SU892357A1

SU892357A1 - Magnetometer

Info

Publication number: SU892357A1
Application number: SU802899848A
Authority: SU
Inventors: Эдуард Анатольевич Мельников; Игорь Дмитриевич Некрасов; Вячеслав Федорович Носарев; Вячеслав Николаевич Канарейкин; Дмитрий Моренович Александров; Виктор Алексеевич Струков; Валерий Викторович Кашин; Александр Владимирович Егоров
Original assignee: Курский Политехнический Институт; Калужский Электромеханический Завод
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1980-03-31
Publication date: 1981-12-23

Description

II

Помехозащищенный магнитомодул ционный магнитометр предназначен дл измерени слабых низкочастотных магнитных полей в широком диапазоне частот и может быть использован в геофизике, магнитобиологий и других област х науки и техники. .An interference-proof magneto-modulation magnetometer is designed to measure weak low-frequency magnetic fields in a wide frequency range and can be used in geophysics, magnetobiology, and other fields of science and technology. .

Известны магнитомодул ционные магнитометры, предназначенные дл регистрации; низкочастотных магнит- .ных полей, содержащие магнитомолул ционный датчик с приемными обмотками , обмоткой компенсации, синхронный детектор, через усилитель-ограничитель св занный с приемными обмотками , выход .которого подключен ко входу фильтра нижних частот, усилитель мощности, выход которого соединен с обмоткой ком пенсации,в входс усилителем-смесителем 1.Magnetic modulation magnetometers for recording are known; low-frequency magnetic fields, containing a magnetic-molded sensor with receiving windings, compensation winding, synchronous detector, through an amplifier-limiter connected to the receiving windings, the output of which is connected to the input of a low-pass filter, power amplifier, the output of which is connected to a winding com Pensation, input with amplifier-mixer 1.

Недостатки устройства - отсут-, ствие автоматической компенсации переменных магнитных-полей электрического пол промышленной частоты и ее гармоник, что снижает предельную чувствительность магнитомет|за, а использование электродвигател и механической св зи в цепи автокомпенсации обуславливает .большую посто нную времени системы, чтоThe drawbacks of the device are the lack of automatic compensation of alternating magnetic fields of the electric field of industrial frequency and its harmonics, which reduces the limiting sensitivity of the magnetometer, and the use of an electric motor and a mechanical connection in the auto-compensation circuit causes a large time constant of the system, which

приводит к нарушению режима компенсации при сравнительно быстрых вариаци х напр женности геомагнитного пол или измерени х угловой ориентации оси магнитометра.leads to a violation of the compensation mode with relatively rapid variations in the intensity of the geomagnetic field or measurements of the angular orientation of the axis of the magnetometer.

Цель изобретени - повышение помехозащищенности и предельной чувствительности . .The purpose of the invention is to increase the noise immunity and ultimate sensitivity. .

10ten

Поставленйа цель достигаетс тем, что в магнитометр, содержащий магнитомодул ционный датчик с приемными обмотками, обмоткой компенсации , синхронный детектор, черезThe goal is achieved by the fact that a magnetometer containing a magnetic modulation sensor with receiving windings, a compensation winding, a synchronous detector, through

15 усилитель-ограничитель св занный с приемныз и обмотками, выход которого подключен ко входу фильтра нижних частот, усилитель мощности, выход которого соединен с обмоткой компенсации, в вход - с усилителем смесителем , введены последовательно соединенные ограничитель, фазовый детектор,управл екий генератор импульсоб ,счетчик, дешифратор, коммутатор и синхронный .фильтр, выход .которого св зан со. входом усилител смесител , второй вход - с выходом, фильтра нижних частот,а второй вход , фазового детектора - со вторым выходом15, the limiting amplifier associated with the receivers and windings, the output of which is connected to the input of the low-pass filter, the power amplifier, the output of which is connected to the compensation winding, is inputted in series with the amplifier of the mixer, a series-connected limiter, a phase detector, a control pulse generator, counter, descrambler, switch and synchronous filter, the output of which is associated with. the input of the mixer amplifier, the second input with the output, a low-pass filter, and the second input of the phase detector with the second output

