DE3512180C2 - Vibration magnetometer - Google Patents

Vibration magnetometer

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DE3512180C2 DE19853512180 DE3512180A DE3512180C2 DE 3512180 C2 DE3512180 C2 DE 3512180C2 DE 19853512180 DE19853512180 DE 19853512180 DE 3512180 A DE3512180 A DE 3512180A DE 3512180 C2 DE3512180 C2 DE 3512180C2
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    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028Electrodynamic magnetometers
    • G01R33/0283Electrodynamic magnetometers in which a current or voltage is generated due to relative movement of conductor and magnetic field

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Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsmagnetometer mit einer rahmenförmigen Meßspule zum Verbringen in ein zu messendes Magnetfeld, die mit einem Vibrator verbunden ist, wobei die in der Meßspule durch deren Vibrationen in dem Magnetfeld gemäß der Änderungen des jeweils von der Meßspule erfaßten Magnetfeldes induzierten Meßspannung nach Größe und Phasenlage zu den Vibrationen ausgewertet wird.The invention relates to a vibration magnetometer a frame-shaped measuring coil for placement in a measuring magnetic field connected to a vibrator is, the vibrations in the measuring coil in the magnetic field according to the changes in each of the Measuring coil detected magnetic field induced measuring voltage evaluated according to size and phase to the vibrations becomes.

Ein derartiger Schwingrahmensensor ist aus der DE-AS 12 94 550 bekannt. Bei diesem Vibrationsmagnetometer sind eine starre Meßspule und mit dieser verbunden eine Erregerspule elastisch schwingfähig in einem Permanent­ magnetfeld angeordnet. Bei deren elektrischen Schwingungs­ erregung entsteht in der Meßspule ein detektierbares Meßsignal, das der Tangentialkomponente der Magnetfeld­ stärke in dem Schwingungsmittelpunkt entspricht, das auf der Oberfläche magnetischer Werkstoffe oder in Luftspalten von Magneten herrscht, die zu vermessen sind.Such a swing frame sensor is from DE-AS 12 94 550 known. With this vibration magnetometer a rigid measuring coil and connected to it Excitation coil oscillates elastically in a permanent arranged magnetic field. With their electrical vibration Excitation creates a detectable in the measuring coil Measurement signal that the tangential component of the magnetic field strength in the center of vibration that corresponds to the surface of magnetic materials or in air gaps there are magnets that are to be measured.

Weiterhin ist aus der DD 93601 ein transversales Vibrationsmagnetometer bekannt, das aus einer beweglichen und einer an einer zu vermessenden magnetischen Probe zu befestigenden Meßspule besteht, deren Meßsignale in einer Kompensationsschaltung ausgewertet werden.DD 93601 is also a transversal one Vibration magnetometer known to consist of a moving and one on a magnetic sample to be measured fastening measuring coil, the measuring signals in one Compensation circuit can be evaluated.

Weiterhin ist aus der US 4,298,772 eine Meßanordnung mit einer magnetostriktiven Platte bekannt, an deren Seiten Erregerwicklungen für Magnetostriktionswellen angeordnet sind, deren Ankunftszeiten jeweils an einem beliebigen Ort der Platte mit einer Meßspule ermittelt wird, wodurch die jeweilige örtliche Lage der Meßspule auf der Platte bestimmt wird.Furthermore, a measuring arrangement is known from US Pat. No. 4,298,772 known a magnetostrictive plate, on the sides  Excitation windings arranged for magnetostriction waves are their arrival times at any place the plate is determined with a measuring coil, whereby the respective local position of the measuring coil on the plate is determined.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Vibrationsmagnetometer zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine hohe Empfind­ lichkeit und Richtwirkung aufweist, so daß es auch zur vektoriellen Erdfeldvermessung geeignet ist.It is an object of the invention to provide a vibration magnetometer to create a high sensitivity with a simple structure Lichkeit and directionality, so that it is also vectorial earth field measurement is suitable.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is based on the in the preamble of Claim 1 specified features by the in the characterizing Part of claim 1 specified features solved.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Special embodiments of the invention are Subject of the subclaims.  

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten der Messung.In principle there are two ways of measuring.

Erstens die Messung mit einem Wandler, der nacheinander in drei senkrecht zueinander stehende Positionen gebracht wird, wodurch drei Richtungsvektoren gemessen werden, die anschließend mittels Computer zur Berechnung des resultie­ renden Feldvektors dienen.First, the measurement with a transducer, one after the other brought into three perpendicular positions which measures three directional vectors that then using a computer to calculate the result serving field vector.

