Магнитометр

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >8()5234 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 220379 (21) 2740155/18-25 с присоединением заявки Йо рцм. к .

Q 01 V 3/40

1 осуттарс ке нный комитет

СССР оо делам итобретений и открытий (23) Приоритет —.

Опубликовано 150". >1. Бюллетень ¹ б (53) НЖ 550. 838 (088.8) Дата опубликования описания 1702Â1 (72) Авторы изобретения (711 Заявитель (54 ) МЛГНИТОМЕТР а также невозможность оперативного преобразования информации в цифровой код и интерпретацию измерений посредством ЭЦВМ. Кроме того, с цельнт увеличения чувствительности за счет увеличения оптического рычага путсм применения нескольких плоских зеркал, с увеличением чист а отражающих зеркальных плоскостей существенно усложняется настройка и тарировка прибора.

Известен также автоматический кварцевый магнитометр, содержащий магниточувствительный кварцевый элемент с компенсирующей колечной системой, фотодатчик и аналого-цифровои преобразователь с регистратором. 4тиксация перемещения светового луча осуществляется посредством фотодатчика, который,в зависимости от отклонения светового луча, выдает на селектор сигналы, управляющие поступлением импульсов тактового генератора на один из входов реверсивного счетчика. В каждый момент времени значение кс.;а, зафиксированного на выходах реверсивного счетчика, преобразуется в ток преобразователя код-ток. От преобразователя ток поступает в кольцо компенсирующей системы таким образом, Изобретение относится к геофизике, предназначено для измерения компонентов магнитного поля Земли и может быть использовано в стационарных магнитных обсерваториях и при геофизических исследованиях в полевых условиях.

Известны оптико-механические магнитометры, содержащие кварцевый магнитный вариометр, осветитель и устройство регистрации. Регистрация .траектории перемещения отраженного светового луча производится, как правило, в аналоговой форме на фотобумаге, когда координата светового луча про- 15 порциональна углу отклонения плоскости зеркальца магниточувствительного элемента вариометра. Протяжка фотобумаги осуществляется посредством часового или электромеханического привода. Повышение чувствительности известного устройства достигается за счет увеличения оптического пути многократным отражением светового луча от плоских зеркал (1j и (23.

Недостатками известных магнитометров являются представлеиие резуль- татов измерений в виде фотозапнси, требующей фотохимической обработки и дальнейшей трудоемкой расшифровки, 30 (»

В. И. Уткин, В. H. Овчинников и Д. М. Копылов

=" И;".ОВ"-.3-9:-: 9

i 4 $ c:" p, i3te;,, тт)а

ll

k Ф с 1(,т ",) т а. ° е . д !

" )"."< 1

Институт геофизики Уральского научного цЕнтра AH СССР

805234 ь+я

S i t1 р 54 VI (с(w р) в свою очередь, что компенсирует отклонение светового луча до тех пор, пока световой луч не установится в центре фотодатчика. Регистрация производится через определенные промежутки времени и осуществляется посредством самопишущего .прибора. Кроме того, инф(>рмация в циф- 5 ровом коде может поступать непосредственно на цифровые регистраторы или на вход ЭЦВМ (3).

Недостатком данного магнитометра является применение нестабильного во времени фотодатчика, что снижает разрешающую способность измерения, сложность и ненадежность электронной схемы, ток в цепи обратной связи представляет собой ступенчато-изменяющий- 15 ся сигнал, что может привести к автоколебаниям в измерительной системе.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий магниточувствительный кварцевый элемент, осветйтель, аналого-цифровой преобразователь с регистратором, оптически связанным с осветителем и магниточувствительным элементом через оптическую систему, введено цилиндрическое зеркало, а аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде растрового волоконно-оптического жгута из световодов, на выходном конце которого закреплена интегральная фотоприемная матрица, соединенная выходами с регистратором, при этом входные торцы световодов жгута расположены на окружности. центр которой совпадает с центральной осью симметрии цилиндрического зеркала. Применение цилиндрического зеркала позволяет уменьшить число отражений светового луча при 40 достижении такого же оптического пути, как и получаемого посредством плоских зеркал. Это упрощает настройку и тарировку, и за счет измененения диаметра цилиндрического зерка- 45 ла появляется возможность изменения чувствительности магнитометра в шир >ком диапазоне. Применение оптоэлектронного аналого-цифрового преобразователя типа строка-кадр, состоящего из гибкого, волокно-оптического осветительного >хгута-преобразова теля с диаметром волокон 100 мкм и полупроводниковой интегральной фотоприемной матрицы, позволяет с необходимой точностью регистрировать на строке торцов световодов жгута положение грани перемещающего светового луча, отраженного от цилиндрического зеркала. Кроме того, применение оптоэлектронного аналого-циф- 60 рового преобразователя позволяет применять на выходе любое сочетание

-серийно выпускаемых различных приборов и устройств вычислительной техники, производить согласование и стыковку с аналогичными устройствами, выдавать информацию в цифровом коде.

На фиг.1 представлена геометрия хода светового луча: на фиг.2-график изменения функции чувствительности: на фиг.З - предлагаемый магнитометр, общая схема.

