ТРЁХКОМПОНЕНТНЫЙ МАГНИТОМЕТР НА СФЕРИЧЕСКОМ ЖИГ РЕЗОНАТОРЕ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНОГО ВЕКТОРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ
THREE-COMPONENT MAGNETOMETER BASED ON SPHERICAL YIG RESONATOR AND METHOD OF DETECTION OF FULL MAGNETIC FIELD VECTOR

Изобретение относится к области обнаружения ферросодержащих тел с помощью электрических или магнитных средств и навигации по магнитному полю Земли, а именно к устройствам для измерения направления и величины магнитных полей с применением магнитного резонанса.
Известен векторный магнитометр, включающий три одинаковых феррозондовых датчика, схемы их управления и обработки сигналов (см. Патент RU 2218577, МПК G01R 33/02). Истинное направление вектора измеряемого магнитного поля определяют по равенству сигналов от всех трех феррозондов в случае, когда каждый из них будет занимать одинаковое угловое положение относительно полного вектора магнитной индукции измеряемого магнитного поля, и это угловое положение соответствует оптимальной чувствительности феррозондов. При этом предполагается необходимость изменения положения магнитометра для поиска направления вектора магнитного поля.
К недостаткам магнитометра по патенту RU 2218577 можно отнести значительную сложность измерительной схемы и необходимость использования идентичных датчиков магнитного поля, что трудно осуществить на практике.
Известен магнитометр на основе индукционного датчика магнитного поля, используемый для определения направления вектора индукции магнитного поля при поиске железорудных месторождений (см. Патент RU 2148840, МПК G01V 3/10). После первого измерения и определения направления на объект необходимо переместить магнитометр, еще раз с его помощью определить новое направление на объект и затем найти точку пересечения первого и второго направлений, показывающую положение объекта.
Общими недостатками известных магнитометров по патентам RU 2218577 и RU 2148840 являются: необходимость поворота магнитометра при определении направления магнитного поля или направления на ферросодержащий объект, неточности при определении азимутального угла на объект вследствие усреднения величины индукции исследуемого магнитного поля, т.к. сигнал отклика индукционного и феррозондовых датчиков пропорционален потоку вектора индукции через поперечное сечение измерительной катушки индуктивности. Такие датчики не позволяют достоверно определять положение объекта при наличии локальных возмущений магнитного поля, магнитных помех, а также неприменимы для определения протяженных объектов, нескольких объектов, при поиске движущихся объектов и т.д.
По техническому исполнению наиболее близким к заявляемому решению является однокомпонентный магнитометрический датчик, позволяющий определить одну компоненту внешнего постоянного магнитного поля (Гурзо В.В. и др. Векторный магнитометр малых магнитных полей//Гетеромагнитная микроэлектроника. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2004. Вып.1. С.50- 52.). Однокомпонентный магнитометрический датчик имеет в своем составе: СВЧ-генератор на полевом или биполярном транзисторе с активным элементом и линией обратной связи; сферический или пленочный резонатор из железо-иттриевого граната (ЖИГ) в качестве частотозадающего элемента, помещенный в линию обратной связи генератора, частотомер, вход которого соединен с выходом генератора; плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в ЭВМ. ЭВМ предназначена для обработки результатов измерений и вычисления соответствующей компоненты магнитного поля. Для перевода ЖИГ резонатора в режим насыщения обычно используется магнитная система в виде постоянного магнита, создающего в области резонатора поле, достаточное для перевода его в насыщенное состояние. Генератор работает на частоте ферромагнитного резонанса, зависящей от намагниченности резонатора, на которую также влияет поле от магнитной системы и внешняя индукция, связанная с постоянным магнитным полем Земли или ферромагнитного объекта.
Однако один датчик позволяет определять только одну компоненту вектора магнитного поля. Для нахождения полного вектора магнитного поля такой датчик необходимо поворачивать либо возможно одновременное использование нескольких (трех) датчиков, которые должны быть идентичными.
Задачей настоящего решения является разработка магнитометра простой конструкции для определения величины и направления полного вектора индукции магнитного поля Земли либо магнитного поля, создаваемого ферромагнитным объектом.
Техническим результатом является повышение чувствительности и магнитной направленности устройства, упрощение способа определения направления вектора индукции магнитного поля либо направления на ферросодержащий объект.
