RU2174235C1 - Gear measuring periodic magnetic fields and securing their distribution in space and time - Google Patents

Gear measuring periodic magnetic fields and securing their distribution in space and time

Info

Publication number
RU2174235C1
RU2174235C1 RU2000118511A RU2000118511A RU2174235C1 RU 2174235 C1 RU2174235 C1 RU 2174235C1 RU 2000118511 A RU2000118511 A RU 2000118511A RU 2000118511 A RU2000118511 A RU 2000118511A RU 2174235 C1 RU2174235 C1 RU 2174235C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic fields
outputs
interface
measurement
distribution
Prior art date
Application number
RU2000118511A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Т.А. Жильников
В.И. Жулев
М.Б. Каплан
Original Assignee
Рязанская государственная радиотехническая академия
Filing date
Publication date
Application filed by Рязанская государственная радиотехническая академия filed Critical Рязанская государственная радиотехническая академия
Application granted granted Critical
Publication of RU2174235C1 publication Critical patent/RU2174235C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: information and measurement technology, specifically, magnetometry. SUBSTANCE: technical result of invention lies in measurement of magnetic induction in one point, in securing distribution of magnetic fields in space and time and in visualization of their images with the aid of algorithm of computer tomography. Proposed gear has bus, stepping motors connected to control units, transmitting screw connected to first motor and source of emission of magnetic fields positioned on rotary table. Gear is supplemented with additional bus and two measurement circuits in the form of narrow rectangular frames orthogonally oriented one relative to another and made fast to mechanism of two-coordinate positioning. Electric outputs of circuits are connected to amplifiers which outputs are connected to inputs of two-channel analog-to-digital converter whose both output buses are linked to interface. Transmitting screw is linked to rotating mechanism which carries rotary table, second and third stepping motors connected via horizontal and vertical guides to mechanism of two-coordinate positioning. Units of limit switches which outputs are connected to interface are anchored on all stepping motors. Interface is connected by outputs to computer and to source of emission of magnetic fields via former of synchronization pulse. EFFECT: measurement of magnetic induction in one point, securing of distribution of magnetic fields in space and time and visualization of their images. 4 dwg

Description

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к магнитометрии, и может быть использовано для измерения характеристик динамических магнитных полей, а также для получения распределений магнитных полей в пространстве и во времени и визуализации их изображений с использованием процедуры вычислительной томoгpaфии. The invention relates to information measuring equipment, in particular to magnetometry, and can be used to measure the characteristics of dynamic magnetic fields, as well as to obtain the distribution of magnetic fields in space and time and to visualize their images using the computational tomography procedure.

Известно устройство для топографии магнитного поля [1], содержащее полупроводниковую пластину с размещенной на ней матрицей, состоящей из столбцов и строк взаимосвязанных элементов. При этом измерение магнитного поля, благодаря матричной регулярной структуре, осуществляется одновременно в большом числе точек плоскости. Однако известное устройство позволяет получить только одну составляющую вектора магнитной индукции, одинаково направленную с нормалью к полупроводниковой пластине. Кроме того, устройство имеет ограничения по количеству согласованных точечных датчиков (элементов). A device for topography of a magnetic field [1], containing a semiconductor wafer with a matrix placed on it, consisting of columns and rows of interconnected elements. Moreover, the measurement of the magnetic field, due to the matrix regular structure, is carried out simultaneously in a large number of points on the plane. However, the known device allows to obtain only one component of the magnetic induction vector, equally directed with the normal to the semiconductor wafer. In addition, the device has limitations on the number of matched point sensors (elements).

