RU2091806C1

RU2091806C1 - Gradiometer

Info

Publication number: RU2091806C1
Application number: RU94041716A
Authority: RU
Inventors: Борис Михайлович Смирнов
Original assignee: Борис Михайлович Смирнов
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 1997-09-27
Also published as: RU94041716A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention is meant for measurement with the aid of one of sensors of homogeneous magnetic field directed along collinear axes of sensors and its compensation in another sensor, for isolation and compensation of false signal of difference of vectors of magnetic induction oriented along collinear axes of both sensors which ensures exclusion of influence of homogeneous magnetic field oriented along above-mentioned axes on result of measurement of gradient of magnetic induction. Measurement of components of vectors of magnetic induction along two mutually orthogonal axes of two sensors with the aid of these sensors provides for compensation of false signal of difference of vectors of magnetic induction caused by noncollinearity of two other axes of these sensors in case of existence of homogeneous magnetic field oriented perpendicular to axis collinearly to which two axes of sensors should be oriented. As result of this influence of this homogeneous magnetic field on measurement result is excluded. EFFECT: enhanced accuracy of measurement. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для поиска кабельных линий с током, утерянных трубопроводов и буров в геологических скважинах, обнаружения дефектов печатных плат, поиска ферромагнитных предметов в теле человека, для обнаружения скрытого оружия на контрольных пунктах и т.д. The invention relates to the field of measurement technology and is intended to search for cable lines with current, lost pipelines and drills in geological wells, to detect defects in printed circuit boards, to search for ferromagnetic objects in the human body, to detect hidden weapons at checkpoints, etc.

Известен магнитный градиентометр с компенсацией несоосностей (пат. США N 3488579, кл. 324-43, G 01 R 33/02, 1970), содержащий два основных магниточувствительных датчика, оси которых приблизительно коллинеарны выбранной оси, два дополнительных магниточувствительных датчика, оси которых перпендикулярны друг другу и упомянутой выбранной оси, генератор переменной ЭДС, первый выход которого подключен ко входам основных и дополнительных датчиков, три усилительно-преобразовательных блока, первые входы которых подключены ко второму выходу генератора переменной ЭДС, второй и третий входы первого усилительно-преобразовательного блока подключены к соответствующим выходам основных датчиков, а вторые входы второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков подключены к выходам соответствующих дополнительных датчиков, два резистора, две катушки компенсации, одна из которых подключена через первый резистор к выходу второго усилительно-преобразовательного блока, а вторая катушка компенсации подключена через второй резистор к выходу третьего усилительно-преобразовательного блока, и регистрирующий прибор, подключенный к выходу первого усилительно-преобразовательного блока, при этом катушки компенсации размещены на соответствующих основных датчиках соосно с их осями. Known magnetic gradiometer with misalignment (US Pat. US N 3488579, CL 324-43, G 01 R 33/02, 1970), containing two main magnetosensitive sensors, the axes of which are approximately collinear to the selected axis, two additional magnetosensitive sensors, the axes of which are perpendicular each other and the selected axis mentioned, a variable EMF generator, the first output of which is connected to the inputs of the main and additional sensors, three amplifier-converter blocks, the first inputs of which are connected to the second output of the alternator This EMF, the second and third inputs of the first amplifier-converter block are connected to the corresponding outputs of the main sensors, and the second inputs of the second and third amplifier-converter blocks are connected to the outputs of the corresponding additional sensors, two resistors, two compensation coils, one of which is connected through the first resistor to the output of the second amplifier-converter unit, and the second compensation coil is connected through the second resistor to the output of the third amplifier-converter unit, and p gistriruyuschy device connected to the output of the first amplifying and transducing unit, wherein the compensation coils are arranged on respective principal sensors with their axes coaxially.

Известное устройство работает следующим образом. На входы четырех магниточувствительных датчиков, в частности феррозондов, подается с генератора переменной ЭДС напряжение, возбуждающее эти датчики. В результате этого на выходе каждого датчика появляется ЭДС второй гармоники, пропорциональная проекции вектора магнитной индукции на магнитную ось соответствующего датчика (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л. Энергоатомиздат, 1986, с.66). Выходные сигналы с основных датчиков подаются на второй и третий входы первого усилительно-преобразовательного блока. Первый усилительно-преобразовательный блок осуществляет вычитание поступающих на его входы сигналов, а затем усиление и детектирование разностного сигнала, пропорционального градиенту магнитной индукции, который далее поступает на регистрирующий прибор. Выходные сигналы с дополнительных датчиков усиливаются и детектируются в соответствующих втором и третьем усилительно-преобразовательных блоках. Сигнал с выхода второго усилительно-преобразовательного блока пропорционален проекции вектора магнитной индукции на ось первого дополнительного датчика, а сигнал с выхода третьего усилительно-преобразовательного блока пропорционален вектору магнитной индукции на ось второго дополнительного датчика. Один из резисторов, подключенный к выходу второго усилительно-преобразовательного блока и к катушке компенсации, размещенной на первом основном датчике, обеспечивает такой ток, протекающий в упомянутой катушке, чтобы она воспроизводила магнитное поле равное по величине и противоположное по направлению ложному градиенту магнитного поля, обусловленного непараллельностью осей основных датчиков при наличии однородного магнитного поля, действующего параллельно оси первого дополнительного датчика. Другой резистор, подключенный к выходу третьего усилительно-преобразовательного блока и к катушке компенсации, размещенной на втором основном датчике, обеспечивает такой ток, протекающий в этой катушке, чтобы она воспроизводила магнитное поле равное по величине и противоположное по направлению ложному градиенту магнитного поля, обусловленного непараллельностью осей основных датчиков при наличии однородного магнитного поля, действующего параллельно оси второго дополнительного датчика. The known device operates as follows. The inputs of four magnetosensitive sensors, in particular flux-gates, are supplied with a voltage that excites these sensors from a variable emf generator. As a result of this, the second harmonic emf appears at the output of each sensor, which is proportional to the projection of the magnetic induction vector onto the magnetic axis of the corresponding sensor (Afanasyev Yu.V. Fluxgate devices. L. Energoatomizdat, 1986, p.66). The output signals from the main sensors are fed to the second and third inputs of the first amplification-conversion unit. The first amplifier-converter unit subtracts the signals arriving at its inputs, and then amplifies and detects a difference signal proportional to the magnetic induction gradient, which is then fed to the recording device. The output signals from additional sensors are amplified and detected in the corresponding second and third amplification-conversion blocks. The signal from the output of the second amplifier-converter unit is proportional to the projection of the magnetic induction vector on the axis of the first additional sensor, and the signal from the output of the third amplifier-converter unit is proportional to the magnetic induction vector on the axis of the second additional sensor. One of the resistors connected to the output of the second amplifier-converter unit and to the compensation coil located on the first main sensor provides such a current flowing in the said coil that it reproduces a magnetic field equal in magnitude and opposite in direction to the false gradient of the magnetic field due to the non-parallelism of the axes of the main sensors in the presence of a uniform magnetic field acting parallel to the axis of the first additional sensor. Another resistor connected to the output of the third amplifier-converter unit and to the compensation coil located on the second main sensor provides such a current flowing in this coil that it reproduces a magnetic field equal in magnitude and opposite in direction to the false gradient of the magnetic field due to the non-parallelism axes of the main sensors in the presence of a uniform magnetic field acting parallel to the axis of the second additional sensor.

