close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

002-005

код для вставкиСкачать
) /'
I «г
1/ 1/
ББК 31.22
А 94
— 4ед«-е«'.з17.4
Р с ц е и з с н г />’. С . Г у т и к о в
{.
ш
.
ш
Л ф а н а с ь е в Ю . В.
А 'Л
с1Н'р|)о:и)ИД()ныс’ ириооры.
.'1.
||!111гр. отд-пие. 1У8().
188 с.: и.з.
■оа1()\1И:5,ча I .
,/1с-
1^ к н и г е ИА.'ЮЖСИЫ о с н о в ы т е о р и и , П р о с к т и р о и н н и я и п р и м е т п н я {{)СррО д н о
дов
и фсрро-зондовых
приборов — чувствительных,
нядежмых
Н экономичных
средств
магнитных
изм ерений. .Значительное вн и м ан и е
у д с . ч е и о р ; к ч ' м о т р ‘' н т о
нрницииа действия
п р и б о р о в , с р а в н и т е л ь н о й о ц е н к е их н и рн м е т!)ов, н з у ч с и н ю
п р е д е л ь н ы х в о з м о ж н о с т е й , в о п р о с а м к о н с т р у п р о п а н и'я. т е х н о л о г и и и и о т о в л е пн я
и I ПО! КТ и ч е с к о г о н с п о л ь з о в а т о ? .
К ш н а р а с сч и та н а на и н ж е н е р н о -те х н и ч е ск и х р а б о тн и ко в, о п о т д х
в 06.1 а
стн н зм е р и т с л ы ю н т е х н и ки н а в то м а ти к и .
2 3 0 2 0 1 0 0 0 0 — 136
^
0 5 1 (0 1 )-8 6
ББК 31.22
"
(С |
Чис'р! о п т и м и з д а ! , И 1 8 ()
ПРЕДИСЛОВИЕ
У с к о р е н и е н ау ч н о -т е х н и ч е с к о го п р о г р е с с а н е р а з р ы в н о с в я з а ­
но с с о в е р ш е н с т в о в а н и е м с у щ е с т в у ю щ и х и р а з р а б о т к о й новых,
б о л е е ч у в с т в и т е л ь н ы х и то чн ы х с р е д с т в изм е р е н и й .
С р е д и эти х с р е д с т в в а ж н о е м е с то з а н и м а ю т п р и б о р ы д л я и з ­
м е р е н и я п а р а м е т р о в м а г н и т н ы х полей, т р а д и ц и о н н о и с п о л ь з у е ­
м ы е д л я п о и ска п р и р о д н ы х р е с у р с о в ( п р е ж д е всего — неф ти, г а ­
з а и к о н д е н с а т а ) , и зу ч е н и я п р о с т р а н с т в е н н о -в р е м е н н о й с т р у к ­
туры магнитного поля З ем л и и планет, ориентирования и опре­
деления м естонахождения различны х подвиж ных объектов
в поле Зем ли, контроля качества вы пускаем ы х электротехниче­
ских с т а л е й , ины х м а т е р и а л о в и и зд е л и й , а т а к ж е д л я д р у ги х
целей. Н а и б о л е е р а с п р о с т р а н е н н ы м и я в л я ю т с я ф е р р о з о н д о в ы е
при боры , х а р а к т е р и з у ю щ и е с я не т о л ь к о д о ст а т о ч н о вы соко й
ч у вст в и т е л ьн о с т ью и точн остью , но и в о з м о ж н о с т ь ю н е п о с р е д с т ­
венн ого и зм е р е н и я с о с т а в л я ю щ и х в е к т о р а м а г н и т н о г о поля
( о б е с п е ч и в а я т е м с а м ы м п о л у ч е н и е п о л ной и н ф о р м а ц и и о с т р у к ­
т у р е п о л я и его и с т о ч н и к а х ), п р и го д н о ст ью д л я р а б о т ы в очень
с л а б ы х м а г н и т н ы х п ол я х , в ш и р о к о м т е м п е р а т у р н о м д и а п а з о н е
к при н а л и ч и и э л е к т р о м а г н и т н ы х помех, в ы сокой н а д е ж н о с т ь ю ,
д о л г о в е ч н о с т ь ю и н и зкой стоим остью .
Значительны достиж ения ф еррозондового приборостроения
з а п о с л е д н и е 10— 15 лет. О ни о б у с л о в л е н ы к а к с а м и м р а з в и т и ­
ем и зм е р и т е л ь н о й т е х н и к и и р а д и о э л е к т р о н и к и , т а к и у с п е х а м и
ф и зи к и , м е т а л л у р г и и и т е х н о л о г и и п о л у ч ен и я но вы х м а т е р и а ­
лов. С о б с тв е н н ы е ш у м ы ф е р р о з о н д о в ы х п р и б о р о в н а х о д я т с я
с е й ч ас на у р о в н е п о р я д к а 10“ '2 Т л - Г ц - '/ ^ , т. е. в 10— 100 р а з
н и ж е , чем б ы л о р а н е е . Э то п о з в о л я е т и с п о л ь з о в а т ь ф е р р о з о н д о ­
в ы е п р и б о р ы не т о л ь к о в у к а з а н н ы х в ы ш е т р а д и ц и о н н ы х о б л а ­
стях, но и в новы х: д л я и зу ч е н и я о с т ат о ч н о й н а м а г н и ч ен н о ст и
с л а б о м а г н и т н ы х п о р о д (п а л е о м а г н и т н ы е и с с л е д о в а н и я ) , р е г и с т ­
р а ц и и м а г н и т н ы х в о зм у щ ен и й , в ы з в а н н ы х ф и зи к о -х и м и ч е с к и м и
п р о ц е сс ам и в б и о л о г и ч е с к и х с и с т е м ах , в к л ю ч а я с е р д е ч н о -с о с у ­
д и сту ю с истем у ч е л о в е к а , д л я о б н а р у ж е н и я м и к р о и м п у л ь с а ц и й
э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я в зо н е т а к н а з ы в а е м о г о у д а р н о г о ф р о н ­
т а п л а н е т и в м е ж п л а н е т н о м п р о с т р а н с т в е , в п р а к т и к е д р у ги х
э к с п е р и м е н т о в . С у щ е с т в е н н о в о з р о с л а и т о чн ост ь ф е р р о з о н д о ­
вых пр и бор ов. О с у щ е с т в л е н и е в е к т о р н о й к о м п е н с а ц и и поля
в объеме ф еррозондов и преобразование компенсационных т о ­
к о в в ц и ф р о в ы е к о д ы п р и в е л и к р а з р а б о т к е б ы ст р о д е й с тв у ю -
щ их ш и р о к о д и а п а з о н н ы х п р и б о р о в нового п о к о л ен и я , х а р а к т е ­
р и з у ю щ и х с я п р и в ед е н н о й по гр е ш н о с т ью 0,01% и менее. П о я в и ­
л а с ь р е а л ь н а я в о з м о ж н о с т ь с о з д а н и я к о м п л ек с о в , о б ъ е д и н я ю ­
щ и х эти п р и б о р ы с у с т р о й с т в а м и и с и с т е м а м и а в т о м а т и з и р о ­
в а н н о й о б р а б о т к и и зм е р и т е л ь н о й и н ф о р м а ц и и (в том ч и с л е иа
основе и с п о л ь з о в а н и я м и к р о- и м и н и - Э В М ) .
П р е д л а г а е м а я ч и т а т е л я м к н и г а не я в л я е т с я с п р а в о ч н ы м п о ­
соби ем , в к о т о р о м п о с л е д о в а т е л ь н о о п и с ы в а л и с ь бы схем ы , к о н ­
с т р у к ц и и и х а р а к т е р и с т и к и се р и й н о в ы п у с к а е м ы х ил и с у щ е с т ­
в у ю щ и х в в и д е е ди н и ч н ы х о б р а з ц о в ф е р р о з о н д о в ы х пр и бор ов.
И хо тя п о д о б н ы е с в е д е н и я об о т д е л ь н ы х п р и б о р а х п р и в о д я т с я
в книге, с д е л а н о это и с к л ю ч и те л ь н о д л я и л л ю с т р а ц и и тенден ций
и идей на с о в р е м е н н о м э т а п е р а з в и т и я ф е р р о з о н д о в о й техники.
Т е о р е ти ч е с к о е о б о с н о в а н и е и к о н к р е т и з и р о в а н н о е и з л о ж е н и е
эт и х т ен д е н ц и й и идей, н а п р а в л е н н ы е иа д а л ь н е й ш е е с о в е р ш е н ­
с т в о в а н и е ф е р р о з о н д о в ы х п р и б о р о в , к а к р а з и я в л я ю т с я ц ел ью
книги, о п р е д е л я ю щ е й ее с о д е р ж а н и е .
К н и г а со с тои т из д в у х частей.
П е р в а я часть посвящ ена основам теории проектирования
ф е р р о зо н д о в , с в о й с т в а и п а р а м е т р ы к ото ры х , к а к п р а в и л о , о п ­
р е д е л я ю т и х а р а к т е р и с т и к и п р и б о р о в. З н а ч и т е л ь н о е в н и м ан и е
у д е л е н о р а с ч е т у ф е р р о з о н д о в , с о п о с т а в л е н и ю их п а р а м е т р о в ,
в ы я в л е н и ю источн ик ов с м е щ е н и й и ш ум ов, в ы б о р у ф е р р о м а г ­
ни тн ы х и д р у г и х м а т е р и а л о в д л я к о н с т р у и р о в а н и я . П о д ч е р к н у ­
т ы п р е и м у щ е с т в а ф е р р о з о н д о в с з а м к н у т ы м и (по с р а в н е н и ю
с применявш имися ранее разом кн уты м и ) сердечниками и перс­
п е к ти в а д а л ь н е й ш е г о с н и ж е н и я ш у м а з а счет и с п о л ь з о в а н и я
в них а м о р ф н ы х м а т е р и а л о в . П е р в у ю ч ас т ь кн иги м о ж н о р а с ­
см атр и вать к а к дополнение к ран ее выпущ енной издательством
« Э н е р г и я » (1969 г.) м о н о г р а ф и и « Ф е р р о зо н д ы » .
В т о р а я ч ас т ь кн иги п о с в я щ е н а о с о б е н н о с т ям п остр оен и я с о ­
в р е м е н н ы х ф е р р о з о н д о в ы х п р и бор ов . З д е с ь в н и м а н и е у д ел е н о
ф у н к ц и о н а л ь н ы м с х е м а м и п о г р е ш н о с т я м п р и боро в . К о н к р е тн о
о п и с ан ы п р и б о р ы с н и зк и м пор огом ч у в ст в и т е л ьн о с т и и в ы с о к о ­
т о чн ы е ш и р о к о д и а п а з о н н ы е , в том ч и с л е ц и ф р о вы е , л е г к о с о в ­
м ещ аем ы е с автом атизи рованны м и системами обработки и зм е­
р и т е л ь н о й и н ф о р м а ц и и . К р а т к о оп и с ан ы с р е д с т в а а т т е с т а ц и и и
п о в е р к и эт и х п р и боро в .
А в тор в ы р а ж а е т п р и з н а т е л ь н о с т ь к о л л е к т и в а м учены х с о ­
в е т о в И н с т и т у т а ко с м и ч е с к и х и с с л е д о в а н и й А Н С С С Р и Н а у ч н о п р о и зв о д с т в е н н о г о о б ъ е д и н е н и я « Р у д г е о ф и з и к а » , отм ет и вш и м
н е о б х о д и м о с ть и з д а н и я д ан н о й книги и у т очн и вш и м ее н а п р а в ­
ленность, к о л л е г а м по р а б о т е В. И. Ш ер е м е т у , В. Я. Ш и ф р и н у ,
В. А. П р и щ е п о , В. П . П о р ф и р о в у , Ю . Н . Б о б к о в у и др. за п о л е з ­
ны е д и с к у с с и и и п о м о щ ь при р а б о т е н а д р у ко п исью .
О т з ы в ы и п о ж е л а н и я п р о с ь б а н а п р а в л я т ь по ад р е с у : 191065,
Л е н и н г р а д , М а р с о в о поле, д. 1, Л е н и н г р а д с к о е о т д е л ен и е Энергоатом издата.
Автор
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Ф ЕРРОЗОНДЫ
ГЛ А ВА ПЕРВАЯ
У С Т Р О Й С Т В О , ПРИ НЦИ П ДЕЙСТВИЯ, ХАРА КТ ЕРН Ы Е С В О Й С Т В А
1.1. Краткая историческая справка
1.1.1.
Ф еррозон дам и назы ваю т чувствительные к воздейс
вию вн е ш н и х м а г н и т н ы х п о л ей у с т р о й с тв а , с о д е р ж а щ и е ф е р р о ­
м а г н и т н ы е с е р д е ч н и к и и о х в а т ы в а ю щ и е их о б м о т к и , в о д н у из
к о т о р ы х п о д а ю т п е р е м е н н ы й ток, а с д р у го й с н и м а ю т э. д. с.,
по к отор ой и с у д я т об и з м е р я е м о м зн а ч е н и и поля. Ф е р р о з о н д ы
о т н о с я тс я к ин д у к ц и о н н ы м п р е о б р а з о в а т е л я м .
О т п а с с и в н ы х и н д у к ц и о н н ы х п р е о б р а з о в а т е л е й , в т о м числе
от ф е р р и т о в ы х антенн, ф е р р о з о н д ы о т л и ч а ю т с я тем, что я в л я ­
ются и н д у к ц и о н н ы м и п р е о б р а з о в а т е л я м и а к т и в н о го т и п а . П р о ­
и с х о д я щ и е в них пр о ц е сс ы п р е о б р а з о в а н и я в с е г д а с в я з а н ы с
с у щ е с т в о в а н и е м , по к р а й н е й мере, д в у х м а г н и т н ы х полей: и з м е ­
р я е м о г о (о б ы ч но п остоя н н о го ил и м е д л е н н о и зм е н я ю щ е г о с я )
п о л я и в с п о м о г а т е л ь н о г о п ер е м е н н о го п о л я , с о з д а в а е м о г о п е р е ­
м енны м то ком . В з а и м о д е й с т в и е эти х полей в о б ъ е м е ф е р р о м а г ­
нитны х с ер д е ч н и к о в в к о н ечн о м счете и п р и в о д и т к п о я в л е н и ю
в д р у го й (и зм е р и т е л ь н о й ) о б м о т к е э. д. с., несущ ей и н ф о р м а ц и ю
об и з м е р я е м о м поле.
П о с в о е м у при н ц и п у д е й с тв и я ф е р р о з о н д ы н а и б о л е е б л и з ­
ки к м а г н и т н ы м у с и л и т е л я м , к о т о р ы е б ы л и и зв е с т н ы з а д о л г о
Рис. 1.1. Устройство магнитного усилителя (а) и ф еррозонда (б)
/ — ферромагнитные сердечники; 2 — входная обмотка; 3 — обмотка
4 — выходная (измерительная) обмотка
переменного тока;
л е н н о и з м е н я ю щ е г о с я п о л я и в с п о м о г а т е л ь н о г о пе р е м е н н о го
поля, с о з д а в а е м о г о п е р е м е н н ы м то ком , п р о т е к а ю щ и м по од ной
из об м о т о к .
В о б щ е м с л у ч а е с у п е р п о з и ц и я н а п р я ж е н н о с т е й эти х п о л ей
дается вы раж ением
Н5,(^) = Но + Н , ( 0 .
(1 .1 )
где Но — н а п р я ж е н н о с т ь п о с т о я н н о г о и з м е р я е м о г о п о л я ; Н 1(<)—
н а п р я ж е н н о с т ь п е р е м е н н о го п о л я.
В е к т о р м а г н и т н о й и н д у к ц и и В, д е й с т в у ю щ е й в н у т р и о д н о ­
р о д н о н а м а г н и ч и в а е м ы х с е р д е ч н и к о в , м о ж н о н а й ти на основе
зависимости
В = т (( Н ,1 ) .
(1 .2 )
З д есь 9 — вектор-ф ункция, оп и сы ваю щ ая ани зотропны е и
нелинейные свойства сердечников; кв ад р атн ы е скобки у к а з ы в а ­
ю т н а м н о г о зн а ч н о с т ь ф ун кц и и , о б у с л о в л е н н у ю ги стер ези сн ы ми явлениями.
Э. д. с., н а в о д и м у ю в и з м е р и т е л ь н о й о б м о т к е , м о ж н о найти
на о сн ов е з а к о н а э л е к т р о м а г н и т н о й ин дукции :
=
(1 .3 а )
г д е Ша — чи сл о в и т к о в и з м е р и т е л ь н о й о б м о т к и ; Ф = В - 8 — м а г ­
н и тн ы й п о т о к в с е р д е ч н и к а х ; х — с у м м а р н а я п л о щ а д ь п о п ер еч ­
ного с е ч е н и я с е р д е ч н и к о в ф е р р о з о н д а .
Е с л и п р е н е б р е ч ь я в л е н и я м и а н и зо т р о п и и и г и с т е р ез и с а
в с е р д е ч н и к а х , в з а м е н с л о ж н о й за в и с и м о с т и ( 1.2 ) м о ж н о п о л у ­
чить про стую , у ч и т ы в а ю щ у ю т о л ь к о н е л и н е й н о с т ь к р и в о й н а ­
м а г н и ч и в а н и я се р д еч н и к о в :
В = /{Н ,).
М о д у л ь м гн ов ен н о го з н а ч е н и я
п о л я н а й д е м и з в ы р а ж е н и я ( 1. 1) :
Яа =
(1.4)
напряж енности
суммарного
+ 2 Н , Н , соз а + / 7 ? ,
где а — у г о л м е ж д у в е к т о р а м и Но и Н ь
В дальнейщ ем ограничимся рассмотрением
с л у ч а е в (1 .5 ):
(1.5)
двух
ч ас т н ы х
а = 0 °,
Яа = Я о ± Я , ;
( 1.6 а)
а = 9 0°,
Я , = (Яо^ + Я,*)'/2.
( 1 .6 6 )
П е р в ы й и з них х а р а к т е р е н д л я р а б о т ы ф е р р о з о н д а с в з а и м н о
п а р а л л е л ь н ы м и п о л я м и , в т о р о й — д л я р а б о т ы св з а и м н о п е р ­
пендикулярными полями.
1.2.2.
Рассм отрим сн ачала работу ф еррозонда с взаимн
п ар ал л ель ны м и полями.
Д л я этой цели воспользуемся наиболее распространенны м
_^1а _ 1щ а к т и к ^ ф е р р о з о н д о м с д в у м я с т е р ж н е в ы м и с е р д е ч н и к а м и
(см. рис. 1.1,6, 1.3 и 1.5). П р и это м будем с чи тать, что вектор
Но н а п р а в л е н в д о л ь п р о д о л ь н ы х осей се р д е ч н и к о в и ч то с е р ­
д еч н и ки и о х в а т ы в а ю щ и е их о б м о т к и идентич ны .
М а г н и т н а я и н д у к ц и я в к а ж д о м из с е р д е ч н и к о в в с о о т в е т с т ­
вии с П -4) и ( 1.6 а) будет
5 '= - = /( Я о + Я ,):
5" = /(Я о ~ Я ,).
Э. д. с., н а в о д и м а я в и зм е р и т е л ь н о й о б м о т к е ф е р р о з о н д а ,
е Ц ) = т , 5 ^ { В ' + В"),
( 1 .3 6 )
рде 5 — п л о щ а д ь п о п ереч н ого сечен ия од ного с е р д е ч н и к а .
П о к а ж е м , что при Яо = соп51:т^0 (п о с т о я н н о е и зм е р я е м о е
п о л е ) п о я в л е н и е э. д. с. е(1) п р и н ц и п и а л ь н о в о з м о ж н о л и ш ь при
н а л и ч и и нелин ейной за в и с и м о с т и В { Н ) .
П р е д п о л о ж и м о б р а т н о е , т. е. б уд е м с ч и т а т ь э т у за в и с и м о с т ь
линей ной: В = аН, где а — п о с тоя н н ы й ко э ф ф и ц и е н т . Т о гд а
В ' + В" == 2аЯ о:
е{1) = — 2 а $ т ^ ^
Я„=С0П8(
= 0.
Т е п е р ь а п п р о к с и м и р у е м за в и с и м о с т ь В { Н ) у к о р о ч е н н ы м п о ­
ли н ом ом т р е тьей степени [1 0 6 ]:
В = аН -Ь Н \
(1.8)
где а и 6 — п о л о ж и т е л ь н ы е к о э ф ф и ц и е н т ы
Т о г д а с уч етом в ы р а ж е н и я (1.7) по л уч им :
В ' = аНо
а п п р о к с и м а ц и и '.
аН, -
В " = а Я о - а Я , - йЯо*
З&Яо^Я, - ЪЬН^Н'^
В ' + В " = 2 а Я о - 2Ш о« -
6Ш р Я , ^
Й Я /; \
^
(1.10)
П о д ч е р к н у т ы й в ( 1. 1 0 ) ч л ен х а р а к т е р е н тем , что с о д е р ж и т
п р о и зв е д е н и е н а п р я ж е н н о с т е й и з м е р я е м о г о по ст о я н н о го и в с п о ­
м о г а те л ь н о г о пе р е м е н н о го м а г н и т н ы х полей, он к а к р а з и о т ­
в ет ст в е н з а п о я в л е н и е э. д. с. в и зм е р и т е л ь н о й о б м о т к е ф еррвзонда:
еЦ)
= 6 ^ х ® Я р ^ Я ,Ч 0 э ^ 0 .
(1.11)
Л /„= С О П 5 (# 0
^О тсю д а видно, что н е л и н е й н о с т ь за в и с и м о с т и В { Н )
д ей с тв и те л ьн о я в л я е т с я п р и н ц и п и а л ь н ы м ф а к т о р о м ,
от ве тст ве н н ы м з а п о я в л е н и е э. д. с., не с у щ ей и н ф о р м а ц и ю об
и зм е р я е м о м п ос тоя н н о м поле.
1.2.3.
Р а с с м о т р и м т е п ер ь р а б о т у ф е р р о з о н д а с в з а и м н о п е р
п е н д и к у л я р н ы м и п о л ям и .
' Отличаясь простотой, данная аппроксимация пригодна лишь для к а­
чественного описания процессов ц явлений в ф еррозондах.
Д л я этой цели в о с п о л ь зу е м с я ф е р р о з о н д о м с т р у б ч а т ы м
с е р д е ч н и к о м (см. рис. 1 .4 ,6 ) .
Б у д е м сч и та т ь, что в е к т о р Но н а п р а в л е н в д о л ь оси тр у б к и ,
что т р у б ч а т ы й с е р д е ч н и к о д н о р о д е н и что ви т к и и зм е р и те л ь н о й
о б м о т к и с тро го п е р п е н д и к у л я р н ы в и т к а м т о р о и д а л ь н о й о б м о т ­
ки п ер ем ен н о го т о к а . П р и в ы п о л н е н и и этих у с л о в и й и при о т ­
с утстви и и з м е р я е м о г о п о л я (Яо = 0 ) в ы х о д н а я э. д. с. ф е р р о ­
з о н д а б у д е т р а в н а нулю , п о с к о л ь к у р а в н а н у л ю п р о д о л ь н а я
с о с т а в л я ю щ а я м аг н и т н о й ин дукции .
П ри наличии изм еряем ого поля (Н о ф О ) м агнитная ин дук­
ция в с е р д е ч н и к е в с о отв етств ии с в ы р а ж е н и я м и (1.4) и (1.66)
будет
5 = / ( Я „ 2 + Я ,- )''2 .
(1.12)
А п п р о к с и м и р у я за в и с и м о с т ь В ( Н )
( 1.8 ), п о л у ч а ем
ук о р о ч е н н ы м пол ин ом ом
- Ь (Я„* +
/? = а (Я„2 +
С учетом и зот р оп н о с ти с е р д е ч н и к а
Я I I /Я
II
=
д / я ,
где II и Л _ - - И 1гдексы п р о д о л ь н ы х и поп ереч ны х составляю щ и.ч
ин ду кции и н а п р я ж е н н о с т и пол я, н ах о д и м
5 || = Я о | - = с Я о -
-
ЬН ,Н ,\
(1.13)
П о д ч е р к н у т ы й в (1 .1 3 ) член содерл<ит п р о и зв е д е н и е н а п р я ­
ж ен н о с те й и з м е р я е м о г о по с т о я н н о го и в с п о м о г а т е л ь н о го п е р е ­
м енного м а г н и т н ы х п олей; он м о ж е т б ы ть с о п о с т а в л е н с а н а л о ­
гичным ч лен ом в ы р а ж е н и я ( 1. 1 0 ).
Э. д. с., н а в о д и м а я в и з м е р и т е л ь н о й о б м о т к е ф е р р о з о н д а ,
б уд ет
еИ)
^ Ь $ ш ,и Л н ^ { 1 )
/Г|=соп,-(
УО.
( 1 .1 4 )
о
Т а к и м о б р а з о м , и д л я ф е р р о з о н д а со в з а и м н о перн ен ди ку
лярны м и полями нелинейность зависимости В ( Н )
является
п р и н ц и п и а л ь н ы м ф а к т о р о м , о т в е тс т в е н н ы м з а п о я в л е н и е э. д. с.,
н есущ ей и н ф о р м а ц и ю об и з м е р я е м о м поле.
1.2.4.
П о л у ч е н н ы е в р а м к а х а п п р о к с и м а ц и и (1.8) в ы р а ж е н и я
(1.11) и (1.14) о т л и ч а ю т с я одно от д р у го г о л и ш ь числ овы м мио
ж и т е л е м н п о зв о л я ю т прийти к неким о б щ и м в ы в о д ам .
В идно, что при о д н о м и том ж е зн а ч е н и и и з м е р я е м о г о поля
Яо в ы х о д н а я э. д. с. ф е р р о з о н д о в п р о п о р ц и о н а л ь н а к о э ф ф и ц и е н ­
ту а п п р о к с и м а ц и и Ь, х а р а к т е р и з у ю щ е м у м а г н и т н ы е свойства
сер д е ч н и к о в, п л о щ а д и п оп еречного сечен ия 5 с е р д е ч н и к а , числу
в и т к о в и зм е р и т е л ь н о й о б м о т к и ш и первой п ро и зв одн ой от к в а д
р а т а н а п р я ж е н н о с т и в с п о м о г а т ел ь н о г о п ол я Н^{1).
В о б щ е м с л у ч а е в с п о м о г а т е л ь н о е пе р е м е н н о е поле м о ж е г
б ы ть п р е д с т а в л е н о в в и д е су м м ы двух полей от независимы.х
источггиков;
н ,
Ц )
=
н ^ ^
81ПС0,/ +■ /7 „,С О З Ш ,/,
(1.15)
где Нт\, Нт 2 и (0 |, (02 — соо т в ет с т ве н н о а м п л и т у д ы и кр у г о в ы е
ч асто ты полей.
О г р а н и ч и м с я з д е с ь р а с с м о т р е н и е м ч астн ого с л у ч а я , ко гд а
(02 = ОЯ , ( 0 = Я , „ 81п ю / + Я „
(1.16)
[д е Я г — н а п р я ж е н н о с т ь по стоя н н ого (не и з м е р я е м о г о ! ) поля.
П о д с т а в л я я в ы р а ж е н и е (1.1 6)
в (1 .1 1 ), п о л у ч а е м
для
ф е р р о з о н д а со в з а и м н о п а р а л л е л ь н ы м и п о л я м и (п р и Но =
= со п з! Ф 0 )
е ( ^ ) = 6 (о&хт2Я „ ( 2 Я 2Я „ , с о З ( о ^ + Я ^ з ш 2о)^).
(1-17)
А н а л о г и ч н о е в ы р а ж е н и е , но с д р у ги м ч и сл ов ы м к о э ф ф и ц и е н ­
том м о ж н о п о л у ч и т ь и д л я ф е р р о з о н д а со в з а и м н о п е р п е н д и к у ­
л я р н ы м и п о л я м и , если п о д с т а в и т ь в ы р а ж е н и е (1.16) в (1.14).
И з у р а в н е н и я (1.17) видно, что в ы х о д н а я э. д. с. ф е р р о з о н д а
п р о п о р ц и о н а л ь н а ч ас т о т е си в с п о м о г а т е л ь н о г о пе р е м е н н о го поля.
Э то о зн а ч а е т , что при п роч и х р а в н ы х у с л о в и я х , н а п р и м е р о д и ­
наковых конструктивных п ар ам етр ах ф еррозонда, всегда им еет­
ся р е з е р в п о в ы ш е н и я его ч у в ст в и т е л ьн о с т и ( к о э ф ф и ц и е н т а п р е ­
о б р а з о в а н и я ) з а счет у в е л и ч ен и я ч а с т о т ы пе р е м е н н о го поля
(тока).
В и д н о т а к ж е , что в ы х о д н а я э. д. с. и м е е т ч ас то ту , к р а т н у ю
ч ас т о т е п е р е м е н н о го п о л я. Э то о зн а ч а е т , что в п р о ц е ссе п р е о б ­
р а з о в а н и я о с у щ е с т в л е н а м о д у л я ц и я : с и г н а л н ул ево й ч а с т о ­
ты, несу щ и й и н ф о р м а ц и ю об и з м е р я е м о м п ос тоя н н о м поле,
т р а н с п о н и р о в а н « ввер х» , в о б л а с т ь б о л е е вы соки х частот,
в данном случае — в область спектральной линии второй гар м о ­
ники о т ч а с т о т ы в с п о м о г а т ел ь н о г о пе р е м е н н о го п ол я.
М о д у л я ц и о н н ы е св о й с т ва при вы соко й ч у в ст в и т е л ь н о с т и ф е р ­
р о зо н д о в п о з в о л я ю т л е г к о с о в м е щ а т ь их с э л е к т р о н н ы м и у с и л и ­
т е л я м и пе р е м е н н о го н а п р я ж е н и я . Б л а г о д а р я э т о м у у д а е т с я р е а ­
л и з о в а т ь п р е д е л ь н ы е в о з м о ж н о с т и ф е р р о з о н д о в при изм ерен и и
очень м а л ы х зн ач е н и й пос т о я н н о го ил и м е д л е н н о и з м е н я ю щ е г о ­
ся м а г н и т н о г о поля. О г р а н и ч е н и е м о к а з ы в а ю т с я л и ш ь с о б с т ­
в е н н ы е ( м а г н и т н ы е ) ш у м ы ф е р р о з о н д о в (см. гл. 3).
П р ин адл еж н о сть феррозондов к магнитным м одуляторам н а ­
ходит свое о т р а ж е н и е и в т ер м и н о л о г и и : ф е р р о з о н д ы п р е д л о ж е ­
но н а з ы в а т ь ф е р р о м о д у л я ц и о н н ы м и п р е о б р а з о в а т е л я м и . Э тот
терм и н, о д н а к о , в р а в н о й с теп ени п р и м ен и м и к ф е р р о з о н д а м , и
к м а г н и т н ы м у с и л и т е л я м . П о э т о м у ничего не и м ея п ро тив этого
те р м и н а к а к р о д о в о го п о н ят и я , в кн и ге с о х р а н е н т е р м и н « ф е р ­
розонд» к а к не д о п у с к а ю щ и й д в у х р а з л и ч н ы х т о л к о в а н и й , д а в ­
но и с п о л ь з у ем ы й и п р е д е л ь н о кр а т к и й .
1.2.5.
К а к с л е д у е т из в ы р а ж е н и я (1 .1 7 ), при в ы п о л н е н и и у
л о в и я (1.16) и н ф о р м а ц и ю об и з м е р я е м о м поле Но м о ж е т нести
к а к п е р в а я , т а к и в т о р а я г а р м о н и к а в ы х од но й э. д. с, В этой
связи целесообразно рассмотреть два основных режима работы
феррозонда [10].
Режим первый. Амплитуду напряженности Нт выбирают ма­
лой, а напряженность Яг — большой, т. е. выполняют соотноше­
ние Нт
Яг, при котором можно пренебречь вторым членом
выражения (1.17). В результате получаем
е, (^) = 12(»б5«»2ЯоЯ„со8и)Л
(1-18)
Режим второй. Амплитуду напряженности Нт выбирают
большей по сравнению с напряженностью Яо измеряемого поля
(более точный критерий дан в гл. 2), а напряженность Яг при­
равнивают к нулю, т. е. выполняют соотношения Я « » Яо и
Яг = 0. В результате получаем
^2 и ) =
З1п 2т{.
(1.19)
Покажем, что при измерении постоянных или медленно из­
меняющихся магнитных полей второй режим работы феррозон­
дов имеет несомненные преимущества перед первым.
Выражение (1.17) и предшествующее ему (1.11) получены
в предположении строгой идентичности сердечников и обмоток
феррозондов. Однако на практике такая идентичность достиг­
нута быть не может. Это приводит к появлению в измеритель­
ной обмотке ложной э. д. с., называемой далее э. д. с. неба­
ланса.
Найдем спектр суммарной э. д. с. (э. д. с. сигнала и э. д. с. не­
баланса), учитывая для простоты только неидентичность сер­
дечников.
Согласно выражению (1.8) введем для каждого сердечнииа
соответствующие коэффициенты аппроксимации: а' и а , Ь' шЬ".
Тогда, используя обозначения а!Л-а = 2а, а"—а' = ва, Ь'+Ь" =
= 2& и Ь"—Ь' = еь, с учетом выражений (1.36), (1.8) и (1.16)
найдем суммарную э. д. с., наводимую в измерительной обмотке
феррозонда [10]:
^ 2 (/) = (о5®2 6&Яо [2 Н 2 Н „ с о з (0 ^
з1п 2(в<] +
+
(в„Я„ -
Зе,Яо2Я„ - 4 г , Н 1 -
Вг. И^^Нт) СОЗ Ы -
- Зе*ЯгЯ^ З1п 2(о^ + ~ е^Я^ соз 3<о/
(1.20а)
Выполним последовательно условия первого и второго режи­
мов работы феррозонда.
Для первого режима (Я „ <С Я г), пренебрегая всеми члена­
ми, содержащими Нт в степени выше первой, находим
е г { { ) = Ш8Щ \ 12 Ь Н оИ 2 Н „ с о з
+ (е„Я„ - Зе,Яо*Я„ -
+
соз
(1.206)
Видно, что полезная э. д. с. (первый член выражения) и
э. д. с. небаланса (второй член) имеют одну и ту же частоту ю.
О т д е л и т ь о д н у э. д. с. от д р у го й п р а к т и ч е с к и н е в о зм о ж н о , и д о ­
б и ться с к о л ь к о -н и б у д ь в ы с о к о г о о т н о ш ен и я с и г н а л -п о м е х а у д а ­
ется л и ш ь з а счет у м е н ь ш е н и я к о э ф ф и ц и е н т о в Ва и еь, которы е,
о д н ак о , не м огу т б ы ть с в е д е н ы к нулю , п о с к о л ь к у з а в и с я т от
м ногих в н у т р е н н и х (н еп о с т о я н с т в о свойств ф е р р о м а г н и т н ы х с е р ­
д е ч н и к о в ) и вн е ш н и х ф а к т о р о в .
Д л я вт о р о го р е ж и м а ( Я т » Но, Я г = 0)
6ЙЯ(,Я2 51П 2ш( +
+
-
ЗцН о-Н „ -
^
С 08 ш/ + 2 -
С 08
ЗЫ
( 1.2 0 в)
В идно, что п о л е з н а я э. д. с. (п е р в ы й ч лен в ы р а ж е н и я ) имеет
ч ас т о т у 2 (0, э. д. с. н е б а л а н с а (в то ро й и т р е ти й ч ле н ы ) — ч а с т о ­
т ы (О и 3(0. В д а н н о м с л у ч а е п о л е зн у ю э . д . с. м о ж н о л е г к о от
^ ф и л ь т р о в а т ь от э . д . с . н е б а л а н с а и г л а в н ы м о б р а з о м з а счет
^ ф и л ь т р а ц и и (а не т о л ь к о з а счет м и н и м и за ц и и к о э ф ф и ц и е н т о в
^ 0 и еь) п о л у ч и т ь очень в ы с о к о е о т н о ш ен и е с и г н а л -п о м е х а ,
г В это м и с ос то и т о сно вн ое п р е и м у щ е с т в о вто р о го р е ж и м а ра' боты.
*
В ы р а ж е н и я (1.2 0а) — (1.20в) п о л у ч ен ы д л я ф е р р о з о н д о в со
' в за и м н о п а р а л л е л ь н ы м и п о л я м и . О д н а к о а н а л о г и ч н ы е в ы р а ж е ­
ния н е тру дн о п ол уч и ть и д л я ф е р р о з о н д о в со в з а и м н о п е р п е н д и ­
кулярны ми полями.
