Магнитометр

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11)732772 (6) ) Дополнительное.к авт. свид-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 06.1277 (21) 2550213/18-21

G 01 R 33/06 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР оо делам изобретений и открытий

Опубликовано 050580. Бюллетень ¹ 17

Дата опубликования описания 050580 (53) УДК 621. 317..42 (088.8) (72) Авторы изобретения

А. А. Мурадов и С. С. Суханов

Физико-технический институт AH Туркменской ССР (71) Заявитель (54) МАГНИТОМЕТР где

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерения слабых постоянных магнитных полей.

Известны магнитометры для измерения слабых постоянных магнитных полей, содержащие датчик Холла, питаемый от источника постоянного тока и помещенный в зазор концентратора с модуляционной обмоткой, подключенной к источнику переменного тока, усилитель и регистрирующий прибор (1>

Область применения таких магнитометров огр ани чена и з-з а темпер атурной нестабильности параметров датчика Холла.

Из известных магнитометров для измерения слабых постоянных магнитных полей наиболее совершенным и близким по технической сущности явля-20 ется магнитометр, содержащий датчик Холла, стабильный источник постоянного тока, концентратор с двумя встречно включенными обмотками, подсоединенными к стабильному генератору переменного то;а, избирательный усилитель и регистрирующийй прибор (2 1

Отти санный магнитометр также имеет существенные недостатки, а 3(именно: низкую чувст вительность и точность измерений вследствие температурной нестабильности чувствительности датчика Холла, возникновение которой связано с тем, что на измерительный преобразователь — датчик

Холла, кроме измеряемой индукции постоянного магнитного поля В действует еще побочный фактор — температура Т. В результате такого действия выходная величина датчика

Холла оказывается функцией двух переменных, т.е, Ux f (Bl T)

Полное приращение выходной вели-. чины будет, очевидно: х= В 8+ зт" dT=S CilB+5 c)T, (2) S8 — чувствительность датчика

Холла к измеряемому магнитному полю

S — чувст вительност ь датчика т

Холла к температурному воздейст вию;

Й — приращение индукции магнитного оля;

dT — приращение температуры.

732772

Чу в ст вит ел ь наст ь дат чи ка Холл а к измеряемому магнитному полю определяется постоянной Холла R„, а чувствительность датчика Холла к температурному воздействию определяется температурным коэффициентом постоянной Холла В, причем обе вышеназванные характеристики находятся между собой в противоречивом требовании, так при изменении температуры величина второй слагающей выражения (1) может быть значительной, что приводит к ложному сигналу на выходе магнитометра, например, при измерении температуры от 0 до 45 С S л S .т.е. погрешность измерения y = 100%, поэтому температурная нестабильность выходной величины датчика Холла, порождаемая температурным коэффициентом постоянной Холла р, оказывает не только существенное влияние на порог чувствительности и точность магнитометра, но зачастую является основным критерием, определяющим саму воэМожность использования в измерительных преобразователях датчиков Холла.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что магнитометр, содержащий датчик Холла, концентратор с двумя встречно включенными обмотками, подсоединенными к первому генератору переменного тока, основной избирательный усилитель, связанный с выходными электродами датчика Холла и регистрирующий при бор, сн абже н 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 усилителя,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 усилителя подключен ко входам основного, а второй вход синхронного детектора к выходу второго генератора переменного тока, На фиг. 1 изображена функциональная схема магнитометра; на фиг.2 а— приведены временные диаграммы.

-Датчик Холла 1 (фиг.1) входными выводами 2 и 3 подключен к генератору тока 4 с частотой f и помещенный в зазор концентратора 5 с двумя встречно включенными обмотками б, соединенных с re н ер ат ором перемен— ного тока 7 с частотой f а к выходным выводам 8 и 9 датчика Холла 1 подключены дополнительный 10 и основной 11 избирательные усилители, соот— напряжение на выходных выводах 8 и 9 датчика

Холла 1; — амплитуда переменной составляющей магяит— ного поля концентратора 5, пропорциональная измеряемому магнитному полю Во,. амплитуда постоянной составляющей магнитного поля концентратора

5, пропорциональная измеряемому магнитному полю Во, где

55

60 ветственно настроенные на частоты f и f < + 2f>, к выходу усилителя 10 подключен синхронный детектор 12, а к выходу усилителя 11 — амплитудный детектор 13, к выходам обоих детекторов 12 и 13 подключен вычитающий блок 14, причем к выходу детектора

13 подключается регистрирующий прибор 15, вычитающий блок 14. соединен с управляемым масштабным преобразователем 16, в выходную цепь которого подключен входными выводами 2 и 3 датчик Холла 1. устройство работает следующим образом.

