ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ МАГНИТОМЕТР
PRECISION THREE-COMPONENT MAGNETOMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения магнитных полей в широком диапазоне значений и определения положения координат с высокой точностью.
Известны трехкомпонентные магнитометры, основанные на датчиках Холла и магниторезисторах (см. патенты SU 900228 А1, 23.01.1982; SU 983605 А1, 23.12.1982; SU 1760482 А1, 27.08.1990; JP 2002303661 A, 18.10.2002; JP 2001337147 A, 07.12.2001; JP 2306183 A, 19.12.1990; RU 2311655 C1, 17.05.2006; RU 8811 U1, 20.08.1997).
Недостатками таких устройств являются низкая точность (20-65 мкТл). Для сравнения, среднее значение магнитного поля Земли на экваторе 31 мкТл, на широте 50° - 20 мкТл. Кроме того, направление осей координат определяется с точностью всего нескольких градусов.
Известен двухкомпонентный индукционный магнитометр, в принципе которого лежит вращение индуктивности в магнитном поле Земли по горизонтальной и вертикальной осям. Согласно закону Фарадея электродвижущая сила (ЭДС) индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока (B.C.Гущин, Л.Ф.Ромашова, В.В.Лобанов, B.C.Саввин. Изучение магнитного поля Земли. Методические указания к лабораторной работе №16 // Екатеринбург. Изд-во Уральского государственного технического университета - УПИ, 2007. 19 с.).
Недостатком данного устройства является невозможность определения XY компонента (Восток-Запад) и, как следствие этого, недостаточно информативная диаграмма направленности по осям координат.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту, а именно измерению напряженности магнитного поля Земли, является тангенс-гальванометр (тангенс-буссоль), в котором магнитная стрелка (компас), помещенная в соленоид, ось которого направлена на Север (Юг), имеет возможность поворота на 180°. При этом имея значения тока и параметров катушки, рассчитывается напряженность магнитного поля Земли. С помощью вертикального компаса определяется угол наклона вектора и абсолютное значение напряженности магнитного поля Земли в заданной точке (Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. М.: Высшая школа, 1970. 177 с.).
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является низкая точность, заданная конечной длиной стрелки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности определения положения координат и напряженности магнитного поля Земли.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении точности измерения независимо от конечной длины стрелки самого прибора. Путем условного удлинения стрелки приборов, достигаемого установкой малогабаритных полупроводниковых лазеров на стрелку компаса, и использования фотоприемников и зеркал для возврата лазерных лучей к фотоприемникам обеспечивается высокая точность определения положения координат и истинного значения напряженности магнитного поля Земли.
Для решения поставленной задачи прецизионный трехкомпонентный магнитометр, состоящий из двух соленоидов блока управления и регистрации, цифроаналоговых преобразователей, преобразователей «напряжение-ток», блока поиска абсолютного значения вектора напряженности магнитного поля Земли и Z составляющей, шагового двигателя для наклонения вертикального магнитометра, магнитных стрелочных компасов для повышения точности определения положения координат и истинного значения напряженности магнитного поля Земли, отличается тем, что на компасах прибора установлены полупроводниковые лазеры, излучающие в противоположных направлениях. При этом достигается условное удлинение стрелки приборов до 100 м. При этом питание к полупроводниковым лазерам подается через изолированные оси. Кроме того, для создания первоначального разворота компасов и устранения эффекта трения кончиков игл используются боковые катушки. Кроме того, для регистрации состояния счетчиков цифроаналогового преобразователя используются фотоприемники и зеркала для возврата лазерных лучей к фотоприемникам, установленные по направлениям Север, Запад, Юг, Восток на расстоянии 50 метров от прибора.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Заявленное решение иллюстрируется блок-схемой (см. фиг.).
Прецизионный трехкомпонентный магнитометр работает следующим образом. В исходном состоянии соленоид устанавливается горизонтально и параллельно вектору магнитного поля. Далее блок управления и регистрации 10 через катушку для начального разворота 3 создает постоянное поперечное магнитное поле и начинает создавать через цифроаналоговый преобразователь 8 и преобразователь «напряжение-ток» 6 линейно растущий ток на катушке соленоида. Происходит разворачивание компаса с лазерами 4, к примеру, против часовой стрелки. После прохождения положения «мертвой точки» постоянный ток через катушку начального разворота 3 прекращается и через него уже подается синусоидальный переменный сигнал малой амплитуды и частоты для устранения влияния трения на кончиках иглы компаса. При прохождении участка Запад происходит регистрация состояния счетчиков цифроаналогового преобразователя 8 (компенсирующего магнитного поля соленоида). При достижении положения Юг (разворот компаса на 180°) также регистрируется состояние счетчиков. Тем самым измеряется точное значение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Далее происходит обратный ход луча. Регистрация положения Запад при обратном ходе указывает аппаратный гистерезис, являющийся систематической ошибкой прибора и учитывающийся в измерениях. По возвращении компаса на Север происходит разворот системы уже по часовой стрелке с регистрацией поля Восток. Разница значений магнитного поля Запад и Восток определяет направление вектора.
Вертикальная составляющая измеряется с помощью аналогичного компаса с горизонтальным расположением оси 7. Для измерения производится начальная инклинация угла вектора магнитного поля (например, для города Якутска угол наклона вектора относительно горизонта составляет около 76°). Для этого блок поиска абсолютного значения вектора напряженности магнитного поля Земли и Z составляющей 9 с помощью шагового двигателя, установленного в Z магнитометре 7, производит наклонение соленоида с точностью ±0,1° параллельно стрелке компаса. Далее производится, как и в предыдущем случае, разворот стрелки компаса по ходу и против хода часовой стрелки. При полном развороте (180°) магнитное поле соленоида равно истинному значению магнитного поля Земли в данной точке.
При повороте компаса с помощью зеркал 1 и фотодиодов 2 определяется Y компонента, так как значения токов соленоида в положениях «Зенит» и «Центр Земли» также регистрируются.
Показатели измерения действующего макета прецизионного трехкомпонентного магнитометра с точностью ±0,5 нТл и точностью определения осей координат ±1 мин позволят предложить новое решение для использования при измерениях магнитных полей в широком диапазоне значений и определения с высокой точностью положения координат.