Известным устройством невозможно измерить слабый градиент магнитной индукции из-за неидентичности чувствительностей основных магнито-чувствительных датчиков при наличии сильного однородного магнитного поля, в частности, геомагнитного поля, действующего в направлении осей основных датчиков. Так, например, даже при неидентичности чувствительностей основных датчиков 2•10^-5, что составляет тысячную долю процента в магнитном поле Земли 5•10⁴ нТл, погрешность измерения разности магнитной индукции для основных датчиков составит ±1 нТл. Это значит, что для градиентного включения датчиков упомянутых магнитометров погрешность измерения разностного сигнала может быть вдвое больше.It is impossible to measure a weak gradient of magnetic induction by the known device due to the non-identical sensitivity of the main magnetically sensitive sensors in the presence of a strong uniform magnetic field, in particular, a geomagnetic field acting in the direction of the axes of the main sensors. So, for example, even when the sensitivity of the main sensors is not identical 2 · 10 ^-5 , which is one thousandth of a percent in the Earth’s magnetic field, 5 · 10 ⁴ nT, the error in measuring the difference in magnetic induction for the main sensors will be ± 1 nT. This means that for the gradient inclusion of the sensors of the mentioned magnetometers, the error in measuring the difference signal can be twice as large.

Известно устройство для измерения магнитного поля (Авт.св. N 662885, БИ N 18, 1979), которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Известное устройство состоит из генератора переменной ЭДС, трех синхронных детекторов (усилительно-преобразовательных блоков), первые входы которых подключены к первому выходу генератора переменной ЭДС, двух двухкомпонентных магниточувствительных датчиков, одни оси которых коллинеарны, а вторые оси взаимно ортогональны, двух резисторов, двух катушек компенсации, первый вывод одной из которых подключен через первый резистор к выходу первого усилительно-преобразовательного блока, а первый вывод второй катушки компенсации подключен через второй резистор к выходу второго усилительно-преобразовательного блока, и регистрирующего прибора, подключенного к выходу третьего усилительно-преобразовательного блока. Вторые выводы обеих катушек компенсации подключены к общему контакту данного устройства, вторые входы первого и второго усилительно-преобразовательных блоков подключены к первым сигнальным выходам векторов магнитной индукции соответственно первого и второго датчиков, ориентированных по направлениям взаимно ортогональных осей упомянутых датчиков, второй и третий входы третьего усилительно-преобразовательного блока подключены ко вторым сигнальным выходам векторов магнитной индукции соответственно первого и второго датчиков, ориентированных по направлениям коллинеарных осей этих датчиков, входы обоих датчиков подключены ко второму выходу генератора переменной ЭДС, при этом оба магниточувствительных датчика установлены внутри помещенных одна в другой катушек компенсации, оси которых взаимно ортогональны. Коллинеарные оси датчиков перпендикулярны осям катушек компенсации, а взаимно ортогональные оси упомянутых датчиков параллельны соответствующим осям этих катушек. A device for measuring a magnetic field is known (Auth. St. N 662885, BI N 18, 1979), which, by the set of essential features, is closest to the proposed one and is taken as a prototype. The known device consists of a variable EMF generator, three synchronous detectors (amplifier-converter blocks), the first inputs of which are connected to the first output of the variable EMF generator, two two-component magnetosensitive sensors, one axis of which is collinear, and the second axis mutually orthogonal, two resistors, two coils compensation, the first output of one of which is connected through the first resistor to the output of the first amplifier-converter unit, and the first output of the second compensation coil is connected through cutting a second resistor to the output of the second amplifier-converter unit, and a recording device connected to the output of the third amplifier-converter unit. The second terminals of both compensation coils are connected to the common contact of this device, the second inputs of the first and second amplification-converter blocks are connected to the first signal outputs of the magnetic induction vectors of the first and second sensors, respectively, oriented along the directions of the mutually orthogonal axes of the sensors, the second and third inputs of the third amplifier of the conversion unit are connected to the second signal outputs of the magnetic induction vectors of the first and second sensors, respectively ted in the directions collinear axes of these sensors, both sensors inputs connected to the second output variable generator emf, the two magnetosensitive sensor installed inside the one placed in the other compensation coils whose axes are mutually orthogonal. The collinear axes of the sensors are perpendicular to the axes of the compensation coils, and the mutually orthogonal axes of the said sensors are parallel to the corresponding axes of these coils.