При помещении в измеряемое магнит15 ное поле В датчика Холла 1 с концентратором 5, магнитопровод концентратора 5 намагничивается одновременно измеряемым постоянным полем Вд и переменным магнитным полем, соз20 даваемым обмотками 6, подключенными к генератору переменного тока 7, в этом случае дифференциальная магнитная проницаемост ь концентратора 5 является четной функцией и поэтому содержит переменную составляющую дифференциальной магнитной проницаемости рд а с частотой 2f<, а также постоянную составляющую дифференциальной магнитной проницаемости у<у= (фиг.2а), при этом амплитуды переменной и постоянной составляющих магнитных индукций концентратора 5 пропорциональны измеряемому постоянному магнитному полю ВЗ, причем воздействие на датчик Холла 1 вышеуказанных полей концентратора 5 приводит к появлению в выходной цепи датчика

Холла 1 двух холловских ЭДС: холловской ЭДС с комбинационной частотой

Й4+ 2 f2 -Ux f + 2f g и холловской ЭДС

40 частотой f Ux

Тогда с учетом напряжения неэквипотенциальности Бн на выходных выводах 8 и 9 датчика Холла 1 присутствует сумма напряжений, а именно:

-2 >jt+ — ".B 3 costu„t+3 R соьi>„

732772

К Улл

Л0

݄— величина управляющеко тока, протекающего через датчик Холла 1;

R „— коэффициент постоянной

Холла полупроводниковой пластины датчика;

С вЂ” толщина полупроводни— ковой пластины датчика;

0Ст — остаточное сопротивление между выходными выводами 8 и 9 датчика

Холла 1, возникающее из-за асимметричности расположения выходных выводов 8 и 9 при отсутствии магнитного

-поля .

Из выражения (3) следует отметить, что третье слагаемое U„ является неинформативной составляющей выходного. напряжения U,„äàò÷èêà Холла 1, которую целесообразно довести до минимума, т.е. скомпенсировать, Компенсацию U„ añóùåñòâëÿþò при заданной температуре Т датчика Холла 1, например, при 45 С. При этом на выходе усилителей 10 и 11

lIoHBJIRl0TcH напряжения 0„ f1 +2f2 H

Uz Йл (фиг. 2б) . Тогда на выходе амплитудного детектора 13 и на выходе синхронного детектора 12 возникают соответственно два выходных напряжения U и U8 к, >которые определяЬыкл ются следующими выражениями:

u" =u к к

БЫК КЛ У ЛО С), (5) где U f + 2f — величина холловской

ЭДС комбинационной частоты при сут ст вующая н а в ходе усилителя 11 у

Х 1 величина холловской

ЭДС частоты, присут ст в ующая н а в ходе усилителя 10; — коэффициент усиления усилителя ll;

К

УЛО коэффициент усиления усилителя 10; коэффициент передачи амплитудного детектора 13;

К 0 — коэффициент синхронсв ного детектора 12.

Анализируя вышеприведенные выражения (2) и (3) можно заметить, что путем варьирования величин коэффициентов усиления К„„„и КУ„,, избирательных усилителей 11 и 10, а также подбором коэффициентов передач К<в и

КЛВ можно достигнуть равенства Ю П (6)

1) вык1 "Ьыу 2 что и было осушествлено в предлагаемом магнитометре (фиг. 2в до t ) .

При этом на обоих входах вычитающего блока 14 присутствуют равные напряжени я U z,x„è Ug„,„поэтому выходное напряжение вычитающего блока 14, воздействующее на масштабный преобразователь 16 будет равно нулю. В этом случае ток подогрева, вырабатываемый масштабным преобразователем 16 и действующим в выходной цепи масштабного преобразов теля 16, к которой подключен входными выводами 2 и 3 датчик Холла 1 также равен нулю.

