RU2809738C1 - Method of bifactor excitation of fluxgates and modulator device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: method of bifactor excitation of fluxgates contains stages in which two physical processes are simultaneously initiated in the material of the core magnetic core - magnetic modulation transformation of the magnetic permeability of the material of the core-type magnetic circuit and the excitation of eddy currents in the near-surface layer of the core-type magnetic circuit, thereby carrying out a corresponding modulating effect on the measured magnetic field, and also exciting an acoustic field in the form of radial longitudinal waves, which carry out an additional acoustic modulation transformation of the magnetic permeability of the material of the core-type magnetic circuit, through which a corresponding modulating effect on the measured magnetic field is realized, in the structure of the material of the core-type magnetic circuit.

EFFECT: increased measurement accuracy, increased sensitivity and noise immunity.

8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различной магнитометрической аппаратуре для измерения параметров магнитного поля, например, при проведении геофизических и космических исследований, при разведке полезных ископаемых, а также при поиске металлических и/или металлосодержащих заглубленных объектов в виде подземных коммуникаций и сооружений (кабельных электролиний, трубопроводов, линий связи) или отдельных скрытых объектов (металлолома, мин, снарядов и т.п.).The invention relates to control and measuring equipment and can be used in various magnetometric equipment for measuring magnetic field parameters, for example, when conducting geophysical and space research, during mineral exploration, as well as when searching for metal and/or metal-containing buried objects in the form of underground utilities and structures (cable power lines, pipelines, communication lines) or individual hidden objects (scrap metal, mines, shells, etc.).

Для решения указанных задач широкое применение нашли ферроиндукционные преобразователи, которые различаются способом возбуждения их чувствительного элемента в виде ферромагнитного сердечника. Непосредственным параметром такого ферромагнитного сердечника, на который воздействует поле возбуждения, является его магнитная проницаемость.To solve these problems, ferroinduction converters have found widespread use, which differ in the way they excite their sensitive element in the form of a ferromagnetic core. The immediate parameter of such a ferromagnetic core, which is affected by the excitation field, is its magnetic permeability.

Известны три основных базовых способа возбуждения сердечника ферроиндукционного преобразователя: 1 - механическое; 2 - тепловое; 3 - магнитное (Афанасьев Ю.В. Средства измерений параметров магнитного поля. - Л.: Энергия. 1979, с. 195, рис. 9-1).There are three main basic methods of excitation of the core of a ferroinduction converter: 1 - mechanical; 2 - thermal; 3 - magnetic (Afanasyev Yu.V. Means for measuring magnetic field parameters. - L.: Energy. 1979, p. 195, Fig. 9-1).

На практике наиболее предпочтительным считается ферроиндукционный преобразователь с магнитным способом возбуждения, который принято называть феррозондом. Феррозонды состоят из двух основных функциональных узлов - 1) магнитного модулятора потока внешнего измеряемого магнитного поля; 2) регистратора ЭДС, индуцированной этим процессом.In practice, the most preferable is a ferroinductive converter with a magnetic excitation method, which is commonly called a fluxgate. Fluxgate probes consist of two main functional units - 1) a magnetic modulator of the flux of the external measured magnetic field; 2) a recorder of the EMF induced by this process.

Известен способ возбуждения феррозондов, заключающийся в том, что для изменения магнитного состояния ферромагнитного сердечника его модулятора на него воздействуют переменным магнитным полем, источником которого является переменный электрический ток многовитковой катушки возбуждения, охватывающей часть ферромагнитного сердечника, при этом переменный ток в многовитковой катушке возбуждения создают путем непосредственной передачи переменного электрического потенциала на один из концов ее электрической обмотки (Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергия, 1978, с. 6, рис. 1-1а). Данный способ является способом магнитного возбуждения феррозондов с использованием параллельных полей (измеряемое постоянное магнитное поле и вспомогательное переменное магнитное поле). Реализация данного способа основана на изменении под воздействием измеряемого магнитного поля магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, возбуждаемого переменным магнитным полем постоянной напряженности. Указанные изменения магнитной проницаемости, являющиеся проявлением магнитомодуляционного эффекта, отражаются в наведенной в измерительной обмотке феррозонда ЭДС, которая и является выходным информационным сигналом.A known method of exciting fluxgates consists in the fact that in order to change the magnetic state of the ferromagnetic core of its modulator, it is exposed to an alternating magnetic field, the source of which is the alternating electric current of a multi-turn excitation coil covering part of the ferromagnetic core, while the alternating current in the multi-turn excitation coil is created by direct transmission of alternating electric potential to one of the ends of its electrical winding (Semenov N.M., Yakovlev N.I. Digital fluxgate magnetometers. - L.: Energy, 1978, p. 6, Fig. 1-1a). This method is a method of magnetic excitation of fluxgates using parallel fields (measured constant magnetic field and auxiliary alternating magnetic field). The implementation of this method is based on a change, under the influence of a measured magnetic field, of the magnetic permeability of a ferromagnetic core excited by an alternating magnetic field of constant strength. These changes in magnetic permeability, which are a manifestation of the magnetomodulation effect, are reflected in the EMF induced in the measuring winding of the fluxgate, which is the output information signal.

Модулятор для реализации данного способа содержит ферромагнитный сердечник конечной длины, излучающую многовитковую катушку, охватывающую часть длины ферромагнитного сердечника, и измерительную обмотку (Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергия, 1978, с. 6, рис. 1-1а).The modulator for implementing this method contains a ferromagnetic core of finite length, a radiating multi-turn coil covering part of the length of the ferromagnetic core, and a measuring winding (Semyonov N.M., Yakovlev N.I. Digital fluxgate magnetometers. - L.: Energy, 1978, p. 6, Fig. 1-1a).

Недостаток известного способа и устройства модулятора заключается в том, что они не обеспечивают высокую чувствительность и точность измерения из-за низкой эффективности магнитомодуляционного эффекта, обусловленного использованием для модулирующего воздействия на измеряемое магнитное поле только вспомогательного переменного магнитного поля.The disadvantage of the known method and modulator device is that they do not provide high sensitivity and measurement accuracy due to the low efficiency of the magnetomodulation effect due to the use of only an auxiliary alternating magnetic field to modulate the measured magnetic field.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ возбуждения феррозондов и устройство модулятора для его реализации (Патент RU №2768528, G01V 3/00, 24.03.2022), принятый за прототип.The closest to the invention in terms of the totality of essential features is the method of excitation of fluxgates and the modulator device for its implementation (Patent RU No. 2768528, G01V 3/00, 03/24/2022), adopted as a prototype.

