RU2529448C1 - Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector - Google Patents

Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector Download PDF

Info

Publication number
RU2529448C1
RU2529448C1 RU2013115464/28A RU2013115464A RU2529448C1 RU 2529448 C1 RU2529448 C1 RU 2529448C1 RU 2013115464/28 A RU2013115464/28 A RU 2013115464/28A RU 2013115464 A RU2013115464 A RU 2013115464A RU 2529448 C1 RU2529448 C1 RU 2529448C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
frequency
generator
magnetic field
axes
Prior art date
Application number
RU2013115464/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Львович Хвалин
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского"
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 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2013115464/28A priority Critical patent/RU2529448C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2529448C1 publication Critical patent/RU2529448C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: magnetometer includes microwave generator with a spherical resonator based on an yttrium-iron garnet with three axes of light magnetisation, which are in the generator feedback line, and a magnetic system for transition of the resonator into the saturation mode, representing three inductance coils, which are arranged near the resonator so that their axes of symmetry are aligned along the axes of light magnetisation of the resonator. The outlet of the microwave generator is connected to a frequency meter. Signals from a square-ware generator are sent to coils via a counter of pulses and a demultiplexer, and the square-ware generator is also connected to a frequency meter via an inverter. A signal from the frequency meter via a coupling board is sent to a PC for processing.
EFFECT: increased sensitivity and magnetic directivity of a device, simplified method to determine direction of a magnetic field induction vector or direction to an iron-containing object.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области обнаружения ферросодержащих тел с помощью электрических или магнитных средств и навигации по магнитному полю Земли, а именно к устройствам для измерения направления и величины магнитных полей с применением магнитного резонанса.The invention relates to the field of detection of ferrous bodies using electric or magnetic means and navigation on the Earth’s magnetic field, and in particular to devices for measuring the direction and magnitude of magnetic fields using magnetic resonance.

Известен векторный магнитометр, включающий три одинаковых феррозондовых датчика, схемы их управления и обработки сигналов (см. Патент RU 2218577, МПК G01R 33/02). Истинное направление вектора измеряемого магнитного поля определяют по равенству сигналов от всех трех феррозондов в случае, когда каждый из них будет занимать одинаковое угловое положение относительно полного вектора магнитной индукции измеряемого магнитного поля, и это угловое положение соответствует оптимальной чувствительности феррозондов. При этом предполагается необходимость изменения положения магнитометра для поиска направления вектора магнитного поля.Known vector magnetometer, including three identical flux-gate sensors, schemes for their control and signal processing (see Patent RU 2218577, IPC G01R 33/02). The true direction of the measured magnetic field vector is determined by the equality of the signals from all three flux gates in the case when each of them occupies the same angular position relative to the full magnetic induction vector of the measured magnetic field, and this angular position corresponds to the optimal sensitivity of the flux gates. In this case, it is assumed that the magnetometer needs to be changed to find the direction of the magnetic field vector.

К недостаткам магнитометра по патенту RU 2218577 можно отнести значительную сложность измерительной схемы и необходимость использования идентичных датчиков магнитного поля, что трудно осуществить на практике.The disadvantages of the magnetometer according to patent RU 2218577 include the significant complexity of the measuring circuit and the need to use identical magnetic field sensors, which is difficult to implement in practice.

Известен магнитометр на основе индукционного датчика магнитного поля, используемый для определения направления вектора индукции магнитного поля при поиске железорудных месторождений (см. Патент RU 2148840, МПК G01V 3/10). После первого измерения и определения направления на объект необходимо переместить магнитометр, еще раз с его помощью определить новое направление на объект и затем найти точку пересечения первого и второго направлений, показывающую положение объекта.A known magnetometer based on an induction magnetic field sensor used to determine the direction of the magnetic field induction vector when searching for iron ore deposits (see Patent RU 2148840, IPC G01V 3/10). After the first measurement and determination of the direction to the object, it is necessary to move the magnetometer, once again use it to determine the new direction to the object and then find the intersection point of the first and second directions, showing the position of the object.

Общими недостатками известных магнитометров по патентам RU 2218577 и RU 2148840 являются: необходимость поворота магнитометра при определении направления магнитного поля или направления на ферросодержащий объект, неточности при определении азимутального угла на объект вследствие усреднения величины индукции исследуемого магнитного поля, т.к. сигнал отклика индукционного и феррозондовых датчиков пропорционален потоку вектора индукции через поперечное сечение измерительной катушки индуктивности. Такие датчики не позволяют достоверно определять положение объекта при наличии локальных возмущений магнитного поля, магнитных помех, а также неприменимы для определения протяженных объектов, нескольких объектов, при поиске движущихся объектов и т.д.Common disadvantages of the known magnetometers according to the patents RU 2218577 and RU 2148840 are: the need to rotate the magnetometer when determining the direction of the magnetic field or the direction to the ferrous object, inaccuracies in determining the azimuthal angle to the object due to averaging the magnitude of the induction of the investigated magnetic field, because The response signal of the induction and fluxgate sensors is proportional to the flux of the induction vector through the cross section of the measuring inductance coil. Such sensors do not allow to reliably determine the position of the object in the presence of local perturbations of the magnetic field, magnetic interference, and are also not applicable for determining extended objects, several objects, when searching for moving objects, etc.

