датчик магнитометра

Формула изобретения

1. Датчик магнитометра, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде соединенного с основанием стержня с жестко закрепленным на нем магнитным элементом, оптическую систему, состоящую из оптически соединенных источника светового излучения, зеркала, укрепленного на магнитном элементе чувствительного элемента и приемника светового излучения, блока управления, электрически соединенного с источником и приемником светового излучения, отличающийся тем, что нижний конец стержня чувствительного элемента шарнирно соединен с основанием, основание установлено на упругих опорах, датчик магнитометра снабжен актюатором, жестко соединенным с основанием и электрически соединенным с выходом блока управления актюатором, вход которого электрически соединен с выходом блока управления.

2. Датчик магнитометра по п.1, отличающийся тем, что актюатор выполнен в виде пьезоэлектродвигателя линейных перемещений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации ультранизкочастотных (УНЧ) вариаций электромагнитных полей (в частности, для определения местоположения ионосферных и литосферных источников УНЧ магнитных возмущений).

Известен датчик магнитометра, содержащий разомкнутый магнитный сердечник, две обмотки возбуждения и выходную обмотку. Сердечник выполнен в виде пермаллоевой трубки, обмотки возбуждения намотаны раздельно на двух параллельных стержнях сердечника и включены встречно, выходная обмотка охватывает оба стержня. Постоянное подмагничивание стержней определяется напряженностью внешнего магнитного поля, Амплитуда сигнала, снимаемого с выходной обмотки, пропорциональна величине действующего поля [Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики: Учеб. пособие для средн. проф. учеб. заведений. - М.: Высш. шк., 2004]. Недостатком этого датчика являются низкая помехозащищенность и потеря чувствительности на низких частотах.

Известен датчик магнитометра, содержащий основание, подвес, выполненный в виде невесомого стержня, и магнитный элемент. Подвес совершает свободные колебания относительно точки подвеса. Под действием электромагнитных полей изменяются амплитуда и частота колебаний подвеса, которые пропорциональны величине действующего магнитного поля [Скубов Д.Ю., Ходжаев К.Ш. Нелинейная электромеханика. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003]. Этот датчик обладает недостаточно высокой чувствительностью при регистрации УНЧ вариаций электромагнитных полей.

Известен датчик магнитометра, выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде невесомого стержня (нити), оба конца которого жестко защемлены в пластинах основания, с жестко закрепленным на стержне магнитным элементом, оптическую систему, состоящую из оптически соединенных источника светового излучения, зеркала, жестко закрепленного на магнитном элементе, и приемника светового излучения, блок управления, выход и вход которого электрически соединены с источником и приемником светового излучения соответственно [Кротевич Н.Ф. Магнитные микровариационные измерения и аппаратура для магнитотеллургических исследований. - Новосибирск: Изд-во «Наука», Сибирское отд-ние, 1972]. Луч от источника светового излучения, падающий на зеркало, отражается и попадает на поверхность приемника светового излучения, изменение тока на выводах которого прямо пропорционально вариациям магнитного поля. Под действием магнитных полей магнитный элемент отклоняется от исходного положения. Зеркало меняет свое положение в пространстве, отраженный от него луч попадает на другой участок поверхности приемника светового излучения, вырабатывается другое значение тока.

Этот датчик магнитометра обладает недостаточно высокой чувствительностью, а также недостаточной надежностью к динамическим перегрузкам. При ударных перегрузках возникает локальное разрушение стержня (разрыв) и конструкция становится неработоспособной.

Изобретение решает задачу повышения чувствительности с одновременным повышением надежности к динамическим перегрузкам датчика магнитометра.

Задача решена следующим образом. Датчик магнитометра содержит чувствительный элемент, выполненный в виде соединенного с основанием стержня, с жестко закрепленным на нем магнитным элементом, оптическую систему, состоящую из оптически соединенных источника светового излучения, зеркала, укрепленного на магнитном элементе чувствительного элемента, и приемника светового излучения, блок управления, электрически соединенный с источником и приемником светового излучения. Датчик магнитометра дополнительно снабжен актюатором, жестко соединенным с основанием и электрически соединенным с выходом блока управления актюатором, вход которого электрически соединен с выходом блока управления, нижний конец стержня чувствительного элемента шарнирно соединен с основанием, основание установлено на упругих опорах.

По схеме крепления нижним концом стержня чувствительный элемент представляет собой так называемый перевернутый маятник, состояние которого в верхнем положении неустойчиво. Под действием сколь угодно малого внешнего воздействия перевернутый маятник стремится занять нижнее, устойчивое положение.

Датчик обладает повышенной чувствительностью к внешним воздействиям за счет использования неустойчивости состояния чувствительного элемента в верхнем положении. Устойчивое состояние чувствительного элемента в верхнем положении обеспечивается организацией вынужденных вертикальных колебаний основания, с которым он шарнирно соединен. Колебания основания обеспечивает жестко соединенный с ним актюатор, который осуществляет линейные перемещения (вибрации) вдоль вертикальной оси. Таким образом, актюатор обеспечивает вибрационную стабилизацию верхнего положения чувствительного элемента. Малейшее изменение величины электромагнитного поля (вариация) ведет к изменению устойчивого положения стержня чувствительного элемента, которое отличается от исходного на угол, пропорциональный этой вариации.

