RU2463620C1 - Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field - Google Patents

Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field Download PDF

Info

Publication number
RU2463620C1
RU2463620C1 RU2011114708/28A RU2011114708A RU2463620C1 RU 2463620 C1 RU2463620 C1 RU 2463620C1 RU 2011114708/28 A RU2011114708/28 A RU 2011114708/28A RU 2011114708 A RU2011114708 A RU 2011114708A RU 2463620 C1 RU2463620 C1 RU 2463620C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic
vector
function
induction
pair
Prior art date
Application number
RU2011114708/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Александрович Жильников (RU)
Артем Александрович Жильников
Тимур Александрович Жильников (RU)
Тимур Александрович Жильников
Владимир Иванович Жулев (RU)
Владимир Иванович Жулев
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2011114708/28A priority Critical patent/RU2463620C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2463620C1 publication Critical patent/RU2463620C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method employs a magnetic measuring apparatus in form of two identical orthogonal pairs of loops which are in form of inductance coils with the same number of windings and anti-parallel connection of windings in each pair. The first loop of the pair has a characteristic double bend at the centre at right angles, said bend being in form of a narrow step which forms three surfaces penetrated by magnetic flux, and the second loop of the pair is flat and has one surface. The investigated three-dimensional space with the body inside is a collection of discrete sections.
EFFECT: measurement of the vector function of magnetic flux density of a time-periodic magnetic field at any points of the investigated space for arbitrarily chosen moments in time without mechanical penetration of the body.
4 dwg

Description

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к магнитометрии, и может быть использовано для получения и визуализации распределенных в пространстве и периодически изменяющихся во времени магнитных полей внутри тела с неоднородными магнитными свойствами без механического проникновения в него.The invention relates to information-measuring equipment, in particular to magnetometry, and can be used to obtain and visualize distributed in space and periodically changing in time magnetic fields inside the body with inhomogeneous magnetic properties without mechanical penetration into it.

Известен способ топографии магнитного поля, реализованный в устройстве [1], который основан на измерении магнитного поля одновременно в большом количестве точек плоскости посредством матричной регулярной структуры из столбцов и строк взаимосвязанных элементов, расположенных на полупроводниковой пластине. Однако известные способ и устройство для его реализации не позволяют выполнять измерения в каждой точке исследуемого объема, при наличии в нем тела без механического проникновения внутрь него, а позволяют получить только одну составляющую вектора магнитной индукции, одинаково направленную с нормалью к полупроводниковой пластине. Кроме того, способ имеет ограничения по количеству согласованных точечных датчиков (элементов).A known method of topography of a magnetic field, implemented in the device [1], which is based on measuring the magnetic field simultaneously in a large number of plane points by means of a regular matrix structure of columns and rows of interconnected elements located on a semiconductor wafer. However, the known method and device for its implementation does not allow measurements at each point of the volume under investigation, if there is a body in it without mechanical penetration inside it, but only one component of the magnetic induction vector is received, equally directed with the normal to the semiconductor wafer. In addition, the method has limitations on the number of matched point sensors (elements).

Известен способ сканирования магнитного поля, реализованный в устройстве [2], который основан на измерении магнитного поля поочередно в количестве точек плоскости посредством последовательно соединенной матрицы чувствительных элементов, включающей N феррозондов, с последующей обработкой измеряемых напряжений с помощью ЭВМ. Однако известные способ и устройство для его реализации не позволяют выполнять измерения в каждой точке исследуемого объема, при наличии в нем тела без механического проникновения внутрь него, а позволяют получить только одну (из трех) составляющую вектора магнитной индукции. Кроме того, способ имеет ограничения по количеству феррозондов и, как следствие, по разрешающей способности.A known method of scanning a magnetic field, implemented in the device [2], which is based on measuring the magnetic field in turn in the number of plane points by means of a series-connected matrix of sensitive elements, including N flux probes, followed by processing the measured voltage using a computer. However, the known method and device for its implementation does not allow measurements at each point of the volume under investigation, if there is a body in it without mechanical penetration inside it, but only one (out of three) component of the magnetic induction vector can be obtained. In addition, the method has limitations on the number of flux gates and, as a consequence, on resolution.

