RU2103703C1

RU2103703C1 - Flux-gate magnetometer

Info

Publication number: RU2103703C1
Application number: RU96100386A
Authority: RU
Inventors: И.А. Семенов
Original assignee: Малое инновационное предприятие "АРАС"
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 1998-01-27

Abstract

FIELD: electric measurement technology. SUBSTANCE: flux-gate magnetometer (Fig. 1) has three flux gates 1, 2, 3 with mutually orthogonal magnetic axes. Every flux gate consists, respectively, of core 4, 5, 6, field winding 7, 8, 9 and input winding 10, 11, 12. Magnetometer has also AC amplifier 13, phase-sensitive rectifier 14, feedback unit 15, recording device 16, pulse forming device 17, phase inverter 18, generator 19, switch 20, three excitation units 21, 22, 23, and control unit 24. Output windings 10, 11, 12 of flux gates 1, 2, 3 are connected in series. Output terminal of winding 12 is connected to common wire, and input terminal of winding 10 is connected to input of AC amplifier 13. Pulse forming device 13 may be made of series-connected diode level former and comparator. EFFECT: higher measurement results. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров магнитного поля на основе феррозондов. The invention relates to electrical engineering and can be used in devices for measuring magnetic field parameters based on fluxgates.

Известен феррозондовый магнитометр, содержащий синхронный детектор, связанный одним из выходов генератора и входом избирательного усилителя, причем синхронный детектор через цепь отрицательной обратной связи соединен с измерительным прибором, другой выход генератора соединен с обмоткой возбуждения феррозонда, измерительная обмотка феррозонда соединена с избирательным усилителем, причем феррозонд вместе с измерительной обмоткой и обмоткой возбуждения помещают в компенсационную катушку, через которую пропускают постоянный ток такой величины и полярности, чтобы создаваемое поде компенсировало измеряемое. По величине тока компенсации и его направлению судят о величине и знаке измеряемого поля. A fluxgate magnetometer is known, comprising a synchronous detector connected by one of the generator outputs and the input of a selective amplifier, the synchronous detector through a negative feedback circuit connected to a measuring device, the other output of the generator connected to a fluxgate excitation winding, a fluxgate measuring winding connected to a selective amplifier, and a fluxgate together with the measuring winding and the field winding are placed in a compensation coil, through which direct current is passed so th magnitude and polarity to create hearth offset measured. The magnitude of the compensation current and its direction are judged on the magnitude and sign of the measured field.

Недостатком известного феррозондового магнитометра является нестабильность нуля, вызванная наличием четных гармоник в источнике возбуждения, неоднородностью поля компенсации, что ограничивает порог чувствительности. A disadvantage of the known flux-gate magnetometer is the instability of zero caused by the presence of even harmonics in the excitation source, the inhomogeneity of the compensation field, which limits the sensitivity threshold.

Наиболее близким к предлагаемому является феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда, магнитные оси которых взаимно ортогональны и каждый из которых состоит из сердечникам обмотки возбуждения и выходной обмотки, усилителя переменного тока, фазового детектора, блока обратной связи, а также регистрирующий прибор, генератор и три канала возбуждения отдельных феррозондов, коммутатор и блок управления. Closest to the proposed one is a fluxgate magnetometer containing three fluxgates, the magnetic axes of which are mutually orthogonal and each of which consists of the cores of the field winding and the output winding, an AC amplifier, a phase detector, a feedback unit, as well as a recording device, a generator, and three channels excitation of individual fluxgates, switch and control unit.

Недостатком этого феррозондового магнитометра является то, что он не обеспечивает стабильность выходного сигнала, и как следствие - большая погрешность и невысокая точность измерения. The disadvantage of this flux-gate magnetometer is that it does not ensure the stability of the output signal, and as a result - a large error and low measurement accuracy.