Zweitens die Messung mit drei senkrecht zueinander angeord­ neten Wandlern, die gleichzeitig die drei Richtungsvekto­ ren messen, die ebenfalls mittels Computer der weiteren Berechnung des resultierenden Feldvektors dienen.Second, the measurement with three arranged perpendicular to each other neten converters, which simultaneously the three directional vector measure the other, also by means of the computer of the other Calculate the resulting field vector.

Der Zweck dieser Erfindung war ursprünglich die vektoriel­ le Erfassung des Erdmagnetfeldes in einer Rasteranordnung über Grundstücken, um so z. B. biologisch wirksame Störun­ gen wie unterirdische Wasserläufe oder starke Bruchzonen im Untergrund usw. aufzuspüren.The purpose of this invention was originally the vectorial le detection of the earth's magnetic field in a grid arrangement over land, so z. B. biologically effective Störun conditions such as underground water courses or strong fracture zones in the underground etc.

Auch die Einlagerung größerer Mengen im Vergleich zur Um­ gebung andersartiger Mineralien, die andere magnetische Eigenschaften aufweisen, können zu örtlichen Störungen des sonst homogenen Erdmagnetfeldes führen und somit meß­ bar sein.The storage of larger quantities compared to the Um different minerals, the other magnetic Characteristics can cause local disturbances of the otherwise homogeneous earth's magnetic field and thus measure be cash.

Dabei war es wichtig, im Gelände schnell und mit möglichst geringem Aufwand an technischem Gerät und Energie eine vektorielle Magnetfeldmessung zu ermöglichen.It was important to do it quickly and with as much effort as possible  low expenditure of technical equipment and energy to enable vectorial magnetic field measurement.

Die Meßwerte sollten so aufbereitet sein, daß sofort oder später eine übersichtliche Rasterauswertung per Computer möglich ist.The measured values should be prepared so that immediately or later a clear grid analysis by computer is possible.

Diese Anforderungen werden mit meiner Anordnung erfüllt, wobei große Bereiche sogar durch systematische Explora­ tion z. B. durch Überfliegen oder auch Unterwasserschlepp erfaßt werden könnten.These requirements are met with my arrangement, large areas even through systematic explora tion z. B. by flying over or underwater towing could be detected.

Es ist mit diesem Schwingrahmensensor aber ebenso mög­ lich, einen elektronischen Kompaß zu bauen.It is also possible with this swing frame sensor Lich to build an electronic compass.

Ein solcher Kompaß hätte den Vorteil, daß er praktisch keine Zeit zum Einpendeln benötigt, seine Zeitkonstanten sind per Software im Computerprogramm beliebig einstell­ bar. Ein weiterer wichtiger Vorteil wäre, daß Störungen z. B. durch Schiffsmagnetismus durch geeignete Programme auf der Softwareseite korrigiert werden können, so daß magnetische Korrekturen entfallen.Such a compass would have the advantage of being practical no time needed to level, its time constant can be set as required using software in the computer program bar. Another important advantage would be that interference e.g. B. by ship magnetism through suitable programs can be corrected on the software side so that magnetic corrections are eliminated.

Schließlich können per Software dann noch viele Dienste wie z. B. Berechnung von Standardabweichungen des Kurses, Berechnung und Bewertung der Roll- und Gier-Bewegungen oder gar die automatische, von der Position abhängige Berücksichtigung von geologischen Mißweisungen in An­ spruch genommen werden. Dabei können alle Meßwerte auto­ matisch von einem Computer abgerufen und verarbeitet werden.After all, software can still do many services such as B. calculation of standard deviations of the course, Calculation and evaluation of the roll and yaw movements or even the automatic, depending on the position Consideration of geological discrepancies in An be spoken. All measured values can be auto retrieved and processed mathematically from a computer will.

Natürlich sind mit der Anordnung auch technische Magnet­ felder meßbar. Das zu messende Magnetfeld muß nicht sta­ tionär sein, seine zulässige Änderungsgeschwindigkeit darf aber eine maximale Größe nicht Überschreiten, die im allgemeinen aber hauptsächlich durch die Datenrate des Computers begrenzt ist.Of course, the arrangement is also a technical magnet fields measurable. The magnetic field to be measured does not have to be be rational, its permissible rate of change but must not exceed a maximum size that in general, however, mainly due to the data rate of the computer is limited.

Bekannt sind Magnetfeldsensoren nach dem Hall-Prinzip, Feldplatten (Widerstandsprinzip) und rotierende Spulen (Dynamoprinzip).Magnetic field sensors based on the Hall principle are known,  Field plates (resistance principle) and rotating coils (Dynamo principle).

