RU2757650C1

RU2757650C1 - Ferrozone magnetometric sensor

Info

Publication number: RU2757650C1
Application number: RU2021110170A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Соколов
Original assignee: Николай Александрович Соколов
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-10-19

Abstract

FIELD: radio measurements.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radio measurements. The fluxgate magnetometric sensor contains a magnetic circuit, as well as cores based on a flat magnetic film made of an amorphous ferromagnetic alloy, an excitation amplifier, excitation windings, two receiving oscillatory circuits with measuring windings and capacitors, current amplifiers switched on in the voltage follower mode, a negative feedback winding, a resistor negative feedback, constant current amplifier in the feedback loop.

EFFECT: creation of a fluxgate magnetometric sensor, which has a low level of intrinsic noise, the ability to operate in high-frequency ranges, when powered by low-voltage current sources.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоизмерений и радиотехники и может быть использовано для регистрации возмущений электромагнитного поля, а так же в различных радиотехнических системах для измерения компонент вектора индукции магнитного поля.The invention relates to the field of radio measurements and radio engineering and can be used to register disturbances of the electromagnetic field, as well as in various radio engineering systems for measuring the components of the magnetic field induction vector.

Известен цифровой феррозондовый магнитометр (RU 2316781 С1, МПК G01R 33/02, опубл. 10.02.2008), содержащий задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, цифроаналоговые преобразователи, логический блок и устройства выборки-хранения, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов. Первый выход логического блока управления соединен с входом источника питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей. Вход логического блока управления соединен с выходом задающего генератора. Каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю.Known digital fluxgate magnetometer (RU 2316781 C1, IPC G01R 33/02, publ. 10.02.2008), containing a master oscillator, a sine wave former, the output of which is connected to the first inputs of the flux gates, the outputs of which are connected to the inputs of selective amplifiers, digital-to-analog converters, logic block and sampling-storage devices, the first inputs of which are connected to the outputs of the selective amplifiers, the first outputs are connected to the first inputs of analog-to-digital converters, the second outputs are connected to the second inputs of the flux gates. The first output of the logical control unit is connected to the input of the power supply, the second output is connected to the second inputs of the sample-and-hold devices, the third output is connected to the second inputs of the analog-to-digital converters. The input of the logic control unit is connected to the output of the master oscillator. Each channel of the magnetometer is covered by deep negative magnetic field feedback.

Недостатком данного устройства является структурная сложность, низкая надежностью работы и, в связи с этим, большое энергопотребление.The disadvantages of this device are structural complexity, low operational reliability and, therefore, high power consumption.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитометрический датчик (прототип - см. патент на изобретение RU 2436112 С1, МПК: G01R 33/02, опубл. 10.12.2011), содержащий магнитопровод, две магнитные антенны, генератор тока, при этом в него введены устройство управления разностью фаз между током и напряжением, фильтр отсечки постоянного тока, фильтр отсечки переменного тока, при этом магнитные антенны расположены на расстоянии друг от друга со встречно направленными полями, направленность которых определяется магнитными осями соответствующих магнитных антенн, а взаимодействующий с указанными полями магнитопровод, расположенный между магнитными антеннами так, что гальванически не связан с этими магнитными антеннами, выполнен в виде экрана, изготовленного из материала, являющегося магнетиком, причем каждая из магнитных антенн выполнена в виде спиральной антенны, соединена с соответствующей емкостью и образует с ней резонансный контур, частотные резонансные характеристики которого соответствуют рабочей частоте магнитометрического датчика, магнитные оси упомянутых антенн совмещены, каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока, а генератор тока выполнен в виде генератора постоянного тока и соединен с каждой магнитной антенной через фильтр отсечки переменного тока, причем, выход фильтра отсечки постоянного тока является выходом магнитометрического датчика.The closest in technical essence to the proposed one is a magnetometric sensor (prototype - see patent for invention RU 2436112 C1, IPC: G01R 33/02, publ. 10.12.2011), containing a magnetic circuit, two magnetic antennas, a current generator, while in it a device for controlling the phase difference between current and voltage, a DC cutoff filter, an AC cutoff filter are introduced, while the magnetic antennas are located at a distance from each other with oppositely directed fields, the directivity of which is determined by the magnetic axes of the corresponding magnetic antennas, and the magnetic circuit interacting with the indicated fields , located between the magnetic antennas so that it is not galvanically connected to these magnetic antennas, is made in the form of a screen made of a material that is a magnetic material, and each of the magnetic antennas is made in the form of a helical antenna, connected to the corresponding capacitance and forms a resonant circuit with it, frequency resonance characteristics the sticks of which correspond to the operating frequency of the magnetometric sensor, the magnetic axes of the said antennas are aligned, each of the mentioned resonance circuits is connected to a series-connected device for controlling the phase difference between current and voltage and a DC cutoff filter, and the current generator is made in the form of a DC generator and is connected to each a magnetic antenna through an AC cut-off filter, whereby the output of the DC cut-off filter is the output of the magnetometric sensor.

