein Wechselstrom-Ausgangssignal einer ersten Frequenz erzeugt.

gekennzeichnet durch

— eine zweite Wechselstrom-Signalquelle (138), die ein Wechselstrom-Ausgangssignal einer zweiten Frequenz erzeugt,

— einen mit der Probe (120) gekoppelten ersten Meßumformer (140) zur Erzeugung einer Ausgangsdarstellung der auf die Probe (120) ausgeübten Kraft.

— eine Spule (130) neben der Probe, die ein Wechselstrom-Magnetfeld-Gradient-Ausgangssignal bei der Probe (120) abhängig vom Wechselstrom-Ausgangssignal der ersten Frequenz erzeugt,

— einen zweiten Meßumformer (136) zum Erzeugen eines Wechselkraft-Ausgangssignales abhängig vom Wechselstrom-Ausgangssignal der zweiten Frequenz,

— eine Koppeleinrichtung (134) zum Koppeln der Spule (130) mit dem zweiten Meßumformer (136), um eine Schwingung der Spule (130) mit der zweiten Frequenz hervorzurufen,

— wobei das Ausgangssignal, das die ausgeübte Kraft darstellt, eine Signalkomponente mit der n-ten Harmonischen (n = positiv ganzzahlig) der ersten und der zweiten Frequenz hat, und

— eine Analysiereinrichtung zum Analysieren des die ausgeübte Kraft darstellenden Ausgangssignals bei der Summe oder Differenz der fl-ten Harmonischen der ersten und der zweiten Frequenz, um eine Ausgangsanzeige des magnetischen Moments der Probe (120) zu bewirken.

35. Magnetometer mit bewegter Probe und ausgeübter Kraft,

— mit einer Einrichtung zum Anlegen einer Antriebs- bzw. Ansteuerkraft an die Probe mit

ter zeitabhängiger Kennlinie nahe der Probe (154),

— einen Sensor (170) für die auf die Probe (154; ausgeübte Kraft abhängig von der ersten und dei zweiten zeitabhängigen Kennlinie, und

— eine auf die erfaßte Kraft ansprechende Einrich tung (70, 72, 74, 78, 75, 80, 82, 84, 86), um eine Ausgangsanzeige des magnetischen Moment! der Probe (154) zu liefern.

36. Magnetometer mit bewegter Probe unc ausgeübter Kraft,

— mit einer ersten Wechselstrom-Signalquelle, die ein Wechselstrom-Ausgangssignal einer erster Frequenz erzeugt,

gekennzeichnet durch

— eine zweite Wechselstrom-Signalquelle (164), die ein Wechselstrom-Ausgangssignal einer zweiter ι rcQücfiZ cTZcügt,

— einen ersten Meßumformer (150), der ein Wechselkraft-Ausgangssignal abhängig vom Wechselstrom-Ausgangssignal der ersten Frequenzerzeugt,

— eine Koppeleinrichtung (156) zum Koppeln des Wechselkraft-Au'igangssignales des ersten Meßumformers (150) mit der Probe (154),

— einen zweiten Meßumformer (170, 180), der mil c!ir Probe (154) gekoppelt ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das die an die Probe (154] angelegte Kraft darstellt,

— eine Spule (!62) neben der Probe (154), die auf das Wechselstrom-Ausgaifgssignal der zweiten Frequenz anspricht, um einen Wechselmagnetfeld-Gradienten nahe der Probe (154) zu erzeugen.

— wobei das Ausgangssignal vom zweiten Meßumformer (170,180) ein Signal aufweist, das von der ersten und der zweiten Frequenz abhängt, und

— eine Analysiereinrichtung (26, 28, 18, 20, 22, 24, 25, 27, 21, 23) zum Analysieren des Ausgangssignals des zweiten Meßumformers (170, 180) bei einer Signalfrequenz gleich der Summe oder Differenz der ersten und der zweiten Frequenz, um das magnetische Moment der Probe (154) anzuzeigen.

37. Magnetometer nach einem der Ansprüche 6, 7, 26,28,31,34 und 35,

gekennzeichnet durch

— eine Einrichtung zum Erzeugen einer zusammengefaßten beliebigen Bewegung der Probe (8) relativ zur Sonde (6), wodurch die Ausgai._t-sanzeige des magnetischen Moments eine Anzeige des magnetischen Moments der Probe (8) als Funktion der kombinierten beliebigen Bewegung erzeugt