магнитометр (варианты)

Формула изобретения

1 1. Магнитометр, содержащий однокомпонентный магниточувствительный датчик, анизотропный магнитный экран, выполненный в виде рамки, охватывающей магниточувствительный датчик, усилительно-преобразовательный блок, первый вход которого подключен к выходу магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, генератор переменной ЭДС, выходы которого подключены к вторым входам магниточувствительного датчика и усилительно-преобразовательного блока, блок сложения и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным однокомпонентным магниточувствительным датчиком, дополнительным усилительно-преобразовательным блоком, первый вход которого подключен к выходу дополнительного магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, вторые входы дополнительного усилительного-преобразовательного блока и дополнительного магниточувствительного датчика подключены к выходам генератора переменной ЭДС, вторые выходы обоих усилительно-преобразовательных блоков подключены к входам блока сложения, выход которого подключен к регистрирующему прибору, при этом магнитные оси обоих датчиков размещены коллинеарно, а магнитная ось основного магниточувствительного датчика расположена в плоскости рамки анизотропного магнитного экрана.2 2. Магнитометр, содержащий однокомпонентный магниточувствительный датчик, анизотропный магнитный экран, выполненный в виде рамки, охватывающей магниточувствительный датчик, усилительно-преобразовательный блок, первый вход которого подключен к первому выходу магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, генератор переменной ЭДС, выходы которого подключены к вторым входам магниточувствительного датчика и усилительно-преобразовательного блока, и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным однокомпонентным магниточувствительным датчиком, дополнительным усилительно-преобразовательным блоком, первый вход которого подключен к выходу дополнительного магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, вторые входы дополнительного усилительно-преобразовательного блока и дополнительного магниточувствительного датчика подключены к выходам генератора переменной ЭДС, второй выход дополнительного усилительно-преобразовательного блока подключен к регистрирующему прибору, а второй выход основного магниточувствительного датчика подключен к первому входу дополнительного датчика, при этом магнитные оси обоих датчиков размещены коллинеарно, а магнитная ось основного магниточувствительного датчика расположена в плоскости рамки анизотропного магнитного экрана.2 3. Магнитометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен обмоткой возбуждения, охватывающей магнитный экран и подключенной к генератору переменной ЭДС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магниторазведке для поиска полезных ископаемых, в навигации для определения координат судна, в аварийно-спасательных работах, например, для определения местоположения намагниченных тел, в частности затонувших судов, самолетов и т.д.

Известен магнитометр [1] состоящий из первичного преобразователя (магниточувствительного датчика, в частности феррозонда), усилительно-преобразовательного блока, вход которого подключен к выходу магниточувствительного датчика, а выход к регистрирующему прибору и через резистор к первому входу магниточувствительного датчика, и генератора переменной ЭДС, выходы которого подключены ко вторым входам магниточувствительного датчика и усилительно-преобразовательного блока. При этом усилительно-преобразовательный блок состоит из избирательного усилителя и синхронного детектора.

Известный магнитометр измеряет проекцию вектора магнитной индукции на магнитную ось магниточувствительного датчика, поэтому этот магнитометр имеет диаграмму направленности в виде двух одинаковых касающихся окружностей. Через центры этих окружностей проходит прямая, совпадающая с магнитной осью магниточувствительного датчика [2] Если принять, как и в радиолокации, за ширину диаграммы направленности угол между направлениями, в которых интенсивность сигнала от источника магнитного поля составляет 0,5 от интенсивности сигнала по оси диаграммы направленности, когда магнитное поле параллельно оси магниточувствительного датчика, то ширина диаграммы направленности известного магнитометра составит 120^o. Большая ширина диаграммы направленности известного магнитометра является причиной низкой его разрешающей способности по угловым координатам.