Известное устройство работает следующим образом. На вторые входы обоих двухкомпонентных датчиков, у которых магниточувствительные элементы выполнены, например, в виде рамок или колец с взаимно ортогональными плоскостями, подается с генератора переменной ЭДС возбуждающее напряжение. В результате этого на первых сигнальных выходах векторов магнитной индукции каждого датчика появляются напряжения второй гармоники, пропорциональные значениям векторов магнитной индукции, ориентированных по направлениям взаимно ортогональных осей этих датчиков. На вторых сигнальных выходах векторов магнитной индукции каждого датчика появляются напряжения второй гармоники, пропорциональные значениям векторов магнитной индукции, ориентированных по направлению коллинеарных осей этих датчиков. Таким образом, сигнал с первого выхода первого датчика, пропорциональный вектору магнитной индукции, перпендикулярному плоскости рамки или кольца второго датчика, подается на второй вход первого усилительно-преобразовательного блока, а сигнал с первого выхода второго датчика, пропорциональный вектору магнитной индукции, перпендикулярному плоскости рамки или кольца первого датчика, подается на второй вход второго усилительно-преобразовательного блока. Сигналы же со вторых выходов обоих датчиков, пропорциональные векторам магнитной индукции, ориентированных по направлению коллинеарных осей этих датчиков, подаются соответственно на второй и третий входы третьего усилительно-преобразовательного блока. Для выпрямления сигналов с трех усилительно-преобразовательных блоков, полярность которых изменялась бы с изменением направления вектора магнитной индукции на угол 180^o, на первые входы упомянутых усилительно-преобразовательных блоков подается напряжение с генератора переменной ЭДС. Выходной сигнал с первого усилительно-преобразовательного блока поступает на первую катушку компенсации через первый резистор, а выходной сигнал со второго усилительно-преобразовательного блока поступает на вторую катушку компенсации через второй резистор. Протекающие токи в катушках компенсации создают магнитное поле, вектор магнитной индукции которого равен по величине и противоположен по направлению вектору магнитной индукции, ориентированному перпендикулярно коллинеарным осям датчиков. Выходной сигнал с выхода третьего усилительно-преобразовательного блока, пропорциональный разности векторов магнитной индукции, ориентированных по направлению коллинеарных осей датчиков, подается на регистрирующий прибор. Этот сигнал с учетом расстояния между датчиками градуируется в сигнал, пропорциональный пространственной производной вектора магнитной индукции, то есть пропорциональный градиенту магнитной индукции.The known device operates as follows. The second inputs of both two-component sensors, in which the magnetically sensitive elements are made, for example, in the form of frames or rings with mutually orthogonal planes, an exciting voltage is supplied from a variable emf generator. As a result of this, the second harmonic voltages proportional to the values of the magnetic induction vectors oriented along the directions of the mutually orthogonal axes of these sensors appear at the first signal outputs of the magnetic induction vectors of each sensor. At the second signal outputs of the magnetic induction vectors of each sensor, second-harmonic voltages appear proportional to the values of the magnetic induction vectors oriented in the direction of the collinear axes of these sensors. Thus, the signal from the first output of the first sensor, proportional to the vector of magnetic induction perpendicular to the plane of the frame or ring of the second sensor, is fed to the second input of the first amplification-conversion unit, and the signal from the first output of the second sensor is proportional to the vector of magnetic induction perpendicular to the plane of the frame or the ring of the first sensor is fed to the second input of the second amplification-conversion unit. The signals from the second outputs of both sensors are proportional to the magnetic induction vectors oriented in the direction of the collinear axes of these sensors, respectively, are fed to the second and third inputs of the third amplifier-converter block. To rectify the signals from three amplifier-converter blocks, the polarity of which would change with a change in the direction of the vector of magnetic induction by an angle of 180 ^o , the first inputs of the said converter-converter blocks are supplied with voltage from a variable emf generator. The output signal from the first amplifier-converter unit enters the first compensation coil through the first resistor, and the output signal from the second amplifier-converter unit enters the second compensation coil through the second resistor. The flowing currents in the compensation coils create a magnetic field whose magnetic induction vector is equal in magnitude and opposite in direction to the magnetic induction vector oriented perpendicular to the collinear axes of the sensors. The output signal from the output of the third amplifier-conversion unit, proportional to the difference of the magnetic induction vectors oriented in the direction of the collinear axes of the sensors, is fed to the recording device. This signal, taking into account the distance between the sensors, is graded into a signal proportional to the spatial derivative of the magnetic induction vector, that is, proportional to the gradient of magnetic induction.

