RU1830493C - Способ определени составл ющей вектора магнитной индукции - Google Patents

Abstract

Применение: измерительна  техника, в частности дл  измерени  параметров магнитного пол  в области геофизических и космических исследований.Суть изобретени : способ определени  составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени  основан на ориентации оси магниточувствительного преобразовател  по упом нутому направлению и измерении выходного сигнала этого преобразовател , пропорционального измер емой составл ющей вектора магнитной индукции, ориентации магниточувстви- тепьного преобразовател  так, чтобы он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180° вокруг оси выбранного направлени  и после завер- шенил ориентации магниточувствительного преобразовател  измерении значени  составл ющей вектора магнитной индукции; ориентации преобразовател , чтобы он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 90° в любой плоскости, проход щей через ось выбранного направлени , а затем измерении значени  составл ющей вектора магнитной индукции; ориентации преобразовател , чтобы он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180° вокруг оси, перпендикул рной выбранному направлению и лежащей в плоскости поворота преобразовател , а затем измерении значени  составл ющей вектора магнитной индукции; вновь ориентации преобразовател  так, чтобы он зан л положение в пространстве , соответствующее его повороты на угол 90° в плоскости, перпендикул рной оси выбранного направлени , а затем измерении значени  составл ющей вектора магнитной индукции; ориентации преобразовател  так, чтобы он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180° вокруг оси, перпендикул рной первой плоскости поворота и лежащей во второй плоскости поворота преобразовател , а затем измерении значени  составл ющей вектора магнитной индукции; после этого возвращении преобразовател  в исходное положение, повернув его на угол 90° в третьей плоскости, ортогональной первой и второй плоскости поворота, и по измеренным значени м составл ющих вектора магнитной индукции при соответствующих ориентаци х упом нутого преобразовател  определении значений трех ортогональных составл ющих вектора магнитной индукции , две из которых перпендикул рны выбранному направлению, и ориентации магнитной оси этого преобразовател  относительно выбранного направлени . 4 ил. (Л 00 со

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники и может быть использовано дл  измерений параметров магнитного пол  (составл ющих- вектора и градиента вектора магнитной индукции), например, в области геофизических и космических исследований ,

Цель изобретени  - повышение точности определени  составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени  и расширение функциональ- ных возможностей, заключающеес  в определении ориентации магнитной оси магнитолувствителиного преобразовател  относительно выбранного направлени .

На фиг, 1 изображены магниточувстви- тельный преобразователь и ориентаци  его магнитной оси относительно направлени  оси OY декартовой системы координат OXYZ.

На фиг.2 изображены положени  магнитной оси магниточувствительного преобразовател  дл  измерени  составл ющих вектора магнитной индукции.

На фиг.З изображена структурна  схема -устройства, реализующего способ определени  составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени .

На фиг.4 показано объемное изображение поворотного устройства смэгниточувст- вительным -преобразователем, вход щих в устройство, реализующее упом нутый способ .

Устройство дл  реализации предлагаемого способа состоит (CP-L фиг,1, 3, 4) из одно компонентного ма г ни то чувствительного , например, феррозондо вого преобразовател  1 (см, фиг.З), усилительно- преобразовательного блока 2, регистрирующего прибора 3, генератора переменной ЭДС 4 и поворотного устройства Б, например , теодолита, содержащего (см. фиг.4) оптическую трубу 6, горизонтальную ось 7, вертикальный круг 8 с нанесенными рисками угловых единиц, горизонтальный вращающийс  круг 9, вилку теодолита 10, неподвижный горизонтальный круг 11 с нанесенными рисками угловых единиц, вертикальную ось 12, жестко св занную с кругом 11. При этом теодолит 5 выполнен мз немагнитного материала, а феррозонд 1 расположен на оптической трубе 6 так, что .его геометрическа  ось параллельна оси трубы 6. Выход феррозонда 1 (см. фиг.З) подключен к первому входу блока 2, выход блока 2 подключен ко входу регистрирующего прибора 3 и первому входу феррозонда 1, а выходы генератора 4 подключены ко второму входу феррозонда 1 и ко второму входа блока 2. Оптическа  труба 6 установлена на