Известно также устройство (магнитометр) для измерения компонент магнитного поля [3] которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Известный магнитометр содержит однокомпонентный магниточувствительный датчик; анизотропный магнитный экран, выполненный из ферромагнитных колец, охватывающих магниточувствительный датчик и соосных с осью датчика; усилительно-преобразовательный блок, первый вход которого подключен к выходу магниточувствительного датчика, а выход подключен через резистор к первому входу этого датчика; генератор низкой частоты, выходы которого подключены к обмотке возбуждения анизотропного экрана; генератор переменной ЭДС, выходы которого подключены ко вторым входам магниточувствительного датчика и усилительно-преобразовательного блока; регистрирующий прибор; синхронный детектор низкой частоты, входы которого подключены к выходам генератора низкой частоты и усилительно-преобразовательного блока, и блок сложения, входы которого подключены к выходам синхронного детектора низкой частоты и усилительно-преобразовательного блока, а выход подключен к регистрирующему прибору.

Известный магнитометр работает следующим образом. На второй вход магниточувствительного датчика подается с генератора переменной ЭДС напряжение, возбуждающее этот датчик. В результате этого на выходе датчика появляется ЭДС второй гармоники, пропорциональная проекции вектора магнитной индукции на магнитную ось датчика (Ю.В.Афанасьев. Феррозондовые приборы, Л. Энергоатомиздат, 1986, с.66). Выходной сигнал с датчика усиливается и детектируется в усилительно-преобразовательном блоке. Для детектирования сигнала на второй вход усилительно-преобразовательного блока подается переменное напряжение с генератора переменной ЭДС. Выходной сигнал с усилительно-преобразовательного блока подается на первый вход магниточувствительного датчика, обеспечивая тем самым отрицательную обратную связь по измеряемой составляющей вектора магнитной индукции.

Анизотропный магнитный экран выполнен в виде ферромагнитных колец, охватывающих магниточувствительный датчик и соосных с геометрической осью этого датчика, обеспечивает ослабление влияния на результат измерения поперечного магнитного поля, перпендикулярного упомянутой геометрической оси датчика при условии возможной непараллельности магнитной и геометрической осей датчика, которая может составить порядка 18" (Ю.В.Афанасьев. Феррозондовые приборы, Л. Энергоатомиздат, 1986, с.68).

При высокоточных измерениях магнитной индукции для исключения возможной остаточной намагниченности анизотропного ферромагнитного экрана с генератора низкой частоты подается на обмотку, охватывающую этот экран, напряжение низкой частоты, которая существенно меньше частоты возбуждения датчика. В результате этого магнитная проницаемость ферромагнитного экрана изменяется с удвоенной частотой, а значит, на выходе датчика появляется напряжение второй гармоники низкой частоты, обусловленное непараллельностью магнитной оси датчика и геометрической оси ферромагнитного экрана. Напряжение это выделяется синхронным детектором низкой частоты и подается на блок сложения с противоположным знаком напряжению, содержащемуся в сигнале на выходе усилительно-преобразовательного блока. В результате этого на регистрирующий прибор подается с блока сложения сигнал, свободный от ложного сигнала, обусловленного остаточной намагниченностью ферромагнитного экрана.

Известный магнитометр измеряет проекцию вектора магнитной индукции на магнитную ось магниточувствительного датчика (Ю.В.Афанасьев, Феррозондовые приборы. Л. Энергоатомиздат, 1986, с.66), поэтому этот магнитометр, как и аналог, имеет диаграмму направленности в виде двух одинаковых касающихся окружностей, через центры которых проходит прямая, совпадающая с магнитной осью магниточувствительного датчика (Ю.В.Афанасьев, Н.В.Студенцов, В.Н.Хорев и др. Средства измерения параметров магнитного поля, Л. Энергия, 1979, с.91, рис. 4-4). Следовательно, известный магнитометр, как и аналог, имеет большую ширину диаграммы направленности (порядка 120^o), что является причиной его низкой разрешающей способности по угловым координатам.

Задачей данного изобретения является создание магнитометра, обеспечивающего определение направления на источник магнитного поля с высокой точностью, а следовательно, обеспечивающего определение местоположения этого источника с большой точностью. Кроме того, этот магнитометр должен обеспечивать определение направления на источник магнитного поля, а значит и возможность определения местоположения до этого источника при наличии в пространстве сторонних источников магнитного поля. Поставленная задача решается за счет компенсации сигналов от источников магнитного поля, находящихся вне выбранной зоны, что обеспечивает реализацию узкой диаграммы направленности магнитометра.