По техническому исполнению наиболее близким к заявляемому решению является однокомпонентный магнитометрический датчик, позволяющий определить одну компоненту внешнего постоянного магнитного поля (Гурзо В.В. и др. Векторный магнитометр малых магнитных полей//Гетеромагнитная микроэлектроника. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2004. Вып.1. С.50- 52.). Однокомпонентный магнитометрический датчик имеет в своем составе: СВЧ-генератор на полевом или биполярном транзисторе с активным элементом и линией обратной связи; сферический или пленочный резонатор из железо-иттриевого граната (ЖИГ) в качестве частотозадающего элемента, помещенный в линию обратной связи генератора, частотомер, вход которого соединен с выходом генератора; плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в ЭВМ. ЭВМ предназначена для обработки результатов измерений и вычисления соответствующей компоненты магнитного поля. Для перевода ЖИГ резонатора в режим насыщения обычно используется магнитная система в виде постоянного магнита, создающего в области резонатора поле, достаточное для перевода его в насыщенное состояние. Генератор работает на частоте ферромагнитного резонанса, зависящей от намагниченности резонатора, на которую также влияет поле от магнитной системы и внешняя индукция, связанная с постоянным магнитным полем Земли или ферромагнитного объекта.According to the technical design, the closest to the claimed solution is a one-component magnetometric sensor that allows you to determine one component of an external constant magnetic field (Gurzo V.V. et al. Vector magnetometer of small magnetic fields // Heteromagnetic microelectronics. - Saratov: Publishing house Sarat. Un- ta. 2004. Issue 1. S.50- 52.). The one-component magnetometric sensor includes: a microwave generator using a field or bipolar transistor with an active element and a feedback line; a spherical or film resonator made of iron-yttrium garnet (YIG) as a frequency-setting element, placed in the generator feedback line, a frequency meter, the input of which is connected to the output of the generator; interface card for transmitting frequency measurement results from a frequency meter to a computer. The computer is designed to process the measurement results and calculate the corresponding component of the magnetic field. To transfer the YIG of the resonator into saturation mode, a magnetic system is usually used in the form of a permanent magnet, which creates a field in the resonator region sufficient to bring it into a saturated state. The generator operates at a frequency of ferromagnetic resonance, depending on the magnetization of the resonator, which is also affected by the field from the magnetic system and external induction associated with the constant magnetic field of the Earth or a ferromagnetic object.

Однако один датчик позволяет определять только одну компоненту вектора магнитного поля. Для нахождения полного вектора магнитного поля такой датчик необходимо поворачивать либо возможно одновременное использование нескольких (трех) датчиков, которые должны быть идентичными.However, one sensor allows only one component of the magnetic field vector to be detected. To find the full vector of the magnetic field, such a sensor must be rotated or it is possible to use several (three) sensors at the same time, which must be identical.

Задачей настоящего решения является разработка магнитометра простой конструкции для определения величины и направления полного вектора индукции магнитного поля Земли либо магнитного поля, создаваемого ферромагнитным объектом.The objective of this solution is to develop a magnetometer with a simple design to determine the magnitude and direction of the total induction vector of the Earth’s magnetic field or magnetic field generated by a ferromagnetic object.

Техническим результатом является повышение чувствительности и магнитной направленности устройства, упрощение способа определения направления вектора индукции магнитного поля либо направления на ферросодержащий объект.The technical result is to increase the sensitivity and magnetic orientation of the device, simplifying the method of determining the direction of the magnetic field induction vector or direction to the ferrous object.