Известный способ возбуждения феррозондов заключается в том, что на стержневой магнитопровод его модулятора одновременно воздействуют возбуждающим переменным полем и подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем, которыми осуществляют модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, при этом в качестве источника подмагничивающего продольного постоянного магнитного поля используют постоянный магнит, а в качестве возбуждающего переменного поля используют поперечное переменное электрическое поле, которым воздействуют на постоянный магнит перпендикулярно его продольной оси таким образом, чтобы он стал источником эволюционирующего магнитоэлектрического эффекта, посредством которого во всем объеме стержневого магнитопровода возбуждают модулирующий физический процесс в виде стоячей магнитоэлектрической волны, создающей соответствующую магнитную модуляционную структуру во всем объеме стержневого магнитопровода, причем в качестве материала стержневого магнитопровода используют неэлектропроводящий ферромагнетик.A known method of exciting fluxgates is that the rod magnetic circuit of its modulator is simultaneously exposed to an exciting alternating field and a biasing longitudinal constant magnetic field, which modulates the measured magnetic field, while a permanent magnet is used as a source of the biasing longitudinal constant magnetic field, and as an exciting alternating field, a transverse alternating electric field is used, which acts on a permanent magnet perpendicular to its longitudinal axis in such a way that it becomes a source of an evolving magnetoelectric effect, through which a modulating physical process in the form of a standing magnetoelectric wave is excited throughout the entire volume of the rod magnetic circuit, creating a corresponding magnetic modulation structure throughout the entire volume of the core magnetic circuit, and a non-electrically conductive ferromagnet is used as the material of the core magnetic circuit.

Устройство модулятора для реализации данного способа содержит стержневой магнитопровода конечной длины, выполненный в виде двух соосных идентичных ферромагнитных стержневых полуэлементов, состыкованных между собой соосным дисковым постоянным магнитом соответствующей формы, излучающую С-антенну, состоящую из двух отдельных электродов в виде разрезных тонкостенных полуцилиндров, закрепленных симметрично на внешней поверхности тонкостенной диэлектрической цилиндрической втулки, охватывающей центральную часть длины стержневого магнитопровода, при этом сама излучающая С-антенна размещена коаксиально внутри диэлектрической цилиндрической втулки, на наружной поверхности которой расположен заземленный электрод в виде разрезного тонкостенного металлического цилиндра.The modulator device for implementing this method contains a magnetic core of finite length, made in the form of two coaxial identical ferromagnetic rod half-elements, coupled to each other by a coaxial disk permanent magnet of the appropriate shape, a radiating C-antenna, consisting of two separate electrodes in the form of split thin-walled half-cylinders, fixed symmetrically on the outer surface of a thin-walled dielectric cylindrical bushing, covering the central part of the length of the core magnetic circuit, while the radiating C-antenna itself is placed coaxially inside the dielectric cylindrical bushing, on the outer surface of which a grounded electrode in the form of a split thin-walled metal cylinder is located.

Недостатком известного способа возбуждения и устройства модулятора для его осуществления является относительно невысокая чувствительность и точность измерений в связи с использованием только магнитоэлектрического эффекта, а также низкая помехозащищенность, что сужает области их применения. Кроме того, данный способ предполагает применение в качестве материала стержневой ферромагнитной системы диэлектрические ферромагнетики, в которых существенно проявляется магнитоэлектрический эффект. Для наиболее широко распространенного класса токопроводящих ферро- и ферримагнетиков, в которых практически не наблюдается магнитоэлектрический эффект, известный способ возбуждения и устройство модулятора для его осуществления в принципе нереализуемы.The disadvantage of the known excitation method and the modulator device for its implementation is the relatively low sensitivity and accuracy of measurements due to the use of only the magnetoelectric effect, as well as low noise immunity, which narrows the scope of their application. In addition, this method involves the use of dielectric ferromagnets as the material of the ferromagnetic rod system, in which the magnetoelectric effect is significantly manifested. For the most widespread class of current-conducting ferro- and ferrimagnets, in which the magnetoelectric effect is practically not observed, the known excitation method and the modulator device for its implementation are in principle unrealizable.

Задачами изобретения является повышение точности измерения, увеличение чувствительности и помехоустойчивости.The objectives of the invention are to improve measurement accuracy, increase sensitivity and noise immunity.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе возбуждения феррозонда, заключающимся в том, что на стержневой магнитопровод его модулятора одновременно воздействуют возбуждающим переменным полем и подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем, которыми осуществляют модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, при этом в качестве источника подмагничивающего продольного постоянного магнитного поля используют постоянный магнит, согласно изобретению, в качестве материала стержневого магнитопровода модулятора используют электропроводящий магнитный материал, а в качестве возбуждающего переменного поля используют продольное переменное магнитное поле, которым на частоте электромеханического резонанса в материале стержневого магнитопровода одновременно инициируют два физических процесса - магнитомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода и возбуждение в приповерхностном слое стержневого магнитопровода вихревых токов, при этом за счет магнитомодуляционного преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода осуществляют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, а за счет электродинамического взаимодействия вихревых токов с подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем возбуждают в структуре материала стержневого магнитопровода акустическое поле в виде радиальных продольных волн, которым осуществляют дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, посредством которого реализуют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле. При этом продольное переменное магнитное поле в стержневом магнитопроводе возбуждают посредством конструктивного последовательного резонансного индуктивно-емкостного контура путем индукции соответствующего электрического потенциала на индуктивном компоненте этого контура переменным электрическим потенциалом, подаваемого через емкостной компонент этого контура от генератора относительно заземления.The problem is solved by the fact that in the known method of excitation of a fluxgate, which consists in the fact that the rod magnetic circuit of its modulator is simultaneously exposed to an exciting alternating field and a biasing longitudinal constant magnetic field, which exerts a modulating effect on the measured magnetic field, while serving as a source of biasing longitudinal a constant magnetic field is used, according to the invention, an electrically conductive magnetic material is used as the material of the modulator magnetic core core, and a longitudinal alternating magnetic field is used as the exciting alternating field, which simultaneously initiates two physical processes at the frequency of electromechanical resonance in the magnetic core core material - magnetic modulation transformation magnetic permeability of the material of the core magnetic circuit and excitation of eddy currents in the near-surface layer of the core magnetic circuit, while due to the magnetic modulation transformation of the magnetic permeability of the material of the core magnetic circuit, a corresponding modulating effect on the measured magnetic field is carried out, and due to the electrodynamic interaction of eddy currents with a magnetizing longitudinal constant magnetic field, they are excited in structure of the material of the core magnetic circuit, an acoustic field in the form of radial longitudinal waves, which carries out additional acoustomodulation transformation of the magnetic permeability of the material of the core magnetic circuit, through which a corresponding modulating effect on the measured magnetic field is realized. In this case, the longitudinal alternating magnetic field in the core magnetic circuit is excited by means of a constructive series resonant inductive-capacitive circuit by inducing the corresponding electric potential on the inductive component of this circuit by an alternating electric potential supplied through the capacitive component of this circuit from the generator relative to grounding.