Указанный технический результат достигается тем, что магнитометр, содержащий СВЧ-генератор с частотозадающим элементом в линии обратной связи, резонатор на основе железо-иттриевого граната в качестве частотозадающего элемента, магнитную систему для перевода резонатора в режим насыщения, частотомер, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, блок вычисления, плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления, согласно решению содержит генератор прямоугольных импульсов, инвертор, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с частотомером, в качестве резонатора выбран сферический резонатор с тремя осями легкого намагничивания, а магнитная система представляет собой три катушки индуктивности, подключенные к генератору прямоугольных импульсов через счетчик импульсов и демультиплексор, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси симметрии были ориентированы вдоль осей легкого намагничивания резонатора. В способе определения вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля с помощью СВЧ-генератора со сферическим ЖИГ резонатором в линии обратной связи, включающем создание подмагничивающего поля вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, измерение по частоте генератора первой компоненты внешнего магнитного поля, направленной вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, согласно решению последовательно создают подмагничивающие поля вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора, по частоте генератора измеряют вторую и третью компоненты внешнего магнитного поля, направленные вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора соответственно, определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму трех измеренных компонент.
<mrow><mi>A</mi><mo>'</mo><mi>B</mi><mo>'</mo><mi>C</mi><mo>'</mo></mrow>
1
2
3
0
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано взаимное расположение трех осей легкого намагничивания (ОЛН) в сферическом резонаторе (OA, OB, OC); на фиг. 2 в проекции на горизонтальную плоскость (
на фиг.1) показано расположение катушек индуктивности (1, 2, 3) для формирования в резонаторе (4) вектора намагниченности, ориентированного вдоль одной из трех осей легкого намагничивания (OA, OB, OC на фиг.1); на фиг. 3 показаны компоненты B, B, B вектора магнитной индукции и полный вектор магнитной индукции B внешнего постоянного магнитного поля; фиг. 4 показывает блок-схему магнитометра, иллюстрирующую работу всего устройства.
Позициями на чертежах обозначены:
1,2,3 - катушки индуктивности;
4 - сферический ЖИГ резонатор;
5 - СВЧ-генератор, управляемый магнитным полем (ГУМ);
6 - демультиплексор;
7 - счетчик импульсов;
8 - частотомер;
9 - инвертор;
10 - плата сопряжения;
11 - блок вычисления (ЭВМ);
12 - генератор импульсов.
Предложена конструкция магнитометра, использующая магнитные свойства кристаллов ЖИГ, заключающиеся в существовании в них трех ОЛН, причем магнитная система из трех катушек индуктивности позволяет периодически изменять ориентацию вектора намагниченности в резонаторе на 120º (в проекции на горизонтальную плоскость). Использование данного изобретения позволяет определять полный вектор индукции магнитного поля, либо направление на центр ферросодержащего тела.
Основной составной частью магнитометра является генератор, управляемый магнитным полем. Конструкции генераторов на ЖИГ резонаторах (сферических или пленочных) известны и представлены в ряде работ, например, в [Твердотельные устройства СВЧ в технике связи /Гассанов Г.Л. и др. - М.: Радио и связь, 1988. 288 с., Хвалин А.Л., Васильев А.В., Игнатьев А.А., Самолданов В.Н. Исследование интегральных магнитоуправляемых генераторов в СВЧ-диапазоне частот//Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2010. Т. 114. №1. С. 51-55., Хвалин А.Л., Сотов Л.С., Овчинников С.В., Кобякин В.П. Экспериментальные исследования гибридного интегрального магнитоуправляемого генератора//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №11. С.42-44.].
Предлагаемый векторный магнитометр на основе сферического резонатора (СР) представляет собой СВЧ-генератор, частота которого определяется частотой ферромагнитного резонанса СР, находящегося в его цепи обратной связи (см., напр., [Хвалин А.Л., Васильев А.В., Игнатьев А.А., Самолданов В.Н. Исследование интегральных магнитоуправляемых генераторов в СВЧ-диапазоне частот//Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2010. Т. 114. №1. С. 51-55., Хвалин А.Л., Сотов Л.С., Овчинников С.В., Кобякин В.П. Экспериментальные исследования гибридного интегрального магнитоуправляемого генератора//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №11. С.42-44., Гурзо В.В. и др. Векторный магнитометр малых магнитных полей//Гетеромагнитная микроэлектроника. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2004. Вып.1. С.50- 52., Сотов Л.С., Хвалин А.Л. Патент РФ RU 2472182 С1, МПК G01V 3/11. Заявл. 20.05.2011. Опубл. 10.01.2013. Бюл. №1]).