Предлагаемый феррозондовый магнитометр позволяет повысить точность измерения за счет того, что дополнительно введенные фазовращатель и устройство формирования импульсов, соединенные последовательно и включенные между генератором и фазочувствительным выпрямителем, обеспечивают открывание ключа в устройстве фазочувствительного выпрямителя в момент максимальной амплитуды сигнала второй гармоники, и как следствие этого повышается стабильность выходного сигнала. The proposed flux-gate magnetometer allows to increase the measurement accuracy due to the fact that the additionally introduced phase shifter and pulse forming device, connected in series and connected between the generator and the phase-sensitive rectifier, provide the key opening in the phase-sensitive rectifier device at the moment of the maximum amplitude of the second harmonic signal, and as a result, it increases output signal stability.

На фиг. 1 изображена структурная схема феррозондового магнитометра; на фиг.2, 3 - эпюры напряжений в основных точках схемы; на фиг.4 - схема устройства формирования импульсов 17; на фиг.5 - схема фазочувствительного выпрямителя 14. In FIG. 1 shows a block diagram of a flux-gate magnetometer; figure 2, 3 - plot stresses at the main points of the circuit; figure 4 is a diagram of a device for generating pulses 17; 5 is a diagram of a phase-sensitive rectifier 14.

Феррозондовый магнитометр (фиг.1) содержит три феррозонда 1, 2, 3, каждый из которых состоит из сердечника 4, 5, 6, обмотки возбуждения 7, 8, 9 и выходной обмотки 10, 11, 12, усилитель переменного тока 13, фазочувствительный выпрямитель 14, блок обратной связи 15, регистрирующий прибор 16, устройство формирования импульсов 17, фазовращатель 18, генератор 19, коммутатор 20, три блока возбуждения 21, 22, 23, блок управления 24. The flux gate magnetometer (Fig. 1) contains three flux gates 1, 2, 3, each of which consists of a core 4, 5, 6, an excitation winding 7, 8, 9 and an output winding 10, 11, 12, an alternating current amplifier 13, phase-sensitive rectifier 14, feedback block 15, recording device 16, pulse forming device 17, phase shifter 18, generator 19, switch 20, three excitation blocks 21, 22, 23, control unit 24.

Выходные обмотки 10, 11, 12 феррозондов 1, 2, 3 соединены последовательно, выходной зажим обмотки 12 подключен к общему проводу, а входной зажим обмотки 10 связан с входом усилителя переменного тока 13. Выход усилителя переменного тока 13 соединен с входом фазочувствительного выпрямителя 14. Выход последнего связан с входом регистрирующего прибора 16 и блоком обратной связи 15. Выход последнего подключен к входному зажиму обмотки 10. Один выход генератора 19 соединен с входом коммутатора 20. Выходы коммутатора 20 соединены с входами блоков возбуждения 21, 22, 23, выходы которых подключены к обмоткам возбуждения 7, 8, 9 феррозондов 1, 2, 3. Выход блока управления 24 соединен с управляющими входами коммутатора 20 и регистрирующим прибором 16, выход другого генератора 19 соединен с входом фазовращателя 18, выход которого соединен с входом устройства формирования импульсов 17, выход которого соединен с входом коммутации фазочувствительного выпрямителя 14. The output windings 10, 11, 12 of the flux gates 1, 2, 3 are connected in series, the output terminal of the winding 12 is connected to a common wire, and the input terminal of the winding 10 is connected to the input of the AC amplifier 13. The output of the AC amplifier 13 is connected to the input of the phase-sensitive rectifier 14. The output of the latter is connected to the input of the recording device 16 and the feedback unit 15. The output of the latter is connected to the input terminal of the winding 10. One output of the generator 19 is connected to the input of the switch 20. The outputs of the switch 20 are connected to the inputs of the excitation blocks 21, 22 , 23, the outputs of which are connected to the field windings 7, 8, 9 of the flux gates 1, 2, 3. The output of the control unit 24 is connected to the control inputs of the switch 20 and the recording device 16, the output of another generator 19 is connected to the input of the phase shifter 18, the output of which is connected to the input of the pulse shaping device 17, the output of which is connected to the switching input of the phase-sensitive rectifier 14.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Генератор 19 вырабатывает напряжение частотой f₂ (фиг.2а). Это напряжение через коммутатор 20 поступает поочередно на входы блоков возбуждения 21, 22, 23, при этом на отрезке времени (t₂-t₁) оно воздействует на блок возбуждения 21 феррозонда 1 по X (фиг.2 б); (t₃-t₂) - на блок возбуждения 22 феррозонда 2 по Y (фиг.2 в); (t₄-t₃) - на блок возбуждения 23 феррозонда 3 по Z (фиг.2 г) и т. д.The generator 19 generates a voltage of frequency f ₂ (figa). This voltage through the switch 20 is supplied alternately to the inputs of the excitation blocks 21, 22, 23, while in the time interval (t ₂ -t ₁ ) it acts on the excitation block 21 of the flux gate 1 in X (Fig. 2 b); (t ₃ -t ₂ ) - to the excitation block 22 of the flux gate 2 in Y (Fig.2 c); (t ₄ -t ₃ ) - to the excitation block 23 of the flux gate 3 in Z (Fig.2 g), etc.

