Магнитометр (варианты)

(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Магнитометр, содержащий блок термостабилизированного датчика магнитного поля, имеющий потенциальные выводы, вход питания и соединенный с электронным блоком регистрации сигнала, который состоит из узла сравнения сигналов, узла термостабилизации и узла регистрации сигнала на основе дифференциального усилителя, синхронного детектора, интегратора и генератора, причем потенциальные выводы датчика магнитного поля соединены со входом дифференциального усилителя блока регистрации, отличающийся тем, что вход питания датчика магнитного поля соединен со входом узла сравнения, а выход генератора соединен со входом питания узла сравнения и опорными входами синхронных детекторов узла термостабилизации и узла регистрации сигнала. 2. Магнитометр, содержащий блок термостабилизированного датчика магнитного поля, имеющий потенциальные выводы, вход питания и соединенный с электронным блоком регистрации сигнала, который состоит из узла сравнения сигналов, узла термостабилизации и узла регистрации сигнала на основе дифференциального усилителя, синхронного детектора, интегратора и генератора, причем потенциальные выводы датчика магнитного поля соединены со входом дифференциального усилителя блока регистрации, отличающийся тем, что вход питания датчика магнитного поля соединен со входом узла сравнения и магнитометр дополнительно содержит аналоговый сумматор, к одному входу которого подключен выход интегратора узла термостабилизации, а ко второму входу подключен выход генератора,соединенный одновременно с опорными входами синхронных детекторов узла термостабилизации и узла регистрации сигнала, а выход сумматора соединен со входом питания узла сравнения. Фиг. 1 3. Магнитометр, содержащий блок термостабилизированного датчика магнитного поля, имеющий потенциальные выводы, вход питания и соединенный с электронным блоком регистрации сигнала, который состоит из узла сравнения сигналов, узла термостабилизации и узла регистрации сигнала на основе дифференциального усилителя,4676 1 синхронного детектора, интегратора и генератора, причем потенциальные выводы датчика магнитного поля соединены со входом дифференциального усилителя блока регистрации, отличающийся тем, что вход питания датчика магнитного поля соединен со входом узла сравнения, а генератор узла термостабилизации выполнен в виде генератора, управляемого напряжением, ко входу которого подключен выход интегратора узла термостабилизации, а выходы генераторов узла термостабилизации и узла регистрации сигнала соединены со входами сумматора. Изобретение относится к области магнитных измерений и может использоваться в радиопромышленности при изготовлении магнитометров. Известен магнитометр, содержащий полупроводниковый датчик магнитного поля, расположенный на подложке из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторе), соединенный с источником переменного напряжения, содержащий также измеритель сигнала датчика магнитного поля 1. Недостатками устройства является низкая температурная стабильность измерений, обусловленная тепловой инерционностью позистора, узостью диапазона стабилизации температуры, его низкой температурной чувствительностью, а также ограниченная область применения устройства, обусловленная его большими габаритами. Известен также магнитометр, содержащий блок термостабилизированного датчика магнитного поля, имеющий потенциальные выводы, вход питания и соединенный с электронным блоком обработки сигналов. В состав блока термостабилизированного датчика магнитного поля входят собственно датчик магнитного поля (на основе эффекта Холла), датчик температуры (на основе терморезистора), нагреватель (на основе проволочного резистора), причем датчик магнитного поля частично теплоизолирован от нагревателя и расположен в центре металлического стакана, на котором размещена обмотка нагревателя, имеющая тепловой контакт с датчиком температуры. Электронный блок обработки сигналов содержит узел сравнения (на основе резистивного моста со входом питания и выходом сигнала сравнения), узел термостабилизации и узел регистрации. Узел термостабилизации состоит из дифференциального усилителя, синхронного детектора, интегратора и генератора аналогично и узел регистрации состоит из дифференциального усилителя, синхронного детектора, интегратора и генератора, причем потенциальные выводы датчика магнитного поля соединены со входом дифференциального усилителя блока регистрации 