DE69116736T2

DE69116736T2 - System zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe eines Supraleitermagnetwiderstandselementes

Info

Publication number: DE69116736T2
Application number: DE69116736T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Koba; Hidetaka Shintaku
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-05-21
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-05-22
Also published as: JPH07113665B2; DE69116736D1; EP0459679B1; US5194808A; EP0459679A1; JPH0425780A

Description

Hintergrund der Erfindung

Erfindungsbereich

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines Systems zum Messen eines Magnetfeldes mittels eines supraleitenden Magnetwiderstandselements aus supraleitendem Material. Im besonderen bezieht sie sich auf eine Verbesserung der Meßgenauigkeit in einem hochempfindlichen Supraleiter-Magnetfeldsensorsystem mit einem an das Magnetwiderstandselement, das aus dem supraleitenden Material mit schwach gekoppelten Korngrenzen besteht, angelegten Vormagnetisierungsfeld.

Beschreibung des Standes der Technik

Herkömmlicherweise wird bei einem Magnetfeldsensor der Halleffekt des Magnetwiderstandseffekts in einem Halbleiter oder in einem magnetischen Material zur Feststellung oder Messung eines Magnetfeldes genutzt. Im besonderen ist ein Magnetwiderstandselement bekannt, bei dem ein Formeffekt in einem Halbleiter mit hoher Elektronengeschwindigkeitsmobilität, zum Beispiel InSb und InAs ausgenutzt wird, oder ein ferromagnetisches Material mit Richtungseffekt, wie FeNi oder Co-Ni, verwendet wird.
Weiterhin wurde ein Verfahren zur Feststellung und Messung eines schwachen Magnetfeldes entwickelt, das einen Magnetwiderstandseffekt in einem supraleitenden Material mit lose zusammenhängenden Korngrenzen eines Supraleiteroxids verwendet.
Bei dem bekannten Magnetwiderstandselement, das ein halbleitendes oder ein magnetisches Material verwendet, wird ein Vormagnetisierungsfeld, das zum Beispiel durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, an das schwache zu messende Magnetfeld angelegt, um den niedrigen Bereich, in dem sich die Stärke des Magnetfeldes befindet, in einen hochempfindlichen, durch das Magnetwiderstandselement zu messenden Bereich anzuheben, da die Meßempfindlichkeit für Magnetfelder in einem niedrigen oder schwachen Bereich gering ist. Jedoch ist es auch in diesem Fall schwer, ein solch schwaches Magnetfeld genau zu messen.
Beim Messen eines Magnetfelds mit einem supraleitenden Magnetwiderstandselement, wird durch das Anlegen eines Magnetfeldes einer bestimmten Stärke, die größer als ein Schwellwert ist, der abhängig von der Stärke des durch das Element fließenden Vormagnetisierungsstroms bestimmt wird, der supraleit ende Zustand des Elements aufgehoben und in einen normal leitenden Zustand überführt. Dadurch wird in der Region, in der das Magnetfeld größer als der Schwellwert in diesem Übertragungspunkt ist, der Widerstandswert des Elements abrupt angehoben. Dann kann eine zum Widerstandswert proportionale Ausgangsspannung generiert werden, um dadurch eine hochempfindliche Messung eines Magnetfeldes in dieser Region zu ermöglichen.
In solch einem supraleitenden Magnetwiderstandselement tritt jedoch in einem Niederfrequenzbereich kleiner als 10 Hz ein Fluktuationseffekt auf. Dieser verursacht eine Fluktuation des Ausgangssignals des Elements. Dadurch ist es schwer, ein schwaches Magnetfeld zu messen, indem ein Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld oder ein Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld mit einer Frequenz von weniger als 10 Hz angelegt wird. Weiterhin tritt eine änderung des Ausgangsspannungswerts des Elements wegen einer dem supraleitenden Magnetwiderstandselement innewohnenden Temperaturfluktuation bei der Kühlung des Elements zur Erhaltung des supraleitenden Zustands auf. Diese Änderung in der Ausgangsspannung des Elements durch die Temperaturfluktuation kann nicht korrigiert werden.