Известно устройство для сканирования магнитных полей [2], содержащее матрицу чувствительных элементов, включающую N феррозондов, в котором измерение магнитного поля осуществляется поочередно в большом числе точек плоскости с последующей обработкой измеряемых напряжений с помощью ЭВМ. Однако известное устройство позволяет получить только одну (из трех) составляющую вектора магнитной индукции. Кроме того, устройство имеет ограничения по количеству феррозондов и, как следствие, по разрешающей способности. A device for scanning magnetic fields [2], containing a matrix of sensitive elements, including N flux-gates, in which the magnetic field is measured alternately in a large number of plane points, followed by processing the measured voltage using a computer. However, the known device allows to obtain only one (of three) component of the magnetic induction vector. In addition, the device has limitations on the number of flux gates and, as a consequence, on resolution.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения и топографии магнитных полей рассеяния вблизи поверхности объекта исследований [3] , содержащее измерительно-вычислительный блок, общую шину, шаговые двигатели и их блоки управления и питания, измерительный преобразователь магнитной индукции, трехкомпонентный датчик Холла, тензодатчики микроперемещений, блок механических перемещений с редукторами и передающими винтами, поворотный столик, три подвижные каретки, формирователь импульсов, генератор питающего напряжения. В указанном устройстве измерение магнитного поля основано на последовательном перемещении в соответствии с заданной траекторией при помощи измерительной штанги одного трехкомпонентного датчика Холла относительно объекта измерения посредством блока механических перемещений с последующей статистической обработкой результатов измерения измерительно-вычислительным блоком. Однако известное устройство требует многократных измерений в каждой точке, в силу чего процедура становится трудоемкой и продолжительной во времени. Кроме того, используемый статистический подход предусматривающий усреднение, не позволяет получать распределений, характеризующих мгновенное состояние переменного магнитного поля. Closest to the claimed is a device for measuring and topography of magnetic fields of scattering near the surface of the object of study [3], containing a measuring and computing unit, a common bus, stepper motors and their control and power units, a magnetic induction measuring transducer, a three-component Hall sensor, micro displacement strain sensors , a block of mechanical movements with gearboxes and transmission screws, a rotary table, three movable carriages, a pulse shaper, a voltage generator. In the specified device, the measurement of the magnetic field is based on sequential movement in accordance with a predetermined path using the measuring rod of one three-component Hall sensor relative to the measurement object by means of a mechanical displacement unit, followed by statistical processing of the measurement results by the measuring and computing unit. However, the known device requires multiple measurements at each point, whereby the procedure becomes time-consuming and lengthy. In addition, the used statistical approach involving averaging does not allow one to obtain distributions characterizing the instantaneous state of an alternating magnetic field.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, заключающееся в обеспечении измерения компонент вектора магнитной индукции в любых отдельных точках, а также в получении распределений индукции магнитного поля как в сечениях, так и в объеме пространства излучения источника с возможностью визуализации изображений этих распределений. Сущность заявленного изобретения заключается в том, что устройство содержит шаговые двигатели, подключенные к блокам управления, подсоединенный к первому шаговому двигателю передающий винт, а также источник периодических магнитных полей, размещенный на поворотном столике. Технический результат достигается также тем, что в устройство введены два измерительных контура в виде ортогонально ориентированных друг относительно друга узких прямоугольных рамок, механически жестко связанных с механизмом двухкоординатного позиционирования и соединенных с ним соответственно через горизонтальную и вертикальную направляющие. В устройство также введены второй и третий шаговые двигатели, блоки управления шаговыми двигателями, электронно-вычислительная машина, соединенная с выходами интерфейса, подсоединенного через формирователь импульса синхронизации к источнику периодических магнитных полей, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, две выходные шины данных которого соединены с интерфейсом. Выходы измерительных контуров подключены к усилителям, выходы которых соединены с входами двухканального аналого-цифрового преобразователя, причем передающий винт соединен с вращающим механизмом, на котором закреплен поворотный столик. На всех шаговых двигателях закреплены блоки концевых выключателей, выходы которых подключены к интерфейсу, выходы интерфейса через блоки управления подключены к шаговым двигателям, блоки управления шаговыми двигателями, формирователь импульса синхронизации и электронно-вычислительная машина выполнены так, что обеспечиваются поочередные последовательные дискретные поступательные перемещения с заданным шагом механизма двухкоординатного позиционирования и повороты поворотного столика относительно источника периодических магнитных полей с шагом угла поворота и измерение после каждого поступательного шагового перемещения наводимых в измерительных контурах напряжений. При этом электронно-вычислительная машина обеспечивает измерение компонент вектора магнитной индукции в любых отдельных точках и реконструкцию изображения распределения модуля магнитной индукции в координатах источника периодических магнитных полей. The technical result of the invention is the expansion of functionality, which consists in providing measurements of the components of the magnetic induction vector at any individual points, as well as in obtaining distributions of the magnetic field induction both in sections and in the volume of the radiation source space with the ability to visualize images of these distributions. The essence of the claimed invention lies in the fact that the device comprises stepper motors connected to control units, a transmission screw connected to the first stepper motor, and also a source of periodic magnetic fields located on the turntable. The technical result is also achieved by the fact that two measuring circuits are introduced into the device in the form of narrow rectangular frames orthogonally oriented relative to each other, mechanically rigidly connected to the two-coordinate positioning mechanism and connected to it through horizontal and vertical guides, respectively. The second and third stepper motors, stepper motor control units, an electronic computer connected to the outputs of an interface connected via a synchronization pulse generator to a source of periodic magnetic fields, a two-channel analog-to-digital converter, two output data buses of which are connected to the interface, are also introduced into the device . The outputs of the measuring circuits are connected to amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of a two-channel analog-to-digital converter, and the transmitting screw is connected to a rotating mechanism on which the turntable is mounted. Limit switch blocks are fixed on all stepper motors, the outputs of which are connected to the interface, the outputs of the interface are connected to stepper motors via control units, the stepper motor control units, synchronization pulse shaper and electronic computer are designed to provide successive sequential discrete translational movements with a given step of the two-coordinate positioning mechanism and rotations of the turntable relative to the source of periodic magnetic field with a step angle of rotation and measurement after each translational step movement induced in the measuring circuit voltage. In this case, the electronic computer provides measurement of the components of the magnetic induction vector at any individual points and reconstruction of the distribution image of the magnetic induction module in the coordinates of the source of periodic magnetic fields.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of a device.

Устройство содержит ортогонально-ориентированные в пространстве прямоугольные измерительные контуры 1 и 2, усилители 3 и 4, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, интерфейс: блоки управления 7, 8, 9 шаговыми двигателями , шаговые двигатели 10, 11, 12, блоки 13, 14, 15 концевых выключателей , механизм двухкоординатного позиционирования, 16, вращающий механизм 17, поворотный столик 18, источник излучения магнитных полей 19, формирователь импульса синхронизации 20, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 21, горизонтальную направляющую 22, вертикальную направляющую 23, передающий винт 24, выходные шины аналого-цифрового преобразователя 25, 26. The device contains orthogonally oriented in space rectangular measuring circuits 1 and 2, amplifiers 3 and 4, two-channel analog-to-digital converter (ADC) 5, interface: control units 7, 8, 9 with stepper motors, step motors 10, 11, 12, blocks 13, 14, 15 limit switches, two-axis positioning mechanism, 16, rotary mechanism 17, rotary stage 18, magnetic field radiation source 19, synchronization pulse shaper 20, electronic computer 21, horizontal guide 22, vertical cial guide 23 transmitting the screw 24, the output bus analog-digital converter 25, 26.