В основе изобретения лежит использование магнитных свойств кристаллов ЖИГ, имеющих кубическую структуру и три выделенных направления - оси легкого намагничивания (см. Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высш. шк., 1964. 376 с.). При поочередном включении магнитного поля в направлении ОЛН, направление вектора намагниченности резонатора устанавливается вдоль соответствующей ОЛН (OA, OB или OC на фиг.1), что приводит к изменению частоты магнитоуправляемого СВЧ-генератора вследствие различий во взаимной ориентации вектора намагниченности резонатора и вектора внешнего магнитного поля.
Магнитометр содержит СВЧ-генератор 5 со сферическим резонатором на основе железо-иттриевого граната с тремя осями легкого намагничивания в качестве частотозадающего элемента 4 в линии обратной связи, магнитную систему для перевода резонатора в режим насыщения, представляющую собой три катушки индуктивности 1, 2, 3, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси симметрии были ориентированы вдоль осей легкого намагничивания резонатора. Катушки подключены к генератору прямоугольных импульсов 12 через счетчик импульсов 7 и демультиплексор 6. Магнитометр содержит частотомер 8, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, блок вычисления 11 и плату сопряжения 10 для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления. Устройство содержит инвертор 9, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 12, а выход соединен с частотомером.
Блок-схема магнитометра показана на фиг.4. В цепи обратной связи СВЧ-генератора 5, управляемого магнитным полем (ГУМ), находится резонатор 4. Вблизи СР находятся катушки индуктивности (1, 2 и 3 на фиг.3 и 4), на которые поочередно поступают импульсы тока от генератора прямоугольных импульсов.
Поочередное включение трех катушек индуктивности (см. фиг.4) производится с использованием логического блока управления магнитной системой на основе несложных базовых логических схем (см. Клочков Г.Л. Цифровые устройства и микропроцессоры. - Воронеж: ВИРЭ, 2005. 320 с.). Последовательность прямоугольных импульсов с генератора импульсов 12 подается на двоичный двухразрядный суммирующий счетчик 7. На выходе счетчика 7 последовательно формируются управляющие адресные двоичные коды (10, 01, 11), соответствующие трем катушкам индуктивности. После каждого третьего импульса на счетчик подается сигнал (с катушки индуктивности 3), возвращающий его в исходное состояние.
Адресные выходы счетчика подаются на демультиплексор 6 с двумя входами, в котором сигналы с входов распределяются в желаемой последовательности по трем выходам. Выбор нужной выходной шины обеспечивается соответствующим кодом на адресных входах (например, 01, 10, либо 11).
При этом в катушках индуктивности поочередно включаются импульсы тока, создающие магнитное поле определенного направления и поочередно задающие направление вектора намагниченности резонатора по трем ОЛН (OA, OB, OC на фиг.1).
0
1
2
3
К выходу ГУМ 5 подсоединен вход частотомера 8, который выполняет измерения частоты ГУМ при поступлении импульсов запуска частотомера с выхода инвертора 9. С выхода частотомера 8 измеренные значения частоты через плату сопряжения 10, выполняющую функции интерфейса, поступают для обработки в ЭВМ (11). С помощью программного обеспечения в ЭВМ производятся необходимые вычисления и определяются величина и направление полного вектора магнитной индукции (см. фиг.3) внешнего постоянного магнитного поля (B=B+B+B).