Недостатком магнитометрического датчика является сложность конструктивного исполнения и изготовления, низкая надежностью работы и, в связи с этим, большое энергопотребление.The disadvantage of the magnetometric sensor is the complexity of the design and manufacture, low reliability of operation and, therefore, high power consumption.

Задачей настоящего изобретения является увеличение полосы рабочих частот феррозондового магнитометрического датчика в сторону регистрации возмущений электромагнитного поля в высокочастотных диапазонах, уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции и снижение энергопотребления датчика.The objective of the present invention is to increase the operating frequency band of the fluxgate magnetometric sensor in the direction of detecting disturbances of the electromagnetic field in high frequency ranges, to reduce the overall dimensions, to simplify the design and to reduce the energy consumption of the sensor.

Технический результат выражается в создании феррозондового магнитометрического датчика, который обладает малым уровнем собственных шумов, возможностью функционирования в высокочастотных диапазонах, при питании от низковольтных источников тока.The technical result is expressed in the creation of a fluxgate magnetometric sensor, which has a low level of intrinsic noise, the ability to operate in high-frequency ranges, when powered by low-voltage current sources.

Результат достигается тем, что в феррозондовый магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, введены сердечники на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилитель возбуждения, обмотки возбуждения, два приемных колебательных контура с измерительными обмотками и конденсаторами, усилители тока, включенные в режиме повторителей напряжения, обмотка отрицательной обратной связи, резистор отрицательной обратной связи, усилитель постоянного тока в цепи обратной связи.The result is achieved by the fact that cores based on a flat magnetic film made of an amorphous ferromagnetic alloy, an excitation amplifier, excitation windings, two receiving oscillatory circuits with measuring windings and capacitors, current amplifiers switched on in the voltage follower mode, are introduced into the fluxgate magnetometric sensor containing a magnetic core, negative feedback winding, negative feedback resistor, DC amplifier in the feedback loop.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема феррозондового магнитометрического датчика, на фиг. 2 - общий вид феррозондового магнитометрического датчика, на фиг.3 - осциллограммы входных и выходных сигналов феррозондового магнитометрического датчика.The essence of the invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a functional diagram of a fluxgate magnetometric sensor; FIG. 2 - General view of the fluxgate magnetometric sensor, Fig. 3 - oscillograms of the input and output signals of the fluxgate magnetometric sensor.

Феррозондовый магнитометрический датчик (фиг. 1) состоит из сердечников 1 ленточного магнитопровода на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилителя 2 возбуждения; обмоток 3, 4 возбуждения; измерительных обмоток 5, 6, конденсаторов 7, 8, усилителей тока 9, 10, включенных в режиме повторителей напряжения, обмотки 11 отрицательной обратной связи, резистора 12 отрицательной обратной связи, усилителя 13 постоянного тока в цепи обратной связи.The fluxgate magnetometric sensor (Fig. 1) consists of cores 1 of a tape magnetic circuit based on a flat magnetic film of an amorphous ferromagnetic alloy, an excitation amplifier 2; windings 3, 4 excitation; measuring windings 5, 6, capacitors 7, 8, current amplifiers 9, 10, included in the voltage follower mode, negative feedback windings 11, negative feedback resistor 12, DC amplifier 13 in the feedback circuit.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Основной канал феррозондового датчика образован из обмоток 3, 4 возбуждения, включенных последовательно. На вход цепи возбуждения подается опорное напряжение с переменным током заданной частоты. Для создания в объеме сердечников 1 магнитного поля обмотки 3,4 возбуждаются переменным током через усилитель 2.The main channel of the fluxgate sensor is formed from the excitation windings 3, 4 connected in series. A reference voltage with an alternating current of a given frequency is supplied to the input of the excitation circuit. To create a magnetic field in the volume of the cores 1, the windings 3,4 are excited with alternating current through the amplifier 2.