ЭВМ 21 соединена с интерфейсом 6, выходы которого подключены через блоки управления 7, 8, 9, к шаговым двигателям 10, 11, 12. Источник излучения магнитных полей 19 размещен на поворотном столике 18. Два измерительных контура 1 и 2, выполненные в виде ортогонально ориентированных друг относительно друга узких прямоугольных рамок, механически жестко связаны с механизмом двухкоординатного позиционирования 16. При этом электрические выходы контуров 1 и 2 подключены соответственно к усилителям 3 и 4, выходы которых соединены с входами двухканального АЦП 5. Две выходные шины данных 25, 26 АЦП 5 соединены с интерфейсом 6. Шаговый двигатель 10 через передающий винт 24 соединен с вращающим механизмом 17, на котором закреплен поворотный столик 18. Шаговые двигатели 11 и 12 соединены соответственно через горизонтальную 22 и вертикальную 23 направляющие с механизмом двухкоординатного позиционирования 16. На всех шаговых двигателях закреплены блоки 13, 14, 15 концевых выключателей, выходы которых подключены к интерфейсу 6, который также подсоединен через формирователь импульса синхронизации 20 к источнику излучения магнитных полей 19. The computer 21 is connected to the interface 6, the outputs of which are connected via control units 7, 8, 9, to the stepper motors 10, 11, 12. The radiation source of the magnetic fields 19 is located on the turntable 18. Two measuring circuits 1 and 2, made in the form of orthogonally oriented with respect to each other, narrow rectangular frames are mechanically rigidly connected with the two-coordinate positioning mechanism 16. In this case, the electrical outputs of circuits 1 and 2 are connected respectively to amplifiers 3 and 4, the outputs of which are connected to the inputs of the two-channel ADC 5. All output data buses 25, 26 of the ADC 5 are connected to the interface 6. The stepper motor 10 is connected through a transmission screw 24 to a rotary mechanism 17 on which the rotary table is fixed 18. The stepper motors 11 and 12 are connected through the horizontal 22 and vertical 23 guides to the mechanism two-coordinate positioning 16. Blocks 13, 14, 15 of limit switches are fixed on all stepper motors, the outputs of which are connected to interface 6, which is also connected via a synchronization pulse shaper 20 to the source I magnetic fields 19.

Устройство функционирует следующим образом. The device operates as follows.

Дифференциальные сигналы от каждого из двух ортогонально ориентированных измерительных контуров 1 и 2 поступают на усилители 3 и 4 соответственно, где усиливаются до определенного уровня и нормализуются. С выходов усилителей сигналы поступают на входы двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5, две выходные шины данных 25, 26 которого подключены к входам интерфейса 6, соединенного с ЭВМ 21. Differential signals from each of the two orthogonally oriented measuring loops 1 and 2 are fed to amplifiers 3 and 4, respectively, where they are amplified to a certain level and normalized. From the outputs of the amplifiers, the signals are fed to the inputs of a two-channel analog-to-digital converter (ADC) 5, two output data buses 25, 26 of which are connected to the inputs of the interface 6 connected to the computer 21.

Посредством механизма двухкоординатного позиционирования 16, приводимого в движение шаговым двигателем 11 через горизонтальную направляющую 22 и шаговым двигателем 12 через вертикальную направляющую 23, перемещаются с заданным шагом механически связанные ортогонально-ориентированные измерительные контуры 1 и 2 по горизонтали и по вертикали соответственно. Кроме того, шаговый двигатель 10 через передающий винт 24 и вращающий механизм 17 осуществляет повороты (с заданным угловым шагом) поворотного столика 18, на котором располагается источник излучения исследуемых магнитных полей 19. By means of a two-coordinate positioning mechanism 16, driven by a stepper motor 11 through a horizontal guide 22 and a stepper motor 12 through a vertical guide 23, mechanically connected orthogonally-oriented measuring circuits 1 and 2 are moved horizontally and vertically, respectively. In addition, the stepper motor 10 through the transmission screw 24 and the rotating mechanism 17 performs rotations (with a given angular pitch) of the rotary table 18, on which is located the radiation source of the studied magnetic fields 19.

Концевые выключатели блока 14, закрепленные на шаговом двигателе 11 (или расположенные на краях горизонтальной направляющей 22), и концевые выключатели блока 15, закрепленные на шаговом двигателе 12 (или расположенные на краях вертикальной направляющей 23), ограничивают движение механизма двухкоординатного позиционирования 16 по горизонтали и по вертикали соответственно. Концевые выключатели блока 13 ограничивают вращение поворотного столика 18. Все выходы концевых выключателей блоков 13, 14, 15 соединены с соответствующими входами интерфейса 6. The limit switches of block 14, mounted on the stepper motor 11 (or located on the edges of the horizontal rail 22), and the limit switches of block 15, mounted on the stepper motor 12 (or located on the edges of the vertical rail 23), limit the horizontal movement of the two-coordinate positioning mechanism 16 and vertically, respectively. The limit switches of the block 13 limit the rotation of the rotary table 18. All the outputs of the limit switches of the blocks 13, 14, 15 are connected to the corresponding inputs of the interface 6.

