RU183446U1 - Small Thin Film Gradient - Google Patents

Abstract

Малогабаритный тонкопленочный градиентометр предназначен для измерения градиентов слабых магнитных полей в широкой полосе частот. Устройство может применяться при проведении магниторазведочных работ, магнитной дефектоскопии, поиске массивных ферромагнитных объектов, в исследовании магнитных полей биологических объектов и т.д. На основании размещены два или более одно- двух- или трехкомпонентных магнитометра с чувствительными элементами на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками. Сигналы магнитометров поступают на разностный блок, который формирует выходной сигнал градиентометра. Технический результат заключается в расширении полосы частот градиентометра при сохранении высокой чувствительности. 1 ил.

Small-sized thin-film gradiometer is designed to measure the gradients of weak magnetic fields in a wide frequency band. The device can be used for magnetic exploration, magnetic flaw detection, the search for massive ferromagnetic objects, in the study of the magnetic fields of biological objects, etc. Two or more one-, two- or three-component magnetometers with sensitive elements based on microstrip resonators with thin magnetic films are placed on the base. The signals of the magnetometers are fed to a difference block, which forms the output signal of the gradiometer. The technical result consists in expanding the frequency band of the gradiometer while maintaining high sensitivity. 1 ill.

Description

Техническое решение относится к измерительной технике, а именно, предназначено для измерения градиентов слабых магнитных полей в широкой полосе частот.The technical solution relates to measuring technique, namely, it is intended for measuring the gradients of weak magnetic fields in a wide frequency band.

Известна конструкция градиентометра [патент США №6339328, опубликован 01.15.2002, МПК G01R 33/02], состоящего, по крайней мере, из двух датчиков магнитного поля (магнитометров), подключенных к разностному блоку, при этом как минимум у двух магнитометров направления максимальной чувствительности ориентированы соосно. В качестве датчиков магнитного поля могут быть использованы СКВИД-магнитометры, датчики Холла, феррозондовые магнитометры или магниторезистивные магнитометры. В цифровом виде реализованы алгоритмы адаптивной балансировки выходных сигналов магнитометров. Для измерения трех компонентов градиента магнитного поля градиентометр может содержать восемь магнитометров и набор из трех пар общих ортогональных колец Гельмгольца, включенных в цепь обратной связи, по одной паре колец на каждое направление х, у, z. Градиентометр также может использоваться для измерения компонентов градиента магнитного поля второго и более высокого порядка.A known design of the gradiometer [US patent No. 6339328, published 01.15.2002, IPC G01R 33/02], consisting of at least two magnetic field sensors (magnetometers) connected to the difference unit, while at least two directional sensors have a maximum sensitivity oriented coaxially. SQUID magnetometers, Hall sensors, fluxgate magnetometers or magnetoresistive magnetometers can be used as magnetic field sensors. In digital form, algorithms for adaptive balancing of the output signals of magnetometers are implemented. To measure the three components of the magnetic field gradient, the gradiometer may contain eight magnetometers and a set of three pairs of common Helmholtz orthogonal rings included in the feedback circuit, one pair of rings for each x, y, z direction. A gradient meter can also be used to measure second-order and higher-order magnetic field gradient components.

Известна конструкция градиентометра, имеющего в составе дополнительный магнитометр, предназначенный для реализации схемы вычитания постоянной составляющей магнитного поля из других магнитометров [патент США №5122744, опубликован 16.06.1992, МПК G01R 33/035]. Такой градиентометр имеет, по крайней мере, три векторных (трехкомпонентных) СКВИД-магнитометра. Градиентометр дополнительно включает опорный магнитометр, сигнал которого предназначен для компенсации постоянной составляющей магнитного поля, осуществляемой цепями обратной связи с компенсационными катушками. Такие конструкции могут измерять и градиенты более высокого порядка.A known design of a gradiometer, comprising an additional magnetometer, designed to implement a circuit for subtracting the constant component of the magnetic field from other magnetometers [US patent No. 5122744, published June 16, 1992, IPC G01R 33/035]. Such a gradiometer has at least three vector (three-component) SQUID magnetometers. The gradient meter additionally includes a reference magnetometer, the signal of which is designed to compensate for the constant component of the magnetic field carried out by feedback circuits with compensation coils. Such designs can also measure higher order gradients.