Известным устройством, как и аналогом, невозможно измерить слабый градиент магнитной индукции из-за неидентичности чувствительностей датчиков, оси которых должны быть коллинеарны, при наличии сильного однородного магнитного поля, например, геомагнитного поля, действующего в направлении осей упомянутых датчиков. Так, например, даже при неидентичности чувствительностей упомянутых датчиков 2•10^-5, что составляет 0,002% в магнитном поле Земли 2•10⁴ нТл, погрешность измерения разности магнитной индукции может составить ±1 нТл. Это значит, что для градиентного включения датчиков упомянутых магнитометров погрешность измерения разностного сигнала может быть вдвое больше. Кроме того известным устройством невозможно обеспечить ослабление влияния сильного однородного магнитного поля, перпендикулярного коллинеарным осям датчиков, если диаметр или максимальная сторона каждой катушки компенсации незначительно превышает максимальное расстояние (базу градиентометра) между магниточувствительными элементами двух датчиков, что обусловлено наличием сильного неоднородного магнитного поля, воспроизводимого этими катушками в местах расположения датчиков. Неоднородность магнитного поля в объеме магниточувствительного элемента датчика приводит к возникновению ложного сигнала с его выхода, а, следовательно, и к ложному градиенту магнитного поля (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л. Энергоатомиздат, 1986, с.74-79). Так, например, у образцовой меры магнитной индукции первого разряда, со стороной квадратичной катушки, которую обозначим через l, неоднородность воспроизводимого магнитного поля составляет примерно 1% на расстоянии 0,3l от центра этих катушек. Кроме того, незначительная ассиметрия датчиков относительно центра катушек компенсации приводит к ложному градиенту магнитной индукции. Таким образом, известное устройство не обеспечивает измерение слабой разности векторов магнитной индукции, а, следовательно, и малых значений градиента магнитной индукции при наличии сильного однородного магнитного поля, например, магнитного поля Земли, ориентированного перпендикулярно коллинеарным осям датчиков. Увеличение размеров катушек компенсации ослабляет влияние однородного магнитного поля, перпендикулярного коллинеарным осям датчиков, но увеличивает габариты магниточувствительного блока, состоящего из датчиков и катушек компенсации. Это ограничивает применение известного устройства, например, при измерении градиента магнитной индукции, когда упомянутый магниточувствительный блок должен носить человек, или при использовании данного технического решения в качестве дефектоскопа.A known device, like an analogue, it is impossible to measure a weak gradient of magnetic induction due to the non-identical sensitivity of the sensors, the axes of which must be collinear, in the presence of a strong uniform magnetic field, for example, a geomagnetic field, acting in the direction of the axes of the said sensors. So, for example, even if the sensitivities of the mentioned sensors are not identical 2 · 10 ^-5 , which is 0.002% in the Earth’s magnetic field, 2 · 10 ⁴ nT, the error in measuring the difference in magnetic induction can be ± 1 nT. This means that for the gradient inclusion of the sensors of the mentioned magnetometers, the error in measuring the difference signal can be twice as large. In addition, it is impossible to reduce the influence of a strong uniform magnetic field perpendicular to the collinear axes of the sensors if the diameter or maximum side of each compensation coil slightly exceeds the maximum distance (gradient meter base) between the magnetically sensitive elements of the two sensors, which is due to the presence of a strong inhomogeneous magnetic field reproduced by these devices. coils at the locations of the sensors. The inhomogeneity of the magnetic field in the volume of the magnetically sensitive element of the sensor leads to a false signal from its output, and, consequently, to a false gradient of the magnetic field (Afanasyev Yu.V. Ferrozond devices. L. Energoatomizdat, 1986, pp. 74-79). So, for example, in the standard measure of magnetic induction of the first discharge, with the side of the quadratic coil, which we denote by l, the inhomogeneity of the reproduced magnetic field is about 1% at a distance of 0.3l from the center of these coils. In addition, a slight asymmetry of the sensors relative to the center of the compensation coils leads to a false gradient of magnetic induction. Thus, the known device does not provide a measurement of the weak difference of the magnetic induction vectors, and, consequently, of small values of the magnetic induction gradient in the presence of a strong uniform magnetic field, for example, the Earth’s magnetic field, oriented perpendicular to the collinear axes of the sensors. An increase in the size of the compensation coils weakens the influence of a uniform magnetic field perpendicular to the collinear axes of the sensors, but increases the dimensions of the magnetically sensitive unit, consisting of sensors and compensation coils. This limits the use of the known device, for example, when measuring the magnetic induction gradient, when the aforementioned magnetosensitive unit must be worn by a person, or when using this technical solution as a flaw detector.

Задачей предлагаемого изобретения является создание градиентометра, исключающего влияние однородного магнитного поля на измерение градиента магнитной индукции при неидентичности чувствительностей и неколлинеарности осей датчиков градиентометра независимо от того, изменяется направление упомянутого поля к датчикам или нет. Это обеспечивает измерение с высокой точностью слабых сигналов разностей проекций векторов магнитной индукции, пропорциональных градиенту магнитной индукции. Поставленная задача решается за счет автоматической компенсации ложного сигнала разности проекций векторов магнитной индукции, пропорционального ложному градиенту магнитной индукции, обусловленного наличием и изменением направления к датчикам градиентометра однородного магнитного поля, например, геомагнитного поля при неидентичности чувствительностей и неколлинеарности осей магниточувствительных датчиков. The objective of the invention is the creation of a gradiometer, eliminating the influence of a uniform magnetic field on the measurement of the magnetic induction gradient with non-identical sensitivities and non-collinearity of the axes of the gradiometer sensors, regardless of whether the direction of the said field to the sensors changes or not. This provides a high accuracy measurement of weak signals of the differences in the projections of the magnetic induction vectors, which are proportional to the magnetic induction gradient. The problem is solved by automatically compensating for the false signal of the difference in the projections of the magnetic induction vectors, which is proportional to the false gradient of the magnetic induction, due to the presence and change of direction to the gradiometer sensors of a uniform magnetic field, for example, a geomagnetic field with non-identical sensitivities and non-collinearity of the axes of magnetically sensitive sensors.