30 счетчика. На фиг. 1 изображена функциональна схема магнитометраJна фиг..2 частотна характеристика передг1чи синхронного гребенчатого фильтра. Помехозащищенный магнитомодул ционный магнитометр (фиг.1) состоит из магнитомодул ционного датчика с локальным возбужденйей, содержащего неперемагничивающиес ферритовые стержни- концентраторы 1 с намотанными на них приемными обмотками 2. Концентраторы 1 магнитно св зана друг с другом посредством магнитного модул тора 3 с обмоткой возбуждени 4, соединенной с генератором 5 тока возбуждени . Выход приемных обмоток 2 св зан со входом усилител -ограничител 6 , выход усилител ограничител 6 - со входом синхронного детектора 7, второй опорный . вход которого соединен со вторым выходом ген-ератора 5 возбуждени . Выход синхронного детектора 7 св зан со входом фильтра 8 нижних частот . К выходу фильтра .8 нижних час тот подключены два эмиттерных повто рител 9 и 10. Один из них обеспе . передачу на выход к остальным измерительным цеп м магнитометра измер емых сигналов, другой св зывает выход фильт15а 8 нижних часто с контуром автокомпенсаций. Выход эмиттерного повторител 9 св зан с сигнальным входом синхронного гре- бенчатого фильтра 11, выход синхрон ного гребенчатого фильтра 11 - со входом усилител -смесител 12, а ег выход - со входом усилител 13 мощности . К выходу усилител 13 мощнос ти.,, подключена компенсационна обмотка 14. . К силовой сети подключаетс вход ной ограничитель 15, к выходу которого подклвзчен фазовый детектор 16, на выход ко.торого подключен управ . л емый генератор 17 импульсов. Выход генератора 17 импульсов св зан со входом счетчика .18, выход которо го св зан с дешифратором 19. Дешифратор соединен с коммутатором .20 емкостей синхронного фильтра. Магнитометр работает следующим образом. В начальный момент, когда компен саци отсутствует, на выходе приемных обмоток 2 преобразующим выходным напр жением вл етс напр жение обусловленное посто нным геомагнитным полем. Это напр жение с частото равной частоте магнитной модул ции, и большой-ампп ryJ5oii поступает в усилитель-ограничитель 6 и затем в синхронный детектор 7. Фильтр 8 ниж них частот отсекает частоты модУл ции и посто нную составл ющую, обус ловленную гeoмaгнитны 4 полем, направл ет в эмиттерные повторители 9 и 10. Сигнал посто нного тока проходит ерез синхронный фильтр 11, частота характеристика которого изобраена на фиг. 2. Уси/1ива сь в/усилиеле 12, сигнал преобразуетс в упавл ющий ток в усилителе 13 мощноси . Этот ток в обмотке 14 создает омпенсирующее поле, направленное ротив посто нного геомагнитного ол . Достаточным условием компенсации вл етс W (p)., , де И max - максимальное значение посто нного магнитного пол ; W (р) - передаточна функци разомкнутого контура компенсации на посто нном токе (обусловленна коэффициентом передачи тракта магнигомодул ционный датчик -- усилитель- ограничитель 6 - синхронный детектор 7 фильтр 8 - эмиттерный повторитель 9 фильтр 11 - усилитель - смеситель 12, усилитель мощности 13 и компенсирующей катушкой 14); дН-- ошибка компенсации посто нного пол , : конкретно задаваема- дл данного магнитометра. Так, например, если задано более одной гаммы, то W (р) :г5-10 , что реализуетс технически достаточно просто. После того, как произошла компенсаци посто нного пол до уровн л Н, превалирующим сигналом помехи будет сигнал, обусловленный полем с частотой 50 Гц и его гармониками. Этот сигнал.проходит через синхронный детектор 7, фильтр 8 нижних частот, эмиттерный повторитель 9 и синхронный фильтр 11. Гребенчатый синхронный фильтр 11, управл емый напр жением 50 Гц, пропускает как эту частоту, так и все гармоники кратные ей. Данный фильтр работает на принципе синхронной циклической коммутации N емкЬстей . Если нижн Частота синхронного гребенчатого фильтра равна f п , то частота коммутации должна быть равна . Добротность такого фильтра может быть получена как угодно большой, т.е. полосы пропускани могут быть сделаны как угодно узкими Добротность пр мо пропорциональна посто нной времени фильтра и количеству емкостей N . В схеме магнитометра генератор 17 импульсов генерирует управл ющие импульсы с частотой N«50 Гц. Эти импульсы поступают в счетчик 18, имеющий N различных состо ний. К выходу счетчика подключен дешифратор 19, .