Указанный технический результат достигается тем, что магнитометр, содержащий СВЧ-генератор с частотозадающим элементом в линии обратной связи, резонатор на основе железо-иттриевого граната в качестве частотозадающего элемента, магнитную систему для перевода резонатора в режим насыщения, частотомер, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, блок вычисления, плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления, согласно решению содержит генератор прямоугольных импульсов, инвертор, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с частотомером, в качестве резонатора выбран сферический резонатор с тремя осями легкого намагничивания, а магнитная система представляет собой три катушки индуктивности, подключенные к генератору прямоугольных импульсов через счетчик импульсов и демультиплексор, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси симметрии были ориентированы вдоль осей легкого намагничивания резонатора. В способе определения вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля с помощью СВЧ-генератора со сферическим ЖИГ резонатором в линии обратной связи, включающем создание подмагничивающего поля вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, измерение по частоте генератора первой компоненты внешнего магнитного поля, направленной вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, согласно решению последовательно создают подмагничивающие поля вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора, по частоте генератора измеряют вторую и третью компоненты внешнего магнитного поля, направленные вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора соответственно, определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму трех измеренных компонент.The specified technical result is achieved in that the magnetometer containing a microwave generator with a frequency-setting element in the feedback line, a resonator based on yttrium-iron garnet as a frequency-setting element, a magnetic system for putting the resonator into saturation mode, a frequency meter, the input of which is connected to the microwave output -generator, calculation unit, interface card for transmitting the results of frequency measurements from the frequency meter to the calculation unit, according to the solution, contains a rectangular pulse generator, an inverter, an input to of which is connected to the output of the rectangular pulse generator, and the output is connected to the frequency counter, a spherical resonator with three easy magnetization axes is selected as the resonator, and the magnetic system consists of three inductors connected to the rectangular pulse generator via a pulse counter and a demultiplexer located near the resonator so that their axes of symmetry are oriented along the axes of easy magnetization of the resonator. In a method for determining the magnetic induction vector of an external magnetic field using a microwave generator with a spherical YIG resonator in a feedback line, which includes creating a magnetizing field along the first axis of the easy magnetization of the resonator, measuring the frequency of the generator of the first component of the external magnetic field directed along the first axis of the easy magnetization of the resonator, according to the solution, magnetizing fields are successively created along the second and third axes of easy magnetization of the resonator; Ora measure the second and third components of the external magnetic field directed along the second and third axes of easy magnetization of the resonator, respectively, and determine the vector of the external magnetic field as the vector sum of the three measured components.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано взаимное расположение трех осей легкого намагничивания (ОЛН) в сферическом резонаторе (OA, OB, OC); на фиг. 2 в проекции на горизонтальную плоскость ( A ' B ' C '

Figure 00000001
на фиг.1) показано расположение катушек индуктивности (1, 2, 3) для формирования в резонаторе (4) вектора намагниченности, ориентированного вдоль одной из трех осей легкого намагничивания (OA, OB, OC на фиг.1); на фиг. 3 показаны компоненты B1, B2, B3 вектора магнитной индукции и полный вектор магнитной индукции B0 внешнего постоянного магнитного поля; фиг. 4 показывает блок-схему магнитометра, иллюстрирующую работу всего устройства.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the relative position of the three axes of easy magnetization (OLS) in a spherical resonator (OA, OB, OC); in FIG. 2 in the projection onto the horizontal plane ( A '' B '' C ''
Figure 00000001
figure 1) shows the location of the inductors (1, 2, 3) for the formation in the resonator (4) of the magnetization vector oriented along one of the three axes of easy magnetization (OA, OB, OC in figure 1); in FIG. 3 shows the components B 1 , B 2 , B 3 of the magnetic induction vector and the full magnetic induction vector B 0 of an external constant magnetic field; FIG. 4 shows a block diagram of a magnetometer illustrating the operation of the entire device.

Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:

1,2,3 - катушки индуктивности;1,2,3 - inductors;

4 - сферический ЖИГ резонатор;4 - spherical YIG resonator;

5 - СВЧ-генератор, управляемый магнитным полем (ГУМ);5 - a microwave generator controlled by a magnetic field (GUM);

6 - демультиплексор;6 - demultiplexer;

7 - счетчик импульсов;7 - pulse counter;

8 - частотомер;8 - frequency counter;

9 - инвертор;9 - inverter;

10 - плата сопряжения;10 - interface card;

11 - блок вычисления (ЭВМ);11 - calculation unit (computer);

12 - генератор импульсов.12 - pulse generator.

Предложена конструкция магнитометра, использующая магнитные свойства кристаллов ЖИГ, заключающиеся в существовании в них трех ОЛН, причем магнитная система из трех катушек индуктивности позволяет периодически изменять ориентацию вектора намагниченности в резонаторе на 120º (в проекции на горизонтальную плоскость). Использование данного изобретения позволяет определять полный вектор индукции магнитного поля, либо направление на центр ферросодержащего тела.A magnetometer design is proposed that uses the magnetic properties of YIG crystals, which consist of the existence of three OLIs in them, and the magnetic system of three inductor coils allows you to periodically change the orientation of the magnetization vector in the resonator by 120º (in projection onto a horizontal plane). The use of this invention allows to determine the full vector of the magnetic field induction, or the direction to the center of the ferro-containing body.

