Лекция №6. Феррозонд на основе магнитного компаратора

Структурные схемы магнитометров с использованием феррозондов

Магнитометры постоянных полей(«схема второй гармоники»)

 

Рис. 5.8

В схеме реализован известный прием модуляции, усиления и демодуляции слабых постоянных или медленно изменяющихся (инфранизкочастотных) сигналов. Роль модулятора выполняет феррозонд, вырабатывающий модулированный сигнал на несущей частоте 2f . Этот сигнал и подлежит усилению. С целью улучшения отношения сигнала 2f от нечетных гармоник помехи (напряжение небаланса) используют избирательное усиление. Роль демодулятора выполняет синхронный детектор СД (его работа синхронизована с работой модулятора ФЗ). Детектор и модулятор питаются от одного генератора возбуждения ГВ.

Дальнейшее усиление демодулированного сигнала осуществляется с помощью усилителей постоянного тока УПТ. При этом сигнал доводится до такого уровня, при котором осуществляется надежная регистрация выходного напряжения или тока с помощью регистрирующего устройства РУ.

С целью стабилизации полного коэффициента усиления канал магнитометра охватывается отрицательной обратной связью ОС «по полю», которую реализуют за счет подачи части выходного тока канала через резистор обратной связи R_OC в компенсационную обмотку феррозонда ФЗ.

УЧ – умножитель частоты.

С_к – постоянная катушки компенсации.

Синхронный детектор СД в отличие от обычных детекторов является не только демодулятором, но и устройством фазовой и частотной селекции сигнала.

Можно отфильтровать не только нечетную гармонику, но и четную, если они квадратичные (сдвинуты на 90⁰ от опорного напряжения). Для этого ставят фазовращатель.

Магнитометры переменных полей

 

Рис. 5.9

Отличие состоит в том, что теперь часть канала охвачена частотно-зависимой отрицательной обратной связью «по полу», а взамен УПТ включен избирательный усилитель низкой частоты УНЧ и линейный детектор ЛД.

Градиентометр (дифференциальный магнитометр)

 

Рис. 5.10

Используя два феррозонда, можно создать прибор для измерения разности индукций магнитного поля в двух точках пространства.

или

Если расстояние между магнитными центрами феррозондов (база) сравнительно велико, то прибор называют дифференциальным магнитометром, если же база мала – магнитным градиентометром.

Для градиентометра

или

где l – длина,

i и j – индексы направлений вдоль соответствующих осей координат.

Если величина Н велика, то измеряют просто разницу в 2-х точках пространства.

 

На базе бистабильных ферромагнетиков возможно создание пороговых элементов, называемых также магнит­ными компараторами (МК). Когда внешнее магнитное поле достигает определенного порогового значения Н_s, происходит переключение сердечника путем бистабильных скачков Баркгаузена. Регистрация бистабильных скачков Баркгаузена осуществляется с помощью измерительного преобразователя. Структурная цепь преобразований представлена на рис. 6.1. Конструктивно компаратор, как законченный эле­мент схемы, может быть реализован в зависимости от способа перемагничивания и съема сигнала в трех вариантах (рис. 6.2, а, б, в): с двумя катушками, с одной катушкой и бескатушечный. В последнем преобразователь B-U работает на основе эффекта Маттеучи (гальвани­ческий съем), а перемагничивание осуществляется пропусканием тока через сердечник.

 

Рис. 6.1 Структурная схема в МК Рис. 6.2 Электрические схемы МК

измерительных преобразований

(варианты включения)

Каждый из трех вариантов имеет достоинства и недостатки, чем и объясняется их необходимость. Авторами и их сотрудниками разра­ботаны несколько вариантов МК, основные параметры которых при­ведены в табл. 6.1. Основные технические характеристики относятся к сердечникам БИСЕР.

Подобные устройства могут применяться в системах автоматики как датчики положения, перемещения, превышения критического зна­чения электрического тока в контролируемой цепи и др. Сердечник БИСЕР-1 нашел применение в кодовых карточках для электронных замков депозитных банковских сейфов. Карточки показали хорошую надежность, внедрены в нескольких банках России.

 

Таблица 6.1

Характеристика МК	БИСЕР-1	БИСЕР-2	БИСЕР-2
HS, А/см	240…320	1,2…1,8	1,5…10
Uвых, мВ	2,5…3		1,5…2
τСБ, мкс	20…30		10…20
Диапазон температур, 0С	-50…100	-50…100	-50…100
Габариты, мм	10х2х1	120х2х1	10х2х1
Материал сердечника	Викаллоевая проволока	Аморфная лента	Аморфный микропровод

 

На основе МК созданы измерительные преобразователи напряжен­ности магнитного поля и тока с преобразованием измеряемого поля во временной интервал (рис. 6.3).

Характеристика «вход-выход» подобного преобразователя приве­дена на рис. 6.4.

 

Рис. 6.3 Принцип работы МК Рис. 6.4 Характеристика «вход-выход» МК

 

 

На рис. 6.5 представлена блок-схема преобразователя магнитного поля на основе МК.

 

Рис. 6.5 Схема преобразования магнитного поля в аналоговый сигнал: wl - катушка компенсации; w2 - считывающе-перемагничивающая катушка МК; И-интегратор.

 

С целью исключения погрешности нелинейности характеристики преобразования используется компенсационный метод. Следящая схема поддерживает ток в катушке компенсации таким образом, чтобы МК всегда срабатывал в один и тот же момент времени, Тогда значе­ние тока компенсации будет пропорционально напряженности изме­ряемого поля.