Протекающий в обмотках 3, 4 возбуждения ток создает в объеме сердечников поля, равные по величине, но противоположные по направленности, которые вызывают возбуждение вторичных измерительных обмоток 5, 6, и генерацию переменного тока в колебательном контуре, образованном обмотками 5, 6 и конденсаторами 7, 8. Наилучшие результаты можно получить, если возбуждать обмотки 3,4 знакопеременными прямоугольными импульсами тока с заданной скважностью, длительностью π/4 (π/8). При такой длительности импульсов тока обеспечиваются оптимальные условия для появления выходного напряжения, пропорционального составляющей магнитной индукции внешнего поля, и устойчивого параметрического усиления сигнала второй гармоники в усилителях тока 9, 10, включенных в режиме повторителей напряжения, при этом усилитель 9 усиливает по положительному полупериоду, а усилитель 10 - по отрицательному. При этом потребление мощности снижается в 2 раза.The current flowing in the excitation windings 3, 4 creates fields in the volume of the cores that are equal in magnitude, but opposite in direction, which cause the excitation of the secondary measuring windings 5, 6, and the generation of alternating current in the oscillatory circuit formed by the windings 5, 6 and capacitors 7, 8. The best results can be obtained if the windings 3,4 are excited with alternating rectangular current pulses with a given duty cycle, duration π / 4 (π / 8). With such a duration of current pulses, optimal conditions are provided for the appearance of an output voltage proportional to the component of the magnetic induction of the external field, and stable parametric amplification of the second harmonic signal in current amplifiers 9, 10, which are switched on in the voltage follower mode, while amplifier 9 amplifies in a positive half-cycle, and amplifier 10 - negative. At the same time, power consumption is reduced by 2 times.

Внешнее поле в объеме феррозондового магнитометрического датчика уравновешивается (компенсируется) внутренним полем, создаваемым в обмотке 11 отрицательной обратной связи, в которой протекает ток через резистор 12 отрицательной обратной связи и усилитель 13.The external field in the volume of the fluxgate magnetometric sensor is balanced (compensated) by the internal field created in the negative feedback winding 11, in which the current flows through the negative feedback resistor 12 and amplifier 13.

Основной канал феррозондового датчика в этом случае выполняет функцию нуль-индикатора, тогда как оценка измеряемого поля производится по измерению величины тока в цепи отрицательной обратной связи обмотки 11, а ток компенсации вырабатывается самим же основным каналом с вторичными измерительными обмотками 5, 6.The main channel of the fluxgate sensor in this case performs the function of a zero indicator, while the measured field is estimated by measuring the current in the negative feedback circuit of winding 11, and the compensation current is generated by the main channel itself with secondary measuring windings 5, 6.

Таким образом, погрешность магнитометрического канала уменьшается за счет замены менее стабильной цепи прямого преобразования более стабильной цепью обратного преобразования. Применение сердечников из ленточного магнитопровода, на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава обеспечивает повышение частоты возбуждения до десятков килогерц, что в свою очередь обеспечивает снижение внутренних шумов датчика.Thus, the error of the magnetometric channel is reduced by replacing the less stable forward conversion circuit with a more stable reverse conversion circuit. The use of cores from a tape magnetic circuit based on a flat magnetic film made of an amorphous ferromagnetic alloy provides an increase in the excitation frequency to tens of kilohertz, which in turn reduces the internal noise of the sensor.

Данная схема принципиально может быть охвачена более глубокой обратной связью, не содержит крупногабаритных радиодеталей, может быть выполнена в микромодульном исполнении и практически не требует настройки.In principle, this circuit can be covered by deeper feedback, does not contain large-sized radio components, can be made in a micromodular design and practically does not require adjustment.

Максимум амплитуды полезного сигнала будет пропорционален составляющей магнитной индукции внешнего поля, совпадающей по направлению с продольной осью сердечников.The maximum amplitude of the useful signal will be proportional to the component of the magnetic induction of the external field, which coincides in direction with the longitudinal axis of the cores.

Claims

A fluxgate magnetometric sensor containing a magnetic circuit, characterized in that its design uses cores based on a flat magnetic film of an amorphous ferromagnetic alloy, an excitation amplifier, excitation windings, two receiving oscillatory circuits with measuring windings and capacitors, current amplifiers switched on in the voltage follower mode , negative feedback winding, negative feedback resistor, DC amplifier in the feedback circuit, while the structure is assembled around a single frame, where cores are installed in parallel in the center, field windings are wound around the frame without galvanic connection with other windings, connected in series, on which are supplied with a reference voltage with an alternating current of a given frequency through an excitation amplifier, and measuring windings wound on the frame provide the generation of alternating current in an oscillatory circuit formed in a circuit with capacitors, while in the circuit of the oscillatory circuit, current amplifiers are switched on in the parametric signal amplification mode, and the measured field is estimated by measuring the current in the negative feedback winding circuit wound without galvanic connection with other windings on a single frame, and the compensation current is generated by the main channel itself with secondary measuring windings ...