Основной составной частью магнитометра является генератор, управляемый магнитным полем. Конструкции генераторов на ЖИГ резонаторах (сферических или пленочных) известны и представлены в ряде работ, например, в [Твердотельные устройства СВЧ в технике связи /Гассанов Г.Л. и др. - М.: Радио и связь, 1988. 288 с., Хвалин А.Л., Васильев А.В., Игнатьев А.А., Самолданов В.Н. Исследование интегральных магнитоуправляемых генераторов в СВЧ-диапазоне частот//Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2010. Т. 114. №1. С. 51-55., Хвалин А.Л., Сотов Л.С., Овчинников С.В., Кобякин В.П. Экспериментальные исследования гибридного интегрального магнитоуправляемого генератора//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №11. С.42-44.].The main component of the magnetometer is a generator controlled by a magnetic field. The designs of generators on YIG resonators (spherical or film) are known and are presented in a number of works, for example, in [Solid-state microwave devices in communication technology / Gassanov GL et al. - M.: Radio and Communications, 1988. 288 pp., Khvalin A.L., Vasiliev A.V., Ignatiev A.A., Samoldanov V.N. Research of integrated magnetically controlled generators in the microwave frequency range // Problems of Electromechanics. Proceedings of NPP VNIIEM. 2010.V. 114. No. 1. S. 51-55., Khvalin A.L., Sotov L.S., Ovchinnikov S.V., Kobyakin V.P. Experimental studies of a hybrid integrated magnetically controlled generator // Devices and Systems. Management, control, diagnostics. 2009. No. 11. S.42-44.].

Предлагаемый векторный магнитометр на основе сферического резонатора (СР) представляет собой СВЧ-генератор, частота которого определяется частотой ферромагнитного резонанса СР, находящегося в его цепи обратной связи (см., напр., [Хвалин А.Л., Васильев А.В., Игнатьев А.А., Самолданов В.Н. Исследование интегральных магнитоуправляемых генераторов в СВЧ-диапазоне частот//Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2010. Т. 114. №1. С. 51-55., Хвалин А.Л., Сотов Л.С., Овчинников С.В., Кобякин В.П. Экспериментальные исследования гибридного интегрального магнитоуправляемого генератора//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №11. С.42-44., Гурзо В.В. и др. Векторный магнитометр малых магнитных полей//Гетеромагнитная микроэлектроника. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2004. Вып.1. С.50- 52., Сотов Л.С., Хвалин А.Л. Патент РФ RU 2472182 С1, МПК G01V 3/11. Заявл. 20.05.2011. Опубл. 10.01.2013. Бюл. №1]).The proposed vector magnetometer based on a spherical resonator (SR) is a microwave generator whose frequency is determined by the frequency of the ferromagnetic resonance of the SR located in its feedback circuit (see, for example, [Khvalin A.L., Vasiliev A.V., Ignatyev A.A., Samoldanov V.N. Research of integrated magnetically controlled generators in the microwave frequency range // Electromechanics Issues. Proceedings of NPP VNIIEM. 2010. V. 114. No. 1. P. 51-55., Khvalin A.L. , Sotov L.S., Ovchinnikov S.V., Kobyakin V.P. Experimental studies of hybrid integral magneto controlled generator // Instruments and systems. Management, control, diagnostics. 2009. No. 11. P.42-44., Gurzo VV et al. Vector magnetometer of small magnetic fields // Heteromagnetic microelectronics. - Saratov: Publishing house Sarat. University. 2004. Issue 1. S.50- 52., Sotov L.S., Khvalin A.L. RF Patent RU 2472182 C1, IPC G01V 3/11. 01/10/2013 Bull. No. 1]).

В основе изобретения лежит использование магнитных свойств кристаллов ЖИГ, имеющих кубическую структуру и три выделенных направления - оси легкого намагничивания (см. Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высш. шк., 1964. 376 с.). При поочередном включении магнитного поля в направлении ОЛН, направление вектора намагниченности резонатора устанавливается вдоль соответствующей ОЛН (OA, OB или OC на фиг.1), что приводит к изменению частоты магнитоуправляемого СВЧ-генератора вследствие различий во взаимной ориентации вектора намагниченности резонатора и вектора внешнего магнитного поля.The invention is based on the use of the magnetic properties of YIG crystals having a cubic structure and three distinguished directions — the easy magnetization axes (see Shaskolskaya MP Crystallography. - M.: Higher school., 1964. 376 p.). When the magnetic field is turned on alternately in the direction of the VLF, the direction of the resonator magnetization vector is set along the corresponding VLF (OA, OB or OC in Fig. 1), which leads to a change in the frequency of the magnetically controlled microwave generator due to differences in the mutual orientation of the magnetization vector of the resonator and the external magnetic vector fields.