К о э ф ф и ц и е н т ы Ва и вь м огут в ы р а ж а т ь
в них, н а п р и м е р , с теп ень в и н тов ой т е к с т у р ы или г е о м етри ческой
за к р у ч е н н о с т и с е р д е ч н и к а . П р и р а б о т е ф е р р о з о н д а во втором
р е ж и м е эти ф а к т о р ы о к а з ы в а ю т с я н е с у щ ес тв е н н ы м и и не м е ­
ш а ю т д о с т и ж е н и ю в ы с о кого о т н о ш ен и я с и г н а л -п о м е х а .
О п р е и м у щ е с т в а х в т о р о го р е ж и м а р а б о т ы ф е р р о з о н д о в с в и ­
д е т е л ь с т в у е т и опы т: п р е д е л ь н о н и зк и м пор ого м ч у в с т в и т е л ь н о ­
сти о б л а д а ю т ф е р р о з о н д ы с в ы х о д о м на в торо й г ар м о н и к е , и
им енно они п ол уч и л и н а и б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е н и е при и з м е р е ­
нии с л а б ы х по с т о я н н ы х и м е д л е н н о и зм е н я ю щ и х с я м а гн и т н ы х
полей.
1.3. Характеристики ферромагнитного материала
1.3.1.
С е р д е ч н и к и ф е р р о з о н д о в и з г о т а в л и в а ю т из ф е р р о м а
нитных м а т е р и а л о в , п о л у ч а е м ы х на о сн о ве и с п о л ь з о в а н и я ф е р ­
р о м а г н и т н ы х вещ е с т в .
К ф е р р о м а г н и т н ы м в е щ е с т в а м о т н о с я т ж е л е з о , ни кел ь, к о ­
б а л ь т , гад о л и н и й , их со е д и н е н и я и сп л а в ы , а т а к ж е н е к о то р ы е
сплавы м арганца, серебра, алю м иния и др. Х арактерной осо­
бен но стью ф е р р о м а г н и т н ы х в е щ е с т в я в л я е т с я их а н о м а л ь н о в ы ­
с о к а я м а г н и т н а я в о с п р и и м ч и в о с ть и п р о н и ц а е м о с т ь , д о с т и г а ю ­
щ и е зн а ч е н и й п о р я д к а 10'*— 10®, а в о т д е л ь н ы х с л у ч а я х и более.
П о э т о м у у ж е в с л а б ы х п о л я х эти в е щ е с т в а п р и о б р е т а ю т д о в о л ь ­
но си л ьн у ю н а м а г н и ч е н н о ст ь, а с л е д о в а т е л ь н о , и м а г н и т н у ю и н ­
д укци ю , о б е с п е ч и в а я тем с а м ы м ды сд кую с теп ень к он н рн т ря п и и
Рис. 1.6. Гистерезисные петли и
кривые намагничивания ф ерромаг­
нитного вещества
1 — средняя кривая; 2 — основная кри­
вая; 3 — предельная петля; 4 — част­
ные петля
магнитной энергии. Этим
широко пользуются в энер­
гетике, технике связи и, на­
конец, в измерительной тех­
нике, в частности в магнит­
ных усилителях и феррозон­
дах.
Типичное для ферромагнитных веществ семейство характе­
ристик— замкнутых кривых, называемых петлями гистерезиса,
связывающих величины В к Н (анизотропией вещества прене­
брегаем), приведено на рис. 1.6. Это семейство получено в ре­
зультате перемагничивания вещества медленно изменяющимся
переменным полем с дискретно увеличиваемой амплитудой.
Внутренние петли или циклы называют частными. Они не
восстанавливаются после кратковременного наложения посто­
янного поля, что и приводит к многозначности функции В( Н) .
Внешнюю петлю, получаемую при амплитуде переменного
поля Нт — Ямакс, которой Н а ОСИ ординат соответствуют значе­
ния ± Ва, называют предельной петлей гистерезиса. Характер­
ной ее особенностью является полная восстанавливаемость пос­
ле кратковременного наложения постоянного поля.
Восстанавливаемость предельной петли означает, что по от­
ношению к переменному полю функция В (Я) оказывается дву­
значной, а функция Вг(Яо) — однозначной. Однозначность этой
функции как раз и используется во втором режиме работы фер­
розондов (Вг — амплитуда второй гармоники индукции, вызы­
вающая вторую гармонику выходной э. д. с., см. § 1.2). Следо­
вательно, второй режим работы феррозондов характеризуется
еще и тем, что обеспечивает однозначность преобразования,
т. е. высокую устойчивость «нуля».
Значения Не и Вг на предельной петле называют, соответст­
венно, коэрцитивной силой и остаточной индукцией вещества.
По значению Не обычно судят о принадлежности ферромаг­
нитного материала к магнитотвердым ( Н с > 10® А /м ) или маг­
нитомягким ( Я с < 10® А /м ). Предельно магнитомягкими мате­
риалами (Яс ^ 1 А /м ) считаются железоникелевые сплавы —
пермаллои, которые преимущественно и используются для из­
готовления сердечников феррозондов.
По значению Вг, точнее по отношению Вг/Ве, судят о степени
прямоугольности петли, отражающей анизотропные свойства
вещества или материала. Для изотропных материалов отноше­
ние Вг/Ва близко к отношению 1/2.
П р о и з в е д е н и е НсВ^, п р о п о р ц и о н а л ь н о е п л о щ а д и п р ед ел ьно й
петли, с л у ж и т м ер ой п отер ь н а г и стер ези с. М и н и м а л ь н ы е п о т е ­
ри им ею т м а г н и т о м я г к и е м а т е р и а л ы с н и зко й и н д у к ц и е й н а с ы ­
щ ения.
1.3.2.
Н е о д н о з н а ч н а я за в и с и м о с т ь В { Н ) , о б у с л о в л е н н а я г
с тер ези сом , у с л о ж н я е т а н а л и з р а б о т ы и р а с ч е т п р е о б р а з о в а т е л е й
с ф е р р о м а г н и т н ы м и с е р д е ч н и к а м и . П о э т о м у и н о гд а г и с т е р е з и ­
сом п р е н е б р е г а ю т и п о л ь зу ю т с я о д н о зн а ч н о й за в и с и м о с т ь ю
В(Н).
В к а ч е с т в е т а к о в о й м о ж н о пр и н я ть , н а п р и м е р , кри в ую , п р о ­
х о д я щ у ю через в ер ш и н ы ч ас т н ы х ц и к л о в (н а рис. 1.6 — к р и ­
в а я 2). П о э т о м у эт у кр и в у ю н а з ы в а ю т основной кр и в о й н а м а г ­
н и чи в ан и я . О н а м а л о о т л и ч а е т с я от т а к н а з ы в а е м о й н а ч а л ь н о й
кри вой н а м а г н и ч и в а н и я , к о т о р у ю п о л у ч а ю т на п р е д в а р и т е л ь н о
р а зм а г н и ч е н н о м о б р а з ц е при п л а в н о м у ве л и ч ен и и н а п р я ж е н н о ­
сти в н е ш н его поля. О с н о в н а я к р и в а я н а м а г н и ч е н н о с т и хор ош о
в о с п р о и зв о д и тс я и п оэтом у и с п о л ь з у е т с я в к а ч е с т в е в а ж н е й ш е й
характеристики ф ерромагнитны х материалов.
Е ю п о л ь зу ю тс я
при р а с ч е т а х д р о с с е л е й н а с ы щ е н и я , м а г н и т н ы х э к р а н о в и п о ­
д о бны х у с тро й ств, х а р а к т е р и з у ю щ и х с я усто йчи во й р а б о ч е й т о ч ­
кой по о т н о ш ен и ю к н а м а г н и ч и в а ю щ е м у п о с т о я н н о м у полю .
О д н а к о в д р у ги х у с т р о й с т в а х , где в е щ е с т в о п о д в е р г а ю т ц и к ­
л и ч е ск ом у п е р е м а г н и ч и в а н и ю по п р е д е л ь н о й или б л и зк о й к ней
п етле г и с т е р ези с а , и с п о л ь з о в а н и е основной к р и во й н а м а г н и ч и в а ­
ния п р и в о д и т к н е со о т ве тс т в и ю р а с ч е т о в э к с п е р и м е н т а л ь н ы м
д ан н ы м . З н а ч и т е л ь н о л у ч ш и е р е з у л ь т а т ы п о л у ч а ю т в э т о м с л у ­
ч а е т о гд а , когд а п о л ь зу ю т с я с редн ей к р и в о й н а м а г н и ч и в а н и я
(на рис. 1.6 — к р и в а я 1). Е е о п р е д е л е н и е м с л у ж и т в ы р а ж е н и е
[85]
В { Н ) = ( В} ( Н) + В1{Н))/ 2,
(1.21)
где с т р е л к а м и о т м еч е н а п р и н а д л е ж н о с т ь зн а ч е н и й ин ду к ц и и
к в о с х о д я щ е й (-[) ил и н и с х о д я щ е й (].) в е т в я м п р е д е л ь н о й п е т ­
ли. С р е д н ей к р и в о й н а м а г н и ч и в а н и я , к а к п р а в и л о , и п о л ьзу ю тс я
при а н а л и з е р а б о т ы и р а с ч е т а х ф е р р о зо н д о в , р а б о т а ю щ и х во
в тором р е ж и м е .
^П о с к о л ьку с р е д н я я к р и в а я н а м а г н и ч и в а н и я я в л я е т с я н еч е т ­
ной ф у нкц ией, она м о ж е т б ы ть а п п р о к с и м и р о в а н а п ол и н ом о м
нечетных степеней:
5 =: 2
(1 .2 2 )
г=1
где а — ко э ф ф и ц и е н т ы а п п р о к с и м а ц и и ; 1 = 1, 2 , 3 , . . . — ц ел ы е
числа. У ж е при т р е х ч л е н а х п о л и н о м а м о ж н о п ол у ч и ть хо р о ш ее
приближ ение аппроксимирую щ ей функции к действительной з а ­
в исимости. Ч а с т н ы м с л у ч а ем (1.2 2) я в л я е т с я уко р о ч е н н ы й п о ­
л ином в и д а ( 1.8 ), в ко т о р о м а = «1 и 6 = — аз.
Ш и р о к о и с п о л ь з у ю т с я т а к ж е ку с о ч н о -л и н е й н а я , а р к т а н г е н с п ая и д р у г и е а п п р о к с и м а ц и и с р е д н е й кр и в о й н а м а г н и ч и в а н и я
с е рдеч н и к ов ф е р р о з о н д о в (см. гл. 2 ).
В ы б о р той и л и иной а п п р о к с и м а ц и и с р е д н ей кр и в ой н а м а г ­
н и ч и в ан и я с е р д е ч н и к о в д и к т у е т с я о с о б е н н о с т я м и р е ш а е м о й з а ­
д ач и , п р и н я т ы м и д о п у щ е н и я м и , д о с т и г а е м о й простотой в ы к л а ­
д о к и ф и зи ч е с к о й н а г л я д н о с т ь ю кон ечн ого р е з у л ь т а т а .
1.3.3.
И н о г д а у д о б н о п о л ь з о в а т ь с я не т о л ь к о в е л и ч и н а
В и Я , но и п а р а м е т р а м и , х а р а к т е р и з у ю щ и м и м а г н и т н о е с о с т о я ­
ние ф е р р о м а г н и т н о г о в е щ е с т в а . К т а к и м п а р а м е т р а м о т носятся
у ж е у п о м и н а в ш и е с я в п. 1.3.1 м а г н и т н а я в о с п р и и м ч и в о с ть и
п р о н и ц а е м о с т ь.
В л ю б о й т о ч к е с р е д н е й к р и в о й н а м а г н и ч и в а н и я в е щ е с т в а его
м а г н и т н о е с о с то я н и е х а р а к т е р и з у е т с я д в у м я п а р а м е т р а м и ( м а г ­
нитной а н и зо т р о п и е й в е щ е с т в а п р е н е б р е г а е м ) ;
\ В
Н
\ ав
( 1 .2 3 )
,а
о ЛН'
н а з ы в а е м ы м и с о о т в ет с т ве н н о н о р м а л ь н о й и д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й
п р о н и ц а е м о с т я м и . З д е с ь цо — м а г н и т н а я п о с т о я н н а я (см. § 2.1).
С в я з ь м е ж д у п р о н и ц а е м о с т я м и р и рд д а е т с я в ы р а ж е н и е м
1 (1В
б? , т_г\
I гг
[хо ЛН - йн '' ^“ > - * ^ “ а н '
(1.24)
из к о т о ро го видно, что рд = р т о л ь к о т о гд а , ко г д а Я = О или
й?р/с1Я = 0. В о всех о с т а л ь н ы х с л у ч а я х рд=^^р, что о т р а ж а е т
нел ин ейны й х а р а к т е р за в и с и м о с т и В ( Я ) и у к а з ы в а е т на н е о б ­
ход и м о с ть в в е д е н и я и р а з д е л ь н о г о о п р е д е л е н и я п а р а м е т р о в |1
и Рд.
Н а рис. 1.7 п р и в ед е н ы п о л о ж и т е л ь н ы е в е т в и основной н
ср едн ей кр и в ы х н а м а г н и ч и в а н и я в е щ е с т в а и соответству ю щ ие
им за в и с и м о с т и п р о н и ц а е м о с т ей р и р д от н а п р я ж е н н о с т и поля.
Г е о м е тр и ч е с к и з н а ч е н и я р и рд о п р е д е л я ю т с я ч ерез тангенсы
углов а и р :
Рис. 1.7. Кривые намагничивания (а, б) н кривые
________
вещества
проницаемостей
(в,
Причем угол а с в я з а н с п о л о ж е н и е м с еку щ е й , п р о х о д я щ е й ч ерез
н а ч а л о к о о р д и н а т и в ы б р а н н у ю т о чк у на кр и в о й В ( Я ) , угол р
с в я з а н с п о л о ж е н и е м к а с а т е л ь н о й , п р о х о д я щ е й ч ере з ту ж е т о ч ­
ку кри во й В ( Я ) .
Х а р а к т е р н ы й х од о сновной к р и в о й н а м а г н и ч и в а н и я , им ею щ ей
д в а и зг и б а ( к о л е н а ) , о п р е д е л я е т и хо д к р и в ы х р ( Я ) и р д ( Я ) —
см. рис. 1.7, а и в. Н а этих к р и в ы х о т м е ч а ю т зн а ч е н и я :
н а ч а л ь н о й м а гн и т н о й прон и ц а е м о с т и
I
Д
II
1^0 «.,0 /-/" — 1*'на'15
м аксимальной нормальной проницаемости
1,
_
„о Щ ®макс — (■‘'макс)
П
м аксим альной диф ф еренц иальной проницаемости
-Н|о 1ёРмакс-=
И з р и с у н к а видно, что зн а ч е н и е рд.макс в с е г д а б о л ь ш е з н а ­
чения рмакс и д о с т и г а е т с я при м еньш ей н а п р я ж е н н о с т и п о л я Я .
К р и в ы е р ( Я ) и р д ( Я ) п е р е с е к а ю т с я в т о ч к е А, где Р — Цмакс —
=
рд, п о с к о л ь к у в Э Т О Й т о ч к е д . р , / й Н = 0.
Х од ср едн ей к р и в о й н а м а г н и ч и в а н и я , и м е ю щ е й о д ин изгиб
( к о л е н о ) , т а к ж е о п р е д е л я е т х о д к р и в ы х р ( Я ) и р д ( Я ) (см.
рис. 1 .7 ,6 и г). Х а р а к т е р н ы м д л я эти х к р и в ы х я в л я е т с я то, что
в н а ч ал ь н о й то ч к е ( Я = 0) о к а з ы в а ю т с я р а в н ы м и все три у к а ­
занные выш е проницаемости:
Риач — Рмакс — Рд.максЭ ти п р о н и ц а е м о с т и с о в п а д а ю т т а к ж е с п р о н и ц а е м о с т я м и
Рд.макс! и рд.макс! н з п р с д сл ь н о й п етл с гис т е р сзи с а , что, кон е ч ­
но, я в л я е т с я с л е д с т в и ем д а н н о г о в п. 1.3.2 о п р е д е л е н и я средн ей
кри вой н а м а г н и ч и в а н и я . О т м е ч е н н а я т а м ус т о й ч и во с ть п р е д е л ь ­
ной петл и (н е з а в и с и м о с т ь ее от к р а т к о в р е м е н н о г о н а л о ж е н и я
посто янны х м а г н и т н ы х п о л е й ) с о о б щ а е т т а к о в у ю и с р е д н е й к р и ­
вой н а м а г н и ч и в а н и я , а с л е д о в а т е л ь н о , и всем т е к у щ и м з н а ч е н и ­
ям р и рд.
И з с о п о с т а в л е н и я п р и в е д е н н ы х на рис. 1.7, в и г кр и в ы х
р ( Я ) и р д ( Я ) видно, что эти за в и с и м о с т и х а р а к т е р и з у ю т с я р а з ­
ной с теп ен ью нел инейности: п р и б л и ж а я с ь од н а к д р у го й в о б л а ­
сти с л а б ы х полей, они су щ е с т в е н н о р а с х о д я т с я в си л ьн ы х , т а к
что при н а с ы щ е н и и в е щ е с т в а зн а ч е н и я рд о к а з ы в а ю т с я в сотни
р а з м е н ьш е зн а ч е н и й р.
1.4. Р а з м а г н и ч и в а ю щ и й ф а к т о р .
П роницаем ость сердечников
1.4.1.
Б удучи телами конечных размеров, сердечники ф еррозондов на
ничиваются во внешнем однородном поле не так, как намагничивается
само ферромагнитное вещ ество или материал: на процесс намагничивании
тел оказывает действие размагничивающий фактор.
Согласно учению В. К. Аркадьева [2] справедливы следую щ ие соотнош е­
ния:
В = I^ .о(Н + ^);
(1.25)
11 = Н — Я •^ ,
(1.26)
где 1 — намагниченность тела; Н = Во/ро — напряженность внешнего поля;
Ь — напряженность внутреннего поля (по Аркадьеву: «непосредственный во;ь
л
будитель магнетизма в веществе» [2, § 61]); N — тензор размагничивающего
фактора, связанный главным образом с геометрическими размерами тела
(сердечника).
Имеют место соотношения
Л=
х -11
= (р - 1 ) .Ь
и
В = ро;х-Н,
(1.27)
с помощью которых получаем
1 1 = ---------- !---------- Н;
л л
1+ ^ (р -1 )
(1.28)
'
В = № * -Н ,
(1.29)
где
Р* = р * / [ 1 + ^ ( 1 ^ - 1 ) 1
(1.30)
— тензор, называемый магнитной проницаемостью тела [2].
Л
Смысл введения параметра р* заключается в том, чтобы связать маг­
нитную индукцию в теле В не с гипотетическим вектором Н, как в выражении
(1 .2 7 ), а с вполне реальным вектором Н, подлеж ащ им измерению.
л
И з формулы (1.30) видно, что тензором р* учитываются как магнитная
анизотропия вещества,
так и анизотропия формы тела, т.е. неодинаковая
его протяженность в различных направлениях.
В ряде случаев (в том числе применительно к материалам, используемым
л
в ф еррозон дах) анизотропией вещества м ож но пренебречь. Тогда р = р и
л
тензором р* учитывается только анизотропия формы:
^ = р /1 1 + Л 1 (р -1 ].
(1.31)
Будучи приведенными к осям симметрии тела х, у, г, этот тензор имеет
составляющие
р ; = р /]1 + Л /^ (р -1 )1 ;
р ; = р /[ 1 - I Яу ( р - 1 ) ] ;
(1.32)
Р* = р / 1 1 + Л / г ( р - 1)1.
где Ых,
и ЛГг — соответствующ ие составляющ ие тензора, называемые ко­
эффициентами размагничивания. И з этого выражения следует, что если тело
изотропно (шар, сф ер а), то Ых = Ыу = Ыг и р^* = р^* = рг*; если ж е тело
анизотропно (например, имеет ф орму пластины — прямоугольного параллелспипедз с неравными ребрам и), то
а следовательно, и
^
^ 'поскольку в соответствии с соотношением (1.29)
(1,38)
то при Цл* =7 ^ Р!/* =5^ Рг* имеем В э Н , т. е. вектор В оказывается не параллель­
ным вектору внешнего поля Н.
При ярко выраженной анизотропии формы, например сильной вытянутости тела (тонкий длинный стерж ень) в направлении осп, составляющими
Ву и Вг мож но пренебречь и полагать, что тело намагничивается только под
действием соответствующ ей проекции вектора
(1.34)
В = РоРдЯс = № * Н -х " .
К этому вопросу мы вернемся в § 2.7, когда будем рассматривать на­
правленные свойства ф еррозондов.
1.4.-2. П одобно тому, как были определены характеристики ферромагнит­
ного вещества (см. § 1.3), могут быть определены н характеристики ф ерро­
магнитного тела.
На рис. 1.8, а приведены средние кривые намагничивания вещества и
л
тела, построенные в соответствии с выражениями (1.27) — (1.29) при р = р и
совмещении одной из осей симметрии и тела с вектором Н.
Видно, что одно и то ж е значение магнитной индукции достигается в теле
при более высокой напряженности поля, чем в веществе. Функцией связи
м еж ду напряженностями Н \\ Н служит согласно (1.28) отношение 1/[1 +
-|-Л1(р— 1)]. П оэтом у кривая намагничивания тела есть не что иное, как
сдвинутая вправо кривая намагничивания вещества. Лишь при А = О (б е с ­
конечно длинный стерж ень) кривые совпадут.
На рис. 1 .8 ,6 приведены соответствующ ие кривым В (к) н В ( Н ) зав и ­
симости р(Л ) и р * (Я ), а на рис. 1.8, в — зависимости Р д ( Л ) и р д * (^ )Параметры р* и рд* вводятся аналогично введенным в § 1.3 (п, 1.3.3)
параметрам р и рд:
1 ^
Ро
(1.35)
к !Г
Их называют соответственно нормальной
н дифференциальной проницаемостями т е ­
ла. При этом параметр р* определяется с
помощью выражения (1.31), а параметр
Рд* — с помощью днфферемниалыюго ан а­
лога (1.31):
'Ад -
Рд
1 + Л '( ,ч .д -
1) •
(1.36)
Заметим, что правые части выражений
Рис. 1.8. Кривые намагничивания (а) и кривые проницаемости (б, в) вещ ест­
ва и тела
Рис. Г.9. Кривые, харак те­
ризующ ие зависимость про­
ницаемости тела р* от про­
ницаемости вещества р для
разных значений коэф ф и­
циента размагничивания N
1Ср
10
-3
10‘
Ж
(1.35) совпадаю т с соот­
ветствующими частями вы­
10
ражений (1.23). П оследние
являются частным случаем
(1.35), справедливым при
10^ N = 0. Применительно ж е
Ж
Ж
10^
Ж
10“
к
телам
конечных
р а з­
меров { Ы ф О ) параметры р и рд следует определять соответственно через
отнощенйя В/А и ЛВ1ЛН.
В соответствии с выражением (1.24) имеем
Р* = Р * - + - Я ^ .
(1.37)
Н а рис. 1.9 приведено семейство кривых р * (р ), построенных на основа­
нии выражения (1.31). В виду одинаковой структуры выражений (1.31) и
(1.36) аналогичное семейство м ож но построить и дЛя зависимости р д * (р д ).
И з ход а кривых видно, что по мере увеличения проницаемости вещ ест­
ва р проницаемость тела р* приближ ается к некоторому предельному зн а ­
чению
(1.38)
Иш р»
(параметр т называют проницаемостью формы) '.
Д л я достиж ения максимальной магнитной индукции в теле обычно стре­
мятся к выполнению условия (1 .3 8 ). Н о имеется и более глубокий смысл
выполнения этого условия.
И з уравнения (1.31) видно, что р* = / ( р , Л1), поэтому
д/
Др* = - ^ Д р + ^ Д Л ^ ,
(1.39)
где
1— и
При N ^ 1 0 - 2 ( т ^ 10^) и р ^
ников ф еррозондов) имеем
Ф *
р*
!>■(!/■ - 1)
|1 Г Л / ( р - 1)|-'-
К
дН
(1.40)
10< (характерные значения для сердеч­
]_
“ рЛГ
V
IX ~
^
Н-
И з (1.41) следует, что относительное приращение проницаемости тела
ослаблено в рЛ/ раз по сравнению с вызывающим его относительным при­
ращением проницаемости вещ ества и пропорционально относительному при­
ращению коэффициента размагничивания тела.
' П араметр т как величину, обратную N. следовало бы называть «вос­
приимчивостью формы» (по определению , приведенному в работе [2, с. 115,
121]). О днако в системе единиц СИ м еж ду предельными значениями х* и р*
различия нет: эти значения равны т. П оэтом у параметр т м ож но с равным
правом называть и «проницаемостью формы».
Таким образом , сдвиг кри­
вой намагничивания ф ерром аг­
нетика вправо, появляющий­
ся при N ф О ,
приводит к
стабилизации
проницаемости
тела, чем и пользуются при
проектировании
ф еррозондов
со стабильным коэффициентом
преобразования.
+
-Т
Рис. 1.10. Действие магнитной обратной связи на тело, намагничиваемое
внешним полем (а) и обладаю щ ее остаточной намагниченностью (б ), и ка­
тушку с током (в)
1.4.3. Согласно выражению (1.26) тело, намагничиваясь во внешнем
поле напряженности Н, создает собственное размагничивающее поле Д о =
= N1, направленное внутри тела навстречу внешнему полю. Следовательно,
коэффициент размагничивания N мож ет быть определен как отношспис
Н
= Ы, а проницаемость формы т — как обратное отношение У/Д© =
При одной и той ж е намагниченности ] размагничивающее поле //©
тем сильнее, чем больше коэффициент N или, другими словами, чем ближе
расположены в теле магнитные полюса (рис. 1.10, о ).
Поскольку напряженность внутреннего поля определяется выражением
Л = Д — N1, то уменьшение к с увеличением N или сокращением длины тела
в рассматриваемом направлении позволяет связать указанную зависимость
с действием магнитной отрицательной обратной связи. При этом в получен­
ном выше выражении (1.41) глубину обратной связи определяет произведе­
ние р Д [ 10, с. 18].
3 вытянутых телах обратная связь в продольном направлении слабее,
чем в поперечных. Это и приводит к рассмотренной ранее анизотропии, когда
приходится учитывать не один, а, по крайней мере, три параметра тела —
Цл;*, р . / и рг* [см. выражение (1.32)].
С помощью обратной связи объясняется и эффект стабилизации прони­
цаемости тела. Согласно выражению (1.41) при р Д » 1 обратная связь ста­
новится настолько глубокой, что изменения проницаемости вещества (ианрнмер, из-за влияния температуры) приводят к столь малым изменениям про­
ницаемости тела, что последними практически м ож но пренебречь.
Понятия «коэффициент размагничивания» и «магнитная обратная связь»
распространимы и на другие случаи.
На рис. 1 .1 0 ,6 показано тело, обладаю щ ее остаточной намагниченностью
(постоянный магнит). При Д = О действие обратной связи приводит к тому,
”то результирующ ая намагниченность или намагниченность тела оказывается
Это выражение мож но получить, если подставить выражение (1.26) в (1.25).
3 уравнения (1.42) видно, что при постоянной остаточной намагниченности
намагниченность тела У* тем меньше, чем больше коэффициент
^ змагничивания N. Однако чем больше Д , тем в соответствии с (1.36) меньппи
1*'Д> 3 следовательно, и вызванные влиянием внешних полей
рз
АД к остаточной индукции тела Вг*. Заметим, что здесь, как и
коэффициент Д определяется отношением Д о/У.
и п е р е п а д е т е м п е р а т у р ы на 10° С им еем (Д Во)а4 ^ 0,01 нТл^
находится на уровне ш ум а феррозонда.
П р и н е о б х о д и м о с ти с н и ж е н и я этой п о гре ш н ос т и следущп о л ь з о в а т ь в у с и л и т е л е по с т о я н н о го т о к а б о л е е с т а б и л ь н ы е м ;/
р о с х е м ы (н а п р и м е р , в з а м е н м и к р о с х е м ы 14 0У Д 7 м о ж н о
м е н д о в а т ь м и к р о с х е м у 1 4 0 У Д 1 7 А ). Р а д и к а л ь н ы м средетво.
с н и ж е н и я этой п о г р еш и о с т и я в л я е т с я , конечно, д а л ь н е й ш е е
л и ч е н и е к о э ф ф и ц и е н т а п р е о б р а з о в а н и я ф е р р о з о н д а з а счет внут^
ренн его п а р а м е т р и ч е с к о г о у с и л е н и я (см. п. 5.1.4 и § 2.6).
5.1.6.
Рассм отрен ны е здесь элем енты приборов являю тся
н о вы м и в том см ы с л е , что м огут б ы ть и с п о л ь з о в а н ы в прибора);
р а з л и ч н о г о н а з н а ч е н и я , с о х р а н я я при э т о м свои прецизиоиньц.
с в ой с тв а .
Т а к , г е н е р а т о р в о з б у ж д е н и я р а с с ч и т а н на п и т а н и е трех фер,
р о зо н д о в , что п о з в о л я е т его и с п о л ь з о в а т ь в одно-, двух- и трех,
ко м п о н е н т н ы х м а г н и т о м е т р а х , а т а к ж е в г р а д и е н т о м е т р а х . Из­
б и р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь им еет д о с т а т о ч н о ш и р о к у ю полосу про­
п у с к а н и я , п о з в о л я ю щ у ю п р и м е н я т ь его д л я у с и л е н и я сигналов
не т о л ь к о п о стоянного , но и п е р е м е н н о го (д о 100 Г ц ) магнитных
полей. С и н х р о н н ы й д е т е к т о р и у с и л и т е л ь по с т о я н н о го тока лег­
ко п е р е с т р а и в а ю т с я не т о л ь к о по п о л о с е п р о п у с к а н и я (измене­
ни е в р е м е н и и н т е г р и р о в а н и я ) , но и по к о э ф ф и ц и е н т у усиления
д е м о д у л и р о в а н н о г о с и г н а л а , о б е с п е ч и в а я н у ж н у ю глубину об­
р а т н о й с в я зи и з м е р и т е л ь н ы х к а н а л о в п р и б о р а .
П р и м е р ы к о н к р е т н о г о и с п о л ь з о в а н и я о п и с а н н ы х элемо'нтов
в п р и б о р а х с н и зк и м порогом ч ув ст в и т е л ьн о с т и приводятся в
последующ их параграф ах.
5.2. Магнитометры для космических исследований
5.2.1.
В озм ож ность проведения прямых магнитных измерении за
лами магнитосферы Земли, с борта космических ракет и межпланетны,\ стан­
ций сразу ж е (1959 г.) обусловила разработку магнитометров, характери­
зую щ ихся низким порогом чувствительности и долговременной стабильно­
стью нуля.
П редпочтение было отдано феррозондовым магнитометрам, как компо­
нентным приборам, отвечающим одновременно всей совокупности эксплуа­
тационных требований (высокая надеж ность, возмож ность функционирогаиня
в щироком температурном диапазоне, малые энергопотребление, масса и
бариты) [8, 51— 53, 117].
Первый трехкомпонентный феррозоидовый магнитометр типа СГ-50 бы-*
разработан в 1958 г. и имел наиболее чувствительный диапазон и з м е р я е м ы *
значений по каж дой компоненте ± 800 нТл; М агнитометр был установлен
борту станции « Л у н а -10» — первого искусственного спутника Луны.
В начале 60-х годов были разработаны магнитометры СГ-52, С Г-55 «
СГ-56, а затем и более чувствительные СГ-59М и СГ-70, имеющие д и а п а з о н
измеряемых значений по каж дой компоненте ± 50 нТл, нестабильность нУ-'’
за десять суток не более 3 нТл и порог чувствительности 0,1 нТл. Принпн^
пиальная схема и конструкция магнитометра СГ-59М подробно о п и с а н ы
работах [8, 10].
С помощью этих магнитометров, их модификаций и устройств для авт
магического расширения пределов измерений были получены основные св
дения о магнитных полях Луны, Венеры, М арса и межпланетного прострв
етва, которые обобщ ены в работах [52, 53].
136
ферро.ч<||| 10НЫ1' \К1| | | / т г , а ч ры ана.'н» н'пш, о н а а н а а е п н я (>аа|>а1>а гмпа.'Шгь
СШЛ
А м е р и к а н ц ы ( р и ' и м у т е п и е т ш н рим е'пялн ф е | 1|)1): (о |п ы с аа\Пч
й ® у ц ссрдеч||||ка^^и■ » т о м чи с л е н.н о г о ю ч е п и ы м н иа и он ы х м а л о ш у м я щ и \
езон н к е.т еи ы х сплар.ов [ 1 0 9 , 1 1 2 — 11 4], ч т о п о з в о л и л о и е т ол ы м ) е и и а п п ,
)й®АорЯЯОк п о р о г ч у в е т в и т е л ь и о е т п .м.чгиптом ет ро в, н о и е х т ц е е т в е т ю у л \ ч
й®
рх в р е м е н н у ю II т е м п е р а т у р н у ю е т а о п л ы ю с т ь .
К о т е ч е с т в е н н ы м п р и б 0 |)ам п ол оГ и ю го т и п а о т и о е я т е я
м а 1 ииюметры
сГ-76, М И Ч - 1 , Г> УД -1.\\ и Л 1К
Н и ж е о п и с ы в а е т с я м а и 1итол1сг(' Л1ИЧ- 1.
5.2.2. Д \ а г н т ( ) м с т р .\\МЧ-1. р а з р а б т а и и ы О Н П О мВ!11П1.\\
Д. II. .Мс'иде'.ач'ва» по тс.хиичсукыму з а д а н и ю ПВ.\\1 ПАМ 1,
поедназначои д.тя и зм е р е н и и г ре х I ч кт ав .т яющих вект ор а (мапого магнитного но.тя в д н а н а з о н е частот 0 , 1 —8 Гц.
[Магнитометр бы.т устанон.тсн на е нут ннке «11нтеркосмое.
Б ол га рия -1300», где нено.тьзова.тея д.тя и з ме р ен и я 1Н1рнаит"|
реомагнитното но.тя в а в р о р а л ы ю п зоне иа в ыс о т ах норя.тка
1 тыс. км. М а ш и т о м с т р н ор м а. т ыю (Ьункционнрова.т в течение
всего пер и ода а к т ив н ог о ехчцеет'воваиия с пут ника . П о .| уч ен т ,К '
с его п ом о щ ь ю д а н н ы е позно.-игти установит ь з а к он о х к д н о е т и
электромагнитных процессов в -этчи"! зоне.
ф у н к ц и о н а л ь н а я сх е ма хкпнпто.метра 1 1 )тнведепа иа рпе. .3.0.
М а г нит ом ет р в ыпо лне н в в иде двух б.тсихов: б ло к а (1)ерро
зондов Б Ф З и б.тока з л е кт р о п и к н ( Б Э ) .
Б Ф З с оде ржит три ко.тьцевых фе)трозонда, ошн-анпых в
п.5.1.2. Они у с т а н о в л е н ы в б ло к е так, что их м а 1 - | т т п ы е оси
образуют п ря м о у г о л ь н у ю спетему к о о р д и н а т .у, //, д, причем оси
л и 1 / л е ж а т в посадочно!! ( крснежноГ! ) п.тоскости б ло к а.
Б Э с о д е р ж и т три иде нт ичных ус н. чптсльно-нреобразовате. п, ных кана.ча, обпии! г е не ра то р п о б щ т ! ир ео б ра з опа т е. и, ннта-
5орт п8пя
сеть
^**с.
5.6 . Ф у 11к ц и о и а л 1. п а я с х е м а т р е х к о м п о н с и т п о г о м а г н и т о м е т р а М 1 14-1
^>лок (1)срро'Ю||доп;
— бл ок э лек тр он ики; Ф Т - — кольц евы е ф е ррозо н ды ; И У _ Нрательиыи усилител ь; С Д — синхронный де т ек тор; У П Т — ус ил ител ь постоянно! >
® гД
Ф” 'Ч1>гр ин(1)рпни-<ких частот; /7Ф — полосопо!) фнльт]) низких частот ПМ
Ч); М У - - м а с т т л б и ы и усилитель; Г в — гс п е 1)птор н о зб уж дс ии я ; П П • щц-оГ)]!:! (оил
то ль питани я (д инам ически й с таб или <атор)
137
ния.