Недостатком известных конструкций является отсутствие возможности обеспечить одновременно высокую чувствительность градиентометра и широкую полосу частот с помощью предлагаемых магнитных датчиков. Как известно, при использовании в качестве чувствительных элементов градиентометра высокочувствительных СКВИД-магнитометров или феррозондовых магнитометров возможно достижение высокой чувствительности устройства только в ограниченном диапазоне частот - как правило, верхняя граничная частота не более 10 кГц. Кроме того, известным недостатком СКВИД-магнитометров является необходимость их охлаждения до криогенных температур, что значительно затрудняет их практическое использование. Широкая полоса частот реализуется при использовании в качестве чувствительных элементов градиентометра датчиков Холла или магниторезистивных магнитометров, однако чувствительность таких устройств низкая.A disadvantage of the known designs is the lack of the ability to provide both high sensitivity gradiometer and a wide frequency band using the proposed magnetic sensors. As you know, when using highly sensitive SQUID magnetometers or fluxgate magnetometers as sensitive elements of the gradiometer, it is possible to achieve high sensitivity of the device only in a limited frequency range - as a rule, the upper cutoff frequency is not more than 10 kHz. In addition, a known drawback of SQUID magnetometers is the need for their cooling to cryogenic temperatures, which greatly complicates their practical use. A wide frequency band is realized when Hall sensors or magnetoresistive magnetometers are used as sensitive elements of a gradiometer, however, the sensitivity of such devices is low.

Известна конструкция трехкомпонентного градиентометра, работающего при комнатной температуре [1]. Устройство содержит трехкомпонентные феррозондовые магнитометры, не требующие охлаждения до криогенных температур. В конструкции реализована цепь обратной связи с компенсационными катушками и дополнительным магнитометром, сигнал которого используется для вычитания постоянной составляющей магнитного поля. Описанный градиентометр взят за прототип заявленного технического решения.A known design of a three-component gradiometer operating at room temperature [1]. The device contains three-component flux-gate magnetometers that do not require cooling to cryogenic temperatures. The design includes a feedback circuit with compensation coils and an additional magnetometer, the signal of which is used to subtract the constant component of the magnetic field. The described gradiometer is taken as a prototype of the claimed technical solution.

Недостатком прототипа является его относительно низкая чувствительность, обусловленная высоким уровнем шумов используемых в его конструкции феррозондовых магнитометров. Кроме того, феррозондовые магнитометры имеют узкую полосу рабочих частот, как правило, верхняя граничная частота которых не более 10 кГц.The disadvantage of the prototype is its relatively low sensitivity, due to the high noise level used in its design of flux-gate magnetometers. In addition, flux-gate magnetometers have a narrow band of operating frequencies, as a rule, the upper cutoff frequency of which is not more than 10 kHz.

Заявляемое техническое решение устраняет отмеченные недостатки путем расширения полосы рабочих частот и повышения его чувствительности за счет использования высокочувствительных высокочастотных магнитных датчиков (магнитометров) на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками [2], также достоинствами данной конструкции являются низкая стоимость, высокая технологичность и малые габариты и масса.The claimed technical solution eliminates the noted drawbacks by expanding the operating frequency band and increasing its sensitivity through the use of highly sensitive high-frequency magnetic sensors (magnetometers) based on a microstrip resonator with thin magnetic films [2], also the advantages of this design are low cost, high manufacturability and small dimensions and mass.

Поставленная задача решается за счет того, что в заявляемом малогабаритном тонкопленочном градиентометре содержится разностный блок и два или более одно- двух- или трехкомпонентных магнитометра, разнесенных на некоторое расстояние в пространстве, направления максимальной чувствительности как минимум двух из них направлены соосно. В качестве магнитометров градиентометра используются датчики слабых магнитных полей на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками [2].The problem is solved due to the fact that the claimed small-sized thin-film gradiometer contains a difference block and two or more one-two- or three-component magnetometers spaced a certain distance in space, the directions of maximum sensitivity of at least two of them are directed coaxially. Sensors of weak magnetic fields based on a microstrip resonator with thin magnetic films are used as gradiometer magnetometers [2].