2. Недостатками известного магнитометра является большое время установления теплового режима при невысокой температурной стабильности измерений и больших габаритах датчика магнитного поля. Задачей заявляемого технического решения является повышение температурной стабильности магнитометра. Поставленная задача решается тем, что в магнитометре, содержащем блок термостабилизированного датчика магнитного поля, имеющий потенциальные выводы, вход питания и соединенный с электронным блоком регистрации сигнала, который состоит из узла сравнения сигналов, узла термостабилизации и узла регистрации сигнала на основе дифференциального усилителя, синхронного детектора, интегратора и генератора, причем потенциальные выводы датчика магнитного поля соединены со входом дифференциального усилителя блока регистрации, вход питания датчика магнитного поля соединен со входом узла сравнения, а выход генератора соединен со входом питания узла сравнения и опорными входами синхронных детекторов узла термостабилизации и узла регистрации сигнала. Согласно второму варианту, в предлагаемом устройстве вход питания датчика магнитного поля соединен со входом узла сравнения и магнитометр дополнительно содержит аналоговый сумматор, к одному входу которого подключен выход интегратора узла термостабилизации, а ко второму входу подключен выход генератора, соединенный одновременно с опорными входами синхронных детекторов узла термостабилизации и узла регистрации, а выход сумматора соединен со входом питания узла сравнения. Благодаря этому устройство, помимо повышения температурной стабильности магнитометра, имеет уменьшенные габариты узла термостабилизированного датчика магнитного поля и обеспечивает повышение локальности измерений. Согласно третьему варианту, в предлагаемом устройстве вход питания датчика магнитного поля соединен со входом узла сравнения и генератор узла термостабилизации выполнен в виде генератора, управляемого напряжением, ко входу которого подключен выход интегратора узла термостабилизации, а выходы генераторов узла термостабилизации и узла регистрации сигнала соеди 2 4676 1 нены со входами сумматора. Благодаря этому устройство, помимо повышения температурной стабильности магнитометра, позволяет снизить уровень термомагнитогальванических помех. На фиг. 1 показана принципиальная схема первого варианта предлагаемого устройства. Устройство содержит блок термостабилизированного датчика магнитного поля 1, состоящего, например, из датчика Холла 2, нагревателя 3, электрически изолированных друг от друга, но расположенных на общей теплопроводящей подложке 4. Электронный блок магнитометра 5 содержит узел сравнения сигналов 6, например, на основе мостового узла из элементов 7, 8, 9, узлы термостабилизации 10 и регистрации 11 сигналов датчика магнитного поля 2. Узел термостабилизации 10 состоит, например, из дифференциального усилителя 12, синхронного детектора 13 и интегратора 14. Видно также, что генератор 15 входит в состав как узла термостабилизации 10, так и узла регистрации 11. Кроме того, узел регистрации 11 состоит, например, из дифференциального усилителя 16, синхронного детектора 17 и интегратора 18. В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве ко входу узла сравнения 6 электронного блока 5 подключен не датчик температуры, а вход питания 19 датчика магнитного поля 2, т.е. вход питания датчика магнитного поля 2. Кроме того, из фиг. 1 видно, что, в отличие от прототипа, выход генератора 15 соединен со входом питания 20 узла сравнения 6 и опорными входами 21, 22 обоих синхронных детекторов 13, 17 соответственно,что позволяет упростить конструкцию магнитометра (используется один генератор вместо двух). Как и в известном устройстве, 24 и 25 - потенциальные выводы датчика магнитного поля 2. В предлагаемом устройстве режим термостабилизации рабочего вещества датчика магнитного поля осуществляется следующим образом. На выходе 23 узла сравнения 6 появляется электрический сигнал, зависящий от разбаланса между сопротивлениями элементов мостового узла сравнения 6. Величина сопротивления рабочего вещества датчика магнитного поля 2 зависит от температуры, следовательно, следящий узел блока термостабилизации 10 вырабатывает зависящий от температуры сигнал, поступающий на нагреватель. Вследствие этого сопротивление датчика достигает стабильного значения, задаваемого узлом сравнения, т.