Das hier vorgestellte Verfahren ist im Prinzip dyna­ misch, mit hohen Frequenzen und mit dem entscheidenen Vorteil, daß keine mechanisch bewegten Teile und keine Schleifkontakte nötig sind.The procedure presented here is basically dyna mixed, with high frequencies and with the decisive Advantage that no mechanically moving parts and none Sliding contacts are necessary.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist in einem Test­ gerät voll verwirklicht, die Funktion ist bestätigt.The procedure described below is in a test device fully realized, the function is confirmed.

Das Gerät wurde auch im Gelände erprobt, zum Betrieb ist nur ein kleiner NC-Akkumulator nötig. Zusätzlich ist ein Programm erstellt, mit dem Raster-Meßwerte aus Reihen­ messungen verarbeitet und anschließend graphisch anschau­ lich dargestellt werden.The device was also tested in the field, for operation only a small NC accumulator is required. In addition is a Program created with the raster measurement values from rows processed measurements and then viewed graphically be displayed.

Wichtig ist, daß man auch ohne Computerhilfe mit dem Ge­ rät die Feldrichtung und Feldstärke sehr schnell ermitteln kann, indem man richtungsabhängig das Maximum der Meß­ spannung sucht.It is important that you can use the Ge advises to determine the field direction and field strength very quickly can, depending on the direction, the maximum of the meas looking for tension.

Das Testgerät besteht aus zwei Einheiten, dem Meßkopf mit den Ausmaßen 5 × 10 × 12 cm³ und der und der Elektronik mit ähnlichen Volumen.The test device consists of two units, the measuring head with the dimensions 5 × 10 × 12 cm³ and the and the electronics with similar volume.

Das Gerät kann aber wesentlich kleiner konstruiert werden.However, the device can be constructed much smaller.

Die Funktionsweise des Schwingrahmensensors ist folgen­ dermaßen.The operation of the swing frame sensor follows so.

Wie bekannt wird in einer, einen magnetischen Fluß um­ schließenden Spule eine elektrische Spannung induziert, die der Anzahl der Windungen und der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses proportional ist, oder mathema­ tisch dargestellt:As is known in one, a magnetic flux turns around closing coil induces an electrical voltage the number of turns and the change over time is proportional to the magnetic flux, or mathema shown table:

N = Windungszahl
Φ = magnetischer Fluß
e = Induktionsspannung
N = number of turns
Φ = magnetic flux
e = induction voltage

Führt man hier die magnetische Induktion "B" und die durch die Spule umschlungene Fläche "A" ein, so kann man mit Φ = B·A schreiben.If one carries out the magnetic induction "B" and the area "A" wrapped around the coil, so one can write with Φ = B · A.

Wie man sieht, ist die Spannung abhängig von der zeit­ lichen Änderung der magnetischen Induktion und von der Änderung der umschlungenen Fläche.As you can see, the tension depends on the time Lichen change in magnetic induction and of Change in the wrapped area.

Ist nun das magnetische Feld stationär oder quasi sta­ tionär, so ist dB/dt = 0 und es wirdIs the magnetic field stationary or quasi sta tionary, so dB / dt = 0 and it will

d. h. "e" ist proportional zur magnetischen Induktion "B" und proportional zur Flächenänderungsgeschwindigkeit "dA/dt".d. H. "e" is proportional to the magnetic induction "B" and proportional to the rate of area change "dA / dt".

Bei meinem Prinzip wird nun erfindungsgemäß die Flächen­ änderung dadurch erreicht, daß ein geschlossener Schwing­ rahmen aus Nichteisenmetall zu periodischen Biegeschwin­ gungen angeregt wird, die einer seiner mechanischen Reso­ nanzfrequenzen entspricht und sich durch geeignete Rück­ kopplungsverfahren in Verbindung mit einer elektronischen Oszillatorschaltung und einem elektromechanischen Wandler selbständig erregt. With my principle, the surfaces are now according to the invention Change achieved in that a closed swing frame made of non-ferrous metal for periodic bending speed is excited, which is one of its mechanical reso corresponds to the frequency and is characterized by a suitable return coupling procedure in connection with an electronic Oscillator circuit and an electromechanical converter independently excited.  

In meinem Musteraufbau ist als elektromechanischer Wand­ ler ein Piezooxid eingesetzt.In my sample construction is an electromechanical wall A piezo oxide is used.

