векторный магнитометр на основе дискового жиг резонатора и способ определения вектора магнитного поля

Формула изобретения

1. Магнитометр, содержащий генератор с активным элементом и линией обратной связи, резонатор на основе железо-иттриевого граната в качестве частотозадающего элемента, помещенный в линию обратной связи генератора, частотомер, вход которого соединен с выходом генератора, блок вычисления, плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления, магнитную систему для перевода резонатора в монодоменный режим, отличающийся тем, что в качестве резонатора выбран дисковый резонатор типа [111] с тремя осями легкого намагничивания, а магнитная система представляет собой две катушки индуктивности, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси были ориентированы под углом 120° с вершиной в геометрическом центре резонатора, подключенные к генератору прямоугольных импульсов тока, причем одна из катушек подключена к источнику через инвертор.

2. Способ определения вектора внешнего магнитного поля при помощи генератора с частотозадающим дисковым резонатором на основе железо-иттриевого граната в линии обратной связи, включающий 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, отличающийся тем, что затем создают подмагничивающее поле вдоль второй оси легкого намагничивания резонатора, расположенной под углом 120^о к первой, по частоте генератора измеряют вторую компоненту внешнего магнитного поля, направленную вдоль второй оси легкого намагничивания резонатора, определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму двух измеренных компонент.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области магнитной геологоразведки, диагностике и обнаружению ферросодержащих тел, навигации по магнитному полю Земли и пр.

Известен векторный магнитометр, включающий два одинаковых чувствительных к магнитному полю элемента из пленки ЖИГ, поддерживаемой в насыщенном монодоменном состоянии, с двумя измерительными катушками каждый, средства создания вращающегося магнитного поля и обработки сигнала отклика, средство для компенсации поля в перпендикулярном направлении, двухканальный генератор гармонических колебаний, пользовательский интерфейс (см. Патент RU 2100819, МПК G01R33/00).

Известен векторный магнитометр, включающий три одинаковых феррозондовых датчика, схемы их управления и обработки сигналов (см. Патент RU 2218577, МПК G01R33/02). 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.

Способ измерения полного вектора магнитного поля, заключающийся в последовательном ориентировании одного феррозонда в горизонтальной и вертикальной плоскостях, составляющих измеряемого поля, отличающийся тем, что вводят жестко закрепленную систему из трех взаимно ортогональных феррозондов, расположенных под углом 54,735 к оси корпуса прибора, а измерения проводят, ориентируя прибор в пространстве с учетом опорного поля, направленного вдоль оси корпуса прибора, и вычисляя модуль полного вектора измеряемого магнитного поля как корень из суммы квадратов сигналов всех трех взаимно ортогональных феррозондов, причем плоскость, общую для вектора измеряемого магнитного поля и поля, создаваемого генератором опорных импульсов, определяют по равенству изменений результирующего информативного сигнала трех феррозондов при равных ортогональных отклонениях оси корпуса прибора относительно данной плоскости, а истинное направление вектора измеряемого магнитного поля определяют по равенству сигналов всех трех феррозондов, так как каждый из них занимает равнозначное угловое положение относительно полного вектора измеряемого магнитного поля, и это угловое положение соответствует оптимальной чувствительности феррозондов.

К недостаткам векторных магнитометров по патентам RU 2100819 и 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).

К недостаткам известного магнитометра по патенту RU 2148840 можно отнести необходимость поворота датчика магнитного поля при определении направления на объект, неточности при определении азимутального угла на объект вследствие усреднения величины индукции исследуемого магнитного поля, т.к. сигнал отклика индукционного датчика пропорционален потоку вектора индукции через поперечное сечение измерительной катушки индуктивности.

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.). При использовании нескольких таких устройств (которые также должны быть идентичными) возможно построение векторного магнитометра. Однокомпонентный магнитометрический датчик имеет в своем составе: генератор на полевом или биполярном транзисторе с активным элементом и линией обратной связи; ЖИГ резонатор (сферический или пленочный) 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 монодоменный режим 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 в свою очередь влияет поле от магнитной системы и внешняя индукция, складывающаяся из и постоянного магнитного поля Земли и поля от ферромагнитного объекта. После первого измерения и определения направления на объект необходимо переместить однокомпонентный магнитометрический датчик магнитного поля, еще раз с его помощью определить новое направление на объект и затем найти точку пересечения первого и второго направлений, показывающую положение объекта.

Однако прототип не позволяет достоверно определить положение объекта при наличии локальных возмущений магнитного поля, магнитных помех, а также не применим для определения протяженных объектов, нескольких объектов, при поиске движущихся объектов и т.д.