Известен способ для измерения и топографии магнитных полей рассеяния вблизи поверхности объекта, реализованный в устройстве [3], который основан на последовательном перемещении в соответствии с заданной траекторией с помощью измерительной штанги одного трехкомпонентного датчика Холла относительно объекта измерения посредством блока механических перемещений с поворотным столиком и подвижными каретками, приводимыми в движение шаговыми двигателями, с последующей статистической обработкой результатов измерения измерительно-вычислительным блоком. Однако известные способ и устройство для его осуществления не позволяют выполнять измерения в каждой точке исследуемого объема, при наличии в нем тела без механического проникновения внутрь него, а требуют многократных измерений в каждой точке и поэтому трудоемки и продолжительны во времени. Кроме того, используемый статистический подход не позволяет получать распределений, характеризующих мгновенное состояние переменного магнитного поля.A known method for measuring and topography of scattering magnetic fields near the surface of an object, implemented in a device [3], which is based on sequential movement in accordance with a given path using a measuring rod of one three-component Hall sensor relative to the measurement object by means of a mechanical displacement unit with a rotary table and movable carriages driven by stepper motors, followed by statistical processing of the measurement results unit block. However, the known method and device for its implementation does not allow measurements at each point of the volume under investigation, if there is a body in it without mechanical penetration inside it, but require multiple measurements at each point and therefore are time-consuming and time-consuming. In addition, the statistical approach used does not allow one to obtain distributions characterizing the instantaneous state of an alternating magnetic field.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения распределения векторной функции магнитной индукции периодического магнитного поля [4], реализованный в устройстве [5], основанный на последовательных поступательных и угловых перемещениях магниточувствительного рабочего органа, при этом исследуемый объем представляют совокупностью параллельных сечений, распределения магнитной индукции в которых получают посредством применения процедуры реконструкции вычислительной томографии к напряжениям, индуцируемым в соответствии с законом Фарадея в контурах, перемещающихся в магнитном поле, а результирующее распределение в пространстве для каждой из трех компонент векторной функции магнитной индукции представляют в виде квадратной матрицы из n строк и n столбцов, каждый элемент которой является значением составляющей вектора магнитной индукции, усредненной в пределах элементарной площадки, в результате чего для каждого j-го измерения магнитный поток, пронизывающий контур, является суммой потоков, располагающихся вдоль контура элементарных площадок с соответствующими значениями индукции. Однако известные способ и устройство для его осуществления не позволяют выполнять измерения в каждой точке исследуемого объема, при наличии в нем тела с неоднородными магнитными свойствами тела без механического проникновения внутрь него.Closest to the claimed is a method of obtaining the distribution of the vector function of the magnetic induction of a periodic magnetic field [4], implemented in the device [5], based on successive translational and angular movements of the magnetically sensitive working body, while the volume under investigation is represented by a combination of parallel sections, the distribution of magnetic induction in which are obtained by applying the procedure of reconstruction of computational tomography to the voltages induced in accordance with of Faraday in circuits moving in a magnetic field, and the resulting spatial distribution for each of the three components of the vector function of magnetic induction is represented as a square matrix of n rows and n columns, each element of which is the value of the component of the magnetic induction vector averaged within the elementary sites, as a result of which for each j-th measurement the magnetic flux penetrating the contour is the sum of the fluxes located along the contour of the elementary sites with the corresponding their values of induction. However, the known method and device for its implementation does not allow measurements at each point of the volume under investigation, in the presence of a body with inhomogeneous magnetic properties of the body without mechanical penetration into it.

Техническим результатом применения заявляемого способа является расширение функциональных возможностей магнитометрии, заключающееся в измерениях распределения векторной функции магнитной индукции периодически изменяющего во времени поля в любых точках исследуемого пространства для произвольно выбранных моментов времени на периоде и основанное на последовательных поступательных и угловых перемещениях рабочего магнитоизмерительного органа, выполненного в виде ортогонально ориентированных в пространстве контуров, а также на представлении исследуемого объема совокупностью параллельных сечений, распределения магнитной индукции в которых получают посредством применения процедуры вычислительной томографии к индуцируемым напряжениям, посредством использования рабочего органа определенной формы и метода вычислительной томографии, доработанного под способ измерения.The technical result of the application of the proposed method is to expand the functionality of magnetometry, which consists in measuring the distribution of the vector function of magnetic induction periodically changing the field in time at any point in the space under study for arbitrarily selected time instants over a period and based on successive translational and angular movements of the working magnetometer, performed in in the form of contours orthogonally oriented in space, as well as on presentation of the test volume by a set of parallel sections, the magnetic induction distributions in which are obtained by applying the computational tomography procedure to the induced voltages, by using a working body of a certain shape and computational tomography method, modified for the measurement method.

