SU913294A1

SU913294A1 - Магнитометрi

Info

Publication number: SU913294A1
Application number: SU802953837A
Authority: SU
Inventors: Evgenij P Sapunov
Original assignee: Sp Kt B Do Fiz Tekhn Instiuta
Priority date: 1980-07-08
Filing date: 1980-07-08
Publication date: 1982-03-15

Description

Изобретение относится к магнитным (измерениям и может быть использовано для автоматического измерения магнитных полей на основе метода ядерного магнитного резонанса.

Известен магнитометр, содержащий автодин, мост, детектор сигнала поглощения, режекторный фильтр, настроенный на частоту модуляции, избирательный усилитель удвоенной частоты модуляции, два последовательно включенных синхронных детектора, причем на первый из них подано опорное напряжение удвоенной частоты модуляции , а на второй - напряжение частоты модуляции, блоки захвата и"слежения за линией резонанса. В магнитометре используется модуляция частоты автодина вместо модуляции магнитного поля, следящая система использует вторую гармонику частоты модуляции из сигнала поглощения (13^

Недостатком устройства является наличие автодина-генератора, работа2

ющего на пороге срыва колебаний, неустойчивого в случаях необходимости перекрытия широкого диапазона частот.

Наиболее близким к изобретению ^δ по технической сущности и достигаемому результату является магнитометр, содержащий датчик ядерного магнитного резонанса, состоящий из катушки, коаксиальной линии и резистора, высокочастотный генератор, усилитель, генератор высокочастотной модуляции, высокочастотный фазовращатель, высокочастотный Т-образный мост, опорную линию задержки, высокочастотный усилитель, фазочувствительный синхронный детектор, усилитель сигнала рассогласования и удвоитель частоты. В магнитометре синхронное детектирование ядерного магнитного резонанса сигнала производится по 2-й гармонике частоты модуляции. Для построения следящей системы выделяется 2-я гармоника частоты

3

913294

4

модуляции из дисперсивной части ядерного магнитного резонанса сигнала.

Работа магнитометра заключается в следующем. Высокочастотный генератор управляется напряжением сигнала рассогласования и модулирован по частоте низкочастотным напряжением, создаваемым модулятором. Модулирующее напряжение подается на высокочастотный генератор через усилитель,

,коэффициент усиления которого меняется по закону сигнала рассогласования. Напряжение с высокочастотного генератора поступает на фазовращатель, на выходе которого получаются два сигнала, сдвинутые по фазе на 90°. Один из них поступает на мост, который сравнивает сигнал, отраженный от образца с сигналом, отраженным от активного резистора. Напряжение разбаланса моста усиливается широкополосным высокочастотным усилителем. Другой сигнал с выхода фазовращателя пропускается через опорную линию задержки, время задержки которой равно времени прохождения сигнала от фазовращателя до образца, плюс время прохождения отраженного •от образца сигнала обратно по линии и через высокочастотный усилитель. Для выделения дисперсивной части отраженного сигнала линия задержки сдвигает фазу на Я/2 относительно сигнальной линии. Сигналы с этих двух линий сравниваются балансным

смесителем, который выделяет сигнал, пропорциональный мнимой части импеданса катушки с образцом, т.е. является детектором сигнала дисперсии, Избирательный усилитель усиливает выделенные из спектра частот выхода балансного смесителя колебания удвоенной частоты модуляции из дисперсивной части отражения, несущие в себе информацию о величине и знаке сигнала рассогласования, который получается на выходе фазочувствительного синхронного детектора, опорное напряжение удвоенной частоты модуляции на него поступает с удвоителя. Далее сигнал рассогласования после усиления усилителем . управляет высокочастотным генератором, подстраивая его частоту к резонансному значению и изменяя коэффициент усиления усилителя в зависимости от ширины линии резонанса и величины расстройки высокочастотного генератора от центра резонанса 12 ].

Недостатком магнитометра является наличие погрешности измерений из-за

5 трудной реализации высокочастотного фазовращателя со сдвигом фаз '90° в широком диапазоне частот и из-за неточностей согласования длины линии задержки с сигнальной линией.

,0 Цель изобретения - уменьшение погрешности измерений.

