Устройство для измерения составляющих полного вектора магнитного поля

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОГО ВЕКТОРА МАГНИТг НОГО ПОЛЯ, содержащее .укрепленный ию рданном подвесе маятник с располо .женнЕЛл на нем чувствительным элементом , включенным черезэлектроды в цепэ измерительного сигнала, и регистрирующие приборы, о т л и ч аю ц е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях возможных изменений положениячувствительного элемента в пространстве , в него дополнительно введены два ключа, два направленных источника света, два фотоэлемента, два пороговых элемента и логический элемент ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых через соответствующие цепи измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами чувствительного элемента,, а выходы оСоих ключей - .с I общим внутренним электродом, входы логического элемента НПИ связаны с выходами пороговых элементов, входы которых под- . ключены к соответствующим фотоэле- - 9 ментам, расположенным напро ив напW равленных источников света, оси кото |РЫХ с относящимися к ним фотоэлементами расположены взаимно - перпендикулярно .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

О Ц

РЕСПУБЛИН

ЗСЮ 1 33 02

OIlMGAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ . И АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3333846/18-21 ., (251 3534207/18-.21 (22) 27. 08. 81 (46) 30.12.83. Бюл. В 48 (72) Л.Н.Карпиловский (53). 621..317.42(088.8) (56) 1. Афанасьев l0.В.. Феррозонды..

Л., Энергия, 1969, с. 131.

2. Викулин И.M., Стафеев В.И.

Полупроводниковые датчики. И., Советское радио, 1975, с. 72-75. (54) (57) 1 УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СОСТАВЛЯИМЦИХ ПОЛНОГО ВЕКТОРА МАГНИТ-, НОГО ПОЛЯ, содержащее. укрепЛенный В карданном подвесе маятник С располо,женным: на нем чувствительным элементом, включенным череэ электроды s цеп измерительного сигнала, и регистрирующие приборы, о т л и ч а«. ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения в условиЯО„„М64250 А ях возможных изменений положение чувствительного элемента в простран стве, в него дополнительно введены два ключа, два направленных источника света, два фотоэлемента, два пороговых элемента и логический элемент

ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых через соответствдкщие цепи измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами чувствительного элемента,, а выходы обоих ключей -,с,общим внутренним электродом, входы логического элемента WIN связаны с выходами пороговых элементов, входы которых под-! ° ключены к соответствующим фотоэле ф ментам, расположенным напротив нац — 1 равленных источников света, оси кото Д рых с относящимися к ним фотоэлементами расположены взаимно-перпен- 4 ®, дикулярно.

1064250

2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что чувствитель« ный элемент выполнен из двух взаимно перпендикулярных пересекающихся по диаметру полупроводниковых дисков, в центре которых расположен точечный электрод, вывод которого изолирован от полупроводникового материала чувствительного элемента, а составной кольцевой электрод выполнен в виде сплошного кольца, охватывающе"

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к из мерению составляющих полного вектора магнитного поля.

5, Известно устройство, содержащее чувствительный элемент с электродами, магнитная ось которого постоянно ориентируется по вертикали с помощью маятника, укрепленного в системе кар- 1О данного подвеса. На маятнике укреплены также компенсационный магнит и система демпфирующих магнитов, перемещающихся при колебаниях маятника в непосредственной близости от неподвижно закрепленной проводящей поверхности (1) .

Однако данное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения.

Наиболее близким к предлагаемому 20 по технической сущности является устройство,содержащее укрепленный s карданиом подвесе маятник с располо.женным на нем чувствительным элементом, включенным через электроды s 25 цепь измерительного сигнала.

В устройстве чувствительный элемент выполнен в виде диска из полупроводникового материала с электродом в центре и сплошным кольцевым g(} электродом по окружности (диск Корбино), в котором ток протекает в радиальнсы направлении. В этом чувствительном элементе происходит изменение электрического сопротивления в магнитном поле (зффект Гаусса), а максимальный эффект магнитосопротивления наблюдается.при расположении диска перпендикулярно полному вектору .магнитного поля. Таким образом, чувствительный элемент, выпол ненный в виде диска Корбино, обладает и свойством направленности (gal

Однако известное устройство не дает возможность одновременно получать информацию о величинах вертикальной и горизонтальной составляго внешнюю поверхность горизонталь= ного диска, и двух полуколец, охва-. тывающих внешние поверхности вертикального диска, при этом вывод „ точечного электрода соединен с общим выходом чувствительного элемента, а вывод сплошного кольца и объединенные выводы полуколец;,составного электрода соединены с измерительными выходами чувствительного элемента. ющих полного вектора магнитного поля с достаточной точностью.