Магнитометр содержит СВЧ-генератор 5 со сферическим резонатором на основе железо-иттриевого граната с тремя осями легкого намагничивания в качестве частотозадающего элемента 4 в линии обратной связи, магнитную систему для перевода резонатора в режим насыщения, представляющую собой три катушки индуктивности 1, 2, 3, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси симметрии были ориентированы вдоль осей легкого намагничивания резонатора. Катушки подключены к генератору прямоугольных импульсов 12 через счетчик импульсов 7 и демультиплексор 6. Магнитометр содержит частотомер 8, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, блок вычисления 11 и плату сопряжения 10 для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления. Устройство содержит инвертор 9, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 12, а выход соединен с частотомером.The magnetometer contains a microwave generator 5 with a spherical resonator based on yttrium-iron garnet with three axes of easy magnetization as a frequency-setting element 4 in the feedback line, a magnetic system for putting the resonator into saturation mode, which is three inductors 1, 2, 3, located near the resonator so that their axis of symmetry are oriented along the axes of easy magnetization of the resonator. The coils are connected to the square-wave generator 12 through a pulse counter 7 and a demultiplexer 6. The magnetometer contains a frequency meter 8, the input of which is connected to the output of the microwave generator, the calculation unit 11 and the interface card 10 for transmitting the results of frequency measurements from the frequency meter to the calculation unit. The device comprises an inverter 9, the input of which is connected to the output of the rectangular pulse generator 12, and the output is connected to the frequency meter.

Блок-схема магнитометра показана на фиг.4. В цепи обратной связи СВЧ-генератора 5, управляемого магнитным полем (ГУМ), находится резонатор 4. Вблизи СР находятся катушки индуктивности (1, 2 и 3 на фиг.3 и 4), на которые поочередно поступают импульсы тока от генератора прямоугольных импульсов.The block diagram of the magnetometer is shown in figure 4. In the feedback circuit of the microwave generator 5 controlled by a magnetic field (GUM), there is a resonator 4. Near the SR there are inductors (1, 2 and 3 in Figs. 3 and 4), to which current pulses from the square-wave generator alternately arrive.

Поочередное включение трех катушек индуктивности (см. фиг.4) производится с использованием логического блока управления магнитной системой на основе несложных базовых логических схем (см. Клочков Г.Л. Цифровые устройства и микропроцессоры. - Воронеж: ВИРЭ, 2005. 320 с.). Последовательность прямоугольных импульсов с генератора импульсов 12 подается на двоичный двухразрядный суммирующий счетчик 7. На выходе счетчика 7 последовательно формируются управляющие адресные двоичные коды (10, 01, 11), соответствующие трем катушкам индуктивности. После каждого третьего импульса на счетчик подается сигнал (с катушки индуктивности 3), возвращающий его в исходное состояние.Alternately turning on three inductors (see figure 4) is performed using the magnetic control unit of the magnetic system based on simple basic logic circuits (see Klochkov GL Digital devices and microprocessors. - Voronezh: VIRE, 2005. 320 p.) . The sequence of rectangular pulses from the pulse generator 12 is fed to a binary two-digit summing counter 7. At the output of the counter 7, control address binary codes (10, 01, 11) corresponding to three inductors are sequentially generated. After every third pulse, a signal is supplied to the counter (from inductor 3), which returns it to its original state.

Адресные выходы счетчика подаются на демультиплексор 6 с двумя входами, в котором сигналы с входов распределяются в желаемой последовательности по трем выходам. Выбор нужной выходной шины обеспечивается соответствующим кодом на адресных входах (например, 01, 10, либо 11).The address outputs of the counter are fed to the demultiplexer 6 with two inputs, in which the signals from the inputs are distributed in the desired sequence across three outputs. The selection of the desired output bus is provided by the corresponding code on the address inputs (for example, 01, 10, or 11).

При этом в катушках индуктивности поочередно включаются импульсы тока, создающие магнитное поле определенного направления и поочередно задающие направление вектора намагниченности резонатора по трем ОЛН (OA, OB, OC на фиг.1).At the same time, in the inductance coils, current pulses are switched on alternately, creating a magnetic field of a certain direction and alternately setting the direction of the resonator magnetization vector in three OLS (OA, OB, OC in FIG. 1).

К выходу ГУМ 5 подсоединен вход частотомера 8, который выполняет измерения частоты ГУМ при поступлении импульсов запуска частотомера с выхода инвертора 9. С выхода частотомера 8 измеренные значения частоты через плату сопряжения 10, выполняющую функции интерфейса, поступают для обработки в ЭВМ (11). С помощью программного обеспечения в ЭВМ производятся необходимые вычисления и определяются величина и направление полного вектора магнитной индукции (см. фиг.3) внешнего постоянного магнитного поля (B0=B1+B2+B3).The input of the frequency meter 8 is connected to the output of the GUM 5, which measures the frequency of the GUM when the start pulse of the frequency meter is received from the output of the inverter 9. From the output of the frequency meter 8, the measured frequency values through the interface card 10, which performs the functions of the interface, are sent to the computer for processing (11). Using the software in the computer, the necessary calculations are performed and the magnitude and direction of the total magnetic induction vector (see Fig. 3) of the external constant magnetic field (B 0 = B 1 + B 2 + B 3 ) are determined.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.4). Генератор прямоугольных импульсов 12 с частотой ν посылает импульсы тока на катушки индуктивности 1, 2 и 3. Логический блок управления магнитной системой (блоки 6 и 7) выполняет поочередное включение импульсов тока в трех катушках индуктивности. При длительности импульсов порядка 1 мс и индуктивности 1 мГн переходные процессы незначительны и не требуют дополнительной корректировки. При диаметре СР порядка 0,5 мм, диаметре и длине катушек индуктивности 1, 2 и 3, равным 0,75 мм и 1,5 мм соответственно, в области СР 4 создается достаточно однородное магнитное поле величиной около 200 Гс. Таким образом, катушки индуктивности 1, 2 и 3 поочередно создают в области СР магнитные поля, направленные вдоль трех ОЛН. При этом вектор намагниченности СР изменяет направления (в проекции на горизонтальную плоскость A ' B ' C '