выдающий импульсы, управл ющие оМЛу татором 20, который управл ет ключами емкостей синхронного фильтра 11. Так же, как и сигнгш посто нного тока,сигнал тока промышленной частоты , проходит через усилитель-смеситель 12 и усилитель 13 мощностив компенсирующую обмотку 14. В этой части работа системы компенсации переменных полей промышленной чаетоты принципиально ничем не отличаетс от системы компенсации посто н«ого пол . Разность фаз пол промышленной частоты и опорной частоты генератора 17 импульсов вл етс случайной вели чиной, если последний работает в авт номном режиме. Кроме трго, возможна расхождение частоты сети и опорной частоты генератора 17. Это приводит к значительному ухуд11е1ни д свойств Iсинхронного фильтра. Дл исключени этого используетс контур фазовой автоподстройки. На вход ограничител 15 подаетс напр жение прО1«1ышленной сети, где оно преобразуетс в меандр и поступает на вход фазового детектора 16. Со второго выхода 18 меандр с частотой 50 Гц подаетс на опорный вход фазового детектора 16. Выходкой сигнал фазового детектора , вл ющийс сигналом рассогла-1. совани ,, управл ет фазой и частотой импульсов генератора 17. Лабораторные испытани макета ма нитометра показали, что на нем достаточно легко реализуетс компенсаци посто нногЬ геомагнитного пол и переменных мешающих полей с часто30 counters. FIG. 1 shows a functional diagram of the magnetometer J of FIG. 2, the frequency characteristic of a front-pass synchronous comb filter. The interference-free magneto-modulation magnetometer (Fig. 1) consists of a magneto-modulation sensor with local excitation, containing non-magnetizable ferrite rods-concentrators 1 with receiving windings 2 wound on them. connected to the generator 5 of the excitation current. The output of the receiving windings 2 is connected with the input of the amplifier-limiter 6, the output of the amplifier of the limiter 6 is connected with the input of the synchronous detector 7, the second reference one. the input of which is connected to the second output of the excitation generator gene 5. The output of the synchronous detector 7 is connected to the input of the lowpass filter 8. Two emitter repeaters 9 and 10 are connected to the output of the filter .8 lower clock. One of them is provided. transfer to the output of the remaining measuring circuits of the magnetometer of the measured signals; another one connects the filter output of the lower 15A-8 often to the auto-compensation circuit. The output of the emitter follower 9 is connected with the signal input of the synchronous grab filter 11, the output of the synchronous comb filter 11 is connected to the input of the amplifier-mixer 12, and its output is connected to the input of the amplifier 13 of power. To the output of the power amplifier 13, a compensation winding is connected. 14.. An input limiter 15 is connected to the power network, to the output of which a phase detector 16 is connected, to the output of which the control is connected. Impulse generator 17 pulses. The output of the pulse generator 17 is connected to the input of the counter .18, the output of which is connected to the decoder 19. The decoder is connected to the switch .20 capacitors of the synchronous filter. The magnetometer works as follows. At the initial moment, when there is no compensation, at the output of the receiving windings 2 the transforming output voltage is the voltage due to the constant geomagnetic field. This voltage is at a frequency equal to the frequency of magnetic modulation, and the large-amp ryJ5oii enters the limiting amplifier 6 and then into the synchronous detector 7. The low-pass filter 8 cuts off the modulation frequency and the constant component, which is caused by the magnetic field 4, sends to the emitter followers 9 and 10. The direct current signal passes through a synchronous filter 11, whose frequency characteristic is shown in FIG. 2. Wuxi / 1iv in / power 12, the signal is converted into upstream current in power amplifier 13. This current in the winding 14 creates an compensation field directed against the constant geomagnetic field. A sufficient condition