JP4525566B2 - 磁界測定器 - Google Patents

Description

この発明は磁性物検知、地磁気観測などに使用する磁界測定器に関する。

従来の磁界測定器では、磁気測定系のアナログ出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ性能が磁界測定系の有するダイナミックレンジの性能より小さいために、ダイナミックレンジ性能と低固有雑音（分解能）性能の両立が出来ず、つまり背景磁界の大きさと、細かい変動の双方の測定を行うことが出来ず、レンジ切替機能とオフセット調整機能とで、優先して使用する性能を選択していた。

この種の磁界測定器として、磁界測定手段の測定出力をＡ／Ｄ変換器を介して演算手段に取り込み背景磁界のみの測定出力に応じて所定電圧をＤ／Ａ変換器を介して測定信号取り込み系に戻し、オフセット調整を行うものにおいて、オフセット調整を指示する手段と、このオフセット調整の指示下で測定値が所定範囲を超えている場合、逐次比較によりオフセット調整を実施する手段と、測定値が所定範囲内になるとＡ／Ｄ変換器を通じて取り込んだ測定値に見合った値をＤ／Ａ変換器に設定して測定系に戻すことを複数回繰り返す手段とを備えた磁界測定器が開示されている（例えば特許文献１）。ここでオフセット調整は、オフセット磁界を打ち消すことを云い、オフセット磁界は背景磁界を云う。
特開平１０−１６０８１０号

上記特許文献１記載の磁界測定器は、ダイナミックレンジ性能と分解能性能のうち、分解能を優先したものである。つまり、大きな背景磁界の中で、変動する低固有雑音を分解能良く測定するため背景磁界のレベル検出を犠牲にして、その微小変動のみを、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを一杯に使用して精度良く測定するものである。

このように、これまでの磁界測定器を使用しても、大きな磁界変化を測定した場合、同時に発生している微小な変化は計測できず、逆に微小な磁界変化を計測している場合は、大きな磁界変化が計測できなかった。

この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、分解能を得るために小さなダイナミックレンジとするＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ性能の制約を受けずに、磁界測定系の有するダイナミックレンジ性能の使用を可能とし、大きな磁界変化と同時に発生している微小な変化を両方とも同時に測定可能な磁界測定器を提供することを目的とする。

この発明の磁界測定器は、磁界検出素子と磁界測定回路とからなる磁界測定系と、磁界測定系の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、このデジタル値を取り込み所用の演算・制御を行う演算回路と、この演算回路の指示にしたがってオフセット調整用のアナログ電圧を磁界測定系へ出力するＤ／Ａ変換器とを備えたものにおいて、オフセット磁界分をキャンセルするために前記Ｄ／Ａ変換器に設定したオフセット調整量を記憶する記憶手段と、このオフセット調整後のＡ／Ｄ変換結果と前記記憶手段に記憶されたオフセット調整量とを加算する加算手段と、を備え、サンプルタイムにおいては、磁界測定系の出力に係るＡ／Ｄ変換器の出力を読み込んだ後、オフセット調整量をＤ／Ａ変換器に設定するとともに記憶手段に記憶し、磁界測定系の出力からそのオフセット調整量をキャンセルした後のＡ／Ｄ変換器の出力を読み込み、読み込んだ信号値が予め設定したＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの範囲内に入るまで、Ｄ／Ａ変換器への新たなオフセット調整量の設定、記憶手段への該オフセット調整量の記憶、磁界測定系の出力からの該オフセット調整量のキャンセル、オフセット調整後のＡ／Ｄ変換器の出力の読み込みを繰り返し、読み込んだ信号値がＡ／Ｄ変換器の前記ダイナミックレンジの範囲内に入ると、記憶手段に記憶した直前のオフセット調整量とオフセット調整後のＡ／Ｄ変換器から読み込んだ直前の出力信号値とを加算するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、磁界測定系の出力からオフセット調整量をキャンセルした後のＡ／Ｄ変換器から読み込んだ信号値が予め設定したＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの範囲内に入るまで、Ｄ／Ａ変換器への新たなオフセット調整量の設定、記憶手段への該オフセット調整量の記憶、磁界測定系の出力からの該オフセット調整量のキャンセル、オフセット調整後のＡ／Ｄ変換器の出力の読み込みを繰り返し、読み込んだ信号値がＡ／Ｄ変換器の前記ダイナミックレンジの範囲内に入ると、記憶手段に記憶した直前のオフセット調整量とオフセット調整後のＡ／Ｄ変換器から読み込んだ直前の出力信号値とを加算するようにしているから、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ性能の制約を受けずに、磁界測定系の有するダイナミックレンジ性能を使用でき、微小磁界と大きな磁界（変化）の双方を測定できる。