Каждый
к а н а л ох ва ч е н ч ас т о т н о -за в и с и м о й обрати^,с в я з ь ю и с о д е р ж и т и з б и р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь, синхронным
те к т о р и у с и л и т е л ь п осто я н н ого т о к а (см. § 5 . 1 ) . Б л а г о д а р я
с т о тн о -з ав и си м о й о б р а т н о й с в я зи , э ф ф е к т и в н о действую щ ем „
ч а с т о т а х н и ж е 0,01 Гц, в о б ъ е м е ф е р р о з о н д о в компенсирую,.^.^
с о о т в ет с т в у ю щ и е с о с т а в л я ю щ и е в е к т о р а п осто я н н ого гсомц,^
нитного п о л я ; к а н а л ы р а з г р у ж а ю т с я и с т а н о в я т с я восприимчц
вы м и к с л а б ы м с и г н а л а м в а р и а ц и и ге о м а гн и т н о го поля. Эти си/
налы дополнительно вы деляю тся полосовыми фильтрами,
с т р о ен н ы м и на основе ф и л ь т р о в в е р х н и х и н и ж н и х частот тица
ф и л ь т р о в Ч е б ы ш е в а , и у с и л и в а ю т с я м а с ш т а б н ы м и усилителями
Г е н е р а т о р в о з б у ж д е н и я в ы п о л н ен ио схеме, о пи сан ной в продьм
д у ш е м п а р а г р а ф е , но с к в а р ц е в ы м а в т о г е н е р а т о р о м на 100 кГц
П р е о б р а з о в а т е л ь п и т а н и я с о б р а н по схем е д и н а м и ч е с к о г о ста­
б и л и з а т о р а и при н о м и н а л ь н о м н а п р я ж е н и и п и т а н и я 27 В ха­
р а к т е р и з у е т с я к. п. д. 0 ,8 5 .
5.2.3.
М а г н и т о м е т р М Н Ч -1 им еет с л е д у ю щ и е метрологич
ск и е и тех н и ч е с ки е х а р а к т е р и с т и к и (по к а ж д о м у к а н а л у и в це­
лом ):
д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й ± 1 6 5 и ± 1 6 , 5 нТл;
к о э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я 0,05 и 0,5 В / и Т л ;
по р о г ч ув ст в и т е л ьн о с т и на ч ас т о т е 0,2 Гц (п о л о с а 0,1 Гц) не
п р е в ы ш а е т 10 пТл, в д и а п а з о н е 1— 10 Гц (п о л о са 1 Г ц ) состав­
л я е т 3 — 5 пТл;
о т н о с и т е л ь н а я п р и в е д е н н а я п о гре ш н ос т ь 3 % ;
р а б о ч а я п о л о са ч а с т о т (при д о п у с к а е м о й неравномерности
в 1 д Б ) 0 , 1 - 8 Гц;
неи дентич ность ф а з о в ы х х а р а к т е р и с т и к к а н а л о в не превы­
ш а е т 2°;
п о д а в л е н и е с и г н а л о в с частотой 2 - 1 0 “ - Г ц (ч а с т о т а собст­
венного в р а щ е н и я с п у т н и к а в г е о м а гн и т н о м поле) не менее
90 д Б ;
рабочий диапазон температур
д л я Б Ф З — от — 70 до
-Г50° С, д л я Б Э — от — 10 д о 4-50° С;
н а п р я ж е н и е п и т а н и я 2 7 В (д о п усти м ое о т к л о н е н и е от •+/
до — 4 В );
п о т р е б л я е м а я м о щ н о с т ь при н о м и н а л ь н о м н а п р я ж е н и и прЧ'
м ерно 4 Вт;
м а с с а Б Ф З — 0,4 кг, м а с с а Б Э — 3,5 кг.
О ц е н к а с о б с т в ен н ы х ш у м ов м а г н и т о м е т р а п р о во д и л ась ®
ф е р р о м а г н и т н о м н с в е р х п р о в о д я щ е м э к р а н а х (см. гл. 6 ). Было
у ст ан о в л ен о , что в с л а б ы х п о л я х, не п р е в ы ш а ю щ и х 100 нТл,
у р о ве н ь ш у м а на ч ас т о т е 0,2 Гц в полосе 0,1 Гц составляет
5 пТл. В п о л я х п о р я д к а г е ом агн и тн ого (в с в е р х п р о в о д я щ е м
р а н е « з а м о р а ж и в а л о с ь » по л е 50 м к Т л ) ш ум на ч ас т о т е 0,2 ГД
в о з р а с т а л пр и м ер н о в 2 р а з а , т. е. с о с т а в л я л 10 пТл, что и ук®'
з а н о в п р и в ед е н н ы х в ы ш е д ан н ы х . В д и а п а з о н е 1— 10 Гц разиИ'
цы в пл отности ш у м а в с л а б ы х и си л ь н ы х п о л я х не обнаруженоО ц е н к а к о э ф ф и ц и е н т о в п р е о б р а з о в а н и я к а н а л о в магнитО'
.138
ра проводи. ик' ь п уп ' м подачи з а д а н н ы х т оков па час гогах
9 И 5 Гц в о б р а з ц о в ы е к ат у шк и, у е т а п а в л п в а о м ы е виучрп фср1^аГ11П1'иого з к 1)апа, п р е ' и с ! р а ц и и в ы хо дны х с иг и а . юв на саР^ррсцс типа 11-338 (ио .юс а 100 Гц) . Т а к и е ж е токи мог.зи цо■'* ратьси II в ка.'пкбровочиыс об.могки ф е р р о зо нд о в, чго и оеу^„ствлялось исриодичеекп в нроцеесе э к е и л у а т а ц н и м а г шг ю 'егра на борту спутника.
■ Оценка в л ия н и я магиипич') помехи па ч ае тог е 2 - 1 0 ' Гц
разведена косвенно. В с п е ц и а л ь н ы е к ат у шк и, н а д е ты е на
кфЗ, п о д а в а л и с ь от г е н е р а то ра Г6-15 токи с частотш) 2- 10 Ч ' ц ,
^ ^ д а ю ш и е в о б ь с м е ф е р р о з о н д о в м а г ни т н ые п ол я с амп.лнтуйф ^ мкТл. Но з а н н с я м в ы хо дны х с и г н а л о в м а г н и т о м е т р а на
пегистра горс 113012 о ц е н и в а л а с ь с тепень п о д а в л е н и я сш н ал ов
^.[ОЙ частоты, после чего п ро и з в о д и л с я пересчет на частоту
2.10"^ Гц. О с л а б л е н и е помехи с о с т а в л я л о боле е 120 д Б , что
обеспечивало н а д е ж н о е в ы д ел е ни е с л а б ы х с и г на л ов в д ш п шз о не 0,1— 8 Гц при в р а щ е н и и с пу тни ка с частотой 2 - 1 0 '■ Гц в
постоянио.м г е ом агн ит но м поле.
5.2.4.
М а г н и т о м е т р М ИЧ -1 м о ж е т б ыть псно.'и^зован в н а з е м
ных у сл о ви ях в к ач ес тв е м аг нит но г о в а р и о м е т р а , п у ж е вед\ гея
исследования в о з м о ж и о с т его пр им ен е ни я д,' 1 я п р о г н о з и р о в а ­
ния землетряееннГн М а г и и г о м е т р .может быть ис по ль з ов ан т а к­
же д л я изм ер е ни я х а р а к т е р н ы х е н г иа . ю в при глубинном з.зектромагннтном з о н д и р о в а н и и зе мно й коры [37, 70, 73].
Б л а г о д а р я нри. мепс пт о типовых з .ю ме ит ов (с.м. § 5.1) ч а ­
стотный д и а п а з о н м а г н и т о м е т р а м о же т б ыть р а с ш и р е н к а к вниз,
так и вверх.
При р а с ш и р е ни и частотного д и а п а з о н а впнз до нуля (усгргн
нение час т от но - за в ис им ой о б ра тн ой с в я з и ) м а г н ит о м е тр м оже т
быть и с п о ль з ов ан о д н о в ре м ен но и .дли и зм е р е н и я с л а б ы х п о ­
стоянных м а г ни т ны х полей, н а п ри ме р , в м е ж п л а н е т н о м п р о ст ­
ранстве и вблиз и д ру ги х планет. П р и этом его д о л г о в р е м е н н а я
стабильность нуля и шу.м на ча ст от а х н и ж е 1 Гц б удут о п р е д е ­
ляться, г л а в н ы м о б р а з о м , х а р а к т е р и с т и к а м и к ол ь ц е в ы х ф е р р о ­
зондов (см. § 5.1).
При р а с ш и р е н и и час тот ног о д и а п а з о н а вверх
(до 100—
120 Г ц) в м аг н и т о м е тр е м о ж н о и сп о л ь з о в а т ь н е ск о ль к о н и з к о ­
частотных по.тосовых фш'п.тров, с о о б щ а я ему свойства а и а . ш з а З'Ора поля.
5.3. Магнитные градиентометры
Пр им е не н ие г р а ди е нт о ме т ро в , к а к и д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы х магЧтомотров (ем. I I . 4.1.3), но.чезно во всех тех с л уч ая х , когда
Ребуетея у м е н ы ш т , в ли ян и е ма гн ит н ы х помех, с о з д а в а е м ы х
дальними» не гочпнкамн, и ког;та п о л у ч ае му ю измерн ге,лг.н\' 1 о
г®Формац 1 по .можно 1 1 епое()едс гвенно нено.чвзовать д.тя онреде®Ния м е с т о п о л о ж е н и я и пптепенвпое I и « б ли з ки х » иегочнпков
Поля.
139
Г р а д н е ш вект ор а В„, характчдтпзуюпин! нроетрапх | д, ,
нео днор од но ст ь м а г п и п ю т о но.тя, яв.тяегся т енз ором и, .
ра нг а, о п и с ы в а е м ы м д е в я т ь ю е о ет ав . тя юы н ми ()Ва,/(Л 1:.
к = X, у, г — инде ксы нанравлени!! | 11, 89].
Г р а д и е н т о м е т р д л я из ме р ени я одноГ| ко мно нс нт ы о/;
/ 1/;
с о д е р ж и т д в а (|террозонда н дв.а уен.тнте.тыю-преобратыь
пых кана.та, включеиш.ьх но схеме в ы чи т ан и я в ыходных
.,чов (см. рис. 4.3 ). сроррызонды устаиов.тены на ж ес т к о м о, пщ,'
пни ( ш т а н г е ) на р а ее г оя ни и /, называемо.м б аз о б прибор ; р '
■тн их м а г ни т ны е оси орнеп г прованы п а р а л л е л ь н о б а з е ) ! '
то г ра дие нт оме т| ) н а з 1 ,1 в а ю г иродо.тьным, если нср нсн ди к\ щрц, '
б а з е (1"м-Гк"), ' П()1 1 е|)ечным. В обоих е.чучаях прибор нд-еря,.'
ра з но ст ь
АА,,,7А//; =
о1
г,
(5 3|
|';и' 8 — в еличина , з; 1 в ие и ш а я ог п р о и зв о д н ых в ысшег о Пыряд,^.
и б а з ы пр ибо ра . ^Ч'.чов1 1 я нзме| )ення и б аз у п р и бо р а обычпи щ,!
б н р а ю г гак, ч г о б 1>1 ве.чичнпоб г мо>1 чНо бы.чо пренебречь.
И з в е с тн ы т р удн ост и е о зд а н п я ч у в ст в | 1 т е л 1 >ных г р адш чи (Дя д
1 )()в д л я р а б о г ы в г со ма гн нг н о м ноле | И), 11, 8 9 | .
Г.ю'.няя
ч ру дно с гь состоит в обеспечении выеокоб егснеии пара.т.н плиечи .ма 1 нитных осеб ф е р р оз он д ов , у с т а н о в ле н ны х на нмыпг.
Ра с ч е т ы п о к а з ы в а ю т , что ес.чн з а д а т ь с я м и н и м а л ь н о изддряе
мым з на че ние м г р а д и ен т а п о р я д к а 1 н'Гл/м, то при нрове ьчииизме ре ни й в д в и ж е н и и , т. е. при св обод но м орнентироианин
шт анг и в г е ом агн ит но м ноле 50 мкТ.ч, нсиараллельносчч, м а и т г
ных осей ф е р р о з о н д о в не д о л ж н а п р е в ы ш а т ь 5' (упчовых се­
к у н д) . Об ес пе чит ь ст оль м а л у ю н е п а р а л л с л ы ю с т ь осей при по­
с то ян но д е й с т в у ю щ и х на ш т ан гу и ф е р р о з о н д ы механичдскпх,
к л и м а т и ч е с к и х и д р уг их в озде йс тв ии д а л е к о непросто. -)го п
о б ь я с н я е т причину того, почему п ер е но сн ые г ра ди ент оме тр ы, ит
п ри ме р д л я г е ол о г о р а з в е д о ч н ы х целей, т а к и не нолучп.чи рче
нр ос тр а нс ни я.
Б ы л и р а сс м о т р е н ы р а з л и ч н ы е п ри емы мин им из а ци и пюдсиг
ностей от н е н а р а л л с л ы ю с т н осей. Н а и б о л е е э ф ф е к т и в н ы е и.! ни'
с в я з а н ы с п о в о р от а ми шта нг и на 180° вокру!' нродо.чыюи д.'Н ■
вокр уг ее центра. Градиентомет]) подобног о тина д л я и о 1 С|н‘
пня пяти с о с т а в л я ю щ и х ()Ви:/д1к описан в р а б о г е [11]. О нкН''
этот прибор пригоден д.чя изме ре ни й т о ль к о на стоянка.х. нр"
чем и н ве ли р о в а н н с п ри бо р а , о р и е н т а ц и я его на местноегн ч нр"
в едение с а м и х изме ре ни й т р еб ую т значнге.льного времени
Д о с т а т о ч н о и н ф о р м а т и в н ы ми г р а д и е н т о м е т р а м и я в. Iяишк ва н т о в ы е (руби.чневые, це зие вые и д р .) , кот орые лнпнчм-'
меченного в ы ше основного н ед о ст ат ка ф е р р о з о н д о в ых I рз.ч'''"
т о м ет р ов и при го д ны д л я о б н а р у ж е н и я и изм ер е ни я
тов п о р я д к а 0,01 н Т л / м и менее,
В н ро мы шл ен но еч и, в частносч н д.чя магни гной де^д ь ;"А'
пин, т р е бу ю т с я з н а ч и т е л ь н о боле е 1 ' рубые граднентомечрчг
ра кт ериз }чощне ся ни жне й 1 ' раницей и з м е р я е м ы х значениГ! "нр
140
Ю и Т л / м и более. В этих с л у ч а я х п ре и му щ е с т в а ф срроз ои’^орЫХ г р а д и е н т о м е т р о в к а к прос тых и н а д е ж н ы х пр ибо ро в очс*■
Про ст ые ф е р р о з о н д о в ы е г р а д и е н т о м е т р ы могут б ыть нсно.'п,паны т а к ж е в ка ч е ст ве обнаружителе!''! при с лепом поис ке раз^рчных м аг нн т ом с чс нн ы х об'ьсктов [10. § 19] ( п ри б ор ы подобго типа в ы п у с к а ю т с я ф и р мо й « Ин ст и ту т д - ра Ф ё р с т е р а » ) .
" В о з м о ж н ы е п ри м ен е н и я ф е р р о з о н д о в ы х г р а д и е н т о м е т р о в в
дционарных у с л о в и я х д л я из.мсрения ос таточной на ма гни чс нщСти о б р а з ц о в горных пород, а т а к ж е м а т е р и а л о в и д е т а л е й в
заводских у с л о в ия х р а с с м а т р и в а ю т с я в с л е д у ю щ е м п а р а г р а ф е .
' Из и з л о ж е н н о г о видно, что т ру дг ик т и пос тро ения в ы с о к о ч у в ­
ствительных ф е р р о з о н д о в ы х г р ад и ен т о м е т р о в о б у сл о вл е ны огпаЙИЧен НЫМи воз Мо ж н о СТя М11 мини м и 3 а Пи II м у л ьти Пл 11к а т и в IIЫX
погрешностей. Л о ж н ы й сигнал, в ы р а б а т ы в а е м ы й г р а д и е н т о м е т ­
ром из-за и с п а р а л л е л ь н о с т и м а г ни т ны х осей ф е р р оз о н д ов , п р о ­
порционален углу и е п а р а л л с л ы ю с т п и з на ч е н и ю поперечной с о ­
ставляющей г ео м агн ит но г о поля, лежащсл"! в плоскости у г ла мспараллелыюсти осей. П о э т о м у р е а л и з о в а т ь п ре д е л ь н ы е в о зм о ж н(1сти ф е р р о з о н д о в ы х г р а д и е н т о м е т р о в (на у р о в н е ш у м о в ф е р ­
розондов) м о ж н о л и ш ь в с л а б ы х м а г ни т ны х полях.
( Это п о д т в е р ж д а е т опыт п ри м ен е ни я греррозондовых г р а д и е н ­
тометров д л я оценки не о д но р о д но с ти ост ат оч но го п ол я в р а б о ­
чих о б ъ е м а х т р ех к о м и о н е н т н ы х к а т у ш е к при о су ще с тв л ении
векторной к о м п с нс а ци п г ео ма гн ит но го поля, неод но ро днос ти о с ­
таточных полей в ф е р р о м а г н и т н ы х э к р а н а х н, на коне ц, оценки
неоднородности с л а б ы х полей за п р е д е л а м и м а г н и т о с ф е р ы З е м ­
ли, н а п р им е р на Л у н е [49].
М . П риборы для измерения остаточной намагниченности тел
5.4.1.
Р1изкий порог ч у вс тв ит ел ьно ст и ф е р р о з о н д о в ы х п р и б о
ров п оз в о л я е т и сп о л ь з о в а т ь их и д л я и з ме р ен и я о ст ат оч но й намагничепиостп тел.
Основной з а д а ч е й , с которой н рн хо дп гс я е талкнватг, ся при
построении т а к и х приборов, я в л я е т с я з а щ и т а их от г е о м а г н и т ­
ного поля и п р о м ы ш л е н н ы х помех.
Один 113 в о з м о ж н ы х путей р еше ния эгой! з а д а ч и зак./почаетея
н Использовании г р а д и ен т ом ет р ов . В с т а ц и о н а р н ы х условиях
Чожно с к о м п е н е н р о в а т ь л о л ш ы й с иг на л г р а д и е н т о м е т р а , в ы з ­
нанный н е п а р а л л е л ы ю с т ь ю м а гн ит н ы х осей ф е р р о з о н д о в (см.
^ 5.3) и, по к ра й н е й мере, на в р е м я и зм е ре ни й обес пе чит ь донтаточно низкий порог ч ув ст вит ел ьно с т и г р а д и е н т о м е т р а . Б а з у
Радиентомстра в ы б и р а ю т д о ст а то чн о м ал ой, п в с редней части
о д ин ак о во м р ас с то я ни и от с|)еррозондов у с г а и а в л и в а ю т исВ Ф Р Г ф и р м ой « И н с т и т у т д -р а Ф ёр ст е р а » сср и й ио вы пуск ается магии1 .068, в с о с т а в к о т о р о г о в к л ю ч е н ч е в с т н и т е л в н ы й ч л е м е н т гр а .т н с н т о с б а з о й м е ж д у ф е р р о з о н д а м и 1 00 мм. Д и а п а з о н и з м е р е н и й г р а д и е и т о 6о 1*.?,
учетом
базы )
± 6
м кГ л /м ,
иаимеиынее
п зм е р я с .м о е
значение
нТл/м.
М1
с л е д у е м о е тело, о с т а т о ч н а я н а м а г н и ч е н н о с т ь ко торого и выз
в а е т п о я в л е н и е по л езн о го с и г н а л а на в ы х о д е пр и б о р а .
П р и м е р о м м о ж е т с л у ж и т ь при бор И М А - И Н , п р е д н а зн а ч у
ный д л я о п р е д е л е н и я н а м а г н и ч е н н о с т и о б р а з ц о в горны х пор,)'
в п о л е в ы х у с л о ви я х . Д и а п а з о н и зм е р е н и й п р и б о р а , градуцр,/
в ан н ы й в е д и н и ц а х п о л я, ± 5 нТл. А б с о л ю т н а я с р е д н я я квадрз
т и ч е с к а я п огр е ш н о с т ь и зм е р е н и й не п р е в ы ш а е т 0,2 нТл. Прибое
п о з в о л я е т р а з д е л ь н о о п р е д е л я т ь о ст ат о ч н у ю и ин дукти вну ю пу
м а гн и ч е н н о с ть о б р а з ц о в . Д р у г и м п р и м ер о м я в л я е т с я прцбо,/
И К С И Н - 2 , п р е д н а з н а ч е н н ы й д л я и зм е р е н и я о стато ч но й и ииду,,,
тивно й н а м а г н и ч е н н о ст и , а т а к ж е ко э р ц и т и в н о й силы образцов
И н ой путь р е ш е н и я з а д а ч и з а к л ю ч а е т с я в построении прибо,
ров по тину р о к -г е н е р а т о р о в , т. е. т а к и х , в ко т о р ы х исследуемый
о б р а з е ц в р а щ а е т с я от н о си т е л ьн о н е п о д в и ж н о г о феррозонда
В этом с л у ч а е в л и я н и е ге о м а гн и т н о го п ол я на п о к а з а н и я пр1ь
б о р а о с л а б л я е т с я з а счет п е р е н о с а с п е к т р а с и г н а л а в область
б о л е е в ы с о ки х ч а с т о т и в ы д е л е н и я этого с и г н а л а с помощью
д о п о л н и т е л ь н о г о син хр онного д е т е к т о р а , р а б о т а ю щ е г о на часто­
те в р а щ е н и я о б р а з ц а . Б л а г о д а р я пр и м ен е н и ю синхронного де­
т е к т о р а п о л о с а д л я в ы д е л е н и я к оге р е н т н ого с и г н а л а м о ж е т быть
п о л у ч е н а с к о л ь уго дн о у зк о й ( н а п р и м е р , 0,1 Г ц ) , что позволяет
д о вест и по р о г ч ув ст ви т е л ьн о с т и п р и б о р а по пол ю до 1 пТл п
м енее [10] .
5.4.2.
П р и б о р 2 п р е д н а з н а ч е н д л я и зм е р е н и я остаточной н
м а гн и ч ен н ости с л а б о м а г н и т н ы х о б р а з ц о в го рн ы х по род и вхо­
д и т в с о с та в п олевой п а л е о м а г н и т н о й л а б о р а т о р и и П П Л -1 .
Ф у н к ц и о н а л ь н а я с х е м а п р и б о р а п р и в е д е н а на рис. 5.7.
П е р в и ч н ы м п р е о б р а з о в а т е л е м с л у ж и т к о л ь ц е в о й феррозонд,
с о д е р ж а щ и й се р д е ч н и к с р а в н о м е р н о на н ес е н н о й по периметру
к о л ь ц а о б м о т к о й в о з б у ж д е н и я и и зм е р и т е л ь н у ю обм отку, вы­
по л нен ну ю в ви д е д в у х секций, р а с п о л о ж е н н ы х диаметрально
п р о т и в о п о л о ж н о на к а ж д о й по л о в и н е к о л ь ц а [23, 32, 111]. Ис­
сл е д у е м ы й о б р а з е ц у с т а н а в л и в а е т с я вн у т р и к о л ьц е в о го сердеч­
ни ка ф е р р о з о н д а на д е р ж а т е л ь , ж е с т к о с в я з а н н ы й с в а л о м вра­
щ ен и я . В р а щ е н и е о б р а з ц а о с у щ е с т в л я е т с я в пл о скости кольца
с ч астотой /н.ч = 9 Гц. С ц е л ью у м е н ь ш е н и я в л и я н и я геомагнит­
ного п о л я и п р о м ы ш л е н н ы х пом ех на п о к а з а н и я п р и б о р а фер­
р о зо н д и в р а щ а ю щ и й с я о б р а з е ц п о м е щ е н ы в тр ех сл о й н ы й фер­
р о м а г н и т н ы й э к р а н , в с т ро ен н ы й в п р и б о р и н а з ы в а е м ы й изме­
рит е л ьн о й ка м е р о й .
Ф е р р о з о н д п и т а е т с я от г е н е р а т о р а в о з б у ж д е н и я ч а с т о т ы
/ = 6 кГ ц. В ы х о д н ы м с и г н а л о м ф е р р о з о н д а с л у ж и т м о д у л и р о ­
в а н н о е н а п р я ж е н и е несу щ ей ч а с т о т ы 2 / = 12 к Г ц и д в у м я боко' Приборы И М Л -И Н и И КС И Н -2 разработаны Институтом маши
иия и автоматики (ныне Физнко-механнческий институт) АН УССР, г.
2 Р азработан СКВ Ф изико-технического института им. А. Ф. Иоффе АП
СССР (А. А. Уваров, В. А. Ватюк, В. И. Еремеев) по техническому задчн'"
Института физики Земли АН СССР (К. С. Вураков).
142
рис. 5.7. Функциональная схема прибора для измерения остаточной намагни­
ченности слабомагнитных образцов горных пород
/^ к о л ь ц е в о й с е р д е ч н и к с о б м о т к о й в о з б у ж д е н и я ; 2 — д в у х с е к ц и о н н а я и з м е р и т е л ь н а я
обмотка ф е р р о з о н д а ; 5 •— и с с л е д у е м ы й о б р а з е ц
(в ф о р м е к у б а ) ; 4 — д е р ж а т е л ь ; 5 —
трехслойиый ф е р р о м а г н и т н ы й э к р а н ( и з м е р и т е л ь н а я к а м е р а ) ; 6 — в а л ; 7 — л а м п а н а ­
каливания; 8 — д и с к
с отверсти ям и:
9 — ф отодиод:
З Д — элек тр одв и гател ь
Д М П -2 0 Н1-04); 71 — а т т е н ю а т о р ;
Я У — и зби р ател ьн ы й уси л и тел ь;
Я — устройство дл я подав1ення н а п р я ж е н и я н е с у щ е й ч а с т о т ы ; У — у с и л и т е л ь б а л а и с п о - м о д у л и р о в а н н о г о с и г н а л а ;
ГВ — г е н е р а т о р в о з б у ж д е н и я ; С Д — с и н х р о н н ы й д е т е к т о р ; Ф — ф и л ь т р н и ж н и х ч а с т о т ;
КЯ— ф о р м и р о в а т е л ь к о м м у т и р у ю щ е г о н а п р я ж е н и я ; С Д Я — н и з к о ч а с т о т н ы е с и н х р о н н ы е
детекторы;
Р — регистрирую щ ие приборы
( м и к р о а м п е р м е т р ы );
П П — п р ео б р а зо в а тел ь
питания
ч а с т о т а м и 2/-4-[н.ч и 2 / — /„,ч. П р и эт ом а м п л и т у д а несущей
частоты п р о п о р ц и о н а л ь н а о с та т о ч н о м у п о с т оя нн ом у по л ю в к а ­
мере, а а м п л и т у д а о г и б а ю щ е й — м о д у л ю в е к т о р а н а м а г н и ч е н н о ­
сти о б р а з ц а в пл ос ко ст и в р а щ е н и я ; ф а з а о г и б а ю щ е й о п р е д е л я е т ­
ся п ол о же ни ем в е к т о р а н ам аг н и ч е н н о с т и о б р а з ц а от но сит ел ьно
магнитной оси ф е р р о з о н д а .
М о д у л и р о в а н н ы й с иг на л по с т упа е т на а т те н ю а т о р , где при
необходимости о с л а б л я е т с я в н у ж н о е число р аз , б л а г о д а р я чему
расширяется д и а п а з о н и з м е р я е м ы х з на ч е н и й н ам аг ни че нн ос ти.
Затем, пос ле п р е д в а р и т е л ь н о г о у с ил е н и я ф и л ь т р а ц и и , с иг нал
поступает в у с тройство, п о д а в л я ю щ е е н а п р я ж е н и е н ес уще й ч а ­
стоты 2/ без п о д а в л е н и я н а п р я ж е н и й б о ко в ы х ч ас т от 2
/ и
Я'~[н.ч- П о д а в л е н и е о с у щ е с т в л я е т с я з а счет у р а в н о в е ш и в а н и я
Напряжения н ес уще й ч а с то т ы 2[ н а п р я ж е н и е м той ж е ч астоты,
'^формированным в г е н е р а т о р е в о з б у ж д е н и я . У р а в н о в е ш и в а н и е
нпуществляется а в т о м а т и ч е с к и з а счет с и г н а л а р а с с о г л а с о в а н и я ,
Нн^рабатываемого с ин х ро нн ым д ет е кт о ро м . В р е з у л ь т а т е с в ы ­
вода у с т р о йс тв а с н и м а е т с я б а л а н с н о - м о д у л и р о в а н н ы й с игнал,
^оторый з а т е м у с ил и в а е т с я , д е т е к т и р у е т с я и по ст упа е т на
Фй,
ндьтр н и ж н и х частот, в ы д е л я ю щ и й с иг на л ч ас т от ы
ч = 9 Гц.
• Д а л е е с иг на л п ос т у п а е т на д в а н и з к о ч а ст от н ых с ин хр онны х
4®Тектора. О п о р н ы е ( к о м м у т и р у ю щ и е ) н а п р я ж е н и я д л я питаэтих д ет е кт о р о в ф о р м и р у ю т с я из и мп уль с ов ф о т о д ио д а . Фо’’ОДиод у с т ан о вл ен под д и с ко м с ч е ты р ьм я от в ер ст и ям и, в р а щ а ю ся в ме с те с о б р а з ц о м и п е ри одич ес ки п р о п у с к а ю щ и м по143
Рис. 5.8. Внешний вид прибора для измерения намагниченности
(вид сверху) ( / — измерительная камера)
образцов
т о к с в е т а от л а м п ы н а к а л и в а н и я . И з и м п у л ь с о в ф отод и од а фор­
м и р у ю тс я д в а н а п р я ж е н и я , с д в и н у т ы х по ф а з е н а 90°, которые
п о с т у п а ю т н а к о м м у т и р у ю щ и е в х о д ы с о о т в ет с т в у ю щ и х детекто­
ров. К в ы х о д а м д е т е к т о р о в п о д к л ю ч е н ы р е г и с т р и р у ю щ и е уст­
ройства типа микроамперметров.
И с п о л ь з о в а н и е д в у х н и зк о ч а с т о т н ы х с и н х р о н н ы х детекторов
п о з в о л я е т р а з д е л ь н о и зм е р и т ь с о с т а в л я ю щ и е намагниченности
о б р а з ц а в пл о с к о с т и его в р а щ е н и я .
П р и б о р р а с с ч и т а н н а п и т а н и е от п р о м ы ш л е н н о й сети и от
батарей.
П р и б о р г р а д у и р у е т с я в е д и н и ц а х н ам а г н и ч е н н о с т и и имеет
с л е д у ю щ и е м е тр о л о г и ч е с к и е и т е х н и ч е с к и е х ара кт е р и ст и ки :
д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й (н а м а г н и ч е н н о с т и / д ля об­
р а з ц о в в ф о р м е к у б а с р е б р о м 24 м м ) с о с т а в л я е т 1 • 10"'‘"
МО® А / м ;
по р о г ч у вст в и т е л ьн о ст и не п р е в ы ш а е т 1 • 10-^ А / м ;
о с н о в н а я а б с о л ю т н а я п о г р е ш н о ст ь (0,05/-ф I • 10” ^) А /м ;
в р е м я у с т а н о в л е н и я п о к а з а н и й 5 с;
п о т р е б л я е м а я м о щ н о сть не п р е в ы ш а е т 10 Вт;
м а с с а 12 кг, г а б а р и т н ы е р а з м е р ы 2 9 0 X 3 6 0 x 2 2 0 мм.
В н еш н и й в и д п р и б о р а п о к а з а н н а рис. 5.8.
О ч еви дн о, что п р и б о р ы по д о бн о го т и п а н а й д у т ш ирокое
м енени е и д л я д р у г и х целей, н а п р и м е р д л я к о н т р о л я стеиен
м а гнитной з а г р я з н е н н о с т и д е т а л е й , и з г о т а в л и в а е м ы х из нем®
нитны х м а т е р и а л о в . Н у ж д а в т а к и х п р и б о р а х им е е тс я на мН ,
гих п р и б о р о с т р о и т е л ь н ы х з а в о д а х , в том ч и с л е и н а завоД®
144
14,т а « л и в а 1о щ и х в ы с о к о ч у в с тв и те л ьн у ю м а г н и т о и зм е р н т с л ь н у ю
р а зл и ч н о г о н а зн а ч е н и я .
5.5. Нуль-индикаторы поля
5.5. 1.
Т а к н а з ы в а ю т с я п р и бо ры с очень у зк и м д и а п а з о н о м нз
еряемых зн а ч е н и й п ол я и п р е д е л ь н о ни зки м порогом чувстви%ьности.
Н а д о б н о сть в т а к и х п р и б о р а х п о я в л я е т с я при о с у щ ес т вл е н и и
компенсации в н еш н его поля, н а п р и м е р ге ом а гн и т н ого , в з а д а н ­
ном о б ъ е м е с вы со кой точн о стью (в том ч и сл е при построении
5ЙСОКОТОЧНЫХ ко м п е н с а ц и о н н ы х м а г н и т о м е т р о в — см. гл. 6 ), а
такжп при о б н а р у ж е н и и о с т ат о ч н ы х м а г н и т н ы х полей в ф е р р о ­
магнитных и с в е р х п р о в о д я щ и х э к р а н а х (см. § 6.5).
П о с к о л ь к у по ро г ч у в ст в и т ел ьн о с т и ф е р р о з о н д о в ы х м а г н и т о ­
метров в б л и зи н ул ево й ч а с т о т ы о п р е д е л я е т с я не т о л ь к о ш у м а ­
ми ф ерр озонд ов, но ф л ю к т у а ц и я м и и н а в о д к а м и , с о з д а в а е м ы м и
другими э л е м е н т а м и м а г н и т о м е т р а , б ы ли п р е д л о ж е н ы схемы,
8 которых их в л и я н и е в той или иной степени у м е н ь ш а л о с ь .
Д о с т а т о ч н о э ф ф е к т и в н а я с х е м а, п р и г о д н а я д л я и с п о л ь з о в а ­
ния в н у л ь -и н д и к а т о р е п ол я, п р е д л о ж е н а Р. Я. Б е р к м а н о м |2 2 ] .
С^ма п р и б о р а и в р е м е н н ы е д и а г р а м м ы , п о я с н я ю щ и е его ра, при в ед е н ы на рис. 5.9 и 5.10.
п ри бо ре (см. рис. 5.9) и сп о л ь з у ю т д о п о л н и т е л ь н ы й генеранизкой ч астоты
ч, т о к к о т о р о г о п о с т у п а е т в о д н у из обмоф е р р о зо н д а , с о з д а в а я в его о б ъ е м е с л а б о е пе р е м е н н о е поле
/) той ж е ч ас т о т ы
ч. Н а ф е р р о з о н д д е й с т в у е т т а к ж е измеР|гМое по с т о я н н о е пол е Бог. В ы х о д н о й с и г н а л ф е р р о з о н д а в виЛ^хуммы н а п р я ж е н и й ч ас т о т ы 2/ н 2/ ±
ч п о с т у п а е т на избирйельный у с и л и т е л ь и з а т е м не на с ин хронны й, а на об ы чны й
«ганейный» д е т е к т о р . Д е м о д у л и р о в а н н ы й с и г н а л п о с т у п а е т на
" у о ч а с т о т н ы й и зб и р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь ч а с т о т ы
ч и затем
у и н х р о н н ы й д е т е к т о р , п и т а е м ы й от г е н е р а т о р а ч а с т о т ы
ч.
Ввдрямленный син х р о н н ы м д е т е к т о р о м с и г н а л п о д л е ж и т реги'Л'рации.
и.
— Н
гв
I— * \ и у н \ - ^ с д н \
©
I 6.9. Ф ункциональная схема нуль-индикатора поля с наложением
ф еррозонд дополнительного низкочастотного поля
на
Кольцевой феррозонд; ДД — катуш ка дополнительного поля; ДУ — избирательный
тель несущей частоты 21; Д Д — линейный детектор; ЙУ Я — избирательный усилиГ
кой частоты
СДН — низкочастотный синхронный детектор; ГНЧ — генераЖ зкоЯ частоты
Р — регистрирующее устройство (например, микроамперметр);
ГД — генератор возбуждения (частоты I)
145
И й
т
у
'нм
4Л.
Рмс. 5.10. Временные диаграммы, поясняющие работу нуль-индикатора, соб.
ранного по схеме рис. 5.9
О с у щ е с т в л я е м ы е в п р и б о р е п р е о б р а з о в а н и я ясны из д и а ­
г р а м м рис. 5.10. П о л о ж и т е л ь н о м у зн а ч е н и ю постоянного ио.и!
Во,- соо т вет с т в у е т п р о п о р ц и о н а л ь н ы й ем у по а м п л и т у д е сигма,!
,,, в ы д е л я е м ы й н и зк о ч а с то т н ы м и з б и р а т е л ь н ы м усилителем
(рис. 5.10, а ) . О т р и ц а т е л ь н о м у зн а ч е н и ю п ол я Во,- соответствует
т а к о й ж е си г н а л
но сд в и н у т ы й
по ф а з е
на
180"
(рис. 5 .1 0 ,6 ) . Н а к о н е ц , если п о л е Во; = О, то отс у тс т в у е т и сиг­
нал
п о с к о л ь к у о г и б а ю щ а я с и г н а л а ч ас т о т ы 2/ в этом сл у ­
ч ае с о д е р ж и т т о л ь к о ч етны е г а р м о н и к и Пглт„ ц (рис. 5 .1 0 ,в ) .