Предлагаемый градиентометр, содержащий генератор переменной ЭДС, три усилительно-преобразовательных блока, первые входы которых подключены к первому выходу генератора переменой ЭДС, два двухкомпонентных магниточувствительных датчика, одни оси которых коллинеарны, а вторые оси взаимно ортогональны, два резистора, две катушки компенсации, первый вывод одной из которых подключен через первый резистор к выходу первого усилительно-преобразовательного блока, а первый вывод второй катушки компенсации подключен через второй резистор к выходу второго усилительно-преобразовательного блока, второй вывод первой катушки компенсации подключен к общему контакту градиентометра, вторые входы первого и второго усилительно преобразовательных блоков подключены к первым сигнальным выходам векторов магнитной индукции соответственно первого и второго датчиков, ориентированных вдоль взаимно ортогональных осей упомянутых датчиков, второй вход третьего усилительно-преобразовательного блока подключен ко второму сигнальному выходу вектора магнитной индукции первого датчика, ориентированного вдоль коллинеарных осей этих датчиков, входы обоих датчиков подключены ко второму выходу генератора переменной ЭДС, и регистрирующий прибор, подключенный к выходу третьего усилительно-преобразовательного блока, снабжен четвертым усилительно-преобразовательным блоком, первый вход которого подключен к первому выходу генератора переменной ЭДС, а второй ко второму сигнальному выходу вектора магнитной индукции второго датчика, ориентированного вдоль коллинеарных осей обоих датчиков, третьим и четвертым резисторами, первый вывод третьего резистора подключен к первому выходу четвертого усилительно-преобразовательного блока, а второй ко второму выходу второй катушки компенсации, первые выводы обеих катушек компенсации подключены через четвертый резистор ко второму выходу четвертого усилительно-преобразовательного блока, первая и вторая катушки компенсации размещены соответственно на первом и втором датчиках, при этом оси упомянутых катушек совпадают с коллинеарными осями соответствующих датчиков. The proposed gradiometer containing a variable EMF generator, three amplifier-converter blocks, the first inputs of which are connected to the first output of the generator by an EMF variable, two two-component magnetosensitive sensors, one axis of which is collinear, and the second axis mutually orthogonal, two resistors, two compensation coils, the first output one of which is connected through the first resistor to the output of the first amplifier-converter unit, and the first output of the second compensation coil is connected through the second resistor to the output to the second amplifier-converter block, the second output of the first compensation coil is connected to the common contact of the gradiometer, the second inputs of the first and second amplifier-converter blocks are connected to the first signal outputs of the magnetic induction vectors of the first and second sensors, respectively, oriented along mutually orthogonal axes of the sensors, the second input the third amplifier-converter unit is connected to the second signal output of the magnetic induction vector of the first sensor, orient aligned along the collinear axes of these sensors, the inputs of both sensors are connected to the second output of the variable emf generator, and the recording device connected to the output of the third amplifier-converter unit is equipped with a fourth amplifier-converter unit, the first input of which is connected to the first output of the variable emf generator, and the second to the second signal output of the magnetic induction vector of the second sensor, oriented along the collinear axes of both sensors, by the third and fourth resistors, the first the water of the third resistor is connected to the first output of the fourth amplifier-converter unit, and the second to the second output of the second compensation coil, the first outputs of both compensation coils are connected through the fourth resistor to the second output of the fourth amplifier-converter unit, the first and second compensation coils are respectively located on the first and the second sensors, while the axis of the coils coincide with the collinear axes of the respective sensors.

Измерение в предлагаемом устройстве с помощью одного из датчиков однородного магнитного поля, направленного вдоль коллинеарных осей датчиков и компенсация его в другом датчике, а также выделение и компенсация ложного сигнала разности векторов магнитной индукции, ориентированных вдоль коллинеарных осей обоих датчиков, обусловленного неидентичностью чувствительностей датчиков, обеспечивает исключение влияния однородного магнитного поля, ориентированного вдоль коллинеарных осей датчиков, на результат измерения градиента магнитной индукции. Measurement in the proposed device using one of the sensors of a uniform magnetic field directed along the collinear axes of the sensors and its compensation in another sensor, as well as the selection and compensation of the false signal of the difference of the magnetic induction vectors oriented along the collinear axes of both sensors, due to the non-identical sensitivity of the sensors, provides elimination of the influence of a uniform magnetic field oriented along the collinear axes of the sensors on the measurement result of the magnetic gradient nduktsii.

Измерение с помощью двух датчиков составляющих векторов магнитной индукции вдоль двух взаимно ортогональных осей этих датчиков обеспечивает выделение и автоматическую компенсацию ложного сигнала разности векторов магнитной индукции, обусловленного неколлинеарностью двух других осей этих датчиков, при наличии однородного магнитного поля, ориентированного перпендикулярно оси, коллинеарно которой должны быть ориентированы две оси датчиков градиентометра. В результате этого исключается влияние упомянутого однородного магнитного поля на результат измерения градиента магнитной индукции. Measurement using two sensors of the components of the magnetic induction vectors along two mutually orthogonal axes of these sensors provides the separation and automatic compensation of the false signal of the difference of the magnetic induction vectors, due to the noncollinearity of the other two axes of these sensors, in the presence of a uniform magnetic field oriented perpendicular to the axis, which should be collinear two axes of the gradiometer sensors are oriented. As a result of this, the influence of the aforementioned uniform magnetic field on the measurement result of the magnetic induction gradient is excluded.

Следует отметить, что воспроизведение магнитной индукции, компенсирующей ложный сигнал разности векторов магнитной индукции, обусловленный неидентичностью чувствительностей и неколлинеарностью осей датчиков, осуществляется одной катушкой компенсации. It should be noted that the reproduction of magnetic induction, which compensates for the false signal of the difference in the magnetic induction vectors, due to the non-identical sensitivities and non-collinearity of the sensor axes, is carried out by one compensation coil.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в исключении влияния однородного магнитного поля, в частности геомагнитного поля на измерение градиента магнитной индукции при неидентичности чувствительностей и неколлинеарности осей датчиков градиентометра независимо изменяется или нет ориентация упомянутого однородного магнитного поля к датчикам. Thus, the technical result of the present invention consists in eliminating the influence of a uniform magnetic field, in particular a geomagnetic field, on the measurement of the magnetic induction gradient when the sensitivities are not identical and the axes of the gradiometer sensors are not collinear whether the orientation of the said uniform magnetic field to the sensors changes independently.

На фиг. 1 изображена структурная схема градиентометра; на фиг. 2 изображены сердечники магниточувствительных датчиков. In FIG. 1 shows a block diagram of a gradiometer; in FIG. 2 shows the cores of magnetosensitive sensors.

