SU1596948A1

SU1596948A1 - Method of tuning a self-generating quantum magnetometer

Info

Publication number: SU1596948A1
Application number: SU894654010A
Authority: SU
Inventors: О.П. Хвостов; В.В. Аверкиев; Б.И. Гинзбург
Original assignee: Научно-производственное объединение "Рудгеофизика"
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1991-05-30

Abstract

Изобретение относитс к области магнитных измерений, в частности кспособам настройки квантовых само— генерирующих магнитометров. Цель изобретени - снижение ориентационных погрешностей и повьпиение абсолютной точности измерений. КвантовьпЧ самогенерирующий магнитометр вращают вокруг его продольной оси и с помощью двух поперечных взаимно ортогональных посто нных магнитных полей, компенсируют возникающие при этом приращени магнитной индукции. После этого отклон ют продольн5'10 ось от оптимального .положени относительно вектора магнитной ивдукции (под углом 45^), с помощью продольного посто нного магнитного ПОЛЯ компенсируют приращени магнитной индукции и завершают на^ стройкуо 3 ил оThe invention relates to the field of magnetic measurements, in particular, to methods for tuning quantum self-generating magnetometers. The purpose of the invention is to reduce the orientational errors and increase the absolute accuracy of measurements. A quantized self-generating magnetometer is rotated around its longitudinal axis and, with the help of two transverse mutually orthogonal constant magnetic fields, compensates for the resulting increments of magnetic induction. After that, the longitudinal 5'10 axis is rejected from the optimal position relative to the magnetic and induction vector (at an angle of 45 ^), the longitudinal constant magnetic FIELD compensates the increments of the magnetic induction and completes the construction of

Description

Изобретение относитс к области магнитных измерений, в частности к способам настройки квантовых самогенерирующих магнитометров (КСМ), и может быть использовано в магниторазведке ,,The invention relates to the field of magnetic measurements, in particular, to methods for tuning quantum self-generating magnetometers (QSM), and can be used in magnetic prospecting,

Целью изобретени вл етс повышение точности настройки путем компенсации составл ющей ориентационной погрешности, вызванной вращением .кем вокруг его продольной оси, а также погрещности, обусловленной остаточным намагничиванием элементов конструкции КСМ.The aim of the invention is to improve the tuning accuracy by compensating the component of the orientational error caused by the rotation of the kem around its longitudinal axis, as well as the error caused by residual magnetization of the structural elements of the CSM.

На фигс приведена функциональна схема одного -из возможных вариантов устройства дл осуществлени способа; на - изображение векторов и сиссистемы координат; на фиг.З - графики ориентационных зависимостей индукции до и после настройки.Figs shows a functional diagram of one of the possible variants of the device for carrying out the method; on - the image of vectors and sisystem of coordinates; on fig.Z - graphs of the orientational dependences of induction before and after adjustment.