Die Biegeschwingungen des Schwingrahmens sind so erregt, daß sie in Richtung der vom Schwingrahmen aufgespannten Fläche wirken, wodurch sich der effektive Flächeninhalt der vom Schwingrahmen aufgespannten Fläche periodisch synchron mit der anregenden Frequenz ändert.The bending vibrations of the swing frame are so excited that they are in the direction of the spanned by the swing frame Area, which affects the effective area the area spanned by the oscillating frame periodically changes in sync with the exciting frequency.

Der Schwingrahmen allein wirkt hier nun als Spule mit einer Windung, die gleichzeitig als Primärspule eines kernlosen Transformators fungiert.The swing frame alone now acts as a coil a turn, which is also the primary coil of a coreless transformer acts.

Eine innerhalb der Schwingrahmenfläche angeordnete zweite Spule mit "N" Windungen wirkt als Sekundärspule, an wel­ cher die induzierte Spannung abgenommen wird. Diese indu­ zierte Spannung wird zunächst in einem Verstärker ver­ stärkt und dann einem Synchrondetektor zugeführt, wo der Betrag und die Polarität der Spannung ermittelt werden. Diese vorzeichenbehaftete Spannung ist schon die Eingabe­ größe für den Computer, sie kann automatisch abgefragt oder auch von Hand eingegeben werden.A second located within the swing frame surface Coil with "N" turns acts as a secondary coil on wel cher the induced voltage is removed. This indu graced voltage is first ver in an amplifier strengthens and then fed to a synchronous detector, where the Amount and the polarity of the voltage can be determined. This signed voltage is already the input size for the computer, it can be queried automatically or can also be entered manually.

Um sämtliche Daten zur Berechnung des vektoriellen Mag­ netfeldes zu erhalten, müssen nur die drei senkrecht zueinander stehenden Richtungskomponenten gemessen wer­ den.To get all the data for the calculation of the vectorial mag To get netfeldes, only the three need to be vertical directional components measured to each other the.

Die Anordnung mit einem mechanisch schwingenden Rahmen ist besonders geeignet, weil erstens kein mechanischer Verschleiß auftritt und somit auch keine Wartung erfor­ derlich ist. Der Schwinger kann vollkommen in Nichtei­ senmetall gekapselt werden, wodurch er gegen Einstreu­ ungen und Umwelteinflüsse geschützt ist.The arrangement with a mechanically vibrating frame is particularly suitable because, firstly, no mechanical Wear occurs and therefore no maintenance is required is such. The transducer can be completely non-egg can be encapsulated in metal, making it resistant to bedding is protected against environmental influences.

Zweitens ist die Resonanzfrequenz des Schwingers, durch seine geometrischen Abmessungen definierbar, relativ groß. Dadurch ist eine störungsfreie einfache Verstärkung der induzierten Spannung möglich.Second, the resonant frequency of the vibrator is through its geometrical dimensions definable, relative big. This is a trouble-free simple reinforcement of the induced voltage possible.

In meinem Modellaufbau ist ein rechteckiger Schwingrahmen mit den Außenmaßen 80 mm × 50 mm einer Breite von 9,3 mm und einer Materialstärke von 4 mm aus Aluminium verwen­ det. Die erregte Eigenfrequenz beträgt praktisch genau 3000 Hz.In my model construction there is a rectangular swing frame  with the external dimensions 80 mm × 50 mm and a width of 9.3 mm and a material thickness of 4 mm made of aluminum det. The excited natural frequency is practically accurate 3000 Hz.

Die Art der erregten Schwingung ist etwas komplizierter, die theoretische Beschreibung stimmt aber sehr gut mit den gemessenen Werten überein.The type of vibration excited is a little more complicated however, the theoretical description agrees very well the measured values.

Bild 1 zeigt die prinzipielle Anordnung meines Schwin­ gers und gestrichelt die stark vergrößert dargestellten extremen Schwingungszustände. Figure 1 shows the basic arrangement of my vibrator and dashed lines the extreme vibration conditions shown greatly enlarged.

Es sind aber viele andere Moden möglich und sinnvoll. Ebenfalls sind andere Schwingrahmenformen möglich und es ist auch möglich, den Schwingrahmen aus einem isolie­ renden Material z. B. Quarzglas herzustellen und auf sei­ ner Oberfläche die Sekundärspule aufzubringen z. B. auf­ dampfen. In dieser Form kann der Schwingrahmen und der piezoelektrische Wandler integriert erstellt werden.However, many other modes are possible and useful. Other swing frame shapes are also possible it is also possible to isolate the swing frame from an isolie renden material z. B. to produce quartz glass and on ner surface to apply the secondary coil z. B. on vaping. In this form, the swing frame and the Piezoelectric transducers can be created integrated.