е.,действительно, осуществляется стабилизация температуры и сопротивления датчика магнитного поля без дополнительного термодатчика, используемого в прототипе. При этом за счет совмещения функций датчика магнитного поля и датчика температуры в одном элементе 2 и группирования на теплопроводящей подложке не трех, а двух элементов, достигается большая идентичность температуры элементов нагревателя и датчика,чем обеспечивается повышение точности термостабилизации. Предлагаемое техническое решение позволяет, в отличие от прототипа, отказаться от использования подложки и разместить нагреватель 3 непосредственно на корпусе датчика магнитного поля 2 и достигнуть повышенной группировки элементов блока термостабилизированного датчика магнитного поля 1, и тем самым обеспечить повышение термостабильности и уменьшение габаритов узла 1, т.е. вместо четырех элементов, содержащихся в прототипе, блок термостабилизированного датчика магнитного поля 1 может состоять всего лишь из двух элементов - собственно датчика магнитного поля 2 и нагревателя 3. Поскольку измерение магнитного поля не изменяет сопротивление датчика магнитного поля 2, а через элементы узла сравнения 6 к датчику 2 от генератора 15 поступает напряжение с заданной амплитудой, то и с потенциальных выводов 24, 25 датчика магнитного поля 2 снимается независящая от температуры окружающей среды электродвижущая сила, пропорциональная измеряемому значению магнитного поля. С помощью элементов 17, 18 узла регистрации сигнал на опорной частоте преобразуется в сигнал постоянного тока аналогично известному устройству. Таким образом, благодаря использованию новых связей между элементами известного устройства, в предлагаемом устройстве повышается температурная стабильность измерений магнитного поля, а также упрощается конструкция электронного блока. На фиг. 2 показана принципиальная схема второго варианта предлагаемого устройства. Устройство содержит блок термостабилизированного датчика магнитного поля 1, состоящего, например, из датчика Холла 2. Электронный блок магнитометра 5 содержит узел сравнения сигналов 6, например, на основе мостового узла из элементов 7, 8, 9, узлы термостабилизации 10 и регистрации 11 сигналов датчика магнитного поля 2. Узел термостабилизации 10 состоит, например, из дифференциального усилителя 12, синхронного детектора 13 и интегратора 14. Видно, что генератор 15 входит в состав как узла термостабилизации 10, так и узла регистрации 11. Соответственно, узел регистрации 11 состоит, например, из дифференциального усилителя 16,синхронного детектора 17 и интегратора 18. При этом ко входу узла сравнения 6 электронного блока 5 подключен вход питания 19 датчика магнитного поля 2. Как и в известных устройствах, электронный блок 5 содержит узел сравнения сигналов 6, состоящий из элементов 7, 8, 9 и имеющий вход питания 20 и выход сигнала сравнения 23. Узел термостабилизации 10 образован элементами 12, 13, 14, 15, а узел регистрации сигнала 11 элементами 15, 16, 17, 18. Аналогично 24 и 25 - потенциальные выводы датчика магнитного поля 2. Однако, в отличие от известных устройств, вход питания датчика магнитного поля 2 соединен со входом узла сравнения 6, а в электронный блок 5 введен дополнительный элемент - аналоговый сумматор сигналов 3 4676 1 26, один вход 27 которого соединен с выходом интегратора 14 узла термостабилизации 10, а второй вход 28 соединен с выходом генератора 15, связанного одновременно с опорными входами 21, 22 обоих синхронных детекторов 13, 17. Важно также и то, что выход сумматора 26 подсоединен ко входу питания 20 узла сравнения 6. Существенно отличается в предложенном устройстве и блок термостабилизированного датчика магнитного поля 1. Вместо четырех элементов, содержащихся в прототипе, он состоит всего лишь из одного элемента - собственно датчика магнитного поля 2. Благодаря указанным выше существенным отличиям предлагаемого устройства от прототипа оно обеспечивает не только выполнение функции термостабилизации датчика магнитного поля и функции регистрации, но и достижение положительного эффекта кардинальное уменьшение габаритов основного принципиального узла блока термостабилизированного датчика магнитного поля. Это позволяет существенно повысить локальность измерений и расширяет сферу применения данного устройства. Совмещение датчиком магнитного поля функций нагревателя, подложки и рабочего тела датчика магнитного поля снимает вопрос об идентичности температуры элементов блока термостабилизированного датчика магнитного поля и обеспечивает повышение точности измерений. Функция термостабилизации