Поставленная цель достигается за счет того, что в магнитометр, содержащий датчик ядерного магнитного

,5 резонанса, состоящий из катушки с резонирующим веществом, коаксиальной линии и резистора, высокочастотный генератор, управляемый через низкочастотный усилитель от генератора модуляции, выход высокочастотного ‘генератора подключен к входу Т-образного моста, в плечи которого включены датчик ядерного магнитного резонанса и активный резистор, а вы25 ход моста подключен к входу высокочастотного широкополосного усилителя, избирательный усилитель, выход которого соединен с входом первого синхронного детектора и усилитель

₃₀ сигнала рассогласования, выход которого подключен одновременно к высокочастотному генератору и усилителю низкой частоты, второй вход синхронного детектора соединен через удвоитель с генератором модуляции, допол³⁵ нительно введены последовательно соединенные детектор сигнала поглощения и режекторный фильтр, последовательно соединенные е первым синхронным детектором, выпрямитель и второй синхронный детектор, вход детектора сигнала поглощения подключен к выходу высокочастотного широкополосного усилителя, а выход режекторного фильтра - к входу избирательно⁴⁵ го усилителя, второй вход второго синхронного детектора связан с генератором модуляции, а выход его подключен к входу усилителя сигнала рассогласования.

⁵⁰ На фиг. 1 представлена блок-схема магнитометра; на фиг. 2 - схема высокочастотного Т-образного моста.

Магнитометр содержит датчик ядерного магнитного резонанса, выполнен55 ный в виде катушки с резонирующим

веществом, внутри которой размещается образец (фиг.1) . Катушка 1 посредством резистора 2 соединена с

"землей", а через коаксиальную линию 3 с плечом высокочастотного широкополосного Т-образного моста 4, в другое плечо Т-обра'зного моста 4 включен активный резистор 5· К входу моста 4 подключен высокочастотный генератор 6, который через усилитель

7 низкой частоты соединен с выходом генератора 8. Выход моста 4 включен в цепь из последовательно соединенных высокочастотного широкополосного усилителя 9, детектора 10 сигнала поглощения, режекторного фильтра 11, избирательного усилителя 12, настроенного на удвоенную частоту модуляции, первого синхронного детектора 13, выпрямителя 14, второго синхронного детектора 15 и усилителя 1& сигнала рассогласования. Выход последнего соединен одновременно с высокочастотным генератором 6 и низкочастотным усилителем 7. Опорный сигнал синхронных детекторов 13 и 15 задается генератором 8 модуляции, при этом, вход первого синхронного . детектора 13 соединен с генератором

8 через удвоитель 17 частоты, а вход второго синхронного детектора 15 соединен непосредственно с выходом генератора 8 модуляции.

Устройство работает следующим образом.

Катушка 1 с размещенным внутри резонирующим веществом помещается в измеряемое магнитное поле, она находится на конце коаксиальной линии 3. Конструкция катушки 1 такова, что она подобна линии с распределенной емкостью между витками катушки и "землей". Характеристические импедансу катушки 1 и линии 3 равны. Катушка 1 соединена с "землей" через резистор 2, сопротивление которого равно характеристическому импедансу линии 3 и катушки 1. Поданная в линию 3 энергия высокочастотных колебаний вследствие равенства характеристических импедансов катушки 1 и линии 3 полностью поглощается резистором 2. Так как катушка 1 помещена в магнитное поле, то в момент выполнения условий ядерного магнитного резонанса

где ш - частота резонанса)

Т - гидромагнитное отношение

для резонирующих ядер образца·,

Н - величина магнитного поля.

13294 6

Импеданс катушки ! изменяется, вызванное этим рассогласование катушки 1 и линии 3 создает отражение высокочастотной энергии. Отраженная

5 высокочастотная энергия выделяется высокочастотным широкополосным Т-образным мостом 4, приведенным на фиг.2. Мост 4 включает в себя два высокочастотных широкополосных транс

ю форматора 18 и 19, входные обмотки которых У_η включены встречно, а выходные V/1, согласно. Обомтки У^ нагружены на Ζ/, - сопротивление линии 3 и Ζ^, равное ему активное сопро15 тивление резистора 5· В случае равенства Ζ _и = Ζ ιχ выходное напряжение моста 4 равно нулю (11_6ь,_х = 0). В момент резонансного поглощения это равенство нарушается и на выходе

го появляется напряжение разбаланса моста 4, содержащее компоненты поглощения и дисперсии. ‘В данном магнитометре синхронное детектирование ядерного магнитного резонанса

25 сигнала производится по 2-й гармонике частоты модуляции, посколь.ку, если его осуществлять на частоте модуляции, образуется большая помеха, от рассогласования катушки 1

зо '(фиг.1) и линии 3, которая изменяется с изменением частоты. Величина этой помехи соизмерима с полезным сигналом.