При изменении температуры Т датчика Холла 1, условие компенсации Пнэ нарушается, поэтому даже незначительное изменение величин П„ обуславливает появление на выходе синхронного детектора суммы напряжений U è

15 Uxf1 (фиг,2в 1Л -t ), т.е.

III

М$ )нэ1К,10 К

В этом случае на входе вычитаю

lil щего блока 14 возникают П„,„и

20 РЫХЛ

U значения величин которых отличаются друг от друга на величину

О„э К„л„,- К, что обуславливает появление на выходе вычитающего блока 14 управляющего напряжения (фиг. 2г, t< -t >), воэдействуюцего на масштабный преобразователь 16, в выходной цепи которой появляЕтся постоянный ток, величина которого пропорциональна изменению температуры датчика Холла 1, время суШество30 вания постоянного тока масштабного преобразователя 16 определяется достижением датчика Холла 1 первоначальной заданной температуры Т (фиг. 2г, t< -t 2) . По достижению температуры Т, 35 U скомпенсируется, управляющее

Н напряжение на выходе вычит ающе ro блока 14 и постоянный ток к выходной цепи масштабного преобразователя пропадает (фиг.2д, t>t ) . Всякий раз, 4О при изменении температуры вышеописанный процесс повторяется, при этом, тем с большей точностью будет поддерживаться температура Т датчика, чем больше коэффициент усиления

К масштабного преобразователя и

Ус

4> чем с большей точностью выдержано выражение (6), так как обшеизвестно, что в системе с отрицательной обратной связью влияние возмущающего воздействия ослабляется в 1 + P К раэ

50 по сравнению с этой системой при разомкнутой цепи отрицательной обратной связи. В этом выражении К— петле вой коэффициент передачи системы, p — коэффициент обратной связи.

55 На основании вышеизложенного можно утверждать, что для системы с замкнутой обратной связью для выходного напряжения, создаваемого избирательным усилителем 10, синхронным детектором 12 и масштабным преобразователем 16, будет справедливо следующее выРажение: 0„,. 1,К .К

К Л к л "ло CD Л+К„ „ ", КУс

0Х 0%К .К +

Л- нЗ

04К -К

65 к Л "ло С >

732772 где К > — коэффициент усилени я масштабного преобразователя 16;

U — величина напряжения ненэ э квипотенциально сти на входе избирательного усилителя 10, возникающая при изменении температу-, ры T от заданной величины.

Из анализа выражения (8) следует два существенных вывода: 1 — чувствительность датчика Холла 1, а значит и всего магнитометра, не зависит от обратной связи по U» 2 — выбором коэффициента усиления масштабного преобразователя 16 можно добиться эн.. чительной температурной стабилизации датчика Холла 1, т.е. высокого постоянства чувствительности датчика Холла 1. Наводки на выводах датчика за счет магнитного поля при этом могут быть подавлены избирательнымии усилителями 10 и 11 при соответствующем выборе полосы пропускания этих усилителей. Выход масштабного преобразователя 16, подсоединенного к входным выводам 2 и 3 датчика

Холла 1 и выход генератора 4 питания датчика, подключенного также к вход ным выводам 2 и 3 датчика Холла 1, могут быть согласованы введением соответствующих развязывающих цепей,, зр фильтров.

>ор",аула и эо бретени я магнитт "-.".-., содержащий датчик

"олла, концентратор с двумя встречно включенными обмотками, подсоединенными к первому генератору переменного тока, основной избирательный усилитель, связанный с выходными электродами датчика Холла и регистрирующий прибор, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью ловышения чувствительности и точности измерений, он снабжен вторым генератором переменного тока, подключен1О ным 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 усилителя, вычитающим блоком, подключенным к выходам детекторов и с масштабным преобразователем, включенным между выходом вычнтающего блока и входной

20 цепью датчика Холла, при этом вход дополнит ельного и э бират ельно ro усилителя подключен ко входам основного, а второй вход синхронного детектора к выходу второго генератора перер5менного тока °

Ист очи и ки и н формации, принятые во внимание при экспертизе

Щ l. Авторское свидетельство СССР

9 418817, кл. G 01 R 33/06, 1974.

2. Авторское свидетель ст во СССР

Р 475572, кл. G 01 R 33/06, 1975.

732772

Составитель Е. Данилина

Техред И.Асталош Корректор И. Муска

Редактор П. Макаревич

Заказ 1550/8

Тирам 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР,по делам изобретений и открытий

113035 Москва X-35 Ра ская наб. д. 4 5 г ю уш l

Филиал ППП Патент, г. Ужгород,ул. Проектная,4

8 д