Предлагаемый градиентометр состоит (фиг. 1) из генератора переменной ЭДС 1, четырех усилительно-преобразовательных блоков 2-5, первые входы которых подключены к первому выходу генератора 1, двух двухкомпонентных магниточувствительных датчиков 6 и 7, одни оси которых коллинеарны, в частности, соосны с осью OY декартовой системы координат OXYZ, а вторые оси этих датчиков взаимно ортогональны, например, вторая ось датчика 6 параллельна оси OZ, а вторая ось датчика 7 параллельна оси ОХ, четырех резисторов 8-11, двух катушек компенсации 12-13 и регистрирующего прибора 14, подключенного к выходу блока 3. Первый вывод катушки 12 подключен через резистор 8 к выходу блока 2, а первый вывод катушки 13 подключен через резистор 9 к выходу блока 4. Второй вывод катушки 12 подключен к общему контакту градиентометра, а второй вывод катушки 13 подключен через резистор 10 к первому выходу блока 5, второй выход которого через резистор 11 подключен к первым выводам катушек 12 и 13. Вторые входы блоков 2 и 4 подключены к первым сигнальным выходам векторов магнитной индукции соответственно датчиков 6 и 7, ориентированных вдоль взаимно ортогональных осей упомянутых датчиков 6 и 7, то есть второй вход блока 2 подключен к выходу датчика 6, измеряющего вектор магнитной индукции, параллельный оси OZ, а второй вход блока 4 подключен к выходу датчика 7, измеряющего вектор магнитной индукции, параллельный оси ОХ. Вторые входы блоков 3 и 5 подключены ко вторым сигнальным выходам векторов магнитной индукции соответственно датчиков 6 и 7, ориентированных коллинеарно осям упомянутых датчиков 6 и 7, т.е. вторые входы блоков 3 и 5 подключены к выходам соответствующих датчиков 6 и 7, измеряющих вектора магнитной индукции соосные с осью OY декартовой системы координат OXYZ. Катушки 12 и 13 размещены соответственно на датчиках 6 и 7, при этом оси упомянутых катушек совпадают с коллинеарными осями соответствующих датчиков 6 и 7, т.е. оси катушек 12 и 13 соосны с осью OY. The proposed gradiometer consists (Fig. 1) of a variable EMF generator 1, four amplifier-converter blocks 2-5, the first inputs of which are connected to the first output of the generator 1, two two-component magnetosensitive sensors 6 and 7, one axis of which is collinear, in particular, coaxial with the OY axis of the Cartesian coordinate system OXYZ, and the second axis of these sensors are mutually orthogonal, for example, the second axis of the sensor 6 is parallel to the OZ axis, and the second axis of the sensor 7 is parallel to the OX axis, four resistors 8-11, two compensation coils 12-13 and a recording device 14 connected to the output of unit 3. The first output of coil 12 is connected through a resistor 8 to the output of unit 2, and the first output of coil 13 is connected through a resistor 9 to the output of unit 4. The second output of coil 12 is connected to a common contact of the gradiometer, and the second output the coils 13 are connected through a resistor 10 to the first output of block 5, the second output of which through a resistor 11 is connected to the first outputs of the coils 12 and 13. The second inputs of blocks 2 and 4 are connected to the first signal outputs of the magnetic induction vectors respectively 6 and 7, oriented in the l are mutually orthogonal axes of said sensors 6 and 7, that is, the second input of block 2 is connected to the output of the sensor 6 measuring the magnetic induction vector parallel to the OZ axis, and the second input of block 4 is connected to the output of the sensor 7 measuring the magnetic induction vector parallel to the OX axis . The second inputs of blocks 3 and 5 are connected to the second signal outputs of the magnetic induction vectors of the sensors 6 and 7, respectively, oriented collinearly to the axes of the said sensors 6 and 7, i.e. the second inputs of blocks 3 and 5 are connected to the outputs of the corresponding sensors 6 and 7, measuring the magnetic induction vector coaxial with the axis OY of the Cartesian coordinate system OXYZ. Coils 12 and 13 are respectively placed on sensors 6 and 7, while the axes of the said coils coincide with the collinear axes of the respective sensors 6 and 7, i.e. the axis of the coils 12 and 13 are aligned with the axis OY.

Предлагаемый градиентометр работает следующим образом. The proposed gradiometer works as follows.