Figure 00000001
на фиг.1 соответствующие углы равны 120˚).The device operates as follows (see figure 4). The rectangular pulse generator 12 with a frequency ν sends current pulses to the inductors 1, 2 and 3. The logic control unit of the magnetic system (blocks 6 and 7) performs the alternating switching of the current pulses in the three inductors. With a pulse duration of the order of 1 ms and an inductance of 1 mH, transients are insignificant and do not require additional adjustment. With the diameter of the superlattice about 0.5 mm, the diameter and length of the inductors 1, 2, and 3 equal to 0.75 mm and 1.5 mm, respectively, a fairly uniform magnetic field of about 200 Gs is created in the region of the superlattice 4. Thus, inductors 1, 2, and 3 alternately create magnetic fields in the CP region along three OLS. In this case, the magnetization vector SR changes directions (in the projection onto the horizontal plane A '' B '' C ''
Figure 00000001
1, the corresponding angles are 120 °).

Результирующее магнитное поле в области СР будет определяться суммой векторов магнитной индукции внешнего (измеряемого) поля B0 и поля Bi от одной из катушек индуктивности (1, 2 или 3 на фиг.4):The resulting magnetic field in the SR region will be determined by the sum of the magnetic induction vectors of the external (measured) field B 0 and field B i from one of the inductors (1, 2 or 3 in FIG. 4):

B=B0+Bi, где i=1, 2, 3.B = B 0 + B i , where i = 1, 2, 3.

Информация о величине магнитной индукции содержится в частоте ГУМ 5, которая задается частотой ферромагнитного резонанса в СР и измеряется с помощью частотомера 8. Величина магнитной индукции связана с измеренной частотой простым соотношением:Information on the magnitude of the magnetic induction is contained in the frequency of the GUM 5, which is set by the frequency of the ferromagnetic resonance in the SR and is measured using a frequency meter 8. The magnitude of the magnetic induction is connected with the measured frequency by a simple relation:

f=γ |B|, где γ - известная величина гиромагнитного отношения.f = γ | B |, where γ is the known magnitude of the gyromagnetic ratio.

Импульсы запуска частотомера с инвертора 9 синхронизированы с частотой переключения направления магнитного поля ν. Затем сигнал с выхода частотомера 8 через необходимую плату сопряжения 10 поступает для обработки в ЭВМ 11.The start pulses of the frequency meter from the inverter 9 are synchronized with the frequency of switching the direction of the magnetic field ν. Then the signal from the output of the frequency counter 8 through the necessary interface card 10 is supplied for processing in the computer 11.

В заявляемом изобретении полный вектор магнитной индукции B0 находится путем векторного суммирования найденных компонент B1, B2 и B3 (см. фиг.3).In the claimed invention, the complete magnetic induction vector B 0 is found by vector summation of the found components B 1 , B 2 and B 3 (see figure 3).

