ОДНОКОМПОНЕНТНЫЙ СЕНСОР ГЕОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
ONE-COMPONENT SENSOR OF GEOMAGNETIC FIELDS

Изобретение относится к устройствам измерения векторных характеристик слабых геомагнитных полей и может применяться в системах высокоточной геомагнитной навигации для мониторинга геомагнитной обстановки, для проведения научно-исследовательских, картографических и геолого-разведывательных работ.
-12
Известны сверхвысокочувствительные квантовые СКВИД-магнетометры с чувствительностью до 10 Тл и менее (см., например, патент РФ №2384856, МПК G01R 33/02, опубл. 20.03.2010). Устройство включает в себя три магнитометра на основе СКВИДов постоянного тока из высокотемпературных сверхпроводников, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов.
Недостатком СКВИД-магнетометров является громоздкость и сложность конструкции, но главный недостаток в том, что верхняя граница их динамического диапазона существенно ниже напряженности геомагнитного поля.
-10
Известны высокочувствительные феррозондовые магнетометры с чувствительностью до 10 Тл (см. например, патенты РФ № 2386976, МПК G01R 33/02, опубл. 20.04.2010; № 2441250, МПК G01R 33/02, опубл. 27.01.2012; № 2549545, МПК G01R 33/02, опубл. 27.04.2015).
Недостатками феррозондовых магнетометров являются большие габариты, температурная нестабильность, ограниченный динамический диапазон, значительная инерционность, сложность сопряжения с электроникой, низкая механическая прочность, значительная трудоемкость и высокая стоимость.
Известны высокочувствительные магнетометры с частотным выходом, выполненные на основе автогенератора с частотно-задающим элементом в виде сферического резонатора из монокристаллического железоиттриевого граната (ЖИГ) или пленочного ЖИГ резонатора на немагнитной подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) (Гурзо В.В. и др. Векторный магнитометр малых магнитных полей // Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2004. Вып.1. С.50-52.; патент РФ № 2529448, МПК G01R 33/24, опубл. 27.09.2014, патент РФ № 2529440, МПК G01R 33/24, опубл. 27.09.2014; патент РФ №2100819, МПК G01R 33/02, опубл. 27.12.1997).
Недостатком указанных устройств является сложность конструкции, значительные габариты, температурная зависимость результатов измерений.
Наиболее близким к заявляемому решению является однокомпонентный сенсор магнитных полей на основе магнитостатических волн (МСВ) (Европейский патент №0093650, МПК G01R 33/02, опубл. 09.11.1983).
Однокомпонентный сенсор имеет в своем составе два генератора, содержащих в цепи обратной связи частотно-задающие элементы в виде идентичных пленочных ЖИГ резонаторов, выполненных в виде линии задержки на МСВ с двумя отражательными решетками, входные и выходные преобразователи СВЧ в виде параллельных закороченных на концах микрополосковых линий передачи, расположенных между отражательными решетками. Оба резонатора вместе с входными и выходными преобразователями помещены в магнитные поля, представляющие собой векторные суммы постоянных намагничивающих полей ориентированных в противоположных направлениях и локализованных вблизи полюсов U-образного магнита и внешнего  измеряемого магнитного поля. Выходы генераторов соединены с первым и вторым входами смесителя сигналов. На выходе смесителя выделяется разностная частота сигналов автогенераторов, которая является функцией координатной составляющей измеряемого поля параллельной направлениям постоянного намагничивания.
Недостатками прототипа являются большие габариты и термодинамическая неустойчивость результатов измерений при быстрых изменениях температуры окружающей среды.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании миниатюрного сенсора геомагнитных полей и измерителя на его основе с улучшенными параметрами.
Техническим результатом изобретения является повышение термодинамической устойчивости при быстрых изменениях температуры окружающей среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в однокомпонентном сенсоре геомагнитных полей, содержащем два идентичных СВЧ генератора, каждый из которых включает частотно-задающий элемент в виде пленочного ЖИГ резонатора, входной и выходной преобразователи СВЧ сигнала; систему намагничивания пленочных резонаторов в противоположных направлениях по нормали к поверхности пленки ЖИГ; смеситель сигналов, входы которого соединены с выходами генераторов, согласно решению система намагничивания пленочных ЖИГ резонаторов представляет собой три параллельно расположенные стальные пластины, в зазорах между которыми установлены постоянные магниты; одноименные полюсы которых присоединены к обеим сторонам внутренней пластины; каждый генератор установлен на диэлектрической подложке с металлизированным основанием, генераторы размещены в зазорах системы намагничивания между магнитами и присоединены металлизированным основанием к противоположным сторонам внутренней стальной пластины, при этом пленки ЖИГ резонаторов выполнены в виде квадрата или диска; входные и выходные преобразователи СВЧ сигналов расположены на противоположных сторонах резонаторов и ориентированы вдоль ортогональных осей резонаторов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема однокомпонентного сенсора геомагнитных полей; на фиг.2 показана конструкция первичного модуля однокомпонентного сенсора геомагнитных полей; на фиг.3 показан вариант включения пленочного ЖИГ резонатора в цепь обратной связи генератора; на фиг. 4 показана блок-схема векторного измерителя геомагнитных полей, на фиг. 5 приведены результаты моделирования намагничивающих полей.