Устройство (фиг.1) содержит гене-: ратор 1 вoзбy7 y eни , преобразователь 2 индукции в частоту, состо щий из источника 3 излучени , пол роида 4, чейки поглощени 5, соосной с ней катущки 6 обратной св зи и фотоприемника 7, щирокодолосный усилитель 8, преобразователь 9 частоты в код, источник питани 10, регулируемые делители тока 11-13 и катушки 14 и 15 посто нного тока, оси которых взаимно ортогональны и ориентированы в попе .речном направлении к оси катушки 6 обратной св зи, совпадающей с продольной осью КСМ. Выход генератора I возбуждени соединен с источником 3 излучени , вход широкополосного усилител 8 соединен с выходом фотоприемника 7, а а выход соединен с катушкой 6 обратной св зи и с входом преобразовател 9 частоты в код Катушка 6 обратной св зи и катушки 14 и 15 посто нного тока подключены к источнику ю питани 10 через регулируемые делители тока 11-13,. Источниками ориентационных и абсолютной погрешности КСМ вл ютс световые сдвиги частоты, несоос-. ность оптической оси КСМ (луча света накачки) и продольной оси КСМ (оси катушки обратной св зи), а также собственное магнитное поле КСМ, обусловленное намагниченностью всей элементов его конструкции. . Дл компенсации погрешностей, обуслЬвленных световыми сдвигами частоты, требуетс создание посто нно го магнитного пол , направленного по продольной оси кем, дл компенсации погрешностей, обусловленньпс несоосностью продольной и оптической осей КСМ, необходимо создание поперечного продольной оси КСМ посто нного магнитного ПОЛЯ Дл компенсации погрешностей , обусловлейных остаточным намагничиванием , необходимо создание по сто нного магнитного пол как в направлен ни продольной оси КСМ, так и в поперечном продольной оси направлении . . Поскольку направление вектора попе речного компенсирующего пол заранее неизвестно,дл настройки КСМ используют три катушки, питаемые посто нным ТОКомс Дл создани продольного кo пeнcиpyloщeгo пол используют кату ку 6 обратной св зи (фиг.1), а поперрчше посто нные пол создают с помощью катушек 14 и 15 посто нного то ка, плоскости витков которых взаимно ортогональны, а создаваемые ими посто нные магнитные пол ориентирован поперек продольной оси КСМ. Така си тема катушек позвол ет создавать пос нное магнитное поле любого заданного направлени , что обеспечивает ком - пенСацию погрешностей КСМ при любом сочетании всех трех источников погре ности. Конкретный пример реализац ш спо , ба по сн етс примером настройки КСМ, функциональна схема которого изображена на фиг Л« После включени и прогрева генератора 1 возбуждени и преобразовател 2 индукции в частоту на выходе , широкополосного усилител 8 возникают устойчивые колебани с частотой, пропорциональной модулю вектора магнитной индукции ВМИо Сигнал с выхода широкополосного усилител 8 поступает на вход преобразовател 9 частоты в код и на его выходе формируетс электрический сигнал в виде кода, значение которого градуировано в единицах магнитной индукции (нТл). Дл настройки КСМ, назначение которой состоит в снижении ориентационных и абсолютной погрешностей, выполн ет следующие операции„ На настроечном стенде устанавливают преобразователь 2 индукции в частоту в положе-. ние, при котором его продольна ось, совпадающа с осью катушки 6 обратной св зи, расположена в плоскости магнитного меридиана под оптимальным углом к вектору магнитной индукции, а ось катушки 15 посто нного тока Ортогональна плоскости магнитного меридиана В этом положении угол поворота «Г 0 (фиг. 2) . По значению кода на выходе преобра:зовател 9 частоты в код определ ют зна-, чение модул ВМИ В , После этого поочередно поворачивают преобразователь 2 индукции в частоту из исходного по-ложени вокруг продольной оси по часовой стрелке (если смотреть сверху) на углы , 18( и 270 и при каждом значении угла -в определ ют соответствующие значени модулей ВМИ g э В и По измеренным значени м определ ют приращени магнитной индукций 4В5(-В+В ),( -В ) и рассчитывают значени силы тока I л и I катушек посто нного тока 14 и 15 соответственно 1х ( ); п. I « ( в) /2 п у Здесь п X и п у - посто нные катушек 14 и 15 соответственно. Расчетные значени токов уставав- , ливают с помощью регулируемых делителей тока 12 и 13, создава , тем самым ) два взаимно ортогональных посто вных магнитных пол в поперечных продольной оси кем направлени х. Эти пол компенсируют прирап(ени магнитной индукции (-В°+В ) и (В -В) После этого вновь устанавливают преобразователь 2 индукции в частоту в исходное положение (), отклон ют преобразователь 2 в плоскости магнит ного меридиана из оптимального положени {ot AS) на угол Jc/и определ ют значение модул ВМИ В , откло н ют преобразователь 2 из исходного положени на угол - определ ют значение модул ВМИ В По измеренным значени м рассчитывают силу тока 1 катушки 6 обратной св зи ( -в-) V2 п sinjo( Здесь п , - посто нна катушки обратной св зи Расчетное значение посто нного тока устанавливают с помощью регулируемого делител тока 11 о При этом создаваемое катушкой 6 обратной св зи посто нное магнитное поле в направлении продольной оси снижает погрешность, обусловленную световыми сдвигами част1оты, компенсиру разность I ( - в-) Если после установки расчетных значений тока снижение погрешностей недостаточно, вновь выполн ют измерени приращений магнитной индукции, рассчитывают необходимые приращени токов и корректируют первоначальные значени токов методом последователь ных приближений. Важно при этом стро гое соблюдение последовательности ол раций настройки. Сначала снижают погрешности при вращении вокруг продольной оси и только после завершени этюс операций приступают к операци м настройки при отклонении продольной оси от оптимального угла На фиг.З проиллюстрированы этапы снижени ориентационных погрешностей кем, зависимость 16 ;приращени ВМИ jdB с компенсацией только по продольной оси, зависимость 17 - с допол нительной компенсацией по одной ортргональной оси, завнсимость 18 - с доF 8 полнительной компенсатщей по двум ортогональным ОСЯМо Осуществление дополнительной компенсаиии по друм ортогональш.м ос м позвол ет обеспечить снижение зависимости показаний кем от угла /на BCfix курсах (угол поворота ), что, в свою очередь, позволит выполн ть высокоточные аэромагнитные исследовани „ формула изобретени Способ настройки квантового самогенерирующего магнитометра (КСМ)включающий ориентацию продольной оси КСМ в исходное положение под заданным углом t/ к вектору магнитной ивдукции , преим тдественио под углом 45, определение модул ВМИ, отклонение продольной оси КСМ от исходного положени с одновременным измерением величины Ло( отклонени , определение модул ВМИ и приращени модул ВМИ (/), создание в направлении продольной оси КСМ посто нного магнитного пол , компенсирующего приращение Л15 модул ВМИ, отличаю Ц и и с тем,, . что, с целью повышени точности настройки путем компенсации составл ющей ориентационной погрешности,, вызванной вращением КСМ вокруг его продольной оси, а также погрешности, обусловленной остаточным намагничением элементов конструкции КСМ, преи: варительно из исходного положе ш осуществл ют полный разворот КСМ вокруг его.