Для нахождения общего распределения векторной функции магнитной индукции в объеме пространства излучения объекта используется следующий подход. Исследуемый объем представляется совокупностью параллельных сечений (фиг. 2). Данное условие позволяет понизить размерность задачи, которая сводится после этого к получению распределения магнитной индукции в плоскости сечения. To find the total distribution of the vector function of magnetic induction in the volume of the radiation space of the object, the following approach is used. The volume under investigation is represented by a set of parallel sections (Fig. 2). This condition allows us to reduce the dimension of the problem, which then reduces to obtaining the distribution of magnetic induction in the plane of the section.

Распределения в плоскости течения получают посредством применения теории вычислительной томотрафии [4] к напряжениям, индуцируемым согласно закону Фарадея в двух ортогонально ориентированных узких прямоугольных контурах шириной h, перемещающихся по сечению в магнитном поле с определенной последовательностью (фиг. 3). В результате распределение в пространстве для каждой из трех компонент векторной функции представляется в виде квадратной матрицы из "n" строк и "n" столбцов (фиг. 2). Каждый элемент матрицы является значением составляющей вектора магнитной индукции, усредненной в пределах элементарной площадки. Необходимо отметить, что, хотя вся последовательность измерений, определяемая методом вычислительной томографии, происходит не мгновенно, поскольку между измерениями имеют место механические перемещения, используемая процедура позволяет получить распределения, характеризующие мгновенные состояния поля. Это происходит благодаря свойству периодичности магнитного поля, точно повторяющего свои значения через одинаковые промежутки времени, равные периоду. Таким образом, если производить соответствующие измерения через интервалы времени, кратные периоду, то в этом случае распределения векторной функции магнитной индукции будут одинаковыми и характеризующими на периоде какое-то одно мгновенное состояние поля. Distributions in the flow plane are obtained by applying the theory of computational tomography [4] to the voltages induced according to the Faraday law in two orthogonally oriented narrow rectangular contours of width h moving along a section in a magnetic field with a certain sequence (Fig. 3). As a result, the spatial distribution for each of the three components of the vector function is represented as a square matrix of "n" rows and "n" columns (Fig. 2). Each element of the matrix is the value of the component of the magnetic induction vector averaged within the elementary area. It should be noted that although the whole sequence of measurements determined by computed tomography is not instantaneous, since mechanical displacements take place between the measurements, the procedure used allows one to obtain distributions characterizing the instantaneous state of the field. This is due to the periodicity property of the magnetic field, which exactly repeats its values at the same time intervals equal to the period. Thus, if appropriate measurements are taken at time intervals that are multiples of the period, then in this case the distributions of the magnetic induction vector function will be the same and characterize a single instantaneous state of the field.

В отличие от существующих предлагаемое устройство дает возможность избежать измерений в каждой точке и при этом позволяет получить распределения компонент векторной функции магнитной индукции, определенных в любой точке сканируемого сечения и в любой момент времени на протяжении периода. Это удается за счет измерения ряда интегральных значений - магнитных потоков, наводимых в узких контурах для многих, пересекающихся под разными углами траекторий. Для каждого j-го измерения магнитный поток, пронизывающий контур является суммой потоков располагающихся вдоль контура элементарных площадок с соответствующими значениями индукции Bi. Следовательно, для j-го магнитного потока, указанную сумму можно записать в виде уравнения:

Figure 00000002

где j = 1, 2,...M; aij - весовые коэффициенты, отражающие вклад индукции Bi, i-й элементарной площадки в j-й магнитный поток Φj, пронизывающий контур; N - число элементов в матрице распределения; M - общее число отсчетов (уравнений).Unlike the existing ones, the proposed device makes it possible to avoid measurements at each point and at the same time allows to obtain the distribution of the components of the vector function of the magnetic induction determined at any point of the scanned section and at any time during the period. This is possible by measuring a number of integral values - magnetic fluxes induced in narrow contours for many intersecting at different angles of the trajectories. For each j-th measurement, the magnetic flux penetrating the contour is the sum of the fluxes of elementary sites located along the contour with the corresponding values of the induction B i . Therefore, for the j-th magnetic flux, the indicated sum can be written in the form of the equation:
Figure 00000002

where j = 1, 2, ... M; a ij are weights reflecting the contribution of induction B i , of the i-th elementary site to the j-th magnetic flux Φ j penetrating the contour; N is the number of elements in the distribution matrix; M is the total number of samples (equations).

Выражение (1) представляет собой систему из М линейных уравнений с N=n•n неизвестными. Если экспериментальные результаты (отдельные уравнения) линейно независимы и число уравнений М равно числу неизвестных N, то система имеет единственное решение, которое может быть получено путем обращения матрицы весовых коэффициентов aij:

Figure 00000003

где i = 1, 2,...N; (aij)-1 - матрица, обратная матрице aij.Expression (1) is a system of M linear equations with N = n • n unknowns. If the experimental results (separate equations) are linearly independent and the number of equations M is equal to the number of unknowns N, then the system has a unique solution that can be obtained by inverting the matrix of weight coefficients a ij :
Figure 00000003

where i = 1, 2, ... N; (a ij ) -1 is the matrix inverse to the matrix a ij .