Die theoretische Beschreibung des Schwingrahmens führt auf das Schwingungsverhalten eines beidseitig fest ein­ gespannten Stabes mit der Länge "L" wie in Bild 2 ge­ zeigt.The theoretical description of the swing frame leads to the vibration behavior of a bar with a length of "L", which is fixed on both sides, as shown in Figure 2.

Der Stab wird z. B. mit seiner vierten Eigenwertbedingung erregt. Man muß sich diesen Stab nun zu einem Rechteck zusammengelegt vorstellen, wobei der Piezooxid-Wandler in der Mitte des Stabes angreift und das mittlere Stück eine kurze Seite des Rechtecks nach Bild 1 bildet. In der Mitte der gegenüberliegenden Seite des Rechtecks stoßen die beiden festeingespannten Enden des gestreckten Stabes zusammen. So ergibt sich dann der Schwingungsverlauf nach Bild 1.The rod is z. B. excited with its fourth eigenvalue condition. You have to imagine this rod folded into a rectangle, with the piezo oxide transducer engaging in the middle of the rod and the middle piece forming a short side of the rectangle according to Figure 1. In the middle of the opposite side of the rectangle, the two firmly clamped ends of the straight rod collide. This then results in the vibration curve according to Figure 1.

Die Bewegungsgleichung des entdämpften, beidseitig fest eingespannten Stabes ist die DifferentialgleichungThe equation of motion of the undamped, fixed on both sides clamped rod is the differential equation

ω = Auslenkung
x = Ort
t = Zeit
γ = spezifisches Gewicht des Stabmaterials
F = Fläche des Stabes
E = dynamischer Elastizitätsmodul des Stabmaterials
I = Flächenträgheitsmoment
g = Erdbeschleunigung
ω = deflection
x = location
t = time
γ = specific weight of the rod material
F = area of the bar
E = dynamic modulus of elasticity of the rod material
I = area moment of inertia
g = gravitational acceleration

Die Lösung für die Auslenkung "ω" dieser Gleichung läßt sich in Produktform schreiben, wobei ein Faktor nur von der Zeit "t" und der zweite Faktor nur vom Ort "x" abhängig ist.The solution to the deflection "ω" of this equation can be written in product form, with only one factor from time "t" and the second factor only from location "x" is dependent.

Gl. 5 ω(x,t) = W(x) · T(t)Eq. 5 ω (x, t) = W (x) · T (t)

darin sindare in it

Gl. 6 W(x)=C₁·cos(ax)+C₂·sin(ax)+C₃·cosh(ax)+C₄·sinh(ax)Eq. 6 W (x) = C₁ · cos (ax) + C₂ · sin (ax) + C₃ · cosh (ax) + C₄ · sinh (ax)

undand

Gl. 7 T(t) = A·cosωt + B·sinωtEq. 7 T (t) = A · cosωt + B · sinωt

mit dem Koeffizienten "a" wobeiwith the coefficient "a" where

ist.is.

Mit Hilfe der Randbedingung W = 0 und W′ = 0 an fest eingespannten Enden ergibt sich.Using the boundary condition W = 0 and W ′ = 0 on fixed clamped ends results.

Gl. 8 W(O) = 0 = C₁+ C₃Eq. 8 W (O) = 0 = C₁ + C₃

Gl. 9 W′(O) = 0 = C₂ + C₄Eq. 9 W ′ (O) = 0 = C₂ + C₄

Gl. 10 W(L) = 0 = C₁·(cosa·l-cosha·l)+C₂·(sina·L-sinha·L)Eq. 10 W (L) = 0 = C₁ · (cosa · l-cosha · l) + C₂ · (sina · L-sinha · L)

Gl. 11 W′(L) = 0 = -C₁·a·(sina·L+sinha·L)+C₂·a·(cosa·L-cosha·L)Eq. 11 W ′ (L) = 0 = -C₁ · a · (sina · L + sinha · L) + C₂ · a · (cosa · L-cosha · L)

daraus ergibt sich schließlich die Bedingungsgleichungthis ultimately results in the condition equation

beziehungsweiserespectively

Diese Gleichung hat beliebig viele Lösungen, uns intres­ siert hier die fünfte LösungThis equation has as many solutions as we like is the fifth solution

Gl. 14 Ω₅ = a₅·L = 14,137165Eq. 14 Ω₅ = a₅L = 14.137165

Damit kann nun die fünfte Eigenfrequenz des Schwingers bestimmt werden, zuNow the fifth natural frequency of the transducer can be used be determined to

In diesem konkreten Fall führt das zuIn this specific case, this leads to

F = 9,3·4 mm²
g = 9810 mm/s²
E = 7000 kg/mm³
I = 9,3·4 mm⁴/12
γ = 2,85 kg/10⁶ mm³
L = 244 mm.
F = 9.3 x 4 mm²
g = 9810 mm / s²
E = 7000 kg / mm³
I = 9.3 x 4 mm⁴ / 12
γ = 2.85 kg / 10⁶ mm³
L = 244 mm.