Указанные временные интервалы формируются блоком управления 24, который управляет работой коммутатора 20. Напряжение частотой f₂, пройдя через соответствующий блок возбуждения и обмотку возбуждения, возбуждает поочередно феррозонды. В каждый момент времени в возбужденном состоянии находится всегда один из феррозондов 1, 2, 3.The indicated time intervals are formed by the control unit 24, which controls the operation of the switch 20. A voltage of frequency f ₂ , passing through the corresponding excitation unit and the excitation winding, excites flux gates in turn. At each moment in time, one of the flux gates 1, 2, 3 is always in an excited state.

Измеряемое магнитное поле напряженностью H₀ воздействует одновременно на три феррозонда и вызывает перемагничивание сердечника каждого феррозонда, и появление амплитуды второй гармоники магнитной индукции, практически линейно связанной с величиной напряженности постоянного магнитного поля H₀, следовательно, выходной сигнал с выходной обмотки того феррозонда, на обмотку возбуждения которого в данное время подано напряжение с генератора 19, будет содержать вторую гармонику с амплитудой, пропорциональной измеряемому магнитному полю.A measured magnetic field of intensity H ₀ acts simultaneously on three flux gates and causes magnetization reversal of the core of each flux gate, and the appearance of the amplitude of the second harmonic of the magnetic induction, which is almost linearly related to the magnitude of the constant magnetic field H ₀ , therefore, the output signal from the output winding of that flux gate the excitation of which is currently supplied with voltage from the generator 19, will contain a second harmonic with an amplitude proportional to the measured magnetic field.

Поскольку выходные обмотки феррозондов включены последовательно, на вход усилителя переменного тока 13 на интервале (t₂-t₁) поступает сигнал, содержащий модулирующую функцию частоты f₂ генератора 19, с амплитудной модуляцией второй гармоники, амплитуда которой определяется составляющей (H₁) магнитного поля H₀ (фиг.3 а).Since the output windings of the flux gates are connected in series, the signal containing the modulating function of the frequency f _{2 of the} generator 19, with amplitude modulation of the second harmonic, the amplitude of which is determined by the component (H ₁ ) of the magnetic field, is input to the input of the AC amplifier 13 in the interval (t ₂ -t ₁ ) H ₀ (Fig. 3 a).

На интервале (t₃-t₂) амплитуда определяется составляющей H_Y магнитного поля H₀ на интервале (t₄-t₃) - H_Z и так далее.On the interval (t ₃ -t ₂ ) the amplitude is determined by the component H _{Y of the} magnetic field H ₀ on the interval (t ₄ -t ₃ ) - H _Z and so on.