В устройстве модулятора для возбуждения феррозондов, содержащем стержневой магнитопровод конечной длины, выполненный в виде идентичных соосных первого и второго магнитных сердечников, состыкованных между собой соосным дискообразным постоянным магнитом соответствующей формы, и излучающий дипольный элемент, согласно изобретению, излучающий дипольный элемент выполнен в виде проходной катушки, электрическая обмотка которой имеет первую и вторую секции, расположенные соответственно на первом и втором диэлектрических каркасах, пространственно симметрично разнесенных относительно постоянного магнита и имеющих возможность осевого перемещения, дополнительно содержит первый и второй металлические электроды в виде тонкостенных трубок с длиной, соизмеримой с длиной диэлектрических каркасов, и с прорезью вдоль образующей, установленные коаксиально на внутренней поверхности сквозных отверстий соответственно первого и второго диэлектрических каркасов, первый металлический электрод, расположенный между первой секцией обмотки проходной катушки и первым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочным слоем первой секции обмотки проходной катушки первый конструктивный конденсатор связи, второй металлический электрод, расположенный между второй секцией обмотки проходной катушки и вторым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочной слоем второй секции обмотки проходной катушки второй конструктивный конденсатор связи. При этом продольное переменное напряжение, формирующее ток возбуждения переменного магнитного поля, подается от генератора на первую и вторую секции обмотки проходной катушки соответственно через первый и второй конструктивные конденсаторы связи относительно точки заземления. Кроме того, продольное переменное магнитное поле создается в стержневом магнитопроводе посредством двухсекционной обмотки проходной катушки, каждая секция которой при работе устройства модулятора в составе феррозонда дополнительно выполняет измерительные функции. В качестве входов и сигнальных выходов секций катушки возбуждения относительно точки заземления используются соответственно одноименные выводы их электрических обмоток (их "начало"), а их "концы" имеют соответствующее заземление в виде общей точки соединения. Необходимый уровень симметрии в пространственном расположении проходных катушек и балансировка минимального уровня нулевого сигнала обеспечивается соответствующим осевым перемещением секций проходных катушек относительно постоянного магнита. При работе устройства модулятора в составе феррозонда, функционирующего в режиме полемера, секции обмотки проходной катушки имеют "встречное" пространственное расположение ("начало"-"начало"), а в случае функционирования феррозонда в режиме градиентомера секции обмотки проходной катушки должны иметь "согласное" пространственное расположение ("начало"-"конец").In a modulator device for exciting fluxgates containing a finite-length magnetic core made in the form of identical coaxial first and second magnetic cores coupled to each other by a coaxial disk-shaped permanent magnet of the appropriate shape, and a radiating dipole element, according to the invention, the radiating dipole element is made in the form of a feed-through coil , the electrical winding of which has first and second sections located respectively on the first and second dielectric frames, spatially symmetrically spaced relative to the permanent magnet and having the possibility of axial movement, additionally contains first and second metal electrodes in the form of thin-walled tubes with a length commensurate with the length of the dielectric frames , and with a slot along the generatrix, installed coaxially on the inner surface of the through holes of the first and second dielectric frames, respectively, the first metal electrode located between the first section of the winding of the pass coil and the first electrically conductive magnetic core, forms, together with the lower wire layer of the first section of the winding of the pass coil, the first a structural coupling capacitor, a second metal electrode located between the second winding section of the pass coil and the second electrically conductive magnetic core, forms, together with the lower wire layer of the second winding section of the pass coil, a second structural coupling capacitor. In this case, the longitudinal alternating voltage, which forms the excitation current of the alternating magnetic field, is supplied from the generator to the first and second sections of the pass coil winding, respectively, through the first and second structural coupling capacitors relative to the grounding point. In addition, a longitudinal alternating magnetic field is created in the core magnetic core by means of a two-section winding of a pass-through coil, each section of which, when the modulator device is operating as part of the fluxgate, additionally performs measuring functions. As inputs and signal outputs of the sections of the excitation coil relative to the grounding point, the corresponding terminals of their electrical windings (their “beginning”) are used, and their “ends” have a corresponding grounding in the form of a common connection point. The required level of symmetry in the spatial arrangement of the pass coils and balancing of the minimum level of the zero signal is ensured by the corresponding axial movement of the pass coil sections relative to the permanent magnet. When the modulator device is operating as part of a fluxgate operating in the polar meter mode, the winding sections of the pass coil have an “opposite” spatial arrangement (“beginning” - “beginning”), and in the case of the fluxgate operating in the gradiometer mode, the winding sections of the pass coil must have a “concordant” spatial arrangement ("beginning" - "end").

Заявленные особенности конструктивного исполнения устройства модулятора обеспечивают необходимый уровень эффективности его работы и способствуют достижению поставленной задачи в целом.The declared design features of the modulator device provide the required level of efficiency of its operation and contribute to the achievement of the task as a whole.