以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態磁界測定器のハード構成を示すブロック図である。この磁界測定器は、磁界検出素子１と、磁界測定回路２と、この磁界測定回路２からの入力信号を受ける差動増幅器４と、差動増幅器４のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５と、Ａ／Ｄ変換器５からの出力信号を取り込み、記憶するＣＰＵ６と、ＣＰＵ６より出力されるデジタル信号をオフセット信号としてアナログ信号に変換して、差動増幅器４のマイナス入力端に加えるＤ／Ａ変換器７と、出力回路８とから構成されている。磁界検出素子１と磁界測定回路２とで、磁界測定系３を構成している。出力回路８は表示素子及びアナログ出力信号、デジタル出力信号等を出力する出力回路である。

ＣＰＵ６には、Ｄ／Ａ変換器７に設定されるオフセット調整量を記憶するオフセットメモリ６ａを備える。一般に、オフセット磁界について例えば背景磁界が５００００ｎＴで数ｎＴの磁界変化を測定する場合、オフセット磁界は、この背景磁界のことを言う。さらにオフセット調整とは、このオフセット磁界を打ち消すことをいう。

この実施形態においては、Ａ／Ｄ変換器５の有効分解能（雑音レベル）が、磁界測定系３の固有雑音性能を下回るようにＡ／Ｄ変換器５の入力レンジを設定する。また、磁界測定系３のダイナミックレンジをＤＲ１、Ａ／Ｄ変換器５のダイナミックレンジをＤＲ２、Ｄ／Ａ変換器７のダイナミックレンジをＤＲ３とすると、図４に示すように、Ｄ／Ａ変換器７のダイナミックレンジＤＲ３とＡ／Ｄ変換器５のダイナミックレンジＤＲ２の合計〔図４の（ｂ）参照〕が磁気測定系３のダイナミックレンジＤＲ１〔図4の（ａ）参照〕
を上回るようにＤ／Ａ変換器７とＡ／Ｄ変換器５を選定する。

次に図２に示すフローチャートにより、上記実施形態磁界測定器における測定処理動作を説明する。処理が開始されると、先ずステップＳＴ１において、ＣＰＵ６は、Ａ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換結果、つまりＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を読み込む。続いて、ステップＳＴ２へ移行する。処理動作の開始時においては、Ｄ／Ａ変換器７のオフセット調整量の設定は０であり、例えば磁界測定系３の検出出力が図５の（ａ）に示すＶａであるとすると、この磁気出力Ｖａは差動増幅器４を経て，Ａ／Ｄ変換器５に入力される。しかしＡ／Ｄ変換器５のダイナミックレンジＤＲ２より大であり、フルスケール以上の出力となり、振り切れる。

ステップＳＴ２においては、ＣＰＵ６は、Ｄ／Ａ変換器７にオフセット調整量を設定する。最初の設定値は、例えば図５の（ｂ１）に示すＶＯ１（＝ＤＲ２）とする。このオフセット調整量ＶＯ１は、同時にオフセットメモリ６ａに記憶される。このオフセット調整量ＶＯ１はアナログ信号で差動増幅器４の（−）入力端に入力され、差動増幅器４では、（＋）入力端に入力される磁界測定系３からの信号との間で差動増幅され出力Ｖａ―ＶＯ１＝Ｖ２として、磁気信号からオフセット測定量がキャンセルされたアナログ信号が得られ、Ａ／Ｄ変換器５に入力される。ステップＳＴ２の処理に続いてステップＳＴ３へ移行する。

ステップＳＴ３においては、Ａ／Ｄ変換器５のデジタル信号出力を、オフセット調整後
のＡ／Ｄ変換結果として、ＣＰＵ６に、読み込む。図５の例示ではＶａ−ＶＯ１＞ＶＯ１である。次にステップＳＴ４へ移行する。ステップ４においては、Ａ／Ｄ変換器５から読み取ったデジタル信号値が、予め設定する所定値(例えばＶＯ１＝ＤＲ２)の範囲内に入ったか否か判定する。所定値の範囲内に入っていない場合は、ステップＳＴ２へ戻る。一方、所定値の範囲内に入っている場合は、ステップＳＴ５へ移行する。