П р и б о р н о р м а л ь н о ф у н к ц и о н и р у е т при вы п ол н ен и и условия
Во < Вот, где Вот — а м п л и т у д а в с п о м о г а т е л ь н о го п ол я низкой
час т о т ы /н. ч. У сл о вие Во < Вот в п о л н е п р и е м л е м о д л я нуль-нид и к а т о р а поля.
В чем ж е п р е и м у щ е с т в а р а с с м а т р и в а е м о й сх ем ы пуль-ппд и к а т о р а п е р е д о бы чной схем ой м а г н и т о м е т р а (см. рис. 4.1)?
В о -первы х , в р а с с м а т р и в а е м о м п р и б о р е с у щ е ст в е н н о ослаблено
в л и я н и е л о ж н о г о с и г н а л а второй гар м о н и к и , в ы р а б а т ы в а е м о й »
г е н е р а т о р о м и п р о н и к а ю щ е г о на в х о д и зб и р а т е л ь н о г о усилителя
ч ер ез ф е р р о зо н д , по ц еп ям п и та н и я и в виде эл е к т р о м а г н и т н ы х
н а в о д о к (ф л ю к т у а ц и и н с м е щ е н и я н у л я п р и б о р а в ы з ы в а е т лишь
т а ч асть л о ж н ы х четны х г а р м о н и к в т о к е в о з б у ж д е н и я , которая
п р и в о д и т к я в л е н и ю м а гн и т н о го в ы п р я м л е н и я , возникновению
в с е р д е ч н и к е ф е р р о з о н д а п осто я н н ого или м е д л е н н о и з м е н я ю щ е ­
гося м а г н и т н о г о п от ока , кото ры й у ж е н е в о з м о ж н о о т д е л и т ь о 1
в ы з ы в а е м о г о и з м е р я е м ы м п о л е м ). П р и б о р н е воспри им ч ив и
л о ж н о м у с и г н а л у второй г а р м о н и к и , в ы р а б а т ы в а е м о м у избира
т е л ь н ы м у с и л и т е л е м (см. п. 4.4.3). В о-вторы х, при бор ока зы и а
146
ется н еч у в с тв и тел ьн ы м к у ходу ч астоты г е н е р а т о р а в о з б у ж д е ­
ния и изм ен ен и ю ф а з о в ы х х а р а к т е р и с т и к ф е р р о з о н д а и и з б и р а ­
тельного у с и л и т е л я по о тн ош ен и ю к с и г н а л у Д гД О Эти п р е и м у щ е с т в а п о зв о л я ю т повы сить с т а б и л ь н о с т ь пуля
п ри бо ра, что б ы л о э к с п е р и м е н т а л ь н о п о д т в е р ж д е н о и ссл сдов апиями Д . И. Ч е б у р к о в а [92].
5.5.2.
Д р у г а я в о з м о ж н о с т ь п о в ы ш е н и я с т а б и л ь н о с т и нуля
приборов п о я в л я е т с я при д в у х ч а с т о т н о м в о з б у ж д е н и и ф е р р о ­
зондов.
С х е м а п р и б о р а п р и ве д е н а на рис. 5.11.
Ф е р р о з о н д в о з б у ж д а е т с я с и н у со и д а л ь н ы м и т о к а м и от двух
генер ато ро в, н а с т р о е н н ы х на б л и з к и е ч а с т о т ы
и /г- П р и н а л и ­
чии и з м е р я е м о г о п о л я Бог в вы ход ной э . д . с. ф е р р о з о н д а , к р о м е
с о с т а в л я ю щ и х 2п^\ и 2л/г, п о я в л я е т с я т а к ж е с о с т а в л я ю щ а я н и з ­
кой, р а зн о с т н о й ч ас т о т ы /н.ч = / 2— / ь Ф е р р о з о н д н а г р у ж е н на
ф ил ьтр н и ж н и х ч асто т, ко т о р ы й п р о п у с к а е т т о л ь к о си гн а л ч а ­
стоты /н.ч- Д а л е е это т си гн а л у с и л и в а е т с я н и зк о ч а с то т н ы м и з ­
б и р а т е л ь н ы м у с и л и т е л е м и д е т е к т и р у е т с я си н хр он н ы м д е т е к т о ­
ром. Н а п р я ж е н и е к о м м у т а ц и и ч а с т о т ы
ч д л я питания син­
хронного д е т е к т о р а ф о р м и р у е т с я из н а п р я ж е н и й ч а ст о т /1 и /г! П о я в л я ю щ у ю с я при н а л и ч и и постоя н н о го п о л я Бог э. д. с.
разн остн ой ч а с т о т ы м о ж н о к о л и ч е с т в ен н о о п р е д е л и т ь по ф о р ­
муле (2.2 66). П р е д с т а в л я я с у п е р п о з и ц и ю д ву х полей в о з б у ж д е ­
ния в вид е (1 .15 ) и и с п о л ь з у я пр о с т е й ш у ю а п п р о к с и м а ц и ю к р и ­
вой н а м а г н и ч и в а н и я с е р д е ч н и к о в вид а ( 1.8 ), н аход и м в ы р а ж е ­
ние д л я д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й пр о н и ц а е м о с т и :
4 2Нт\Нт2 51П Ш,/ СОЗ Ш.,1
Я ^ ,с о з ® о ).4 )].
(5.4)
Р а зн о с т н у ю ч ас т о т у й = 2я/н.ч с о д е р ж и т член, и м е ю щ и й п р о и з ­
ведение Н,п\, Яш 2. поэтом у, п о д с т а в л я я его в в ы р а ж е н и е (2 .26 6),
пол уч аем :
е <2 (О = 6 й/)5® ч / / о , Я т 1Я ,„2 соз й / ,
(5.5)
где //ог = Бо;/ц(|.
Рис. 5.11. Ф ункциональная схема нуль-индикатора с двухчастотным в о зб у ж ­
дением ф еррозонда
Ф / / 7 — ф ильтр н п ж п н х
Р‘1 П1о с т 1Юй ч а с т о т ы ;
ч а с т о т ; Г В ,, Г В , — г е н е р а т о р в о з б у ж д е н и я ;
— ф а з о в р а щ а т е л ь (о ст а л ь н ы е о б о з н а ч е н и я
р и с . 5 .9 )
Ф — ф орм ирователь
т с ж е . что и па
147
Видно, что т а к ж е, к а к и при и с п о л ь з о в ан и и э. д. с. втор,^.,
гар м о н и к и , э. д. с. р а зн о с т н о й ч ас т о т ы п р о п о р ц и о н а л ь н а з н ; , 1|^
нию и з м е р я е м о г о по стоянного п о л я и и зм е н я е т ф а з у н а
при см ене з н а к а п о л я. П р и Н,п\ = Нтг = Нт в ы р а ж е н и е (Г) 5,
становится аналогичны м вы раж ени ю
(1 .1 9 ); с л е д о в а т е л ь ц /
ф е р р о зо н д , р а б о т а ю щ и й на р а зн о с т н о й ч ас т о т е й , им ее т тако;;
ж е к о э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я , что н ф е р р о зо н д , р а б о т а ю 1цц?
на второй г а р м о н и к е э . д . с. при в о з б у ж д е н и и его т о к о м од||„|ч асто ты й / 2 .
Д а н н о й схем е св ой с т ве н н ы п р и м ер н о т е ж е п р е и м у щ с с I ц,,
что и схем е, р а с с м о т р е н н о й в п. 5.5.1: у м е н ь ш а е т с я степощ ’
в л и я н и я на п о к а з а н и я п р и б о р а в ы р а б а т ы в а е м ы х г е н е р а то р ам и
л о ж н ы х четны х г а р м о н и к н а п р я ж е н и я , что пр и в о д и т к болес
в ы со кой с т а б и л ь н о с т и ну л я.
К с о ж а л е н и ю , обе сх е м ы о к а з а л и с ь неп р и го дн ы м и д л я у м е н ь ­
ш ен ия в л и я н и я л о ж н ы х с и г н а л о в , с о з д а в а е м ы х в в и д е сдвига
и ш у м а с а м и м ф е р р о зо н д о м .
5.5.3.
Н е о д н о к р а т н о п р е д п р и н и м а л и с ь и п р о д о л ж а ю т пр
п р и н и м а т ь с я по п ы тки о с у щ е с т в л е н и я м о д у л я ц и и и зм е р я е м о г о
по стоя н н о го п о л я в б л и зи ф е р р о з о н д а , т. е. переноса спектра
эт о го п о л я в о б л а с т ь б о л е е в ы с о ки х ч а с т о т (еди ниц ы и д сся гки
г е р ц ) , с тем чтобы м о ж н о б ы л о не у ч и т ы в а т ь с м е щ е н и я нуля
к а н а л а , к а к и м и бы п р и ч и н а м и они не в ы зы в а л и с ь , и проводить
и зм е р е н и я в той ч асти частотного д и а п а з о н а , где ш ум м и н и м а ­
лен.
П р е д л а г а л о с ь , н а п р и м е р , м о д у л и р о в а т ь поле в б л и з и ф ер­
р о зо н д а с п о м о щ ью в р а щ а ю щ е г о с я п р о в о д я щ е г о к о л ь ц а ( п о ти­
пу п р е о б р а з о в а т е л я Б а р н е т т а [11, 8 9 ] ) , ф е р р о м а г н и т н о г о э к р а ­
на с п е р е м е н н ы м к о э ф ф и ц и е н т о м э к р а н и р о в а н и я и т. д. О д н а ­
ко эти п р и е м ы п о к а не д а л и о щ у т и м ы х р е зу л ь т ат о в .
Д р у г о й при ем з а к л ю ч а е т с я во в р а щ е н и и с а м о г о ф е р р о зо н д а
в и з м е р я е м о м по л е [1 3 ]. Ф у н к ц и о н а л ь н а я с х е м а н у л ь - и н д п ка­
т е р а , в ко т о р о м и с п о л ь з о в а н этот при ем , п р и в е д е н а н а рис. 5 . 12.
П р и б о р состоит из д в у х частей: ч ув ст в и т е л ьн о й ч а с т и , со­
д е р ж а щ е й ф е р р о з о н д и с истем у п р и в о д а , о б е с п е ч и в а ю щ е г о его
вращ ение одновременно вокруг двух ортогональны х осей,
эл е к т р о н н о й части. Ч у в с т в и т е л ь н а я ч асть с о д е р ж и т к о р п у с б.
в ко т о р о м на оси 7 у с т а н о в л е н а с в о б о д н о в р а щ а ю щ а я с я р а м ка
9 и ко н и ч е ск о е зу б ч а т о е к о л есо 8 (н е п о д в и ж н о е отн о си тел ьн о
ко р п у с а 6 ) , с ц е п л ен н ы м с ко н и ч еск и м з у б ч а т ы м ко л е со м 5, с вя ­
з а н н ы м с осью 12. Н а оси 12 з а к р е п л е н ы т а к ж е ф е р р о з о н д
и подвиж ны е элементы ком м утатора 4 и коллектора И. О сь П
п е р п е н д и к у л я р н а оси 7 и м а гн и т н о й оси 1% ф е р р о з о н д а 1бС р а м к о й 9 ж е с т к о с в я з а н ы п о д в и ж н ы е ч ас т и к о л л е к т о р а У
к о м м у т а т о р а 13 и р е д у к т о р 1. Р е д у к т о р 1 с в я з а н с в а л о м д в и г а ­
т е л я 2. В р а щ е н и е от д в и г а т е л я 2 ч ерез р е д у к т о р 1 п е р е д а е т с "
р а м к е 9. П р и этом з у б ч а т о е к о л е с о 5 н а ч и н а е т « к а т и т ь с я »
н е п о д в и ж н о м у зу б ч а т о м у к о л есу 8, п е р е д а в а я в р а щ е н и е ф<-'Р]
р о з о н д у 10 в о к р у г оси 12, а с л е д о в а т е л ь н о , т а к ж е и в о к р У
148
рис. 5,12. Ф ункциональная схема трехкомпонентного нуль-индикатора с вра­
щающимся ф еррозондом
ОСИ 7 ( в м е с т е с р а м к о й 9). П о с к о л ь к у д и а м е т р ы з у б ч а т ы х ко л ес
в и 5 р а з л и ч н ы , то р а з л и ч н ы м и б у дут и у г л о в ы е ск о р о с т и ф е р ­
розонда / О в о к р у г осей 7 и 12.
В л ю б о й м о м ент в р е м е н и на в ы х о д е у с и л и т е л ь н о - п р е о б р а з о ­
в а т е л ь н о г о у с т р о й с тв а УПУ, в х о д я щ е г о в э л е к т р о н н у ю часть,
имеется н а п р я ж е н и е
и , = 5 В о • 1“ = 510 . ( В о , + В о , -4 В „ ,) ,
( 5 .6 )
где 5 — к о э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я к а н а л а (в м е с те с ф е р р о ­
зо н д о м ); Во,, Во1/ и Во2 — с о с т а в л я ю щ и е в е к т о р а Во в н а п р а з л е иии осей х , у , 2, ж е с т к о с в я з а н н ы х с к о р п у с о м 6 (ВогЦг^Ц оси 7 ).
П о л о ж е н и е м а г н и т н о й оси 1м° ф е р р о з о н д а 10 в л ю б о й м ом ент
Времени о д н о з н а ч н о о п р е д е л я е т с я с п о м о щ ь ю д в у х у г л о в й ] / и
Ог/, г д е О ] и Йг — у г л о в ы е с к о ро сти м а г н и т н о й оси 1*м° с о о т в е т ­
ственно в о к р у г осей 7 2 и 7. П р о е ц и р у я с о с т а в л я ю щ и е В о ,, В й^ и
Вог на м а г н и т н у ю ось 1%, им еем :
Вод -1® (7) = Б о,С 0 8Й 2 /3 1П Й 1/;
(11) = 5 о , з 1 п й.г! 8‘Щ ^ 1 г1 ;
Во2-1'м(0 = - б о , с о з й ) / .
(5.7)
П о д с т а в л я я в ы р а ж е н и е (5.7) в (5 .6 ), н а х о д и м п ол н ое в ы р а ­
жение д л я м гновенн ого з н а ч е н и я в ы х о д н о г о н а п р я ж е н и я к а н а ­
ла УПУ. О ч е в и д н о , что с о с т а в л я ю щ и е этого н а п р я ж е н и я м огут
®ыть р а з д е л е н ы с п о м о щ ью уст р о й с тв ч а с т о т н о - ф а з о в о й сслекЦии — с и н х р о н н ы х д е т е к т о р о в С Д.
В н а ш е м с л у ч а е Й) > й г (и з -з а н е р а в е н с т в а д и а м е т р о в з у б ­
чатых к о л е с 8 и 5 ) . П р о д е т е к т и р у е м с н а ч а л а с и г н а л ч астоты
" 1, и с п о л ь з у я д л я этой цели с и н х ро н н ы е д е т е к т о р ы СДху и СДг.
М в и н у т ы е на угол 90° к о м м у т и р у ю щ и е н а п р я ж е н и я н а эти д е ­
149
т е к т о р ы с н и м ае м с к о м м у т а т о р а 4. Н а вы х о д е д е т е к т о р а Сд^
п олуч им н а п р я ж е н и е , н е с у щ е е и н ф о р м а ц и ю о составляю т,'/^
Вол: и Воу, а на в ы х о д е д е т е к т о р а СДг, — о с о с т а в л я ю щ е й
Д а л ь н е й ш е е р а з д е л е н и е с и г н а л о в на в ы х о д е д е т е к т о р а С / |/ '
п р о и зв о д и м с п о м о щ ь ю с и н х рон н ы х д е т е к т о р о в СДх и С/(^
С д в и н у т ы е по ф а з е на угол 90° к о м м у т и р у ю щ и е н а п р я ж е н и я
д а е м н а д е т е к т о р ы с к о м м у т а т о р а 13.
Т а к и м о б р а з о м , о д н о в р е м е н н о е в р а щ е н и е ф е р р о з о н д а вокру,
д в у х о р т о г о н а л ь н ы х осей п о з в о л я е т п ол уч и ть и н ф о р м а ц и ю
т р е х с о с т а в л я ю щ и х с л а б о г о м а гн и т н о го поля.
В т ех с л у ч а я х , к о г д а им ее тс я д о ст у п к п р и б о р у и в процессе
и зм е р е н и й в о з м о ж е н по в о р о т к о р п у с а в о к р у г в е р т и к а л ь н о й оси,
д о с т а т о ч н о в р а щ а т ь ф е р р о з о н д т о л ь к о в о к р у г одной горизоц.
т а л ь н о й оси. П р и этом к и н е м а т и ч е с к а я и э л е к т р и ч е с к а я схемы
п р и б о р а су щ е ст ве н н о у п р о щ а ю т с я . З а м е т и м т а к ж е , что во всех
с л у ч а я х д о с т а т о ч н о в р а щ а т ь т о л ь к о се р д е ч н и к с об моткой воз­
б у ж д е н и я ; и з м е р и т е л ь н ы е ж е к а т у ш к и ф е р р о з о н д а могут оста­
в а т ь с я н е п о д в и ж н ы м и , ж е с т к о с в я з а н н ы м и с кор п у с о м прибора.
П р е и м у щ е с т в о о п и с ан н о го н у л ь - и н д и к а т о р а состоит в том,
что в р а щ е н и е ф е р р о з о н д а п о з в о л я е т у м е н ь ш и т ь в л и я н и е ложных
с и г н а л о в , в ы р а б а т ы в а е м ы х л ю б ы м эл е м е н т о м п р и б о р а , в том
числе и ф е р р о зо н д о м . П о с у щ е с т в у зд е с ь д о б и в а ю т с я того же
э ф ф е к т а , что и при и зм е р е н и и остато ч но й нам а гн и ч е н н о ст и об­
р а з ц о в , в р а щ а ю щ и х с я в б л и з и ф е р р о з о н д а (см. § 5.4): с,тектр
п о л е зн о г о с и г н а л а п ер ен о си тся в о б л а с т ь ч ас т о т ы в р а щ е н и я (на­
п ри м ер , 9 Г ц ), причем р е а л ь н а я п о л о с а п р и б о р а при измерении
с о с т а в л я ю щ и х с л а б о г о посто янно го п о л я м о ж е т бы ть выбрана
с к о л ь у годн о у зк о й , чтобы р е а л и з о в а т ь порог чувствительности
п о р я д к а 1 пТл и менее.
5.6. Приборы с концентраторами поля
5.6.1.
К о н ц е н т р а т о р ы п о л я в в и д е ф е р р о м а г н и т н ы х пластин
р а с п о л о ж е н н ы х в б л и зи ф е р р о з о н д а , б ы ли и с п о л ь з о в а н ы уж е в
п ерво м ф е р р о зо н д о в о м п р и б о р е X. А ш е н б р е н н е р а и Г. Губо
[ 1 0 6 ]. Ф е р р о м а г н и т н ы е п л а с т и н ы с г у щ а л и с и л о в ы е л ини и поля
в о б ъ е м е ф е р р о з о н д а , б л а г о д а р я чему п о в ы ш а л с я коэффициент
п реобразования прибора.
К о н ц е н т р а т о р ы п о л я в вид е п а с с и в н ы х (не во зб у ж д а е м ы х )
ф е р р о м а г н и т н ы х се р д е ч н и к о в о б л а д а ю т з н а ч и т е л ь н о й остаточ­
ной н ам а г н и ч е н н о ст ью , к о т о р а я к том у ж е не о с т а е т с я постояю
ной, т а к к а к за в и с и т от и зм е н ен и я т е м п е р а т у р ы окру ж аю щ ей
с реды , м е х а н и ч е с к и х во зд е й с тви й и д р у г и х ф а к т о р о в . Т а к и е кон­
ц е н т р а т о р ы , с л е д о в а т е л ь н о , я в л я ю т с я м о щ н ы м источником ад­
д и т и в н ы х п огр еш ностей и в п р и б о р а х , п р е д н а з н а ч е н н ы х д л я из­
м е р е н и я по с т о я н н ы х или м е д л е н н о и зм е н я ю щ и х с я (частоты, и*'
п р е в ы ш а ю щ е й 0,1 Г ц ) м а г н и т н ы х полей, не исп о льзу ю тся. ОД'
н а к о д л я и зм е р е н и я п е р е м е н н ы х полей (п р е в ь ш ш ю щ и х 0,1 Г'Г
их п р и м ен е н и е д а е т п о л о ж и т е л ь н ы й эф ф е к т , что и б ы л о проД^'
150
вис•; '
6 13. Ф еррозонд с
возбуж дением
локпльным
Л е р р и т о в о е к о л ь ц о ; 2 — о б м о т к а вол ^ " л дв и и я ;
3 — ф ерритовы е
н ак онечни ки ;
сек ц и и и зм ер и тел ь н ой обм отки
понстрировано
А ш еп бреи п си
Губо,
п р и м ен и в ш и м
п р и бор д л я изм ерен и я
пороткопериодных
вариаций
реомагнитного поля.
Х о рош о и звестно т а к ж е , что о с т а т о ч н а я н а м а г н и ч е н н о с т ь
ф ерром агни тн ы х с е р д е ч н и к о в не п р е п я т с т в у е т их и с п о л ь з о в а н и ю
в и н дук цио н ны х п р е о б р а з о в а т е л я х , п р е д н а з н а ч е н н ы х д л я и з м е ­
рения очень с л а б ы х пер ем е н н ы х ( н а ч и н а я с 1 Гц) м а г н и т н ы х
полей [1, 70, 76].
В н а ч а л е 70-х годов Э. А. М е л ь н и к о в ы м [69] и В. А. Ш у л ь ­
гины м [97] р а з р а б о т а н п р е о б р а з о в а т е л ь , ко т о р ы й м о ж н о н а ­
звать ф е р р о зо н д о м с л о к а л ь н ы м в о з б у ж д е н и е м .
С х е м а т а к о г о ф е р р о з о н д а п р и в е д е н а на рис. 5.13.
С е р д еч н и к ф е р р о з о н д а в ы п о л н е н в ви д е ф е р р и т о в о го к о л ь ц а
с плотно п р и те р т ы м и к нем у ф е р р и т о в ы м н н а к о н е ч н и к а м и —
толстыми п л а с т и н а м и или с т е р ж н я м и по типу п р и м е н я е м ы х в
ферритовых ан т е н н ах . О б м о т к а в о з б у ж д е н и я о х в а т ы в а е т т о л ь к о
кольцо; секц ии и зм е р и те л ьн о й о б м о тк и р а с п о л о ж е н ы с и м м е т ­
рично от н о си т е л ьн о к о л ь ц а н а н а к о н е ч н и к а х .
И с п ы т а н и я т а к о г о ф е р р о з о н д а п о к а з а л и , что д л я и зм е р е н и я
постоянных и м е д л е н н о и зм е н я ю щ и х с я м а г н и т н ы х п о л ей он н е ­
пригоден, т а к к а к х а р а к т е р и з у е т с я б о л ь ш и м п о с т о я н н ы м с м е щ е ­
нием и д р е й ф о м н у л я ; о д н а к о на ч а с т о т а х п р и м ер н о в н е с к о л ьк о
герц он о б л а д а е т д о с т а т о ч н о ни зки м уро в н ем ш у м а ( п о р я д к а
1 п Т л - Г г г '/г) и в п о л н е пр и год ен д л я и зм ерени й, в том числе в
качестве н у л ь -н н д н к а т о р а пер е м е н н о го п ол я.
П о л у ч е н и е н и зкого п о ро га ч у в ств и тел ьн о сти в р а с с м а т р и в а е ­
мом ф е р р о зо н д е с в я з ы в а ю т с тем, что секц ии его и зм е р и те л ьн о й
обмотки отнесены на зн а ч и т е л ь н о е р а с с т о я н и е от источн ика
Магнитного ш у м а — в о з б у ж д а е м о г о ф е р р и т о в о го к о л ь ц а .
5.6.2.
П о с л е д н е е п о л о ж е н и е п р е д с т а в л я е т с я с о м н и т е л ьн ы м .
Активной ч аст ью ф е р р о з о н д а я в л я е т с я в о з б у ж д а е м о е кольцо.
Модулирующее м аг н и т н ы й поток в с е р д е ч н и к е к а к цел о м . П о ­
этому отнесение с екц ий и зм ер и те л ь н о й о б м о т к и от а к т и в н о й ч а ­
сти с е р д е ч н и к а д о л ж н о п р и в о д и ть к о д и н а к о в о м у з а т у х а н и ю к а к
Полезного с и г н а л а , т а к н ш у м а.
О п и с ы в а е м ы й н и ж е эк с п е р и м е н т п о д т в е р ж д а е т это.
С х е м а исп о льзу ем о го в э к с п е р и м е н т е п р е о б р а з о в а т е л я п о к а ­
зана на рис. 5.14.
В п р е о б р а з о в а т е л е при м ен ен кол ьц ево й ф е р р о зо н д , о п и с а н ­
ный в § 5.1. Он з а к р е п л е н в ц ен тре о с н о в а н и я , на к о торо м в
Плоскости к о л ь ц а с д в у х сторон р а с п о л а г а л и с ь ф е р р и т о в ы е плароМ
свой
151
Рис. 5.14. Кольцевой феррозо,,
с ферритовыми концентра г,:'
рами поля
/ — кольцевой сердечник Ф е р р , , ,
да; 2 — обмотка возбуждения ,
измерительная обмотка ф е р р , , , ' '
да; 4 — ферритовые концентр,
поля;
5 — секции изморнтсм,,,, '
обмотки, надетые иа кошратр."
торы
"
СТИНЫ, и м е ю щ и е в о з м о ж н о с т ь п е р е м е щ е н и я в п р од ол ьн о м нд,
п р а в л е н и и т а к , что они м огли вп л о т н у ю с о п р и к а с а т ь с я с об.мот.
кой в о з б у ж д е н и я , р а в н о м е р н о о х в а т ы в а ю щ е й к о л ьц е в о й сердец,
ник. Н а ф е р р и т о в ы е п л а с т и н ы н а д е в а л и с ь кату ш ки-сек цим об­
щ ей и зм е р и те л ь н о й к а т у ш к и , к о т о р ы е м огли п е р е м е щ а т ь с я от­
н о си тел ьно пл а с т и н . П р и э т о м ч и сл о в и т к о в в д в у х секц иях ка­
т у ш к и б ы л о р а в н о числу ви т к о в и зм е р и т е л ь н о й к а т у ш к и , при­
н а д л е ж а щ е й с а м о м у ф е р р о зо н д у . Э . д . с. с и г н а л а и ш у м а могла
с н и м а т ь с я к а к с одной, т а к и с д р у го й и зм е р и т е л ь н о й катушки,
п о оч ередн о или о д но врем енно .
Б ы л о у с т а н о в л е н о с л е д у ю щ е е . В о -п ерв ы х , н а и б о л ь ш и й ко­
э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я п р е о б р а з о в а т е л я д о с т и г а е т с я тогда,
ко г д а в ы х о д н а я э . д . с . с н и м а е т с я с и зм е р и т е л ь н о й к а т у ш к и са­
мого ф е р р о з о н д а . В о-вто ры х , о тн о ш ен и е с и г н а л -ш у м практиче­
ски не з а в и с и т от того, с к а к о й и зм е р и т е л ь н о й к а т у ш к и снима­
е т ся в ы х о д н а я э . д . с. И, н ак онец, в-третьи х, н а и м е н ьш и й уро­
вень ш у м а д о с т и г а е т с я т о гд а , к о г д а э. д. с. с н и м а е т с я с измери­
т е л ь н о й к а т у ш к и ф е р р о з о н д а и ко г д а м е ж д у к о л ь ц е в ы м сердеч­
ником и п л а с т и н а м и им е е тс я з а з о р п р и м е р л о 1— 2 мм. Э то т уро­
в ень на ч ас т о т е 3 Г ц о к а з а л с я р а в н ы м 1 н Т л - Г ц - 'ф что примерно
в 3— 5 р а з н и ж е у р о в н я ш у м о в с а м о г о ф е р р о з о н д а (см. п. 5.1.2).
О т с ю д а м о ж н о за к л ю ч и т ь , что у л у ч ш е н и е о тн о ш ен и я сигналш у м д о с т и г а е т с я т о л ь к о з а счет к о н ц е н т р а ц и и и зм е р я е м о г о поля
в о б ъ е м е ф е р р о з о н д а , т. е. з а счет п о в ы ш е н и я коэффициента
п р е о б р а з о в а н и я си стем ы ф е р р о з о н д — к о н ц е н т р а т о р ы , а не за
счет к а к о г о -л и б о иного э ф ф е к т а .
П о л у ч е н н ы й р е з у л ь т а т п о к а з ы в а е т т а к ж е , что предлож енные
в р а б о т а х [69, 97] к о н с тр у к ц и и ф е р р о зо н д о в д л я измерения
пер е м е н н ы х полей не я в л я ю т с я о п т и м а л ь н ы м и . В м е с та х сопри­
к о с н о в е н и я к о н ц е н т р а т о р о в с ко л ьц о м в о з н и к а е т с и л ь н а я неод­
н о ро д н ость вну т р е н н его п о л я в о з б у ж д е н и я , что, к а к б ы л о пока­
з а н о в § 3.4, п р и в о д и т к р е з к о м у у вел и ч ен и ю ш у м а , а с л е д о в а ­
тельн о, и к у х у д ш е н и ю о т н о ш ен и я с и г н а л -ш у м '.
‘ В нашем эксперименте отношение снгнал-шум ухудш алось даж е при
приближении ферритовых концентраторов к обмотке возбуж дения, снлоп"’
охватываюшей кольцевой сердечник. Очевидно, что в этом случае имеет м*'сто ответвление сштовых линий нз кольцевого сердечника (особенно в мо­
менты его насыщения) и замыкание части их через торцевые п о в е р х н о с т и
концентраторов.
152
р; О п т и м а л ь н о й ко н с тр у к ц и е й п р е о б р а з о в а т е л я пер ем е н н ы х поя в л я е т с я т а к а я , в кото ро й п ри м ен е н ы н а и м е н е е м а л о ш у м я (н а р а с с м а т р и в а е м ы й пе р и о д в р е м е н и ) к о л ьц е во й ф ерроаонд и н а и б о л е е с т а б и л ь н ы й к о н ц е н т р а т о р ' п о л я, у с т а н о в л е н ­
ный вблизи ф е р р о з о н д а т а к , чтобы не н а р у ш а л а с ь о д н о р о д н о с ть
доля в о з б у ж д е н и я в ко л ьц е в о м сердеч нике.
5.6.3.
Н е о д н о к р а т н о п р е д п р и н и м а л и с ь поп ы тки п ри м ен ен и
кон центраторов и в п р и б о р а х д л я и зм е р е н и я по стоянного магдитного пол я. Т а к , ост ат о ч н у ю н а м а г н и ч е н н о с т ь ф е р р и т о в ы х
концентраторов п р е д л а г а л о с ь у м е н ь ш а т ь з а счет пери о дич еского
0 Х р а з м а г н и ч и в а н и я в с п о м о г а т е л ь н ы м з а т у х а ю щ и м пе р е м е н н ы м
полем. П р е д л а г а л о с ь т а к ж е и с п о л ь з о в а т ь к о н ц е н т р а т о р ы в
форме з а м к н у т ы х с е р д е ч н и к о в и в о з б у ж д а т ь их п е р е м ен н ы м п о ­
лем иной ч ас т о т ы , чем ч ас т о т а п ол я в о з б у ж д е н и я ф е р р о з о н д а,
б д и а к о в р я д ли на этом пути м о ж н о д о б и т ь с я сущ е с т в е н н о го
й'рогресса. А к т и в н ы е ( в о з б у ж д а е м ы е ) к о н ц е н т р а т о р ы с а м и стадоБятся исто чн и к ам и м а г н и т н о г о ш у м а, не г о в о р я у ж е о з н а ч и ­
тельном у с л о ж н е н и и т а к и х п р и б о р о в и у ве л и ч ен и и ими энергойотребления.
а Что к а с а е т с я нек о то рого р а с ш и р е н и я ч асто тн ого д и а п а з о н а
вниз ( н а п р и м е р , до 0,05— 0,01 Гц) п р и б о р о в с п а с с и в н ы м и п р е ­
о б р аз о в ат е л я м и , то оно в о зм о ж н о , г л а в н ы м о б р а з о м , з а счет
увеличения к о э ф ф и ц и е н т а р а з м а г н и ч и в а н и я ф е р р и т о в ы х с е р д е ч ­
ников, т. е. п р и м ен ен и я к о р о т к и х и т о л с т ы х сердеч н и к ов . О д н а к о
1 ри этом н а ч и н а е т у м е н ь ш а т ь с я с теп ень к о н ц е н т р а ц и и поля.
« П о эт о м у п р и бор ы д а н н о г о т и п а все ж е б о л е е при год н ы и м е н ­
но д л я и зм е р е н и я н и зк о ч а с т о т н ы х м а г н и т н ы х полей, где п р е ­
дельные в о зм о ж н о с ти ф е р р о з о н д о в р е а л и з у ю т с я в н а и б о л ь ш е й
степени.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
В Ы С О К О Т О Ч Н Ы Е Ш И Р О К О Д И А П А З О Н Н Ы Е ПРИ БОРЫ
6.1. Аналоговые магнитометры
6.1.1.
В феррозондовых магнитометрах расш ирение д и а п а зо
на и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й об ы чно о с у щ е с т в л я ю т д в у м я с п о с о б а ­
м и : I) п о с л е д о в а т е л ь н ы м и зм ен ен и ем к о э ф ф и ц и е н т а п р е о б р а зо р а н н я в з а д а н н о е ч исло р а з; 2 ) частич но й ил и п ол ной к о м п ен с а •ЙИей п о л я в о б ъ е м е ф е р р о з о н д а путем п о д а ч и т о к а в с о о т в е т ­
ствую щ ую о б м о т к у от а вт о н о м н о го источн ика.
Р а с ш и р е н и е д и а п а з о н а и з м е р я е м ы х зн а ч ен и й о с у щ е с т в л я ю т
с пом ощ ью а т т е н ю а т о р о в — м н о г о с т у п е н ч а ты х д е л и т е л е й н а п р я Н(енпя или т о к а , п е р е к л ю ч а е м ы х в ручную или а в т о м а т и ч е с к и .
Вполне достаточно пользоваться одним концентратором.
153
в т ех с л у ч а я х , ко г д а при бо р ие о х в а т ы в а ю т о б р а т н о й связы,,
«по полю », т. е. т о гд а , к о г д а он с о д е р ж и т т о л ь к о цепь прямо,-,,
п р е о б р а з о в а н и я (см. § 4 .3 ), а т т е н ю а т о р у с т а н а в л и в а ю т либ,,
м е ж д у ф е р р о зо н д о м и и з б и р а т е л ь н ы м у с и л и т е л е м (см. рис. 5.7)
л и б о в в о д я т в с о с та в м а с ш т а б н о г о у с и л и т е л я , у с т ан а в л и в а е м о г о
в л ю б о м д р у г о м месте. П р и м е р а м и м огут с л у ж и т ь отдельны^
м одел и п р и бор ов , в ы п у с к а е м ы е в Ф Р Г ф и р м о й « И н с т и т у т д-р,,
Ф ё р с т е р а » . П р и б о р ы по д о бн о го т и п а просты , л е г к о поддаются
у н и ф и к а ц и и , о д н а к о точн о сть их н е в е л и к а . К а к п р а в и л о , приве­
д е н н а я п огр е ш н о с т ь т а к и х при б о р о в с о с т а в л я е т 1 % и не зависит
от р а с ш и р е н и я д и а п а з о н а .
В т ех с л у ч а я х , к о г д а при бо р ох вачен о б р а т н о й с в я зь ю «по
полю », ат т е н ю а т о р у с т а н а в л и в а ю т в цепи о б р а т н о й связи. При
этом, к а к б ы л о п о к а з а н о в § 4.3, зд е с ь им е етс я в о зм о ж н о с т ь по­
в ы ш е н и я то чн о сти п р и б о р а , п о с к о л ь к у с р а с ш и р е н и е м д и а п а з о ­
на и зм е р е н и й о б р а т н а я с в я з ь с т а н о в и т с я г л у б ж е и коэф ф ициент
п р е о б р а з о в а н и я с т аб и л ь н ее . О д н а к о э ф ф е к т д о с т и г а е т с я только
то гд а , к о г д а к в ы х о д у к а н а л а п о д к л ю ч а е т с я в о л ь т м е т р соответ­
ст ву ю щ е го к л а с с а точности, н а п р и м е р ц и ф р ов ой . В противном
с л у ч а е п о т е н ц и а л ь н о в о з м о ж н а я точн ость п р и б о р а р е а л и зо в ан а
не будет.