Предлагаемый способ бифакторного возбуждения феррозондов, особенности физических эффектов, на которых он основывается, а также устройство модулятора для его реализации поясняется чертежами, гдеThe proposed method of bifactor excitation of fluxgates, the features of the physical effects on which it is based, as well as the modulator device for its implementation is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 - схема реализации заявляемого способа;in fig. 1 - implementation diagram of the proposed method;

на фиг. 2 - модели процесса распространения радиальных продольных волн (L-волн) по сечению цилиндра;in fig. 2 - models of the process of propagation of radial longitudinal waves (L-waves) along the cross section of the cylinder;

на фиг. 3 - устройство модулятора феррозонда, реализующее бифакторный способ возбуждения.in fig. 3 - fluxgate modulator device, implementing a bifactor excitation method.

Предлагаемый способ бифакторного возбуждения феррозондов осуществляется следующим образом.The proposed method of bifactor excitation of fluxgates is carried out as follows.

Постоянным магнитом 2, расположенным в центре между элементами 1' и 1'' стержневого магнитопровода, создают подмагничивающее продольное постоянное магнитное поле H_СМ (фиг. 1). Возбуждают продольное переменное магнитное поле в стержневом магнитопроводе посредством конструктивного последовательного резонансного индуктивно-емкостного контура путем индукции соответствующего электрического потенциала на индуктивном компоненте этого контура. Затем этим продольным переменным магнитным полем Н₁ воздействуют на стержневой магнитопровод, выполненный из электропроводящего магнитного материала (ферро- или ферримагнетика), инициируя тем самым процесс магнитомодуляционного преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, осуществляя тем самым основное модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле Н₀. Этим же продольным переменным магнитным полем Н₁ в приповерхностном слое электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода в плоскости его поперченного сечения дополнительно возбуждают вихревые токи i_B. При этом реализуют электродинамическое взаимодействие вихревых токов i_B с подмагничивающим постоянным магнитным полем Н_СМ, инициируя тем самым электромагнитно-акустический процесс (ЭМА-процесс), проявляющийся в возбуждении дополнительного акустического поля в структуре материала стержневого магнитопровода в виде радиальных продольных волн L, осуществляющих дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, осуществляя тем самым дополнительное модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле H₀.A permanent magnet 2, located in the center between elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit, creates a magnetizing longitudinal constant magnetic field H _SM (Fig. 1). A longitudinal alternating magnetic field is excited in the core magnetic circuit through a constructive series resonant inductive-capacitive circuit by inducing the corresponding electric potential on the inductive component of this circuit. Then, this longitudinal alternating magnetic field H ₁ acts on a rod magnetic core made of electrically conductive magnetic material (ferro- or ferrimagnetic), thereby initiating the process of magnetomodulation transformation of the magnetic permeability of the material of the rod magnetic core, thereby exerting the main modulating effect on the measured magnetic field H ₀ . The same longitudinal alternating magnetic field H ₁ in the near-surface layer of electrically conductive material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit in the plane of its transverse section additionally excites eddy currents i _B . In this case, the electrodynamic interaction of eddy currents i _B with a magnetizing constant magnetic field H _SM is realized, thereby initiating an electromagnetic-acoustic process (EMA process), which manifests itself in the excitation of an additional acoustic field in the structure of the material of the magnetic core in the form of radial longitudinal waves L, which carry out additional acoustomodulation transformation of the magnetic permeability of the core magnetic core material, thereby providing an additional modulating effect on the measured magnetic field H ₀ .

Для более полного обоснования сути предлагаемого способа бифакторного возбуждения феррозондов рассмотрим особенности физических эффектов, на которых он основывается.To more fully substantiate the essence of the proposed method of bifactor excitation of fluxgates, let us consider the features of the physical effects on which it is based.

Известно, что в соответствии с законом электромагнитной индукции для ЭДС, индуцированной в измерительной обмотке феррозонда, справедливо уравнение:It is known that, in accordance with the law of electromagnetic induction, the following equation is valid for the EMF induced in the measuring winding of the fluxgate:

где - единичный вектор, совпадающий с плоскостью витков обмотки; w - число витков измерительной обмотки; S_i - площадь поперечного сечения сердечника в направлении - тензор относительной магнитной проницаемости материала сердечника; В₀ и Н₀ - векторы индукции и напряженности измеряемого магнитного поля.Where - unit vector coinciding with the plane of the winding turns; w is the number of turns of the measuring winding; S _i - cross-sectional area of the core in the direction - tensor of relative magnetic permeability of the core material; B ₀ and H ₀ are the vectors of induction and strength of the measured magnetic field.

Если рассматривать магнитную проницаемость μ в качестве частного параметра магнитного электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода, на который оказывается несколько воздействий в виде физических полей, то для рассматриваемого случая основным воздействием можно считать магнитное поле возбуждения, инициирующее проявление магнитомодуляционного преобразования (ММ-процесса) в виде модулирования магнитной проницаемости, а дополнительным воздействием - акустическое поле, являющееся проявлением ЭМА-процесс и также модулирующее магнитную проницаемость.If we consider magnetic permeability μ as a particular parameter of the magnetic electrically conductive material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit, which is subject to several influences in the form of physical fields, then for the case under consideration the main influence can be considered the magnetic excitation field, which initiates the manifestation of magnetic modulation transformation (MM -process) in the form of modulating magnetic permeability, and an additional effect is the acoustic field, which is a manifestation of the EMA process and also modulates magnetic permeability.

ММ - процесс заключается в изменении магнитного состояния магнитного электропроводящего материала при одновременном намагничивании в переменном и измеряемом постоянном магнитных полях. Модуляция таким суммарным магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств магнитной цепи, а происходящие в ней процессы всегда связаны с взаимодействием минимум двух магнитных полей - внешнего измеряемого и переменного поля возбуждения, создаваемого, например, за счет протекания электрического тока в катушке возбуждения.MM - the process consists of changing the magnetic state of a magnetic electrically conductive material with simultaneous magnetization in alternating and measured constant magnetic fields. Modulation by such a total magnetic flux is possible due to the nonlinear properties of the magnetic circuit, and the processes occurring in it are always associated with the interaction of at least two magnetic fields - an external measured field and an alternating excitation field created, for example, due to the flow of electric current in the excitation coil.