продольной оси дискретно с шагом 1/2, одод нонременно- в каХдом положеш и КСМ, измер угол поворота «Г и определ модуль ВМИ, наход т приращени fj (гГ) модул ВНИ дл двух взаимно ортогональных направлений в плоскости вращени , перпендикул рной продольной оси КСМ, создают в указанных направлени х дополнительные посто нные магнитные пол , компенсирутощие приращени модул ВМИ по каждому из направлений, затем ориентируют про- , дольную ось КСМ в исходное положение , а компенсаишю приращени модул ВМИ за счет отклонени /)о/ продольной оси от исходного положени осуществл ют при действий дополнительно созанных магнитнь х полей.The device (Fig. 1) contains a generator: Vibrator 1, 7, E, transducer 2, induction into a frequency, consisting of a radiation source 3, polaroid 4, absorption cell 5, feedback coil 6 coaxially with it and photodetector 7, broadband amplifier 8, frequency converter 9 to code, power source 10, adjustable current dividers 11-13 and direct current coils 14 and 15, the axes of which are mutually orthogonal and oriented in the opposite direction to the axis of the feedback coil 6 KSM axis. The output of the excitation generator I is connected to the radiation source 3, the input of the broadband amplifier 8 is connected to the output of the photodetector 7, and the output is connected to the feedback coil 6 and to the input of the frequency converter 9 to the feedback coil 6 and the coil 14 and 15 current is connected to power supply 10 via adjustable current dividers 11–13. The sources of orientational and absolute error of the CSM are light frequency shifts, misalignment. the optical axis of the CSM (beam of pumping light) and the longitudinal axis of the CSM (axis of the feedback coil), as well as the own magnetic field of the CSM, due to the magnetization of the entire elements of its design. . To compensate for errors caused by light frequency shifts, it is necessary to create a constant magnetic field directed along the longitudinal axis by whom, to compensate for errors caused by misalignment of the longitudinal and optical axes of the CSM, it is necessary to create a transverse longitudinal axis of the CSM of the constant magnetic FIELD To compensate for errors residual magnetization, it is necessary to create a stationary magnetic field both in the direction of the longitudinal axis of the CSM and in the transverse longitudinal axis of the direction and . Since the direction of the vector of the transverse compensating field is not known in advance, three coils are used to tune the CSM. They are powered by a constant TOKoms. To create a longitudinal to a penile field, a feedback coil 6 is used (figure 1), and the permanent fields are created using 14 coils. and 15 constant currents, the planes of which are mutually orthogonal, and the constant magnetic fields created by them are oriented transversely to the longitudinal axis of the CSM. Such a system of coils allows creating the permanent magnetic field of any given direction, which provides for the compensation of the errors of the CSM at any combination of all three sources of disturbance. A specific example of the implementation of a modular circuit is an example of tuning the CSM, a functional diagram of which is shown in FIG. L. After switching on and warming up the excitation generator 1 and the inverter 2 into the output frequency, the wideband amplifier 8 produces stable oscillations with a frequency proportional to the modulus of the vector magnetic induction VMI The signal from the output of the broadband amplifier 8 is fed to the input of the frequency converter 9 in the code and an electrical signal is generated at its output in the form of a code whose value is graduated a magnetic induction units (nT). To tune the CSM, the purpose of which is to reduce the orientational and absolute errors, performs the following operations. On the tuning bench, set the induction-to-frequency converter 2 to position-. in which its longitudinal axis coinciding with the axis of feedback coil 6 is located in the plane of the magnetic meridian at the optimum angle to the magnetic induction vector, and the axis of the direct current coil 15 is orthogonal to the plane of the magnetic meridian. Fig. 2). The value of the module VMI B is determined by the code value at the output of the converter: the frequency converter 9 code. After that, the converter 2 of the induction into the frequency is alternately turned from the initial position around the longitudinal axis clockwise (viewed from above) 18 (and 270 and for each value of the angle -в the corresponding values of the modules ВМИ g e В are determined and By the measured values the increments of magnetic inductions 4В5 (-В + В), (-В) are determined and the values of current I l and I DC coils 14 and 15, respectively, 1x (); p. I "(c) / 2 p y Here are the X and P y - permanent coils 14 and 15, respectively. The calculated values of the currents are adjusted using adjustable current dividers 12 and 13, thereby creating two mutually orthogonal permanent magnetic fields in the transverse longitudinal axis of which directions . These fields compensate for magnetic induction (-В ° + В) and (В-В) After that, the induction-to-frequency converter 2 is reset to its original position (), the inverter 2 in the plane of the magnetic meridian is rejected from the optimal position {ot AS) at an angle Jc / and determine the value of the module VMI B, transducer 2 deviates from the initial position by an angle - determine the value of module VMI B From the measured values, the current 1 of feedback coil 6 (-v-) V2 is calculated n sinjo (Here n, is the constant of the feedback coil. Estimated value constant current is set using an adjustable current divider 11 o At the same time, a constant magnetic field created by the feedback coil 6 in the direction of the longitudinal axis reduces the error caused by the frequency shifts, compensating for the difference I (in -). the reduction in errors is not enough, measurements of the magnetic induction increments are again performed, the necessary current increments are calculated and the initial values of the currents are corrected by the method of successive approximations. It is important that this strict adherence to the sequence of settings is performed. First, errors are reduced when rotating around the longitudinal axis, and only after completion of this operation, the adjustment operations are started when the longitudinal axis deviates from the optimum angle Figure 3 illustrates the steps of reducing orientation errors by whom, dependence 16; increments of IED jdB with compensation only along the longitudinal axis, dependence 17 - with additional compensation along one orgonal axis, 18 dependences with up to F 8 additional compensations along two orthogonal LFSS; Additional compensation according to other factors orthogonal axis allows to reduce the dependence of indications by whom on the angle / on BCfix courses (angle of rotation), which, in turn, will allow to perform high-precision aeromagnetic studies “formula of invention The method of tuning a quantum self-generating magnetometer (CSM) including orientation of the longitudinal axis CSM to its initial position at a given angle t / k of the magnetic and induction vector, predominantly at an angle of 45, determination of the VMI module, deviation of the longitudinal axis of the CSM from the initial position with simultaneous measurement of Lo (deviations, definition of an IUI module and increments of an IUI module (/), creating a constant magnetic field in the direction of the longitudinal axis of the CSM, compensating for the increment of U15 of the IU module, distinguishing it with the same. that, in order to improve the tuning accuracy by compensating the component of the orientational error, caused by the rotation of the CSM around its longitudinal axis, as well as the uncertainty caused by residual magnetization of the structural elements of the CSM, it is fully from the initial position that the CSM turns around it. the axis is discrete with a step of 1/2, and one time and in each case, measuring the rotation angle T and determining the IUI module, find the increments fj (gG) of the VNI module for two mutually orthogonal directions in the plane For rotation, perpendicular to the longitudinal axis of the CSM, additional constant magnetic fields are created in these directions, compensating for the increments of the VMI module in each direction, then orient the projected axial axis of the CSM to the initial position, and compensate for the increments of the VMI module by deflecting / ) about / longitudinal axis from the initial position is carried out under the action of additionally generated magnetic fields.