Уравнения будут линейно независимыми, если процедуру измерения реализовать следующим способом. Указанные контуры поочередно совершают последовательные дискретные поступательные перемещения с заданным шагом, охватывая тем самым всю исследуемую плоскость сечения, и повороты относительно объекта измерения в интервале от 0 до π с шагом угла поворота ΔΦ = π/n. B ходе такого сканирования после каждого поступательного шагового перемещения измеряются наводимые в рамках напряжения. Полученные таким образом для каждой рамки "n" отсчетов составляют одну линейную" проекцию напряжений, соответствующую определенному углу поворота Φ (фиг. 3). А "n" таких линейных проекций, полученных последовательной и отличающихся углом Φ, позволяют составить для каждой компоненты систему уравнений, решением которой и является распределение в плоскости сечения. The equations will be linearly independent if the measurement procedure is implemented in the following way. These circuits alternately make sequential discrete translational displacements with a given step, thereby covering the entire investigated section plane, and rotations relative to the measurement object in the interval from 0 to π with a step of the angle of rotation ΔΦ = π / n. During such a scan, after each translational step movement, the induced voltages are measured. Thus obtained for each frame of "n" samples make up one linear "projection of stresses corresponding to a certain angle of rotation Φ (Fig. 3). And" n "of such linear projections, obtained sequentially and differing in angle Φ, make it possible to compose a system of equations for each component whose solution is the distribution in the section plane.

Связь между компонентами магнитного потока в системах координат сканирующих рамок r, l, z и объекта измерения x, y, z определяется следующими выражениями:

Figure 00000004
(13)
где Φ r j - отсчет магнитного потока, индуцируемого в контуре с нормалью в направлении оси r; Φ l j - отсчет магнитного потока, индуцируемого в контуре с нормалью в направлении оси l, a Φ z j - отсчет магнитного потока, индуцируемого в контуре с нормалью в направлении оси z.The relationship between the components of the magnetic flux in the coordinate systems of the scanning frames r, l, z and the measurement object x, y, z is determined by the following expressions:
Figure 00000004
(thirteen)
where Φ r j - reference magnetic flux induced in the circuit with a normal in the direction of the r axis; Φ l j is the countdown of the magnetic flux induced in the circuit with a normal in the direction of the l axis, a Φ z j - reference magnetic flux induced in the circuit with a normal in the direction of the z axis.

Измерение магнитных потоков Φ r j и

Figure 00000005
осуществляется посредством измерительного контура 1, перпендикулярного плоскости сканирования. Причем необходимо учитывать, что в системе уравнений (3) отсчету Φ r j , измеренному под углом Φ, соответствует отсчет Φ l j , измеренный под углом Φ + π/2. Измерение магнитного потока
Figure 00000006
осуществляется посредством измерительного контура 2, параллельного плоскости сканирования.Magnetic flux measurement Φ r j and
Figure 00000005
carried out by means of a measuring circuit 1, perpendicular to the scanning plane. Moreover, it should be taken into account that in the system of equations (3), the reference Φ r j measured at an angle Φ corresponds to a reference Φ l j measured at an angle Φ + π / 2. Magnetic flux measurement
Figure 00000006
carried out by means of a measuring circuit 2 parallel to the scanning plane.

Напряжение, наводимое в контурах, будет определяться изменением магнитного потока, пронизывающего контур: U = - d Φ /dt. Таким образом, получение распределений x- и y- компонент векторной функции

Figure 00000007
обеспечивается посредством измерения напряжений Ujr(t) и Ujl(t), наводимых в контуре 1, перпендикулярном плоскости сканирования (фиг. 3). Распределение z-компоненты получается посредством измерения напряжений Ujz(t) с помощью контура 2, параллельного плоскости сканирования. Затем для определения компонент распределения векторной функции магнитной индукции необходимо решить систему уравнений:
Figure 00000008

где Biz(tk), Biy(tk) и Biz(tk) - x-, y- и z- компоненты векторной функции магнитной индукции
Figure 00000009
соответственно; T - период изменения магнитной индукции; m = 1,2,... - номер периода; tk - текущий k-й отсчет в периоде;
Figure 00000010
K- число отсчетов на период.The voltage induced in the circuits will be determined by a change in the magnetic flux penetrating the circuit: U = - d Φ / dt. Thus, obtaining the distributions of the x- and y-components of the vector function
Figure 00000007
is provided by measuring the voltages U j r (t) and U j l (t) induced in circuit 1, perpendicular to the scanning plane (Fig. 3). The distribution of the z component is obtained by measuring the voltages U j z (t) using circuit 2 parallel to the scanning plane. Then, to determine the components of the distribution of the vector function of magnetic induction, it is necessary to solve the system of equations:
Figure 00000008

where B i z (t k ), B i y (t k ) and B i z (t k ) are the x-, y- and z-components of the vector function of magnetic induction
Figure 00000009
respectively; T is the period of variation of magnetic induction; m = 1,2, ... - period number; t k is the current k-th sample in the period;
Figure 00000010
K is the number of samples per period.

Перед началом измерений ЭВМ 21 через блок управления 9 шаговым двигателем 12 при помощи механизма двухкоординатного позиционирования 16 устанавливает контуры 1 и 2 на уровень по вертикали z=zl, соответствующий заданному l-му сечению, где

Figure 00000011
L - число возможных сечений по вертикали. Если определяется распределение магнитной индукции в объеме, то устанавливается начальный уровень z=zl.Before starting measurements of the computer 21 through the control unit 9 of the stepper motor 12 using the two-coordinate positioning mechanism 16 sets the circuits 1 and 2 to the vertical level z = z l corresponding to a given l-th section, where
Figure 00000011
L is the number of possible vertical sections. If the distribution of magnetic induction in the volume is determined, then the initial level z = z l is established .

После этого в плоскости установленного сечения под разными углами Φ осуществляется процедура сканирования магнитного поля. Вся процедура сканирования состоит из "n" циклов, где число циклов "n" определяется количеством углов Φ, под которыми необходимо провести сканирование. After that, in the plane of the established section at different angles Φ, the procedure of scanning the magnetic field is carried out. The entire scanning procedure consists of "n" cycles, where the number of cycles "n" is determined by the number of angles Φ at which to scan.

