ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
FERROZONE MAGNETOMETRIC SENSOR

Изобретение относится к области радиоизмерений и радиотехники и может быть использовано для регистрации возмущений электромагнитного поля, а так же в различных радиотехнических системах для измерения компонент вектора индукции магнитного поля.
Известен цифровой феррозондовый магнитометр (RU 2316781 С1, МПК G01R 33/02, опубл. 10.02.2008), содержащий задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, цифроаналоговые преобразователи, логический блок и устройства выборки-хранения, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов. Первый выход логического блока управления соединен с входом источника питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей. Вход логического блока управления соединен с выходом задающего генератора. Каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю.
Недостатком данного устройства является структурная сложность, низкая надежностью работы и, в связи с этим, большое энергопотребление.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитометрический датчик (прототип - см. патент на изобретение RU 2436112 С1, МПК: G01R 33/02, опубл. 10.12.2011), содержащий магнитопровод, две магнитные антенны, генератор тока, при этом в него введены устройство управления разностью фаз между током и напряжением, фильтр отсечки постоянного тока, фильтр отсечки переменного тока, при этом магнитные антенны расположены на расстоянии друг от друга со встречно направленными полями, направленность которых определяется магнитными осями соответствующих магнитных антенн, а взаимодействующий с указанными полями магнитопровод, расположенный между магнитными антеннами так, что гальванически не связан с этими магнитными антеннами, выполнен в виде экрана, изготовленного из материала, являющегося магнетиком, причем каждая из магнитных антенн выполнена в виде спиральной антенны, соединена с соответствующей емкостью и образует с ней резонансный контур, частотные резонансные характеристики которого соответствуют рабочей частоте магнитометрического датчика, магнитные оси упомянутых антенн совмещены, каждый из упомянутых резонансных контуров соединен с последовательно соединенными устройством управления разностью фаз между током и напряжением и фильтром отсечки постоянного тока, а генератор тока выполнен в виде генератора постоянного тока и соединен с каждой магнитной антенной через фильтр отсечки переменного тока, причем, выход фильтра отсечки постоянного тока является выходом магнитометрического датчика.
Недостатком магнитометрического датчика является сложность конструктивного исполнения и изготовления, низкая надежностью работы и, в связи с этим, большое энергопотребление.
Задачей настоящего изобретения является увеличение полосы рабочих частот феррозондового магнитометрического датчика в сторону регистрации возмущений электромагнитного поля в высокочастотных диапазонах, уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции и снижение энергопотребления датчика.
Технический результат выражается в создании феррозондового магнитометрического датчика, который обладает малым уровнем собственных шумов, возможностью функционирования в высокочастотных диапазонах, при питании от низковольтных источников тока.
Результат достигается тем, что в феррозондовый магнитометрический датчик, содержащий магнитопровод, введены сердечники на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилитель возбуждения, обмотки возбуждения, два приемных колебательных контура с измерительными обмотками и конденсаторами, усилители тока, включенные в режиме повторителей напряжения, обмотка отрицательной обратной связи, резистор отрицательной обратной связи, усилитель постоянного тока в цепи обратной связи.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема феррозондового магнитометрического датчика, на фиг. 2 - общий вид феррозондового магнитометрического датчика, на фиг.3 - осциллограммы входных и выходных сигналов феррозондового магнитометрического датчика.
Феррозондовый магнитометрический датчик (фиг. 1) состоит из сердечников 1 ленточного магнитопровода на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава, усилителя 2 возбуждения; обмоток 3, 4 возбуждения; измерительных обмоток 5, 6, конденсаторов 7, 8, усилителей тока 9, 10, включенных в режиме повторителей напряжения, обмотки 11 отрицательной обратной связи, резистора 12 отрицательной обратной связи, усилителя 13 постоянного тока в цепи обратной связи.
Устройство работает следующим образом.
Основной канал феррозондового датчика образован из обмоток 3, 4 возбуждения, включенных последовательно. На вход цепи возбуждения подается опорное напряжение с переменным током заданной частоты. Для создания в объеме сердечников 1 магнитного поля обмотки 3,4 возбуждаются переменным током через усилитель 2.
Протекающий в обмотках 3, 4 возбуждения ток создает в объеме сердечников поля, равные по величине, но противоположные по направленности, которые вызывают возбуждение вторичных измерительных обмоток 5, 6, и генерацию переменного тока в колебательном контуре, образованном обмотками 5, 6 и конденсаторами 7, 8. Наилучшие результаты можно получить, если возбуждать обмотки 3,4 знакопеременными прямоугольными импульсами тока с заданной скважностью, длительностью π/4 (π/8). При такой длительности импульсов тока обеспечиваются оптимальные условия для появления выходного напряжения, пропорционального составляющей магнитной индукции внешнего поля, и устойчивого параметрического усиления сигнала второй гармоники в усилителях тока 9, 10, включенных в режиме повторителей напряжения, при этом усилитель 9 усиливает по положительному полупериоду, а усилитель 10 - по отрицательному. При этом потребление мощности снижается в 2 раза.
Внешнее поле в объеме феррозондового магнитометрического датчика уравновешивается (компенсируется) внутренним полем, создаваемым в обмотке 11 отрицательной обратной связи, в которой протекает ток через резистор 12 отрицательной обратной связи и усилитель 13.
Основной канал феррозондового датчика в этом случае выполняет функцию нуль-индикатора, тогда как оценка измеряемого поля производится по измерению величины тока в цепи отрицательной обратной связи обмотки 11, а ток компенсации вырабатывается самим же основным каналом с вторичными измерительными обмотками 5, 6.
Таким образом, погрешность магнитометрического канала уменьшается за счет замены менее стабильной цепи прямого преобразования более стабильной цепью обратного преобразования. Применение сердечников из ленточного магнитопровода, на основе плоской магнитной пленки из аморфного ферромагнитного сплава обеспечивает повышение частоты возбуждения до десятков килогерц, что в свою очередь обеспечивает снижение внутренних шумов датчика.
Данная схема принципиально может быть охвачена более глубокой обратной связью, не содержит крупногабаритных радиодеталей, может быть выполнена в микромодульном исполнении и практически не требует настройки.
Максимум амплитуды полезного сигнала будет пропорционален составляющей магнитной индукции внешнего поля, совпадающей по направлению с продольной осью сердечников.