SU1413566A1 - Магнитометр - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к магнитным измерени м и может быть использовано дл  измерени  магнитной индукции слабых магнитных полей.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла и управл емым элементом перестройки коэффициентов св зи между парами выводов четьфехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четыре генератора питани  четырехполюсника , попарно подключенные к входной и выходной парам его выводов , два измерительньпс усилител , вход каждого из которых раздельно, подключен к одной из пар выводов четырехполюсника , четыре фазочувстви- тельных детектора 5 сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы - к выходам соотгзетствующих генераторов питани  четьфехполюсника, два алгебраических сумматора, входы которых подсоединены к входам фазо- чувствительных детекторов, регистри- р-ующий прибор, подключенный к выходу первого сумматора, генератор тактовых импульсов, вход ущэавлени  скваж ностью импульсов которого подключен к выходу второго cjTvjMaTopa, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питани  четьфехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, и фазо- чувствительный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилител , опорный вход - к выходу генератора переменного тока, а его выход - к входу управлени  коэффициентом передачи одного из измери- . тельных усилителей lj(t

Однако указанный магнитометр имеет ограниченную точность из-за мультипликативной погрепшости, возникающей за счет нестабильности его чувствительности Поскольку чувствительность преобразовател  Холла  вл етс  величиной стабильной в св зи с термостабилизацией преобразовател , результирующа  нестабильность чувствительности известного магнитометра определ етс  нестабильностью таких параметров, как коэффициенты передачи измерительных усилителей Кд и и фазочувствительных детекторов К, К, К 2, К, управл ющих токов преобразовател  Холла I v 1у

0

5

0

5

0

5

0

5

1о , 1у , Дл  получени  .стабильной чувствительности магнитометра необходимо обеспечить высокзто -стабильность каждого из перечисленных параметров . Так , при требуемой нестабильности чувствительности магнитометра не более 0,1% необходимо достигнуть нестабильности указанных параметров не хуже 0,01%. Таким образом , реализаци  прецизионного магнитометра по известной структурной схеме требует значительных затрат, что резко ограничивает сферу его применени ..

Цель изобретени  - повьппение точности измерени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в магнитометр, содержащий четырехполюсник с преобразователем Холла и управл емым элементом перестройки коэффицентов св зи между парами выводов четьфехполюсника, подключенным к генератору переменного тока, четьфе генератора питани  четырехполюсника, попарно подключенные к входной и выходной парам его выводов, два измерительных усилител , вход каждого из которых раздельно подключен к одной из пар выводов четырехполюсника, четьфе фазочувствительных детектора, сигнальные входы которых попарно подключены к выходам измерительных усилителей, а опорные входы - к выходам соответствующих генераторов питани  четырехполюсника , , два алгебраических сумматора, входы которых подсоеди нены к выходам фазочувствительных детекторов, регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого сумма-. тора, генератор тактовы51 импульсов, вход управлени  скважностью импульсов которого подключен к выходу второго сумматора, а его выходы - к входам синхронизации генераторов питани  четырехполюсника, усилитель, вход которого подключен к выходу одного из сумматоров, фазочувствитель- ный детектор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилител , опорньй вход - к выходу генератора переменного тока, а выход - к входу управлени  коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей, введены последовательно соединенные преобразователь девиации коэффициента св зи между входной и выходной цеп ми четьфехполюсника в электри

ческий сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувстви- тельный детектор, второй вход которого соединен с выходом гененатора переменного тока, а выход - с входо управлени  коэффициентом передачи второго измерительного усилител .

На фиг. 1 изображена блок-схема магнитометра, на фиг. 2 - принципиальна  схема четырехполюсника с преобразователем Холла, управл емым элементом перестройки коэффициентов св зи цепей четьфехполюсника совмест но с преобразователем девиации это- го коэффициента в электрический сигнал .

Магнитометр содержит генераторы 1-4 питари , четырехполюсник 5 с преобразователем Холла, тактовый гене- ратор 6, первый сумматор 7, первый 8 и второй 9 измерительные усилители , фазочувствительные детекторы 10.- 13, второй сумматор 14, регистри- Р5пощий прибор 15, усилитель 16, дополнительный фазочувствительный детектор 17, генератор 18 переменного тока, усилитель 19, подключенный к выходу сумматора 7 и выходу преобразовател  20 девиации коэффициента св зи 1ежду входной и выходной цеп ми четьфехполюсника в электрический сигнал, фазочувствительный детектор 21, сигнальный вход которого подсоединен к выходу усилител  19, его опорный вход к выходу генератора 18 переменного тока, а его выход - к входу управлени  коэффициентом передачи второго измерительного усилител  9.

