Устройство регистрации магнитного поля

 

Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для обнаружения объектов из ферромагнитных материалов. Устройство содержит генератор, катушку индуктивности, измерительный мост с двумя магниточувствительными магниторезистивными элементами и узкополосный избирательный усилитель, соединенный с выходом моста через разделительные конденсаторы. V-образная вольт-эрстедная характеристика моста позволяет осуществить модуляцию регистрируемым постоянным или низкочастотным магнитным полем амплитуды первой гармоники поля подмагничивания. Узкополосный усилитель, настроенный на частоту указанной гармоники, обеспечивает требуемый для последующего детектирования уровень амплитудно-модулированного сигнала. Технический результат заключается в увеличении чувствительности, снижении шума и уменьшении энергопотребления. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для поиска и обнаружения объектов из ферромагнитных материалов.

Известны устройства регистрации магнитных полей, использующие в качестве чувствительных элементов катушки индуктивности, гальваномагнитные преобразователи Холла, магнитодиоды и транзисторы, феррозонды и СКВИДы [1].

Данные чувствительные элементы имеют один или несколько недостатков, такиe как низкая чувствительность, повышенная габаритность и дороговизна, относительно высокое энергопотребление.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является [2]. Данное устройство (фиг. 1) содержит генератор 2, с подключенной к выходу катушкой индуктивности 3. Катушка 3 охватывает магниторезистивный элемент, включенный в одно из плеч измерительного моста 1. К измерительной диагонали моста 1 гальванически подключен вход дифференциального видеоусилителя 4, выход которого связан с блоком детектирования и регистрации 5.

В основу работы устройства положен модуляционно-демодуляционный принцип регистрации слабых постоянных и низкочастотных магнитных полей с использованием широтно-импульсного преобразования [3].

К недостаткам данного устройства относятся ограничение чувствительности из-за применения одноплечевой схемы измерительного моста 1 (фиг. 1), нестабильность измерений из-за дрейфа нуля моста 1, повышенный уровень шума на выходе видеоусилителя 4, связанный с использованием широкой полосы пропускания. Работа в режиме насыщения магниторезистивного элемента моста 1 сопровождается, во-первых, дополнительным повышением уровня шума (из-за проявления гистерезисных эффектов, создающих нестабильность длительности импульсов), а во-вторых, повышенными энергозатратами, необходимыми для создания в катушке 3 поля насыщения магниторезистивного элемента моста 1.

Таким образом, дрейф нуля моста 1, широкая полоса пропускания и гистерезисные эффекты создают повышенный уровень шума и снижают чувствительность устройства.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности, снижение шумов и уменьшение энергозатрат.

Сущность изобретения заключается в том, что мост 1 (фиг. 2) выполнен по схеме, в которой два противоположных плеча являются магниточувствительными магниторезистивными элементами. Генератор 2 - моногармонический с частотой выходного сигнала f₁. Посредством катушки индуктивности 3 генератор 2 связан с обоими магниточувствительными элементами моста 1. Усилитель 4 выполнен избирательным, настроенным на частоту f₁ и подключен своим входом к измерительной диагонали моста 1 через разделительные конденсаторы 6 и 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Два магниторезистивных элемента моста 1 (такой мост позволяет увеличить вольтовую чувствительность в два раза в сравнении с одноплечевым мостом) воспринимают поле подмагничивания частотой f₁, создаваемое генератором 2 и катушкой 3. Вольт-эрстедная характеристика измерительного моста 1 аналогична характеристике моста 3 прототипа, т.е. также V-образная (фиг. 3).

Гармоническое подмагничивание приводит к появлению на выходе измерительной диагонали моста 1 однополярного напряжения, состоящего из циклоиды косинусоидальных импульсов. При симметричной V-образной характеристике и отсутствии измеряемого постоянного магнитного поля H₀ все полуволны имеют одинаковую амплитуду А и длительность, равную π (фиг. 3а). Если разложить данную последовательность в спектр, то можно заметить, что в нем отсутствует первая гармоника f₁.