Технический результат, реализуемый в способе измерения распределения векторной функции магнитной индукции периодического магнитного поля, достигается тем, что измерения осуществляют без механического проникновения внутрь тела, расположенного в исследуемом пространстве, а рабочий магнитоизмерительный орган реализуют на основе двух одинаковых пар контуров в виде катушек индуктивности с равным числом витков и встречным включением обмоток в каждой паре, привязанных к декартовой системе координат рабочего органа, причем первый контур пары имеет по центру выполненный под прямыми углами характерный двойной изгиб в виде ступени, которым образованы три поверхности, пронизываемые магнитным потоком, а второй контур пары - плоский и имеет одну поверхность, в свою очередь каждые из четырех образованных поверхностей контуров пар имеют такое взаимное расположение, при котором вектор нормали плоского контура коллинеарен двум векторам изогнутого контура и перпендикулярен его третьей нормали, выставленной к ступени, причем, если процесс измерения в присутствии тела выполняют при локальной однородности магнитного поля, выраженной наличием на произвольно выбранном интервале, равном половине ширины ступени, постоянства значений проекций векторной функции на нормаль к поверхности контуров, тогда при совмещении плоского и изогнутого контуров пары с некоторой погрешностью считают, что магнитный поток, пронизывающий поверхности изогнутого контура, будет компенсироваться магнитным потоком встречно включенного плоского контура за исключением магнитного потока, пронизывающего плоскость ступени, а сканирование позволяет получить необходимые для алгоритма реконструкции метода вычислительной томографии исходные проекционные данные всех трех компонент векторной функции магнитной индукции в сечении:The technical result implemented in the method of measuring the distribution of the vector function of the magnetic induction of a periodic magnetic field is achieved by the fact that the measurements are carried out without mechanical penetration into the body located in the studied space, and the working magnetically measuring body is implemented on the basis of two identical pairs of circuits in the form of inductors with equal by the number of turns and the counter-inclusion of the windings in each pair, tied to the Cartesian coordinate system of the working body, the first contour The center has a characteristic double bend in the center at right angles in the form of a step, which forms three surfaces pierced by magnetic flux, and the second contour of the pair is flat and has one surface, in turn each of the four formed surfaces of the pair contours has such a mutual arrangement, in which the normal vector of the planar contour is collinear to two vectors of the curved contour and is perpendicular to its third normal, set to the step, and if the measurement process in the presence of the body is performed and local homogeneity of the magnetic field, expressed by the presence on an arbitrarily selected interval equal to half the step width, the values of the projections of the vector function onto the normal to the surface of the contours are constant, then when combining the flat and curved contours of the pair with some error, it is believed that the magnetic flux penetrating the surfaces of the curved contour , will be compensated by the magnetic flux of the on-on flat contour except for the magnetic flux penetrating the plane of the step, and scanning along Allows you to get the initial projection data of all three components of the vector function of the magnetic induction in the section necessary for the computational tomography reconstruction algorithm:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- компоненты векторной функции индукции в системе координат рабочего органа (хφφ,zφ); uх и uz - напряжения, индуцируемые изменением магнитного потока
Figure 00000004
и
Figure 00000005
в парах контуров;
Figure 00000006
и
Figure 00000007
- значения линейных проекций лучевых сумм функции индукции
Figure 00000008
на ось хφ; φ - угол между системами координат рабочего органа и тела; L - траектория интегрирования, совпадающая с длинной ступени; М - ширина ступени; n=1, 2, … - номер периода; t - время; Т- период, в течение которого происходит одно полное изменение векторной функции магнитной индукции; t0 - текущее значение времени на периоде, причем в системе координат (x,y,z) неподвижного тела через формулы поворота, с учетом
Figure 00000009
и совпадения осей zφ=z:Where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- components of the vector induction function in the coordinate system of the working body (x φ , y φ , z φ ); u x and u z are the stresses induced by a change in the magnetic flux
Figure 00000004
and
Figure 00000005
in pairs of loops;
Figure 00000006
and
Figure 00000007
- the values of the linear projections of the ray sums of the induction function
Figure 00000008
on the x axis φ ; φ is the angle between the coordinate systems of the working body and body; L is the integration path coinciding with the long step; M is the width of the step; n = 1, 2, ... - period number; t is the time; T is the period during which one complete change in the vector function of magnetic induction occurs; t 0 - the current value of time on the period, and in the coordinate system (x, y, z) of the stationary body through the rotation formula, taking into account
Figure 00000009
and the coincidence of the axes z φ = z:

Figure 00000010
Figure 00000010

при этом двумерное распределение векторной функции магнитной индукции в сечении получают из трех ее компонент посредством применения к исходным проекционным данным px, py, pz, алгоритма реконструкции, реализованного путем свертки проекционных данных, осуществляющей фильтрацию с использованием свертывающей функции h(xφ), являющейся обратным Фурье-преобразованием частоты пространственного спектра по формуле:the two-dimensional distribution of the magnetic induction vector function in the cross section is obtained from its three components by applying to the original projection data p x , p y , p z , a reconstruction algorithm implemented by convolution of the projection data, filtering using the convolution function h (x φ ) , which is the inverse Fourier transform of the frequency of the spatial spectrum according to the formula:

Figure 00000011
Figure 00000011

где символ «*» есть оператор свертки; Bx(x,y,z,t0), By(x,y,z,t0), Bz(x,y,z,t0)-х-, у-, z-компоненты векторной функции магнитной индукции

Figure 00000012
, соответственно, а затем соединяют отдельные двумерных распределений векторной функции индукции в сечениях в общую картину трехмерного распределения в пространстве.where the symbol "*" is a convolution operator; B x (x, y, z, t 0 ), B y (x, y, z, t 0 ), B z (x, y, z, t 0 ) -x-, y-, z-components of the vector function magnetic induction
Figure 00000012
, respectively, and then connect the separate two-dimensional distributions of the vector induction function in sections into the overall picture of the three-dimensional distribution in space.