Конструкция устройства поясняется чертежом (фиг. 1). Тонкопленочный градиентометр содержит: основание (1); чувствительные элементы двух магнитометров - тонкие магнитные пленки (2), размещаемые в микрополосковых резонаторах на печатной плате (3); СВЧ-генераторы (4) сигналов накачки резонаторов; системы из постоянных магнитов (5), формирующие постоянные магнитные поля смещения; компенсационные схемы измерения, включающие компенсационные катушки (6); разностный блок градиентометра (7). Сигналы с выходов магнитометров поступают на разностный блок. Выходной сигнал разностного блока является выходным сигналом градиентометра.The design of the device is illustrated in the drawing (Fig. 1). Thin-film gradiometer contains: base (1); the sensitive elements of two magnetometers are thin magnetic films (2) placed in microstrip resonators on a printed circuit board (3); Microwave generators (4) resonator pump signals; Permanent magnet systems (5) forming permanent magnetic displacement fields; compensation measuring schemes, including compensation coils (6); differential block gradiometer (7). The signals from the outputs of the magnetometers are fed to the difference block. The output signal of the difference block is the output signal of the gradiometer.

Устройство работает следующим образом. Малогабаритный тонкопленочный градиентометр помещается в область с градиентом магнитного поля. Выходные сигналы магнитометров градиентометра поступают на разностный блок, который вычисляет значение разности напряженности магнитного поля, измеренного в точках размещения магнитометров. Так как магнитометры градиентометра размещены на некотором расстоянии в пространстве с различной величиной напряженности магнитного поля, на выходе разностного блока присутствует разностный сигнал. Отношение разностного сигнала к расстоянию между магнитометрами (базе градиентометра) является искомой величиной градиента магнитного поля. В случае, когда градиентометр помещается в область однородного магнитного поля, выходные сигналы магнитометров равны и взаимно компенсируются на разностном блоке, т.е. градиент магнитного поля отсутствует. Малогабаритный тонкопленочный градиентометр имеет высокую чувствительность и может измерять сигналы в широкой полосе частот, в соответствие с чувствительностью и полосой частот магнитометров на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками.The device operates as follows. A small-sized thin-film gradiometer is placed in an area with a magnetic field gradient. The output signals of the gradiometer magnetometers are fed to a difference block, which calculates the difference in the magnetic field strength measured at the points of placement of the magnetometers. Since the gradiometer magnetometers are placed at a certain distance in space with different magnitudes of the magnetic field strength, a difference signal is present at the output of the difference block. The ratio of the difference signal to the distance between the magnetometers (the base of the gradiometer) is the desired value of the magnetic field gradient. In the case when the gradiometer is placed in the region of a uniform magnetic field, the output signals of the magnetometers are equal and mutually compensated on the difference block, i.e. there is no magnetic field gradient. Small-sized thin-film gradiometer has a high sensitivity and can measure signals in a wide frequency band, in accordance with the sensitivity and frequency band of magnetometers based on a microstrip resonator with thin magnetic films.

Список источниковList of sources

1. Koch, R.Н. Room temperature three sensor magnetic field gradiometer / R.H. Koch, G.A. Keefe, G. Allen // Review of Scientific Instruments, - 1996. - Vol. 67. - №1. - P. 230-235.1. Koch, R.N. Room temperature three sensor magnetic field gradiometer / R.H. Koch, G.A. Keefe, G. Allen // Review of Scientific Instruments, - 1996. - Vol. 67. - No. 1. - P. 230-235.

2. Беляев Б.А., Бабицкий A.H., Лексиков А.А., Сержантов A.M. / Патент РФ №2536083, опубл. 20.12.2014, бюл. №35.2. Belyaev B.A., Babitsky A.H., Lexikov A.A., Sergeants A.M. / RF patent No. 2536083, publ. 12/20/2014, bull. Number 35.

Claims (1)

Малогабаритный тонкопленочный градиентометр, содержащий разностный блок и два или более одно- двух- или трехкомпонентных магнитометра, разнесенных на некоторое расстояние в пространстве, направления максимальной чувствительности как минимум двух из них направлены соосно, отличающийся тем, что в качестве магнитометров градиентометра используются датчики слабых магнитных полей на основе микрополоскового резонатора с тонкими магнитными пленками.A small-sized thin-film gradiometer containing a difference unit and two or more one- two- or three-component magnetometers spaced a certain distance in space, the directions of maximum sensitivity of at least two of them are directed coaxially, characterized in that weak magnetic field sensors are used as magnetometer gradiometers based on a microstrip resonator with thin magnetic films.

Images