Представленный магнитометр имеет ряд преимуществ по сравнению с известными решениями. При определении положения объекта часто используется способ «пеленга», при котором несколько идентичных датчиков определяют азимутальные углы в направлении объекта [Ветошко П.М. Патент RU 2100819 С1, G01R 33/00, G01R 33/02, G01R 33/05. Заявл. 30.09.1996. Опубл. 27.12.1997; Прищепов С.К., Валитов К.Р. Патент RU 2218577 С2, G01R 33/02 Заявл. 09.11.2001. Опубл. 10.12.2003]. Затем находится точка пересечения этих направлений. Другой вариант такого подхода описан в [Емельяненко Т.И., Тахаутдинов Р.С., Краснов С.Г., Сусоева Г.Н. Патент RU 2148840 C1, МПК G01V 3/10, G01V 3/40, G01R 33/02. Заявл. 08.09.1998. Опубл. 10.05.2000. Бюл. №34]. В случае [Емельяненко Т.И., Тахаутдинов Р.С., Краснов С.Г., Сусоева Г.Н. Патент RU 2148840 C1, МПК G01V 3/10, G01V 3/40, G01R 33/02. Заявл. 08.09.1998. Опубл. 10.05.2000. Бюл. №34] используется один датчик, который необходимо перемещать и повторно выполнять определение направления на ферросодержащий объект. Традиционные подходы при решении задач обнаружения местоположения объектов, следовательно, должны использовать либо идентичные датчики, либо один, который необходимо перемещать.The presented magnetometer has several advantages in comparison with the known solutions. When determining the position of an object, the “bearing” method is often used, in which several identical sensors determine the azimuthal angles in the direction of the object [Vetoshko P.M. Patent RU 2100819 C1, G01R 33/00, G01R 33/02, G01R 33/05. Claim 09/30/1996. Publ. 12/27/1997; Prishchepov S.K., Valitov K.R. Patent RU 2218577 C2, G01R 33/02 11/09/2001. Publ. 12/10/2003]. Then there is the intersection point of these directions. Another version of this approach is described in [Emelianenko T.I., Takhautdinov R.S., Krasnov S.G., Susoeva G.N. Patent RU 2148840 C1, IPC G01V 3/10, G01V 3/40, G01R 33/02. Claim 09/08/1998. Publ. 05/10/2000. Bull. No. 34]. In the case of [Emelianenko T.I., Takhautdinov R.S., Krasnov S.G., Susoeva G.N. Patent RU 2148840 C1, IPC G01V 3/10, G01V 3/40, G01R 33/02. Claim 09/08/1998. Publ. 05/10/2000. Bull. No. 34] uses one sensor, which must be moved and re-determine the direction of the ferro-containing object. Conventional approaches to solving the problem of locating objects, therefore, must use either identical sensors, or one that needs to be moved.

Заявляемый СВЧ-генератор со сферическим ЖИГ резонатором в линии обратной связи позволяет реализовать следующий способ определения вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля. Сначала создают подмагничивающее поле вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, измеряют по частоте генератора первую компоненту внешнего магнитного поля, направленную вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора. Затем по аналогии последовательно создают подмагничивающие поля вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора, по частоте генератора измеряют вторую и третью компоненты внешнего магнитного поля, направленные вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора соответственно, после чего определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму трех измеренных компонент.The inventive microwave generator with a spherical YIG resonator in the feedback line allows you to implement the following method for determining the magnetic induction vector of an external magnetic field. First, a magnetizing field is created along the first axis of the easy magnetization of the resonator, and the first component of the external magnetic field directed along the first axis of the easy magnetization of the resonator is measured by the generator frequency. Then, by analogy, magnetizing fields are successively created along the second and third axes of easy magnetization of the resonator, the second and third components of the external magnetic field are measured by the frequency of the generator, directed along the second and third axes of easy magnetization of the resonator, respectively, after which the vector of the external magnetic field is determined as the vector sum of three measured components.

Решение, представленное в изобретении, объединяет оба подхода. Использование магнитных свойств СР (см. [Смит Я., Вейн Х. Ферриты. Физические свойства и практические применения. - М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1962. 504 с.]), позволяющих изменять угол вектора намагниченности СР, создает возможности для пространственного пеленга. Использование одного и того же ГУМ решает проблему идентичности датчиков.The solution presented in the invention combines both approaches. The use of magnetic properties of superlattices (see [Smith, J., Wayne H. Ferrites. Physical properties and practical applications. - M .: Publishing house of foreign literature. 1962. 504 p.]), Allowing to change the angle of the magnetization vector of superlattices , creates opportunities for spatial bearing. Using the same GUM solves the problem of sensor identity.

Область изобретения не ограничивается представленными фиг.1- 4, поскольку любые изменения и дополнения будут понятны специалистам. Область изобретения ограничивается только представленной ниже формулой изобретения.The scope of the invention is not limited to those of FIGS. 1-4, since any changes and additions will be apparent to those skilled in the art. The scope of the invention is limited only by the following claims.

Claims (2)