горизонтальной оси 7, котора  жестко св зана с вертикальным кругом 8. Ось 7 расположена на вилке теодолита 10 с возможностью вращени  на 360°, поэтому вертикальный

круг 8 и труба 6 с феррозондом 1 могут вращатьс  в вертикальной плоскости на 360°. Вилка теодолита 10 жестко св зана с горизонтально вращающимс  кругом 9, выполненным с возможностью вращени  на

360° вокруг оси 12.

За вл емый способ реализуетс  посредством предлагаемого устройства следующим образом.

На второй вход феррозонда 1 (см. фиг.З)

подаетс  с генератора 4 переманна  ЭДС, возбуждающа  этот феррозонд. В результате этого на выходе феррозонда 1 по вл етс  ЭДС второй гармоники, пропорциональна  проекции вектора магнитной индукции на

магнитную ось феррозонда 1 (Ю.В.Афанасьев . Феррозондовые приборы. Л., Энерго- .ато миздат, 1906, с. 66). Выходной сигнал с феррозонда 1 усиливаетс  и детектируетс  в блоке 2, а затем подаетс  на первый вход

феррозонда 1, что обеспечивает отрицательную обратную св зь по измер емой составл ющей вектора магнитной индукции. При этом блок-2 состоит из избирательного усилител , синхронного детектора и интегратора . Выходной сигнал с. блока 2; пропорциональный измер емой составл ющей сектора магнитной индукции, соответствующий проекции вектора магнитной индукции на. магнитную ось феррозонда Г, подаетс 

на регистрирующий прибор 3.

Дл  определени  составл ющей вектора магнитной индукции по выбранному на- празленмю предварительно ориентируют по этому направлению трубу 6 (см. фиг.4),

поворачива  ее в вертикальной плоскости вокруг оси 7 и в горизонтальной плоскости вместе с вилкой теодолита 10. Ориентацию оптической трубы 5, например, определ ют по значени м углов из горизонтальном круге 11 и на вертикальном круге 8, Предположим , что труба 6 (см. фиг.4) и геометрическа  ось феррозонда.Т (см. фиг.1, 2) ориентированы по оси QY декартовой системы координат OXYZ, Угол между проекцией магнитной

оси И на плоскость XQY и направлением оси OY обозначен через г, а угол между проекцией магнитной оси И на плоскость XOY и направлением этой оси обозначен через ft. Углы в и В) определ ют ориентацию магнитной оси феррозонда относительно выбранного направлени  оси OY, Составл юща  - вектора магнитной индукции В, измеренна  е помощью феррозонда 1,-будет иметь следующее значение

В1 By cos 0i cos ft - Bx sin 01 cos ft +65 Вг cos 01 cos ft + By sin 01 cos ft

+ Bz sin ft,- Bx sin ft.

где By - значение составл ющей вектора магнитной функции по оси выбранного направлени  OY;

Вх - значение составл ющей вектора магнитной индукции по оси ОХ;

Bz - значение составл ющей вектора магнитной индукции по оси OZ.

Повернем трубу 6 (см. фиг.4), а вместе с ней и феррозонд 1 в плоскости XOY на угол 180°, а затем повернем трубу 6 с феррозондом 1 в плоскости YOZ на угол 180°. В этом случае магнитна  ось феррозонда 1 будет иметь положение h (см. фиг.2), что соответствует повороту феррозонда 1 (см, фиг. 1) на угол 180° вокруг оси OY. Составл юща  вектора магнитной индукции В2, измеренна  с помощью феррозонда 1, в этом случае будет иметь значение

В2 By COS 01 COS ft + Вх Sin 01 COS ft - Bz sin ft.

