устройство регистрации магнитного поля

Формула изобретения

Устройство регистрации магнитного поля, содержащее генератор, катушку индуктивности, измерительный мост с магниточувствительным магниторезистивным элементом, усилитель и блок детектирования и регистрации, катушка индуктивности подключена к выходу генератора, магниточувствительный магниторезистивный элемент измерительного моста расположен в магнитном поле, созданном генератором и катушкой индуктивности, вход усилителя подключен к выходной диагонали измерительного моста, а его выход связан с входом блока детектирования и регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено двумя разделительными конденсаторами, измерительный мост снабжен вторым магниточувствительным магниторезистивным элементом и выполнен по схеме, в которой два противоположных плеча являются магниточувствительными магниторезистивными элементами, генератор выполнен моногармоническим, усилитель выполнен узкополосным и между его входом и выходом измерительного моста включены разделительные конденсаторы.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для поиска и обнаружения объектов из ферромагнитных материалов.

Известны устройства регистрации магнитных полей, использующие в качестве чувствительных элементов катушки индуктивности, гальваномагнитные преобразователи Холла, магнитодиоды и транзисторы, феррозонды и СКВИДы [1].

Данные чувствительные элементы имеют один или несколько недостатков, такиe как низкая чувствительность, повышенная габаритность и дороговизна, относительно высокое энергопотребление.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является [2]. Данное устройство (фиг. 1) содержит генератор 2, с подключенной к выходу катушкой индуктивности 3. Катушка 3 охватывает магниторезистивный элемент, включенный в одно из плеч измерительного моста 1. К измерительной диагонали моста 1 гальванически подключен вход дифференциального видеоусилителя 4, выход которого связан с блоком детектирования и регистрации 5.

В основу работы устройства положен модуляционно-демодуляционный принцип регистрации слабых постоянных и низкочастотных магнитных полей с использованием широтно-импульсного преобразования [3].

К недостаткам данного устройства относятся ограничение чувствительности из-за применения одноплечевой схемы измерительного моста 1 (фиг. 1), нестабильность измерений из-за дрейфа нуля моста 1, повышенный уровень шума на выходе видеоусилителя 4, связанный с использованием широкой полосы пропускания. Работа в режиме насыщения магниторезистивного элемента моста 1 сопровождается, во-первых, дополнительным повышением уровня шума (из-за проявления гистерезисных эффектов, создающих нестабильность длительности импульсов), а во-вторых, повышенными энергозатратами, необходимыми для создания в катушке 3 поля насыщения магниторезистивного элемента моста 1.

Таким образом, дрейф нуля моста 1, широкая полоса пропускания и гистерезисные эффекты создают повышенный уровень шума и снижают чувствительность устройства.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности, снижение шумов и уменьшение энергозатрат.

Сущность изобретения заключается в том, что мост 1 (фиг. 2) выполнен по схеме, в которой два противоположных плеча являются магниточувствительными магниторезистивными элементами. Генератор 2 - моногармонический с частотой выходного сигнала f₁. Посредством катушки индуктивности 3 генератор 2 связан с обоими магниточувствительными элементами моста 1. Усилитель 4 выполнен избирательным, настроенным на частоту f₁ и подключен своим входом к измерительной диагонали моста 1 через разделительные конденсаторы 6 и 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Два магниторезистивных элемента моста 1 (такой мост позволяет увеличить вольтовую чувствительность в два раза в сравнении с одноплечевым мостом) воспринимают поле подмагничивания частотой f₁, создаваемое генератором 2 и катушкой 3. Вольт-эрстедная характеристика измерительного моста 1 аналогична характеристике моста 3 прототипа, т.е. также V-образная (фиг. 3).

Гармоническое подмагничивание приводит к появлению на выходе измерительной диагонали моста 1 однополярного напряжения, состоящего из циклоиды косинусоидальных импульсов. При симметричной V-образной характеристике и отсутствии измеряемого постоянного магнитного поля H₀ все полуволны имеют одинаковую амплитуду А и длительность, равную (фиг. 3а). Если разложить данную последовательность в спектр, то можно заметить, что в нем отсутствует первая гармоника f₁.

(1)

где ₁ = 2f₁.

Следовательно, на выходе усилителя 4, настроенного на f₁, напряжение также отсутствует. Все составляющие спектра представляют собой четные гармоники nf₁, где n = 2, 4, 6... .

В том случае, когда на магниточувствительные плечи моста воздействует поле подмагничивания частотой f₁ совместно с измеряемым постоянным магнитным полем - H₀, на выходе моста 1 образуется циклоида из импульсов разной амплитуды: все нечетные импульсы увеличиваются по амплитуде на A, пропорционально H₀, а все четные уменьшаются на такую же величину (фиг. 3б).

Если H₀ много меньше амплитуды поля подмагничивания, то можно считать, что длительности импульсов остались равными. Спектр последовательности нечетных импульсов имеет все четные гармоники амплитудой, вдвое меньшей, чем гармоники равноамплитудной циклоиды, а также первую гармонику f₁:



Аналогично для четных импульсов, сдвинутых относительно нечетных на интервал , спектр будет:



Если теперь оба спектра сложить, то получим спектр разноамплитудной циклоиды:

. (2)

Сравнивая спектры (1) и (2), видим, что информационная часть спектра циклоиды, пропорциональная приращению амплитуды импульсов A, находится на частоте f₁. Таким образом, напряжение на выходе измерительного моста 1 при воздействии постоянного магнитного поля H₀ имеет составляющую, пропорциональную H₀, на частоте первой гармоники.

Усилитель 4, настроенный на частоту f₁, усиливает полезный сигнал в узкой полосе, что снижает уровень шума на выходе усилителя.

Применение развязывающих конденсаторов 6 и 7 позволяет избавиться от влияния дрейфа нуля моста 1 на работу усилителя 4.

С выхода усилителя 4 полезный сигнал поступает в блок детектирования и регистрации 5, где подвергается амплитудной детекции.

Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемое устройство имеет удвоенное значение чувствительности за счет применения измерительного моста 1 с двумя магниточувствительными плечами; снижены уровень шума в выходном сигнале и энергозатраты ввиду применения подмагничивающего поля напряженностью, меньшей напряженности насыщения чувствительных элементов; применения узкополосного усилителя 4 и исключения влияния дрейфа нуля моста 1.

Источники информации

1. Лэнц Дж.Э./Обзор магнитных датчиков//ТИИЭР, т.78, N 6, 1990, с. 87-102.

2. Устройство для измерения магнитного поля/ Aвт.св. СССР, N 1774296 F1, G 01 R 33/06, 1992 г.

3. Скородумов С.А., Обоишев И.И./Помехоустойчивая магнито-измерительная аппаратура// Л.: Энергоиздат, 1981 г., с.24.

4. Васильева Н.П. и др./ Запоминающие элементы на основе магниторезистивных тонкопленочных многослойных структур// Зарубежная электронная техника, N 1, 1995, c. 32-60(35).

5. Корн Г. и Корн Т./Справочник по математике (Для научных работников и инженеров)// М.: Наука-1978, с. 151.