Der gemessene Wert der erregten Frequenz von 3000 Hz weicht also von dem theoretisch zu erwartenden Wert f = 3028 Hz nur unwesentlich ab.The measured value of the excited frequency of 3000 Hz deviates from the theoretically expected value f = 3028 Hz only insignificantly.

Um nun die Flächenänderung des Schwingrahmens zu bestim­ men, muß die Ortsfunktion der Auslenkung W(x) betrachtet werden.In order to determine the change in area of the swing frame men, the local function of the deflection W (x) must be considered will.

Die Gleichung ist eine Bestimmungsgleichung für C₂, wenn man die Auslenkung durch den Piezooxid-Wandler an der Stelle x=L/2 mit C₀ einführt.The equation is a determination equation for C₂ if the deflection by the piezo oxide transducer on the Place x = L / 2 with C₀.

C₀ wiederum ist durch die Ansteuerspannung am Piezooxid und dessen elektrodynamischen Eigenschaften bestimmt.C₀ in turn is due to the control voltage on the piezo oxide and determined its electrodynamic properties.

Damit wirdSo that will

womit sich ergibtwhich results in

Gl. 21 C₂ = C₀·1,1764·10³Eq. 21 C₂ = C₀ · 1.1764 · 10³

und damitand thus

Wie in Bild 2 zu sehen, ist die Fläche unter dem ge­ streckten schwingenden Stab je nach Phasenlage durch drei positive Maxima und zwei negative Maxima bzw. durch zwei positive Maxima und drei negative Maxima gekenn­ zeichnet.As can be seen in Figure 2, the area under the stretched vibrating rod is characterized by three positive maxima and two negative maxima or two positive maxima and three negative maxima, depending on the phase position.

Das Intregal über die Ortsfunktion W(x) in den beiden ex­ tremen Schwingungszuständen ist also je nach Phasenlage einmal größer als "0" also positiv und einmal kleiner als "0" also negativ. Die maximale Flächenänderung ist also gleich dem doppelten Wert des Integrals über W(x).The intregal via the location function W (x) in the two ex Tremen vibration states is depending on the phase position once greater than "0" thus positive and once less than "0" is negative. So the maximum area change is equal to twice the value of the integral over W (x).

im konkreten Aufbau mit L=244mm alsoin the concrete structure with L = 244mm

Gl. 24 A=C₀·4,06·10⁴mmEq. 24 A = C₀ · 4.06 · 10⁴mm

Der verwendete Piezooxid der Firma Valvo vom Materialtyp PXE 5 mit einer Dicke von 3 mm arbeitet praktisch mecha­ nisch unbelastet an einem hochohmigen System in Resonanz und folgt damit der GleichungThe used piezo oxide from Valvo of the material type PXE 5 with a thickness of 3 mm works practically mecha nisch unloaded on a high-resistance system in resonance and thus follows the equation

Gl. 25 S = d·E₁Eq. 25 S = d · E₁

die den Zusammenhang zwischen elektrischen und mechani­ schen Größen beschreibt.the relationship between electrical and mechani sizes.

"S" ist hier die relative Dickenänderung C₀/D,
"d" ist die piezoelektrische Ladungskonstante und
"E₁" ist die elektrische Feldstärke U/D
"S" here is the relative change in thickness C₀ / D,
"d" is the piezoelectric charge constant and
"E₁" is the electric field strength U / D

mit der Ansteuerspannung "U".with the control voltage "U".

MitWith

läßt sich schreibencan be written

"C₀" in Gleichung Gl. 24 eingesetzt und "U" durch U₀·sinω₅·t ersetzt führt zu"C₀" in equation Eq. 24 used and "U" through U₀ · sinω₅ · t replaced leads to

mit einer Spitzen-Ansteuerspannung von ca. 300V ergibt sich A(t) zuwith a peak drive voltage of approx. 300V towards A (t)

Gl. 29 A(t) = 4,677 mm²·sinω₅·tEq. 29 A (t) = 4.677 mm² · sinω₅ · t

undand

Gl. 30 in Gl. 3 eingesetzt ergibt endlich die durch den Schwingrahmen induzierte Spannung "e", die der magneti­ schen Induktion "B" proportional ist. "N" ist im Modell­ aufbau mit 100 realisiert.Eq. 30 in Eq. 3 used finally results in the by the  Vibrating frame induced voltage "e" that the magneti rule induction "B" is proportional. "N" is in the model construction with 100 realized.

