СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD OF DETERMINING VOLTAGE OF MAGNETIC FIELD

Предлагаемое изобретение относится к области информационно - измерительной техники, в частности к магнитным измерениям, и может быть использовано для измерения напряженности постоянных и переменных магнитных полей, а также при разработке магнитных сенсоров различного назначения.
Известен способ измерения напряженности магнитного поля (см. RU 2075758 С1, 02.12.1993), в котором в исследуемое поле помещают чувствительный элемент в виде протяженного проводника из ферромагнитного материала. Пропускают вдоль этого проводника, размещенного вдоль силовых линий измеряемого поля, переменный электрический ток и определяют напряженность магнитного поля по величине собственной индуктивности или электросопротивления проводника на переменном токе или индуктивной составляющей полного электросопротивления.
Недостатком этого известного способа является низкая точность измерения, связанную с нестабильностью собственной индуктивности и электросопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды, а также непостоянством переменного тока.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является принятый автором за прототип способ измерения напряженности магнитного поля (RU 2298202 С1, 27.04.2007), включающий регистрацию изменения мощности СВЧ-излучения, проходящего через помещенный в это магнитное поле СВЧ-резонатор с находящимся внутри него магниточувствительным элементом, при этом в качестве магниточувствительного элемента используют магнитное вещество в дисперсном состоянии, в частности порошок ферримагнетика, который располагают в СВЧ-резонаторе с возможностью свободного перемещения составляющих его частиц, а регистрацию величины напряженности осуществляют непосредственно с помощью предварительно прокалиброванного электроизмерительного прибора.
Недостатком этого известного способа можно считать не высокую точность, связанную с изменением концентрации магнитного вещества в дисперсном состоянии ввиду влияния параметров окружающей среды, а также нестабильностью мощности СВЧ-излучения.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения напряженности магнитного поля.
Технический результат достигается тем, что в способе определения напряженности магнитного поля, при котором помешают в магнитное поле микроволновый резонатор и возбуждают в резонаторе электромагнитные колебания, резонатор выполняют из ферримагнитного материала, измеряют собственную резонансную частоту резонатора, и по измеренной частоте резонатора определяют напряженность магнитного поля.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, измерение напряженности магнитного поля производят по собственной резонансной частоте микроволнового резонатора, помещенного в магнитное поле и изготовленного из ферримагнитного материала.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу определения напряженности магнитного поля на основе измерения собственной резонансной частоты микроволнового резонатора, изготовленного из ферримагнитного материала и помещенного в контролируемое магнитное поле с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения напряженности.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения напряженности магнитного поля.
Устройство, реализующее данный способ измерения, содержит микроволновый генератор 1, соединенный выходом с входом микроволнового резонатора 2, детекторную секцию 3 и частотомер 4.
Суть предлагаемого технического решения заключается в использовании явления магнитострикции, которое, как известно, возникает при воздействии магнитного поля на ферромагнитное тело (намагничивание). Согласно магнитострикции, когда в магнитное поле помешают ферромагнитное тело, последнее испытывает деформацию, выражающую, например, в растяжение тела. Другими словами в этом случае возможно изменение геометрических размеров тела, помешенного в магнитное поле.
Предлагаемый способ предусматривает изготовление микроволнового резонатора из ферромагнитного материала и его помещение в контролируемое магнитное поле. При этом измерение резонансной частоты магнитострикционного резонатора обуславливает определение величины напряженности исследуемого магнитного поля.
Собственная резонансная частота микроволнового металлического резонатора, например, прямоугольного волноводного, ограниченного двумя металлическими торцевыми поверхностями, как правило, выражается формулой.
где с- скорость распространения волны в волноводе, a, b и i - ширина, высота и длина волновода соответственно; m, n и р - положительные целые числа (индексы соответствующие числу полуволн, укладывающих вдоль соответствующих стенок резонатора), не равны нулю одновременно. Приведенная формула показывает, что изменение собственной резонансной частоты волноводного резонатора возможно посредством изменения его геометрических размеров.
mnp
103
x
z
у
z
у
х
у
х
х
Из теории распространения электромагнитных волн по волноводам известно, что в волноводах при их возбуждении колебаниями, может существовать множество электрических и магнитных полей (типов волн). В данном случае так как, измерение напряженности магнитного поля предусматривает воздействие внешнего магнитного поля на микроволновый магнитострикционный резонатор, то здесь необходимо, с точки зрения минимизации влияния внутренних магнитных полей (возбужденных), допускать возможность существования в волноводе из множеств полей только электрического E типа. При этом, например, при наличии Е типа волны в волноводе, его составляющие E, E, Н и H будут иметь нулевые значения, а составляющие Е и Н - значения, отличные от нулевой величины. Здесь размеры волновода a, b и i по координатам х, у и z соответственно. Отсюда вытекает, что резонанс в прямоугольном волноводе создается за счет Е и Н составляющих. При этом составляющая Н (магнитная) может привести к явлению магнитострикции волновода (изменение ширины волновода). В силу этого при отсутствии внешнего (контролируемого) магнитного поля необходимым является фиксирование собственной резонансной частоты данного резонатора. После этого воздействуют измеряемым магнитным полем на этот резонатор, т.е. помещают резонатор в контролируемое магнитное поле. Согласно эффекту магнитострикции, изменение длины резонатора, например, как следствие, изменится собственная резонансная частота волноводного резонатора (см. вышеприведенную формулу). Так как коэффициент магнитострикции тела (Δ1/1, где Δ1 - удлинение тела, 1 - длина тела) напрямую связан с напряженностью внешнего магнитного поля, то резонансная частота магнитострикционного резонатора далее может быть использована для вычисления напряженности контролируемого магнитного поля.
х
po
pм
po
pм
pм
po
pм
pм
pо
Устройство, реализующее данный способ работает следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля выходным сверхвысокочастотным сигналом микроволнового генератора 1 возбуждают электромагнитные колебания в резонаторе 2 на основе прямоугольного волновода из ферримагнитного материала. После этого для фиксирования собственной резонансной частоты резонатора, связанной с габаритными размерами прямоугольного волновода и магнитострикцией (положительной) волновода за счет внутреннего магнитного поля (составляющая Н), сигнал с выхода резонатора через детекторную секцию 3 подают на вход частотомера 4. И, следовательно, здесь отражается величина резонансной частоты без учета внешнего магнитного поля. Обозначим эту частоту f. Далее резонатор помешают в магнитное поле, напряженность которого измеряется. Ввиду положительной, например, магнитострикции резонатора из-за воздействия внешнего магнитного поля (увеличение длины резонатора), изменяется резонансная частота резонатора, которая фиксируется частотомером. Если обозначить эту частоту f, то разность частот f и f (увеличение длины резонатора) даст возможность вычислить напряженность магнитного поля. Здесь также следует отметить, что уменьшение габаритных размеров резонатора приведет к увеличению его резонансной частоты, а увеличение размеров - уменьшению частоты. В силу этого в зависимости от знака (положительная или отрицательная магнитострикция) изменения f, вычисление напряженности Н внешнего магнитного поля может быть произведено либо разностью частот f и f либо разностью частот f и f.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении измерение собственной резонансной частоты магнитострикционного волноводного резонатора дает возможность определить напряженность магнитного поля с повышением точности измерения.
Предлагаемый способ, кроме решения выше поставленной задачи, может быть положен в основу разработки магнитных датчиков и устройств различных электрических и не электрических величин.