В отношении режима преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода (μ-преобразования) за счет ММ-процесса можно констатировать, что он по своей сути фактически является режимом функционирования феррозонда с продольным возбуждением. Поэтому в соответствии с существующей параметрической теорией феррозондов с продольным возбуждением, где используется разложение функции В(Н_Σ) при H_Σ=H₂+H₀, в ряд Тейлора по малому воздействию можем записать:With regard to the mode of transformation of the magnetic permeability of the magnetic core material (μ-transformation) due to the MM process, it can be stated that in essence it is actually the mode of operation of a fluxgate with longitudinal excitation. Therefore, in accordance with the existing parametric theory of fluxgates with longitudinal excitation, which uses the expansion of the function B(H _Σ ) at H _Σ =H ₂ +H ₀ , we can write in the Taylor series for small impact:

где μ₀=4π×10^-7 Гн/м - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума); H₂(t)=H_1m×sinωt+Н_СМ - напряженность возбуждающего магнитного поля, H_1m - амплитуда переменного магнитного поля H₁, ω - циклическая частота; H₀(t) - напряженность измеряемого постоянного магнитного поля; μ*[H₂{t)] - функция, отражающая закон изменения магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода под воздействием возбуждающего магнитного поля, которая при заданной величине поля возбуждающего магнитного поля может рассматриваться, как функция времени where μ ₀ =4π×10 ^-7 H/m - magnetic constant (magnetic permeability of vacuum); H ₂ (t)=H _1m ×sinωt+Н _SM - intensity of the exciting magnetic field, H _1m - amplitude of the alternating magnetic field H ₁ , ω - cyclic frequency; H ₀ (t) - intensity of the measured constant magnetic field; μ*[H ₂ {t)] - a function reflecting the law of change in the magnetic permeability of the magnetic core material under the influence of an exciting magnetic field, which, for a given magnitude of the exciting magnetic field, can be considered as a function of time

Для рассматриваемого случая ЭМА-процесс возбуждения ультразвуковых колебаний основывается на эффекте электродинамического взаимодействия, при котором в токопроводящем материале стержневого магнитопровода при воздействии переменного магнитного поля Н₁ возбуждаются вихревые токи i_B. В свою очередь эти наведенные вихревые токи, взаимодействуя с подмагничивающим постоянным магнитным полем H_СМ постоянного магнита 2, вызывают соответствующие колебания кристаллической решетки материала стержневого магнитопровода, т.е. появляются механические напряжения, которые приводят к возникновению упругих акустических колебаний в виде радиальных продольных волн (L-волн). В этом случае само явление электромагнитной генерации звука в электропроводящих средах состоит в том, что переменное электромагнитное поле источника возбуждения взаимодействует с электронной системой (электронами) электропроводящей среды, а возмущение электронов таким внешним электромагнитным воздействием, в свою очередь, приводит к движению упругой среды за счет взаимодействия электронов с решеткой и распространению возмущения в виде звуковых волн в глубь среды.For the case under consideration, the EMA process of excitation of ultrasonic vibrations is based on the effect of electrodynamic interaction, in which eddy currents i _B are excited in the conductive material of the core magnetic circuit under the influence of an alternating magnetic field H ₁ . In turn, these induced eddy currents, interacting with the magnetizing constant magnetic field H _CM of the permanent magnet 2, cause corresponding vibrations in the crystal lattice of the material of the core magnetic core, i.e. Mechanical stresses appear, which lead to the emergence of elastic acoustic vibrations in the form of radial longitudinal waves (L-waves). In this case, the very phenomenon of electromagnetic sound generation in electrically conducting media consists in the fact that the alternating electromagnetic field of the excitation source interacts with the electronic system (electrons) of the electrically conducting medium, and the disturbance of electrons by such external electromagnetic influence, in turn, leads to the movement of the elastic medium due to interaction of electrons with the lattice and propagation of disturbances in the form of sound waves deep into the medium.

Фактически возбуждение подобных радиальных продольных волн (L-волн) осуществляется за счет электродинамического механизма, а их распространение достигаются благодаря взаимной ориентации поля подмагничивания Н_СМ, направленного вдоль продольной оси стержневого магнитопровода, и вихревых токов i_B, текущих по замкнутым контурам внешней поверхности магнитного электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода модулятора феррозонда.In fact, the excitation of such radial longitudinal waves (L-waves) is carried out due to an electrodynamic mechanism, and their propagation is achieved due to the mutual orientation of the bias field H _SM , directed along the longitudinal axis of the core magnetic circuit, and eddy currents i _B flowing along the closed contours of the outer surface of the magnetic conductive material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit of the fluxgate modulator.

Преимущественное возбуждение одного типа волн определяется взаимной ориентацией поля подмагничивания с индукцией В_СМ и вихревых токов i_B, текущих по периметру элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода модулятора феррозонда. Взаимодействием вихревых токов с индукцией поля подмагничивания В_СМ, приводящим к появлению F_А (сила Ампера) обусловлено возникновением акустических колебаний при электродинамическом механизме:The predominant excitation of one type of waves is determined by the mutual orientation of the magnetization field with induction B _SM and eddy currents i _B flowing along the perimeter of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit of the fluxgate modulator. The interaction of eddy currents with the induction of the bias field V _SM , leading to the appearance of F _A (Ampere's force) is due to the occurrence of acoustic oscillations during the electrodynamic mechanism:

где i_e - вихревой ток участка длиной where i _e is the eddy current of a section of length

В этом случае упругие силы возникают в приповерхностном слое элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода, толщина которого определяется глубиной скин-слоя δ:In this case, elastic forces arise in the surface layer of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit, the thickness of which is determined by the depth of the skin layer δ:

где μ - относительная магнитная проницаемость; σ - электропроводность; ω - круговая частота колебаний.where μ is the relative magnetic permeability; σ - electrical conductivity; ω - circular vibration frequency.