Данное техническое решение представляет собой два устройства (магнитометра), связанных между собой настолько, что они образуют единый общий изобретательский замысел.

Магнитометр (по первому варианту), содержащий однокомпонентный магниточувствительный датчик, анизотропный магнитный экран, выполненный в виде рамки, охватывающей магниточувствительный датчик, усилительно-преобразовательный блок, первый вход которого подключен к выходу магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, генератор переменной ЭДС, выходы которого подключены ко вторым входам магниточувствительного датчика и усилительно-преобразовательного блока, блок сложения и регистрирующий прибор, снабжен дополнительным однокомпонентным магниточувствительным датчиком, дополнительным усилительно-преобразовательным блоком, первый вход которого подключен к выходу дополнительного магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, вторые входы дополнительного усилительно-преобразовательного блока и дополнительного магниточувствительного датчика подключены к выходам генератора переменной ЭДС, вторые выходы обоих усилительно-преобразовательных блоков подключены ко входам блока сложения, выход которого подключен к регистрирующему прибору, при этом магнитные оси обоих датчиков размещены коллинеарно, а магнитная ось основного магниточувствительного датчика расположена в плоскости рамки анизотропного магнитного экрана.

Магнитометр (по второму варианту), содержащий однокомпонентный магниточувствительный датчик, анизотропный магнитный экран, выполненный в виде рамки, охватывающей магниточувствительный датчик усилительно-преобразовательный блок, первый вход которого подключен к первому выходу магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, генератор переменной ЭДС, выходы которого подключены ко вторым входам магниточувствительного датчика и усилительно-преобразовательного блока, и регистрирующий прибор, снабжен дополнительным однокомпонентным магниточувствительным датчиком, дополнительным усилительно-преобразовательным блоком, первый вход которого подключен к выходу дополнительного магниточувствительного датчика, а первый выход подключен к первому входу этого датчика, вторые входы дополнительного усилительно-преобразовательного блока и дополнительного магниточувствительного датчика подключены к выходам генератора переменной ЭДС, второй выход дополнительного усилительно-преобразовательного блока подключен к регистрирующему прибору, а второй выход основного магниточувствительного датчика подключен к первому входу дополнительного датчика, при этом магнитные оси обоих датчиков размещены коллинеарно, а магнитная ось основного магниточувствительного датчика расположена в плоскости рамки анизотропного магнитного экрана.

Кроме этого, магнитометр (по первому и второму вариантам) может быть снабжен обмоткой возбуждения, охватывающей магнитный экран и подключенной к генератору переменной ЭДС.

Использование магнитометров по обоим вариантам обеспечивает для них реализацию узкой диаграммы направленности. Получение данного технического результата возможно при использовании двух однокомпонентных магнитометров, измеряющих одну и ту же индукцию от источника поля. Если при отсутствии магнитного экрана инвертированный выходной сигнал (для магнитометра по первому варианту) с основного усилительно-преобразовательного блока сложить с выходным сигналом с дополнительного усилительно-преобразовательного блока, то сигнал на выходе блока сложения будет равен нулю.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами. На фиг. 1 изображена структурная схема магнитометра по первому варианту при отсутствии остаточной намагниченности магнитного экрана. На фиг. 2 изображена структурная схема магнитометра по второму варианту при отсутствии остаточной намагниченности магнитного экрана. На фиг. 3 изображена структурная схема магнитометра по первому варианту при наличии остаточной намагниченности магнитного экрана. На фиг. 4 изображены диаграммы направленности известных однокомпонентных магнитометров и предлагаемого.