Цель изобретения — повышение точности измерения в условиях возможных изменений положения чувствительного элемента в пространстве.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих полного вектора магнитного поля, содержащем укрепленный в карданном подвесе маятник с расположенным на нем чувствительным элементом, включенным через электроды в цепь измерительного сигнала, и регистрирующие приборы,вa дены два ключа, два направленйых источника света, два фотоэлемента, два пороговых элемента и логический элемент ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых через соответствующие цепи измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами чувствительного элемента, а выходы обоих ключей - с общим внутренним электродом, входы логического элемента ИЛИ связаны с выходами пороговых элементов, входы которых подключены к соответствукицим фотоэлементам, расположенным напротив направленных источников света, оси которых с относящимися к ним фотоэлементами расположены взаимно перпендикулярно.

Кроме того, чувствительный элемент выполнен из двух взаимно перпендикулярных пересекающихся по диаметру полупроводниковых дисков, в центре которых расположен точечный электрод, вывод которого изолирован от полупроводникового материала чувствительного элемента, а составной кольцевой электрод выполнен в виде сплошного кольца, охватывакщего внешнюю поверхность горизонтального диска, и двух полуколец, охватывающих внешние поверхности вертикального диска,. при этом вывод

1064250

10 точечного электрода соединен с общим выходом чувствительного элемента, а вывод сплошного кольца и объединенные выводы полуколец составного электрода .соединены с измерительными выходами чуствительного элемента.

На фиг.l изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 — маятник; на фиг.3 — вид по стрелке A на фиг.l.

Устройство содержит маятник 1 (сферу) из монолитного сплошного иолупроводникового матерИала с че-» тырьмя удаленными четвертьсферами уменьшенного радиуса, имеющий вид двух пересекающихся по диаметрам . 15 взаимно перпендикулярных дисков 2 и 3(илн четырех взаимно перпендикулярных полудисков 2.1, 2.2, 3.1

3.2 на фиг.2), представляющих единое целое. В центре маятника l (в центре условной линии пересечения взаимно перпендикулярных дис-, ков 2 и 3) размещен точечный электрод 4, вывод 5 которого (фиг.3) электрически изолирован от полупро-. водникового материала чувствительного элемента. Вывод 5 расположен в сквозном канале 6, идущем от центра шара по кратчайшему расстоянию к ближайшей точке поверхнооти чувствительного элемента. Два лежащих в одной плоскости полудиска 2.1 . и 2.2 (фиг.2) охвачены по окружнос ти кольцевым .сплошным (неразрезным) электродом 7, от которого идет вывод ф. Два других полудиска 3.1 и 3.2 охвачены полукольцевыми электродами

9 и 10 срответственно, выводы il u

12 которых электрически объединены и представляют общий вывод 13. При

Этом эпектррды 9 и 10 электрически 40 изолированы от электрода 7. К одному из электродов, например 9, может быть присоединен неметаллический стержень 14, который обеспечивает

/ связь чувствительного элемента 15 с 45

ыарданным подвесом. К другому элект" роду, например 10, может быть подсоединен через неметаллический стержень

16 шарообразный (или другой формы) элемент 17, предназначенный для 50 участия .в фиксации положений в пространстве (с помощью соответствующей координатной системы).

В качестве полупроводникового материала для шара выбирают, например, 55 антимонид индия (сплав индия и сурь" мы), висмут или антймонид никеля (сурмянистый никель) либо любой щ угой полупроводниковый материал, в котором наблюдается эффект магйи- .60 тосопротивления (эффект Гаусса).

Размеры (радиус шара) чувствительного элемента определяются исключительно требованиями по чуствительности, предъявленными к чувствительному элемен- 65 ту, и технологией изготовления. Эти размеры могут быть любыми, но оптимальными являются радиусы в пределах

1-10 см.

Устройство содержит также первый и второй генераторы 18 и 19 напряжения, первый и второй измерители 20 и 21 тока, первый и второй ключи 22 и 23, два направленных источника 24 и 25 света, первый и второй фотоэлементы

26 и 27, первый и второй пороговые элементы 28 и 29 и.логический элемент

ИЛИ 30, выход которого соединен с первыми входами первого и второго ключей 22 и 23, вторые входы которых через соответствующие измерители

20 и 21. измерительного сигнала соединены с соответствующими внешними электродами 7, 9 и 10 чувствительного элемента, а выходы — с общим внутренним электродом 4. Входы логического элемента ИЛИ 30 связаны с выходами первого и второго пороговых элементов 28 и 29, входы которых подключены к соответствующим фотоэлементам 26 и 27.