Die magnetische Feldstärke "H" beträgt in Erdnähe unge­ fährThe magnetic field strength "H" is near earth driving

Die magnetische Induktion "B" und die Feldstärke "H" sind verknüpft durch die GleichungThe magnetic induction "B" and the field strength "H" are linked by the equation

Gl. 32 B = µr·µo·HEq. 32 B = µ r · µ o · H

wobei µr für Luft = 1 ist und die Feldkonstante µo beträgtwhere µr for air = 1 and the field constant µo is

Die Größen in Gl. 32 eingesetzt ergebenThe sizes in Eq. 32 used result

d. h. es wird ein Spannungsbetrag von ca. 0,168 mV er­ zeugt, wenn das magnetische Feld senkrecht durch die durch den Schwingrahmen aufgespannte Fläche tritt.d. H. it becomes a voltage amount of approximately 0.168 mV testifies when the magnetic field passes through the perpendicular the area spanned by the swing frame.

Die induzierte Spannung "e" ist gegenüber der Rahmen­ schwingung um 90° in der Phase verschoben.The induced voltage "e" is opposite the frame vibration shifted by 90 ° in phase.

Weicht der Durchtrittswinkel um "β" von 90° ab, so ist die wirksame InduktionIf the passage angle deviates by "β" from 90 °, then the effective induction

Gl. 34 B(β) = B·cosβEq. 34 B (β) = B · cosβ

An Gl. 34 sieht man, daß die erzeugte Spannung "e" ein­ schließlich Vorzeichen von der projizierten Größe B(β) abhängig ist, also den Vektor "B" darstellt.At Eq. 34 you can see that the generated voltage "e" finally sign of the projected size B (β) is dependent, ie represents the vector "B".

Die dem Vektor "B" proportionale Spannung "e" wird ver­ stärkt und synchron demoduliert, so daß bei Erdfeldmessun­ gen in meinem Modell relative Ausgangsspannungswerte im Bereich -5V U 5V erzeugt werden. Diese Spannungen sind geeignet, mit Hilfe von Analog-Digitalwandlern auto­ matische Datenverarbeitung zu betreiben.The voltage "e" proportional to the vector "B" is ver strengthens and synchronously demodulates, so that with earth field measurements relative output voltage values in my model Range -5V U 5V can be generated. These tensions are suitable with the help of analog-digital converters auto to operate data processing.

Es sei bemerkt, daß z. B. ein dreieckiger Schwingrahmen, der in der 3.ten Harmonischen erregt wird, bei gleicher Fläche ca. um den Faktor 15 effektiver arbeitet, als der beschriebene rechteckige Schwingrahmen.It should be noted that e.g. B. a triangular swing frame, which is excited in the 3rd harmonic at the same Surface works about 15 times more effectively than the described rectangular swing frame.

Abschließend ist zu sagen, daß der Schwingrahmen auch in einer Wirkumkehr betrieben werden kann.In conclusion it should be said that the swing frame also in a reverse effect can be operated.

Dazu wird die Spule mit einer Wechselspannung beauf­ schlagt, wodurch in dem Schwingrahmen ein Wechselmagnet­ feld erzeugt wird, das nun durch seine Rückwirkung (Gegeninduktivität) den Schwingrahmen zu mechanischen Biegeschwingungen anregt.For this purpose, the coil is supplied with an alternating voltage strikes, causing an alternating magnet in the oscillating frame field is now generated by its retroactive effect (Mutual inductance) the oscillating frame to mechanical Stimulates bending vibrations.