Es sei auf die als EP-A-0 301 902 vorveröffentlichte europäische Patentanmeldung des Anmelders hingeweisen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung eines Magnetfeldes durch die Verwendung einer Magnetwiderstandseigenschaft eines supraleitenden Materials beschreibt. Dieses Dokument lehrt, daß ein an ein supraleitendes Material mit Korngrenzen angelegtes Magnetfeld eine Änderung des Widerstandswerts des Materials hervorruft, die von einem Übergang des Materials vom supraleitendem Zustand in den normal leitenden Zustand begleitet ist. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit zur Messung schwacher Magnetfelder kann ein von einem Permanentmagneten oder ein von einem Elektromagneten erzeugtes Vormagnetisierungsfeld an das Material angelegt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bietet einen Magnetfeldsensor mit einem supraleitenden Magnetwiderstandselement, Mitteln zum Anlegen eines Vormagnetisierungswechselfeldes an das Element, und Mitteln zum Abzweigen eines den sich ändernden Widerstand des Elements repräsentierenden Ausgangssignals aus dem Element, sie ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Herausfilterung einer Grundwellenkomponente der Frequenz des wechselnden Vormagnetisierungsfeldes und einer 2. Harmonischen Komponente bei der doppelten Grundfrequenz, sowie eine Einrichtung zum Berechnen eines Meßsignals aus den beiden Komponenten.
Mit einer solchen Anordnung kann die Änderung der Ausgangsspannung wegen seiner Temperaturfluktuation durch die Kühlung, damit es in den supraleitenden Zustand gesetzt wird, korrigiert werden. Die Messung schwacher magnetischer Felder kann dadurch genau und mit einer hohen Empfindlichkeit erreicht werden.
Vorzugsweise enthält der Magnetfeldsensor weiter Mittel zum Anlegen eines Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes an das supraleitende Magnetwiderstandselement. Vorteilhafterweise können die Mittel zum Anlegen des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes die Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändern.
In der bevorzugten Ausführung liegt die Frequenz des Wechselstrom-Vormagnetisie rungsfeldes in einem Hochfrequenzbereich, der von der natürlichen Fluktuation bei einer Niederfrequenz, die in dem supraleitenden Material innewohnt, nicht betroffen ist. Dadurch verursacht die natürliche Niederfrequenzfluktuation keinen Meßfehler
Die Erfindung, die in der bevorzugten Ausführung genau beschrieben wird, ermöglicht es so, die oben beschriebenen Probleme der Temparaturfluktuation und der Niederfrequenzfluktuation zu überwinden. Sie ermöglichet weiter die Messung eines Magnetfeldes mit einer hohen Genauigkeit und einer guten Effizienz.
Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit weiteren Vorzügen am besten in Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(a) und 1(b) sind eine Aufsicht und eine Schnittdarstellung, die eine Anordnung der Ausführung des supraleitenden Magnetwiderstandselements zeigen, das in der Ausführung eines supraleitenden Magnetfeldsensorsystems nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird,
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die beispielhaft eine Anordnung zur Herstellung eines in der Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzen supraleitenden Films zeigt,
Fig. 3 ist eine schematischen Darstellung, die eine allgemeine Anordnung eines supraleitenden Magnetwiderstandselements nach der vorliegenden Erfindung zeigt, wie es in Figur 1 zu sehen ist,
Fig. 4 zeigt einen Graphen der Kennlinie zwischen dem Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und der Ausgangsspannung des in der Ausführung benutzten supraleitenden Magnetwiderstandselements,
Fig. 5 zeigt einen Graphen der Kennlinien zwischen dem Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und einem Rauschen des supraleitenden Magnetwiderstandselements,