Повернем трубу 6 (см. фиг.4) с феррозондом 1 в плоскости XOY на угол 90°. В этом случае магнитна  ось феррозонда 1 будет иметь положение Тз (см. фиг.2), а составл юща  вектора магнитной индукции Вз, измеренна  с помощью феррозонда, будет иметь значение

: Вх cos 01 cos ft - By sin 01 cos ft - - Bz sin ft.

Вз

Повернем трубу 6 (см. фиг.4) с феррозондом 1 в плоскости XOZ на угол 180°, а затем повернем трубу б с феррозондом 1 в плоскости XOY на угол 180°. В этом случае магнитна  ось феррозонда будет иметь положение 14 (см. фиг.2), что соответствует повороту феррозонда 1, когда его магнитна  ось имела ориентацию Тз на угол 180° вокруг оси ОХ. В этом случае составл юща  вектора магнитной индукции, измеренна  с помощью феррозонда, будет иметь значение

В4

44 Вх COS 01 COS ft + By Sin 01 COS ft +

Bz sin ft.

Повернем трубу 6 (см. фиг.4) с феррозондом 1 в плоскости XOZ на угол 90°. В этом случае магнитна  ось феррозонда 1 будет иметь положение is (см. фиг.2), а составл юща  вектора магнитной индукции Bs. измеренна  с помощью феррозонда, будет иметь значение

Повернем вилку теодолита 10 (см. фиг.4) с трубой 6 и феррозондом 1 вокруг вертикальной оси 12 на 180°. В этом случае магнитна  ось феррозонда 1 будет иметь положение б (см. фиг.2), а составл юща  вектора магнитной индукции Be, измерен- на  с помощью феррозонда будет иметь значение

15

Be Bz cos ft cos ft - By sin #1 cos ft + + BX sin ft.

Затем, повернув оптическую трубу 6 (см. фиг,4) с феррозондом 1 вокруг горизонтальной оси 7 (в плоскости УО) на 90°, вернем эту трубу б с феррозондом 1 в исходное поло- жение, при этом магнитна  ось феррозонда 1 займет положение И (см. фиг.2).

Реша  систему уравнений дл  ВтВб

определим неизвестные параметры из следующих выражений:

01 arctg(Bi + 82 + Вз + 64)1 х х(В2-Bi + В4-Вз);

30

02 агсхд{(Вз + 64) x

х Be- Bs + (Bi + 82) sm

Вх - (Вз + B4) sec 0i sec ft:

351

By -x- (81 + 62) se c 0i sec ft;

40

Bz -y (85 + Be) sec 0i sec ft.

Углы 0i и ft определ ют ориентацию магнитной оси h (см. фиг. 1) феррозонда 1 относительно выбранного направлени  по оси OY.

Таким образом, предполагаемое техническое решение обеспечивает определение составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени  и двух составл ющих вектора магнитной индукции,

ортогональных этому направлению, исключа  вли ние поперечных полей на результат измерени , вызванных непараллельностью магнитной оси магниточувствительного преобразовател  относительно оси выбранного направлени  измерени . Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает определение ориентации магнитной оси преобразовател  относительно выбранного направлени .

Дл  реализации предлагаемого способа может быть использован магнитометр, состо щий из феррозонда, усилительно-преобразовательного блока, регистрирующего прибора и генератора переменной ЭДС, включенных по схеме на фиг.З. Поворотное устройство 5 (см. фиг.З) может быть выполнено на базе теодолита ТТ-2, у которого разрешающа  способность по углу поворота составл ет ±2. При этом однокомпонен- тный феррозонд располагает на оптической трубе теодолита как и в известном устройстве .

Предлагаемый способ по сравнению с известными техническими решени ми, в частности , аналогом и прототипом обеспечивает определение составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени , исключа  погрешность измерени  этой составл ющей, обусловленную в известных способах вли нием поперечного магнитного пол  из-за погрешности ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразовател  по выбранному направлению, что более чем на пор док повышает точность измерени  составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени . Кроме того, предлагаемый способ по сравнению с известными техническими решени ми обеспечивает с высокой точностью (более чем на пор док) определение двух взаимно ортогональных составл юа х вектора магнитной индукции , перпендикул рных выбранному направлению , и определение ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразовател  относительно выбранного направлени .

