JPS5992368A - 核磁気共鳴を利用した磁場検出装置 - Google Patents

核磁気共鳴を利用した磁場検出装置

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JPS5992368A
JPS5992368A JP20244782A JP20244782A JPS5992368A JP S5992368 A JPS5992368 A JP S5992368A JP 20244782 A JP20244782 A JP 20244782A JP 20244782 A JP20244782 A JP 20244782A JP S5992368 A JPS5992368 A JP S5992368A
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JP
Japan
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frequency
signal
sensor oscillator
magnetic field
oscillator
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JP20244782A
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English (en)
Inventor
Hideto Kishioka
岸岡 秀人
Hiroyuki Matsuoka
裕之 松岡
Akira Ote
明 大手
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は1核磁気共鳴(nuclear magnet
icresonance ) (以下これ?]l−NM
Rと略称する)現象を利用して磁場強度の測定を行なう
磁束測定装置に関するものである。
NMR現象は、特定の物質(例えば水、リン。
炭素など)を入れた容器の周囲にコイルを配置6.させ
、このコイルL高周波信号を加えると、特定の周波IR
fで物質がエネルギーを吸収し、コイル電圧が微小変化
することで検出できる。ここで、特定物質が置かれた点
の磁界の強さHと、吸収周波数fとは(1)式に示すよ
うな関係がある。
f=i−H・・・・・・・・・・・・・・・(1)ただ
し、γ:物’A’ (JjX子核)固有の比例定数従来
、NMR現象を利用した磁束検出装置として、コイルに
生ずる微小変化電圧を正確に検出するために、磁場変調
用のコイルを前記のコイルとは別に設け、磁場I【を小
さく変動させるようにしたものがある。しかしながら、
このような装置においては、コイルが2以上必要であり
、検出端部分が複雑で、かつ大型になる欠点がある。
ここにおいて、本発明は、検出端部分から、磁場変調コ
イルを=<1〜、構造が簡単で小型な磁場検出装置を実
現しようとするものである。
本発明に係る装置は、共鳴吸収周波数が磁界依存性を有
する物質と、この物質の共鳴吸収周波数全検出する七ン
ッーオシレータと、このセンサーオシレータの発掘周波
敷金低周波信号fmで変調する変調手段と、センサーオ
シレータの発振周波数を掃引する手段と、センサーオシ
レータからの周波数変調信号と低周波値−@fmとを入
力しセンサーオシレータの発振周波数を共鳴吸収周波数
に一致するように制御する制御手段を含んで構成した点
に特徴がある。
第1図は本発明に係る装置の一例を示す構成ブロック図
、第2図はその動作波形図である。
第1図において、1は磁場検出端で、共鳴吸収周波数が
磁場Hに依存するような物質、例えば水が収容された容
器10と、この容器の周囲に巻回されたコイル11とで
構成されている。なお、物質として水を用いる場合、純
水でなく、0.1〜1チ程度のFeC1,溶液等を用い
ると感度が向上する。
2は物質の共鳴吸収周波数を検出するための例えばマー
ジナル発振器のような可変周波数のセンサーオシレータ
である。このセンサーオシレータ2は、可変容量ダイオ
ード21.22、コンデンサ23.24.25をもち、
これらはコイル11とともにタンク回路を形成している
。なお、26は帰還用コンデンサ、27は周波数が変化
しても出力をはy一定にさせるAM成分除去回路である
3は、センサーオシレータ2の発振周波数を低周波信号
で変調する低周波信号fmを出力する低周波発掘器で、
その出力端は可変客月ダイオード22の一端に接続され
ている。4は例えばランプ関数状に変化する電圧信号を
発生する関数発生器で、その出力端は可変界4:ダイオ
ード21の一端に接続されており、センサーオシレータ
2の発振周波数を高速掃引する。51−iセンサーオシ
レータ2から得られる周波数変調信号ε。を入力し、こ
の周波数変調信号のピーク位置を検出し、センサーオシ
レータの発振周波数を共鳴吸収周波数(ピーク位置に対
応)に一致するように制御する制御手段で、ここでは、
周波数変調信号ε。と低周波信号fmとの位相検波を行
なう第1の検波回路51.低周波信号fmの周波をを2
倍にする逓倍回路52.逓倍回路52からの低周波信号
2fmと周波数変調信号ε。
との位相検波を行なう第2の検波回路53、第1の検波
回路51からの出力信号Efを入力とするPI調節計、