Fig. 6(a) bis 6(f) sind schematische Darstellungen, die die Ausgangswellen formen in Bezug auf die Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelder zeigen,
Fig. 7 zeigt einen Graphen, der die Betriebspunkte der Fig. 6 aufzeigt,
Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Ausführung des Magnetfeldsensorsystems nach der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 9(a) bis 9(d) sind schematische Darstellungen, die die Wellenformen zur Erklärung der A/D Wandlung des Ausgangssignals des Elements darstellen,
Fig. 10(a) bis 10(c) sind schematische Diagramme, die Wellenformen zur Erklärung der Korrektur der Phasendifferenz zwischen dem Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld und dem Ausgangssignals des Elements darstellen, und
Fig. 11 zeigt einen Graphen, der die Ausgangskennlinie zwischen dem Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und dem Ausgangssignal des Elements darstellt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Figuren 1(a) und 1(b) zeigen eine Anordnung eines supraleitenden Magnetwiderstandselements 14, das in einer bevorzugten Ausführung eines Magnetfeldsensorsystems nach der Erfindung benutzt wird. Das Element 14 besteht aus einem Substrat 1 aus einer nichtmagnetischen Substanz und einem daraufgebilde ten supraleitenden Film 2. Der supraleitende Film 2 besteht aus einer Koaleszenz von feinen Körnern aus supraleitendem Materialoxid, wobei die feinen Körner in einer Punkt zu Punkt Weise schwach zusammengewachsen sind, oder durch einen dünnen Isolierfilm oder einen normalen leitenden Film aneinander gebunden sind. Der supraleitende Film 2 ist durch Einschnitte, die mittels einer Schneidemaschine eingeschnitten wurden, in eine meanderförmige Form geformt, die an der gleichen Seite endet, an der sie auch beginnt. Auf den supraleitenden Film 2 sind durch die Aufdampfung von Titan (Ti) Material auf beide Seitenbereiche seiner oberen Oberfläche ein Paar Stromanschlüsse 3a und 3b und ein Paar Spannungsanschlüsse 4a und 4b gebildet.
Die Stromanschlüsse 3a und 3b sind an eine Konstantstromquelle 5 angeschlossen, damit ein konstanter Strom zwischen ihnen fließt. Ein Spannungsmesser 6 ist über die Spannungsanschlüsse 4a und 4b zur Messung derausgangsspannung des Elements 14 angeschlossen. Dadurch wird der Widerstand des supraleitenden Magnetwiderstandselements 14 abhängig von einer über den Spannungsanschlüssen 4a und 4b generierten Spannung gemessen.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Anordnung eines bekannten Verfahrens zur Herstellung des supraleitenden Widerstandselements 14 unter Verwendung eines Sprühpyrolyseverfahrens.
Ein Supraleiteroxidfilm aus einer Zusammensetzung der Y-Ba-Cu-O Gruppen wird auf einem Substrat 13 gebildet, das an einer Basisplatte 17 befestigt ist. Die Basisplatte 17 wird durch eine Heizung 12 auf eine Temperatur von etwa 600ºC aufgeheizt. Auf der anderen Seite werden Zusammensetzungen von Nitrat, dargestellt durch Y (NO&sub3;)&sub3; 6H&sub2;O, Ba (NO&sub3;)&sub2; und Cu (NO&sub3;)&sub2; 3 H&sub2;O, die Materialien des Supraleiterfilms sind, so ausgemessen, daß sie eine Zusammensetzung von bestimmten Elementen (YBa&sub2;Cu&sub3;) sind. Danach werden die ausgemessenen Nitratmateriallen in einer Lösung 7 aufgelöst, die dann in einem Tank 8 einer Sprühpistole 9 gelagert wird. Nachfolgend wird die im Tank 8 gelagerte Lösung 7 durch die Sprühpistole 9 nach und nach mittels durch eine Leitung 10 zugeführter Druckluft in feinen Nebel 11 verwandelt und auf das Substrat 13 gesprüht. Der auf das Substrat 13 gesprühte Nebel 11 wurde durch Pyrolyse bei einer Temperatur von etwa 600ºC, auf die das Substrat 13 von der Heizung 12 aufgeheizt wurde, in eine Keramikoxidschicht gewandelt.
Der auf dem Substrat 13 gebildete Oxidfilm ist in etwa 10 µm dick hergestellt worden. Danach wurde der Oxidfilm für einige Minuten einer Temperaturbehandlung in Luft ausgesetzt, wodurch ein Film mit einer erwünschten Supraleiterfähigkeit erhalten wurde.