При возбуждении упругими силами продольных плоских монохроматических акустических волн уравнение вынужденных акустических колебаний, распространяющихся от границы раздела, может быть записано в виде:When longitudinal plane monochromatic acoustic waves are excited by elastic forces, the equation of forced acoustic oscillations propagating from the interface can be written as:

где Н_СМ - векторная величина напряженности подмагничивающего постоянного магнитного поля (магнитное поле постоянного магнита); j - векторная величина плотности переменного тока в скин-слое; ζ - вектор смещения; ν - скорость акустической волны в материале стержневого магнитопровода; ρ - удельная плотность материала ферритового стрежня; с - скорость света.where N _SM is the vector value of the intensity of the biasing constant magnetic field (magnetic field of a permanent magnet); j is the vector value of the alternating current density in the skin layer; ζ - displacement vector; ν is the speed of the acoustic wave in the material of the core magnetic circuit; ρ is the specific density of the ferrite rod material; c is the speed of light.

Полагая, что переменное магнитное поле (поле возбуждения модулятора) изменяется по закону exp[i×(ωt-k×z)], для плотности переменного тока в скин-слое можем записать:Assuming that the alternating magnetic field (the excitation field of the modulator) changes according to the law exp[i×(ωt-k×z)], for the alternating current density in the skin layer we can write:

где H_1m - амплитуда переменного магнитного поля; σ - проводимость металла; ω - циклическая частота.where H _1m is the amplitude of the alternating magnetic field; σ - metal conductivity; ω - cyclic frequency.

На расстояниях, превышающих глубину скин-слоя, и с учетом (6) решение уравнения (5) примет вид:At distances exceeding the depth of the skin layer, and taking into account (6), the solution to equation (5) will take the form:

где β=g²×δ²/2, q=2π/λ, λ - длина акустической волны.where β=g ² ×δ ² /2, q=2π/λ, λ is the acoustic wavelength.

Модели процесса распространения L-волн по сечению цилиндра на плоскости представлены на фиг. 2.Models of the process of propagation of L-waves along the cross section of a cylinder on a plane are presented in Fig. 2.

Для рассматриваемого варианта ЭМА-преобразования характерно одновременное излучение упругих волн из каждой точки на поверхности элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода модулятора феррозонда, расположенной соответственно под зонной циркуляции вихревых токов i_B. Таким образом, волны, распространяются во всех радиальных направлениях в поперечном сечении стержневого магнитопровода.The considered variant of EMA transformation is characterized by the simultaneous emission of elastic waves from each point on the surface of elements 1' and 1'' of the rod magnetic core of the fluxgate modulator, located respectively under the zone circulation of eddy currents i _B . Thus, the waves propagate in all radial directions in the cross section of the core magnetic circuit.

В магнитоупорядоченных средах распространение акустических волн связано с трансформацией волн на доменных границах и возбуждением связанных магнитоупругих колебаний q(k_n,t), которые сопровождаются колебаниями намагниченности:In magnetically ordered media, the propagation of acoustic waves is associated with the transformation of waves at domain boundaries and the excitation of coupled magnetoelastic oscillations q( _kn ,t), which are accompanied by magnetization oscillations:

где λ - коэффициент, зависящий от величины магнитоупругого тензора, волнового вектора k_n и разности частот спиновой и упругой волн.where λ is a coefficient depending on the magnitude of the magnetoelastic tensor, the wave vector k _n and the difference between the frequencies of the spin and elastic waves.

С учетом (8) и исходя из того, что магнитная восприимчивость χ=J/H, a μ=1+χ, можно констатировать следующее:Taking into account (8) and based on the fact that magnetic susceptibility χ=J/H, and μ=1+χ, we can state the following:

Поэтому, аналогично (2) и в соответствии с (8), (9) для режима μ-преобразования за счет ЭМА-эффекта будет справедлива следующая запись:Therefore, similarly to (2) and in accordance with (8), (9) for the μ-transformation mode due to the EMA effect, the following entry will be valid:

где ζ(t) - функция смещения структурных компонентов материала элементов 1' и 1'' стержневой ферромагнитной системы; - функция, отражающая закон изменения магнитной проницаемости материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода под воздействием возбуждающего акустического поля, которая при заданной амплитуде поля возбуждения может рассматриваться как функция времени where ζ(t) is a function of the displacement of the structural components of the material of elements 1' and 1'' of the rod ferromagnetic system; - a function reflecting the law of change in the magnetic permeability of the material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit under the influence of an exciting acoustic field, which, for a given amplitude of the excitation field, can be considered as a function of time

Для рассматриваемого случая, учитывая бифакторную природу возникновения магнитной индукции в материале ферромагнитного сердечника, можем записать:For the case under consideration, taking into account the bifactor nature of the occurrence of magnetic induction in the material of the ferromagnetic core, we can write:

Исходя из (11), и с учетом реализации совместного модулирующего воздействия акустического и переменного магнитного полей на магнитную проницаемость материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода можно констатировать:Based on (11), and taking into account the implementation of the joint modulating effect of acoustic and alternating magnetic fields on the magnetic permeability of the material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit, we can state:

Следует отметить, что для рассматриваемых физических процессов под модуляцией (modulation) понимается изменение состояния параметра магнитной проницаемости материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода при воздействии различных физических полей.It should be noted that for the physical processes under consideration, modulation is understood as a change in the state of the magnetic permeability parameter of the material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit under the influence of various physical fields.

Тогда, в соответствии со сделанными замечаниями можем записать:Then, in accordance with the comments made, we can write:

где - глубина соответственно акустической и магнитной модуляции; μ_Н - номинальное значение магнитной проницаемости материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода; г|эма и η_ММ - коэффициенты соответственно ЭМА-преобразования и ММ-преобразований; ω_р - циклическая частота возбуждения процессов преобразования частоте электромеханического резонансов.Where - depth of acoustic and magnetic modulation, respectively; μ _N - nominal value of the magnetic permeability of the material of elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit; g|ema and η _MM are the coefficients of the EMA-transformation and MM-transformations, respectively; ω _р - cyclic frequency of excitation of processes of conversion to the frequency of electromechanical resonances.