Позициями на чертежах обозначены:
1 – однокомпонентный сенсор геомагнитных полей;
2 – первичный модуль однокомпонентного сенсора геомагнитных полей;
3 – смеситель сигналов;
4 – фильтр низких частот;
5 – цифровой частотомер;
6 – микропроцессор;
7 – индикатор;
8 – стальные пластины;
9 – постоянные магниты;
10 – платы автогенераторов;
11 –диэлектрическая подложка платы автогенератора;
12 – пленочный ЖИГ резонатор;
13 –немагнитная подложка ГГГ;
14 – входной микрополосковый преобразователь СВЧ сигнала;
15 – выходной микрополосковый преобразователь СВЧ сигнала;
16 – малошумящий СВЧ усилитель;
17 – ответвитель СВЧ сигнала;
18 – фазовращатель;
a, b - распределение магнитной индукции в первом и втором зазоре магнитной системы соответственно.
Однокоординатный сенсор геомагнитных полей 1 (см. фиг.1) состоит из первичного модуля геомагнитных полей 2 и смесителя 3. Для обеспечения автоматизации обработки результатов измерений на выходе смесителя может быть подключен блок обработки выходных сигналов смесителя 3, включающий последовательно соединенные фильтр низких частот 4; цифровой частотомер 5; микропроцессор 6 с индикатором 7. На выходе смесителя измеряется разностная частота сигналов, которая является функцией измеряемого геомагнитного поля. Система обработки сигнала позволяет повысить оперативность геомагнитных измерений.
Первичный модуль однокомпонентного сенсора геомагнитных полей 2 (см. фиг.2) состоит из системы намагничивания, включающей три параллельно расположенные стальные пластины 8, в зазорах между которыми установлены четыре идентичных постоянных магнита 9, по два в каждом зазоре, присоединенные одноименными полюсами к внутренней стальной пластине, и двух идентичных генераторов, например плат автогенераторов 10, установленных в соответствующих зазорах стальных пластин 8 между постоянными магнитами 7 и присоединенных металлизированными основаниями к противоположным поверхностям внутренней стальной пластины 7. Система намагничивания служит для перевода резонаторов в режим насыщения при намагничивания резонаторов в противоположных направлениях.
Плата автогенератора 10 (см. фиг. 3) состоит из металлизированной диэлектрической подложки 11, на которой установлен пленочный ЖИГ резонатор, включающий ЖИГ пленку 12 выполненную в виде квадрата или диска на немагнитной подложке ГГГ 13, входного 14 и выходного 15 микрополосковых преобразователей СВЧ сигнала, расположенных на противоположных сторонах пленочного ЖИГ резонатора так, что оси микрополосковых преобразователей 14 и 15 совпадают с ортогональными осями пленочного ЖИГ резонатора. Между преобразователями включены малошумящий СВЧ усилитель 16, ответвитель СВЧ сигнала 17 и фазовращатель 18. Частоты возбуждения генераторов определяются собственными частотами ЖИГ резонаторов. Выходы плат автогенераторов 10 соединены с входом смесителя сигналов 3 (см. Фиг.1), выход смесителя 3 соединен с входом фильтра низких частот 4, выход фильтра низких частот соединен с входом цифрового измерителя частоты 5, выход измерителя частоты соединен с входом микропроцессора 6, к которому подключен индикатор 7.
Векторный измеритель геомагнитных полей (фиг. 4) состоит из трех идентичных однокомпонентных сенсоров геомагнитных полей 1 расположенных так, чтобы нормали к поверхностям стальных пластин 8 первичных модулей однокомпонентных сенсоров геомагнитных полей (см. фиг.2) совпадали с осями трехмерного базиса, выходы смесителей 3 однокомпонентных сенсоров геомагнитных полей соединены с входами блока обработки сигнала, включающего последовательно соединенные цифровой частотомер 5, микропроцессор 6 и индикаторное устройство 7.
Устройство работает следующим образом. Две противоположно ориентированные пары постоянных магнитов 9, установленные в зазорах стальных пластин 8, создают встречные магнитные потоки, которые суммируются во внутренней стальной пластине 8, далее потоки разделяются и замыкаются через зазоры стальных пластин 8. При этом в зазорах наводятся противоположно направленные магнитные поля , ориентированные по нормали к поверхностям пленочных ЖИГ резонаторов, расположенных на платах автогенераторов 9.
При нормальном намагничивании частоты первых резонансных мод пленочных ЖИГ резонаторов  практически совпадают с частотами нижней границы спектра возбуждения прямых объемных МСВ , , где 1760Гс - намагниченность насыщения пленки ЖИГ, γ=2.83МГц/Э – гиромагнитное отношение,  и  - напряженности магнитных полей в первом и втором зазоре стальных пластин 8. Постоянные магниты 9 обеспечивают выполнение условия , что необходимо для полного насыщения пленочных ЖИГ резонаторов 12.