В приборах компенсационного типа аттеню аторы устанавли­
в а ю т д л я р е г у л и р о в к и т о к а ко м п е н са ц и и .
П р и м е р а м и п р и б о р о в с п ол но й к о м п е н с а ц и е й п о л я м огут слу­
жить. у ж е у п о м и н а в ш и й с я м а г н и т о м е тр С е р с о н а и Х а и н аф ор д а
[126] и о течеств ен н ы й м а г н и т о м е тр В. П . П е р е г у д а [9 3 ]. В пер­
вом из них т о к ко м п е н с а ц и и и з м е р я е т с я с п о м о щ ью потенцио­
м е т р а , ко т о р ы й п о д к л ю ч а е т с я к о п ор н ом у р е зи с т о р у цепи ком­
пен сац ии, во в торо м — п ос ре д с тв о м к о м п е н с а т о р а т ока.
К а к б ы л о п о к а з а н о в § 4.3, не с у щ е с т в у е т к а к о й - л и б о прин­
ц и п и а л ь н о й р а з н и ц ы м е ж д у п р и б о р а м и с о б р а т н о й св я зью и
к о м п е н с а ц и о н н ы м и . Е с л и в п р и б о р е с о б р а т н о й с в я з ь ю и зм е р я ­
ется не вы х о д н о е н а п р я ж е н и е , а т о к о б р а т н о й свя зи , то погреш ­
ность п р е о б р а з о в а н и я ф а к т и ч е с к и о п р е д е л я е т с я л и ш ь неста­
б ил ьн о с т ью п о стоянной к а т у ш к и о б р а т н о й с в я з и [см. в ы р а ж е н и я
(4.6) и ( 4 .7 ) ] , т. е. точно т а к ж е к а к и п о г р е ш н о с т ь к о м п е н с ац и ­
онного п р и б о р а . Д а л е е вс е будет з а в и с е т ь от того, с к а к о й точ­
ностью м о ж н о и зм е р и т ь э т о т т о к ко м п е н с а ц и и в р е а л ь н ы х усло­
в и я х э к с п л у а т а ц и и пр и б о р а .
Н и ж е о п и с ы в а е т с я сх е м а ш и р о к о д и а п а з о н н о г о а н а л о г о в о г о
м а г н и т о м е т р а , в которо й н а х о д и м с т р у к т у р н ы е э л е м е н т ы и цепи
об оих типов пр и бор ов.
6.1.2.
Ф у н к ц и о н а л ь н а я сх е м а м а г н и т о м е т р а п о к а з а н а н
рис. 6 . 1 .
М а г н и т о м е т р состои т из трех о сновн ы х частей: к а н а л а не­
п р е р ы вн о й р е г и с т р а ц и и и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й п о л я ; системы
ступ е н ч а то й ко м п е н с а ц и и пол я; систем ы н а ч а л ь н о й ком пенсация
поля.
К а н а л н еп реры вн о й р е г и с т р ац и и и з м е р я е м ы х зн а ч ен и й имеет
154
Рис. 6.1. Функциональная
схема
ш ирокодиапазонного
магнитометра
/ —основной канал магнитометра; / / — система ступенчатой компенсации поля; I I I —
система начальной компенсации поля; ФЗ — феррозонд; //У — избирательный усилитель;
СД — синхронный детектор; УЛГ — усилитель постоянного тока; Р — регистрирующее
устройство; Р В — генератор возбуждения; А — аттенюаторы; Я О / / — источник опорного
напряж ения
сравнительно у зк и й д и а п а з о н и по с у щ е с т в у я в л я е т с я н е з а в и с и ­
мым п р и б о р о м д л я и зм е р е н и я с л а б ы х м а г н и т н ы х полей типа
описанных в гл. 5. К а н а л о хв а ч е н гл у б о к о й о б р а т н о й с в я зь ю
«по полю », п его к о э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я 5 , а с л е д о в а ­
тельно, и д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й о п р е д е л я ю т с я н о м и ­
нальны м со п р о т и в л е н и е м р е з и с т о р а о б р а т н о й с в я зи Н в с о о т ­
ветствии с в ы р а ж е н и е м (4 .5). Е с л и ре зи с т ор сос та в н ой , /? =
—
то при н е о б хо д и м ос ти (см. н и ж е ) , з а м ы к а я одни из
них, м о ж н о у м е н ь ш и т ь к о э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я 5 , а с л е ­
д овательно, ув е л и ч и т ь д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч ен и й к а н а л а в
требуем ое число р аз.
С и с т е м а ст у п е н ч а то й ко м п е н с а ц и и п о л я п р е д н а з н а ч е н а д л я
р асш и рения д и а п а з о н а и з м е р я е м ы х зн ач е н и й б е з и зм е н ен и я к о ­
эф ф и ц и ен та п р е о б р а з о в а н и я к а н а л а н е п р ер ы в н о й реги страц и и .
Ц ена ступеней ко м п е н с а ц и и н о л я в ы б и р а е т с я с уч етом д и а п а ­
зона основного к а н а л а . Ч и с л о ступеней об ы чн о о п р е д е л я е т с я
В озм ож ностям и к о м м у т и р у ю щ е г о э л е м е н т а а т т е н ю а т о р а . АттеВюатор с о д е р ж и т со о т в е т с т в у ю щ е е к о л и ч е ст в у ступеней число
В1 унтовы х и д о б а в о ч н ы х р е зи с то ров , в к л ю ч е н н ы х т а к , чтоб ы по
Отношению к п и т а ю щ е м у цепь ко м п е н с а ц и и источн ик у опорн ого
В апр яж ен ия вх од н о е с о п р о т и в л е н и е а т т е н ю а т о р а о с т а в а л о с ь п о ­
стоянным. С ц ел ью об есп ечени я п о с т о я н с т в а ступеней к о м п е н с а ­
155
ции П О Л Я к к а т у ш к е (о б м о т к е ) к о м п е н с а ц и и ф е р р о з о н д а , р е з ц .
с т о р а м а т т е н ю а т о р а и источн ику опор н ого н а п р я ж е н и я
я в л я ю т очень вы с о к и е т р е б о в а н и я по в р е м е н н о й и тем п ератур,
ной ст аб и л ьн о ст и .
И н о г д а с и с т ем а ст у п ен ч а то й к о м п е н с а ц и и п о л я м о ж е т со­
д е р ж а т ь д в е цепи, в к а ж д о й из к о т о р ы х у с т ан о в л ен свой атте­
н ю атор. П р и э т о м зн а ч е н и е ступени ко м п е н с а ц и и во второй цц.
пи в ы б и р а е т с я р а в н ы м с у м м е всех ступеней ко м п е н с а ц и и пер.
вой цепи. Э то п о з в о л я е т е щ е б олее р а с ш и р и т ь д и а п а з о н пзме.
р я е м ы х зн а ч е н и й п р и б о р а . Н а п р и м е р , если ч и сл о ступеней ком­
пе н са ц и и п о л я в перво й цепи р а в н о 1 0 , во вто рой цепи также
р а в н о 10 при цене ступени 5ог = 1 0 5 к ь где В к 1 — ц е н а ступени
п ерво й цепи, то д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й р а с ш и р я е т с я в
1 0 0 р а з при не и зм ен н о м к о э ф ф и ц и е н т е п р е о б р а з о в а н и я основ­
ного к а н а л а .
С и с т е м а н а ч а л ь н о й к о м п е н с а ц и и п о л я с т р о и т ся аналогичным
о б р а з о м , о д н а к о с той р а зн и ц е й , что з н а ч е н и я ступеней в ней
м о гут б ы ть не строго н о р м и р о в а н ы . Ч т о к а с а е т с я требований
с т а б и л ь н о ст и в х о д я щ и х в систем у эл е м е н т о в — к а т у ш е к ком­
пе н са ц и и ф е р р о з о н д а , р е зи с т о р о в а т т е н ю а т о р а и источника
опо рн о го н а п р я ж е н и я , то они ещ е б о л е е вы соки, п о с к о л ь к у на­
ч ал ь н ы й у р о в е н ь п о л я ( н а п р и м е р , гео м агн и тн ого, н а ф оне кото­
рого обы чно и п р о в о д я т с я и з м е р е н и я ) м о ж е т п р е в ы ш а т ь рабо­
чий д и а п а з о н пр и б о р а .
М о м е н т к о м п е н с а ц и и н а ч а л ь н о г о п о л я у с т а н а в л и в а ю т по ну­
л е в о м у п о к а з а н и ю р е г и с т р и р у ю щ е г о у с т р о й с т в а основного ка­
н а л а . П о с к о л ь к у к а н а л им еет у зк и й д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зна­
чений, у в е л и ч и в а ю т г л у б и н у о б р а т н о й св я зи , д л я чего за м ы ­
к а ю т один из р е зи с т о р о в о б р а т н о й с в я зи — см. рис. 6 . 1 , регули­
ро в к о й т о к а к о м п е н с а ц и и д о б и в а ю т с я н ул е во го п о к а з а н и я этого
к а н а л а , по сл е чего к а н а л п е р е в о д я т в и с х од н ое состояние. П ро­
д о л ж а я п л а в н у ю р е г у л и р о в к у т о к а к о м п е н с а ц и и , вновь доби­
в а ю т с я н у л е в о г о п о к а з а н и я к а н а л а . П о с л е ф и к с а ц и и органов
р е г у л и р о в к и т о к а при бор с ч и та е т с я п о д г о то в л е н н ы м к измере­
ни ям .
6.1.3.
О становимся теперь на рациональном выборе диапа
зо н а основного к а н а л а с уч етом с о с т а в л я ю щ и х погрешности
п р и б о р а к а к целого.
В гл. 4 п о д ч е р к и в а л о с ь , что д о м и н и р у ю щ и м и погреш ностями
ш ирокодиапазонны х приборов являю тся м у л ь т и п л и к а т и в ­
н ы е . К ним в перв ую о ч ер е д ь о тносится п огр е ш н о с т ь н а ч ал ь­
ной к о м п е н с а ц и и поля.
Поскольку
^к.ипч "
А . и а ч ^ к . н а ч — 7)
АV
(7к.нач>
(6 .1 )
где /к — т о к ко м п е н с а ц и и ; бф — п о с т о я н н а я к а т у ш к и ком п ен са­
ции; /7о — н а п р я ж е н и е опор н ого и сточн и к а; 7 ?;: — с у м м а р н о е со­
п р о т и в л е н и е цепи, то от н о с и т е л ьн у ю п о греш н ость н ач алы ю и
ко м п е н с а ц и и п о л я м о ж н о п р е д с т а в и т ь в вид е
156
-
Як.нач'"-^ /
1^ : ; ! ^ ) + [ ж )
+ (ж ) •
А б со л ю т н а я п о гре ш н ос т ь будет
АБ„.„ з,1 =« бк.пач^к.цач-
(5-3)
ре м у л ь т и н л н к а т н в и ы н х а р а к т е р очевиден, хотя о н а н « п р о я в ­
ляется» в о сновном к а н а л е в вид е с м е ш е н и я или д р е й ф а н у л е ­
вого п о к а з а н и я . Ясно, что при п р овед ении д л и т е л ь н ы х и з м е р е ­
ний без к о р р е к т и р о в к и н у л я п р и б о р а эту п о г р е ш н о ст ь с л е д у е т
учиты нвть.
в соответствии с и з л о ж е н н ы м в гл. 4 с у м м а р н а я по гр еш ность
основного к а н а л а м а г н и т о м е т р а будет о п р е д е л я т ь с я в ы р а ж е ­
нием
ДБо/ - /
+
^ ],В 1 , + (ЛБог)а^ +
(6.4)
I З д е с ь (ДВк. нач)( — а б с о л ю т н а я п о г р е ш н о ст ь н а ч а л ь н о й коми н с а ц н и и зм е р я е м о й с о с т а в л я ю щ е й п ол я Во,; фг/Во/ и ф,>Во;^ —
угловые погреш ности, п р о п о р ц и о н а л ь н ы е п о п ереч ны м с о с т а в л я ­
ющим н о л я Во/ и Во* (/, / и к — о р т ы п р я м о у г о л ь н о й систем ы
« о о р д и п а т ); (АВог)а — с у м м а р н а я а д д и т и в н а я п о гре ш н ос т ь к а ­
нала;
у (/пред/5 — п о г р е ш н о ст ь
р е г и с т р и р у ю щ е г о у с т р о й с тв а
(в о л ь т м е т р а ) , в ы р а ж е н н а я в е д и н и ц а х п ол я, где 5 — к о э ф ф и ­
циент п р е о б р а з о в а н и я к а н а л а (б ез р е г и с т р и р у ю щ е г о у с т р о й с т ­
ва); (/пред — в ер хни й пр ед ел и з м е р я е м о г о зн а ч е н и я н а п р я ж е н и я ;
у — п р и в е д е н н а я о т н о с и т е л ь н а я п огр е ш н о с т ь р е г и с т р и р у ю щ е г о
устройства.
П р о и з в е д я о ц е н ку ДВо/, м о ж н о в ы б р а т ь и д и а п а з о н и з м е р е ­
ний основн ого к а н а л а .
П ри и сп о л ь з о в а н и и в к а ч е с т в е р е г и с т р и р у ю щ и х устрой ств
стрелочны х п р и б о р о в и с а м о п и сц ев д о п у с ти м о в ы п о л н е н и е с о о т ­
нош ения
5о/пред = А в о / ( 2 0 - ^ 100),
(6.5)
Где В(|, пред — п р е д е л ь н о е з н а ч е н и е д и а п а з о н а . Э то м у с о о т н о ш е ­
нию со о тв етству ю т п р и в е д е н н ы е по греш н ости к а н а л а от 5 до
%. П р и н и м а я во в н и м а н и е н е о б х о д и м о с ть д ал ьн ейш 'его расПирення д и а п а з о н а и зм е р е н и й з а счет си стем ы сту п е н ч а то й
Юмпенсации п о л я (см. рис. 6 . 1 ), ц е л е с о о б р а з н о в ы б р а т ь д и а п а он основн ого к а н а л а т а к и м , чтобы п р и в е д е н н а я п о греш н ость
•ыла р а в н о й 1%- П р и з а д а н н о м полном д и а п а з о н е и з м е р я е м ы х
рначспий п р и б о р а э т о п о з в о л я е т с о к р а т и т ь число ступеней в
Ристемс ко м п е н с а ц и и п о л я, а при з а д а н н о м числе ступеней к о м ­
п е н с а ц и и — р а с ш и р и т ь полны й д и а п а з о н и з м е р я е м ы х знач ений .
Ц а л ь н ей ш е м у с н и ж е н и ю при веденн ой по гр еш но сти основного
А ац ал а при и с п о л ь з о в а н и и ст р ел о ч н ы х п р и б о р о в и с а м о п и с ц ев
Препятствуют т р у дн ости с ч и ты в а н и я и н ф о р м а ц и и .
157
С у м м а р н а я п р и в е д е н н а я п о г р е ш н о с т ь п р и б о р а с учетом по.
гр е ш н о с те й си стем ы ст у п е н ч а то й к о м п е н с а ц и и п о л я о п р е д е л яе т ­
ся в ы р а ж е н и е м
(Д5о,)х =
V
+ {А5к.расш)7,
(6.6)
где ДВо,- — по гре ш н ос т ь основного к а н а л а , о п р е д е л я е м а я вырд.
жением
(6 .4 ); АВк. расш — п о г р е ш н о с т ь с и ст е м ы ступенчатой
к о м п е н с а ц и и п о л я ( р а с ш и р е н и я д и а п а з о н а и з м е р е н и й ) , опреде.
ляем ая выражением
А О
В ц .р а с ш
АВц.расш ~ ~В
^к.нач
д „
^Вк.нач-
( 6 .7 )
>
В ы р а ж е н и е (6.7) о т р а ж а е т м у л ь т и п л и к а т и в н ы й х а р а к т е р по­
г р еш н о с ти и п ол уч ен о в п р е д п о л о ж е н и и , что с о с т а в л я ю щ и е этой
п о гр е ш н о с т и о п р е д е л я ю т с я ч ер ез т е ж е о т н о с и т е л ь н ы е величины,
ч то и В' в ы р а ж е н и и (6 .2 ).
С у м м а р н а я п р и в е д е н н а я п огр е ш н о с т ь п р и б о р а
=
[(5 к .р а с ш )/-Ь ^ О Ы р е д ]/(А В о |)2 .
(6 .8 )
Ч и с л е н н ы е оцен ки п о гр еш н о с т ей п р и в о д я т с я ни ж е.
6.1.4.
Описанная схема, приведенная на рис. 6.1 с различными дополн
ниями реализована во многих отечественных и зарубеж ны х приборах. Кратко
остановимся на д в у х
приборах: аэромагнитометре АМ -13 и спутниковом
магнитометре С Г-45 [7, 10, 51].
Аэромагнитометр АМ -13. П рибор предназначен для измерения прираще­
ний м одуля вектора геомагнитного поля с борта самолета.
В основном канале аэромагнитометра осущ ествлена автоматическая за­
пись измеряемых значений на диаграм м ную ленту при д в ух постоянных: 2
и 10 нТл/мм. Ш ирина рабочей части ленты 220 мм, что позволяет реализо­
вать два диап азона измерений: ± 220 и ± 1 1 0 0 нТл. Скорость записи изме­
ряемых значений на соответствующ их ди ап азонах 100 и 500 нТл/с. Порог
чувствительности 2 нТл. При п одход е пера к краю ленты срабатывают кон­
цевые включатели, управляющие систем ой, ступенчатой компенсации поля.
Система ступенчатой компенсации состоит из двух независимых цепей.
К аж дая цепь содерж и т электрически управляемый аттенюатор на 10 поло­
жений (приводом служ ит электромеханический шаговый переключатель) Це­
на одной ступени компенсации первой цепи 400 нТл, цена ступени компенса­
ции второй цепи 2000 нТл; соответствующ ие диапазоны компенсации ± 2000
и ± 10 000 нТл. Р абота аттенюаторов согласована таким образом , что, когда
отрабаты вает все полож ения аттенюатор первой цепи, автоматически сраба­
тывает на одн у ступень аттеню атор второй цепи. Это позволяет при посто­
янной основного канала магнитометра 2 нТл/мм обеспечить полный диапа­
зон измерения ± 10 220 нТл. П ри постоянной 10 нТл/мм работает только
аттенюатор второй цепи. Полный диапазон измерений в этом случае равен
± 11 100 нТл.
Система начальной компенсации поля содерж и т а т т е н ю а т о р ы , управляе­
мые вручную. В качестве источника опорного напряжения, питающего эту
систему и систему автоматической компенсации поля, используется п а р а м е т ­
рический стабилизатор с буф ерной батареей [7, 51]. Система позволяет ком­
пенсировать начальное поле 70 мкТл.
П огрешность начальной компенсации поля в нормальных условиях нор­
мируется в виде допустимого смещения нуля в единицу времени: 5 иТл/"Однако опыт показал, что систематический (односторонний) дрейф нуля не
превышает 3— 5 нТл за сутки. В то ж е время наблюдаю тся медленные (с
риодом в несколько часов) флюктуации нулевых показаний с амплитуД**"
158
д 10— 15 цТл
П оэтом у погрешность ДВк. н а ч СЛбДубТ принять П р И М С р Н О
^двной 12 мТл.
“ Д ля оценки суммарной погрешности основного канала магнитометра
воспользуемся выражением (6 .4 ). Второй и третий члены этого выражения
„авны нулю, поскольку ф еррозонд автоматически ориентирован по вектору
Геомагнитного поля. А ддитивная погрешность равна порогу чувствительно(ДВо)а = 2 нТл.
Наконец, погрешность регистрируюшего устройства
, = 1%, что при постоянной магнитометра 2 нТл/мм эквивалентно абсолю т­
ной погрешности 4 нТл и при постоянной 10 н Т л /м м — погрешности 20 нТл.
Додставляя эти данные в выражение (6 .4 ), получаем соответственно для
двух постоянных 13 и 23 нТл.
Соответствуюш ие суммарные погрешности магнитометра, рассчитывае­
мые по формулам (6.6) и (6 .7 ), близки к указанным, поскольку коэффициент
Вв.расш/Вк. иач«<1/5 (значсиис В „. „ач прннято равным 50 мкТл). Приведенные
догрешности 8^, рассчитанные по ф ормуле (6,8), соответственно равны 0,13
Я 0,21%.
М агнитометр СГ-45. Прибор предназначен для измерения приращений
модуля вектора геомагнитного поля с борта третьего советского искусствен­
ного спутника Земли [51].
Основной канал магнитометра имеет диапазон ± 2400 нТл. Коэффициёйт преобразования канала 400 нТл/В.
Система ступенчатой компенсации сопмещена с системой начальной ком­
пенсации поля. Значение Вк. вач выбрано равным 40 мкТл. Ступенчатая ком­
пенсация работает автоматически. Ц ена одной ступени 3000 нТл; диапазон
Ступенчатой компенсации ± 2 4 ООО нТл.
Система компенсации питается от пара,метрического стабилизатора, с о ­
держащего рабочую и буф ерную батареи. П о данным работ [7, 51] снсге.марч еск ое смещение нуля магнитометра, обусловленное разрядом батарей, с о ­
ставило (за 21 сут работы на борту спугиика) не более 200 нТл, т. с. и
Среднем 10 нТл в сутки. В работе [51] указывается на наличие значительного
температурного коэффициента магнитометра (примерно 6 нТл./° С и д и ап а­
зоне температур О— 20° С) и тепловой инерции блоков магнитометра, которые
могли вызывать трудно учитываемые флюктуации нулевых показаний, не­
смотря на то, что нзмеисиия температуры па борту спутника фиксировались
и отклонения от номинального значения 20° С не превысили ± ,5° С за вре­
мя полета.
По оценкам авторов [51], с учетом введения поправок на систематиче­
ский уход нуля и влияние температуры окруж аю щ ей среды приведенная к
полному диап азону измеряемых значений ± 2 6 400 нТл относительная по­
грешность магнитометра бу составляет 0,1%.
6.1.5.
П р о в е д е м о ц е н к у п о гр е ш н о с т ей ш и р о к о д и а п а з о н н ы х
м агн и то м етр ов на у р о в н е с о в р ем е н н ы х д о ст и ж е н и й и з м е р и т е л ь ­
ной техники.
О ценим п р е ж д е всего п о гре ш н ос т ь с и с т е м ы н а ч а л ь н о й к о м ­
пенсации п о л я в с оотв етствии с в ы р а ж е н и е м (6 .2). О ц е н к у п р о ­
ведем с учетом н е к о н т р о л и р у е м о г о и н т е р в а л а т е м п е р а т у р п р и ­
мерно ± 1 °С .
В соо тветствии с и з л о ж е н н ы м в § 4.3 о т н о с и т е л ь н а я т е м п е ­
р а т у р н а я п огр е ш н о с т ь постоянной к а т у ш е к ко м п е н с а ц и и м о ж е т
быть п о л у ч е н а п о р я д к а ( 2 ± 1 0 ) • 10~® К “ ’. Б е р е м с р е д н е е з н а ч е ­
ние и, у м н о ж а я его на д в а , п о л у ч а ем А С Д С ,, = 1,2- 10
О тно­
сительная п огр еш н о сть источн ика опо рн о го н а п р я ж е н и я (иапри' Эти флюктуации обуслоилипаются, ио-иидимпму, тсм.моиой иисццией
блоког! магнитометра (неучтенными измеггеннямн температуры п пределах
Чсскольких градусов). Температурный коэ(1)ф1шиент магнитометра составляе г З п Т л /° С .
159
мер, и с п о л ь з у ю щ е го в к а ч е с т в е оп ор н о го э л е м е н т а стабилитро,.
т и п а 2 С 1 9 1 Ф ) м о ж е т б ы ть п о л у ч е н а п о р я д к а АНо/ Но = 1 • Ю а
Н а к о н е ц , о т н о с и т е л ь н а я п огр еш ность, о п р е д е л я е м а я н е с т а б 1иц/
ностью р е зи с т о р о в ( н а п р и м е р , т и п а С 2-29В, С5-55 и д р . ) , иморт
п о р я д о к АЯДРт: » 4 • 10“ ®.
С у м м и р о в а н и е по ф о р м у л е (6 .2 ) д а е т бк. нач = 4 , 3 - 10-®. Л б с о .
л ю т н а я п о г р е ш н о с т ь при В к . нач = 50 м к Т л с о г л а с н о вы раж ени ю
(6.3) б у д е т АВк. нач ~ 2 нТ л. П р и п р оч их р а в н ы х у с л о в и я х полу,
ч енную п о г р е ш н о с т ь м о ж н о у м е н ь ш и т ь п р и м е р н о вд вое, т. ц
п ол уч и ть А5к. нач«1 нТл, если и с п о л ь з о в а т ь в ц е п я х ком пенса­
ции с п е ц и а л ь н ы е т е р м о с т а б и л ь н ы е р е зи с т о р ы (м анганиновые
или д р у г и е ).
П е р е х о д и м к оц е н к е п о гр е ш н о с т ей осно вн о го к а н а л а магни­
т о м е т р а с о г л а с н о в ы р а ж е н и ю (6 .4 ). В т о р о й и т р е т и й члены вы­
р а ж е н и я при п р о и зв о л ь н о й о р и е н т а ц и и ф е р р о з о н д а в геомаг­
ни тн ом п о л е и с к а л я р н о й к о м п е н с а ц и и п о л я в его о б ъ е м е могут
д о с т и г а т ь зн а ч е н и й 1— 2 нТл. О б э т о м с в и д е т е л ь с т в у е т опыт
п о с т р о ен и я ф е р р о з о н д о в ы х г р а д и е н т о м е т р о в . П р и векторной
ко м п е н с а ц и и п о л я (см. § 4.3 и 6-2) у г л о в ы м и погреш ностями
м о ж н о пр е н еб р е чь . Ч е т в е р т ы й ч лен с о ч ен ь м а л о й д о л е й риска
м о ж е т б ы ть п р и н я т (А 5о,)а ^ 1 нТл.
В ы б о р р е г и с т р и р у ю щ е г о у с т р о й с т в а в с е г д а м о ж н о произве­
сти т а к , ч то б ы п огр е ш н ос ть, о п р е д е л я е м а я п я т ы м ч лен о м , также
не п р е в ы ш а л а 1 нТл. П р о и з в е д я с у м м и р о в а н и е по выражению
(6 .4) и п р и н и м а я во в н и м ан и е , что п е р в ы й ч лен м о ж е т иметь
з н а ч е н и я 1— 2 нТл, п о л у ч а е м АВо;я= 2 нТл.
И с п о л ь з у я ф о р м у л ы (6 .6 )— (6 .8 ) , н а х о д и м , что н а современ­
ном э т а п е при по л ном д и а п а з о н е и зм е р е н и й м а г н и т о м е т р а при­
м ерно ± 2 0 0 0 0 н Т л и б о л е е в п о л н е д о с т и ж и м а п р и в е д е н н а я от­
н о с и т е л ь н а я п о гре ш н о с ть, т. е. о с н о в н а я п о г р е ш н о с т ь прибора
(см. § 4 .2 ), бк=«0,01% и л у чш е.
П р и м е р ы п о с т р о е н и я ш и р о к о д и а н а з о н н д а м а г н и т о м е тр о в та­
ко й точности, о д н а к о не а н а л о г о в ы х , а б о л е е п ер спек ти вны х —
ц и ф р о в ы х , п р и в е д е н ы в § 6 .2 .
З д е с ь ж е к р а т к о о с т а н о в и м с я е щ е н а в о з м о ж н о с т я х диф фе­
ренциальны х магнитометров.
6.1.6.
В р я д е с л у ч а е в в о з н и к а е т н е о б х о д и м о с ть в проведени
м а г н и т н ы х и зм е р е н и й в у с л о в и я х с и л ь н ы х м а г н и т н ы х помех.
К о г д а сп е к тр п ом ех и л е ж и т з а п р е д е л а м и ч ас т о т н о го диа­
п а з о н а м а г н и т о м е т р а , п о м ех у п о д а в л я ю т м е т о д а м и фильтрацииР е ж е к т о р н ы е ф и л ь т р ы м о ж н о п р и м е н я т ь и т о гд а , ко г д а помеха
о к а з ы в а е т с я в ч а с т о т н о м д и а п а з о н е м а г н и т о м е т р а , но частота
ее и з в е с т н а и н е и зм ен н а . Т а к п о д а в л я ю т , н а п р и м е р , помехи про­
м ы ш л е н н о й ч ас т о т ы 50 Гц. С л о ж н е е п о д а в и т ь п ом еху, ко гд а она
не т о л ь к о п о п а д а е т в ч ас т о т н ы й д и а п а з о н м а г н и т о м е т р а , но и
и м е е т р а з м ы т ы й спектр. У л у ч ш е н и е о т н о ш ен и я сигнал-помеха
в э т о м с л у ч а е в о з м о ж н о л и ш ь пр и у с л о ви и с т а ц и о н а р н о с ти по­
мехи. О д н а к о , если п о м е х а ( д а ж е н е с т а ц и о н а р н а я ) вы звана
д а л ь н и м и и с т о ч н и к ам и , а п ол езн ы й с и г н а л — б л и ж н и м и , то зиа160
^нтельного у л у ч ш е н и я о т н о ш ен и я с и г н а л -п о м е х а д о б и в а ю т с я ,
лримсняя д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы е м а г н и т о м е тр ы .
Ф ункциональная схема диф ференциального магнитометра
диалогична с х е м е г р а д и е н т о м е т р а (см. рис. 4 .3 ). Ф а к т и ч е с к и
д и ф ф еренц иал ьны й м а г н и т о м е т р с о с тои т из д в у х м а г н и т о м е т р о в :
ком пенсационного (н а рис. 4.3 — в е р х н и й ) и и зм е р и те л ьн о г о .
0 ба, к а к п р а в и л о , я в л я ю т с я т р е х к о м п о н е н т н ы м и . П р и э т о м из((ерительный м а г н и т о м е т р у с т а н а в л и в а ю т в б л и з и и зм ер и те л ь н о й
^ а м ь и ил и п л о щ а д к и , к у д а з а т е м п о м е щ а ю т о б ъ е к т и з м е р е ­
н и я — н а м а г н и ч е н н о е те л о ; к о м п е н с а ц и о н н ы й м а г н и т о м е т р , н а ­
против, у с т а н а в л и в а ю т на зн а ч и т е л ь н о м р а с с т о я н и и от и з м е р и ­
тельной с к а м ь и или п л о щ а д к и , т а к о м , что б ы м о ж н о б ы л о прец е б р « ь в л и я н и ем на него о б ъ е к т а и зм е р е н и я .
Ф П р и р а б о т е в г е о м а гн и т н о м п о л е п о л у ч и л а р а с п р о с т р а н е н и е
ф у н кц и он а л ьн ая с х е м а д и ф ф е р е н ц и а л ь н о г о м а г н и т о м е т р а , п р и ­
веденная н а рис. 6.2. О н а я в л я е т с я д а л ь н е й ш и м р а з в и т и е м схе| ы рис. 4.3 з а счет д о б а в л е н и я к п о сл ед н ей э л е м е н т о в схем ы
Ь с . 6. 1, о б е с п е ч и в а ю щ и х н а ч а л ь н у ю к о м п е н с а ц и ю п о л я и рас[ирение д и а п а з о н а и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й . Д л я п р ос т о т ы восиятия н а схем е п о к а з а н ы э л е м е н т ы т о л ь к о д л я и зм е р е н и я одиг с о с т а в л я ю щ е й п ол я.
Д иф ф ерен ц и альн ы м м агнитом етрам присущи те ж е недо­
статки, что и г р а д и е н т о м е т р а м (см. § 5 ) : п р е ж д е всего э т о —
й у л ь т и п л и к а т и в н ы е по греш но сти, с в я з а н н ы е с н е п а р а л л е л ь н о етью д аагн итны х осей и з м е р и т е л ь н о г о и к о м п е н с а ц и о н н о г о ф е р ­
розондов; з а т е м — н е о д и н а к о в ы е а д д и т и в н ы е погр еш н о сти изм ерительного и к о м п е н с а ц и о н н о г о м а г н и т о м е тр о в .
О днако условия работы градиентометров и д и ф ф ерен ц и аль­
ных м а г н и т о м е т р о в р а зл и ч н ы . Д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы е м а г н и т о м е т ­
ры р а б о т а ю т п р е и м у щ е с т в е н н о в с т а ц и о н а р н ы х у с л о в и я х . Кройе того, с а м и и зм е р е н и я , к а к
правило,
кратковременны
и
допускаю т пе р и о д и ч е с к у ю (до
установки о б ъ е к т а на изм ер и -
1ис,
Рис. 6.2. Ф ункциональная схема ши‘ 'Кодиапазонного дифференциально­
го магнитометра
компенсационный канал (канал подав!Ния магнитных помех); / / — измерительканал с расширителем диапазона изРени((; / Л — система начальной компен1ЦИИ поля;
ОК — обмотки компенсации
'Мпенсацнонного феррозонда;
ФЗ К —
Эпенсационный феррозонд; УПБ — усигелы(о-преобразовательные блоки (из*Ратедьный усилитель, синхронный детек'Р. усилитель постоянного тока); ГВ —
)вератор возбуждения;
ОИ — обмотки
вОМпснсацни измерительного феррозонда;
__ измерительный феррозонд; Р — реРстрирую щее устройство; А — аттенюатоИОН — источник опорного н апряж е­
ния
И Заказ 272
к о р р е к т и р о в к у нуля и з м ер и те л ь н о г о м а г н и т о м е т р а . Э то ш,,,,
л я е т не у ч и т ы в а т ь погреш ности, о б у с л о в л е н н ы е неп арал.ю л,
ностью м а г н и т н ы х осей ф е р р о зо н д о в , а т а к ж е в ы з в а н н ы е пиым//
п р и чи нам и.
В д и ф ф е р е н ц и а л ь н о м м а г н и т о м е т р е в д и а п а з о н е частот
0,3 Г ц у д а е т с я п о д а в и т ь о д н о р о д н у ю м агн и т н у ю по м еху (напр,,,
м ер, в а р и а ц и и ге о м а гн и т н о го п о л я ) в 3 00— 500 р аз. Во столько
ж е р а з п о д а в л я ю т с я и ф л ю к т у а ц и и т о к а к о м п е н с а ц и и , вызван,
иые н е с т а б и л ь н о с т ь ю о порн ого и с точн и к а н а п р я ж е н и я и резц.
сторо в а т т е н ю а т о р а (к р о м е цепи к о р р е к ц и и н у л я , имеюшес,
с р а в н и т е л ь н о у зк и й д и а п а з о н к о м п е н с а ц и и п о л я ) .
Т а к и м о б р а з о м , д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы й м а г н и т о м е тр не то.тько
з а щ и щ е н от о д н о р о д н ы х помех, но и им еет м а л у ю погрешность
н а ч а л ь н о й к о м п е н с а ц и и п ол я. П р и м е н и т е л ь н о к нем у в в ы р а ж е ­
нии ( 6 .2 ) м о ж н о п р ен еб р е ч ь д в у м я п осл ед н и м и ч лен ам и . Если
п р и м е н я т ь о д и н а к о в ы е ф е р р о з о н д ы в и зм е р и т е л ь н о м и компен­
с а ц и о н н о м м а г н и т о м е т р а х , а т а к ж е о б есп ечить д л я них одина­
ко в ы е у с л о в и я э к с п л у а т а ц и и , то м о ж н о су щ е ст ве н н о уменынить
и п ервы й член в ы р а ж е н и я ( 6 .2 ).
В се это и плю с в о з м о ж н о с т ь к о р р е к т и р о в к и н у л я магнито­
м етр а п о з в о л я ю т р е а л и з о в а т ь по ро г ч увст ви т е л ьн о с т и , близкий
к у р о в н ю м а г н и т н ы х ш у м о в ф е р р о зо н д о в , и при а н ал ого во й ре­
ги с т р ац и и с и г н а л а в ы б р а т ь н а и б о л е е ч ув стви тел ьн ы й диапазон
и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й п о р я д к а ед и н и ц н аи о те сл а .
Р а с ш и р е н и е д и а п а з о н а и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й диф ф еренц и­
а л ь н о г о м а г н и т о м е т р а ц е л е с о о б р а з н о п р о и зв о д и ть путем сту­
п ен чато го и зм е н ен и я гл у б и н ы о б р а т н о й св я зи измерительного
м а г н и т о м е т р а , и з м е р я я вы ход ной с и г н а л ц и ф р о в ы м вольтмет­
ром . В этом с л у ч а е б ез особы х т р у д н о ст ей м о ж е т б ы ть получена
п р и в е д е н н а я к п о л н о м у д и а п а з о н у ( н а ч и н а я , н а п р и м е р , с д иапа­
з о н а ± 300 нТ л) о т н о с и т е л ь н а я п огр е ш н о с т ь бк = 0,1% и лучше.