При этом датчик магнитометра отличается большей надежностью к динамическим перегрузкам, поскольку стержень чувствительного элемента только одним концом соединен с основанием, в отличие от прототипа, в котором стержень зажат обоими концами в пластинах основания в предельно напряженном состоянии. Предельно напряженное состояние осуществляется растягивающими осевыми силами для получения максимально возможной для прототипа чувствительности. В предлагаемом датчике магнитометра стержень чувствительного элемента нагружен только сжимающим усилием (весом чувствительного элемента), что обеспечивает большую надежность к динамическим перегрузкам, поскольку предел прочности на сжатие больше предела прочности на растяжение.

На чертеже представлена схема датчика магнитометра.

Датчик магнитометра содержит чувствительный элемент, оптическую систему, блок управления, актюатор и блок управления актюатором.

Чувствительный элемент датчика магнитометра выполнен в виде стержня 1, нижний конец которого шарнирно соединен с основанием 2, на стержне 1 жестко закреплен магнитный элемент 3, который может быть закреплен на любом участке длины стержня 1. Основание 2 установлено на упругих опорах 4. Основание 2 жестко соединено с актюатором 5. Актюатор 5 электрически соединен с выходом блока управления актюатором 6, вход которого соединен с выходом В1 блока управления 7. Оптическая система состоит из оптически соединенных источника светового излучения 8, зеркала 9, жестко закрепленного на магнитном элементе 3, и приемника светового излучения 10. Источник светового излучения 8 электрически соединен с выходом В2 блока управления 7. Приемник светового излучения 10 электрически соединен с входом В3 блока управления 7. Стержень 1 первоначально отклонен от вертикальной оси и опирается на кромки шарнирного паза основания 2.

Устройство работает следующим образом. При подаче питания на блок управления 7 с выходов В1 и В2 на вход блока управления актюатором 6 и источник светового излучения 8 соответственно поступают управляющие сигналы, в результате чего источник светового излучения 8 начинает излучать световой поток, модулированный с частотой f₀, с выхода блока управления актюатором 6 на актюатор 5 поступает управляющий сигнал, в результате чего последний начинает осуществлять гармонические колебания в вертикальном направлении с той же частотой. Основание 2, установленное на упругих опорах 4 и жестко соединенное с актюатором 5, совершает вертикальные вибрации с той же частотой. Под действием вертикальных вибраций основания 2 шарнирно соединенный с ним нижним концом стержень 1 чувствительного элемента с жестко закрепленным на нем магнитным элементом 3, первоначально отклоненный от вертикальной оси и опирающийся на кромки шарнирного паза основания 2, принимает верхнее вертикальное положение. Модулированная интенсивность луча источника светового излучения 8 с частотой f₀ , попадающего на зеркало 9, жестко закрепленного на магнитном элементе 3, отражается и попадает на поверхность приемника светового излучения 10, на выводах которого вырабатывается значение тока, соответствующее этому положению чувствительного элемента, и которое поступает на вход В3 блока управления 10.

Под действием электромагнитных полей стержень 1 вместе с магнитным элементом 3 отклоняется от прежнего устойчивого положения равновесия, которым является верхнее вертикальное положение, и занимает новое. При этом также меняет свое положение зеркало 9, а луч, отраженный от него, попадает на другой участок поверхности приемника светового излучения 10, на вход ВЗ поступает другое значение вырабатываемого тока. По этим отклонениям можно судить о вариациях электромагнитных полей.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается датчик магнитометра, стержень чувствительного элемента которого выполняется жестким, с диаметром, обеспечивающим повышенную прочность и чувствительность. В данном случае две конкурирующие величины - прочность и чувствительность - дают возможность выбрать оптимальный диаметр стержня, значение которого находится при решении экстремальной задачи. Например, предлагается стержень чувствительного элемента, изготавливаемый из бериллиевой бронзы и имеющий отношение диаметра стержня к его длине 0,02.

Магнитный элемент выполняется в виде постоянного (статического) магнита либо в виде двух постоянных магнитов, симметрично расположенных относительно стержня. Магнитный элемент жестко крепится на свободном конце стержня чувствительного элемента. Основание выполняется в виде платформы с шарнирным пазом. Упругие опоры выполняются в виде цилиндрических винтовых пружин либо плоских пружин.

Приемник светового излучения выполняется в виде лазера либо лазерного диода, либо светодиода, либо лампы накаливания. Актюатор выполняется в виде пьезоэлектродвигателя линейных перемещений. Блок управления актюатором выполняется стандартным [Смирнов А.Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003]. Приемник светового излучения выполняется в виде фотодиода либо ПЗС-матрицы.

Блок управления выполняется так же, как и блок управления прототипа [Кротевич Н.Ф. Магнитные микровариационные измерения и аппаратура для магнитотеллургических исследований. - Новосибирск: Изд-во «Наука», Сибирское отд-ние, 1972].

Таким образом, датчик магнитометра обладает повышенной чувствительностью с одновременно повышенной надежностью к динамическим перегрузкам.

Повышенная чувствительность обеспечивается схемой крепления чувствительного элемента, состояние которого в верхнем вертикальном неустойчиво без организации вынужденных вертикальных колебаний. Перевод чувствительного элемента из неустойчивого в устойчивое состояние равновесия осуществляется путем организации вынужденных колебаний основания, которые обеспечивает актюатор.

Повышенная надежность к динамическим перегрузкам обеспечивается также схемой крепления чувствительного элемента. Стержень односторонне шарнирно соединен с основанием и не находится в предельно напряженном состоянии.