Устройство работает.-следующим образом.

При орне нт иро ванин устрой ст ва таким образом, чтобы полудиски 3.1 и

3.2 заняли строго вертикальное положение в пространстве, и приложении напряжения постоянного (или переменного) тока к точечному электроду

4 (его выводу 5) и кольцевому элект» роду 7 (выводу 8), электродам 9 и

10 (выводу 13) между электродом 4 и электродами 7, 9 и 10 начинают перемещаться в плоскостях полудисков 2.1, 2.2, 3.1 и 3.2 носителя зарядов — течет ток, величина которого зависит от величины вертикальной (для диска

2) и горизонтальной (для диска 3) составляющих полного вектора магнитно го поля. Фиксация величины этих токов фактически является процессом измерения. После определения величины и направления составляющих полного вектора магнитного поля определяют известными приемами (при необходимости) величину и направление полного вектора магнитного поля

При нахождении маятника 1 в строго вертикальнои положении элемент 15 (или элемент 17) перекрывает путь световых лучей от направленных источников 24 и 25 света к фотоэлементам 26 и 27 соответственно. При этом исчезает сигнал (напряжение) на выходах фотоэлементов 26 и 27, что вызывает появление сигналов на выходах пороговых элементов 28 и 29. Эти сигналы, пройдя через логический элемент ИЛИ 30, поступают на управляемые дходы ключей 22 и 23 и вызывают их

1064250

Фиу. 2

Замыкание. Таким ббразом, измерительныее цепи, в которые включены полупроводниковые диски 2 и 3, оказываются замкнутыми для токов измерительных сигналов, Величина этих токов (при заведомо известных и постоянных величинах напряжений генераторов 18 и 19) зависит. исключительно от величины сопротивленйя соответствукщего полупроводникового диска 2 и 3. В указанный момент величина сопротивления диска 2 определяется величиной горизонтальной составляющей магнитного поля, а величина сопротивления диска

3 - величиной вертикальной составляющей магнитного поля, причем чем боль-15 ше величины этих составляющих, тем больше сопротивления дисков 2 и 3, включенных в цепи измерительных сигналов.

При выходе маятника 1 из строго Я вертикального положения световые лучи от источников 24 и 25 света поступают на фотоэлементы 26 и 27 соответственно, на их выходах появляются сигналы, которые поступая на g$ входы пороговых элементов 28 и 29, вызывают исчезновение сигналов на их выходах и, соответственно, на выходе логического элемента ИЛИ 30„

Это приводит к тому, что на управ- з(1 ляющих входах ключей 22 и 23 исчезают сигналы, ключи 22 н 23 размыкаются, и ток перестает протекать по измерительным цепям.

Таким образом, измерители 20 и

21 тока фиксируют токи, соответствующие ToabKo заданному для измерения чоложенню чувствительного. элемента

ВНИИПИ Заказ. 10527/48

Тираж 710 Подписное

Филиал IIIII "Патент", r.Óæãîðîä,óë.Ïðîåêòíàÿ, 4 в пространстве Земли, когда каждый из взаимно перпендикулярных дисков 2 и 3 фиксирует только вертикальную и только горизонтальную составляющие магнитного поля соответственно.

Поэтому любые отклонения маятнака 1 от вертикального положения не вносят погрешности в результат измерения, так как в моменты отклонения маятника от вертикального направления цепи . снятия измерительной информации разомкнуты.

Индикацию измерителей 20 и 21 токов можно при необходимости выполнить с запоминанием н периодическим ее стиранием.

Фиксация укаэанного заданного по ложения чувствительного элемента с помощью двух взаимно перпендикулярных световых потоков обеспечивает рабртоспособность устройства при любых траекториях движения (качания в любых плоскостях) незакрепленногО конца маятника.

Технико-экономическая эффектив . ность изобретения заключается S создании быстродействующего практически безынерционного чувствительного элемента для измерения величин и направлений двух взаимно перпенди- . кулярных составляющих полного;вектора магнитного поля, позволяющих по" лучить (при необходимости) при обработке полученных данных извес ными приемами также величину модуля и направление самого полного векто- ра магнитного поля. Это позволяет, при меньшем количестве датчиков. получить большой объем информации.