6.2. Цифровые магнитометры
6.2.1.
Ц и ф р о в ы е м а г н и т о м е т р ы о б л а д а ю т м ногим и преиму­
щ е с т в а м и по с р а в н е н и ю с а н а л о г о в ы м и , по с к о л ь ку позволяют:
1 ) по в ы си ть точн ость изм ерен и й при о д н о вр е м е н н о м болес
р а ц и о н а л ь н о м построении схем при боро в;
2 ) гиб ко и з м е н я т ь свои п а р а м е т р ы и х а р а к т е р и с т и к и пр|! из­
м енении у сл ов и й и зм ер е н и я , ин тенсивности и с п е к т р а с и г н а л а ,
т. е. а д а п т и р о в а т ь с я (см. § 6.3);
3) п е р е д а в а т ь и н ф о р м а ц и ю в виде ц и ф р о в ы х код ов по | ) а д и о к а н а л у или прово д но й л ини и на з н а ч и т е л ь н ы е ра сс тоя ния с
м и н и м а л ь н ы м и п о т е р я м и и при вы соко й помехоустойчивости;
4 ) о б есп ечить неп о ср е д с тве н н о е с о в м е щ е н и е с с о в р е м е ш н я м и
а в т о м а т и з и р о в а н н ы м и с и с т е м ам и о б р а б о т к и и зм ер и тел ьн о й 1 >И'
ф о р м а ц и и (см. § 6.4).
Н е с л е д у е т п р е у в е л и ч и в а т ь в о зм о ж н о с т и ц и ф р о в ы х магнито­
м е тр о в в о б л а с т и п о в ы ш е н и я точности изм е р ен и й , поскольку
162
за в и с и т от вы сокой точности в х о д я щ и х в м а г н и т о м е тр цифых р е г и с т р и р у ю щ и х устройств, т. е. от м и н и м и за ц и и погреш сти, о п р е д е л я е м о й п я т ы м ч лен о м в ы р а ж е н и я (6.4). О чевидно,
о с т а л ь н ы е с о с т а в л я ю щ и е с у м м а р н о й п о греш ности (д руги е
гыре ч л е н а в ы р а ж е н и я ) не з а в и с я т от того, п р е о б р а з у е т с я ли
лезны й си г н а л в ц и ф р о в у ю ф о р м у или о с т ае т с я а н а л о г о в ы м .
п р е о б р а з о в а н и е с и г н а л а в ц и ф р о в у ю ф о р м у ведет к более
ц и о н а л ь н о м у постр оению схем
феррозондовых
при бо ро в,
■обенно отчетл иво это п р о я в л я е т с я при построении ш ироко•апазоиных м а г н и т о м е тр о в . И с п о л ь з о в а н и е в ы с о ко точн ы х цифвых р е г и с т р и р у ю щ и х у стро йств п о з в о л я е т не « м ел ьчи ть» с
б о р о м основного к а н а л а и ступеней а в т о м а т и ч е с к о й компен,ии п о л я , а ин о гд а во о б щ е им еть т о л ь к о один д и а п а з о н основ• 0 к а н а л а (см. н и ж е ) .
И зв е с т н ы способы п р е о б р а з о в а н и я а н а л о г о в о г о с и г н а л а в
ф р о в о й э к в и в а л е н т (см., н ап р и м е р , р а б о т ы [42, 47, 5 8 ]. 0 6 эятельны й о бзор и п р и м ер ы р е а л и з а ц и и эти х и д р у ги х сносов в ф е р р о з о н д о в ы х м а г н и т о м е т р а х д а н ы в м о н о г р а ф и и [87 ].
• Н и ж е о п и с ы в а ю т с я н а и б о л е е п е р с п е к ти в н ы е м о дел и цифроX ф е р р о з о н д о в ы х м а г н и т о м е тр о в .
6.2.2. К а к бы ло п о к а з а н о в гл. 4, у ж е п р о с т е й ш а я с х е м а магт о м е т р а с о б р а т н о й с в я зь ю «по полю » (см. рис. 4.6, а) о б л а ­
ет п о т е н ц и а л ь н ы м и в о з м о ж н о с т я м и о б есп ечен и я в ы со кой точсти, если в ы х од н о е н а п р я ж е н и е или т о к о б р ат н о й с в я зи р е т ­
и ру ю тся в нем с с о о т в ет с т в у ю щ е й точностью . П о с л е д н ее , к а к
м еч а л о с ь в § 6 . 1 , д о с т и г а е т с я при и с п о л ь з о в а н и и ц и ф р о в ы х
г и с т р и р у ю щ и х устройств.
|7Лагнитометр в этом с л у ч а е 'состоит из д в у х н е за в и си м ы х
стей; а н а л о г о в о г о м а г н и т о м е т р а с о б р а т н о й с в я з ь ю и ци ф рого р е г и с т р а т о р а ( ч а щ е всего п р о м ы ш л е н н о г о и з г о т о в л е н и я ),
кое п р осто е р е ш е н и е з а д а ч и п о зв о л я е т , су щ е с т в е н н о у п р ости в
о ц е д у р у и зм ер ени й, и с п о л ь з о в а т ь ц и ф р о п е ч а т ь или з а п и с ь иа
р ф о л е н т у с п о с л е д у ю щ ей о б р а б о т к о й м а с с и в а и н ф о р м а ц и и
Э ВМ .
Не. 6 .3 .
Ф ункциональная схем а ш и р ок оди ап азон ного
ным в ы х о д о м
м агни том етр а
с частот­
^ — обм отка
обратной
св я зи (к о м п е н са ц и о н н а я );
Ф З - - ф ер р озон д :
УЯ ~ усилитель
рсущ ей
частоты
(н е и з б и р а т е л ь н ы й );
С Д — синхронны й д етек тор ;
У Я 7’ — усил ител ь
р ст о я н и о го тока — ин тегратор; Г В — ген ер атор в о зб у ж д ен и я ;
СУ — с о г л а с у ю щ и й у с и рель;
Л /Н /— п р еобр азов ател ь н ап р я ж ен и е — ч астота
(К Р П 0 8 П П 1 А );
— вы соко­
стаби л ьн ы й рези стор
163
М а г н и т о м е т р ш хуны « З а р я » . П р и м е р о м м о ж е т с л у ж и т ь
к о м п о н е н т н ы й м а г н и т о м е т р , р а з р а б о т а н н ы й (в р а з р а б о т к е прц
н и м а л и у ч а с т и е Ю. В. А ф а н а с ь е в , В. А. П р и щ е п о , Б . М. Ц у ц к а '
рев, С. П . Б о к а л и н с к и й ) д л я н е м а г н и тн о й ш хун ы « З а р я » .
Ф у н к ц и о н а л ь н а я с х е м а одного к а н а л а м а г н и т о м е т р а прпцр,
д е н а на рис. 6.3. В м а г н и т о м е т р е , к р о м е и зв е с т н ы х эл ем ещ о ,,
и с о г л а с у ю щ е г о у с и л и т е л я , п ри м ен ен п р е о б р а з о в а т е л ь напряж у.
пие — ч ас т о т а , б л а г о д а р я к о т о р о м у о б е с п е ч и в а е т с я совмешещц,
к а н а л а с ц и ф р о в ы м р е г и с т р а т о р о м — т и п о в ы м частотомером
В к а ч е с т в е п р е о б р а з о в а т е л я н а п р я ж е н и е — ч а с т о т а и сп ользов а­
на м и к р о с х е м а К Р И 0 8 Г Ш 1 А .
Д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн ач е н и й б ы л в ы б р ан О— 60 мкТл прц
к о э ф ф и ц и е н т е п р е о б р а з о в а н и я н а в ы х о д е с о г л а с у ю щ е г о усили­
т е л я 6 м к Т л / В . П р и в е д е н н а я о т н о с и т е л ь н а я п о гре ш н ос т ь магмп.
т о м е т р а в м е с те с п р е о б р а з о в а т е л е м н а п р я ж е н и е — частота по
р е з у л ь т а т а м с т е н д о в ы х и с п ы т а н и й не п р е в ы с и л а 0,03% при
т е м п е р а т у р е (20 ± 5 ) ° С.
М а г н и т о м е т р б ы л с о в м е щ е н с м а г н и т о и з м е р и т е л ь н ы м комп­
л е к с о м ш ху н ы « З а р я » , в с о с тав к о т ор ого в ход ил к в а н то в ы й маг­
нитом етр К М -2 с ч ас т о т о м е р о м , д р у г и е п ри бо ры и а в т о м а т и зи ­
р о в а н н а я с и с т е м а о б р а б о т к и д а н н ы х : на основе использования
Э В М . П о м ер е н ео б х оди м о сти или а в т о м а т и ч е с к и по командам
от п р о г р а м м н о г о у с т р о й с т в а к ч а с т о т о м е р у п оо ч ер едн о подклю­
ч а л и с ь в ы х о д ы к а н а л о в к в а н т о в о г о и ф е р р о з о н д о в о г о магнито­
м етро в . В р е з у л ь т а т е в с истем у о б р а б о т к и д а н н ы х , совм ещ ен­
ную с ч а с т о т о м ер о м , п ери о ди ч ески п о с т у п а л а и н ф о р м а ц и я о мо­
д у л е |В о | и д в у х с о с т а в л я ю щ и х (в е р т и к а л ь н о й Вог и горизон­
т а л ь н о й Вон) в е к т о р а г е о м а гн и т н о г о п о л я Во.
В м а г н и т о м е т р е и с п о л ь з о в ан ы с т е р ж н е в ы е ф е р р о зо н д ы . Уст­
ро й с т в о ф е р р о з о н д а п о к а з а н о на рис. 6.4
С е р д еч н и ки в ф о р м е с т р е л о к и м е ю т р а з м е р ы 3 0 X 3 X 0 , 0 5 мм,
и зг о т о в л е н ы из ж е л е з о н и к е л е в о г о с п л а в а 8 1 НМА . Коэффициент
п р е о б р а з о в а н и я ф е р р о з о н д а на ч ас т о т е 2 / = 25 к Г ц в режиме
холо сто го х о д а 7 м к В / н Т л , в р е ж и м е р е з о н а н с а — не мепес
Рис. 6.4. Элементы конструкции стерж невого ф еррозонда (в порядке сборки)
/ — сердечники; 2 — полуэлементы (сердечники с обмотками возбуж дения); з — карК‘'|:
дл я полуэлемснтов; 4 — каркас с полуэлементами; 5 — катуш ка компенсации (обрати»'
связи); 6 — измерительная катуш ка
164
!ЙкВ/иТл. П ри то ке в о з б у ж д е н и я в им п у л ьс е 150— 200 мА
" ум ф е р р о з о н д а не б о л е е 0,05 нТл (в п о л о се 0,01 — 1 Г ц ).
Б лок с трем я ортогонально располож енны м и ф еррозондам и
у с т а н а в л и в а л с я на ш т о к е г и р о в е р т и к а л и т а к , что м а г н и т н а я ось
одного из ф е р р о з о н д о в б ы л а п а р а л л е л ь н а про д о л ьн о й оси штор , т. е. н а п р а в л е н а по в е р т и к а л и , а м а г н и т н ы е оси д в у х д р у ги х
ф еррозондов о к а з ы в а л и с ь р а с п о л о ж е н н ы м и в г о р и зо н т а л ь н о й
длоскости. П о г р е ш н о с т ь г и р о в е р т и к а л и не б о л е е ± 3 '. О д и н из
го р и зо н та л ьн ы х ф е р р о з о н д о в и д о п о л н и т е л ь н ы й (о р и е н т и р у ю ­
щий) к а н а л м а г н и т о м е т р а б ы л и в к л ю ч е н ы в систем у с л е д я щ е г о
привода, о б е с п е ч и в а ю щ е г о по с т о я н н у ю о р и е н т а ц и ю д р у го г о г о ­
ризон тальн ого ф е р р о з о н д а (и зм е р и те л ь н о г о ) в н а п р а в л е н и и м а г ­
нитного м е р и д и а н а — д л я и зм е р е н и я с о с т а в л я ю щ е й ВонВ р е м я и зм е р е н и я — 6 с; в о з м о ж н а в ы д а ч а и н ф о р м а ц и и , у с ­
редненной за 60 с. И з м е р и т е л ь н а я и н ф о р м а ц и я в ы д а е т с я в виде
десятичного к о д а на т а б л о и ц и ф р о п е ч а т а ю щ е е у стро й ство , а
т а к ж е в а н а л о г о в о й ф о р м е в в и д е п р и р а щ е н и й ДВог и АВои на
д ву х к а н а л ь н ы й с а м о п и с е ц . С уч етом в в о д а п о п р а в о к н а с м е щ е ­
ние нуля (по д а н н ы м к в а н т о в о г о м а г н и т о м е т р а ) и на м а гн и т н у ю
девиацию а б с о л ю т н а я п огр е ш н ос т ь и зм е р е н и я с о с т а в л я ю щ и х
•поля не п р е в ы ш а е т ± 10 нТл.
4 6.2.3. П о типу о пи сан ной в ы ш е схем ы (см. рис. 6.3) м огут
|ы т ь с о з д а н ы м а г н и т о м е т р ы и с а н а л о г о - ц и ф р о в ы м и п р е о б р а з о ­
вателям и [8 7 ]. Т а к и е м а г н и т о м е т р ы л е г к о с о г л а с у ю т с я с л и ­
нией с в язи, на кон ц е к о тор ой у с т а н а в л и в а е т с я п р и е м н и к ц и ф р о ­
вой ин д и ка ц и и , п е р ф о р а т о р или д р у г о е р е г и с т р и р у ю щ е е ц и ф р о ­
вой код устройство. П р и в е д е н н а я п о г р е ш н о с т ь п о д о б н ы х и з м е ­
рительных систем м о ж е т д о с т и г а т ь з н а ч е н и й п о р я д к а 0 , 1 —
0,02%. О д н а к о в с и стем е в о з м о ж н ы сбои, н ап р и м е р , и з-за в л и я ­
ния н а л и н и ю с в я зи или (и) р е г и с т р и р у ю щ у ю а п п а р а т у р у им«у л ьсны х помех. П р и ин тен си в н ом и р е г у л я р н о м д ей с тв и и этих
йомех и зм е р е н и я в о о б щ е с т а н о в я т с я н е в о зм о ж н ы м и .
П о м е х о з а щ и щ е н н о с т ь и точн о сть м а г н и т о и з м е р и т е л ь н ы х п р и ­
боров и систем з н а ч и т е л ь н о в о з р а с т а е т , если э л е м е н т ы ц и ф р о ­
вого п р е о б р а з о в а н и я в к л ю ч а ю т с я в цепь о б р а т н о й с в я з и «по
•полю» или в цепь ко м п е н с а ц и и п о л я, в ы п о л н я я ф у н к ц и и а в т о ­
матически д ей с тв у ю щ и х а т т е н ю а т о р о в (см. п. 6.1.4).
«С м е ш а н н ы е » (основной а н а л о г о в ы й к а н а л пл ю с ци ф ро во й
ра с ш и ри т е ль д и а п а з о н а ) и п ол н остью ц и ф р о в ы е м а г н и т о м е тр ы
Данного т и п а оп и с ан ы в р а б о т а х [87, 104, 105, 122].6.2.4.
М а г н и т о м е т р Ц Ф З М - 1 *. П р е д н а з н а ч е н д л я од новр е
йениого и зм е р е н и я т р е х с о с т а в л я ю щ и х в е к т о р а м а г н и т н о г о поДя с в ы д а ч е й и н ф о р м а ц и и в п о с л е д о в а т е л ь н о м или п а р а л л е л ь ­
ном д во и чн ом коде. М а г н и т о м е т р с о д е р ж и т три и д ен ти ч н ы х ка30
Г
±
' Р азработан в НПО «ВП И И М им. /1. И. М енделеева» по заданию
[Л М И Р А П . Авторами функциональной схемы
магнитометра являются:
*0. В. Афанасьев, В. А. Прищепо, А. Н. Схоменко и Г. А. Внучков. П ринщ ь
Ниальная схема магнитометра ра.зработана В. Л. Прищепо.
165
ЩП1
Ацпг
т
УИ
Й
- двоичный
код,
■младший разряд
ДВоичныи код,
старший разряд
Знак поли
Рис. 6.5. Функциональная схема канала цифрового магнитометра
Ф З — ф ер р озон д ;
У П Б — у с и л и т е л ь н о -п р ео б р а зо в а т е л ь н ы й
блок
(у с и л и т е л ь
псссщ ег,
ч а с т о т ы , с и н х р о н н ы й д е т е к т о р , у с и л и т е л ь п о с т о я н н о г о т о к а — и н т е г р а т о р ) ; г й — цчц,,
ратор
возбуж ден и я;
А Ц П 1 — а н а л о г о -ц и ф р о в о й
п р еобр азов ател ь
м ладш их
р а зр я д ,,,,.
4 Ц Л 2 — а н а л о г о - ц и ф р о в о й п р е о б р а з о в а т е л ь с т а р ш и х р а з р я д о в ; 9 — э л е м е н т « и ск л ю ч а,,,!
щ ее И Л И » ; У Я — у п р авл яем ы й и н вертор; С — су м м а то р
н а л а и о б щ и й п р е о б р а з о в а т е л ь п и та н и я , в к л ю ч а ю щ и й в себя
к в а р ц е в ы й а в т о ге н е р а т о р .
Ф у н к ц и о н а л ь н а я с х е м а одного к а н а л а (с в ы х од ом в па р ал ­
л е л ь н о м к о д е ) п о к а з а н а на рис. 6.5.
К а н а л с о д е р ж и т а н а л о г о в у ю и ц и ф р о в у ю ч асти, включенные
та к, что о б р а з у е т с я д в у х к о н т у р н а я цепь с л е д я щ е г о уравновепшв а н и я. А н а л о г о в а я ч ас т ь (о б в е д е н а ш т р и х п у н к ти р н о й линией)
с о д е р ж и т и зве с т н ы е э л е м е н т ы и о х в а ч е н а о т р и ц а т е л ь н о й обрат­
ной с в я з ь ю «по полю». Д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й анало­
говой ч асти ± (2®—^ ^ 1 ) = ± 255 нТл. К о э ф ф и ц и ен т п р еоб разо ­
в а н и я п р и м ер н о 39,2 м В /н Т л .
В ы х о д н о е н а п р я ж е н и е с а н а л о г о в о й ч асти п о ступ ает на вход
ан а л о г о -ц и ф р о в о г о п р е о б р а з о в а т е л я м л а д ш и х р а з р я д о в Л Ц П 1 ,
в к л ю ч е н н о го по схем е с л е д я щ е г о у р а в н о в е ш и в а н и я преоб разу е­
мого н а п р я ж е н и я . С в ы х о д а А Ц П 1 си гн а л в в и д е параллельного
дво и ч н о го к о д а п о с т у п а е т на у п р а в л я е м ы й и н в е р то р и затем в
л и н и ю с в я зи или на ц и ф р о в о й регис т р ат о р .
П р и пер е п о л н ен и и счетчиков А Ц П 1 ( и з м е р я е м о е поле пре­
в ы си л о з н а ч е н и е 255 н Т л ) а в т о м а т и ч е с к и в к л ю ч а е т с я аналогоц и ф р о в о й п р е о б р а з о в а т е л ь с т ар ш и х р а з р я д о в А Ц П 2 , включен­
ный по схем е с л е д я щ е г о у р а в н о в е ш и в а н и я т о к а ( п о л я ) ; преоб­
р а з у е м ы й вну тр и него (с п о м о щ ью ц и ф р о -а н а л о г о в о г о преобра­
з о в а т е л я — Ц А П ) т о к с т у п е н я м и п о д а е т с я в компенсационную
к а т у ш к у ф е р р о з о н д а . Ц е н а одной ступени 256 нТл; число сту­
пеней (2®— 1 ) = 255. С л е д о в а т е л ь н о , д и а п а з о н р а с ш и р е н и я из­
м е р я е м ы х зн а ч ен и й п о л я с о с т а в л я е т 2 5 5 - 2 5 6 = 65 280 нТлС вы х о д а А Ц П 2 с и г н а л в в и д е п а р а л л е л ь н о г о д во ичн о го кода
п о д а е т с я в с у м м а т о р и з а т е м в лини ю с в я зи или на ц и ф р о в о й
ре г и с т р ат о р .
В з а и м о д е й с т в и е А Ц П 1 и А Ц П 2 с учетом в о з м о ж н о г о и з м е н е ­
ния з н а к а п о л я в обоих к о н т у р а х у р а в н о в е ш и в а н и я о су щ ес т вл я ­
е т ся с п о м о щ ью л о г и ч еск и х эл е м е н т о в схем ы — «исключающей
И Л И » , у п р а в л я е м о г о и н в е р то р а и с у м м а т о р а .
166
■Конструктивно м а г н и т о м е т р Ц Ф З М - 1 в ы п о л н е н в в и д е д вух
сиовных б л о к о в ; б л о к а ф е р р о з о н д о в ( Б Ф З ) и б л о к а э л е к т р о н и ­
к и ( Б Э ) . В н еш н и й в и д эти х б л о к о в (со с н я т ы м и к о ж у х а м и ) по­
к а з а н на рис. 6 .6 .
Р а зр а б о та н о д в а ,в а р и а н т а Б Ф З . В первом вари ан те исполь­
зо в ан ы с т е р ж н е в ы е ф е р р о з о н д ы , у с т р о й с т в о к о т о р ы х п о к а з а н о
/н а рис. 6.4. Во вт о р о м в а р и а н т е и с п о л ь з у е т с я т р е х к о м п о н ен тн ы й
'^феррозонд с о б щ и м м а г н и т н ы м цен тро м (на основе д в у х за м к I нутых
с е р д е ч н и к о в — эл л и п т и ч е с к о г о
и
к о л ь ц е в о го — см.
4 рис. 2.7, в ) , п о м е щ е н н ы й в н у т р ь м о н ол и тн о й т р е х к о м п о н ен тн о й
'к а т у ш к и . У стро йств о ф е р р о з о н д а с к а т у ш к о й , о б ес п е ч и в а ю щ ей
вы сокую о д н о р о д н о сть ПОЛЯ ко м п е н с а ц и и в о б ъ е м е с е р деч н и к о в
(менее 0,03% при р е б р е к у б а 4 0 м м ) [6 6 ] , п о к а з а н о на рис. 6.7.
В торой в а р и а н т о б е с п е ч и в а е т б о л е е в ы с о к у ю т очн о ст ь и з м е р е ­
ний, п о с к о л ь к у п о з в о л я е т р е а л и з о в а т ь с х е м у м а г н и т о м е т р а с
Векторной к о м п е н са ц и е й п о л я (см. рис. 4.8 и § 4 .3).
I
М агнитометр имеет следую щ ие характеристики;
I
д и а п а з о н и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й п ол я д л я к а ж д о й с о с т а в л я гЮщей ± 6 5 2 8 0 н Т л ;
^ зн а ч е н и е м л а д ш е г о р а з р я д а ( ш а г к в а н т о в а н и я ) 1,0 нТ л,
п р и в е д е н н а я о т н о с и т е л ь н а я п о г р е ш н о с т ь ( о с н о в н а я ) 0 ,0 1 % ;
абсолю тная
п о гр е ш н о с т ь
в
диапазоне
слабых
полей
± 2 5 5 нТл с о с т а в л я е т 1,0 нТл, в д и а п а з о н е ± 6 5 280 нТл — 5—
8 нТл;
в е р х н я я ч ас т о т а в д и а п а з о н е ± 255 нТ л не п р е в ы ш а е т 60 Гц;
в д и а п а з о н е ± 6 5 280 нТл не п р е в ы ш а е т 1 Гц;
I п о гре ш н ос т ь н ео р т о г о н а л ь н о с т и м а г н и т н ы х осей (с л у ч а й н а я
с о с т а в л я ю щ а я ) со с т е р ж н е в ы м и ф е р р о з о н д а м и не б о л е е 60",
^
167
с т р е х к о м п о н е н т н ы м ф е р р о з о н д о м и в е к т о р н о й компенсацией
по л я не п р е в ы ш а е т 20";
^
число ж и л к а б е л я д л я п е р е д а ч и и зм е р и те л ь н о й информации
в последовательном коде 2 ;
н а п р я ж е н и е п и т а н и я 27 В (д о п у с ти м о е о т к л о н е н и е от + 7 до
-4 В );
п о т р е б л я е м а я м о щ н о с ть 5,6 Вт.
Д л я э к с п л у а т а ц и и м а г н и т о м е т р а р а з р а б о т а н п р и е м н и к циф­
р о в о й и н ф о р м а ц и и П Ц И - 1 , им ею щ и й три с в е то вы х т а б л о соот­
ве т ст в е н н о ч и сл у и з м е р я е м ы х с о с т а в л я ю щ и х п ол я и вы ход для
п о д к л ю ч е н и я ц и ф р о п е ч а т а ю щ е г о у с т р о й с т в а т и п а УПШ 68000К.
6.3. Магнитометры с адаптивными параметрами
П р и п р о в е д е н и и и зм е р е н и й без у ч ас т и я о п е р а т о р а очень ча­
сто в о з н и к а ю т с и ту ации , к о г д а су щ е с т в е н н о и зм е н я ю т с я интен­
сивн ость и ч ас т о т н ы й с п ек тр и зм е р я е м о г о п о л я, т а к что прибор
л и б о не м о ж е т или не у с п е в а е т о т р е а г и р о в а т ь на эти и з м е н е н и я ,
л иб о, на п р о ти в, в ы д а е т б о л ьш о й о б ъ е м изб ы то чн о й и н ф ор м а ­
ции, п р и в о д я в п ро ц ессе о б р а б о т к и д а н н ы х к и зл и ш н и м з а т р а ­
т а м вр е м е н и и сто им ости изм ерени й.
В те х с л у ч а я х , к о г д а при бор р а б о т а е т со вм естн о с ЭВМ
(См. § 6.4); и зм е н ен и е п а р а м е т р о в вх од ного с и г н а л а , к о н е ч н о ,
л е г к о у честь и путем п о д а ч и о п р е д е л е н н ы х ко.манд а в т о м а т и ч е ­
ски и зм е н и т ь и с о о т в ет с т в у ю щ и е п а р а м е т р ы п р и б о р а , н а п р и м е р ,
р а с ш и р и т ь или су зить его пол о су п р о п у с к а н и я , у ве л и ч и т ь или
у м е н ь ш и т ь к о э ф ф и ц и е н т п р е о б р а з о в а н и я , в к л ю ч и ть д ополни­
т е л ь н ы е к а н а л ы и т. д. О д н а к о с о в м е с т н ая р а б о т а и з м е р и т е л ь ­
ного п р и б о р а с Э В М не в с е г д а в о з м о ж н а и эк о н о м и ч е с ки о п р а в ­
дана.
168
в то ж е в р е м я с о в р е м е н н а я м и к р о с х е м о т е х н и к а п о зв о л я е т
лм ^ть п р о с т е й ш и е л о г и ч ес к и е уст р о й с тва ,
которые
можно
0с | р а и в а т ь в и зм е р и т е л ь н ы й при бор и по к о м а н д а м э т и х у с т ­
ройств о п е р а т и в н о и з м е н я т ь н ек ото ры е п а р а м е т р ы эт и х п р и б о ­
р о к Н а и б о л е е п о д х о д я щ и м и д л я этой цели я в л я ю т с я , конечно,
циЮровые приборы .
М а к , опи сан н ы й м а г н и т о м е т р с ч ас т о т н ы м вы хо д о м (см.
р п к 6 .3) в м есте с п о д к л ю ч а е м ы м к не м у ч ас т о т о м е р о м я в л я е т ­
ся и н т е г р а т о р о м . У п р а в л я я в р е м е н е м и н т е г р и р о в а н и я , т. е. времс 1ем счета им п у льс о в , в ы р а б а т ы в а е м ы х п р е о б р а з о в а т е л е м н а ­
пр (женне — ч аст о т а , м о ж н о п о д а в л я т ь или у с р е д н я т ь помехи,
а )а кж е в ы д е л я т ь х а р а к т е р н ы е п е р и о д и ч ес к и е п ро ц ессы [74 ].
Ш й это м в к а ч е с т в е у п р а в л я ю щ и х эл е м е н т о в м о ж н о использоаа' ь пр о ст е й ш и е д и ф ф е р е н ц и р у ю щ и е 7?С-звенья, ф и л ь т р ы и поро ювые у с т р о й с тв а , п о д к л ю ч а е м ы е к в ы х о д у а н а л о г о в о й части
сх мы. В отсу тс т в и е пом ех и при и зм е р е н и и по с т о я н н ы х и
мс|1л е н н о и зм е н я ю щ и х с я м а г н и т н ы х полей д и ф ф е р е н ц и р у ю щ е е
звкно м о ж е т у п р а в л я т ь т а к ж е с к о р о с т ью о п р о с а м а г н и т о м е т р а ,
чтЬ п о з в о л я е т п о л у ч а т ь р а ц и о н а л ь н ы й о б ъ е м и зм е р и т е л ь н о й инф фмации.
(‘Л е г к о п о д д а ю т с я а д а п т и р о в а н и ю и п а р а м е т р ы о пи сан но го
выше м а г н и т о м е т р а Ц Ф З М - 1 .
| Т а к , б ез особы х т р удн о стей м о ж е т и з м е н я т ь с я ш а г к в а н т о ­
вания п р и б о р а . М о ж н о п о с л е д о в а т е л ь н о р е а л и з о в а т ь зн а ч е н и е
м.;|адшего р а з р я д а ^0,1 и 0,01 нТл, с о о т в ет с т в ен н о у м е н ь ш а я
д и а п а зо н ы и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й на ± 6 5 2 8 и ± 6 5 2 , 8 нТл, что
ловволяет, н а п р и м е р , при п р о вед ении к ос м и че с ки х и с с л е д о в а ­
ний, и с п о л ь з о в а т ь один и т о т ж е при бор д л я и зм е р е н и й в ге о ­
м агнитном поле и з а его п р е д е л а м и . У п р а в л я т ь и зм ен ен и ем ш а ­
га к в а н т о в а н и я , а с л е д о в а т е л ь н о , и д и а п а з о н а и з м е р я е м ы х з н а ­
чений м о ж е т п р о с т е й ш е е у ст р о й с тв о с п о р о го в ы м и э л е м е н т а м и
пош иним ум у и максимуму.
' Ч а с т о в о з н и к а е т з а д а ч а и зм е р е н и я м а л ы х п р и р а щ е н и й на
фоне з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш е г о по зн а ч е н и ю пос т о я н н о го п ол я. Д л я
этёй цели м а г н и т о м е т р Ц Ф З М - 1 м о ж е т р а б о т а т ь в т а к о м р еж и мс\ ко г д а второй ко н ту р у р а в н о в е ш и в а н и я с А Ц П 2 в ы п о л н я е т
ф ункцию к о м п е н с а т о р а н а ч а л ь н о г о п о л я (см. § 6 .1 ). П р и этом
ш аг к в а н т о в а н и я в перво м к о н т у р е у м е н ь ш а е т с я , н а п р и м е р , в
2* р а з ( 1 / 1 6 н Т л ) , т. е. в А Ц П 1 д о б а в л я е т с я е щ е ч ет ы р е р а з р я Да|. В э т о м с л у ч а е в к а н а л с в я зи и на р е г и с т р и р у ю щ е е устройстйо н е п р ер ы в н о п о с т у п а е т и н ф о р м а ц и я с А Ц П 1 и р е д к о с
АЦП2. У п р а в л я ю щ и м эл е м е н т о м и зд е с ь м о ж е т с л у ж и т ь п р о ­
стейш ее д и ф ф е р е н ц и р у ю щ е е звено, в к л ю ч е н н о е , н а п р и м е р , в
Цепь А Ц П 2.
I В м а г н и т о м е т р е Ц Ф З М - 1 п р е д у с м о т р е н ы а н а л о г о в ы е в ы ходы
с у с и л и т е л ь н о -п р е о б р а з о в а т е л ь н о г о б л о к а У П Б (рис. 6 .5 ) в ви' М ож ет быть применен дополнительный А Ц П либо полностью использоцан 12-разрядный АЦП, например типа 572ПА2А.
_
169
де н а п р я ж е н и я , з н а к к о т о рого с о о т в ет с т в у ет з н а к у изм еряемого
по л я. С о п р я ж е н и е б л о к а с А Ц П 1 в ы п о л н ен о т а к , что отработ|,;.|
А Ц П 1 и с л е д я щ е е с т у п е н ч ато е у р а в н о в е ш и в а н и е вы хо д но го н /,
п р я ж е н и я не п р о я в л я е т с я в вы в о д и м о м п а р а л л е л ь н о аналоговом
си гн а л е . П о э т о м у а н а л о г о в ы й с и г н ал м о ж е т б ы ть п о д а н на си­
стем у ф и л ь т р о в и л и н е й н ы х д е т е к т о р о в с ц е л ь ю и зм е р е н и я со­
с т а в л я ю щ и х п ерем ен н о го п о л я в д и а п а з о н е ч а с т о т д о 100 Гц
( т а к у ю по л о с у и м ею т а н а л о г о в ы е части к а ж д о г о к а н а л а магни­
т о м е т р а ) . У п р а в л я ю щ и м и э л е м е н т а м и зд е сь м огут с л у ж и т ь пор о г о в ы е у с т р о й с тв а , п о д к л ю ч е н н ы е к в ы х о д ам л и н е й н ы х д етек­
т о ро в. К эт и м ж е в ы х о д а м ч ерез кл ю ч, у п р а б л я е м ы й пороговым
у стр ой ств ом , м о гут б ы ть п о д к л ю ч е н ы д о п о л н и т е л ь н ы е А Ц П (на­
при м ер , на ч ет ы р е р а з р я д а ) , в ы х о д ы к о т о р ы х с о г л а с у ю т с я с ка­
н а л о м с в я з и и р е г и с т р и р у ю щ и м устройством .
Т а к и е ж е и з б и р а т е л ь н ы е у с т р о й с т в а м огу т б ы ть и сп о л ьзо ва ­
ны в а н а л о г о в о й ч асти (в цепи о б р а т н о й с в я з и «по п о л ю » ) и для
п о д а в л е н и я помех, н а п р и м е р , п р о м ы ш л е н н о й ч а с т о т ы 50 Гц.
М о ж н о б ы л о бы при в ести и д р у г и е п р и м е р ы по с т р о е н и я маг­
н и то м е т р о в с а д а п т и в н ы м и п а р а м е т р а м и .
В з а к л ю ч е н и е о т м ет и м , что,- р а с с м о т р е н н ы е п р и е м ы а д а п т а ­
ции о к а з а л и с ь с т о л ь п р о с т ы м и б л а г о д а р я н а л и ч и ю в приборах
не т о л ь к о ц и ф р ов ы х , но и а н а л о г о в ы х частей. Р а ц и о н а л ь н о е ис­
п о л ь з о в а н и е тех и д р у ги х я в л я е т с я , но -в и дим ом у , основной тен­
д ен ц и е й п о с т р о е н и я с о в р е м е н н ы х ц и ф р о в ы х и зм е р и т е л ь н ы х уст­
ро йств в о о б щ е [58] и м а г н и т о и з м е р и т е л ь н ы х ф е р р о зо н д о в ы х в
ч астн о сти [8 7 ].
6.4. Совмещение приборов с автоматизированными
системами обработки данных
Ш й р о к о д и а п а з о н н ы е ц и ф р о в ы е п р и б о р ы п р о щ е совместить
с а в т о м а т и з и р о в а н н ы м и с и с т е м а м и о б р а б о т к и д а н н ы х на основе
и с п о л ь з о в а н и я м икро - и м и н и-Э В М , чем а н а л о г о в ы е .
А в т о м а т и з и р о в а н н ы е си с т е м ы о б р а б о т к и д а н н ы х с миниЭ В М п о з в о л я ю т не тЪлько п е р е р а б о т а т ь о гр о м н ы й п оток инфор­
м а ц и и и в ы д а в а т ь о б р а б о т а н н у ю и н ф о р м а ц и ю в с ж а т о м виде
по з а д а н н о й п р о г р а м м е , но и р е ш а т ь д о п о л н и т е л ь н ы е задачи,
т а к и е , к а к а д а п т и р о в а н и е м а г н и т о м е т р а к и зм е н и в ш и м с я усло­
в и я м и зм е р е н и й , при чем в б о л е е ш и р о к о м п л а н е , чем р ас см от ­
р ено в § 6.3; в в е д е н и е п о п р а в о к в п о к а з а н и я по р е зу л ьт ат а м
а в т о м а т и ч е с к и х к а л и б р о в о к и к о н т р о л я ф у н к ц и о н и р о в а н и я от­
д е л ь н ы х у з л о в или б л о к о в м а г н и т о м е т р а ; в в е д е н и е поправок
на в о зд е й с т в и е в л и я ю щ и х вел ич ин — т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е й
ср еды , ин тен си вности вн е ш н и х п ом ех и т. п.; о п р е д е л ен и е ориен­
та ц и и н о с и те л я а п п а р а т у р ы (при п р о ве д е н и и и зм е р е н и й в дви­
ж е н и и ) о т н о с и т е л ьн о в е к т о р а гео м а гн и т н о г о п о л я [75] и вве­
д е н и е п о п р а в о к на м а г н и т н у ю д е в и а ц и ю н о с и те л я и др.