for compensation is W (p).,, De I max - the maximum value of a constant magnetic field; W (p) is the transfer function of an open compensation circuit on a direct current (due to the transmission ratio of the path the magnet-modulation sensor — amplifier-limiter 6 — synchronous detector 7 filter 8 — emitter follower 9 filter 11 — amplifier — mixer 12, power amplifier 13 and compensating coil 14); dN-- constant field compensation error: specifically specified for a given magnetometer. So, for example, if more than one scale is specified, then W (p): r5-10, which is technically quite simple. After the compensation of the constant field to the level N has occurred, the prevailing interference signal will be the signal due to the 50 Hz field and its harmonics. This signal passes through a synchronous detector 7, a low-pass filter 8, an emitter follower 9, and a synchronous filter 11. A comb synchronous filter 11 controlled by a voltage of 50 Hz transmits both this frequency and all harmonics multiple to it. This filter operates on the principle of synchronous cyclic switching of N capacitances. If the lower frequency of the synchronous comb filter is equal to f p, then the switching frequency should be equal to. The quality factor of such a filter can be obtained arbitrarily large, i.e. bandwidths can be made arbitrarily narrow. The quality factor is directly proportional to the filter time constant and the number of tanks N. In the magnetometer circuit, a 17-pulse generator generates control pulses with a frequency of N 50 Hz. These pulses go to counter 18, which has N different states. A decoder 19 is connected to the output of the counter. The pulse that controls the AML 20, which controls the keys of the capacitances of the synchronous filter 11. In the same way as the DC signal, the power signal of the industrial frequency passes through the amplifier-mixer 12 and the amplifier 13 power compensation winding 14. In this part, the operation of the compensation system for variable fields of the industrial beach is fundamentally no different from the constant field compensation system. The phase difference between the industrial frequency field and the reference frequency of the pulse generator 17 is random if the latter operates in the autonomous mode. In addition to TGO, there may be a divergence of the network frequency and the reference frequency of the generator 17. This leads to a significant deterioration in the properties of the I-synchronous filter. To avoid this, a phase locked loop is used. The input of the limiter 15 is supplied to the voltage of the industrial network, where it is converted to a square wave and fed to the input of the phase detector 16. From the second output 18, the square wave with a frequency of 50 Hz is fed to the reference input of the phase detector 16. The output signal of the phase detector, which is a signal rasgol-1. It controls the phase and pulse frequency of the generator 17. Laboratory tests of the layout of the mitometer showed that it is fairly easy to compensate for the constant geomagnetic field and variable interfering fields with often

СетьNetwork

10ten

Claims

Buxoff tami 50 and 100 Hz to values of about 1 range. Invention A magnetometer containing a magnetically modulated sensor with receiving windings, compensation winding, synchronous detector, through an amplifier limiting device connected to receiving windings, the output of which is connected to the input of a low-pass filter, a power amplifier whose output is connected to a compensation winding, and the input is amplifier-mixer, characterized in that, in order to increase the noise immunity and extreme sensitivity, a series-connected limiter, phase detector, control first pulse generator, a counter, decoder, the switch and the synchronous filter, whose output is coupled to the input of the mixer amplifier, the second input - to the output of the lowpass filter and the second input of the phase detector - with a second counter-d vyho house. Sources of information taken into account in the examination 1. USSR author's certificate 576828, cl. G 01 R 33 / 00,1975.

J t V

50 t

FIG. Z

J, ri4

V. L

Jso