На входы (фиг. 1) обоих двухкомпонентных датчиков 6 и 7, у которых магниточувствительные элементы выполнены, например, в виде рамок или колец 15 и 16 (фиг. 2) с взаимно ортогональными плоскостями, подается с генератора 1 возбуждающее напряжение. В результате этого на первых сигнальных выходах векторов магнитной индукции каждого датчика 6 и 7 (фиг. 1) появляются напряжения второй гармоники, пропорциональные значениям векторов магнитной индукции, ориентированных по направлениям взаимно ортогональных осей этих датчиков (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л. Энергоатомиздат, 1986, с.55, рис. 27б). На вторых сигнальных выходах векторов магнитной индукции каждого датчика 6 и 7 появляются напряжения второй гармоники, пропорциональные значениям векторов магнитной индукции, ориентированных по направлению коллинеарных осей этих датчиков. Таким образом, сигнал с первого выхода датчика 6, пропорциональный вектору магнитной индукции, перпендикулярному плоскости рамки или кольца 16 (фиг. 2) датчика 7 (фиг. 1), т.е. сигнал с первого выхода датчика 6, пропорциональный вектору магнитной индукции, параллельному оси OZ, подается на второй вход блока 2, а сигнал с первого выхода датчика 7, пропорциональный вектору магнитной индукции, перпендикулярному плоскости рамки или кольца 15 (фиг. 2) датчика 6 (фиг. 1), т.е. сигнал с первого выхода датчика 7, пропорциональный вектору магнитной индукции, параллельному оси ОХ, подается на второй вход блока 4. Сигналы же со вторых выходов датчиков 6 и 7, пропорциональные векторам магнитной индукции, ориентированных по направлению коллинеарных осей этих датчиков, т.е. соосно с осью OY, подаются соответственно на вторые входы блоков 3 и 5. Для выпрямления сигналов с блоков 2 и 5, полярность которых менялась бы с изменением направления вектора магнитной индукции на угол 180^o, на первые входы упомянутых блоков 2 и 5 подается напряжение с первого выхода генератора 1. Выходной сигнал с блока 5 через резистор 10 подается на последовательно и согласно включенные катушки компенсации 12 и 13. В результате этого канал, состоящий из датчика 7 с катушкой 13 и блока 5, охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю в направлении оси OY, действующему на датчик 7. Катушка 12, как и катушка 13, воспроизводит магнитное поле равное по величине и противоположное по направлению магнитному полю, измеренному датчиком 7, поэтому сигнал с выхода блока 3 пропорционален разности векторов магнитной индукции соосных с осью OY, измеренных датчиками 6 и 7. Однако даже при неидентичности постоянных катушек 12 и 13 равной 2•10^-5, что составляет 0,002% в магнитном поле Земли 5•10⁴ нТл, действующим вдоль оси OY, погрешность измерения разности магнитной индукции составляет ±1 нТл. Для исключения этого ложного сигнала напряжение со второго выхода блока 5, пропорциональное вектору магнитного поля соосного с осью OY, через резистор 11 подается на катушку 12. Резистор 11 обеспечивает такой ток в катушке 12, чтобы она воспроизводила магнитное поле равное по величине и противоположное по направлению ложному разностному сигналу магнитного поля, обусловленного наличием однородного магнитного поля, направленного вдоль оси OY, и неидентичностью постоянных катушек 12 и 13. Полярность напряжения со второго выхода блока 5 выбирается в зависимости от отношения постоянных катушек 12 и 13. Так, например, полярность напряжения со второго выхода блока 5 выбирается отрицательной, если отношение постоянной катушки 12 к постоянной катушке 13 больше единицы. Следовательно, в предлагаемом устройстве исключается влияние однородного магнитного поля, действующего по направлению оси OY, на измерение разности векторов магнитной индукции по направлению упомянутой оси, пропорциональной градиенту магнитного поля.At the inputs (Fig. 1) of both two-component sensors 6 and 7, in which the magnetically sensitive elements are made, for example, in the form of frames or rings 15 and 16 (Fig. 2) with mutually orthogonal planes, exciting voltage is supplied from the generator 1. As a result, at the first signal outputs of the magnetic induction vectors of each sensor 6 and 7 (Fig. 1), second-harmonic voltages appear proportional to the values of the magnetic induction vectors oriented along the directions of the mutually orthogonal axes of these sensors (Afanasyev Yu.V. Ferrozond devices. L. Energoatomizdat, 1986, p. 55, Fig. 27b). At the second signal outputs of the magnetic induction vectors of each sensor 6 and 7, second-harmonic voltages appear proportional to the values of the magnetic induction vectors oriented in the direction of the collinear axes of these sensors. Thus, the signal from the first output of the sensor 6 is proportional to the magnetic induction vector perpendicular to the plane of the frame or ring 16 (Fig. 2) of the sensor 7 (Fig. 1), i.e. the signal from the first output of sensor 6, proportional to the magnetic induction vector parallel to the OZ axis, is fed to the second input of block 2, and the signal from the first output of sensor 7, proportional to the vector of magnetic induction perpendicular to the plane of the frame or ring 15 (Fig. 2) of sensor 6 ( Fig. 1), i.e. the signal from the first output of the sensor 7, proportional to the magnetic induction vector parallel to the OX axis, is fed to the second input of block 4. The signals from the second outputs of the sensors 6 and 7 are proportional to the magnetic induction vectors oriented in the direction of the collinear axes of these sensors, i.e. coaxially with the OY axis, respectively, are applied to the second inputs of blocks 3 and 5. To rectify the signals from blocks 2 and 5, the polarity of which would change with a change in the direction of the magnetic induction vector by an angle of 180 ^o , a voltage is applied to the first inputs of the said blocks 2 and 5 the first output of the generator 1. The output signal from block 5 through the resistor 10 is fed to the compensation coils 12 and 13 connected in series and, as a result, the channel, consisting of a sensor 7 with a coil 13 and block 5, is covered by deep negative magnetic feedback In the direction of the OY axis, acting on the sensor 7. The coil 12, like the coil 13, reproduces a magnetic field equal in magnitude and opposite in direction to the magnetic field measured by the sensor 7, therefore, the signal from the output of block 3 is proportional to the difference of the magnetic induction vectors coaxial with the axis OY measured by sensors 6 and 7. However, even if the permanent coils 12 and 13 are not identical, equal to 2 • 10 ^-5 , which is 0.002% in the Earth’s magnetic field 5 • 10 ⁴ nT, acting along the OY axis, the error in measuring the difference in magnetic induction is ± 1 nTl. To eliminate this false signal, the voltage from the second output of block 5, which is proportional to the magnetic field vector coaxial with the OY axis, is supplied to the coil 12 through the resistor 11. The resistor 11 provides such a current in the coil 12 so that it reproduces a magnetic field of equal magnitude and opposite in direction false differential signal of the magnetic field due to the presence of a uniform magnetic field directed along the OY axis and the non-identity of the constant coils 12 and 13. The voltage polarity from the second output of block 5 is selected Depending on the ratio of permanent coils 12 and 13. For example, the polarity of the voltage output from the second unit 5 selected negative if a constant ratio of the coil 12 to the coil 13 constant greater than unity. Therefore, in the proposed device, the influence of a uniform magnetic field acting in the direction of the OY axis on the measurement of the difference of the magnetic induction vectors in the direction of the axis proportional to the magnetic field gradient is excluded.