Суть способа измерения векторной функции магнитной индукции периодического магнитного поля заключается в неразрушающих тело с неоднородными магнитными свойствами измерениях векторной функции магнитной индукции периодического во времени магнитного поля в любых точках исследуемого пространства для произвольно выбранных моментов времени без механического проникновения внутрь тела и достигается тем, что рабочий магнитоизмерительный орган реализуется в виде двух одинаковых ортогонально ориентированных относительно друг друга пар контуров, выполненных в виде катушек индуктивности с равным числом витков и встречным включением обмоток в каждой паре, привязанных к декартовой системе координат рабочего органа (xφφ,zφ). Первый контур пары имеет по центру выполненный под прямыми углами характерный двойной изгиб, напоминающий узкую ступень, которым образованы три поверхности, пронизываемые магнитным потоком. Второй контур пары - плоский и имеет одну поверхность. Каждая из четырех образованных поверхностей контуров пары имеет свои геометрические размеры и описывается соответствующим вектором нормали, умноженным на скаляр значения площади поверхности. В паре контуры имеют такое взаимное расположение, при котором плоский контур находится посередине ширины изгиба изогнутого контура, так что вектор нормали плоского контура коллинеарен двум векторам изогнутого контура и перпендикулярен его третьей нормали, выставленной к ступени. Если в процессе измерения в присутствии тела с неоднородными магнитными свойствами выполняется обязательное требование локальной однородности магнитного поля, выраженной наличием на произвольном выбранном интервале, равном половине ширины ступени М (фиг.1,а), постоянства значений проекции векторной функции на ось, ортогональную плоскостям S1', S1'' и S2', S2'', тогда при совмещении плоского и изогнутого контуров пары с некоторой погрешностью считается, что в каждой паре магнитный поток, пронизывающий поверхности изогнутого контура, будет компенсироваться магнитным потоком встречно включенного плоского контура за исключением магнитного потока, пронизывающего плоскость ступени Sx, Sz (фиг.1, 6).The essence of the method for measuring the vector function of the magnetic induction of a periodic magnetic field is non-destructive body with non-uniform magnetic properties measurements of the vector function of the magnetic induction of a periodic magnetic field at any point in the space under study for arbitrarily selected moments of time without mechanical penetration into the body and is achieved by the fact that the working magnetometer an organ is realized in the form of two identical pairs orthogonally oriented relative to each other ontours made in the form of inductors with an equal number of turns and on-off windings in each pair, tied to the Cartesian coordinate system of the working body (x φ , y φ , z φ ). The first contour of the pair has in the center a characteristic double bend made at right angles, resembling a narrow step, which forms three surfaces penetrated by magnetic flux. The second contour of the pair is flat and has one surface. Each of the four formed surfaces of the contours of the pair has its own geometric dimensions and is described by the corresponding normal vector times the scalar of the surface area. In a pair, the contours have such a mutual arrangement that the flat contour is in the middle of the bending width of the curved contour, so that the normal vector of the flat contour is collinear to the two vectors of the curved contour and is perpendicular to its third normal, set to the step. If during the measurement process in the presence of a body with inhomogeneous magnetic properties, the mandatory requirement of local uniformity of the magnetic field, expressed by the presence on an arbitrary chosen interval equal to half the width of the step M (Fig. 1, a), the constancy of the values of the projection of the vector function on the axis orthogonal to the planes S 1 ', S 1 ''and S 2 ', S 2 '', then when combining the flat and curved contours of the pair with some error, it is considered that in each pair the magnetic flux penetrating the surfaces of the curved contour will be compensated by the magnetic flux of the on-turned flat contour except for the magnetic flux penetrating the plane of the step S x , S z (Figs. 1, 6).

Вследствие этого скалярное значение магнитного потока Ф вектора магнитной индукции

Figure 00000013
через поверхность S, образованную плоскостью узкой ступени, как вытекает из определения, есть поверхностей интеграл:As a result, the scalar value of the magnetic flux Φ of the magnetic induction vector
Figure 00000013
through the surface S formed by the plane of a narrow step, as follows from the definition, there are surfaces integral:

Figure 00000014
Figure 00000014

где S=M·L, причем М - ширина, a L - траектория интегрирования, совпадающая с длиной узкой ступени пар изогнутых контуров, соответственно (фиг.1,а).where S = M · L, where M is the width, and L is the integration trajectory coinciding with the length of the narrow step of the pairs of curved contours, respectively (Fig. 1, a).

Принимая во внимание, что дифференциал

Figure 00000015
в выражении (1) для каждой пары соответственно равен:
Figure 00000016
где
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019
- орты системы координат (xφ,yφ,zφ), а площадь интегрирования в обоих случаях S, то поверхностный интеграл представляется двойным интегралом:
Figure 00000020
Whereas the differential
Figure 00000015
in expression (1) for each pair, respectively, is equal to:
Figure 00000016
Where
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019
are the unit vectors of the coordinate system (x φ , y φ , z φ ), and the integration area in both cases is S, then the surface integral is represented by a double integral:
Figure 00000020

где

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- компоненты
Figure 00000012
в системе координат рабочего органа.Where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- Components
Figure 00000012
in the coordinate system of the working body.