第1の検波回路51からの信号を記憶し、この記憶信号
iPI調節計に入力させる記憶手段55.零チェック回
路56及び、各検波回路51.53の出力信号、記憶手
段55からの信号を入力し、低周波発掘器4の動作及び
PI調節計54の出力を可変容量ダイオード21の一端
に印加するスイッチS、及び零チェック回路56を制御
する制御回路50とで構成されている。6はセンサーオ
シレータ2からの発振周波数信号νtを制御回路50か
らのタイミングで表示する表示回路である。
このように楢成した装置の動作を次に第2図の各波形図
を参照しながら説明する。第2図(a)〜(、)ニオい
て、横軸はセンサーオシレータ2の発振周波数を示すも
ので、(、)〜(d)の各図とも(e)図の横軸を共通
にして使用するものとする。ここで、センサーオシレー
タ2の発振周波数は、コイル11のインダクタンスLと
、コンデンサ23〜25および可変容量ダイオード21
.22の合成容量C8て、可変容量ダイオード22には
、低周波発振器3からの低周波信号fmが与えられてい
るので、発振周波数νはfmで変調されたものとなる。
また、可変各相ダイオード21には、関数発生器4から
の信号が与えられ、発振周波数νが高速掃引される。こ
の発振周波数νの可変範囲(掃引範囲)は、測定磁場に
対応する吸収周波数の範囲よシ十分広く定められている
第2図(d)は、センサーオシレータ2の発振周波数ν
とその発掘振巾との関係を表わす吸収信号を示すもので
ある。発振周波数νが掃引され、その発振周波数が物質
による吸収周波数νtに一致すると、物質による電磁波
の吸収が行なわれ、■に示すように振巾が低下する。こ
こで、6oは低周波信号fmで変調されたセンサーオシ
レータ2からの周波数変調信号を示す。
第1の検波回路51は、低周波信号fmを参照信号とし
て周波数変RjJi信号ε。全位相検波し、第2図(b
)に示すような時定数の小さい出力佃°号Bfaと、第
2図(c)に示すような時定数の大きい出力信号Bf 
とを出力するもので、これらは、(a)に示す吸収信号
を微分した波形となる。また、第2の検波回路53は、
低周波信号2 fm  を参照信号として周波数変調信
号6゜を位相検波し、第2図(d)に示すような、(、
)に示す吸収信号を2回微分した信号E2fを出力する
制御回路50は、(b)に示す時定数の小さい検波信号
Efaを監視し、その電圧があらかじめ設定した所定値
ECよシ大きくなったら、関数発生器4に高速掃引停止
の信号を送り、関数発生器4はセンサーオシレータの発
振周波数を高速掃引停止時における値νCに維持させる
。また、この状態で、制御回路50は、第2の検波回路
53の出方信号E2fの値が、一定レベルi  (第2
図(d)参照〕を越えているかどうか判断する。ここで
、”2f>gsであれば、信号Efaの振巾変化は物質
の吸収現象によるもの、すなわち、発振周波数νCは吸
収周波数νtの近傍にあることが確認され、また、”2
f < Es  であれば、信号Efaにノイズが混入
したことによるものとし、この場合、再び高速掃引が続
行される。制御回路5oは、このようにEfの値によっ
て吸収周波数信号の存在を確認することにより、ノイズ
等の混入による誤動作を防いでいる。
このような動作が終了彼、制御回路5oは、零チェック
回路56を働かせ、センサーオシレータ2の発振周波数
をνtを中心として−Δf及び+Δfたけ変化させ、こ
の時、第1検波回路5工がら得られる電圧Ei及びp2
11を記憶手段55で記憶させる。この動作は、第1検
波回路51からの信号EfのベースラインIBが零にあ
るか否かチェックするもので、tnが零であれば必ずし
も必要でない。
続いて、制御回路50は、スイッチS、を閉じて、PI
調節計54の出力を、関数発生器4の出方信号に加算さ
せ、可変各州ダイオード21に加える。これによって、
PI調節!+ 54 、スイッチS、、  センサーオ
シレータ2及び第1の検波回路51で形成されるループ
は、Efと−El+El’  の偏差が琴となるように
、すなわち、センサーオシレータ2の発振周波数が、吸
収周波数νtに最終的に等しくなるように制御する。そ
して、偏差が零である状態におけるセンサーオシレータ
2の発振周波数νtは、制量回路5oがらの指示によっ
て計数され、とのνtから検出端における磁場Hの大き
さを知ることができる。
以後、磁場Hの大きさが少し変っても、前記したPI′
調節計54を含むループは、これに自動的に追従するよ
うに動作する。
本発明に係る装置によれば、磁場変調でなく、センサー
オシレータ2の発振周波数を低周波信号で周波数変調す
るようにしたもので、検出端の構成を小型にできるとい
う特長がある。また、吸収信号を微分した信号が所定値
より大きいか否かを確認する動作をさせることによって
、ノイズに強く、高精度の磁」易測定を行なわせること
ができる。
第3図〜第5図は、本発明に係る装置の検出端1付近の
他の構成例を示す要部接続図で、いずれも、掃引できる
周波数範囲を広範囲とし、広い範囲に亘っての磁場測定
が行なえるようにしたものである。
すなわち、第3図は物質の入った容器10にインダクタ
ンス(L)の異なった複数個(ここでは3個)のコイル
を巻回させ、これを測定磁場の大きさに応じてスイッチ