Выходные сигналы с блоков 2 и 4 через соответствующие резисторы 8 и 9 поступают на катушку компенсации 12. Резистор 8 обеспечивает такой ток в катушке 12, чтобы она воспроизводила магнитное поле равное по величине и противоположное по направлению ложному разностному сигналу магнитного поля, обусловленного наличием однородного магнитного поля, направленного параллельно оси OZ, и несоосностью осей датчиков 6 и 7 с осью OY. Резистор 9 обеспечивает такой ток в катушке 12, чтобы она воспроизводила магнитное поле равное по величине и противоположное по направлению ложному разностному сигналу магнитного поля, обусловленного наличием однородного магнитного поля, направленного параллельно оси ОХ, и несоосностью осей датчиков 6 и 7 с осью OY. Следовательно, в предлагаемом устройстве исключается влияние однородного магнитного поля, действующего по направлению перпендикулярно оси OY, на измерение разности векторов магнитной индукции по направлению упомянутой оси OY, пропорциональной градиенту магнитного поля. The output signals from blocks 2 and 4 through the corresponding resistors 8 and 9 are fed to the compensation coil 12. The resistor 8 provides such a current in the coil 12 so that it reproduces a magnetic field of equal magnitude and opposite in direction to the false differential signal of the magnetic field due to the presence of a uniform magnetic field directed parallel to the OZ axis, and the misalignment of the axes of the sensors 6 and 7 with the axis OY. The resistor 9 provides such a current in the coil 12 so that it reproduces a magnetic field of equal magnitude and opposite in direction to the false differential signal of the magnetic field due to the presence of a uniform magnetic field directed parallel to the OX axis and the misalignment of the axes of the sensors 6 and 7 with the OY axis. Therefore, in the proposed device, the influence of a uniform magnetic field acting in the direction perpendicular to the OY axis on the measurement of the difference of the magnetic induction vectors in the direction of the said OY axis proportional to the magnetic field gradient is excluded.

Для реализации предлагаемого градиентометра могут быть использованы четыре однокомпонентных феррозондовых датчика с сердечниками типа "Рейс-трек" или два двухкомпонентных феррозондовых датчика с кольцевыми сердечниками, генератор переменной ЭДС и усилительно-преобразовательный блок, приведенные в работе (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л. Энергоатомиздат, 1986, с. 55, рис.2.7а,б, с.127-138, рис.53-56). To implement the proposed gradiometer, four one-component fluxgate sensors with Flight Track cores or two two-component fluxgate sensors with ring cores, a variable emf generator and an amplification-conversion unit described in (Afanasyev Yu.V. Ferrozond devices. L Energoatomizdat, 1986, p. 55, fig. 2.7a, b, p. 127-138, fig. 53-56).

Таким образом, предлагаемый градиентометр исключает влияние однородного магнитного поля, в частности, геомагнитного поля на измерение градиента магнитной индукции при неидентичности чувствительностей и неколлинеарности осей датчиков градиентометра независимо изменяется или нет ориентация упомянутого однородного магнитного поля к датчикам. Thus, the proposed gradiometer eliminates the influence of a uniform magnetic field, in particular, a geomagnetic field, on the measurement of the magnetic induction gradient when the sensitivities are not identical and the axes of the gradiometer sensors are not collinear whether or not the orientation of the said uniform magnetic field to the sensors changes.

Claims

Градиентометр, содержащий генератор переменной ЭДС, три усилительно-преобразовательных блока, первые входы которых подключены к первому выходу генератора переменной ЭДС, два двухкомпонентных магниточувствительных датчика, одни оси которых коллинеарны, а вторые оси взаимно ортогональны, два резистора, две катушки компенсации, первый вывод одной из которых подключен через первый резистор к выходу первого усилительно-преобразовательного блока, а первый вывод второй катушки компенсации подключен через второй резистор к выходу второго усилительно-преобразовательного блока, второй вывод первой катушки компенсации подключен к общему контакту градиентометра, вторые входы первого и второго усилительно-преобразовательных блоков подключены к первым сигнальным выходам векторов магнитной индукции соответственно первого и второго датчиков, второй вход третьего усилительно-преобразовательного блока подключен к второму сигнальному выходу вектора магнитной индукции первого датчика, ориентированного вдоль коллинеарных осей датчиков, входы обоих датчиков подключены к второму выходу генератора переменной ЭДС, и регистрирующий прибор, подключенный к выходу третьего усилительно-преобразовательного блока, отличающийся тем, что он снабжен четвертым усилительно-преобразовательным блоком, первый вход которого подключен к первому выходу генератора переменной ЭДС, а второй к второму сигнальному выходу вектора магнитной индукции второго датчика, ориентированного вдоль коллинеарных осей обоих датчиков, третьим и четвертым резисторами, первый вывод третьего резистора подключен к первому выводу четвертого усилительно-преобразовательного блока, а второй к второму выводу второй катушки компенсации, первые выводы обеих катушек компенсации подключены через четвертый резистор к второму выходу четвертого усилительно-преобразовательного блока, первая и вторая катушки компенсации размещены соответственно на первом и втором датчиках, при этом оси упомянутых катушек совпадают с коллинеарными осями соответствующих датчиков. A gradient meter containing a variable EMF generator, three amplifier-converter blocks, the first inputs of which are connected to the first output of the variable EMF generator, two two-component magnetosensitive sensors, one axis of which is collinear, and the second axis mutually orthogonal, two resistors, two compensation coils, the first output of one of which is connected through the first resistor to the output of the first amplifier-converter unit, and the first output of the second compensation coil is connected through the second resistor to the output of the second unit-converter unit, the second output of the first compensation coil is connected to a common contact of the gradiometer, the second inputs of the first and second amplifier-converter units are connected to the first signal outputs of the magnetic induction vectors of the first and second sensors, the second input of the third amplifier-converter unit is connected to the second signal the magnetic induction vector of the first sensor, oriented along the collinear axes of the sensors, the inputs of both sensors are connected to the second mu output of the variable emf generator, and a recording device connected to the output of the third amplification-conversion unit, characterized in that it is equipped with a fourth amplification-conversion unit, the first input of which is connected to the first output of the variable emf generator, and the second to the second signal output of the magnetic vector induction of the second sensor, oriented along the collinear axes of both sensors, by the third and fourth resistors, the first terminal of the third resistor is connected to the first terminal of the fourth force the converter and the second to the second terminal of the second compensation coil, the first terminals of both compensation coils are connected through the fourth resistor to the second output of the fourth amplifier and converter block, the first and second compensation coils are respectively located on the first and second sensors, while the axes of the said coils coincide with the collinear axes of the respective sensors.