Obwohl der supraleitende Oxidfilm 2 in dieser Ausführung aus Materialien der Y- Gruppe hergestellt wurde, kann er auch aus anderen Materialien, z.B. der Bi Gruppe oder der Tl Gruppe hergestellt werden. Weiterhin können neben dem Sprühpyrolyse Verfahren andere Verfahren wie Sputtering oder das CVD-Verfahren zur Bildung des supraleitenden Films 2 benutzt werden.
Ein gutes Ergebnis wird erhalten, wenn der supraleitende Film 2 des Elements 14 im Bereich von 1 µm bis 10 µm dick gebildet ist.
Wie in der Figur 3 zu sehen ist, ist das supraleitende Magnetwiderstandselement 14 in einem Bereich angeordnet, der von zwei Spulen 15 und 16 umschlossen ist, die Vormagnetisierungsfelder in derselben Richtung erzeugen. Dadurch wird ein Magnetfeldsensorbereich gebildet, in dem die in Figur 1(a) gezeigten Schaltungsverbindungen der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind. Indem ein solcher Magnetfeld sensor benutzt wird und das Meßverfahren mit diesem Magnetfeldsensor in einem magnetisch abgeschirmten Raum durchgeführt wird, der eine Störung durch magnetisches Rauschen verhindert, wird es möglich ein Magnetfeld mit einer hohen Genauigkeit zu messen.
Die Spule 15 ist an eine Wechselstromquelle 26 angeschlossen, um ein Wechselstrom-Vormagnetisierungfeld an das Element 14 anzulegen. Die Spule 16 ist an eine Gleichstromquelle 27 angeschlossen, um ein Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld an das Element 14 anzulegen.
Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Spannungsausgangskennlinie des supraleitenden Magnetwiderstandselements 14 über die Spannungsanschlüsse 4a und 4b in der Messung mit dem Magnetfeldsensor, wie sie oben beschrieben wurde. Die in der Figur 4 gezeigte Ausgangskennlinie wurde unter den Bedingungen erhalten, daß ein Vormagnetisierungsstrom von 10 mA Stärke durch die Stromanschlüsse 3a und 3b des Elements 14 aufrechterhalten wird, während die Stärke des durch die Spule 16 an das Element 14 angelegten Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändert wird. Die vertikale Achse der Figur 4 zeigt die Ausgangsspannung des Elements 14 und die horizontale Achse der Figur 4 zeigt die Stärke des durch die Spule 16 angelegten Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes.
In der Figur 5 zeigt die vertikale Achse des Graphen die Stärke des im Ausgangssignal des Elements 14 enthaltenen Rauschens bei verschiedenen Frequenzen, wie 0,75 Hz, 10 Hz und 100 Hz, bei einem Betrieb des Elements 14 unter denselben Bedingungen wie in Figur 4, während sich das Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld so verändert, wie es in der horizontalen Achse der Figur 5 aufgezeigt ist.
Wie in der Figur 5 zu sehen ist, verändert sich die Stärke des durch das Element 14 erzeugten Rauschens nur gering, wenn sich die Stärke des angelegten Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändert. Werden die Frequenzanteile des Rauschens analysiert, so ist festzustellen, daß das Rauschen im Bereich eines niedrigen Frequenzpegels unter einigen Hz relativ groß ist. Es ist weiter festzuhalten, daß eine genaue Messung eines Gleichstrom- oder Niederfrequenzmagnetfeldes schwer durchzuführen ist, indem ein Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld an das supraleitenden Magnetwiderstandselement 14 angelegt wird, da die Messung des Gleichstrom- oder Niederfrequenzmagnetfeldes durch das Rauschen gestört wird, wie es in der Figur 5 zu erkennen ist.
In der bevorzugten Ausführung des Magnetfeldsensorsystems nach der vorliegen den Erfindung können ein Gleichstrommagnetfeld und ein Niederfrequenzmagnetfeld durch die Verhinderung eines Einflusses von Niederfrequenzkomponenten des in dem supraleitenden Magnetwiderstandselement 14 innewohnenden Rauschens präzise gemessen werden. Weiterhin ermöglicht es die bevorzugte Ausführung durch die Korrektur deränderung derausgangsspannung wegen der Temperaturfluktuation des supraleitenden Magnetwiderstandselements 14, die auftritt, wenn das Element 14 um in den supraleitenden Zustand zu kommen gekühlt wird, ein schwaches externes Magnetfeld mit hoher Genauigkeit zu messen.