Н и ж е р а с с м о т р е н п р и м е р с о в м е щ е н и я ц и ф р о в о го магнито­
м е т р а Ц Ф З М - 1 с п р остей ш ей а в т о м а т и з и р о в а н н о й системой об170
в. 6.8. Цифровой вольтметр с уст- |.---------------------ро [ствами автономной регистрации 1 /
I
(/I , сопряженный с автоматизирован------- ----,10 1 системой обработки данных (II)
БФЗ\*~ БЭ
9 — блок
феррозондов;
Б Э — блок
эл&троники;
ЦПУ — цифропечатающес
У1 & 0 ЙСТВО;
/7ЦН — приемник цифровой
информации (см. § 6 .2 ); ИФ — интерфейс;
/7 .Е перфоратор; ЛУ — печатаю щ ее устрой-
•
I
|нпу1 х ] п п н \ - г
I_________________ I
1
7/
I
1
/7У
1_________________ I
р о т к и д а н н ы х (с и с т е м а р а з р а б о т а н а в И З М И Р А Н в 1981 г.).
р С х е м а а в т о м а т и зи р о в а н н о г о , и з м е р и т е л ь н о г о к о м п л е к с а пока| а на рис. 6 .8 . Выходног) с и г н а л м а г н и т о м е т р а в ви д е двоичго п о с л е д о в а т е л ь н о г о к о д а ( Г О С Т 18977— 79) п о д а е т с я в устрсиство у п р а в л е н и я и н тер ф ей с, о б е с п е ч и в а ю щ е е с о г л а с о в а н н у ю
р ; б о т у Э В М т и п а «Э л ектро ник а-бО М » , п е р ф о р а т о р а П Л - 1 5 0 и
щ ч а т а ю щ е г о у с т р о й с тв а «К онсул-260». Б ы л о р а з р а б о т а н о неС1о л ь к о п р о г р а м м р а б о т ы к о м п л е к с а , в том ч и с л е н а п р а в л е н н о й
п:[ в ы б о р о п т и м а л ь н о г о в р ем ени у с р е д н е н и я п о к а з а н и й с ц ел ью
п( (давлени я помех.
И с п ы т а н и я к о м п л е к с а п р о в о д и л и с ь в с о с т а в е о б р а з ц о в о й мер |1 М 0 7 6 . Б л о к ф е р р о з о н д о в м а г н и т о м е т р а у с т а н а в л и в а л с я . в
р|[бочем о б ъ е м е т р е х к о м п о н е н т н ы х к а т у ш е к м еры . П о к а ж д о м у
и: тр ех н а п р а в л е н и й , с о в п а д а ю щ и х с о ся м и к а т у ш е к и м а гн и т11 1ми о с я м и ф е р р о зо н д о в , з а д а в а л и с ь 15 зн а ч е н и й по л я, котор 1^е с р а в н и в а л и с ь з а т е м с м г н о в е н н ы м и и у с р е д н е н н ы м и (с п о ­
м ощ ью к о м п л е к с а ) п о к а з а н и я м и м а г н и т о м е т р а . И з м е р е н и я провс Гдились в у с л о в и я х и н ф р а н и з к о ч а с т о т н ы х н е с т а ц и о н а р н ы х пом кх (со с п е к тр о м в п р е д е л а х 0,01— 1 Гц) и сетевы х пом ех с час к т о й 50 Гц.
р И с п ы т а н и я п о з в о л и л и уст ан о в и т ь:
' н о р м а л ь н о е ф у н к ц и о н и р о в а н и е к о м п л е к с а по з а д а н н ы м п р о ­
г р а м м а м с п огреш н остью , п р а к т и ч е с к и не п р е в ы ш а ю щ е й осиови М погр еш н о сти м а г н и т о м е т р а ;
. эф ф ективность ввода различного рода поп равок в показания
.магнитометра;
^ э ф ф е к т и в н о с т ь п о д а в л е н и я вн е ш н и х пом ех з а счет н а х о ж д е ля о п т и м а л ь н о г о в р е м е н и у с р е д н е н и я п о к а з а н и й м а гн и то м е та ( в л и я н и е н е с т а ц и о н а р н о й пом ехи о с л а б л я л о с ь пр и м ер н о в
—10 р а з , п е ри о ди ч еско й п ом ех и с ч а с т о т о й 50 Г ц — в 30 р а з ) ;
ц е л е с о о б р а з н о с т ь с р а в н е н и я з а п и с а н н ы х на п е р ф о р а т о р е усе д н е н н ы х д а н н ы х вн у т р ен н и х к а л и б р о в о к к а н а л о в м аг н и т о м ета с ц ел ью в ы я в л е н и я с и с т е м а т и ч е с к и х о т к л о н е н и й к о э ф ф и ц и йТов п р е о б р а з о в а н и я и в в е д е н и я с о о т в ет с т в у ю щ и х п о п р а в о к в
1к а з а н и я , т а к ж е и по р е з у л ь т а т а м п е р и о д и ч е с к и х п о в е р о к маг(тометра.
г. Б о л е е эф ф е к т и в н о й и к р а й н е н е о б х о д и м о й п р е д с т а в л я е т с я
в м е с т н а я р а б о т а а в т о м а т и з и р о в а н н о й си с т е м ы о б р а б о т к и д аи ы х с группой или г р у п п а м и м а г н и т о м е т р о в . В э т о м с л у ч а е мор е ш а т ь с я з а д а ч и , не т о л ь к о о тм еч е н н ы е вы ш е, но и новые,
п ри м ер, с в я з а н н ы е с о п е р а т и в н ы м а н а л и з о м п р о с т р а и с т в е н н о 171
вр ем енной с т р у к т у р ы п ол я, ф и к с а ц и е й л о к а л ь н ы х изм сщ ц ц о
этой с т р у к т у р ы и в ы д а ч е й с о о т в ет с т в у ю щ и х к о м а н д на
ние п а р а м е т р о в и х а р а к т е р и с т и к м а г н и т о м е т р о в д л я д етал изд /
ции у к а з а н н ы х изм е н ен и й и т. д. С р е ш е н и е м п о д о б н ы х зада,|
с т а л к и в а ю т с я при п р о в е д е н и и р а б о т по э л е к т р о м а г н и т н о м у зоц,
д н р о в а н и ю зе м н о й к о ры , в п р о м ы ш л ен н о с т и при м ас с о в о м кон,,
р о л е н ам а г н и ч е н н о ст и и зд е л и й и в д р у ги х о б л а с т я х .
Ясно, что п р и м ен е н и е зд е сь ц и ф р о в ы х м а г н и т о м е т р о в с вы­
х од ны м с и г н а л о м в ви д е д во и ч н о го п о с л е д о в а т е л ь н о г о к о д а нац.
б о л е е ц е л е с о о б р а зн о , п о с к о л ь к у п о з в о л я е т п о вы с и т ь надеж ность
и д а л ь н о с т ь с в я зи , с у щ е с т в е н н о у п ро с т и т ь об мен информацией
м е ж д у п р и б о р а м и и а в т о м а т и з и р о в а н н ы м и с и с т е м а м и обраПотки д а н н ы х .
6.5. Средства аттестации и поаерки
6.5.1.
Д л я о б ес п е ч е н и я е д и н с т в а м а г н и т н ы х изм ер ен и й в па
ш ей с т р а н е с о з д а н а и з а к о н о д а т е л ь н ы м п о р я д к о м утв ерж ден а
с и с т е м а м е т р о л о г и ч е с к о г о о б есп ечен и я д а н н о й о б л а с т и и зм ере­
ний, о п и р а ю щ а я с я на к о м п л е к с в з а и м о с в я з а н н ы х г о с у д а р ст в е н ­
н ы х э т а л о н о в (п е рв и ч н ого и с п е ц и а л ь н ы х ) , к а ж д ы й из которых
п р е д н а з н а ч е н д л я в о с п р о и зв е д е н и я , х р а н е н и я и п е р е д а ч и р а з м е ­
р а ед и н и ц ы в т о р и ч н ы м э т а л о н а м , о б р а з ц о в ы м и з а т е м рабочим
с р е д с т в а м изм ер е н и й , в с оо тветс тв и и с у з а к о н е н н ы м и повероч­
н ы м и с х е м а м и [89, 95, 9 9 ].
Г о с у д а р с т в е н н а я п о в е р о ч н а я с х е м а д л я с р е д с т в измерений
п о с т о я н н ы х м а г н и т н ы х полей от 5 - 1 0 ~ '2 д о 5 -1 0~ 2 Т л в д и а п а ­
зо н е ч а с т о т О— 0,1 Г ц (Г О С Т 8.095— 81) им еет ш естиступепчат у ю с т р у к т у р у , в к л ю ч а ю щ у ю в с е б я пер ви чн ы й и вторичный
э т а л о н ы , о б р а з ц о в ы е с р е д с т в а 1-, 2- и 3-го р а з р я д о в , рабочие
с р е д с т в а в в и д е п р и б о р о в и мер. Е д и н и ц а м а г н и т н о й индукции
( н а п р я ж е н н о с т и п о л я ) в о с п р о и зв о д и т с я п е р в и ч н ы м эталоном
со с р е д н и м к в а д р а т и ч е с к и м о т к л о н ен и е м р е з у л ь т а т а из 10 из­
м ерений , не п р е в ы ш а ю щ и м 1 • 10“ ®; н е и с к л ю ч е н н а я си ст е м ат и ч е ­
с к а я п о г р е ш н о с т ь не б о л е е 2 , 5 - 1 0 “®. П о г р е ш н о с т ь аттестуемых
и л и п о в е р я е м ы х р а б о ч и х с р е д с т в и зм е р е н и й н а х о д и т с я в преде­
л а х 0,0006 — 20 % [95, 9 9 ] .
Д е й с т в у е т т а к ж е о б щ е с о ю з н а я п о в е р о ч н а я с х е м а д л я средств
и зм е р е н и й п е р е м е н н ы х м а г н и т н ы х полей от 1 • 10“ ‘® д о 1 Тл в
д и а п а з о н е ч ас т о т 0,1— 2 0 0 0 0 Гц, о п и р а ю щ а я с я на г о с у д а р с т в е н ­
ный с п е ц и а л ь н ы й э т а л о н (Г О С Т 8.093— 80) [9 9].
В с о о т в ет с т ви и с д в у м я эт и м и п ов е ро ч н ы м и с х е м а м и в ос­
нов н о м и о с у щ е с т в л я ю т с я а т т е с т а ц и я и п о в е р к а ф ер р о зо н д о вы х
п ри бо ро в.
6.5.2.
С о с т а в о б р а з ц о в ы х с р е д с т в изм ер ен и й сущ ественно
з а в и с и т от д и а п а з о н а и з м е р я е м ы х зн а ч е н и й и по греш н остей а т ­
т е ст у е м о г о или п о в е р я е м о г о п р и б о р а , н а м е ч а е м о й п р огр ам м ы
и сп ы тан и й и изм е ре н и й , у р о в н я в неш них помех.
О с н о в н ы м с р е д с т в о м я в л я е т с я м е р а м а гнитно й индукции
( н а п р я ж е н н о с т и п о л я ) , с п о м о щ ь ю к о торо й в о с п р о и зв о д я т с я за172
0 нные з н а ч е н и я п ол я, с р а в н и в а е м ы е з а т е м с п о к а з а н и я м и исытуемого п р и б о р а . М е р ы в к л ю ч а ю т в с е б я од н у или н е с к о л ь к о
л'гушек (н а п р и м е р , три — т р е х к о м п о н ен т п ы е м е р ы ) , устройста д л я р е г у л и р о в к и т о к а (а т т е н ю а т о р ы ) и у с т р о й с т в а д л я изе р е н н я с и л ы тока. П о г р е ш н о с т ь в о с п р о и зв е д е н и я п о л я в р а б о ем: о б ъ е м е к а т у ш е к д о л ж н а б ы ть по к р а й н е й м е р е в 3 р а з а
|е н ь ш е о сновной по греш ности п о в е р я е м о г о п р и б о р а .
П р о с т е й ш и е о б р а з ц о в ы е с р е д с т в а в в и д е о д н о к о м п о н ен т н ы х
[зтуш ек Г е л ь м г о л ь ц а [89, 9 6 ] , м а г а з и н а с о п р о т и в л е н и й и стрео'йю го м и к р о м и л л и а м п е р м е т р а п р и м ен я ю т д л я п о в е р к и прибо>0111 н и зко й точн ости ( к л а с с а 2,5 и в ы ш е ) . П р и э т о м по в е р к у
ф(»изводят в г е о м а гн и т н о м поле, о р и е н т и р у я ф е р р о з о н д и с п ы ­
туемого к а н а л а п р и б о р а п е р п е н д и к у л я р н о ве к т о р у геом агн ит{оШ п о л я. В л и я н и е в а р и а ц и й г е о м а гн и т н о г о п о л я у м е н ь ш а ю т ,
!0 |ф е к т и р у я ну л ь п р и б о р а п е р ед к а ж д ы м и зм е р е н и е м и п ро в од я
ерию т а к и х изм ерен и й с п о с л е д у ю щ и м в ы чи с л ен и е м с р едн их
[оказан ий п р и б о р а .
В ы сокочувствительные приборы с преобладаю щ ей аддитивт о к п о г р е ш н о с т ью п о в е р я ю т в ф е р р о м а г н и т н ы х экра нах, ку д а
то м ещ аю т б е з м о м е н т н ы е к а т у ш к и о б р а з ц о в о й м е р ы [4 5 ]. А ддиГ!!кную п о гр е ш н о с т ь п р и б о р о в в ы я в л я ю т путем п о в о р о т а ф ерр о0 О9 ДОВ н а 180°, к а к у к а з а н о в § 4.4. В ы я в л е н и е а д д и т и в н о й п о ­
грешности п р о в о д я т посл е о п р е д е л е н и я к о э ф ф и ц и е н т а п р е о б р а вокания м а г н и т о м е т р а в б ез м о м е н тн о й к а т у ш к е м еры [11, 8 9 ].
( М а л о г а б а р и т н ы й э к р а н н а с т о л ь н о г о т и п а о п и с ан в р а б о т е
[1|[]. Он им еет н е б о л ь ш и е г а б а р и т ы и м ассу, в с л е д с т в и е чего
пригоден д л я э к с п л у а т а ц и и не т о л ь к о в л а б о р а т о р н ы х , но и в
эк сп е д и ц и о н н ы х у с л о в и я х , п о з в о л я я о п е р а т и в н о к о н т р о л и р о в а т ь
Рис. 6.9. Стационарный ферромагнитный экран
173
п а р а м е т р ы вы с о к о ч у в с т в и т е л ь н ы х при боров. К о э ф ф и ц и е н т экр а н и р о в а н и я в неш него п о л я в п оп ереч ном н а п р а в л е н и и с о с т а в ­
л я е т не м ен е е 5 - 10^; о с т а т о ч н о е п о л е в р а б о ч е м о б ъ е м е эк ра н а
не б о л е е 10 нТл.
С т а ц и о н а р н ы й э к р а н ( р а з р а б о т а н в Н П О « В Н И И М им
Д . И. М е н д е л е е в а » , В. И . Ш е р е м е т , Ю . В. А ф а н а с ь е в , В. Н. Го.
робей, В. П . П о р ф и р о в и д р .) со з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш и м рабочим
о б ъ е м о м ( д и а м е т р 400 м м, д л и н а 1200 м м ) , в ко т о р ы й п о м е щ а ­
ется т р е х к о м п о н е н т н а я б е з м о м е н т н а я к а т у ш к а о б р а з ц о в о й ме­
ры, п о к а з а н н а рис. 6.9.
Ф е р р о м а г н и т н ы е э к р а н ы в х о д я т в с о ста в не т о л ь к о о б р а з ц о ­
вы х, но и р а б о ч и х у с т а н о в о к , в ч а ст н о с т и в с о с т а в и зм е р и т е л ь ­
ной у с т а н о в к и д л я оц е н ки у р о в н я ш у м о в ф е р р о з о н д о в (см. р а ­
б о ту [15] и д р .) . О д н а к о и з-за р я д а н е д о с т а т к о в ф е р р о м а г н и т ­
ны х э к р а н о в (о ста т о ч н о е п о л е я в л я е т с я н е о д н о зн ач н о й ф у н к ­
цией т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е й сре д ы , м е х а н и ч е с к и х в о зд е й с т ­
вий и м а г н и т н ы х полей, с о з д а в а е м ы х к а т у ш к а м и м е р ) они не
м огут вх о д и т ь в сосГав б о л е е то ч н ы х о б р а з ц о в ы х с р едств , т р е ­
б у ю щ и х ся , н а п р и м е р , д л я п о в е р к и вы с о к о т о ч н ы х ш и р о к о д и а п а ­
зо н н ы х п р и б о р о в , о п и с ан н ы х в этой гл а в е .
6.5.3.
О б р а з ц о в а я у с т а н о в к а 1-го р а з р я д а , о б ес п е ч и в а ю щ а
п о в е р к у в ы с о к о т о ч н ы х ф е р р о зо н д о в ы х и к в а н т о в ы х приборов,
о п и с а н а в р а б о т а х [89, 9 5 ] .
У с т а н о в к а с о д е р ж и т т р е х к о м п о н е н т н у ю с истем у к в а д р а т ­
ных к а т у ш е к , о б р а з у ю щ у ю к у б с р е б р о м п р и м е р н о 200 мм
(рис. 6 .1 0 ). К а ж д а я к а т у ш к а им е е т по т р и о б м о т к и : д л я ко м ­
п е н сац и и постоя н н о го ге о м а гн и т н о го п о л я , д л я авт оком п е н с а ц и и
174
нац и й ге о м а гн и т н о го п ол я и о б р а з ц о в у ю — д л я с о з д а н и я заных зн ач е н и й пол я. О б м о т к и с о еди нены с со о т в ет с т в у ю щ и м и
|р о й с т в а м и : о б щ и м с т а б и л и з а т о р о м т о к а , а в т о к о м п е н с а т о р о м
ристемой р е г у л и р о в к и и и зм е р е н и я т о к о в о б р а з ц о в ы х об м оток,
й о ч и й о б ъ е м т р е х к о м п о н ен т н о й си с т е м ы к а т у ш е к о гран и ч ен
ф ерой д и а м е т р о м 200 мм. Д и а п а з о н во с п р о и зв о д и м ы х зн а ч ений
|т< л я ± ( Ы 0 “ ®— Ы 0 “ ^) Тл; д о п у с к а е м ы е п огр е ш н о с ти в у к а [з< ин о м д и а п а з о н е н а х о д я т с я в п р е д е л а х 3 — 0 ,0 0 0 6 % . Н еор тогон л ь н о с т ь м а г н и т н ы х осей к а т у ш е к не п р е в ы ш а е т 1'.
, О б р а з ц о в ы е у с т а н о в к и п од обн о го т и п а п о з в о л я ю т н а д е ж н о
в [ЯВИТЬ м у л ь т и п л и к а т и в н ы е п огр еш н о с ти в ы с о к о т о ч н ы х ком пон нтны х м а г н и т о м е т р о в , в ы з в а н н ы е к а к о т к л о н е н и я м и к о э ф ф и ц |ентов п р е о б р а з о в а н и я от н о м и н а л ь н ы х зн а ч е н и й , т а к и отк о н е н и я м и м а г н и т н ы х осей п е р ви ч н ы х п р е о б р а з о в а т е л е й от нап а в л е н и й о р т о г о н а л ь н о г о б аз и с а .
,
В ы я в л е н и ю м у л ь т и п л и к а т и в н ы х п огр е ш н ос тей п ер вой групг п о с в я щ е н ы р а б о т ы , н а п р и м е р [11, 89] и м е то д и ч е с к и е у к а з к и я , н а п р и м е р М И 1 5 6 — 7 ^ Н а о с о б е н н о с т ях в ы я в л е н и я ыульт р л и к а т и в н ы х погр е ш н о с т ей вто рой г р уппы о с т а н о в и м с я по1рбнее.
г 6.5.4. П р и в ы я в л е н и и м у л ь т и п л и к а т и в н ы х п огреш н остей , вы з[нных о т к л о н е н и е м м а г н и т н ы х осей п р е о б р а з о в а т е л е й (ф ер р о | з 1н д о в ) от н а п р а в л е н и й о р т о го н а л ь н о г о б а з и с а ( к р а т к о — у г л о ­
вы х п о г р е ш н о с т е й ), ц е л е с о о б р а з н о им еть в ви д у р е ш е н и е об щ ей
ц ]ч астн о й з а д а ч .
; Р е ш а я о б щ у ю з а д а ч у , в ы я в л я ю т 6 у г л о в ил и н а п р а в л я ю щ и х
кЬсинусов, х а р а к т е р и з у ю щ и х п о л о ж е н и е м а г н и т н ы х осей ф е р ­
р озон д ов о т н о си т е л ь н о осей б а з о в о й си с т е м ы к о о р д и н а т ; р е ш а я
ч естн ую з а д а ч у , в ы я в л я ю т т о л ь к о 3 у г л а , х а р а к т е р и з у ю щ и х
в р и м н у ю н е о р т о г о н а л ь н о с т ь м а г н и т н ы х осей ф е р р о з о н д а .
П р и р е ш е н и и о б щ е й з а д а ч и и зм е р е н н ы е з н а ч е н и я с о с т а в л я ­
ю щ их Б'о,- в е к т о р а Во с в я з ы в а ю т с и с тин ны м и с о с т а в л я ю щ и м и
систем о й у р а в н е н и й [11, 7 5 ]:
Д;_, = В в Л + 5 о у Щ , - 1 - Д о Л :
^оу =
+ ^Оу/Иу + ^ 0^«у;
+ ВохПх,
(6.9)
Ш е / , = с о з а / , гп1 = соз р,, п, = с о з у / — н а п р а в л я ю щ и е косинусы ;
р,-, у,- — углы, о п р е д е л я ю щ и е п о л о ж е н и е м а г н и т н ы х осей х' ,
Р , 2 ' (н а рис. 6 . 11, 0 ).
Р е ш а я сист е м у (6 .9 ) о т н о с и т е л ь н о р а з н о с т е й Д'о,- — В о , —
V б5о< и п р и н и м а я во в н и м ан и е м а л о с т ь у г л о в ах, Ру, уг, полу-
Ц,
|йм:
ЬВох ~ В',^гПх + В'^^п^с-, ЬВоу
ЬВох «
»
д ;,/, +
В'^Д1Д
( 6 .1 0 )
+ в'^^т,.
И з в е с т н а м е т о д и к а [11, 7 5 ] , п р е д л о ж е н н а я О. П. Х востовы м ,
ф огл а с н о которой и с к о м ы е 6 угл ов, а с л е д о в а т е л ь н о , и н а п р а в л я 175
Рис. 6.11. Углы, характеризую щ ие положение магнитных осей феррозои.кщ
относительно ортогонального базиса и необходимы е для решения общей (а)
и частной (б) задач
ю щ и х косинусов, в х о д я щ и х в в ы р а ж е н и я (6 . 10), о п р е д е л я ю т не­
поср ед ств е н н о в гео м агн и т н о м п о л е путем п о с л е д о в а т е л ь н ы х по­
в о р о т о в б л о к а ф е р р о зо н д о в , н а п р и м е р , в о к р у г в е р т и к а л ь н о й оси.
Б о л е е со верш ен н ой п р е д с т а в л я е т с я м е то д и к а , о с н о в а н н а я иа
и с п о л ь з о в а н и и тр е х к о м п о н ен тн о й м еры м а гн и т н о й индукции
(см. п. 6.5.3).
У с т а н о в и в ф е р р о зо н д о в ы й б л о к п о в ер я ем о г о м агнито м етр а
на п рец и зи он н о м с т о л е н осуш,ествив в р а б о ч е м о б ъ е м е катуш ек
к о м п е н са ц и ю гео м а гн и т н о г о п о л я, п о с л е д о в ат е л ь н о п о д аю т в
к а ж д у ю к а т у ш к у ток, с о з д а ю щ и й в р а б о ч е м о б ъ е м е одинаков!,ю
зн а ч е н и я с о с т а в л я ю щ и х о б р а з ц о в о г о п о л я Во, = Воу = Во, =
= Вобр. И с к о м ы е н а п р а в л я ю щ и е коси нусы н а х о д я т ср а зу ;
^ О у х 1 ^ о б р
—
~
1у\
^ О ,у /^ о б р —
В р - у / В о О р
=
■ ® 0 ,г/'® о б р —
ту,
В д
1 В о О р
=
П у .
( 6 . 11)
П о с л е п р о в е д е н и я нескольких, т а к и х и сп ы тан и й в ы я в л я ю т си­
стематические и случайные составляю щ ие значения нап равля­
ю щ их косинусов. С и с т е м а т и ч е с к и е з н а ч е н и я и сп о л ьзу ю т .тля
э л е к т р и ч е с к о й ю с т и р о в к и б л о к а ф е р р о з о н д о в [ 11] л и б о дтя
в ве д е н и я с о о т в ет с т ву ю щ и х п о п р а в о к в про ц ессе изм ер ен и й |7.')|.
П р и р еш ен ии частной з а д а ч и в ы я в л я ю т три у г л а гр,у, (р.,.
(руг, х а р а к т е р и з у ю щ и х с теп ень о р т о го н ал ь н о с т и м агн и тн ы х осчч!
ф е р р о з о н д о в х' , у ' и г ' (рис. 6 . 11, 6 ).
П р о с т е й ш а я м е то д и к а в ы я в л е н и я э т и х углов рекомендован®
М И 1 5 6 — 78. С о г л а с н о д р у го й м е то д и к е (п р е д л о ж е н а А. В. За|1цевы м, В. В. П р и в а л о в ы м , В. Г. С е м е н о вы м , Б. Н. Фридкмшя^'
н н е за в и с и м о от них Л . Н. Ж у з г о в ы м ) б л о к ф е р р о зо н д о в у с т а ­
н а в л и в а ю т на прец и зи о н н ом ст о л е т р е х к о м п о н ен тн о й м е р ы н е ­
п о д в и ж н о и п о с л е д о в а т е л ь н о п о д а ю т токи в к а ж д у ю к а т у ш н )
меры. П ри о д и н а к о в ы х зн а ч е н и я х с о з д а в а е м ы х с о с т а в л я ю щ и х
о б р а з ц о в о г о поля и с к о м ы е углы о п р е д е л я ю т по ф о р м у л а м :
Т.176
: агссоз (1у + т Д
агссов
-4 Л„,,)/Вобр);
I
<Рхг» агссоз (1, + п Д = агссоз [(5 ;^ ^ + /5;^^/5овр];
I
с р у ^ »
агссоз
(/г е ^
+
Я у )
=
агссоз
[ { В 'д ^ у
4 -
(6 . 12)
^ О у г ) / ^ о 6 р 1 -
У д о б н е е п о л ь з о в а т ь с я не у г л а м и ф , р , ф , г и ф у г , а д о п о л н я ю р м и их до п р я м ы х , к отор ы е, собственно, и с л е дуе т н а з ы в а т ь
^ а м и н е о р т о г о н а л ь н о е т и (см. рис. 6 . 11, 6 );
■
ф , у
= 90° -
с р ^у ;
ф ,,
= 90° -
<Р,,;
ф у ,
= 90° -
(6.13)
Т о г д а п р и н и м а я од н у из м а г н и т н ы х осей з а с о в п а д а ю щ у ю с
о т в е тс т в у ю щ е й осью о р т о го н а л ь н о г о б а з и с а (н а рис. 6 . 1 1 ,6 —
ось г ' ) и с о в м е щ а я вто ру ю м агн и т н у ю ось (ось у ' ) с соотт в у ю щ е й п л о с к о ст ью о р т о го н а л ь н о г о б а з и с а , н а х о д я т угло{е п огр еш ности к а к р а з н о с т и б5о; = {В'щ — 5ог):
ЬВо^ «
5 ;у ф .,у 4 - /5;^ ф ,„- 8 ^ о у ~
( 6 .1 4 )
С о г л а с н о (6 .14 ) д л я н а х о ж д е н и я у г л о в 'фл-г/, ф ,г и фрг м агнит-
ук> ось ф е р р о з о н д а г ' о р и е н ти р у ю т в н а п р а в л е н и и 2 , последоа т е л ь н о п о д а в а я токи в к а т у ш к и х я у. З а т е м м а г н и т н у ю ось
(еррозонда у ' с о в м е щ а ю т с п л о с к о ст ью уОг, п о д а в а я токи в
а т у ш к у X . Н е п р о и з в о д я д а л ь н е й ш и х п е р е м е щ ен и й б л о к а ферюзондов, п о с л е д о в а т е л ь н о с о з д а ю т о д и н а к о в ы е о б р а з ц о в ы е по1Я Вобр в н а п р а в л е н и и осей у я г. И с к о м ы е у глы н а х о д я т по
)6р м у л а м ( в ы р а ж е н ы в р а д и а л ь н о й м е р е ) :
Ж^^0ху1Во6р-, Ь г ^ В д ^ В о 6 р ^ ,
ф у,
(6.15 )
Вду^1Воор.
6.5.5.
К р а т к о о п и с а н н а я в п. 6.5.3 о б р а з ц о в а я установка: 1-го
а з р я д а н о р м а л ь н о ф у н к ц и о н и р у е т в отсу тс т в и е п р о м ы ш л е н н ы х
ом ех л и б о при н ал и ч и и с л а б ы х о д н о р о д н ы х пом ех; к а к п р а в и ­
ло, п о д о б н ы е у с т а н о в к и р а с п о л а г а ю т в з а г о р о д н о й зо н е в с п е ­
циальн ы х термостатированны х помещ ениях. И ногда возникает
н е о б х о д и м о с ть п р о в е д е н и я п о в е р о ч н ы х р а б о т в у с л о в и я х с и л ь ­
ных и н е о д н о р о д н ы х п р о м ы ш л е н н ы х цомех, н а п р и м е р н а за в о д е ,
серийн о в ы п у с к а ю щ е м в ы с о к о т о ч н ы е п р и боры .
: О д и н из в о з м о ж н ы х путей р е ш е н и я д а н н о й з а д а ч и з а к л ю ч а е т ся!в том, чтобы п о в е р к у п р и б о р о в п р о в о д и т ь н а и н ф р а н и з к о й частрте, н а п р и м е р , на ч ас т р т е 0,01 Гц, ф о р м и р у я в р а б о ч е м о б ъ е м е
катуш ек образцовы е поля, бли зки е к синусоидальным, с з а д а н ­
н ы ми дискретны м и, у р о в н я м и и и с п о л ь з у я щ р и н ц и п в з а и м н о к о р ­
рел я ц и о н н о й ф и л ь т р а ц и и [63] и н а к о п л е н и я и н ф о р м а ц и и (см.
:§ 6 .4 ) д л я э ф ф е к т и в н о г о в ы д е л е н и я п о л е зн о г о с и г н а д а п о в ^ я е мого п р и б о р а на ф о н е прр^мышденных по м ех. О д н а к о д е й с т в у ­
ю щ их у с т а н о в о к п од обн ого типа п о к а ие Сущ ествует.
Д р у г о й пусть состоит в том, чтоб ы о с у щ е с т в л я т ь по верк у
п р и б о р о в в о б ъ е м е , зк ран и р ов а н н о.м от вн е ш н и х помех. В ы ш е
у ж е о т м е ч а л о с ь (см. п. 6.5.2), что в о з м о ж н о с т и ф е р р о м а г н и т ­
ных э к р а н о в в это м с м ы с л е о гр а н и ч е н ы . П о э т о м у п р и м е н и т е л ь ­
но к п ов е роч н ы м у с т а н о в к а м 1-го р а з р я д а р ечь м о ж е т идти
12 Заказ 272
1 77
т о л ь к о об и с п о л ь з о в а н и и с в е р х п р о в о д я щ и х э к р а н о в ( С П -эк р а
н о в ) [16, 29, 7 2].
П о м и м о з а щ и т ы от вн е ш н и х пом ех, и с п о л ь з о в а н и е С П -эк р а .
нов в п о в е р о ч н ы х у с т а н о в к а х п о зв о л я е т :
д о в ес т и н и ж н ю ю г р а н и ц у д и а п а з о н а п ов е рк и д о значений
о п р е д е л я е м ы х п ор ого м ч у в ст в и т е л ь н о с т и ( ш у м а м и ) сверхпро!
в о д н и к о в ы х м а г н и т о м е т р о в ( С К В И Д ) , т. е. д о 10-'*— 10“ '® Тд
а при н е о б х о д и м о с ти и е щ е н и ж е , о б е с п е ч и в а я в р а б о ч е м о бъе­
ме эк р а н а «магнитный вакуум»;
« з а м о р а ж и в а т ь » в р а б о ч е м о б ъ е м е э к р а н а м а г н и т н ы е поля,
х а р а к т е р и з у ю щ и е с я вы соко й с т а б и л ь н о с т ь ю (о т н о с и т е л ьн ы е от­
к л о н е н и я от н о м и н а л ь н о г о з н а ч е н и я п о л я 1 • 10~'®) и од нород ­
ностью.
Т а к и м о б р а з о м , п о в е р о ч н а я у с т а н о в к а с С П - э к р а н о м позволяе!- э ф ф е к т и в н о в ы я в л я т ь не т о л ь к о а д д и т и в н ы е погрешности,
в том числе д о л г о в р е м е н н у ю н е с т а б и л ь н о с т ь н у л е в ы х показаний
п о в е р я е м ы х п р и б о р о в , но и их м у л ь т и п л и к а т и в н ы е погрешности.
Т а к , н а п р и м е р , в у с л о в и я х « м а г н и т н о г о в а к у у м а » о чень удобно
в ы я в л я т ь т е м п е р а т у р н ы е у х о д ы н у л я ф е р р о зо н д о в , а т а к ж е ухо­
д ы н у л я , в ы з в а н н ы е и зм е н ен и я м и р е ж и м о в р а б о т ы к а к самого
ф е р р о з о н д а , т а к и д р у ги х эл е м е н т о в м а г н и т о м е т р а . П о м е щ а я в
р а б о ч и й о б ъ е м С П - э к р а н а о б р а з ц о в ы е к а т у ш к и и п о д а в а я в них
з а д а н н ы е з н а ч е н и я т о к а , м о ж н о в ы я в л я т ь и м у л ьти п л и к а ти в н ы е
р е ш н о с т и п р и б о р о в по м е т о д и к а м , у к а з а н н ы м вы ш е. Н а к о ц, в « з а м о р о ж е н н о м поле» у д о б н о о п р е д е л я т ь к а к т е м п е р а т у р е коэффициенты катуш ек компенсации феррозондов, т ак и
:т ер ези сн ы е с д в и ги в их постоянны х.
Д е й с т в у ю щ и й м а к е т пов ер оч н ой у с т а н о в к и с С П - э к р а н о м
к з р а б о т а н а в Н П О « В Н И И М им. Д . И . М е н д е л е е в а » п о д рув о д ст в о м В. И . Ш е р е м е т а ) п о к а з а н на рис. 6.12.
У с т а н о в к а с о д е р ж и т г е л и е в ы й к р и о с т а т с т р е м я св ерх п р ов ощ и м и оболочками, которые собственно и образую т С П -экран;
|рром агн и тн ы й э к р а н ( Ф М - э к р а н ) , п р е д н а з н а ч е н н ы й д л я пред>ительного э к р а н и р о в а н и я М Ш 1НИХ п о л е й (к р и о с т а т с С П -эк я о м в с т а в л я е т с я в н у т р ь Ф М - э к р а н а ) ; и з м е р и т е л ь н ы е стойки,
едн азначен ны е д л я контроля токов, п одаваем ы х в образцо1е к а т у ш к и С П - э к р а н а , а в т о м а т и ч е с к о й у с т а н о в к и и п од де р а н и я т е м п е р а т у р ы в н у т р и р а б о ч е г о о б ъ е м а С П - э к р а н а , регир а ц и и п о к а з а н и й п о в е р я е м о г о м а г н и т о м е т р а с у ч ето м вв о д а
ш и ы х н а м и н и -Э В М . В с о с т а в у с т а н о в к и в х о д и т т а к ж е Образ»вый к в а н т о в ы й (а т о м н о -п р е ц е с с и о н н ы й ) м а г н и т о м е т р , испольгемый в к а ч е с т в е к о м п а р а т о р а , а т а к ж е д л я о п р е д е л е н и я зн а ший « з а м о р о ж е н н ы х » м а г н и т н ы х полей.