1. Магнитометр, содержащий СВЧ-генератор с частотозадающим элементом в линии обратной связи, резонатор на основе железо-иттриевого граната в качестве частотозадающего элемента, магнитную систему для перевода резонатора в режим насыщения, частотомер, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, блок вычисления, плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления, отличающийся тем, что содержит генератор прямоугольных импульсов, инвертор, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с частотомером, в качестве резонатора выбран сферический резонатор с тремя осями легкого намагничивания, а магнитная система представляет собой три катушки индуктивности, подключенные к генератору прямоугольных импульсов через счетчик импульсов и демультиплексор, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси симметрии были ориентированы вдоль осей легкого намагничивания резонатора.1. A magnetometer containing a microwave generator with a frequency-setting element in the feedback line, a resonator based on yttrium-iron garnet as a frequency-setting element, a magnetic system for putting the resonator into saturation mode, a frequency meter, the input of which is connected to the output of the microwave generator, a calculation unit , an interface card for transmitting the results of frequency measurements from the frequency meter to the calculation unit, characterized in that it contains a rectangular pulse generator, an inverter, the input of which is connected to the output of the generator pulses, and the output is connected to the frequency counter, a spherical resonator with three axes of easy magnetization is selected as the resonator, and the magnetic system consists of three inductors connected to a rectangular pulse generator via a pulse counter and a demultiplexer located near the resonator so that their axes symmetries were oriented along the axes of easy magnetization of the resonator. 2. Способ определения вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля с помощью СВЧ-генератора со сферическим ЖИГ резонатором в линии обратной связи, включающий создание подмагничивающего поля вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, измерение по частоте генератора первой компоненты внешнего магнитного поля, направленной вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, отличающийся тем, что затем последовательно создают подмагничивающие поля вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора, по частоте генератора измеряют вторую и третью компоненты внешнего магнитного поля, направленные вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора соответственно, определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму трех измеренных компонент. 2. A method for determining the magnetic induction vector of an external magnetic field using a microwave generator with a spherical YIG resonator in a feedback line, including creating a magnetizing field along the first axis of easy magnetization of the resonator, measuring the frequency of the generator of the first component of the external magnetic field directed along the first axis of the lung resonator magnetization, characterized in that then magnetizing fields are subsequently created along the second and third axes of the easy magnetization of the resonator, in frequency e of the generator, the second and third components of the external magnetic field are measured, directed along the second and third axes of easy magnetization of the resonator, respectively; the vector of the external magnetic field is determined as the vector sum of the three measured components.
RU2013115464/28A 2013-04-08 2013-04-08 Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector RU2529448C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013115464/28A RU2529448C1 (en) 2013-04-08 2013-04-08 Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013115464/28A RU2529448C1 (en) 2013-04-08 2013-04-08 Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2529448C1 true RU2529448C1 (en) 2014-09-27

Family

ID=51656694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013115464/28A RU2529448C1 (en) 2013-04-08 2013-04-08 Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2529448C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU834627A1 (en) * 1979-03-02 1981-05-30 Shcheglov Vladimir Magnetic field measuring device
US20110175603A1 (en) * 2008-06-13 2011-07-21 Vladimir Burtman Method and Apparatus for Measuring Magnetic Fields
RU2472182C1 (en) * 2011-05-20 2013-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Device for detecting electroconductive objects based on magnetic field sensors with frequency output

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU834627A1 (en) * 1979-03-02 1981-05-30 Shcheglov Vladimir Magnetic field measuring device
US20110175603A1 (en) * 2008-06-13 2011-07-21 Vladimir Burtman Method and Apparatus for Measuring Magnetic Fields
RU2472182C1 (en) * 2011-05-20 2013-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Device for detecting electroconductive objects based on magnetic field sensors with frequency output

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6879160B2 (en) Magnetic resonance scanner with electromagnetic position and orientation tracking device
Sapunov et al. Ground overhauser DNP geophysical devices
CN105487027A (en) Three-dimensional vector magnetic moment measuring instrument
Li et al. An analytical approach towards passive ferromagnetic shimming design for a high-resolution NMR magnet
Ripka et al. Chapter three magnetic sensors: Principles and applications
RU2529448C1 (en) Three-component magnetometer based on spherical yig resonator and method of detection of full magnetic field vector
US11181555B2 (en) Current sensing method and current sensor
Khvalin A vector magnetometer for measuring weak fields
RU2529440C1 (en) Vector magnetometer based on disc yig resonator and method of detection of magnetic field vector
US20150160308A1 (en) Orthogonal fluxgate sensor
Ripka et al. Crossfield effect in commercial fluxgate and AMR sensors
US3158802A (en) Resonance absorption apparatus and method for measuring magnitude and direction of a magnetic field
Kim et al. 3-D magnetostatic field calculation by a single layer boundary integral equation method using a difference field concept
JPS63197203A (en) Magnetic method for determining orbit of moving object to discover magnetic object fixed or moving and apparatus for implementing the same
JP2016061572A (en) Magnetic field sensor
RU2584720C1 (en) Method of measuring magnetic field
Indrasari et al. A magnetic distance sensor with high sensitivity based on double secondary coil of fluxgate
Matejček et al. The Influence of Different Materials on the Magnetometer Operation
CN109100664A (en) A kind of measurement method of space small magnetic field
US2929018A (en) Gradiometer
US20240111007A1 (en) Magnetic particle imaging device
US20150160306A1 (en) Orthogonal fluxgate sensor
Severino et al. A reconfigurable miniaturized transducer based on rotating coils for testing particle accelerator magnets
JPH0894306A (en) Method for detection of metal
US5783941A (en) Technique for magnetic alignment of an octant for fusion toroidal magnet

Legal Events

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

Effective date: 20200409