Усилителем переменного тока 13 выделяется вторая гармоника (фиг.3 б) из сигнала, поступающего при возбуждении (например, обмотки возбуждения 7 феррозонда 1), которая затем поступает на вход канала ключа фазочувствительного выпрямителя 14. Одновременно на вход фазовращателя 18 с генератора 19 поступает сигнал частотой f₂.The alternating current amplifier 13 isolates the second harmonic (Fig. 3 b) from the signal received upon excitation (for example, the excitation winding 7 of the flux gate 1), which then enters the key channel input of the phase-sensitive rectifier 14. At the same time, a signal is input to the phase shifter 18 from the generator 19 frequency f ₂ .

В фазовращателе 18 устанавливаются необходимой регулировкой величины фазового сдвига так, чтобы переход сигнала через 0^o, π^°, 2π^° и т. д. соответствовал максимальной амплитуде второй гармоники с выхода усилителя переменного тока 13 (фиг.3 в).In the phase shifter 18, the necessary adjustment of the phase shift value is set so that the signal transition through 0 ^o , π ^° , 2π ^° , etc., corresponds to the maximum amplitude of the second harmonic from the output of the AC amplifier 13 (Fig. 3 c).

Поступивший с выхода фазовращателя 18 сигнал на вход устройства формирования импульсов 17 формируется на выходе этого устройства в периодическую последовательность коротких прямоугольных импульсов (фиг.3), которые поступают на адресный вход аналогового ключа фазочувствительного выпрямителя 14 и открывают канал ключа в момент прохождения импульса, и сигнал максимальной амплитуды второй гармоники запоминается на конденсаторе 1 (фиг.5), затем повторяется буфером 2. Received from the output of the phase shifter 18, the signal to the input of the pulse forming device 17 is generated at the output of this device in a periodic sequence of short rectangular pulses (Fig. 3), which are fed to the address input of the analog key of the phase-sensitive rectifier 14 and open the channel of the key at the time of passage of the pulse, and the signal the maximum amplitude of the second harmonic is stored on the capacitor 1 (figure 5), then repeated by buffer 2.

На выходе фазочувствительного выпрямителя 14 формируется напряжение, пропорциональное составляющей магнитного поля H₀, которое поступает в регистрирующий прибор 16 и с помощью блока обратной связи 15 создает ток обратной связи в выходных обмотках феррозондов 1, 2, 3. При этом в возбужденном в данный момент феррозонде создается магнитное поле, компенсирующее соответствующую составляющую измеряемого магнитного поля H₀. После окончания переходного процесса

, вызванного переключением обмоток возбуждения и воздействием магнитного поля H₀ на феррозонды 1, 2, 3. Регистрирующий прибор 16 по сигналам блока управления 24 фиксирует установившееся значение напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя 14, пропорциональное соответствующей составляющей магнитного поля H₀ (H_X, H_Y, H_Z) (фиг.2 д).The output of the phase-sensitive rectifier 14 generates a voltage proportional to the component of the magnetic field H ₀ , which enters the recording device 16 and using the feedback block 15 creates a feedback current in the output windings of the

flux gates

1, 2, 3. Moreover, in the currently excited flux gate a magnetic field is created that compensates for the corresponding component of the measured magnetic field H ₀ . After the end of the transition process

caused by switching the field windings and the influence of the magnetic field H ₀ on the

flux gates

1, 2, 3. The recording device 16, using the signals of the control unit 24, fixes a steady-state voltage value at the output of the phase-sensitive rectifier 14, which is proportional to the corresponding component of the magnetic field H ₀ (H _X , H _Y , H _Z ) (Fig.2 d).

Одним из конкретных примеров выполнения усилителя переменного тока 13 может быть выполнение его как последовательно соединенные буфер и активный полосовой фильтр. Буфер выполнен на операционном усилителе ОУ, например м.с. 744УД2, с большим входным сопротивлением. One of the specific examples of the implementation of the AC amplifier 13 can be performed as a series-connected buffer and an active bandpass filter. The buffer is made on an op-amp operational amplifier, for example ms. 744UD2, with a large input impedance.