рабочего тела датчика магнитного поля 2 реализуется следующим образом. Электрический сигнал коррекции температуры формируется узлом сравнения 6 за счет чувствительности сопротивления датчика магнитного поля 2 к температуре. Сигнал сравнения на частоте генератора 15, питающего узел сравнения 6, через аналоговый сумматор 26 поступает по цепи выход генератора 15 - вход 28 сумматора 26 - выход сумматора - вход 20 узла сравнения 6 - выход 23 узла сравнения 6 - вход дифференциального усилителя 12, далее детектируется синхронным детектором 13 и затем поступает на интегратор 14 и второй вход 27 сумматора 26. Таким образом, продетектированный сигнал подстройки температуры с выхода сумматора 26 поступает через элемент 6 непосредственно на вход питания 19 датчика магнитного поля 2 и, воздействуя на его рабочее тело, поддерживает заданное значение его температуры и сопротивления. Функция измерения магнитного поля датчиком 2 выполняется с помощью узла регистрации 11 аналогично известному устройству. Итак, в предложенном устройстве одним элементом - датчиком магнитного поля выполняются одновременно четыре функции измерителя магнитного поля датчика температуры нагревателя теплопроводящей подложки. В результате этого обеспечивается радикальное уменьшение габаритов этого принципиального блока магнитометра при одновременном обеспечении стабильности измерений, что и обусловливает достижение положительного эффекта. В данном устройстве генератор 15 является общим для обоих узлов 10, 11 электронного блока 5. На фиг. 3 показана принципиальная схема третьего варианта предлагаемого устройства. Устройство содержит блок термостабилизированного датчика магнитного поля 1, состоящего, например, из датчика Холла 2. Электронный блок магнитометра 5 содержит узел сравнения сигналов 6, например, на основе мостового узла из элементов 7, 8, 9, узлы термостабилизации 10 и регистрации 11 сигналов датчика магнитного поля 2. Как и в известном устройстве, узел термостабилизации 10 состоит, например, из дифференциального усилителя 12, синхронного детектора 13, интегратора 14. Соответственно, узел регистрации 11 состоит, например,из дифференциального усилителя 16, синхронного детектора 17, интегратора 18 и генератора 15. Однако, как видно из фиг. 3, вход питания 19 датчика магнитного поля 2 соединен со входом узла сравнения 6, а 24 и 25 - потенциальные выводы датчика магнитного поля 2. Блок термостабилизированного датчика магнитного поля 1 состоит из одного элемента, а в электронном блоке 5 видоизменен узел термостабилизации 10. Вместо генератора, обеспечивающего получение постоянной амплитуды сигнала, введен генератор 29, выходная амплитуда которого управляется внешним напряжением по входу 30. Кроме того, выход 31 этого генератора соединен как с опорным входом 21 синхронного детектора 13 узла термостабилизации 10,так и со входом 27 аналогового сумматора 26, а выход генератора 15 узла регистрации 11 подсоединен как к опорному входу 22 синхронного детектора 17 узла регистрации 11, так и ко входу 28 аналогового сумматора 26. В результате использования вышеуказанной структуры предлагаемого устройства на выходе аналогового сумматора 26, питающем узел сравнения 6, имеются два различных сигнала сигнал узла регистрации с постоянной амплитудой и сигнал узла термостабилизации, амплитуда которого меняется в соответствии с условиями реализации режима автоподстройки температуры рабочего тела датчика 2 за счет его нагрева или охлаждения, что обеспечивает наряду с повышением температурной стабильности магнитометра снижение уровня термогальваномагнитных помех. Таким образом, режимы термостабилизации и регистрации осуществляются одним элементом - датчиком магнитного поля. Помимо того, что сохраняются достоинства известных устройств (высокая температурная стабильность измерений), использование в данном варианте на выходе сумматора сигналов двух различных 4 4676 1 частот улучшает динамический режим сумматора и снижает уровень термогальваномагнитных помех, отрицательно влияющих на работу датчика магнитного поля. Предлагаемые устройства обеспечивают повышение температурной стабильности магнитометра, уменьшают его габариты и снижают уровень термогальваномагнитных помех, отрицательно влияющих на работу датчика магнитного поля. Источники информации 1. А.с. СССР 308392, МПК 0133/06, 1970. 2. В.И. Чечерников. Магнитные измерения. - М. Изд-во Московского университета, 1969. - С. 65. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.