Задачей настоящего решения является разработка магнитометра простой конструкции для одновременного определения величины и направления вектора индукции магнитного поля Земли, либо магнитного поля, создаваемого ферромагнитным объектом.

Техническим результатом является повышение чувствительности и магнитной направленности устройства, а также быстродействия способа.

Указанный технический результат достигается тем, что магнитометр, содержащий генератор с активным элементом и линией обратной связи, резонатор на основе железо-иттриевого граната в качестве частотозадающего элемента, помещенный в линию обратной связи генератора, частотомер, вход которого соединен с выходом генератора, блок вычисления, плату сопряжения для передачи результатов измерений частоты от частотомера в блок вычисления, магнитную систему для перевода резонатора в монодоменный режим, согласно решению в качестве резонатора выбран дисковый резонатор типа [111] с тремя осями легкого намагничивания, а магнитная система представляет собой две катушки индуктивности, расположенные вблизи резонатора таким образом, чтобы их оси были ориентированы под углом 120° с вершиной в геометрическом центре резонатора, подключенные к генератору прямоугольных импульсов тока, причем одна из катушек подключена к источнику через инвертор. Способ определения вектора внешнего магнитного поля при помощи генератора с частотозадающим дисковым резонатором на основе железо-иттриевого граната в линии обратной связи, включающий 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 затем создают подмагничивающее поле вдоль второй оси легкого намагничивания резонатора, расположенной под углом 120° к первой, по частоте генератора измеряют вторую компоненту внешнего магнитного поля, направленную вдоль второй оси легкого намагничивания резонатора, определяют вектор внешнего магнитного поля как векторную сумму двух измеренных компонент.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена типичная картина полосовой доменной структуры в ферромагнетике, имеющем три оси легкого намагничивания с кристаллографическими индексами [111]; на фиг.2 и 3 показано расположение отдельных катушек индуктивности, позволяющих ориентировать полосовую доменную структуру в пленке ЖИГ вдоль одной из двух осей легкого намагничивания (ОЛН): на фиг.2 - расположение катушки индуктивности L₁ для формирования в резонаторе ПДС, ориентированной в направлении первой ОЛН, на фиг.3 - расположение катушки индуктивности L₂ для формирования в резонаторе ПДС, ориентированной в направлении второй ОЛН; фиг.4 иллюстрирует общий вид магнитной системы - взаимного расположения катушек индуктивности и дискового резонатора, позволяющей определить компоненты B₁, B₂ вектора магнитной индукции и полный вектор магнитной индукции B₀ внешнего постоянного магнитного поля; фиг.5 показывает блок-схему магнитометра, иллюстрирующую работу устройства. Позициями на чертежах обозначены:

1 - дисковый резонатор;

2 - катушка индуктивности L₁;

3 - катушка индуктивности L ₂;

4 - генератор, управляемый магнитным полем (ГУМ);

5 - частотомер;

6 - плата сопряжения;

7 - компьютер (ЭВМ);

8 - источник импульсов запуска частотомера;

9 - инвертор;

10 - генератор прямоугольных импульсов.

Предложена конструкция магнитометра, использующая свойства полосовых доменных структур в ферромагнитных пленках с кристаллографическими индексами [111], позволяющими периодически изменять ориентацию вектора намагниченности в пленке из железо-иттриевого граната (ЖИГ) на 120º. Использование данного изобретения позволяет определить центр рудного или любого другого ферросодержащего тела как в горизонтальной плоскости, так и по глубине его залегания.

Основной составной частью магнитометра является генератор на пленке ЖИГ, 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 дискового ЖИГ резонатора представляет собой СВЧ генератор, частота которого определяется частотой ферромагнитного резонанса ЖИГ резонатора, 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). Принцип изобретения заключается в использовании свойств полосовых доменных структур (ПДС) в пленках (эпитаксиальных структурах) железо-иттриевого граната, приводящем к изменению частоты магнитоуправляемого СВЧ генератора.