Активный полосовой фильтр может быть выполнен на ОУ, например, м.с. 744УД2 по распространенной типовой схеме. An active band-pass filter can be performed on an op-amp, for example, ms. 744UD2 according to the common standard scheme.

Одним из конкретных примеров выполнения фазовращателя может быть выполнение его на ОУ, например м.с. 744УД2, как фазовый фильтр первого порядка. One of the specific examples of the implementation of the phase shifter may be its implementation on the OS, for example MS 744UD2, as a first-order phase filter.

Одним из конкретных примеров выполнения устройства формирования импульсов (фиг. 4) может быть выполнение из последовательно соединенных диодного формирователя уровня, например, на диодах 2Д522Б и компараторе 521СА3. One of the specific examples of the implementation of the pulse shaping device (Fig. 4) may be the execution of a series-connected diode level former, for example, on diodes 2D522B and comparator 521CA3.

Диодным формирователем выпрямляется сигнал и устанавливаются входы компаратора 3 на шину "Земля", когда нет входного сигнала. Резисторами 1, 2 обеспечивается ширина импульса с выхода устройства формирования импульсов 17. The signal is rectified by a diode former and the inputs of the comparator 3 are set to the Earth bus when there is no input signal. Resistors 1, 2 provide the pulse width from the output of the pulse forming device 17.

Из известных на дату подачи заявки источников научно-технической и патентной информации феррозондовый магнитометр предложенной конструкции не известен, поэтому можно сделать вывод, что феррозондовый магнитометр обладает новизной, высокой точностью измерения магнитного поля и низкой погрешностью измерения этого поля. Of the sources of scientific, technical and patent information known at the filing date of the application, the fluxgate magnetometer of the proposed design is not known, therefore, it can be concluded that the fluxgate magnetometer has novelty, high accuracy of magnetic field measurement and low measurement error of this field.

Применение предлагаемого феррозондового магнитометра в сравнении с известным устройством позволяет повысить точность измерения за счет того, что дополнительно введенные фазовращатель 18 и устройство формирования импульсов 17, соединенные последовательно и включенные между генератором 19 и фазочувствительным выпрямителем 14, обеспечивают открывание ключа в момент максимальной амплитуды сигнала второй гармоники, и как следствие этого, высокая стабильность выходного сигнала по сравнению с известным устройством магнитного феррозонда. The use of the proposed flux-gate magnetometer in comparison with the known device allows to increase the measurement accuracy due to the fact that the additionally introduced phase shifter 18 and the pulse shaping device 17, connected in series and connected between the generator 19 and the phase-sensitive rectifier 14, ensure the key is opened at the moment of maximum amplitude of the second harmonic signal , and as a result of this, high stability of the output signal in comparison with the known magnetic flux-gate device.

Claims

1. A fluxgate magnetometer containing three fluxgates with mutually orthogonal magnetic axes, each consisting of a core, an excitation winding connected to a corresponding excitation block, the input terminal of the output winding of the first flux gate is connected to the input of the AC amplifier and the output of the feedback unit, the output terminal of the output winding the first flux gate is connected to the input terminal of the output winding of the second flux gate, the output terminal of which is connected to the input terminal of the output winding of the third flux gate, the output which clamp is connected to a common wire, an alternating current amplifier connected in series, a phase-sensitive rectifier, a recording device connected to the input of the feedback unit by its input, and a generator, one output of which is connected to the input of the switch, the outputs of the switch are connected to the input of the corresponding excitation block, output the control unit is connected to the switch and the second input of the recording device, characterized in that a phase shifter and a shape device are introduced in series tion pulse, other generator output coupled to an input of the phase shifter, and the output pulse forming apparatus is connected to the input of the phase-sensitive rectifier switching.

2. The magnetometer according to claim 1, characterized in that the pulse forming device comprises a diode level former and a comparator connected in series.