Один цикл сканирования заключается в последовательном перемещении с шагом Δr механизма двухкоординатного позиционирования 16 по горизонтальной направляющей 22 из одного крайнего положения в другое (из левого в правое или, наоборот, из правого в левое). В ходе такого сканирования после каждого шага получают необходимые для процедуры вычислительной томографии проекционные данные Ujr(t), Ujl(t) и Ujz(t) (фиг. 3). Кроме того, каждому шагу сканирования присваивается сквозной порядковый номер j (где j = 1...N, a N=n•n - число шагов в одном цикле сканирования).One scan cycle consists in sequentially moving with a step Δr the two-coordinate positioning mechanism 16 along the horizontal guide 22 from one extreme position to another (from left to right or, conversely, from right to left). During such a scan, after each step, the projection data U j r (t), U j l (t) and U j z (t) necessary for the computational tomography procedure are obtained (Fig. 3). In addition, each scan step is assigned an end-to-end serial number j (where j = 1 ... N, and N = n • n is the number of steps in one scan cycle).

Каждый q-й цикл сканирования (где q =

Figure 00000012
начинается с того, что механизм двухкоординатного позиционирования 16 отводится в крайнее положение, о чем свидетельствует сигнал с концевого выключателя блока 14. Кроме того, вращающим механизмом 17, приводимым в движение шаговым двигателем 10 через передающий винт 24, поворотный столик 18 устанавливается в положение, соответствующее углу поворота Φq = (q-1)π/n, о чем также свидетельствует сигнал с концевого выключателя блока 13. Сигналы от концевых выключателей блоков 14 и 13 указывают на то, что система готова к получению проекционных данных в пространстве и во времени. Получение проекционных данных заключается в измерении напряжений, индуцируемых в контурах 1 и 2 согласно закону Фарадея.Each qth scan cycle (where q =
Figure 00000012
begins with the fact that the two-coordinate positioning mechanism 16 is pushed to the extreme position, as evidenced by the signal from the limit switch of the unit 14. In addition, the rotary mechanism 17, driven by the stepper motor 10 through the transmission screw 24, the rotary table 18 is set to the position corresponding the angle of rotation Φ q = (q-1) π / n, as also evidenced by the signal from the switch terminal unit 13. the signals from the limit switches blocks 14 and 13 indicate that the system is ready to receive the projection data in the pro transtve and time. Obtaining projection data consists in measuring the voltages induced in circuits 1 and 2 according to the Faraday law.

Процедура получения проекционных данных во времени для каждого j-го положения механизма двухкоординатного позиционирования 16 в пространстве относительно источника излучения магнитных полей 19 состоит в том, что устройство ожидает сигнала синхронизации с выхода формирователя импульса синхронизации 20. При этом сигнал, поступающий на формирователь импульса синхронизации 20 от источника излучения 19, может быть получен как гальваническим путем, т. е. от устройства, запитывающего излучатель, так и через датчик магнитного поля (на схеме не показано). Как только сигнал синхронизации появляется на входе интерфейса 6, ЭВМ 21 выдает управляющий сигнал для начала процедуры измерения напряжений, характеризующих разные моменты времени на протяжении периода. В течение одного периода Т, через равные интервалы времени Δt производится K измерений. Каждому измерению присваивается порядковый номер k (где k=0...K-1). В ходе каждого k-го измерения опрашиваются оба канала двухканального АЦП 5 и результаты измерения по шинам данных 25 и 26 АЦП 5 через интерфейс 6 передаются в ЭВМ 21, где для каждого контура на j-м шаге полученные данные представляются в виде вектора-столбца размером l х K. Интервал времени Δt, равный T/K, между k-м и (k+1)-м измерением характеризует разрешение по времени и определяется верхней информативной частотой изменения магнитного поля. После того как последнее K-е измерение окончено, ЭВМ 21 через блок управления 8 и шаговый двигатель 11 перемещает механизм двухкоординатного позиционирования 16 на расстояние Δr, характеризующее разрешение в пространстве и определяемое разрешающей способностью системы. После чего для (j+1)-го шага снова ожидается сигнал синхронизации и с его появлением осуществляются следующие K измерений напряжений, наводимых в контурах 1 и 2. The procedure for obtaining projection data in time for each j-th position of the two-coordinate positioning mechanism 16 in space relative to the radiation source of magnetic fields 19 is that the device expects a synchronization signal from the output of the synchronization pulse shaper 20. In this case, the signal supplied to the synchronization pulse shaper 20 from a radiation source 19, can be obtained both galvanically, i.e. from a device that feeds the emitter, and through a magnetic field sensor (not yet Done). As soon as the synchronization signal appears at the input of the interface 6, the computer 21 generates a control signal to start the procedure for measuring voltages characterizing different points in time over a period. During one period T, at equal time intervals Δt, K measurements are made. Each dimension is assigned a serial number k (where k = 0 ... K-1). During each k-th measurement, both channels of the two-channel ADC 5 are interrogated and the measurement results over the data buses 25 and 26 of the ADC 5 are transmitted via the interface 6 to the computer 21, where for each circuit at the jth step, the data obtained are presented in the form of a column vector with the size l x K. The time interval Δt equal to T / K between the k-th and (k + 1) -th measurements characterizes the time resolution and is determined by the upper informative frequency of the magnetic field change. After the last K-th measurement is completed, the computer 21 through the control unit 8 and the stepper motor 11 moves the two-coordinate positioning mechanism 16 by a distance Δr, which characterizes the spatial resolution and is determined by the resolution of the system. Then, for the (j + 1) -th step, the synchronization signal is again expected and with its appearance, the following K voltage measurements are performed, induced in circuits 1 and 2.