Die Figuren 6(a) bis 6(f) zeigen Wechselstrom-Ausgangswellenformen des Elements 14, wenn ein Wechselstom-Vormagnetisierungsfeld durch die Spule 15 an das Element 14 angelegt wurde, in der Ausführung nach der vorliegenden Erfindung. Die Figur 6(a) zeigt ein sin-förmiges Wechselstrommagnetfeld von ±100 Milligauß, das an das Element 14 durch einen wechselstrom von 1 kHz angelegt wird, mit dem die Spule 15 gespeist wird, wie es in Figur 2 gezeigt ist.
Unter der Bedingung, daß das Wechselstrommagnetfeld an das Element 14 angelegt wird, indem die Spule 15 mit einem Wechselstrom versorgt wird, wird ein Gleichstrommagnetfeld einer vorbestimmten Stärke zusätzlich an das Element 14 angelegt, indem die Spule 16 mit einem vorbestimmten Gleichstrom gespeist wird. Die unter dieser Bedingung entstandene Ausgangskennlinie des Elements 14 ist in Figur 7 gezeigt. Werden die verschiedene Stärken des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes, die durch die Punkte A bis E in Figur 7 gezeigt sind, und den in Bezug auf Figur 4 erklärten Inhalt haben, an das Element 14 angelegt, so verhalten sich die zu den zuvor aufgezeigten Stärken des Magnetfeldes korrespondierenden am Ausgang des Elements 14 gene rierten Wellenformen wie die in den Figuren 6(b) bis 6(f) gezeigten zu den Punkten A bis E der Figur 7 korrespondierenden.
Die Ausgangssignale des Elements 14 mit den Ausgangswellenformen nach den Figuren 6(a) bis 6(f) werden durch ein mit einem magnetischen Feldsensor verbundenes Magnetfeldsensorsystem verarbeitet, wie es in Figur 8 gezeigt ist. Dabei wird die Änderung des Ausgangssignals des Elements 14 wegen der oben erwähnten dem Element 14 innewohnenden Fluktuation durch eine Verarbeitung des Ausgangssignals korrigiert.
Die Figur 8 zeigt eine allgemeine Anordnung des Supraleiter-Magnetfeldsensorsystems. Das Ausgangssignal der Spannungsanschlüsse 4a und 4b des supraleitenden Magnetwiderstandselements 14 wird an einen Differenzverstärker 21 angelegt und von diesem mit dem Faktor 20 verstärkt. Danach wir das Ausgangssignal des Verstärkers 21 über einen Tiefpaßfilter 22, der eine Grenzfrequenz von 2,5 kHz zur Eliminierung des durch das Element 14 generierten Effekts des Rückrauschens hat, an einen analog/digital Wandler 23 (nachfolgend als A/D Wandler 23 bezeichnet) angelegt.
Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 22 wird vom A/D Wandler 23 A/D gewandelt und das digitale Ausgangssignal des A/D Wandlers 23 wird an einen digitalen Signalprozessor 24 geführt.
Die A/D Wandlung des A/D Wandlers 23 wird nachfolgend in Bezug auf Figuren 9(a) bis 9(d) erklärt. Die Figur 9(a) zeigt eine Wellenform eines Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes, das an das Element 14 durch die Versorgung der Spule 15 mit einem Wechselstrom angelegt ist. Die Figur 9(b) zeigt die Wellenform eines Ausgangssignals des Elements 14 mit angelegtem Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld. Mit Hilfe von zwei Arten von Zeit signalen, dem in Figur 9(c) dargestellten Sample-Signal und dem in Figur 9(d) gezeigten Trigger-Signal, die von einem Sinusgenerator 25 zur Generierung eines Wechselstrommagnetfeldes zu dieser Zeit übertragen wurden, wird die A/D Wandlung durch den A/D Wandler 23, der mit dem Anlegen des Wechselstrommagnetfeldes synchronisiert ist, durchgeführt.
Die A/D Wandlung wird durch den A/D Wandler 23 mit 16 bit durchgeführt, in denen die Sampeltätigkeit 16 mal in gleichbleibenden Intervallen während einer Periode des oben erwähnten Wechselstrommagnetfeldes durchgeführt wird. Dadurch wird das digitale Ausgangssignal erhalten.
Mit dem digitalen Ausgangssignal des A/D Wandlers 23 werden der Grundwellenanteil, der den gleichen Frequenzanteil wie das Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld aufweist, und die 2. Harmonische Komponente, die den doppelten Frequenzanteil der Grundfrequenz aufweist, mittels der Fouriertransformation berechnet. Die Grundfrequenz korrespondiert zu der Komponente mit der Ordnung 1 und die 2. Harmonische Komponente korrespondiert zu der Komponente mit der Ordnung 2 der Fourierreihe der periodischen Menge des Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes. Der berechnete Wert der Grundfrequenzkomponente wird durch den Wert der 2. Harmonischen Komponente dividiert. Dadurch wird die Änderung des Ausgangssignals des Elements 14 wegen der dem Element 14 innewohnenden Fluktuation entfernt.
In dieser Ausführung werden nur 1 kHz und 2 kHz Komponenten des Ausgangssignals des Elements 14 schmalbandig ausgebiendet, da die Frequenz des Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes 1 kHz beträgt. Dadurch wird es möglich, den effektiven Wert des im Element 14 generierten Rauschens in einem Niederfrequenzbereich zu unterdrücken.
Das digitale Ausgangssignal des A/D Wandlers 23 wird durch den digitalen Signalprozessor 24 bearbeitet, der an den A/D Wandler 23 angeschlossen ist. Die prinzipielle Theorie der digitalen Signalverarbeitung des Signalprozessors 24 wird nachfolgend beschrieben.
Wie oben beschrieben, wird das analoge Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 22 durch den A/D Wandler 23 A/D gewandelt, um diskrete digitale Werte zu erhalten. Diese werden mittels der diskreten Fouriertransformation numerisch analysiert. Hierdurch wird eine reelle Funktion x(t) durch die Fouriertransformation wie folgt expandiert:
wobei sich jeder Faktor der Komponente der Ordnung N der diskreten Fourierreihe (1) wie folgt darstellt:
Hierbei entsprechen die Xj den Eingangsdaten und N der Ordnungsnummer der entsprechenden Daten.
Nach der vorliegenden Ausführung wird das digitale Datensignal von 16 bit durch den Signalprozessor 24 mit einer hohen Geschwindigkeit verarbeitet, um die jeweiligen Frequenzanteile zu errechnen.
In dieser Ausführung ist die Anzahl der Eingangsdaten 128, die zu den Daten von 8 Perioden korrespondieren, wobei die Daten 16 mal in jeder Periode gesampelt werden.
Bei der Kühlung des Elements 14, damit es in einen supraleitenden Zustand kommt, kann die Temperaturfluktuation des Elements nicht verhindert werden, da das Element 14 in flüssigen Stickstoff versenkt ist, der sich in einem Wärmeisolationsgefäß befindet, und durch dessen Verdampfung gekühlt wird. Dadurch war in der herkömmlichen Methode, ein Magnetfeld mittels nur der Grundfrequenzkomponente zu messen, der Fehler der Fluktuation der Ausgangsdaten durch die Temperaturcharakteristik des Elements 14 vorhanden.
Auf der anderen Seite wird in der bevorzugten Ausführung nach der vorliegenden Erfindung die 2. Harmonische Komponente zusammen mit der Grundfrequenzkomponente verwendet, wie oben beschrieben. In Übereinstimmung mit der Kennlinie des Elements 14 ist die 2. Harmonische Komponente des Ausgangssignals im Bereich eines vorbestimmten Magnetfeldes nicht abhängig von der Stärke des externen Magnetfeldes, sondern nur von der Änderung der Kennlinie durch die Temperatur des Elements. Andererseits wird die Grundfrequenzkomponente des Ausgangssignals von der Änderung des Ausgangssignals des Elements durch die Stärke des externen Magnetfeldes und durch die Temperaturfluktuation beeinflußt. Deshalb wird die Grundfrequenzkomponente durch die 2. Harmonische Komponente dividiert, wodurch es möglich wird, den Rauschantell, der vom Element wegen der Temperaturfluktuation erzeugt wird, aus der Grundfrequenzkomponente herauszufiltern. Demnach wird im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren, nur die Grundfrequenzkomponente mit einem Differenzeinrastverstärker zu messen, in dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Fluktuation des Ausgangswerts auf einen Faktor 1/5 reduziert.
Nachfolgend wird die oben erwähnte Signalverarbeitung schematisch in Bezug auf die Figuren 10(a) bis 10(c) erklärt.
Die Phasendifferenz θ zwischen dem an das Element 14 angelegten Wechselstrommagnetfeld, wie es in Figur 10a gezeigt ist, und des Ausgangssignals des Elements 14, das die gleiche Periode hat und in Figur 10(b) gezeigt ist, wird gemessen und die jeweiligen Faktoren der Fourierreihe werden nach den folgenden Gleichungen (4) und (5) korrigiert, dabei werden die jeweiligen Sinuswellenkomponenten der Grundfrequenzwelle und der 2. Harmonischen Welle erhalten.
Unter der Annahme, daß die Cosinus- und Sinusanteile der Grundfrequenzwelle jeweils C1 und S1 sind, und daß die Cosinus- und Sinusantelle der 2. Harmonischen Welle jeweils C2 und S2 sind, werden die absoluten Anteile M1 und M2 der Grundfrequenz und der 2. Harmonischen Frequenz jeweils durch die folgenden Gleichungen (6) und (7) erhalten:
Durch diese Berechnungen werden die Ausgangswerte durch die Gleichungen (8) und (9) wie folgt erhalten:
Mittels der Gleichung (8) wird es möglich, die Komponente des externen Magnetfeldes mit der gleichen Polarität wie die des angelegten Wechselstrommagnetfeldes zu messen. Mittels der Gleichung (9) wird es möglich, den absoluten Wert der Komponente des externen Magnetfeldes zu messen, die eine andere Polarität als das angelegte Wechselstrommagnetfeld aufweist. Wie oben beschrieben, wird das Rauschen des Fluktuationsantells, das zur Phasendifferenz zwischen dem Ausgangswert des Magnetfeldsensors und dem angelegten Wechselstrommagnetfeld korrespondiert, durch die Berechnungen des digitalen Signalprozessors 24 korrigiert.
Die Ergebniswerte einer solchen oben beschriebenen Messung des Magnetfeldes sind in Figur 11 gezeigt. Die horizontale Achse der Figur 11 stellt die Stärke des gemessenen externen Magnetfelds dar und die vertikale Achse stellt den Ausgangsspannungswert des Supraleiter-Magnetfeldsensorsystems der bevorzugten Ausführung dar, die die Errechnung nach Gleichung (8) benutzt. Um die Berechnungszeit zu reduzieren, kann die Signalberechnungstätigkeit auch durchgeführt werden, indem eine Substitutionsmethode für die Messung durchgeführt wird, in der die 2. Harmonische Komponente M2 durch die Kosinuskomponente C2 ersetzt wird. Weiterhin sind solche Berechnungen nicht auf diese Beispiele beschränkt, es können auch andere passende Kombinationen der Berechnungen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist gänzlich in Bezug auf die bevorzugte Ausführung beschrieben worden. Sie soll dadurch nicht begrenzt werden, denn es ist möglich, den Meßbereich des zu messenden Magnetfeldes und die Genauigkeit der Messung zu ändern, Indem der an das supraleitende Magnetwiderstandselement angelegte Vormagnetisierungsstrom, die Stärke des Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes, dessen Frequenz, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes und die Änderung der Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändert werden.
Weiterhin ist es möglich, in der Verarbeitung des Ausgangssignals des Elements 14 die Auflösung des A/D Wandlers 23 und die Samplezeiten in jeder Periode auf eine Rate, die größer oder gleich viermal pro Periode des angelegten Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes ist, zu ändern. Zusätzlich ist es auch möglich, die Sampleanzahl zum Erhalten der jeweiligen Komponenten in jedem Samplepunkt 50 zu ändern, daß sie eine höhere Anzahl als die Anzahl der Samples pro Periode ist.
Obwohl in der vorliegenden Ausführung das Ausgangssignal des Elements 14 durch den A/D Wandler A/D gewandelt wird, bevor das Signal durch den Signalprozessor verarbeitet wurde, kann das analoge Ausgangssignal auch durch ein analoges Signalverarbeitungsverfahren verarbeitet werden.
Obwohl weiterhin in der vorliegenden Ausführung zwei Spulen zur separaten Versorgung durch Gleichstrom und Wechselstrom benutzt werden, um das Gleichstrom- und Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, kann das Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und das Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld auch mittels einer Spule durch deren Versorgung mit Wechselstrom und Gleichstrom erzeugt werden.
Es ist auch möglich, die Spule zur Versorgung der Vormagnetisierungsfelder in Dünnfilmtechnik auf dem Substrat, auf dem das supraleitende Magnetwiderstandselement angeordnet ist, auszuführen. Dadurch wird es möglich, das Erkennen eines Magnetfeldes zu stabilisieren und die Herstellung des Magnetfeldsensorsystems zu erleichtern.
Im Magnetfeldsensorsystem der bevorzugten Ausführung wird ein Wechselstrom- Vormagnetisierungsfeld einer hohen Frequenz zur Unterdrückung der Wirkung des Rauschens einer natürlichen Niederfrequenz kleiner als einige Hertz, das dem Element innewohnt, angelegt. Durch die Benutzung des Frequenzanteils des Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes, der dem Ausgangssignal des Elements entnommen wurde, und zu dem angelegten Wechselstrom-Vormagnetisierungs feld und der 2. Harmonischen Komponente korrespondiert, wird es möglich, die Änderung des Ausgangssignals des Elements zu korrigieren, die wegen der Temperaturfluktuation des Elements auftritt, wenn das Element gekühlt wird, um supraleitend zu werden, so daß auch ein schwaches Magnetfeld genau und mit einer hohen Empfindlichkeit gemessen werden kann.
Weiterhin ist die Empfindlichkeit des supraleitenden Magnetwiderstandselements nicht abhängig von seiner Größe oder Form. Es ist dadurch möglich, das Element und die Spulen mit kleinen Ausmaßen zu gestalten, so daß es möglich wird, ein externes Magnetfeld in einem winzigen Raum zu erkennen. Das bedeutet, daß das Magnetfeldsensorsystem in verschiedenen Einsatzgebieten benutzt werden kann, wie zum Beispiel in medizinischen Behandlungen und bei nicht zerstörenden Tests.
Es ist auch festzustellen, daß dem Fachmann verschiedene Änderungen offenstehen, ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Magnetfeldsensor mit einem supraleitenden Magnetwiderstandselement (14), Mitteln (23, 16) zum Anlegen eines Vormagnetisierungswechselfeldes an das Element (14), und Mitteln (4a, 4b, 21, 22, 23) zum Abzweigen eines den sich ändernden Widerstand des Elements (14) repräsentierenden Ausgangssignals aus dem Element, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (24) zur Herausfilterung einer Grundwellenkomponente der Frequenz des wechselnden Vormagnetisierungsfeldes und einer 2. Harmonischen Komponente bei der doppelten Grundfrequenz, und eine Einrichtung (24) zum Berechnen eines Meßsignals aus den beiden Komponenten.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Einrichtung (24) zum Berechnen des Meßsignals Mittel zur Division der Grundwellenkomponente durch die 2. Harmonische enthält.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel (27, 15) zum Anlegen eines Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes an das supraleitende Magnetwiderstandselement.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen des Gleich strom-Vormagnetisierungsfeldes eine jeweilige Spule (15) zum Anlegen des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes an das in der Mitte der Spule installierte Element aufweisen.

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1,2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Elements (14) ein Spannungssignal ist.

6. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen des Vormagnetisierungswechselfeldes eine jeweilige Spule (16) zum Anlegen des Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes an das genannte in der Mitte der Spule installierte Element aufweisen.

7. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vormagnetisierungswechselfeld relativ hoher Frequenz zur Unterdrückung natürlicher Niederfrequenzfluktuations-Effekte des Elements verwendet wird.

8. Magnetfeldsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Vormagnetisierungswechselfeldes im Bereich von 1 kHz liegt.