Из выражений (12) и (13) следует, что измеряемое постоянное магнитное поле H₀(t), направленное аксиально к стержневому магнитопроводу, за счет параметрической модуляции осциллирующей магнитной проницаемостью омагнитного материала элементов 1' и 1'' трансформируется в переменное магнитного поле с соответствующей индукцией в материале для каждого элемента 1' и 1'' стержневого магнитопровода:From expressions (12) and (13) it follows that the measured constant magnetic field H ₀ (t), directed axially to the core magnetic circuit, due to parametric modulation by the oscillating magnetic permeability of the magnetic material of elements 1' and 1'' is transformed into an alternating magnetic field with corresponding induction in the material for each element 1' and 1'' of the core magnetic circuit:

В полученном аналитическом выражении (14) видна четкая реализация принципа суперпозиции в виде аддитивного модулирующего воздействия от проявления двух физических процессов: основного ММ-процесса и дополнительного ЭМА-процесса, инициируемых соответствующими активизирующими физическими полями, что, в свою очередь, говорит о повышении эффективности μ-преобразования в каждом из магнитных электропроводящих элементов 1' и 1''.The resulting analytical expression (14) shows a clear implementation of the superposition principle in the form of an additive modulating effect from the manifestation of two physical processes: the main MM process and the additional EMA process, initiated by the corresponding activating physical fields, which, in turn, indicates an increase in efficiency μ - transformations in each of the magnetic electrically conductive elements 1' and 1''.

Устройство модулятора для возбуждения феррозондов (фиг. 3) состоит из стержневого магнитопровода, содержащего два идентичных магнитных электропроводящих элемента 1' и 1'', соосно состыкованных между собой цилиндрическим постоянным магнитом 2 в виде диска, и проходной катушки, имеющей первую 3' и вторую 3'' секции обмотки, которые расположены соответственно на диэлектрических каркасах 5' и 5''. Первая 3' и вторая 3'' секции обмотки, пространственно разнесенные симметрично относительно постоянного магнита 2, имеют возможность осевого перемещения. На электрических каркасах 5' и 5'' на внутренней поверхности своих сквозных отверстий коаксиально установлены соответственно возбуждающие первый 6' и второй 6'' металлические электроды в виде тонкостенных трубок с прорезью вдоль образующей и длиной, соизмеримой с длиной диэлектрических каркасов 5' и 5''. Возбуждающий первый металлический электрод 6', расположенный между первой секцией 3' обмотки проходной катушки и первым электропроводящим магнитным элементом V, образует совместно с нижним слоем проволочной обмотки 4' первой секции обмотки проходной катушки первый конструктивный конденсатор связи. Возбуждающий второй металлический электрод 6'', расположенный между второй секцией 3'' обмотки проходной катушки и вторым магнитным электропроводящим элементом 1'', образует совместно с нижним слоем проволочной обмотки 4'' второй секции обмотки проходной катушки второй конструктивный конденсатор связи.The modulator device for exciting fluxgates (Fig. 3) consists of a rod magnetic core containing two identical magnetic electrically conductive elements 1' and 1'', coaxially coupled to each other by a cylindrical permanent magnet 2 in the form of a disk, and a feed-through coil having a first 3' and a second 3'' winding sections, which are located on dielectric frames 5' and 5'', respectively. The first 3' and second 3'' sections of the winding, spatially spaced symmetrically relative to the permanent magnet 2, are capable of axial movement. On the electrical frames 5' and 5'', on the inner surface of their through holes, respectively, exciting first 6' and second 6' metal electrodes are installed coaxially in the form of thin-walled tubes with a slot along the generatrix and a length commensurate with the length of the dielectric frames 5' and 5' '. The exciting first metal electrode 6', located between the first pass-coil winding section 3' and the first electrically conductive magnetic element V, forms, together with the lower layer of the wire winding 4' of the first pass-coil winding section, a first structural coupling capacitor. The exciting second metal electrode 6'', located between the second section 3'' of the pass coil winding and the second magnetic electrically conductive element 1'', forms, together with the lower layer of the wire winding 4'' of the second section of the pass coil winding, a second structural coupling capacitor.

Особенность конструктивного исполнения возбуждающих первого металлического электрода 6' и второго металлического электрода 6'' препятствует индуцированию в нем вихревых токов Фуко, наличие которых могло бы привести к возникновению паразитного вторичного переменного магнитного поля, нарушающего нормальный режим функционирования феррозонда в целом.The design feature of the exciting first metal electrode 6' and the second metal electrode 6' prevents the induction of Foucault eddy currents in it, the presence of which could lead to the emergence of a parasitic secondary alternating magnetic field that disrupts the normal functioning of the fluxgate as a whole.

Устройство модулятора для возбуждения феррозондов работает следующим образом.The modulator device for exciting fluxgates operates as follows.

При подаче от генератора высокой частоты электрического потенциала ϕ_Э относительно электрического потенциала точки заземления фо на электроды 6' и 6'' на нижнем проволочном слое первой секции 4' обмотки проходной катушки и на нижнем проволочном слое второй секции 4'' обмотки проходной катушки будут индуцироваться соответствующие электрические потенциалы ϕ'_Э и ϕ''_Э. При этом, вследствие симметричного пространственного расположения проходных катушек и идентичности их конструктивных параметров, можно считать, что ϕ'_Э=ϕ''_Э=ϕ_Э. При этом необходимый уровень симметрии в пространственном расположении проходных катушек и балансировка минимального уровня нулевого сигнала обеспечивается соответствующим осевым перемещением секций проходных катушек относительно постоянного магнита 2.When a high-frequency generator supplies an electrical potential ϕ _E relative to the electrical potential of the grounding point pho to the electrodes 6' and 6'' on the lower wire layer of the first section 4' of the pass coil winding and on the lower wire layer of the second section 4'' the pass coil windings will be induced the corresponding electric potentials ϕ' _E and ϕ'' _E . In this case, due to the symmetrical spatial arrangement of the feed-through coils and the identity of their design parameters, we can assume that ϕ' _E =ϕ'' _E =ϕ _E . In this case, the necessary level of symmetry in the spatial arrangement of the feed-through coils and balancing of the minimum level of the zero signal is ensured by the corresponding axial movement of the pass-coil sections relative to the permanent magnet 2.