Падающий луч счета осветителя 1 (фиг.1) отражается зеркальцем магни< точувствительного кварцевого элемента 2 и попадает на наружную поверхность цилиндрического зеркала 3, имеющего радиус R и расположенного на расстоянии от зеркальца магниточувствительного элемента 2, затем световой луч попадает на поверхность 4, концен.трически расположенную относительно цилиндрического зеркала. Из построения фиг.1 вытекают очевидные геометрические соотношения и Я И f5

$4>>p s4 I1С(у откуда

51 li тогда з п((+ ь) з,„,(Ф l+R

Определены угол /Ъ =GlrCSA1(жчо()-а(, (1)

R+L угловая — 1> — с о 5 ос R+l чувстви- 4 Р =). р тельность " "(R величина перемещения пуча ВС = (R+ L) Q > ,g g(; g (R+ l) >l ная

) — C05 C(. чувст- (> ).6,((Ч) витель- ;Г (R+- l. . и

"т((— ) &4п пк ность - Р

Таким образом, из (3) и (4) следует, что системе с цилиндрическим зеркалом эквивалентна система со сканирующим плоским зеркалом, поворачи-. вающимся на угол j3 вохруr центральной оси симметрии цилиндрического зеркала 3. Иэ требования линейности отсчета вытекает необходимость расположения геометрических мест регистрации светового луча по окружности с центром, совпадающим с центром цилиндрического зеркала.

В известном устройстве (1)при однократном отражении светового луча

65 величина чувствительности. равна 2 .

В предлагаемом устройстве величина чувствительности определяется следующим выражением

- L (+ — ). ((,os о(y (-р — ) - sin c(- ) ь к.

6оС (1) На фиг.2 приведен график изменения функции чувствительности — =f(((— 1, 65 . Ь. тк (я)

805234

k=t(<;

13,67

3,17 11,84 17,72

10,70 28,60

10 3,69

15 5,40

11,15

Из кривых графиков (фиг.2 ) следует, что при одних и тех же габаритах устройства его чувствительность только путем изменения диаметра цилиндрического зеркала возможно дополнительно увеличить в 5-7 раз.- Следовательно, применение цилиндрического зеркала и указанной системы регистрации позволяет при однократном отражении получить световой рычаг, в 5-7 раз больший при меньших габаритах устройства и без заметного ухудшения линейности отсчета. На графиках (фиг.2) пунктиром отмечена область линейного отклонения светового луча.

Зависимость величины коэффициента из формулы (5 ) от изменения угла отклонения светового луча и отношения кратчайшего расстояния L между зеркальцем магниточувствительного кварцевого элемента 2 к радиусу R цилиндрического. зеркала 3 представлена в таблице.

1 3,00 5,025 7,05 9,24 11,23

2 3,01 5, 093 7,24 9,53 11,99

5 3,15 5,66 9,10 15,13 41,28

8 — 7,36 33,80

Магнитометр (фиг.3) состоит из герметического кожуха 1, выполненного из немагнитнс го материала, внутри которого закреплены осветитель 2, магниточувствительный кварцевый элемент 3 с фокусирующей линией 4,,цилиндрическое зеркало 5, растровый оптоэлектронный аналого-цифровой преобразователь, содержащий волоконно-оптические осветительные жгутыпреобразователи 6 и полупроводниковые интегральные фотоприемные матрицы 7.

Магнитометр работает .следующим образом.

Отраженный цилиндрическим зеркалом 5 световой луч, исходящий из осветителя 2 и сфокусированный на магниточувствительном кварцевом элементе

3 посредством линзы 4, перемещается

t0

ЗО

55 по торцам световодов волоконно-оптического осветительного жгута-преобразователя 6, пропорционально углу отклонения зеркальца магниточувствительного кварцевого э. змента 3. Торцы световодов на входном конце жгута образуют непрерывную растровую строку с дискретностью шага в 100 мкм, а на втором конце жгута преобразованы в прямоугольный кадр, соответствующий структуре входных характеристик полупроводниковой интегральной фотоприемной матрицы 7.

Кадр матрицы формируется из входной строки-растра путем последовательного расложения его на строки кадра, который непосредственно стыкуется со входом полупроводниковой интегральной фотоприемной матрицы 7.

Адрес отдельного элемента матрицы, в который попадает световой луч, является кодом линейного отклонения светового луча на входных торцах световодов жгута-преобразователя 6.

В предлагаемом устройстве в каждый определенный момент времени границы светового пятна и его центр определяются с погрешностью не более

+100 мкм. Для достижения еще большей точности в 10-20 раз имеется возможность применять световоды с диаметром волокон 5-10 мкм.. формула изобретения

Магнитометр, содержащий магниточувствительный кварцев - элемент, осветитель, аналого-цифровой преобразователь с регистратором, оптически связанный с осветителем и млгниточувствительным элементом через оптическую систему, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью говышения чувствительности и точности измерения, в него введено цилиндрическое зеркало, а аналого-цифровой преобразо ватель выполнен в виде растрового волоконно-оптического жгута из световодов, на выходном конце которого закреплена интегральная фотоприемная матрица, соединенная выходами с регистратором, при этом входные торцы . световодов жгута расположены по окружности, центр которой совпадает с центральной осью симметрии цилиндрического зеркала.

Источники информации, принятые во внимание гри эксйертизе

1. Авторское свидетельство ССCP

Р 166506, кл. G 01 Ч 3/00, 1963.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 166510, кл. G 01 Ч 3/00, 1963.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 409175, кл. G 01 Ч 3/00, 1972 (прототип).

805234

Заказ 10879/68 . . Тираж 743

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Подписное

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

Составитель В. Майоршин

Редактор М. Петрова Техред Н.Келушак Корректор И.Муска