所定の範囲内に入っていず、ステップＳＴ２に戻った場合には、なおオフセット調整量ＶＯ１によるキャンセル不足（調整不足）であるとして、Ｄ／Ａ変換器７に増加した新たなオフセット調整量を設定するとともに、その新たなオフセット調整量をリセットメモリ６ａに記憶する。図５の例ではオフセット調整量がＶＯ２(図５のｂ２)になる。そしてステップＳＴ３へ移行し、前回と同様、オフセット再調整後のＡ／Ｄ変換器５の変換結果Ｖａ―ＶＯ２をＣＰＵ６に読み込み、ステップＳＴ４へ移行し、新たなＡ／Ｄ変換結果が所定範囲に入った否か判定する。なおＡ／Ｄ変換結果が所定の範囲に入っていない場合は、再々度ステップＳＴ２へ戻り。新たなＡ／Ｄ変換結果が所定値の範囲に入るまでステップＳＴ２〜ステップＳＴ４の処理を繰り返す。以上のようにして、図５に示すようにオフセット調整量をＶＯ２，ＶＯ３（図５のｂ３）と順次設定すると、オフセット量ＶＯ３で，Ｖａ−ＶＯ３＜ＶＯ１となり、Ａ／Ｄ変換値が所定値ＶＯ１の範囲に入ったことになる。

ステップＳＴ４において、Ａ／Ｄ変換結果が所定値の範囲に入った場合で、ステップＳＴ５に移行すると、前記の最新のステップＳＴ２で記憶したオフセット調整量（図５の例でＶＯ３）とステップＳＴ３で読み込んだオフセット調整後のＡ／Ｄ変換結果（磁気測定系の有するダイナミックレンジ〔有効桁数〕：図５の例でＶａ−ＶＯ３）とをＣＰＵ６で加算する。次にステップＳＴ６へ移行する。ステップＳＴ６においては、加算結果を出力回路８より外部に出力する。

以上の処理を所要のサンプルタイム毎に繰り返す。なお。２回目以降は、１回目で現にオフセット調整がなされているので、ステップＳＴ１において、読み込んだＡ／Ｄ変換結果が所定の範囲内に入っているか否か判定し、入っていればステップＳＴ５へジャンプさせても良い。

上記実施形態では、図２に示す処理を、図１に示す磁界測定器のハード構成回路で実行する場合を示しているが、この発明では、ハード構成回路として、図３に示す回路を使用し、これに図２に示す処理を実行させてもよい。この磁界測定器では、図１に示すものにおいては、Ｄ／Ａ変換器７の出力を差動増幅器４に戻しているのに対し、フイードバック回路９を介して磁界検出素子１に戻している点が相違する。なお、図１、図３に示したハード回路の基本的な構成自体は、特に新しいものではない。

この発明の一実施形態で磁界測定器のハード構成を示すブロック図である。 同実施形態磁界測定器の測定処理動作を説明するフロー図である。 この発明の他の実施形態である磁界測定器のハード構成を示すブロック図である。 図１の磁界測定器における磁界測定系と、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器のダイナミックレンジの関係を示す図である。 図１の磁界測定器における処理動作を説明するための、磁界測定系の検出出力Ｖａと、オフセット調整量ＶＯ１，ＶＯ２，ＶＯ３を示す図である。

符号の説明

１ 磁界検出素子
２ 磁界測定回路
３ 磁界測定系
４ 差動増幅器
５ Ａ／Ｄ変換器
６ ＣＰＵ
６ａ オフセットメモリ
７ Ｄ／Ａ変換器
８ 出力回路
９ フイードバック回路

Claims (1)

1. 磁界検出素子と磁界測定回路とからなる磁界測定系と、磁界測定系の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、このデジタル値を取り込み所用の演算・制御を行う演算回路と、この演算回路の指示にしたがってオフセット調整用のアナログ電圧を磁界測定系へ出力するＤ／Ａ変換器とを備えた磁界測定器において、
   オフセット磁界分をキャンセルするために前記Ｄ／Ａ変換器に設定したオフセット調整量を記憶する記憶手段と、このオフセット調整後のＡ／Ｄ変換結果と前記記憶手段に記憶されたオフセット調整量とを加算する加算手段と、を備え、
   サンプルタイムにおいては、磁界測定系の出力に係るＡ／Ｄ変換器の出力を読み込んだ後、オフセット調整量をＤ／Ａ変換器に設定するとともに記憶手段に記憶し、磁界測定系の出力からそのオフセット調整量をキャンセルした後のＡ／Ｄ変換器の出力を読み込み、読み込んだ信号値が予め設定したＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの範囲内に入るまで、Ｄ／Ａ変換器への新たなオフセット調整量の設定、記憶手段への該オフセット調整量の記憶、磁界測定系の出力からの該オフセット調整量のキャンセル、オフセット調整後のＡ／Ｄ変換器の出力の読み込みを繰り返し、読み込んだ信号値がＡ／Ｄ変換器の前記ダイナミックレンジの範囲内に入ると、記憶手段に記憶した直前のオフセット調整量とオフセット調整後のＡ／Ｄ変換器から読み込んだ直前の出力信号値とを加算するようにしたことを特徴とする磁界測定器。

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