(1) где ω₁ = 2πf₁. Следовательно, на выходе усилителя 4, настроенного на f₁, напряжение также отсутствует. Все составляющие спектра представляют собой четные гармоники nf₁, где n = 2, 4, 6... .

В том случае, когда на магниточувствительные плечи моста воздействует поле подмагничивания частотой f₁ совместно с измеряемым постоянным магнитным полем - H₀, на выходе моста 1 образуется циклоида из импульсов разной амплитуды: все нечетные импульсы увеличиваются по амплитуде на ΔA, пропорционально H₀, а все четные уменьшаются на такую же величину (фиг. 3б).

Если H₀ много меньше амплитуды поля подмагничивания, то можно считать, что длительности импульсов остались равными. Спектр последовательности нечетных импульсов имеет все четные гармоники амплитудой, вдвое меньшей, чем гармоники равноамплитудной циклоиды, а также первую гармонику f₁: Аналогично для четных импульсов, сдвинутых относительно нечетных на интервал π, спектр будет: Если теперь оба спектра сложить, то получим спектр разноамплитудной циклоиды: . (2) Сравнивая спектры (1) и (2), видим, что информационная часть спектра циклоиды, пропорциональная приращению амплитуды импульсов ΔA, находится на частоте f₁. Таким образом, напряжение на выходе измерительного моста 1 при воздействии постоянного магнитного поля H₀ имеет составляющую, пропорциональную H₀, на частоте первой гармоники.

Усилитель 4, настроенный на частоту f₁, усиливает полезный сигнал в узкой полосе, что снижает уровень шума на выходе усилителя.

Применение развязывающих конденсаторов 6 и 7 позволяет избавиться от влияния дрейфа нуля моста 1 на работу усилителя 4.

С выхода усилителя 4 полезный сигнал поступает в блок детектирования и регистрации 5, где подвергается амплитудной детекции.

Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемое устройство имеет удвоенное значение чувствительности за счет применения измерительного моста 1 с двумя магниточувствительными плечами; снижены уровень шума в выходном сигнале и энергозатраты ввиду применения подмагничивающего поля напряженностью, меньшей напряженности насыщения чувствительных элементов; применения узкополосного усилителя 4 и исключения влияния дрейфа нуля моста 1.

Источники информации 1. Лэнц Дж.Э./Обзор магнитных датчиков//ТИИЭР, т.78, N 6, 1990, с. 87-102.

2. Устройство для измерения магнитного поля/ Aвт.св. СССР, N 1774296 F1, G 01 R 33/06, 1992 г.

3. Скородумов С.А., Обоишев И.И./Помехоустойчивая магнито-измерительная аппаратура// Л.: Энергоиздат, 1981 г., с.24.

4. Васильева Н.П. и др./ Запоминающие элементы на основе магниторезистивных тонкопленочных многослойных структур// Зарубежная электронная техника, N 1, 1995, c. 32-60(35).

5. Корн Г. и Корн Т./Справочник по математике (Для научных работников и инженеров)// М.: Наука-1978, с. 151.

Формула изобретения

Устройство регистрации магнитного поля, содержащее генератор, катушку индуктивности, измерительный мост с магниточувствительным магниторезистивным элементом, усилитель и блок детектирования и регистрации, катушка индуктивности подключена к выходу генератора, магниточувствительный магниторезистивный элемент измерительного моста расположен в магнитном поле, созданном генератором и катушкой индуктивности, вход усилителя подключен к выходной диагонали измерительного моста, а его выход связан с входом блока детектирования и регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено двумя разделительными конденсаторами, измерительный мост снабжен вторым магниточувствительным магниторезистивным элементом и выполнен по схеме, в которой два противоположных плеча являются магниточувствительными магниторезистивными элементами, генератор выполнен моногармоническим, усилитель выполнен узкополосным и между его входом и выходом измерительного моста включены разделительные конденсаторы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3