Известные способы решают задачу измерени  трех взаимно ортогональных составл ющих вектора магнитной индукции. Однако эти способы не обеспечивают с требуемой в насто щее врем  точностью определение составл ющей вектора магнитной индукции по выбранному произвольно направлению и определение двух взаимно ортогональных составл ющих этого вектора, перпендикул рных выбранному направлению . Это обусловлено тем, что известные способы не обеспечивают решение задачи ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразовател  относительно выбранного направлени . За направление магнитной оси преобразовател  в известных технических решени х, также как и в известном способе определение угла склонени  и наклонени  магнитного пол , принимают направление геометрической оси преобразовател  или считают, что магнитна  ось параллельна оси оптической трубы

теодолита. Это приводит к существенной погрешности измерени  составл ющей век .тора магнитной индукции, В известной работе показано, что смещение магнитной оси

может составл ть примерно ±0,5° относительно выбранного направлени  измерени . Результаты пусконаладочных работ магнитометрической аппаратуры свидетельствуют о том, что угол между магнитной

0 осью феррозонда и его геометрической осью составл ет до ±2,5°, что приводит к погрешности измерени  составл ющих вектора магнитной индукции, перпендикул рных , например, вектору геомагнитного пол 

5 6 Ю4 нТл, в пределах до ±2617 нТл. Предлагаемый способ исключает эту погрешность измерени , что повышает точность определени  составл ющей вектора магнитной индукции по выбранному направле0 нию.

Фор мула изобретен и.  Способ определени  составл ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени , заключающийс  в изме5 нении пространственной ориентации оси магниточувствительного преобразовател  относительно упом нутого направлени  и измерении выходного сигнала этого преобразовател  пропорционально измер емой

0 составл ющей вектора магнитной индукции , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности определени  состав- л ющей вектора магнитной индукции по оси выбранного направлени  и определени 

5 ориентации магнитной оси магниточувствительного преобразовател  относительно выбранного направлени , ориентируют маг- ниточувствительный преобразователь так, чтобы он зан л положение в пространстве,

0 соответствующее его повороту на угол 180° вокруг оси выбранного направлени , и после завершени  ориентации магниточувствительного преобразовател  измер ют значение составл ющей вектора магнитной

5 индукции,, после этого ориентируют преобразователь так, чтобы.он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 90° в любой плоскости, проход щей через ось выбранного направлени ,

0 а затем измер ют составл ющую вектора магнитной индукции; потом ориентируют преобразователь так, чтобы зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180° вокруг оси, перпен5 дикул рной выбранному направлению и лежащей в плоскости поворота преобразовател , а затем измер ют значение составл ющей вектора магнитной индукции, вновь ориентируют преобразователь так, чтобы он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 90° в плоскости , перпендикул рной к оси выбранного направлени , а затем измер ют значение составл ющей вектора магнитной индукции , ориентируют преобразователь так, чтобы он зан л положение в пространстве, соответствующее его повороту на угол 180° вокруг оси, перпендикул рной к первой плоскости поворота и лежащей во второй плоскости поворота преобразовател , а затем измер ют значение составл ющей вектора магнитной индукции, после этого возвращаZ

0

ют преобразователь в исходное положение, повернув его на угол 90° в третьей плоскости , ортогональной первой и второй плоскост м поворота, и по измеренным значени м составл ющих вектора магнитной индукции при соответствующих ориентаци х упом нутого преобразовател  определ ют ориентацию магнитной оси этого преобразовател  относительно выбранного направлени  и значение составл ющей вектора магнитной индукции по этому направлению.

фиг. 2

Г

L.

Л.

i

i

J