Четьфехполюсник с преобразователем 22 Холла (фиг. 2), в котором последний соединен последовательно регул рно посредством трансформатора 23 с обратимым перестраиваемым четы-

рехполюсником, выполнен в виде мостовой схемы, составленной из высоко- стабильных резисторов 24-27. В качестве элемента перестройки коэффициента св зи обратимого четьфехполюсника используетс  высокостабильный резистор 28, периодически подключаемый параллельно резистору 24 посредством электронного ключа 29 (в качестве которого показан транзистор ) . Вход управлени  электронным ключом (затвор транзистора) подключен к выходу генератора 18 переменного тока. В качестве преобразовател 

0

5

0

5

0

35

40

девиаций используютс  элементы 28, 29 и источник 30 эталонного напр жени  .

Устройство работает следующим образом.

Генераторы 1-4 питани  четьфехполюсника 5 с преобразователем Холла вырабатывают в различные строго определенные моменты времени импульсы yпpaвл юD eгo тока пр моугольной формы, которыми запитываютс  обе пары выводов четьфехполюсника 5. Генераторы 1-4, подключенные к одной и той же паре выводов четьфехполюсника 5, формируют импульсы противоположной пол рности. Выходные напр жени  четьфехполюсника (напр жени , i возникающие в цепи одной пары выводов во врем  действи  импульсов управл ющего тока в цепи другой пары вьгаодов четырехполюсника) представл ют собой импульсы напр жени  пр моугольной формы.

Выходные напр жени  четьфехполюсника 5 поступают на первый 8 и второй 9 измерительные усилители, а затем на фазочувствительные детекторы 10-13.

Фазочувствительные детекторы 10- 13 осуществл ют синхронное детектирование импульсов, совпадающих во времени с опорными импульсами, поступающими с соответствующих генераторов 1-4.

Выходные напр жени  Чу , U , U , Ц фазочувствительных детекторов 10- 13 подаютс  на сумматоры 7 и 14 таким образом, что дл  выходного напр же ни  сумматора 7 выполн етс  соотношение

и

о

- и, + и

11

Ut3,

45

а дл  выходного напр жени  U j. сумматора 14 соотношение

МО

-и,, - и

f1

+ и

13

0

При условии равенства коэффициентов передачи S трактов, т.е. при равенстве токов IbJ,

и S-j измерительных

S 1 Ii 1

Sa

(I

Sj и при J

где S K.

Si к;.Кз

Vi

Iv,

к o K I -j , к о к 4 У4 j

ojK - коэффициенты передачи измерительных усилителей 8 и 9,

К„-К - коэффициенты передачи фазо- чувствительных детекторов 10-13;Iyj-I ,j - амплитудные значени  импульсов управл ющего тока, создаваемых генераторами 1-4. соответственно,

а выходе первого сумматора 7 присуттвует составл юща , пропорциональа  остаточному напр жению, т.е. J7 2SoRoj где RO - сопротивление, читывающее электрическую асимметию преобразовател  Холла (или всего четырехполюсника), а на выходе с т матора 14 - составл юща , пропорциональна  холловскому напр жению, т„е„ пропорциональна  индукции изер емого пол  и 23д-аБд, В - нормальна  составл юща  индукции, а - константа, характеризующа  чувствительность преобразовател  Холла. нформативна  составл юща  с выхода второго сутчматора 14 подаетс  на регистрирующий прибор 15, а составл юща , пропорциональна  остаточному напр жению преобразовател  Холла, используетс  в качестве управл ющего сигнала дл  термостабилизации преобразовател  Холла. При неравенстве коэффициентов передач измерительных трактов, т.е. при S .5, на выходе одного из сумматоров, а именно: в случае модул ции антивзаимной составл ющей коэффициентов передач четырехполюсника - на выходе первого сумматора 7., а в случае модул ции взаимной составл ющей коэффициентов передачи цепей четьфехполюсника - на выходе второго сумматора 14, присутствует составл юща , амплитуда которой пропорциональна разности значений этих коэффициентов, т.е. U(u)) (S т - )), где R(w) - амплитудное значение отклонени  сопро-- тивлени  св зи от номинального значени , завис щего от частоты u) управл ющего сигнала. Эта составл юща  измен етс  во времени с частотой со и усиливаетс  посредством усилител  16j затем детектируетс  посредством дополнительного фазочувствительного детектора 17„ Полученное на выходе дополнительного фазочувствительного детектора 17 напр жение используетс  в качестве сигнала управлени  коэффициентом передачи одного из измерительных усилителей. При этом в магнитометре удаетс  достичь нестабильность поддержани  равенства указанных коэффициентов, не превьппаю- щую 0,01%.