<mrow><mi>A</mi><mo>'</mo><mi>B</mi><mo>'</mo><mi>C</mi><mo>'</mo></mrow>
Устройство работает следующим образом (см. фиг.4). Генератор прямоугольных импульсов 12 с частотой ν посылает импульсы тока на катушки индуктивности 1, 2 и 3. Логический блок управления магнитной системой (блоки 6 и 7) выполняет поочередное включение импульсов тока в трех катушках индуктивности. При длительности импульсов порядка 1 мс и индуктивности 1 мГн переходные процессы незначительны и не требуют дополнительной корректировки. При диаметре СР порядка 0,5 мм, диаметре и длине катушек индуктивности 1, 2 и 3, равным 0,75 мм и 1,5 мм соответственно, в области СР 4 создается достаточно однородное магнитное поле величиной около 200 Гс. Таким образом, катушки индуктивности 1, 2 и 3 поочередно создают в области СР магнитные поля, направленные вдоль трех ОЛН. При этом вектор намагниченности СР изменяет направления (в проекции на горизонтальную плоскость
на фиг.1 соответствующие углы равны 120˚).
0
i
Результирующее магнитное поле в области СР будет определяться суммой векторов магнитной индукции внешнего (измеряемого) поля Bи поля B от одной из катушек индуктивности (1, 2 или 3 на фиг.4):
0
i
B=B+B, где i=1, 2, 3.
Информация о величине магнитной индукции содержится в частоте ГУМ 5, которая задается частотой ферромагнитного резонанса в СР и измеряется с помощью частотомера 8. Величина магнитной индукции связана с измеренной частотой простым соотношением:
f=γ |B|, где γ - известная величина гиромагнитного отношения.
Импульсы запуска частотомера с инвертора 9 синхронизированы с частотой переключения направления магнитного поля ν. Затем сигнал с выхода частотомера 8 через необходимую плату сопряжения 10 поступает для обработки в ЭВМ 11.
0
1
2
3
В заявляемом изобретении полный вектор магнитной индукции B находится путем векторного суммирования найденных компонент B, B и B (см. фиг.3).
Представленный магнитометр имеет ряд преимуществ по сравнению с известными решениями. При определении положения объекта часто используется способ «пеленга», при котором несколько идентичных датчиков определяют азимутальные углы в направлении объекта [Ветошко П.М. Патент RU 2100819 С1, G01R 33/00, G01R 33/02, G01R 33/05. Заявл. 30.09.1996. Опубл. 27.12.1997; Прищепов С.К., Валитов К.Р. Патент RU 2218577 С2, G01R 33/02 Заявл. 09.11.2001. Опубл. 10.12.2003]. Затем находится точка пересечения этих направлений. Другой вариант такого подхода описан в [Емельяненко Т.И., Тахаутдинов Р.С., Краснов С.Г., Сусоева Г.Н. Патент RU 2148840 C1, МПК G01V 3/10, G01V 3/40, G01R 33/02. Заявл. 08.09.1998. Опубл. 10.05.2000. Бюл. №34]. В случае [Емельяненко Т.И., Тахаутдинов Р.С., Краснов С.Г., Сусоева Г.Н. Патент RU 2148840 C1, МПК G01V 3/10, G01V 3/40, G01R 33/02. Заявл. 08.09.1998. Опубл. 10.05.2000. Бюл. №34] используется один датчик, который необходимо перемещать и повторно выполнять определение направления на ферросодержащий объект. Традиционные подходы при решении задач обнаружения местоположения объектов, следовательно, должны использовать либо идентичные датчики, либо один, который необходимо перемещать.
Заявляемый СВЧ-генератор со сферическим ЖИГ резонатором в линии обратной связи позволяет реализовать следующий способ определения вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля. Сначала создают подмагничивающее поле вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора, измеряют по частоте генератора первую компоненту внешнего магнитного поля, направленную вдоль первой оси легкого намагничивания резонатора. Затем по аналогии последовательно создают подмагничивающие поля вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора, по частоте генератора измеряют вторую и третью компоненты внешнего магнитного поля, направленные вдоль второй и третьей осей легкого намагничивания резонатора соответственно, после чего определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму трех измеренных компонент.
Решение, представленное в изобретении, объединяет оба подхода. Использование магнитных свойств СР (см. [Смит Я., Вейн Х. Ферриты. Физические свойства и практические применения. - М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1962. 504 с.]), позволяющих изменять угол вектора намагниченности СР, создает возможности для пространственного пеленга. Использование одного и того же ГУМ решает проблему идентичности датчиков.
Область изобретения не ограничивается представленными фиг.1- 4, поскольку любые изменения и дополнения будут понятны специалистам. Область изобретения ограничивается только представленной ниже формулой изобретения.