П о к а з а н н а я на рис. 6.12 п о в е р о ч н а я у с т а н о в к а 1-го р а з р я д а
о з в о л я е т во с п р о и зв о д и т ь м а г н и т н ы е п о л я в д и а п а з о н е 5* 10“ '^—
‘ 10- е Т л с со о т в е т с т в у ю щ и м и п о г р е ш н о с т я м и н а н и ж н е м и
ё р х н е м п р е д е л а х 6 — 0 ,0 2 % пр и р а б о ч е м о б ъ е м е , о гр а н и ч е н н о м
ферой д и а м е т р о м 100 мм. О п ы т н а я э к с п л у а т а ц и я и д о р а б о т к а
:т а н о в к и п о з в о л я т в ы я в и т ь ее п р е д е л ь н ы е м е т р о л о г и ч е с к и е
о зм о ж н о с ти .
список
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамзон Г. В., Обоишев Ю . П. Индукционные измерительные преоб­
разователи переменных магнитных п ол ей .— Л.: Э нергоатомиздат, 1 9 8 4 .—
118 с.
2. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах. — Ч. 1. М.; Л.:
ОНТИ, 1934. — 230 с.
3. Афанасенко М. П., Петров В. Ф., Спектор Ю . И. Прибор для измере
ния коэрцитивной силы, остаточной и иЕгдуктивной намагниченности изделий
из твердых сплавов с целью контроля их технико-эксплуатационных показателей//Э лем еиты систем отбора н передачи информации. — Киев: И зд-во
АН УССР, 1965. — С. 175— 181.
4. Афанасенко М. П., Беркман Р. Я. Собственные шумы магнитных мо
д у л я т о р о в / / О тбор и передача информации. — 1974. — № 4 2 . — С. 5 3 — 60.
5. Афанасенко М. П., Беркман Р. Я- Влияние конструктивных и электри­
ческих параметров на уровень собственных шумов магнитных м од ул я т ор ов //
О тбор и передача ннформации. — 1974. — № 4 2 .— С. 61--65.
6. Афанасенко М. П., Беркман Р. Я. С нижение собственных шумов маг­
нитных модуляторов при работе сердечника вблизи температуры К ю р и //
О тбор и передача инф ормации.— 1976. — № 4 8 . — С. 83— 86.
7. Афанасьев Ю. В., Гольдреер И. Г., Долгинов Ш . Ш . Вопросы проек­
тирования феррозондовы х м агн итом етров//С б. произв.-техи. информации по
геофиз. приборостроению /О К Б МГ и ОН С С С Р .— Л ., 1 9 6 0 .— Вып. 5 . —
С. 40— 58.
8. Афанасьев Ю. В., Люлик В. П., Алексеева Г. Д . Магнитометрическая
аппаратура космических станций « Л у н а -10» и «В енера-4»//К осм нческие ис­
следования. — 1968. — Т. 6, вып. 5 . — С. 772— 781.
9. Афанасьев Ю. В., Беркман Р. Я., Кадннская Л. Г. К расчету ферро
зон дов с поперечным возбуж дением //Г еоф и зич еск ая
ап п ар ат ур а.- - 1969,
вып. 40. — С. 30— 37.
10. Афанасьев Ю. В. Ф еррозонды. — Л.: Энергия, 1 9 6 9 .— 166 с.
11. Афанасьев Ю . В., Студенцов Н. В., Щелкин А. П. Магнитометриче
скне преобразователи, приборы, установки. — Л.: Энергия, 1 9 7 2 .— 272 с.
12. Афанасьев Ю . В., Горобей В. Н. К расчету проницаемости формы
сердечников ф ер р озон дов //Т р уды метрологических институтов СССР. — Л.:
Энергия, 1975. — Вып. 180 (2 4 0 ). — С. 55— 62.
13. Афанасьев Ю . В. Состояние и перспективы развития феррозондово)!
магнитометрин//Геоф изическая ап п ар атур а.— 1977. — Вып. 60. — С. 17— 35.
14. Афанасьев Ю . В., Бушуев Л. Я. Трехкомпонентный ф ер розон д//П ри боры и системы управления. — 1978. — № 1. — С. 2 9 — 31.
15. Афанасьев Ю . В., Горобей В. Н. Ш умы ф еррозондов и м а г н и т н ы х
уси л и тел ей //И К А . — 198 1 . — Л'» 4 (38). — С. 3 7 — 53.
16. Афанасьев Ю . В., Наумов А. П., Шеремет В. И. С оздание с р ед ств
метрологического обеспечения измерений магнитной индукции слабых и
сверхслабых пол ей //И зм ерен и я магнитных полей и испытания магнитных ма­
тер и ал ов. — Л.; НПО «В Н И И М им. Д. И. М енделеева», 1981. С. 9 — 13.
17. Афанасьев Ю . В., Внучков Г. А., Жузгов Л. Н.
ные ф еррозондовы е магнитометры для космических
180
Ш нрокоднапазоп
и ссл едов ан и й
/ / Исследо-
вания по космической геофизике. — М.: И зд-во АН СССР, 1 9 8 2 .— С. 170—
|7 8
18. Афанасьев Ю. В., Горобей В. Н., Щ ербакова Т. И. Магнитный шум
|е р р о з о н д о в с сердечниками из аморфных снлавов//М агнитны е шумы в
р ер р озон дах и -магнитных усилителях. — М.: М ФТИ, 1 9 8 3 .— С. 17— 22.
19. Афанасьев Ю. В. Расчет максимальной напряженности поля возбуж р н и я ф ер розон дов//И зм ерн тельн ая техника. — 1984. — № 6. — С. 52— 54.
г
20. Афанасьев Ю. В. Перспективы повышения чувствительности и точно­
сти феррозондовы х п р ибор ов//Т езисы докладов III Всесою зной конференции
(кМетоды и средства измерения параметров магнитного поля». — Л.: НПО
к В Н И И М им. Д . И. М енделеева», 1 9 8 5 .— С. 101.
21. Беркман Р. Я. Собственные шумы ф еррозон д ов и м етоди ка их исЕ л е д о в а н и я / / Г еоф и зическое приборостроение.— 1960. Вып. 7. — С. 25—43.
22. Беркман Р. Я- Способ построения измерительных схем на основе
магнитных усилителей и маггштомодуляционных датчиков//Г еоф изическое
приборостроение. — 1961. — Вып. 10. — С. 50— 53.
23. Беркман Р. Я-, Мартынюк-Лотоцкий Р. Е., Спектор Ю. И. Особенпокти расчета ф еррозондов с кольцевыми сердечниками//Автоматический конт­
роль и измерительная техн и к а.— 1964. Вып. 8. — С. 95— 99.
24. Беркман Р. Я-, Мартынюк-Лотоцкий Р. Е. Некоторые особенности
Лизической картины работы магнитных модуляторов, кольцевых и стерж не­
вых ф ер розондов//М агнитны е элементы промышленной автоматики. — М •
В а у к а , 1966. — С. 107— 112.
25. Беркман Р. Я-, Бондарук Б. Л., Ф едотов В. М. Феррорезонансный
реж им возбуж дения магнитных модуляторов и ф ер р озон дов / / Геофизическая
(аппаратура. — 1972. — Вып. 50. — С. 20— 28.
26. Беркман Р. Я., Ицкович А. В. Ф еррорезонансный режим возбуж дения
рагнитны х модуляторов с питанием от источника прямоугольного напряже|5И я//О тбор и передача информации. — 1977. — № 52. — С. 53— 58.
27. Берштейн И. Л . Об одном новом типе магнитом етра//И звестия АН
[СССР. Сер. ф изическая.— 1944. — Т. 8. — № 4. — С. 189— 193.
28. Бозорт Р. Ф ерромагнетизм/П ер. с англ.: П од ред. Е. И. Кондорского
й Б. Г. Лившица. — М.: И зд-во иностр. лит., 1 9 5 6 .— 7 ^ с.
29. Бондаренко С. И., Ш еремет В. И. Применение сверхпроводимости в
магнитных измерениях. — Л.: Энергоатомиздат, 1982.-— 134 с.
30. Бочков Г. Н., Кузовлев Ю. Е. Н овое в исследованиях 1//-шума //
?УФН. — 1 9 8 3 .— Т. 141, вып. 1. — С. 151— 176.
31. Браун У. Ф. М икромагнетизм/П ер. с англ. А. Г. Гуревича. — М.:
Н аук а, 1 9 7 9 .— 159 с.
?
32. Бураков К- С. Магнитный кольцевой м одул ятор//Ф и зи к а Земли. —
4969. — № 3. — С. 115— 117.
33. Бурцев Г. А. К теории шумов циклического перемагничивания//И звестия вузов. Р ади оф и зи к а.— 1971. — Т. 1 4 .— № 5. — С. 791— 793.
34. Бурштейн С. М., Рогачевский Б. М. Учет высших гарм он и к тока н а­
грузки м агнитного м о д у л я т о р а в п арам етри ческом р еж и м е//Г еоф и Т и ческая
а п п а р а т у р а .— 1972. — Вып. 50. — С. 28— 37.
'
35. Бухаров М. В. Влияние флюктуаций параметров петли гистерезиса
на уровень избыточного магнитного шу.ма магнитомодуляционных
вателей//Ф изи ка магнитных материалов. — Калинин: КГУ, 1979. —
36. Бухаров М. В. Экспериментальное исследование м а г н и т н о г о фликершума и процессов его генерации в четногармонических преобразФ^^' •
Автореф. дне. на соиск. учен, степени канд. физ.-мат. наук. — М.,
и
37. Ваньяи Л. Л. Основы электромагнитных зондировании,
/''ьд( <,
38. Веденев М. А., Д р ож ж и н а В. И., Фридман Л. X. К вопросч о
те ф ер р озон д ов //Т р уды ИФМ АН СССР. — Свердловск, 19 о.
С. 110— 125.
м ■ Л ■ 1'огГсхи;1дат
39. Воисовский С. В., Шур Я- С. Ф е р р о м а г н е т и з м .
1948. — 816 с.
, 9 7 1 , — 1032 с.
40. Вонсовский С. В. М а г н е т и з м . — М . : н аук а,
магнитных «чем
41. Гаврилов А. Н„ Чижиков ,В.
ДЛЯ приборов и средств а в т о м а т и к и и вы ш -
ГИЯ, 1974. — 232 с.
42. Гитис Э. И., Пискунов Е. А. Аналого-цифровые преобразователи.
М.; Э нергоиздат, 1981. — 360 с.
43. Голубцов М. Г., Хлебников М. Н. Низкочастотные электромеханиче­
ские параметрические усилители. — Радиотехника и электроника. — 1978
Т. 23. — № 10. — С. 2196— 2203.
44. Горелик Г. С. О некоторых нелинейных явлениях, происходящ их ири
суперпозиции взаимно перпендикулярных магнитных пол ей //И звести я Дп
СССР. Сер. физическая. — 1944. — Т. 8. — № 4. — С. 172— 188.
45. Горобей В. Н. Р азработка методов повышения точности ферромодуляционных нанотесламетров и создание образцовы х средств для их поверки/
Автореф. дне. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. — Л ., 1980.
46. Грачев А. А. О пространственной корреляции шумов циклически о
перем агничивания//Д А Н СССР. — 1952. — Т. 85. — № 4. — С. 741— 744,
47. Гренбойз Г., Пикерелл Т. Дискретная обратная связь в технике ана/И),
го-цифрового пр еобр азования/уЭ лектроника.— 1977. — № 21. — С. 51— 57.
48. Гутников В. С. Применение операционных усилителей в измеритель­
ной технике. — Л.; Энергия. 1975. — 120 с.
49. Д ай эл П., Паркин К. М агнетизм Л у н ы //У Ф Н .— 1972. — Т. 108
вып. 1. — С. 177— 191.
50. Д ехтяренко П. И. Синхронное детектирование в измерительной тех­
нике и автоматике. — Киев: Н аукова дум ка, 1965. — 302 с.
51. Д олгинов Ш. Ш., Ж узгов Л . П., Селютнн В. А. Магнитометриче­
ская аппаратура третьего советского искусственного спутника Зем л и //И ск уественные спутники Земли. — М.: И зд-во АН СССР, 1960. — Вып. 4. С. 135— 160;
52. Д олгинов Ш. Ш., Пушков Н. В. И сследование магнитных полей
Земли и планет//У сп ехи СССР в исследовании космического прострапстни.
П ервое космическое десятилетие 1957— 1967. — М.: Н аука, 1 9 6 8 .— С. 173
249.
53. Д олгинов Ш. Ш. М агнитные поля Земли и планет. Исследование
внутренних и внешних источников космическими аппаратами/А втореф . дне. па
соиск. учен, степени д-ра физ.-мат. наук. — М., 1977.
54. Ж узгов Л . Н. Погрешности измерений с трехкомпонентным феррозондовым магнитометром, установленным на вращающейся п л атф орм е//Г еофизическая ап п ар атур а.— 1968. — Вып. 36. — С. 45— 53.
55. Зайцев А. В., Горобей В. Н. Влияние температурного градиента се|ь
дечников на уровень шумов ф ер р озон дов //М ет р ол оги я .— 1980. — № 4.
С. 43— 47.
56. Кирко И. М. Физическое подобие и аналогия намагничивания ферро­
магнитных тел. — Рига: И зд-во А Н Л атв. ССР, 1955. — 121 с.
57. Колачевский Н. Н. Магнитные шумы. — М.: Н аука, 1 9 7 1 .— 136 с.
58. Кончаловский В. Ю. Цифровые измерительные устройства. — Мл
Энергоатомиздат, 1985. — 304 с.
59. Котляр П. Е. И сследование магнитных шумов в ф еррозондах: Дис.
на соиск. учен, степени канд. техн. наук. — Новосибирск, 1971. — 152 с.
60. Кулешов Ю. Г. Нелинейные и параметрические радиоцепи. — Киев;
Вища школа, 1 9 7 0 . - 104 с.
61. Л ангваген Е. Н. М етоды экспериментального определения дифферен­
циальных магнитных проницаемостей ферромагнетиков при сложном намаг­
ничивании/ / Известия вузов. Электромеханика. — 1 9 7 0 .— № 3 . — С. 250—250.
62. Лангваген Г. Н. Ф еррозонды с возбуж дением вращающимся п ол ем //
Геофизическая аппаратура. — 1975. Вып. 57. — С. 31— 37.
63. Ли И. В., Читем Т. П., Виснер Д ж . Б. Применение корреляционного
анализа для обнаруж ения периодических сигналов в ш ум е//Т еор и я инфо|о
мации и ее прилож ения/П ер. с англ.: П од ред. А. А. Харкевича.— М.: Физматгиз, 1 9 5 9 .— С. 138— 15/.
64. Л огачев А. А. К урс магниторазведки. — Л.: Гостоптехиздат, 1962. - 360 с.
65. Лысенко А. П. О высших четных гармониках э. д . с. ф е р р о з о н д о в и
магнитных м одуляторов//Г еоф изи ческ ое пр иборостроение.— 1961. — Вып. о— С. 16— 24.
182
66.
М аляревская Т. Н., Студенцов Н В Гипт
пя создания вы сокоолнородного магнитного
™®лратных катушек
нститутов СССР. — Л.: Энергия, 1 9 7 1 ._ В ы п
пч
«метрологических
9 7 2 ® -4 7 0 ^ " -" ^ ““
68. Мари Ж . Низкочастотные парамет гические усилители с ттп
ЫМ магнитным управлением/П ер. с фр.; Под ред. В. В Потемки .»
шр. 1 9 6 7 . — 2 3 1 с.
отемкгпм, — м .:
69. Мельников Э. А. Ш ирокополосный феррптовый магпитомотуляцмои
рлй латчик//Г еом агнетизм и аэр он ом и я.— 1975. — № 1. — С. 183— щ.',
? 70. Мизюк Л . Я. Входны е преобразователи для измерения напряжсииоги низкочастотных магнитных полей. — Киев; Н аукова дум ка, 1 9 6 4 . - 168 с.
71. Мишин Д . Д . М агнитные материалы .— М.; Высшая школа, 1981 —
136 с.
72. Многослойный сверхпроводящий экран для получения высокого магятного в а к у у м а /с . И. Бондаренко, В. И. Ш еремет, С. С. Виноградова,
В. Р я б о в о л //Ж Т Ф . — 1975. — Т. 4 5 . — № 1. — С. 124— 129.
• 73. Морохов И. Д ., Велихов Е. П., Волков Ю. М. И м п р ь сн ы е М ГД-геераторы и глубинное элекгро.магнитное зондирование земной коры //А том н ая
Я ергия.— 1978. — Т. 41. — Вып. 3. — С. 2 1 3 — 219.
74. Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Гутников В. С. Ц ифровые приборы
частотными датчиками. — Л.: Энергия, 1970. — 424 с.
75. Об одном типе магнитометра, используемого для ориентации искусстенцых спутников Зем ли /Ю . В. Афанасьев, В. И. Даиельский, А. П. Макси[енко, Э. А. Чередниченко, А. Ф. Я к овлев//В опр осы теории и техники автоатических систем. — Днепропетровск: И зд-во Д Г У , 1971. — С. 164— 177.
76. Панчишин Ю. М., Усатенко С. Т. И змерение переменных магнитных
[Олей. — Киев: Техника, 1973. — 140 с.
' 77. Пономарев Ю. Ф. Ф еррозонды с продольным возбуж дением в марых переменных п ол ях//Г еоф изич еское пр иборостроение.— 1961. — Вып. 10.
1 -С . 54— 68.
I
78. Пономарев Ю. Ф. И сследование электромаг;штиых явлений в маг­
нитных модуляторах; Д ис. на соиск. учен, степени канд. физ.-мат. наук. —
Ьвердловск, 1 9 6 6 .— 180 с.
I
79. Пономарев Ю. Ф. К учету размагничивающего фактора при расчете
дискретных спектров индукции циклически перемагничиваемых ф ерромагне­
тиков. — Дефектоскопия. — 1979. — № 10. — С. 10— 22.
80. Прецизионные сплавы: С правочник/П од ред. Б. В. М олоти лова.—
.; М еталлургия, 1 9 7 4 . - 4 4 8 с.
!
81. Применение магнитно-мягких материалов в низкопороговых магнитородуляционны х устройствах/Т. И. Щ ербакова, В. В. Соснин, Б. Л . Бонда(рук, Р. Я. Б еркм ан//М агнитпы е шумы в ф еррозондах и магнитных усилите51ях . — М.; М ФТИ, 1983, — С. 46— 50.
I
82. Пузей И. М., Молотилов Б. В. М агнитострикция сплавов никель —
1келезо — м оли бден //И звести я ЛЫ СССР. Сер. физическая. — 1958. — Т. 2 2 . —
к
|№ 10, —
С. 1244— 1250.
(
83. Розенблат М. А. Коэффициенты размагничивания стерж ней высокой
п р он и ц аем ост и //Ж Т Ф .— 1954. — Т. 24. — Вып. 4. — С. 6 3 7 — 661.
?
84. Розенблат М. А. К расчету магнитомодуляционных датчиков напря[женности магнитного п ол я//Э л ек тр и ч ество.— 1957. — № 7. — С. 2 4 — 31.
I
85. Розенблат М. А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной
техники. — М.: Н аука, 1966. — 720 с.
86. Самойлович А. Г., Коренблит Л. Л. Вихревы е термоэлектрические
токи в анизотропной ср еде//Ф и зн к а твердого тела. — 1961. — Т. 3. — Вып. 7.
— С. 2054— 2059.
I
87. Семенов Н. М., Яковлев Н. И. Цифровые феррозондовы е магнитомет­
р ы .— Л.: Энергия, 1978. — 168 с.
88. Спектральное распределение магнитного шума вблизи гармоник ча­
стоты перемагничивания/В. В. Колачевская, Н. Н. Колачевский, В. В. Р о ж ­
дественский, Л. В. Стры гин/'/Радиотехника и электроника.— 1971. — Т. 16.
№ 7. — С. 1211 — 1215.
„гл о л»,
89. Средства измерений п а р ам е тр о в м агни тного поля/Ю . В. А ф анасьев,
183
Н. в . Студенцов, В. Н. Хорев, Е. Н. Чечурина, А. П. Щ елк ин .— Л.: Энепшс
1979. — 320 с.
90. Филиппов Е. Нелинейная электротехника/П ер. с н е м .— М.: Энерп,„
1968. — 503 с.
91. Харкевич А. А. Нелинейные и параметрические явления в радиотоу
нике. — М.; ГИ ТТЛ, 1 9 5 6 . - 1 8 4 с.
92. Чебурков Д . И. С оздание и метрологическое исследование средств
точных измерений магнитной индукции поля в ферромагнитных экранахД и с. на соиск. учен, степени каид. техн. наук. — М.: В Н И И Ф Т Р И , 1970
118 с.
93. Чечурина Е. Н. П риборы для измерения магнитных величин. — д \ .
Энергия. 1 9 6 9 .— 168 с.
94. Шило В. Л'. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной ап­
п ар атур е.— М.: Советское радио, 1974. — 311 с.
95. Шифрин В. Я. Приборы для точных измерений магнитной индукции
и их метрологическое обеспечение. — М.; М ашиностроение, 1 9 8 2 .— 57 с.
96. Ш тамбергер Г. А. Устройства для создания слабых постоянных маг
нитных п ол ей /П од ред. К. Б. К арандеева. — Новосибирск.: Н аука, 1972 —
176 с.
97. Шульгин В. А. Перспективный ДЛ М -м агнитометр инфранизкочастотны й //Т р уды М ВТУ им. Н. Э. Баум ана. Вопросы расчета и проектирования
автоматических информационных систем. — 1976. — № 210. — С. 146— 149.
98. Явор С. Я., Силадьи М. С оздание однородного магнитного поля
прямоугольным
соленоидом
конечной
дл и н ы //П Т Э . — 1961. — №
1 —
С. 147— 149.
99. Ягола Г. К., Шифрин В. Я-, Зингерман В. И. М етрологическое обеспе­
чение измерений параметров магнитных пол ей//М етрология. — 1 9 8 3 .— № 9 . —
С. 3— 12.
100. Яковлев Н. И. О собенн ости. работы ф еррозондового датчика в ре­
зонансном реж име//Геоф изическая аппаратура. — 1968. — Вып. 35. — С. 27—28.
101. Я нус Р. И., Фридман Л . X., Д р о ж ж и и а В. И. К теории дифференци­
альных ф еррозондов с продольным в о зб у ж д е н и е м //С б . произв.-техн. инфор­
мации по геофиз. приборостроению /О К Б М Г и ОН СССР. — Л., 1959.—
Бып. 3. — С. 73— 95.
102. А 1г-В огп е т а § п е 4 о т е 4 е г Гог зеагсЬ апб Зи гуеу / Е. Р. Ре1сЬ апй
о Ш е г з .//А 1 Е Е Тгапз. — 1947. — Уо1. 6 6 , - Р . 6 4 1 - 6 5 1 .
103. Л с и п а М. Н . Р1их§а1е т а 2 п е 1 о т е 1 егз 1ог оц1ег р1апе1 ехр1огаИоп Ц
Ш ЕЕ Тгапз. оп М а^п. — 1974. — Уо1. 10. - № 3 . - Р. 519— 523.
104. А с и н а М. Н. М А 0 5 А Т уес1ог ш а^пеШ теГ ег— АЬзо1п1е Зепзог
а И й и т е п ! с 1 е(е гт 1 п а и о п ./ / Н А 5 А ТесЬ. М еш о. — 79648. — 1981. — 206 р.
105. А с и п а М. Н. ТНе Н 0 5 А Т т а й п е (о ш е 1 е г е х р е П т е Ш / / ТЬе Р а4|0
апб Е1ес1гоп1с Е п§1пеег. — 1982. — Уо1. 52. — № 819. — Р. 4 3 1 —436.
106. А з с Ь е п Ь г е п е г Н., О о и Ь е а и О. Е1пе А п огбп и п ^ гиг Ре^хзШ египй
газсЬег т а ^ п е и з с й е г 5 { б г и п § е п / / НосЬГгедиепг ипб Е1ес1гоакиз(1к (4аЬгЬис1!
бег
бгаЫ 1озеп
Те1едгарЫ е
ипб
Те1ерЬоп1е). — 1936. — Б б. 47. — № 6.
8. 1 7 7 -1 8 1 .
107. ВН1е1 Н. Н о1зе о{ {е г г о т а й п е П с // 1ЕЕЕ Тгапз. оп М адп. — 1969. —
Уо1. 5. — № 3. — Р. 3 5 9 - 3 6 5 .
108. В и г ^ е г б . К, ТЬе ТЬеогеИ са! Ои1ри1 оГ Р1пд Соге Р 1ихда(е Зепзог II
ШЕЕ Тгапз. оп М адп. - 1972. — Уо1. 8 . - № 4 . - Р . 7 9 1 - 7 9 8 .
109. О у а ! Р., О о гб о п О. 1. Еипаг 5иг1асе М адпеЮ теШ гз // 1ЕЕЕ Тгапз.
оп М адп . — 1973, - Уо1. 9. - № 3. - Р. 226—231.
ПО. Р Р Т апа1у$18 о ! а зр а се т а д п е ( о п 1 е 1 ег по1зе / М. С ап б 1 б 1 , К. О г(е!.
Р. Ра1и1ап, О. У а п п а го п !/ / ШЕЕ О ео зс!. Е1ес1гоп. — 1 9 7 4 .— Уо1
1 2 .—
Р. 2 3 —28.
ТН . О е у е е г IV. А . Н е ^ Т уре оГ 11их-да(е М а д п е 1 о т е ( е г / / Зоигпа! о1
А ррИ еб РНузгсз. - 1962. — Уо1. 33. — № 3. — Р. 1 2 8 0 -1 2 8 1 .
112. О о гб о п О. I., Е ип бзГ еп К. Н., С Ы аг^о К. А. РасЮгз А И есП п д (Ье
ЗезЩ уЦ у о1 О а ш т а -Е е у е ! Р1пд Соге М а д п е 1 о т е 1 е г з / / ШЕЕ Тгапз. оп
М адп. — 1965. — Уо1. 1. - № 4. — Р. 330—337.
113. О о гб о п О . I., Е п п бзГ еп К. Н ,, З с а г г е Н о I. Е. О Я зе( апб МоЁзе еП
184
х^аЮ М ацпе1оте1ег8
ШЕЕ Тгапз. оп Мацп, - . 1970. — Уо! 6 - Чо
1818.
■
^ - 1.
114. ОогОоп О. I., В го ш п К. Е. Несен! ЛОеапсез 1п Р 1ихаа|с Мпопр.п
г!гу/. ШЕЕ Тгапз. оп М ао.,. - 1972. - Уо1. 8. - М. 1 .
р, 7 6 - 8 3 .
"
115. О огеП к О., О о г о ш п а X., З о и к о у а I. Зиг 1ез соигЬез О аУпашаПоп
8'ип 111 1егготайпе(1цие рагсо ш и раг ип соигап! сопПпи '■
- • - т р ! . КепО. Асас1. 5с1. ( Е З З Н ) . — 1944. — Уо1. 4 4 . — Р. 2 3 5 —237.
116. М а д з а ! — а ие\у за!е1И1е 1о вигуеу !| 1 е еаг15'з т а ц п е 1 , с РеЮ ,
р. М оЫеу, Е. О. ЕскагО, С. Н. РопШаО., С. VI. Оиз1еу/.М ЕЕЕ Тгапз. он
Шадп. — 1980. — Уо!. 16. - № 5. - Р. 75 8—760.
л; 117. Х е а з N. Р. М а й п е ! о т е ( е г 1ог зр асе гезеагсЬ. - - К о т а : ОосЮагО
расе РИйЫ Сеи!ег, 1970. — 112 р.
118. Рг1тс1а111 Р. Тйе ПихдаГе т е с Ь а п . з т / / ШЕЕ Тгапз. оп М а ц п . —
370, — Уо1. 6. — № 1. — Р. 3 7 6 - 3 8 3 .
I 119. Рг1тс1аЫ Р. Тйе Пихйа!е т а й 11е ! о т е 1ег / / 9 . Рйуз. Е.; 3с1 !пз1гига.—
379. - Уо1. 12. - № 1. — Р. 241— 253."
120. Р г.ш й а Ы Р., А п к е г - 9 е п 5 е п Р. С о т р а с ! зрИеггса! соИ 1ог Я и хйа!е
айче1о[пе1ег уес1ог ГееО Ь а с к / / 9 . Ркуз. Е.:
5с1. 1п5(гит. — 1 9 8 2 .—
^Ь1. 1 5 . — Р. 221— 226.
121. Р о т а п !
О. I,., \УП11атзоп 8. 9 , К а и Т т а п Е. Б ю т а й ч е Р с !1131гиепГаРоп II Ке\'. ЗсЕ 1пз(г. - 1982. - Уо1. 5 3 ( 1 2 ) . - Р. 1 8 1 5 - 1 8 4 5 .
122. Р и ххеП
С. Т . Тке ШЕЕ 1 апО 2 Р1ихйа!е М а й п е 1 о т е 1 е г 8 . / / ШЕЕ
апз. 0 .1 Оео. Е!ес(г. — 1978. - УоЕ 1 6 . - № 3. — Р. 239— 242.
123. Р иахеП К . О., Nагос^ В. В ., К оП аг Р. С11агас(ег!зисз о1' (ке Сара‘Цуе1у ЕоаОеО
Р1ихе О а!е з е о з о г / / 1ЕЕЕ Тгапз. оп М а й и . — 1 9 8 3 .—
1. 1 9 . — № 2 . — Р. 1 2 6 - 1 3 0 .
124. Зсои к еп О. С. Зе пзог п о .зе !п 1о\У-1еуе1 Пихйа(е т а й п е ( о т е 1 е г //
ЕЕ Тгапз. оп Майп. — 1972. - УоЕ 8. — Р. 223—231.
„ 125. 5 е г 8 о п Р. Н „ М аек 8. 2 . , Ш Ц т а п К . Л 1 к г е е с о т р о п е п ( а.гЬогпе
' | 11а й 11е( 0 1 п е ! е г / / РпЫ. С о т . ОЬз. — 1 9 6 7 .— У оЕ 19. — № 2. — Р. 15—97.
(
126. 8 е г 5 о п Р. Н., Наппа1огс1 Е. Ш. А рог(аЫе Е1ес1г!са1 М айпе!о))|е (е г / / СапасЦап 9оигпа1 о( Тескпо1о§'у. — 1956. — УоЕ 34. — Р. 232— 243,
127. 8 к !г а е К. Мо.зе !п а т а г р к п з т а й п е П с т а ( е г 1 а 1 з / / А РиЫ .саР оп о1
_е ШЕЕ А.Иеппаз апс1 Ргорайа1.оп 5ос1е1у. — 1984. — УоЕ А Р -0 2 (1 55N
,Н 1918-2/84). Р. 45; ШЕЕ Тгапз. оп Маои. - 1984. - УоЕ 20. — № 5 . —
' . 1 2 9 9 — 1301.
128. 8 п а г е К. С., Мс Р Н еггоп К. Е. М е а з п г е т е п ! о ) !пз1гитеп1 по.зе
1е с 1 га
а! )гейиепз!е8 Ье1о\У 1 к ег1г/ / ШЕЕ Тгапз. оп ЛАайп. — 1 9 73.—
о1. 9. - Р. 2 3 2 -2 .3 5 .
129. 8 4 о г т 2 . , Не1с1еп СН. и .и е г з и с к и п о е п кЬег (Заз Р г е я н е п г з р е с Е п т
ез В а г к к а и з е п — К а и з с к е п з / / 2 з.
Гиг апоеш . Р1(уз. — 1964 — ВсЗ. 1 7 .—
3, — 5. 1 6 1 - 1 6 4 .
130. У асяи1г V. V., 8 1 т о п 5 К. Р., Ни11 А . Ш. Л М аоцеП с Л.гЬогпе
1)е(ес(ог Етр1о\111й М айпеП саП у Соп(го!1е(3 ОугозсорГе ЗОЬПЗхаГГоп //
| 5 1 . — 1947. - УоЕ 18. - № 7. - - Р, 4 8 3 - 4 8 7 .
I
131, Ш е т е г М. М. М а й п е 1 0 8 1 г1с ( 1 уе оГГзе! апсЗ по.зе !п Г1ихйа!е
а й п о ( о т е ( е г з ; / ШЕЕ Тгапз. он .Майп. — 1969. — УоЕ 5. — Р. 9 8 — 105,
132. Ш и г т М. ВеИгп ое улп ТкеогГе ип(3 РгахЗз (Зез РеЮзШгкесШГегепхпеззсгз Гиг п1 а д п е 1 !зске Ре1(3ег паск Р 6 г з ! е г / / 2е11зскг)Г( Гиг Лпйсгуапсре
куз.к. — 1950. — ВО. 2. — № 5, - Р, 2 1 0 - 2 1 9 ,
ОГЛАВЛЕНИЕ
П р е д и с л о в и е .........................................................................................................................
3
Ч А С ТЬ П ЕРВА Я . Ф Е Р Р О З О Н Д Ы
Г Л А В А П ЕРВАЯ. У С Т Р О Й С Т В О , ПРИ НЦИ П ДЕЙСТВИЯ,
ХАРА КТ ЕРН Ы Е с в о й с т в а
1.1. Краткая историческая с п р а в к а .........................................................
1.2. Ф еррозонд — магнитный модулятор. Д ва осповны.х режима
р а б о т ы .............................................................................................................
1.3. Характеристики ферромагнитного материала
.
.
1.4. Размагничивающий
фактор.
ПронпцаемостЕ, сердечппкЕт
Г Л А В А ВТО РА Я . О С Н О В Ы П А Р А М Е Т Р И Ч Е С К О Й ТЕОРИИ
2.1. Магнитные величины и п а р а м е т р ы ................................................
2.2. В оздействие на проницаемость. Сущность параметрическо­
го п одхода
....................................................................................
2.3. Вывод наиболее общ его выражения для выходной э.
2.4. Ф еррозонды с разомкнутыми сердечниками
2.5. Ф еррозонды с замкнутыми сердечниками
2.6. Реж имы внутреннего параметрического усиления
2.7. М агнитная ось ф е р р о з о н д а .................................................
.1
II
17
50
:п
16
7)1
60
66
Г Л А В А ТРЕТЬЯ. М АГНИТНЫ Е СМ ЕЩ Е Н И Я И Ш У М Ы
3.1. Общие п о л о ж е н и я ...................................................................................
3.2. М еханизмы магнитных смещен п и .................................................
3.3. Магнитные шумы.
Предпосылки возппкповсмпя шумов
вблизи второй гармоники индукции п э. д. с ................................
3.4. Зависимость от ноля в о з б у ж д е н и я ................................................
3.5. Связь с константами магиитострикции п магпмтпой ани­
зотропии
..........................................................................................................
3.6. Д р уги е зависимости и с в я з и ...........................................................
3.7. Перспективы снижения ш у м о в .........................................................
70
61)
С!
|П()
1П1
Ч А С Т Ь ВТОРА Я. Ф Е Р Р О З О Н Д О В Ы Е ПРИ БОРЫ
Г Л А В А ЧЕТВЕРТАЯ. Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н Ы Е
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
СХЕМ Ы
И ПО ГР ЕШ Н О СТ И
Функциональные с х е м ы .........................................................................
Суммарная п о г р е ш н о с т ь ........................................................................
Способы минимизации мулЕ.тпплпкатпвных п огр сш п отч !
Способы минимизации аддитивных погрешностей
Г Л А В А ПЯТАЯ. ПРИ БО РЫ С Н И З К И М П О Р О Г О М ЧУВСТВИТЕЛ ЬНОСТИ
5.1. Элементы п р и б о р о в ..................................................
5.2. М агнитометры для космических псследоваппп
186
106
1 )!
И I
17!
Ь'7
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
Магнитные г р а д и е н т о м е т р ы ........................................................
139
Приборы для измерения остаточной намагниченности тел
141
Нуль-индикаторы п о л я ...................................... 145
Приборы с концентраторами поля
.
.
.
.
.
.
.
150
Г Л А В А Ш ЕСТАЯ. ВЫ СОКОТОЧНЫ Е Ш ИРОК ОДИ АПАЗО ННЫ Е
ПРИБОРЫ
6.1. Аналоговые м а г н и т о м е т р ы ................................................................ —
6.2. Цифровые м а г н и т о м е т р ы ....................................................................162
6.3. Магнитометры с адаптивными параметрами . . . .
6.4. Совмещение приборов с автоматизированными .системами
обработки д а н н ы х ................................................................................ 170
6.5. Средства аттестации и п о в е р к и .....................................................172
153
168
Список л и т е р а т у р ы ......................................................................................................... . - - 1 8 0
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 346 Кб
Теги
002, 005
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа