SU732772A1 - Магнитометр - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к области магнитных измерений и может быть использовано дл  измерени  слабых посто нных магнитных полей. Известны магнитометры дл  измере ни  слабых посто нных магнитных по лей, содержащие датчик Холла, пита емой от источника посто нного тока и помещенный в зазор концентратора с модул ционной обмоткой, подключенной к источнику переменного ток усилитель и регистрирующий прибор Область применени  таких магнитометров ограничена из-за температурной нестабильности параметров датчика Холла. Из известных магнитометров дл  измерени  слабых посто нных магнит ных полей наиболее совершенным и близким по технической сущности  вл етс  магнитометр, содержащий датчик Холла, стабильный источник посто нного тока, концентратор с двум  встречно включенными обмотками, подсоединенными к стабильному генератору переменного тока, избирательный усилитель и регистрирующий прибор Описанный магнитометр также имеет существенные недостатки, а именно: низкую чувствительность и точность измерений вследствие температурной нестабильности чувствительности датчика Холла, возникновение которой св зано с тем, что на измерительный преобразователь - датчик Холла, кроме измер емой индукции посто нного магнитного пол  В действует еше побочный фактор - температура Т. В результате такого действи  выходна  величина датчика Холла оказываетс  функцией двух переменных , т.ё, и f(B,T)(1) Полное приращение выходной вели-чины будет, очевидно: аи,.| , (2) где Sg - чувствительность датчика Холла к измер емому магнитному полю; S.- - чувствительность датчика Холла к температурному воздействию; dB - приращение индукции магнитного пол  ; dT - приращение температуры.

Чувствительность датчика Холла к измер емому магнитному полю определ етс  посто нной Холла К,|, а чувствительность датчика Холла к температурному воздействию определ етс  температурным коэффициентом посто нной Холла , причем обе вьлиеназванные характеристики наход тс  межд собой в противоречивом требовании, так при изменении температуры величина второй слагающей выражени  (1) может быть значительной, что приводит к ложному сигналу на выходе магнитометра , например, при измерении температуры от О до Sg, л S, т.е. погрешность измерени  /jf 100%, поэтому температурна  нестабильность выходной величины датчика Холла, порождаема  температурным коэффициентом посто нной Холла , оказывает не только существенное вли ние на порог чувствительности и точность магнитометра, но зачастую  вл етс  основным критерием, определ ющим сам возможность использовани  в измерительных преобразовател х датчиков Хола .

Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности измерений.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что магнитометр, содержащий датчик Холла, концентратор с двум  встречно включенными обмотками, подсоединенными к первому генератору переменного тока, основной избирательный усилитель, св занный с выходными электродами датчика Холла и регистрирующий прибор, снабжен вторым генератором переменного тока, подключенным к входным выводам датчика Холла, частота которого отлична от частоты первого генератора, дополнительным избирательным усилителем с синхронным детектором на выходе, амплитудным детектором, подключенным к выходу основного избирательного усилител ,вычитающим блоком подключенным к выходам детекторов и с масштабным преобразователем, включенным между выходом вычитающего блока и входной цепью датчика Холла, при этом вход дополнительного избирательного усилител  подключен ко входам основного, а второй вход синхронного детектора к выходу второго генератора переменного тока.

На фиг. i изображена функциональна  схема магнитометра; на фиг.2 а 9 приведены временные диаграммы.

-Датчик Холла 1 (фиг.1) входными выводами 2 и 3 подключен к генератор тока 4 с частотой f и помещенный в зазор концентратора 5 с двум  встречно включенными обмотками 6, соединенных с генератором переменного тока 7 с частотой fg, а к выходным выводам 8 и 9 датчика Холла 1 подключены дополнительный 10 и основной 11 избирательные усилители, соответственно настроенные на частоты f и f -f 2fj , к выходу усилител  10 подключен синхронный детектор 12, а к выходу усилител  11 - амплитудный детектор 13, к выходам обоих детекторов 12 и 13 подключен вычитающий блок 14, причем к выходу детектора 13 подключаетс  регистрирующий прибор 15, вычитающий блок 14 соединен с управл емым масштабным преобразователем 16f в выходную цепь которого подключен входными выводами 2 и 3 дачик Холла 1.

Устройство работает следующим образом.

При помещении в измер емое магнитное поле BQ датчика Холла 1 с концентратором 5, магнитопровод концентратора 5 намагничиваетс  одновременно измер емым посто нным полем В и переменным магнитным полем, создаваемым обмотками 6, подключенными к генератору переменного тока 7, в этом сдгучае дифференциальна  магнитна  проницаемость концентратора 5  вл етс  четной функцией и поэтому содержит переменную составл ющую дифференциальной магнитной проницаемости - частотой 2fj, а также посто нную составл ющую дифференциальной магнитной проницаемости j (фиг.2а), при этом амплитуды переменной и посто нной составл ющих магнитных индукций концентратора 5 пропорциональны измер емому посто нному магнитному полю ЕС, причем воздействие на датчик Холла 1 вышеуказанных полей концентратора 5 приводит к по влению в выходной цепи датчика Холла 1 двух холлQнеких ЭДС: холловской ЭДС с комбинационной частотой 2f2 и холловской ЭДС частотой

Тогда с учетом напр жени  неэквипотенциальности на выходных выводах 8 и 9 датчика Холла 1 присутствует сумма напр жений, а именно:

, ()

2%)t. .O. cosuj t,

е.ы.

де

-напр жение на выходных выводах 8 и 9 датчика Холла 1; в

-амплитуда переменной составл ющей э.г.читного ПОЛЯ концентратора 5, пропорциональна  измер емому магнитному полю BO;

в.

- амплитуда посто нной составл ющей магнитного пол  концентратора 5, пропорциональна  измер емому магнитному полю BO; v - величина управл ющею тока, протекающего через датчик Холла 1; R, - коэффициент посто нной Холла полупроводниковой пластины датчика; С- толщина полупроводниковой пластины датчика ост остаточное сопротивление между выходными выводами 8 и 9 датчика Холла 1, возникающее из-за асимметричности расположени  выходных выводов 8 и 9 при отсутствии магнитного , -пол  . Из выражени  (3) следует отметить что третье слагаемое  вл етс  неинформативной составл ющей выходного напр жени  Uj, датчика Холла 1, которую целесообразно довести до минимума, т.е. скомпенсировать. Компенсацию и, осуществл ют при заданной температуре Т датчика Холла 1, например, при 45С. При этом на выходе усилителей 10 и 11 по вл ютс  напр жени  OJ f +2f и (фиг.2б). Тогда на выходе ампли тудного детектора 13 и на выходе синхронного детектора 12 возникают соответственно два выходных напр же ьых4 определ ютс  следующими вьгражени ми : L..f,4..D.W ;b.K;V,.., (5) где 2f - величина холловско ЭДС комбинационной частоты присутЪтвую ща  на входе усили тел  1 1 ; -величина холловско ЭДС частоты, присутствующа  на вхо усилител  10; -коэффициент усилени  усилител  11; -коэффициент усилени  усилител  10; -коэффициент переда а1 1плитудного детек тора 13; - коэффициент синхро ного детектора 12. Анализиру  вышеприведенные выражени  (2) и (3) можно заметить, что путем варьировани  величин коэффици ентов усилени  Ку и К,о избирательных усилителей 11 и 10, а подбором коэффициентов передач К и можно достигнуть равенства IT tl , что и было осуществлено в предлагаемом магнитометре (фиг.2в до . При этом на обоих входах вычитающего блока 14 присутствуют равные напр жени  , и ,,поэтому выходное напр жение вычитающего блока 14, воздействующее на масштабный преобразователь 16 будет равно нулю. В этом случае ток подогрева, вырабатывае «з1й масштабным преобразователем 16 и действующим в выходной цепи масштабного преобразовател  16, к которой подключен входными выводами 2 и 3 датчик Холла 1 также равен нулю. При изменении температуры Т датчика Холла 1, условие компенсации нарушаетс , поэтому даже незначительное изменение величин иц,обуславливает по вление на выходе синхронного детектора суммы напр жений Uj,, и Uxf (фиг.2в t;,-t,), т.е. ,. в этом случае на входе вычитающего блока 14 возникают UjjJ,, и f,m значени  величин которых отличаютс  друг от друга на вели-пшу мэ ( J обуславливает по вление на выходе вычитающего блока 14 управл ющего напр жени  ( фиг.2г, ,), воздействующего на масштабный преобразователь 16, в выходной цепи которой по вл етс  посто нный ток, величина которого пропорциональна изменению температуры датчика Холла 1, врем  существовани  посто нного тока масштабного преобразовател  16 определ етс  достижением датчика Холла 1 первоначальной заданной температуры Т (фиг.2г, ). По достижению температуры Т, и скомпенсируетс , управл ющее напр жение на выходе вычитающего блока 14 и посто нный ток к выходной цепи масштабного преобразовател  пропадает (фиг.2д, ,j). Вс кий раз, при изменении температуры вышеописанный процесс повтор етс , при этом, тем с большей точностью будет поддерживатьс  температура Т датчика , чем больше коэффициент усилени  масштабного преобразовател  и чем с большей точностью выдержано выражение (6), так как общеизвестно, что в системе с отрицательной обратной св зью вли ние возмущающего воздействи  ослабл етс  в 1 + р К раз по сравнению с этой системой при разомкнутой цепи отрицательной обратной св зи. В этом вьфажении К - петлевой коэффициент передачи системы , р - коэффициент обратной св зи. На основании вышеизложенного можно утверждать, что дл  системы с замкнутой обратной св зью дл  выходного напр жени , создаваемого избирательным усилителем 10, синхронным детектором 12 и масштабным преобразователем 16, будет справедливо следующее выражение: , .ЧО О ТТК--УЧ-Н;Г -.);где К

коэффициент усилени 

VC масштабного преобразова-тел  16;

«э

-величина напр жени  неэквипотенциально сти на входе избирательного усилител  10, возникающа  при изменении температуры Т от заданной величин

Из анализа выражени  (8) следует два существенных вывода: 1 - чувствительность датчика Холла 1,а значит и всего магнитометра, не зависит от обратной св зи по U,, ; 2 - выбором коэффициента усилени  масштабного преобразовател  16 можно добитьс  зизлштельной температурной стабилизации датчика Холла 1, т.е. высокого  осто иства чувствительности датчика Холла 1, Наводки на выводах даттака за счет магнитного пол  при этом могут быть подавлены избирательными усилител ми 10 и 11 при соответствующем выборе полосы пропускани этих усилителей. Выход масштабного преобразовател  16, подсоединенного к входным выводам 2 и 3 датчика Холла 1 и выход генератора 4 питани  (Датчика, подключенного также к входkbiM выводам 2 и 3 датчика Холла 1, могут быть согласованы введением ооо7;эетствующих разв зывающих цепей, ;:. j.:.ap Фильтров.

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   Магнитометр, содержасдай датчик Солла, концентратор с двум  встречно

   включенными обмотками, подсоединенными к первому генератору переменного тока, основной избирательный усилитель, св занный с выходными электродами датчика Холла и регистрирующий прибор, о т л и ч а rota и и с   тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности измерений, он снабжен вторым генератором переменного тока, подключенным к входным выводам датчика Холла, частота которого отлична от частоты первого генератора, дополнительным избирательным усилителем с синхронным детектором на выходе, амплитудным детектором, подключенным к выходу

   5 основного избирательного усилител , вычитающим блоком, подключенным к выходам детекторов и с масштабным преобразователем, включенным между выходом вычитающего блока и входной

   0 цепью датчика Холла, при этом вход дополнительного избирательного усилител  подключен ко входам основного, а второй вход синхронного детектора к выходу второго генератора пере5менного тока.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   0 1. Авторское свидетельство СССР I 418817, кл. G 01 R 33/06, 1974.
2. 2. Авторское свидетельство СССР № 475572, кл. G 01 R 33/06, 1975.