Принимая во внимание локальную однородность неоднородного в пространстве магнитного поля в пределах ширины узкой ступени М, интегрирование по осям хφ и zφ заменяется домножением на значение ширины М, а следовательно, выражение (2) приобретает следующий вид:Taking into account the local homogeneity of a spatially non-uniform magnetic field within the width of a narrow step M, integration along the x φ and z φ axes is replaced by multiplication by the value of the width M, and therefore, expression (2) takes the following form:

Figure 00000021
Figure 00000021

Процедура измерения начинается с того, что предварительно исследуемое трехмерное пространство с телом внутри условно разбивается на слои, образованные плоскостями α, α', α'', параллельными плоскости сканирования, что позволяет понизить размерность задачи до двумерной, представив данное пространство совокупностью дискретных сечений (фиг.2).The measurement procedure begins with the fact that the previously investigated three-dimensional space with the body inside is conditionally divided into layers formed by the planes α, α ', α' 'parallel to the scanning plane, which allows to reduce the dimension of the problem to two-dimensional, representing this space as a set of discrete sections (Fig. .2).

Последующее сканирование рабочим органом каждого отдельного сечения в соответствием с методом вычислительной томографии требует в отношении компонент векторной функции индукции измерения для многих пересекающихся под разными углами φ траекторий L значений р(хφ,φ) линейных проекций лучевых сумм функции индукции,

Figure 00000022
что с учетом (3) реализуется путем регистрации отнесенных к ширине ступени потоков магнитной индукции Ф:Subsequent scanning by the working body of each individual section in accordance with the method of computational tomography requires, with respect to the components of the vector induction function, measurements for many linear projections of the ray sums of the induction function, intersecting at different angles φ of the trajectories L, p, x φ , φ
Figure 00000022
which, taking into account (3), is realized by recording the fluxes of magnetic induction Φ referred to the width of the step

Figure 00000023
Figure 00000023

Таким образом, в ходе сканирования при перемещениях рабочего органа вдоль оси хφ и поворотах его относительно системы координат (х,у,z) тела на разные углы φ в интервале от 0 до π находится линейная проекция р(хφ,φ) лучевых сумм, выраженных интегралами вдоль прямой на интервале шириной L, численно равных магнитному потоку, отнесенному к ширине узкой ступени (фиг.3).Thus, during scanning, when the working body moves along the x φ axis and rotates it relative to the coordinate system (x, y, z) of the body at different angles φ, a linear projection p (x φ , φ) of the ray sums is found expressed by integrals along a straight line on an interval of width L, numerically equal to the magnetic flux referred to the width of a narrow step (Fig. 3).

Согласно закону Фарадея напряжение u(t), наводимое в паре контуров, определяется выражением:According to the Faraday law, the voltage u (t) induced in a pair of circuits is determined by the expression:

Figure 00000024
Figure 00000024

где dФ - дифференциал потока векторной функции индукции; dt - дифференциал времени.where dФ is the differential of the flux of the vector induction function; dt is the time differential.

Благодаря введенному условию периодичности во времени, согласно которому поле точно повторяет свои мгновенные состояния через одинаковые промежутки времени, равные периоду, продолжительность регистрации одной картины распределения поля уже не ограничена по времени длительностью интервала дискретизации, потому что регистрировать картину можно, осуществляя измерения в пространстве через интервалы времени, кратные периоду. И несмотря на то, что измерения значительно разнесены по времени, все они будут производиться для какого-то одного мгновенного состояния на периоде.Due to the introduced condition of periodicity in time, according to which the field accurately repeats its instantaneous states at the same time intervals equal to the period, the duration of recording one picture of the field distribution is no longer limited in time to the duration of the sampling interval, because the picture can be recorded by measuring in space at intervals time multiples of the period. And despite the fact that the measurements are significantly spaced in time, all of them will be made for any one instantaneous state on the period.

Выражая дифференциал dФ из уравнения (5) и интегрируя по времени t левую и правую части получившегося равенства, получают:Expressing the differential dФ from equation (5) and integrating the left and right sides of the resulting equality over time t, we obtain:

Figure 00000025
Figure 00000025

где Т - период, в течение которого происходит одно полное изменение изменения магнитной индукции; n=1, 2, … - номер периода; t0 - текущее значение времени на периоде.where T is the period during which there is one complete change in the change in magnetic induction; n = 1, 2, ... - period number; t 0 - the current value of time on the period.