При наличии управл ющего тока в цепи одной из пар выводов (например 31,32) четырехполюсник в цепи второй пары его выводов .(33,34) присутствуют четьфе составл ющих вы-

ходного напр жени , три из которых обусловлены  влени ми, происход щи- ми в преобразователе 22 Холла, а четверта  составл юща  определ етс  величиной разбаланса обратимого че5 тьфехполюсника (мостова  схема из резисторов 24-27, а также периодически подключаемого с частотой cJ резистора 28), Разбаланс четырехполюсника (девиаци  коэффициента

0 св зи четырехполюсника К(и)) обусловлен подключением к резистору 24 резистора 28. При этом амплитуда разбаланса определ етс  соотношением значений указанных резисторов и,

5 поскольку определ ющие ее величины стабильны, то и амплитуда разбаланса (девиаци )  вл етс  высокостабильной величиной. Подключение резистора 28 к источнику 30 эталонного нап0 р жени  сопровождаетс  по влением на выходе преобразовател  девиации пульсир ующего с частотой о) напр жени  стабильной амплитуды, равной ЭДС источника 30 эталонного напр жени  (так как предполагаетс , что сопротивление замкнутого ключа - сопротивление канала открытого транзистора - пр енебрежимо мало, а .сопротивление разомкнутого ключа - бес- .Q конечно большое). Таким образом, данна  схема обеспечивает стабильное значение R(w) девиации коэффициента св зи цепей четырехполюсника и вырабатывает синхронно измен ющеес  переменное напр жение с амплитудой , равной ЭДС источника эталонного напр жени , т.е. стабильной амплитуды . Поскольку данна  схема обеспечивает модул цию взаимной составл ющей коэффициентов св зи четы5

5

0

55

рехполюсника, то при ее использова- НИИ в магнитометре на выходе первого сумматора 7 нар ду с посто нной составл ющей напр жени  (U -2SgRo) присутствует переменное напр жение в виде пр моугольных импульсов, следующих во времени с частотой to . Дл  амплитуды этого напр жени  справедливо выражение

и

5:7

2SpR(u)).

Таким образом, при функционирова- НИИ магнитометра на вход усилител  19 через дополнительный сумматор поступают импульсное напр жение с выхода преобразовател  девиации Uj,({i) и напр жение U, с выхода первого сумматора 7, Поскольку фазу одного из указанных напр жений подбирают противоположной фазе другого напр жени , то на входе усилител  19 действует разностный сигнал

ив,,э ) - ),

амплитуда которого равна нулю только при вьтолнении условий

(uj)

и„ (w) .

Поскольку величины иJJ (ю) и R(ci) высокостабильные, то нарушение последнего равенства  вл етс  следствием отклонений значени  коэффициента передачи S от номинального значени . Таким.образом, разностное напр жение и  вл етс  информативной составл ющей об отклонении текущего значени  коэффициента передачи от его номинального значени , при этом амплитуда этой составл ющей указьша- ет абсолютное значение отклонени .

а ее фаза - направление этого отк- лонени  . Поэтому эта информативна  составл юща  используетс  в предла- ц гаемом магнитометре в качестве управл ющего сигнала системы автоматической стабилизации коэффициента пере- дачи SP. С этой целью информативна  составл юща  усиливаетс  (усилитель

0 19) и детектируетс  фазочувствитель- ным детектором 21 затем с выхода детектора подаетс  на вход управле- ни  коэффициента передачи второго измерительного ycRпитeл  9, Таким

15 образом, в предлагаемом магнитомет™ ре реализуетс  система автоматичес кой подстройки коэффициента S передачи за счет регулировани  коэффици ента передачи К одного из усилите0 лей. Поскольку данна  система представл ет собой замкнутую систему с отрицательной обратной св зью, то эффект уменьшени  нестабильности коэффициента передачи S за счет ее

25 реализации оцениваетс  глубиной обратной св зи, котора  может быть .тигнута более 10 . Это позвол ет, .например, свести исходную нестабильность коэффициента передачи S.. от

30 носительное значение которой допус - ТИМ равно 5% , до уровн  0,01% (с учетом конечной стабильности эталон , ных элементов: резисторов и источних а. эталонного напр жени ).

3/ 320

Фиг. 2

Claims (1)

1. МАГНИТОМЕТР по авт. св. № 1374156, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные преобразователь девиации коэффициента связи между входной и выходной цепями четырехполюсника в электрический сигнал, дополнительный усилитель и дополнительный фазочувствительный детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход - с входом управления коэффициентом передачи второго измерительного усили- ем ©

   SU .... 1413566