Частоты возбуждения ЖИГ резонаторов существенно зависят от внешних магнитных полей и от температуры окружающей среды. При наложении слабого геомагнитного поля , где ,  и , соответственно, нормальная и касательная составляющие геомагнитного поля, возникают сдвиги частот возбуждения пленочных ЖИГ резонаторов ,  и, соответственно, частот возбуждения автогенераторов. При этом нормальная составляющая  вызывает противоположные сдвиги частот  и , а касательная составляющая  вызывает только отклонения векторов  на пренебрежимо малые углы  и , что практически не вызывает дополнительных сдвигов частот . При этом разностная частота  связанна с величиной нормальной составляющей геомагнитного поля   простым соотношением , а искомая компонента геомагнитного поля  рассчитывается по формуле
(1)
Для выделения разностной частоты  используется смеситель сигналов 2, на выходе которого возникает множество комбинационных частот  и так далее. Для заграждения  высокочастотных составляющих  используется фильтр низких частот 3. Для измерения разностной частоты  используется цифровой частотомер 4. Вычисления компоненты геомагнитного поля  по формуле (1) осуществляется микропроцессором 6.
Существенно, что в предлагаемой конструкции устройства температурные сдвиги частот резонаторов практически не влияют на точность измерения геомагнитных полей, поскольку они имеют односторонний характер и полностью компенсируются при выделении разностной частоты.  Установка плат автогенераторов на противоположных сторонах внутренней стальной пластины 8 существенно снижает разницу температур пленочных ЖИГ резонаторов 12 и постоянных магнитов 9, возникающей при резких изменениях температуры окружающей среды.
По сравнению с прототипом габариты однокомпонентного преобразователя геомагнитных полей снижены, как минимум, вдвое за счет уменьшения габаритов ЖИГ резонаторов и, соответственно габаритов магнитной системы, а также за счет компактного расположения генераторов в предлагаемой конструкции магнитной системы. Симметричная конструкция первичного модуля однокомпонентного сенсора геомагнитных полей обеспечивает стабильность измерений при наличии температурных градиентов, возникающих при быстром нагревании или охлаждении устройства.
Использование высокоточных цифровых методов измерения частоты повышает чувствительность измерителя геомагнитных полей. В частности, согласно расчетам по формуле (1), при измерении разностной частоты с точностью до 0,1Гц предел величины измеряемых полей составляет Тл, что сравнимо с чувствительностью СКВИД-магнетометров.  Использование цифровых измерителей разностной частоты 5  обеспечивает хорошее сопряжение с микропроцессором. Использование микропроцессора 6 значительно сокращает время обработки результатов измерений.
Ниже приведен пример реализации изобретения. Пленочный резонатор (фиг.3) имеет габаритные размеры мм при толщине пленочной структуры ЖИГ-ГГГ 0,5мм. Габаритные размеры магнитной системы (фиг.2) составляют мм. В состав системы входят три стальные пластины с одинаковыми размерами  мм и четыре неодимовые магнита марки N35 с размерами мм. В промежутках между магнитами расположены рабочие зазоры с размерами мм достаточные для размещения плат автогенераторов 10.
Постоянные магниты создают в зазорах стальных пластин 8 однородные магнитные поля, величина которых значительно превышает поле насыщения пленочного ЖИГ резонатора 12. Моделирование полей магнитной системы осуществлялось методом конечных элементов, реализованных в пакете программ Ansoft Maxwell SV. Исходными данными для расчета являлись геометрические размеры элементов магнитной системы, кривая намагничивания стали Ст.1010 и остаточная индукция неодимовых магнитов =1,2Тл. Результаты расчетов намагничивающих полей представлены на фиг.5, где кривыми a, b показано распределение магнитной индукции в первом и втором зазоре магнитной системы. На вставке фиг.5 показаны результаты моделирования магнитных потоков. Из сравнения кривых a и b на фиг.5 следует, что в обоих зазорах величины намагничивающих полей практически совпадают Э. Это означает, что при отсутствии внешних полей частоты пленочных ЖИГ резонаторов равны между собой 5329 МГц и, соответственно, разностная частота на выходе смесителя равна нулю. При наложении внешнего геомагнитного поля возникают противоположные сдвиги резонансных частот  пропорциональные величине компоненты геомагнитного поля . Для примера, согласно формуле (1), разность частот возникающая при наложении поля Э составляет 5,6Гц.
Для измерения всех трех компонент вектора геомагнитного поля , а также для определения его величины и ориентации в точке измерений достаточно трех идентичных однокомпонентных сенсоров геомагнитных полей 2, ориентированных по осям трехмерного базиса, как показано на фиг.4. Величина геомагнитного поля , полярный  и азимутальный  углы относительно заданного базиса вычисляются микропроцессором 18 по формулам
(2)
Результаты вычислений выводятся  на индикаторное устройство 19.
Предлагаемое изобретение обеспечивает автоматизацию обработки результатов измерений, что повышает оперативность геомагнитных измерений.