Следовательно, в течение каждого цикла сканирования механизм двухкоординатного позиционирования 16 с шагом Δr проходит весь путь по горизонтальной направляющей 22 от одного концевого выключателя блока 14 до другого. Результаты одного такого цикла сканирования сводятся в массив размером n • K, а "n" циклов с различными углами Φ позволяют получить всю необходимую для реконструкции изображения информацию об источнике излучения магнитного поля 19 в плоскости сечения z=zl. Реконструкция изображения распределения векторной функции магнитной индукции в плоскости сечения z=zl может быть осуществлена в соответствии с системой уравнений (4) с помощью, например, вычислительной среды "Mathcad 5.0 PLUS". В качестве примера на фиг. 4 представлено совмещенное изображение цилиндрической катушки, создающей магнитное поле, а также экспериментально полученное и реконструированное распределение модуля магнитной индукции

Figure 00000013
в сечении z=zl (в координатах объекта излучения x, y, z, масштабы указаны на осях).Therefore, during each scan cycle, the two-coordinate positioning mechanism 16 with a step Δr goes all the way along the horizontal guide 22 from one end switch of the block 14 to the other. The results of one such scanning cycle are reduced to an array of size n • K, and “n” cycles with different angles Φ make it possible to obtain all the information necessary for reconstruction of the image about the radiation source of the magnetic field 19 in the section plane z = z l . The reconstruction of the image of the distribution of the vector function of magnetic induction in the section plane z = z l can be carried out in accordance with the system of equations (4) using, for example, the computing environment "Mathcad 5.0 PLUS". As an example in FIG. 4 shows a combined image of a cylindrical coil creating a magnetic field, as well as experimentally obtained and reconstructed distribution of the magnetic induction module
Figure 00000013
in the section z = z l (in the coordinates of the radiation object x, y, z, the scales are indicated on the axes).

В результате повторения описанной процедуры по всем сечениям, т.е. L раз, получается массив данных размером LxNxK, позволяющий получить распределение векторной функции индукции магнитного поля объекта излучения на периоде и во всем объеме измерительной установки. As a result of the repetition of the described procedure over all sections, i.e. L times, a data array of size LxNxK is obtained, which allows one to obtain the distribution of the vector function of the magnetic field induction of the radiation object over the period and in the entire volume of the measurement setup.

Таким образом, предложенное устройство позволяет осуществлять измерения компонент вектора магнитной индукции в любых отдельных точках в пространстве и во времени, а также получать распределения индукции магнитного поля как в сечениях, так и в объеме пространства излучения источника с возможностью визуализации изображений этих распределений на экране ЭВМ. Thus, the proposed device allows you to measure the components of the magnetic induction vector at any individual points in space and time, as well as to obtain the distribution of the magnetic field induction both in sections and in the volume of the radiation source space with the ability to visualize images of these distributions on a computer screen.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1652951, кл. G 01 R 33/02, 1991 г.
Literature
1. USSR author's certificate N 1652951, cl. G 01 R 33/02, 1991

2. Авторское свидетельство СССР N 1762282, кл. G 01 R 33/02, 1992 г. 2. USSR author's certificate N 1762282, cl. G 01 R 33/02, 1992

3. Авторское свидетельство СССР N 1684761, кл. G 01 R 33/06, 1991 г. 3. Copyright certificate of the USSR N 1684761, cl. G 01 R 33/06, 1991

4. Рентгенотехника. Справочник в 2-х книгах. Кн. 2 / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. с. 319-326. 4. X-ray engineering. Reference book in 2 books. Prince 2 / Ed. V.V. Klyueva. M .: Engineering. from. 319-326.

Claims (1)