S、で切換え、センサーオシレータ2に接続させるよう
にしたものである。スイッチS2はS、に連動してAM
成分除去回路27a〜27c  を切換える。
第4図は、コイル11に複数個のタップを設け、このタ
ップをスイッチS、によって切換えるようにしたもので
ある。
第5図tまセンサーオシレータ2において、コイル11
に並列に接続されるコンデンサを、複数個設り、これら
のコンデンサ238〜23cをスイッチS、によって切
換えて接続させるようにしたものである。
なお、第1図に示した装置、では、PI調節計54に第
1の検波回路51から得られる吸収信号を一次微分した
信号Ef  (この信号はベースラインtBが必ずしも
零レベルにない)を入力させるようにしたもので、それ
故に、零チェック回路56を動作させるとともに、記憶
手段55からの信号をP1調節計54に人力させ零レベ
ル補正のための動作を行なうものであるが、吸収信号を
三次微分した信号を得(低周波信号fmを3fmしたも
のと8゜と全位相検波して得られる)るようにすれば、
この(g号のベースラインtBは零レベルにあるので、
零チェックのだめの動作は不要であり、零チェック回路
56や、記憶手段55を設ける必要はない。
第6し1は第1図装置6.において、第2の検波回路5
3からの二次微分した18号E2fのみを用いる場合の
他の手法を示す動作波形図である。
この手法は、センサーオシレータ2の発振周波数を高速
掃引し、E2fがはじめに所定電圧ESに達した時、掃
引を停止させその時の発振周波数ν。
を求め、次に、yA振同周波数同じ方向に掃引し、E2
fがP)び所定′i、圧ES Kなったら掃引を停止さ
せ、その時の発振周波数ν2を求める。以後、信号に2
fのピーク位置の近傍(ピーク位置を中心として左右)
を検出し、ν、とν2との開を切換え、u1+’2を演
算することによって、中心周波数(吸収周波截]νを知
るようにしたものである。
以上n足明したように、本発明に係る装置i11によれ
ば、検出端の構成が簡単で、ノイズの影響を受けず、「
鴇精度の磁場測定ケ行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る装置の一例を示す(1乍成ブロッ
ク図、第2図はその動作波形図、第3図〜第5図は検出
端付近の他の構成例を示す要部接続図、第6図は第1図
装置6において、二次微分信号のみを用いる場合の他の
手法を示す動作波形図である。 1・・・検出端、1()・・・容器、11・・・コイル
、2・・・センサーオシレータ、3・・・低周波発振器
、4・・・関数発生器、5・・・制御手段、50・・・
制御回路、54・・・PI調節計。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  共鳴吸収周波数が磁界依存性を有する物質、
    この物質の共鳴吸収周波数を検出するセンサーオシレー
    タ、このセンサーオシレータの発振周波数を低周波信号
    (fm)で変調する変調手段、前記センサーオシレータ
    の発振周波数を掃引する掃引手段、前記センサーオシレ
    ータからの周波数変調信号を前記低周波信号fmのn倍
    調成分(nは整数)で位相検波し、得られた信号を利用
    して前記センサーオシレータの発振周波数を前記共鳴周
    波数に一致するように制御する制御手段とを具備し、前
    記センサーオシレータの発振周波数から磁場を検出する
    ようにした核磁気共鳴を利用した磁場検出装置。
  2. (2)制御手段ケ、センサーオシレータからの周波数変
    調信号を低周波信号fmで位相検波して得られる信号を
    入力する調節計と、センサーオシレータからの周波数変
    調信号を低周波信号の21倍調成分で位相検波して得ら
    れる信号を入力し共鳴吸収周波数信号の存在を確認し前
    記調節計及び掃引手段とを制御する制御回路とで構成し
    た特許請求の範囲第1項記載の核磁気共鳴を利用した磁
    場検出装置。
  3. (3)  制御手段ケ、センサーオシレータからの周波
    数変調信号4:低周波信号の3倍調成分で位相検波して
    イシIられる信号を入力する調節計と、センサルオシレ
    ータからの周波数変調信号を低周波信号の2倍調成分で
    位相検波して得られる信号を入力し共鳴吸収周波数の存
    在を確認し前記調節計及び掃引手段とを制御する制御回
    路とで構成した特許請求の範囲第1項記載の核磁気共鳴
    全利用した磁場検出装置。
  4. (4)  制御手段金、センサーオシレータからの周波
    数質lA1信号を低周波信号の2倍調成分で位相検波し
    て得られる信号を入力し、この信号のピーク位+W近傍
    でセンサーオシレータの発振周波数を±Δf−変化させ
    る手段を含んで構成した特許請求の範囲第1項記載の核
    磁気共鳴を利用した磁場検出装置。
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JOURNAL OF SCIENTITIC INSTRUMENT=1965 *

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