Г72 tG72 t

Фи.1 Iff 6Fi.1 Iff 6

Ось катушкиCoil axis

Claims

Claim

The method of tuning a quantum self-generating 15 magnetometer (QSM), including the orientation of the longitudinal axis of the QSM to its original position at a given angle c / c of the VMI magnetic induction vector, mainly at an angle of 45 *,

20 determination of the VMI module, deviation of the longitudinal axis of the CSM from the initial position with simultaneous measurement of the Io / deviation value, determination of the VMI module and increment of the VMI module Δ В _{о (} , = £ ₁ (</>, creation) zero compensating module increment

VMI, distinguished by i and. . to increase the accuracy of the build by compensating for the component of the orientational error caused by the rotation of the CSM around its longitudinal axis, as well as the error due to the residual magnetization of the elements of the CSM design, it is preliminarily from the initial position that the CSM is fully turned around it. in increments of 1 £ / 2, odod time-in each position of the KSM,

40 measuring the angle of rotation and determining the module IUI, find increments LVO =

= £ ₂ (cG) of the VMI module for two mutually orthogonal directions in the plane of rotation perpendicular to the longitudinal axis 45 of the CSM, in these directions create additional permanent magnetic fields to compensate for the increments of the VMI module in each direction, then orient the pro-,

50 longitudinal axis of the CSM in the initial position. and increment of the module

VMI due to the deviation άοί of the longitudinal axis from the initial position is carried out under the action of an additional creation of these magnetic fields.

1596948

14 6