Claims (12)

1. Vibrationsmagnetometer mit einer rahmenförmigen Meßspule zum Verbringen in ein zu messendes Magnetfeld, die mit einem Vibrator verbunden ist, wobei die in der Meßspule durch deren Vibrationen in dem Magnetfeld gemäß der Änderungen des jeweils von der Meßspule erfaßten Magnetfeldes induzierte Meßspannung nach Größe und Phasenlage zu den Vibrationen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule zu solchen Rahmenbiegeschwingungen in der Rahmenebene fähig elastisch ausgebildet ist, bei denen sich der Flächeninhalt des Rahmens schwingungsgemäß periodisch ändert, und daß der Vibrator schwingungserregend für derartige Rahmenbiegeschwingungen mit dem Rahmen gekoppelt ist und mit der Resonanzfrequenz der Rahmenbiegeschwingungen erregt ist.1. Vibration magnetometer with a frame-shaped measuring coil for placement in a magnetic field to be measured, which is connected to a vibrator, the measuring voltage induced in the measuring coil by its vibrations in the magnetic field according to the changes in the magnetic field detected by the measuring coil depending on size and phase position the vibrations are evaluated, characterized in that the frame measuring coil is capable of such frame bending vibrations in the frame plane, in which the surface area of the frame changes periodically in accordance with vibrations, and in that the vibrator is vibrationally coupled to the frame for such frame bending vibrations and with the resonance frequency the frame bending vibration is excited. 2. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule selbsttragend oder mit einem elektrisch nicht leitenden Trägerrahmen verbunden ist.2. Vibration magnetometer according to claim 1, characterized characterized in that the frame measuring coil self-supporting or connected to an electrically non-conductive support frame is. 3. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule mit einer Spannung gespeist ist, deren Frequenz der Rahmenbiegeschwingungs­ resonanz entspricht, und diese dadurch selbst als Vibrator wirkt.3. Vibration magnetometer according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the frame measuring coil with a voltage is fed, the frequency of the frame bending vibration resonance corresponds, and this itself as a vibrator works. 4. Vibrationsmagnetometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule so dimensioniert und jeweils so erregt ist, daß deren Rahmenbiegeschwingung eine ungerade Anzahl, insbesondere fünf, Schwingungsknoten aufweist. 4. Vibration magnetometer according to one of the preceding Claims, characterized in that the frame measuring coil so dimensioned and so excited that their Frame bending vibration an odd number, in particular five, has vibration nodes.   5. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule mit einem rechteckigen Trägerrahmen verbunden ist, der aus 4 mm dickem Aluminium mit Seitenmaßen von 80 mm und 50 mm und einer Breite von 9,3 mm besteht.5. Vibration magnetometer according to claim 4, characterized characterized in that the frame measuring coil with a rectangular support frame is connected, the 4 mm thick Aluminum with side dimensions of 80 mm and 50 mm and one Width of 9.3 mm. 6. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerrahmen in einem Schwingungsbauch mit einem piezoelektrischen Wandler als Vibrator gekoppelt ist, der mit ca. 3000 Hz erregt ist.6. Vibration magnetometer according to claim 5, characterized characterized in that the support frame in one Vibration antinode with a piezoelectric transducer as Vibrator is coupled, which is excited at about 3000 Hz. 7. Vibrationsmagnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule auf einem Träger aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Quarzglas, hergestellt ist.7. Vibration magnetometer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the frame measuring coil on a Carrier made of electrically insulating material, in particular Quartz glass. 8. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als ein piezoelektrischer Wandler zur Ausbildung der Schwingungen in der Rahmenebene ausgebildet ist.8. Vibration magnetometer according to claim 7, characterized characterized in that the carrier as a piezoelectric Transducer for the formation of vibrations in the frame level is trained. 9. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule und/oder ihr Trägerrahmen dreieckig ausgebildet ist und in der 3. Harmonischen zu den Biegeschwingungen erregt wird.9. Vibration magnetometer according to claim 4, characterized characterized in that the frame measuring coil and / or her Carrier frame is triangular and in the 3rd Harmonics to the bending vibrations is excited. 10. Vibrationsmagnetometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenmeßspule mit einer elektrisch leitenden magnetisch nicht leitenden Abschirmung gekapselt ist.10. Vibration magnetometer according to one of the preceding Claims, characterized in that the frame measuring coil with an electrically conductive magnetically non-conductive Shield is encapsulated. 11. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator von einem elektrischen Generator beaufschlagt ist, der eingangsseitig mit der Rahmenmeßspule rückgekoppelt ist. 11. Vibration magnetometer according to claim 1, characterized characterized in that the vibrator from an electrical Generator is acted upon, the input side with the Frame measuring coil is fed back.   12. Vibrationsmagnetometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei der Rahmenmeßspulen jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet angeordnet sind und deren Signalauswertung zur Magnetfeld- Vektordarstellung phasenmäßig und größenmäßig erfolgt.12. Vibration magnetometer according to one of the preceding Claims, characterized in that two or three of the Frame measuring coils each aligned orthogonally to each other are arranged and their signal evaluation for magnetic field The vector is displayed in terms of phase and size.
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