' Высокочастотный генератор 6 улравт ляется напряжением сигнала рассогласования и модулирован по частоте низкочастотным напряжением создаваемым генератором 8 модуляции. Модулирующее напряжение подается на высокочастотный.генератор 6 через усилитель 7, коэффициент усиления которого меняется по закону сигнала рассогласования. Высокочастотное напряжение с генератора 6 поступает на вход моста 4, который сравнивает сигнал, отраженный от образца, с сигналом, отраженным от активного резистора 5, причем сопротивление последнего равно сопротивлению резистора 2. Напряжение разбаланса моста 4, возникающее в момент выполнения условия ядерного магнитного резонанса, усиливается широкополосным высокочастотным усилителем 9.

Это напряжение содержит компоненты

35

40

45

50

55

поглощения и дисперсии. Для построения следящей системы выделяется 2^_я

гармоника частоты модуляции из компоненты поглощения. Для этой цели

Ί

913294

8

служат последовательно соединенные детектор 10 сигнала поглощения, режекторный фильтр 11 частоты модуляции и избирательный усилитель 12, настроенный на удвоенную частоту модуляции 2Г_т, с выхода которого сигнал поступает на один вход первого синхронного фазочувствительного детектора 13, на второй вход которого подается опорное напряжение удвоенной частоты модуляции с удвоителя 17. При протяжке частоты генератора 6 через резонансное значение на выходе синхронного детектора 13 образуется последовательность импульсов, огибающая которых - вторая производная сигнала поглощения, непригодная в качестве сигнала рассогласования , так как имеет максимум в центре линии резонанса и дважды переходит через нуль при подходе к центру резонанса с одной или другой стороны. Выпрямитель 14 обрезает импульсы той полярности, которые образуются по обеим сторонам от центра резонанса и пропускает на вход второго синхронного детектора 15 импульсы, образующиеся в центральной части резонансной линии поглоще'ния. Опорным напряжением второго синхронного детектора 15 является напряжение частоты модуляции с генератора 8 модуляции. Для получения сигнала рассогласования необходимо, чтобы на выходе второго синхронного детектора 15 в центре резонансной линии поглощения сигнал был равен нулю, а при расстройке от

центра в разные стороны менял полярность. Это условие выполнимо при смене фазы одного из сигналов, поступающих на какой-либо из входов второго синхронного детектора 15. Импульсы, образованные при синхронном детектировании сигнала поглощения по 2-й гармонике частоты модуляции, как было описано, не меняют при переходе через центр резонанса ни фазу, ни полярность. Однако при расстройке от центра резонанса частота высокочастотного генератора 6 проходит область поглощения при различных фазах модулирующего напряжения, являющегося опорным для второго? синхронного детектора 15. Поэтому при уходе от центра резонанса на выходе синхронного детектора 15 начинают преобладать импульсы той или иной полярности, что после интегрирования позволяет получить напряжение сигнала рассогласования для следящей системы, которое после усиления 'усилителем' 16 поступает на высо5 кочастотный генератор 6, удерживая его частоту, равной резонансному значению.

За счет введения в магнитометр

₁₀ детектора сигнала поглощения, режекторного фильтра, выпрямителя и второго синхронного детектора повышается точность измерений и, кроме того, упрощается конструкция устройства,

₁₅ поскольку в данном магнитометре отпадает необходимость в высокочастотном фазовращателе со сдвигом фаз 90 в широком диапазоне частот линии задержки.

20

Claims

Формула изобретения

Магнитометр, содержащий датчик

25 ядерного магнитного резонанса, состоящий из катушки с резонирующим веществом, коаксиальной линии и резистора, высокочастотный генератор, управляемый через низкочастотный усилитель от генератора модуляции, выход высокочастотного генератора подключен к входу Т-образного моста, в плечи которого включены датчик ядерного магнитного резонанса и ак-. тивный резистор, а выход моста под³⁵ ключей к входу высокочастотного широ кополосного усилителя, избирательный усилитель, выход которого соединен с входом первого синхронного детектора, усилитель сигнала рэссогласо40

вания, выход которого подключен одновременно к высокочастотному генератору и усилителю низкой частоты, второй вход синхронного детектора

_<5 соединен через удвоитель с генератором модуляции, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений, в него дополнительно введены последовательно

соединенные детектор сигнала погло50 .

щения и режекторныи фильтр, последовательно соединенные с первым синх ронным детектором, выпрямитель и второй синхронный детектор, причем вход детектора сигнала поглощения

⁵⁵ подключен к выходу высокочастотного

широкополосного усилителя, а выход

режекторного фильтра - к входу избирательного усилителя, второй вход

9 913294 ’θ

второго синхронного детектора связав с генератором модуляции, а выход его подключен к входу усилителя сигнала рассогласований.