Принимая во внимание уравнение (4) и (6), линейная проекция лучевых сумм функции индукции p(xφ,φ,t), теперь зависящая и от времени, записывается посредством отнесенных к ширине ступени интегралов по времени напряжений, индуцируемых изменением магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея в парах контуров:Taking into account Eqs. (4) and (6), the linear projection of the ray sums of the induction function p (x φ , φ, t), which now also depends on time, is written by means of the stresses related to the width of the step integral over time, induced by a change in the magnetic flux in in accordance with the law of electromagnetic Faraday induction in pairs of circuits:

Figure 00000026
Figure 00000026

причем в системе координат (х,у,z) неподвижного тела через формулы поворота и с учетом

Figure 00000009
совпадения осей zφ=z получают:moreover, in the coordinate system (x, y, z) of a motionless body through the rotation formulas and taking into account
Figure 00000009
coincidence of the axes z φ = z get:

Figure 00000027
Figure 00000027

Данное обстоятельство позволяет получить необходимые для алгоритма реконструкции метода вычислительной томографии исходные проекционные данные всех трех компонент векторной функции магнитной индукции в сечении (фиг.4).This circumstance makes it possible to obtain the initial projection data of all three components of the vector function of the magnetic induction in the section necessary for the algorithm for reconstruction of the method of computational tomography (Fig. 4).

Двумерное распределение векторной функции магнитной индукции в сечении получают из трех ее компонент посредством применения алгоритма реконструкции к исходным проекционным данным, полученным в ходе сканирования.The two-dimensional distribution of the magnetic induction vector function in the cross section is obtained from its three components by applying the reconstruction algorithm to the initial projection data obtained during the scan.

Задача реконструкции изображения в вычислительной томографии сводится к решению основного интегрального уравнения (8) с нахождением распределения компонент Вх, Ву, Bz по измеренным значениям линейных проекций рх, ру, pz. Поэтому предлагаемый способ вынуждает воспользоваться алгоритмами реконструкции вычислительной томографии, базирующимися на аппарате преобразования Фурье, а именно обратной проекции с фильтрацией. Фильтрация осуществляется путем свертки проекций компонент непосредственно в пространстве оригинала Фурье-преобразования с соответствующей реализующей фильтрацию свертывающей функцией h(хφ), являющейся обратным Фурье-преобразованием частоты пространственного спектра [6]. Так из (8) получают:The task of image reconstruction in computational tomography is reduced to solving the main integral equation (8) with finding the distribution of the components B x , B y , B z from the measured values of the linear projections p x , p y , p z . Therefore, the proposed method forces the use of computational tomography reconstruction algorithms based on the Fourier transform apparatus, namely, back projection with filtering. Filtering is carried out by convolving the projections of the components directly in the space of the original Fourier transform with the corresponding filtering convolution function h (x φ ), which is the inverse Fourier transform of the frequency of the spatial spectrum [6]. So from (8) get:

Figure 00000028
Figure 00000028

где символ «*» есть оператор свертки; Вх(х,у,z,t0), Ву(х,у,z,t0), Bz(х,у,z,t0)-х-, у-, z-компоненты векторной функции магнитной индукции

Figure 00000012
, соответственно.where the symbol "*" is a convolution operator; In x (x, y, z, t 0 ), Wu (x, y, z, t 0 ), B z (x, y, z, t 0 ) -x-, y-, z-components of the vector function of the magnetic induction
Figure 00000012
, respectively.

Процедура измерения заканчивается соединением отдельных двумерных распределений векторной функции индукции в сечениях в общую картину трехмерного распределения.The measurement procedure ends with a combination of the individual two-dimensional distributions of the vector induction function in sections into the overall picture of the three-dimensional distribution.

Таким образом, предложенный способ позволяет посредством использования метода вычислительной томографии получить трехмерное распределение векторной функции магнитной индукции периодического магнитного поля в любых точках исследуемого пространства и произвольно выбранных моментов во времени без механического проникновения внутрь тела с неоднородными магнитными свойствами, размещенного в исследуемом пространстве.Thus, the proposed method allows using the computed tomography method to obtain a three-dimensional distribution of the vector function of the magnetic induction of a periodic magnetic field at any point in the investigated space and randomly selected moments in time without mechanical penetration into the body with inhomogeneous magnetic properties located in the studied space.

ЛитератураLiterature

1. Авторское свидетельство СССР №1652951, кл. G01R 33/02, опубл. 30.05.1991.1. USSR author's certificate No. 1652951, cl. G01R 33/02, publ. 05/30/1991.

2. Авторское свидетельство СССР №1762282, кл. G01R 33/02, опубл. 15.09.1992.2. USSR Copyright Certificate No. 1762282, cl. G01R 33/02, publ. 09/15/1992.

3. Авторское свидетельство СССР №1684761, кл. G01R 33/06, опубл. 15.10.1991.3. Copyright certificate of the USSR No. 1684761, cl. G01R 33/06, publ. 10/15/1991.

4. Патент РФ №2179323, кл. G01R 33/02, опубл. 10.02.2002.4. RF patent No. 2179323, cl. G01R 33/02, publ. 02/10/2002.

5. Патент РФ №2174235, кл. G01R 33/02, опубл. 27.09.2001.5. RF patent No. 2174235, cl. G01R 33/02, publ. 09/27/2001.

6. Рентгенотехника. Справочник в 2-х книгах. Кн.2 / Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1988 г., с.319-326.6. X-ray engineering. Reference book in 2 books. Book 2 / Ed. V.V. Klyueva. - M.: Mechanical Engineering, 1988, p. 319-326.