На фиг.1 показан типичный вид полосовой доменной структуры в пленке ферромагнетика в ненасыщенном состоянии с кристаллографическими индексами [111], имеющей три оси легкого намагничивания (ОЛН), углы между которыми в плоскости пленки равны 120° [Смит Я., Вейн Х. Ферриты. Физические свойства и практические применения. М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1962. 504 с.]. Из фиг.1 видно, что отдельные полосовые «макродомены» ориентированы вдоль проекций ОЛН в плоскости пленки. Похожая картина наблюдается и в пленках ЖИГ типа [111]. При наличии внешнего постоянного магнитного поля, направленного вдоль одной из ОЛН, доменная структура изменяется, и с увеличением индукции магнитного поля все полосовые домены выстраиваются в направлении ОЛН. Вблизи выступов (углов) образца ЖИГ могут наблюдаться искажения полосовой доменной структуры. Следовательно, если форма образца ЖИГ имеет аксиальную симметрию (дисковый ЖИГ резонатор), то ПДС будет иметь однородный вид в направлении любой из трех ОЛН. Таким образом, если включать внешнее магнитное поле сначала с помощью катушки индуктивности, расположенной вблизи дискового ЖИГ резонатора (ДР) в направлении одной ОЛН, а затем в направлении другой ОЛН, то соответствующие ПДС в ДР будут отличаться только направлением, как показано на фиг.2 и фиг.3 соответственно. Следовательно, если использовать две катушки индуктивности, как показано на фиг.4, можно изменять направление ПДС с помощью поочередного включения тока в катушках индуктивности L₁ и L ₂, расположенных относительно ДР таким образом, что угол с вершиной в геометрическом центре ДР и сторонами, направленными по осям симметрии катушек индуктивности, составляет 120 . Возможные направления ориентации ПДС показаны на фиг.4 двумя видами штриховки.

Блок-схема магнитометра показана на фиг.5. В цепи обратной связи генератора (ГУМ), управляемого магнитным полем, находится ДР. Вблизи ДР находятся катушки индуктивности L₁ и L₂, на которые поступают импульсы тока от генератора прямоугольных импульсов, причем перед одной из катушек включен инвертор, обеспечивающий формирование импульсов тока в катушках в противофазе. К выходу ГУМ подсоединен вход частотомера, который выполняет измерения частоты ГУМ при поступлении импульсов запуска частотомера. С выхода частотомера измеренные значения частоты через плату сопряжения, выполняющую функции интерфейса, поступают для обработки в ЭВМ. С помощью программного обеспечения в ЭВМ производятся необходимые вычисления и определяются величина и направление полного вектора магнитной индукции B ₀ внешнего постоянного магнитного поля.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.5). Генератор прямоугольных импульсов с частотой посылает импульсы тока на катушки индуктивности L ₁ и L₂. Инвертор преобразует уровни прямоугольных импульсов и, в результате, на катушки L₁ и L₂ импульсы приходят в противофазе. При длительности импульсов порядка 1 мС и индуктивности 1 мГн переходные процессы незначительны и не требуют дополнительной корректировки. При диаметре ДР порядка 0,5 мм, диаметре и длине катушек индуктивности (L₁ , L₂) 0,75 мм и 1,5 мм соответственно в области ДР создается достаточно однородное магнитное поле величиной около 100 Гс. Таким образом, катушки индуктивности L₁ и L₂ поочередно создают в области ДР подмагничивающие магнитные поля, направленные вдоль первой и второй ОЛН. При этом полосовая доменная структура и вектор намагниченности изменяют свои направления в плоскости ДР на 120 .

Результирующее магнитное поле в области ДР будет определяться суммой векторов магнитной индукции внешнего (измеряемого) поля B₀ и поля B_i от одной из катушек индуктивности (L₁ или L₂) (фиг.4):

B=B₀+B_i,

где i=1,2.

Информация о величине магнитной индукции содержится в частоте генератора, управляемого магнитным полем (ГУМ), которая задается частотой ферромагнитного резонанса в ДР и измеряется с помощью частотомера. Величина магнитной индукции связана с измеренной частотой простым соотношением:

,

где - известная величина гиромагнитного отношения, - намагниченность насыщения ЖИГ.

Импульсы запуска частотомера синхронизированы с частотой переключения направления магнитного поля . Затем сигнал с выхода частотомера через необходимую плату сопряжения поступает для обработки в ЭВМ.

В заявляемом изобретении угол между компонентами внешнего магнитного поля B₁, B₂ составляет 120° и полный вектор магнитной индукции B₀ находится путем их векторного суммирования (см. фиг..4).

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.

Решение, представленное в изобретении, объединяет оба подхода. Использование свойств ПДС (см. Смит Я., Вейн Х. Ферриты. Физические свойства и практические применения. М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1962. 504 с., Хвалин А.Л., Солопов А.А., Ляшенко А.В. Исследование СВЧ резонаторов на эпитаксиальных структурах ЖИГ с учетом доменной структуры//Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2012. - Вып.12. С.4-11), позволяющих изменять угол вектора намагниченности ДР, создает возможности для пространственного пеленга. Использование одного и того же ГУМ решает проблему идентичности датчиков.

Область изобретения не ограничивается представленными фиг.2- 5, поскольку любые изменения и дополнения будут понятны специалистам. Область изобретения ограничивается только представленной ниже формулой изобретения.