Предлагаемый магнитометр по первому варианту состоит (см. фиг. 1) из основного 1 и дополнительного 2 однокомпонентных магниточувствительных датчиков; анизотропного магнитного экрана 3, охватывающего датчик 1; основного 4 и дополнительного 5 усилительно-преобразовательных блоков; генератора 6 переменной ЭДС; блока 7 сложения и регистрирующего прибора 8. При этом магнитная ось датчика 1 расположена в плоскости рамки анизотропного магнитного экрана 3, а магнитные оси датчиков 1 и 2 для рассматриваемого случая соосны. Выходы датчиков 1 и 2 подключены к первым входам соответствующих блоков 4 и 5, первые выходы которых подключены к первым входам соответствующих датчиков 1 и 2, а вторые выходы подключены ко входам блока 7 сложения; вторые входы датчиков 1 и 2 и вторые входы блоков 4 и 5 подключены к выходам генератора 6, а вход прибора 8 подключен к выходу блока 7 сложения.

Предлагаемый магнитометр по второму варианту (см. фиг. 2) состоит из основного 1 и дополнительного 2 однокомпонентных магниточувствительных датчиков; анизотропного магнитного экрана 3, охватывающего датчик 1, основного 4 и дополнительного 5 усилительно-преобразовательных блоков, генератора 6 переменной ЭДС и регистрирующего прибора 8. При этом магнитная ось датчика 1 расположена в плоскости рамки анизотропного экрана 3, а магнитные оси датчиков 1 и 2 для рассматриваемого случая соосны. Первый выход датчика 1 и выход датчика 2 подключены к первым входам соответствующих блоков 4 и 5, первые выходы которых подключены к первым входам соответствующих датчиков 1 и 2; вторые входы датчиков 1 и 2 и вторые входы блоков 4 и 5 подключены к выходам генератора 6; второй выход блока 5 подключен к прибору 8, а второй выход датчика 1 подключен к первому входу датчика 2. Таким образом, магнитометр по второму варианту отличается конструктивно от магнитометра по первому варианту межблочными связями и отсутствием блока сложения.

Для исключения влияния на результат измерения магнитного поля, обусловленного остаточной намагниченностью анизотропного экрана, выполненного, например, из пермаллоя, данный магнитометр (его варианты) может быть дополнен обмоткой возбуждения, охватывающей анизотропный магнитный экран и подключенной к генератору переменной ЭДС.

В этом случае данный магнитометр, например, по первому варианту состоит (см. фиг. 3) из основного 1 и дополнительного 2 однокомпонентных магниточувствительных датчиков; анизотропных магнитного экрана 3, охватывающего датчик 1, основного 4 и дополнительного 5 усилительно-преобразовательных блоков, генератора 6 переменной ЭДС, блока 7 сложения, регистрирующего прибора 8 и обмотки 9 возбуждения, охватывающей экран 3. При этом магнитная ось датчика 1 расположена в плоскости рамки экрана 3, а магнитные оси датчиков 1 и 2 для рассматриваемого случая параллельны. Выходы датчиков 1 и 2 подключены к первым входам соответствующих блоков 4 и 5, первые выходы которых подключены к первым входам соответствующих датчиков 1 и 2, а вторые выходы подключены ко входам блока 7 сложения; вторые входы датчиков 1 и 2 и вторые входы блоков 4 и 5 подключены к выходам генератора 6; вход прибора 8 подключен к выходу блока 7 сложения, а выход генератора 6 подключен к обмотке 9 возбуждения.

В данном магнитометре (см. фиг. 1 3) датчики 1 и 2, усилительно-преобразовательные блоки 4, 5 и генератор 6 выполнены аналогично как и в известном магнитометре (Ю. В. Афанасьев, Феррозондовые приборы, Л. Энергоатомиздат, 1986, с.108), состоящем из однокомпонентного феррозондового датчика, усилительно-преобразовательного блока, генератора переменной ЭДС и регистрирующего прибора. При этом как и в упомянутом известном магнитометре каждый усилительно-преобразовательный блок в данном магнитометре состоит из избирательного усилителя и синхронного детектора. Блок 7 сложения (см. фиг. 1, 3) представляет собой суммирующий усилитель. Магнитный экран может быть или сверхпроводящий, или ферромагнитный из пермаллоевой ленты в виде рамки (кольца или прямоугольной рамки), при этом экран может быть многослойным, а ширина ленты экрана равна или больше ширины магниточувствительного элемента датчика.