Устройство для измерения периодических магнитных полей и получения их распределений в пространстве и во времени, содержащее шаговые двигатели, подключенные к блокам управления, подсоединенный к первому шаговому двигателю передающий винт, а также источник периодических магнитных полей, размещенный на поворотном столике, отличающееся тем, что в него введены два измерительных контура в виде ортогонально ориентированных друг относительно друга узких прямоугольных рамок, механически жестко связанных с механизмом двухкоординатного позиционирования и соединенных с ним соответственно через горизонтальную и вертикальную направляющие, второй и третий шаговые двигатели, блоки управления шаговыми двигателями, электронно-вычислительная машина, соединенная с выходами интерфейса, подсоединенного через формирователь импульса синхронизации к источнику периодических магнитных полей, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, две выходные шины данных которого соединены с интерфейсом, выходы измерительных контуров подключены к усилителям, выходы которых соединены с входами двухканального аналого-цифрового преобразователя, причем передающий винт соединен с вращающим механизмом, на котором закреплен поворотный столик, на всех шаговых двигателях закреплены блоки концевых выключателей, выходы которых подключены к интерфейсу, выходы интерфейса через блоки управления подключены к шаговым двигателям, блоки управления шаговыми двигателями, формирователь импульса синхронизации и электронно-вычислительная машина выполнены так, что обеспечиваются поочередные последовательно дискретные поступательные перемещения с заданным шагом механизма двухкоординатного позиционирования и повороты поворотного столика относительно источника периодических магнитных полей с шагом угла поворота и измерения после каждого поступательного шагового перемещения наводимых в измерительных контурах напряжений, а электронно-вычислительная машина обеспечивает измерение компонент вектора магнитной индукции в любых отдельных точках и реконструкцию изображения распределения модуля магнитной индукции в координатах источника периодических магнитных полей. A device for measuring periodic magnetic fields and obtaining their distributions in space and time, containing stepper motors connected to control units, a transmission screw connected to the first stepper motor, and also a source of periodic magnetic fields located on the turntable, characterized in that two measuring contours were introduced in the form of narrow rectangular frames orthogonally oriented relative to each other, mechanically rigidly connected with the mechanism of two-coordinate positions ionization and connected to it respectively through horizontal and vertical guides, second and third stepper motors, stepper motor control units, an electronic computer connected to the outputs of the interface connected via a synchronization pulse generator to a source of periodic magnetic fields, a two-channel analog-to-digital converter, two output data buses of which are connected to the interface, the outputs of the measuring circuits are connected to amplifiers, the outputs of which are connected to the input two-channel analog-to-digital converter, moreover, the transmitting screw is connected to the rotary mechanism on which the rotary table is mounted, limit switch blocks are fixed on all stepper motors, the outputs of which are connected to the interface, the outputs of the interface are connected to stepper motors through the control units, and stepper motor control units , the synchronization pulse shaper and the electronic computer are designed to provide sequentially sequential discrete translational movements with a given step of the two-coordinate positioning mechanism and rotations of the turntable relative to the source of periodic magnetic fields with a step of the angle of rotation and measurement after each translational step movement of the voltage induced in the measuring circuits, and the electronic computer provides measurement of the components of the magnetic induction vector at any individual points and reconstruction images of the distribution of the magnetic induction module in the coordinates of the source of periodic magnetic fields.
RU2000118511A 2000-07-11 Gear measuring periodic magnetic fields and securing their distribution in space and time RU2174235C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2174235C1 true RU2174235C1 (en) 2001-09-27

Family

ID=

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101517436B (en) * 2006-07-24 2012-02-29 格拉茨技术大学 Device and method for magnetic induction tomography
RU2463620C1 (en) * 2011-04-15 2012-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field
RU2490659C1 (en) * 2012-04-20 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for nondestructive volume measurement of vector function of flux density of magnetic field nonuniformly distributed in space and periodically varying in time
RU2548405C1 (en) * 2013-12-24 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Device for nondestructive differential vector three-dimensional magnetic particle inspection
RU208300U1 (en) * 2021-05-05 2021-12-13 Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" INSTALLATION FOR MONITORING THE DISTRIBUTION OF THE MAGNETIC FIELD ON THE SHELL OF THE CRYSTALLIZER OF THE VACUUM ARC FURNACE
RU2799233C1 (en) * 2023-03-30 2023-07-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" Device for diagnostics of electromagnetic field

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Рентгенотехника. Справочник в 2-х книгах, кн.2/Под ред. В.В,КЛЮЕВА. - М.: Машиностроение, 1992, с.319-329. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101517436B (en) * 2006-07-24 2012-02-29 格拉茨技术大学 Device and method for magnetic induction tomography
RU2463620C1 (en) * 2011-04-15 2012-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field
RU2490659C1 (en) * 2012-04-20 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for nondestructive volume measurement of vector function of flux density of magnetic field nonuniformly distributed in space and periodically varying in time
RU2548405C1 (en) * 2013-12-24 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Device for nondestructive differential vector three-dimensional magnetic particle inspection
RU208300U1 (en) * 2021-05-05 2021-12-13 Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" INSTALLATION FOR MONITORING THE DISTRIBUTION OF THE MAGNETIC FIELD ON THE SHELL OF THE CRYSTALLIZER OF THE VACUUM ARC FURNACE
RU2799233C1 (en) * 2023-03-30 2023-07-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" Device for diagnostics of electromagnetic field

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4668915A (en) Non-uniform field magnetic resonance dual patient imaging system
JPH0236260B2 (en)
Yang et al. Monocular vision-based multiparameter dynamic calibration method used for the low-frequency linear and angular vibration sensors
JP2003279611A (en) Survey system for generation source of electromagnetic wave
RU2174235C1 (en) Gear measuring periodic magnetic fields and securing their distribution in space and time
JPS6319138A (en) Examination apparatus using nuclear magnetic resonance
JP3339509B2 (en) MRI equipment
JPH0680420B2 (en) X-ray CT system
RU2179323C1 (en) Process of generation of distribution of vector function of magnetic induction of periodic magnetic field
JPH09173314A (en) Magnetic resonance imaging method
JPH0685768B2 (en) Inspection method using nuclear magnetic resonance
US4853636A (en) NMR imaging method
JP2607466B2 (en) Inspection equipment using nuclear magnetic resonance
JPS62148658A (en) Examination method using nuclear magnetic resonance
SU1702271A1 (en) Nmr thomography method
JPS61226648A (en) Inspecting device using nuclear magnetic resonance
WO2014112235A1 (en) Magnetic resonance imaging device and timing misalignment detection method thereof
US11402439B2 (en) Method for calibrating the sensitivity of monoaxial or multiaxial magnetic field sensors
RU2463620C1 (en) Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field
SU1608526A1 (en) X-ray computing tomographic device
US5065097A (en) Testing method and apparatus by use of nmr
JPH0337407B2 (en)
JPS61167849A (en) Quantitative measuring method and device for radiation absorption
Tosin et al. Hall-probe bench for insertion-device characterization at LNLS
JPS60201242A (en) Nmr tomography device