Claims (1)

Способ измерения распределения векторной функции магнитной индукции периодического магнитного поля, заключающийся в измерениях распределения векторной функции магнитной индукции периодически изменяющего во времени поля в любых точках исследуемого пространства для произвольно выбранных моментов времени на периоде и основанный на последовательных поступательных и угловых перемещениях рабочего магнитоизмерительного органа, выполненного в виде ортогонально ориентированных в пространстве контуров, а также на представлении исследуемого объема совокупностью параллельных сечений, распределения магнитной индукции в которых получают посредством применения процедуры вычислительной томографии к индуцируемым напряжениям, отличающийся тем, что измерения осуществляют без механического проникновения внутрь тела, расположенного в исследуемом пространстве, а рабочий магнитоизмерительный орган реализуют на основе двух одинаковых пар контуров в виде катушек индуктивности с равным числом витков и встречным включением обмоток в каждой паре, привязанных к декартовой системе координат рабочего органа, причем первый контур пары имеет по центру выполненный под прямыми углами характерный двойной изгиб в виде ступени, которым образованы три поверхности, пронизываемые магнитным потоком, а второй контур пары - плоский и имеет одну поверхность, в свою очередь, каждые из четырех образованных поверхностей контуров пар имеет такое взаимное расположение, при котором вектор нормали плоского контура коллинеарен двум векторам изогнутого контура и перпендикулярен его третьей нормали, выставленной к ступени, причем, если процесс измерения в присутствии тела выполняют при локальной однородности магнитного поля, выраженной наличием на произвольно выбранном интервале, равном половине ширины ступени, постоянства значений проекций векторной функции на нормаль к поверхности контуров, тогда при совмещении плоского и изогнутого контуров пары с некоторой погрешностью считают, что магнитный поток, пронизывающий поверхности изогнутого контура, будет компенсироваться магнитным потоком встречно включенного плоского контура, за исключением магнитного потока, пронизывающего плоскость ступени, а сканирование позволяет получить необходимые для алгоритма реконструкции метода вычислительной томографии исходные проекционные данные всех трех компонент векторной функции магнитной индукции в сечении:
Figure 00000029

где
Figure 00000002
и
Figure 00000003
- компоненты векторной функции индукции в системе координат рабочего органа (xφ, yφ, zφ); ux и uz - напряжения, индуцируемые изменением магнитных потоков
Figure 00000004
и
Figure 00000005
в парах контуров;
Figure 00000006
и
Figure 00000007
- значения линейных проекции лучевых сумм функции индукции
Figure 00000008
на ось хφ; φ - угол между системами координат рабочего органа и тела; L - траектория интегрирования, совпадающая с длиной ступени; М - ширина ступени; n=1, 2,… - номер периода; t - время; Т - период, в течение которого происходит одно полное изменение векторной функции магнитной индукции; t0 - текущее значение времени на периоде, причем в системе координат (х, y, z) неподвижного тела через формулы поворота, с учетом
Figure 00000009
и совпадения осей zφ=z:
Figure 00000030

при этом двумерное распределение векторной функции магнитной индукции в сечении получают из трех ее компонент посредством применения к исходным проекционным данным рx, рy, pz, алгоритма реконструкции, реализованного путем свертки проекционных данных, осуществляющей фильтрацию с использованием свертывающей функции h(xφ), являющейся обратным Фурье-преобразованием частоты пространственного спектра по формуле
Figure 00000031

где символ «*» есть оператор свертки; Bx(x,y,z,t0), By(x,y,z,t0), Bz(x,y,z,t0) - х-, y-, z - компоненты векторной функции магнитной индукции
Figure 00000012
соответственно, а затем соединяют отдельные двумерных распределений векторной функции индукции в сечениях в общую картину трехмерного распределения в пространстве.
A method of measuring the distribution of the vector function of the magnetic induction of a periodic magnetic field, which consists in measuring the distribution of the vector function of the magnetic induction of a periodically changing field at any point in the space under study for arbitrarily selected time instants over a period and based on successive translational and angular displacements of the working magneto-measuring organ performed in in the form of contours orthogonally oriented in space, as well as in the representation volume by a set of parallel sections, the magnetic induction distributions in which are obtained by applying the computed tomography procedure to the induced voltages, characterized in that the measurements are carried out without mechanical penetration into the body located in the space under study, and the working magneto-measuring organ is realized on the basis of two identical pairs of loops in the form of inductors with an equal number of turns and on-off windings in each pair, tied to a Cartesian system the coordinates of the working body, and the first contour of the pair has in the center a characteristic double bend in the form of a step, which forms three surfaces pierced by magnetic flux, and the second contour of the pair is flat and has one surface, in turn, each of four of the formed surfaces of the contours of the pairs has a mutual arrangement in which the normal vector of the flat contour is collinear to two vectors of the curved contour and is perpendicular to its third normal set to the step, and, e whether the measurement process in the presence of a body is carried out with local magnetic field uniformity, expressed by the presence on an arbitrarily selected interval equal to half the step width, the projection of the vector function onto the normal to the surface of the contours is constant, then when combining the flat and curved contours of the pair with some error, consider that the magnetic flux penetrating the surfaces of the curved contour will be compensated by the magnetic flux of the on-turned flat contour, with the exception of the magnetic flux penetrating the plane of the step, and scanning allows you to get the initial projection data of all three components of the vector function of the magnetic induction in the section necessary for the computational tomography reconstruction algorithm:
Figure 00000029