Магнитометр работает следующим образом (см. фиг. 1 3). На вторые входы датчиков 1 и 2 подается с генератора 6 напряжение, возбуждающее эти датчики. В результате этого на выходе каждого датчика 1 и 2 появляется ЭДС второй гармоники, пропорциональная проекции вектора магнитной индукции на магнитную ось соответствующего датчика. Выходные сигналы с датчиков 1 и 2 усиливаются и детектируются в соответствующих блоках 4 и 5. Для детектирования сигналов на вторые входы блоков 4 и 5 подается переменное напряжение с генератора 6. При отсутствии экрана 3 диаграмма направленности каждого из датчиков 1 и 2 имеет вид двух касающихся окружностей, представленных пунктирными линиями на фиг. 4. Магнитный экран 3 осуществляет локальное экранирование магнитной индукции от источника магнитного поля. Зона экранирования зависит от размеров рамки экрана, в частности от ширины ленты экрана, от размеров сторон этой рамки или ее радиуса, если рамка выполнена в виде кольца. На фиг. 4 изображена диаграмма направленности датчика 1 (см. фиг. 1 3) с магнитным экраном 3, где угол определяет зону нечувствительности этого датчика, обусловленную магнитным экранированием. Для кольцевого экрана , где l ширина ленты экрана, R радиус кольца. Далее работа магнитометра по первому варианту осуществляется следующим образом. Выходные сигналы (см. фиг. 1, 3) с блоков 4 и 5 подаются на первые входы соответствующих датчиков 1 и 2, обеспечивая отрицательную обратную связь по измеряемой составляющей вектора магнитной индукции. Выходные сигналы с блоков 4 и 5 подаются на входы блока 7. При отсутствии экрана 3, а также принимая во внимание, что расстояние между парой датчиков 1 и 2 много меньше расстояния от каждого из них до источника магнитного поля, значения сигналов на выходах блоков 4 и 5 будут равны, при этом диаграмма направленности по магнитному полю будет иметь вид двух касательных окружностей, представленных пунктирной линией на фиг. 4 (диаграмма направленности). Наличие (см. фиг. 1 и фиг. 3) экрана 3 сужает пространственную зону чувствительности датчика 1 на угол (см. фиг. 4). Подавая один из сигналов (см. фиг. 1, 3), например, с блока 4 на прямой вход, а с блока 5 на инвертирующий вход блока 7 сложения, получим на выходе блока 7 сигнал только в зоне угла a, то есть получим диаграмму направленности g (см. фиг. 4). Сигнал (см. фиг. 1, 3) с блока 7 регистрируется прибором 8. Так, например, при ширине ленты экрана 2 мм, выполненного в виде кольца диаметром 26 мм, и длиной 14 мм магниточувствительного элемента датчика, выполненного штамповкой из пермаллоевой ленты толщиной 0,02 мм в виде рамки типа "рейс-трека", расположенного в центре кольца экрана так, что их плоскости параллельны, ширина диаграммы направленности, полученная на расстояниях 5 м и 26 м до источника магнитного поля, имеет соответствующие значения 9,1^o и 8,8^o. Ширина диаграммы направленности, полученная из приведенного ранее выражения, имеет значение . При этом значение ширины диаграммы направленности оценивалось на уровне ослабления максимальной интенсивности сигнала примерено в 6 раз, а не как в радиолокации на уровне ослабления максимальной интенсивности сигнала в 2 раза. Таким образом, магнитометры, представленные на фиг. 1 и фиг. 3, имеют узкую диаграмму направленности, которая более чем на порядок уже по сравнению с прототипом, а следовательно, и высокую разрешающую способность по угловым координатам. По сигналу с блока сложения можно определить направление на источник магнитного поля с погрешностью . Изменяя местоположение датчиков магнитометра, расположенных на жестком немагнитном основании, путем перемещения упомянутого основания в направлении магнитных осей датчиков, если оси этих датчиков соосны (см. фиг. 1, 2), или в направлении перпендикулярном плоскости рамки магнитного экрана, если оси датчиков параллельны (см. фиг. 3), можно определить местоположение источника магнитного поля по методике, изложенной в известной работе (Б. М.Смирнов, Определение момента магнитного диполя и расстояния до него на основании измерений градиента магнитной индукции при заданном направлении на диполь. Методы и средства точных магнитных измерений, Л. НПО ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, 1980, с.50-59).