Where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- components of the vector induction function in the coordinate system of the working body (x φ , y φ , z φ ); u x and u z are stresses induced by a change in magnetic fluxes
Figure 00000004
and
Figure 00000005
in pairs of loops;
Figure 00000006
and
Figure 00000007
- values of the linear projection of the ray sums of the induction function
Figure 00000008
on the x axis φ ; φ is the angle between the coordinate systems of the working body and body; L is the integration path coinciding with the length of the step; M is the width of the step; n = 1, 2, ... - period number; t is the time; T is the period during which one complete change in the vector function of magnetic induction occurs; t 0 - the current value of time on the period, and in the coordinate system (x, y, z) of the stationary body through the rotation formula, taking into account
Figure 00000009
and the coincidence of the axes z φ = z:
Figure 00000030

the two-dimensional distribution of the magnetic induction vector function in the cross section is obtained from its three components by applying to the original projection data p x , p y , p z , a reconstruction algorithm implemented by convolution of the projection data, filtering using the convolution function h (x φ ) , which is the inverse Fourier transform of the frequency of the spatial spectrum according to the formula
Figure 00000031

where the symbol "*" is a convolution operator; B x (x, y, z, t 0 ), B y (x, y, z, t 0 ), B z (x, y, z, t 0 ) - x-, y-, z - components of the vector function magnetic induction
Figure 00000012
respectively, and then combine the separate two-dimensional distributions of the vector induction function in sections into the overall picture of the three-dimensional distribution in space.
RU2011114708/28A 2011-04-15 2011-04-15 Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field RU2463620C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011114708/28A RU2463620C1 (en) 2011-04-15 2011-04-15 Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011114708/28A RU2463620C1 (en) 2011-04-15 2011-04-15 Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2463620C1 true RU2463620C1 (en) 2012-10-10

Family

ID=47079684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011114708/28A RU2463620C1 (en) 2011-04-15 2011-04-15 Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2463620C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2174235C1 (en) * 2000-07-11 2001-09-27 Рязанская государственная радиотехническая академия Gear measuring periodic magnetic fields and securing their distribution in space and time
RU2179323C1 (en) * 2000-06-27 2002-02-10 Рязанская государственная радиотехническая академия Process of generation of distribution of vector function of magnetic induction of periodic magnetic field

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179323C1 (en) * 2000-06-27 2002-02-10 Рязанская государственная радиотехническая академия Process of generation of distribution of vector function of magnetic induction of periodic magnetic field
RU2174235C1 (en) * 2000-07-11 2001-09-27 Рязанская государственная радиотехническая академия Gear measuring periodic magnetic fields and securing their distribution in space and time

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Donnelly et al. Tomographic reconstruction of a three-dimensional magnetization vector field
CA3107326A1 (en) Deep learning techniques for magnetic resonance image reconstruction
JP5063279B2 (en) Magnetic resonance equipment
JPH02261425A (en) Image formation by nuclear magnetic resonance
CN102245094A (en) Arrangement and method for detecting and/or locating a magnetic material in a region of action
CN103957785A (en) Mr electrical properties tomography
US20140002076A1 (en) Methods and Systems for Improved Magnetic Resonance Acquisition
JP5626678B2 (en) Magnetic field distribution acquisition device
Gruettner et al. 1D-image reconstruction for magnetic particle imaging using a hybrid system function
JPH0236260B2 (en)
Weber et al. Symmetries of the 2D magnetic particle imaging system matrix
WO2014129151A1 (en) Distribution analyzing device and distribution analyzing method
RU2463620C1 (en) Method of measuring distribution of vector function of magnetic flux density of periodic magnetic field
GB2149921A (en) Imaging nuclear magnetic resonance & using non-linear magnetic field gradient
Değirmenci et al. Anisotropic conductivity imaging with MREIT using equipotential projection algorithm
Schmidt et al. Imaging characterization of MPI tracers employing offset measurements in a two dimensional magnetic particle spectrometer
RU2490659C1 (en) Method for nondestructive volume measurement of vector function of flux density of magnetic field nonuniformly distributed in space and periodically varying in time
Mengelkamp et al. Permanent magnet modeling for Lorentz force evaluation
Sukhanov et al. Method for enhancement of spatial resolution of eddy current imaging
JPH0685768B2 (en) Inspection method using nuclear magnetic resonance
US7471086B2 (en) Magnetic resonance imaging visualization method and system
RU2179323C1 (en) Process of generation of distribution of vector function of magnetic induction of periodic magnetic field
JP2001276016A5 (en)
JP5684888B2 (en) Magnetic resonance imaging system
JP7473114B2 (en) External field response distribution visualization device and external field response distribution visualization method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130416