Работы магнитометра по второму варианту осуществляются следующим образом. Выходной сигнал (см. фиг. 2) с блока 4 подается на первый вход датчика 1, а затем с датчика 1 на первый вход датчика 2, осуществляя тем самым автокомпенсацию измеряемого магнитного поля в направлении магнитных осей этих датчиков. При отсутствии экрана 3, а также принимая во внимание, что расстояние между датчиками 1 и 2 много меньше расстояния от каждого из этих датчиков до источника магнитного поля, значения составляющих вектора магнитной индукции в местах расположения датчиков 1 и 2 будут равны. В таком случае, при автоматической компенсации составляющих вектора магнитной индукции в направлении магнитной оси датчика 2 выходной сигнал с блока 5 будет равен нулю. Наличие экрана 3 сужает пространственную зону чувствительности датчика 1 на угол (см. фиг. 4), поэтому на выходе блока 5 получим сигнал только в зоне угла a. Этот сигнал с первого выхода (см. фиг. 2) блока 5 подается на первый вход датчика 2, осуществляя тем самым отрицательную обратную связь по измеряемому магнитному полю в зоне чувствительности угла a (см. фиг. 4). Со второго (см. фиг. 2) выхода блока 5 этот же сигнал об измеряемой магнитной индукции подается на регистрирующий прибор 8.

Магнитометр по второму варианту в отличие от магнитометра по первому варианту имеет более широкий динамический диапазон по измеряемому сигналу датчиком 2 и блоком 5 благодаря автоматической компенсации магнитной индукции от сторонних источников магнитного поля, расположенных (см. фиг. 4) вне зоны диаграммы направленности (за пределами угла a).

Технический результат магнитометра по второму варианту (см. фиг. 2) тот же, что и магнитометра по первому варианту, и выражается в компенсации сигналов от источников магнитного поля, находящихся вне выбранной зоны действия магнитного экрана, что обеспечивает реализацию узкой диаграммы направленности магнитометра, а следовательно, обеспечивает высокую разрешающую способность этих магнитометров по угловым координатам. В свою очередь это позволяет достичь высокой точности определения направления на источник магнитного поля и расстояния до этого источника.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены структурные схемы магнитометров, когда магнитный экран или не имеет остаточной намагниченности (сверхпроводящий экран), или имеет остаточную намагниченность (ферромагнитный экран), но влиянием ей на результат измерения магнитной индукции от источника магнитного поля можно пренебречь.

На фиг. 3 изображена структурная схема магнитометра, например, по первому варианту, когда следует исключить влияние остаточной намагниченности экрана.

Для исключения остаточной намагниченности (см. фиг. 3) экрана 3 с генератора 6 на обмотку 9, охватывающую экран 3, периодически подается, например, экспоненциально затухающий ток высокой частоты, превышающей примерно на порядок частоту напряжения, поступающего на вторые входы датчиков 1 и 2, а длительность периода этих экспоненциально затухающих посылок тока высокой частоты существенно больше периода переменного напряжения, поступающего на вторые входы датчиков 1 и 2. В результате этого воспроизводится экспоненциально затухающее переменное магнитное поле, размагничивающее магнитный экран 3. При этом частота тока, обеспечивающего размагничивание экрана, и более высокие частоты находятся вне полосы пропускания как блока 4, так и блока 5, что не влияет на результат измеряемого магнитного поля. Следовательно, периодическое размагничивание магнитного экрана с флуктуацией остаточной намагниченности позволяет реализовать магнитометр со стабильной симметричной узкой диаграммой направленности.