Тогда в режиме последовательного электрического резонанса токи через соответствующие секции 3' и 3'' обмотки катушки определятся выражением:Then, in the sequential electrical resonance mode, the currents through the corresponding sections 3' and 3'' of the coil winding will be determined by the expression:

где ϕ₀=0; R=R₁=R₂, R₁ и R₂ - активные сопротивления соответственно секции 3' и 3'' обмотки катушки; U_0m - амплитуда электрического напряжения от генератора высокой частоты.where ϕ ₀ =0; R=R ₁ =R ₂ , R ₁ and R ₂ - active resistances, respectively, sections 3' and 3'' of the coil winding; U _0m is the amplitude of the electrical voltage from the high frequency generator.

В этом случае выражение для напряженности переменного магнитного поля в материале стержневого магнитопровода модулятора, создаваемого токами через соответствующие секции 3' и 3'' обмотки проходной катушки, можно формализовать в следующем виде:In this case, the expression for the intensity of the alternating magnetic field in the material of the modulator magnetic core core, created by currents through the corresponding sections 3' and 3'' of the winding of the feed-through coil, can be formalized in the following form:

где H_1m - амплитуда напряженности магнитного поля в материале ферромагнитных электропроводящих элементов 1' и 1'', соответственно создаваемая токами возбуждения секции 3' и 3'' обмотки катушки.where H _1m is the amplitude of the magnetic field strength in the material of ferromagnetic electrically conductive elements 1' and 1'', respectively created by the excitation currents of sections 3' and 3'' of the coil winding.

Переменное магнитное поле H₁(t) инициирует проявление основного физического процесса (ММ-процесса) в виде модулирования магнитной проницаемости. Кроме того, переменное магнитное поле H₁(t) в приповерхностных слоях токопроводящих элементов 1' и 1'' возбуждает вихревые токи, которые вступают с постоянным полем Н_СМ магнита 2 в электродинамическое взаимодействие, в результате чего инициируется дополнительный физический процесс (ЭМА-процесс) в виде генерации упругих акустических колебаний. Возникшая непрерывная генерация упругих акустических колебаний в свою очередь оказывает дополнительное модулирующее воздействие на магнитную проницаемость. Подобное бифакторное воздействие на μ-преобразование существенно повышает эффективность работы устройства модулятора и чувствительность феррозонда в целом.The alternating magnetic field H ₁ (t) initiates the manifestation of the main physical process (MM process) in the form of modulation of magnetic permeability. In addition, the alternating magnetic field H ₁ (t) in the near-surface layers of conductive elements 1' and 1'' excites eddy currents, which enter into electrodynamic interaction with the constant field H _SM of magnet 2, as a result of which an additional physical process is initiated (EMA process ) in the form of generation of elastic acoustic vibrations. The resulting continuous generation of elastic acoustic vibrations, in turn, has an additional modulating effect on the magnetic permeability. Such a bifactor effect on the μ-transformation significantly increases the efficiency of the modulator device and the sensitivity of the fluxgate as a whole.

Предлагаемый вариант устройства модулятора является по существу параметрическим модулятором, где модуляция измеряемого постоянного магнитного поля осуществляется за счет бифакторного полевого воздействия на частный параметр электропроводящего материала элементов 1' и 1'' стержневого магнитопровода: 1 - воздействие переменного магнитного поля; 2 - воздействие акустического поля.The proposed version of the modulator device is essentially a parametric modulator, where the modulation of the measured constant magnetic field is carried out due to the bifactor field effect on a particular parameter of the electrically conductive material of the elements 1' and 1'' of the core magnetic circuit: 1 - influence of an alternating magnetic field; 2 - influence of the acoustic field.

Для работы модулятора при функционировании феррозонда в режиме полемера обмотки секции катушки возбуждения имеют ''встречное'' пространственное расположение ("начало"-"начало"), а для функционирования феррозонда в режиме градиентомера обмотки секции катушки возбуждения должны иметь "согласное" пространственное расположение ("начало"-"конец").For the modulator to operate when the fluxgate is operating in the polar meter mode, the winding sections of the excitation coil have an ''opposite'' spatial arrangement ("start" - "beginning"), and for the fluxgate to function in the gradiometer mode, the windings of the excitation coil sections must have a "concordant" spatial arrangement ( "beginning" - "end").

При реализации предлагаемого способа бифакторного возбуждения феррозонда посредством предлагаемого устройства модулятора процесс функционирования феррозонда в целом будет заключаться в следующем.When implementing the proposed method of bifactor excitation of a fluxgate using the proposed modulator device, the process of functioning of the fluxgate as a whole will be as follows.

При реализации бифакторного возбуждения в процессе функционировании феррозонда вариации измеряемого магнитного поля, вызванные уже модулирующими процессами магнитной проницаемости, будут воздействовать на секции 3' и 3'' обмотки катушки, индуцируя в них соответствующие ЭДС:When implementing bifactor excitation during the operation of the fluxgate, variations in the measured magnetic field, caused by modulating processes of magnetic permeability, will affect sections 3' and 3'' of the coil winding, inducing the corresponding EMF in them:

Подставляя (14) в (17), для каждой из секции 3' и 3'' обмотки катушки, дополнительно выполняющих измерительные функции, для режима функционирования феррозонда в режиме градиентомера получим:Substituting (14) into (17), for each section 3' and 3'' of the coil winding, which additionally perform measuring functions, for the operating mode of the fluxgate in the gradiometer mode we obtain:

1. Для первой секции 3' обмотки проходной катушки -1. For the first section 3' of the winding of the through coil -

Тогда, на выходном выводе будем иметь:Then, at the output we will have:

2. Для второй секции 3'' обмотки проходной катушки -2. For the second section of the 3'' winding of the through coil -

Тогда, на выходном выводе будем иметь:Then, at the output we will have:

В случае пространственной однородности измеряемого постоянного магнитного поля H₀ для разностного напряжения между клеммами "b" и "d" (фиг. 3) при условии, что s₁=s₂=s и w₁=w₂=w, с учетом (19) и (21) можем записать:In the case of spatial homogeneity of the measured constant magnetic field H ₀ for the difference voltage between terminals “b” and “d” (Fig. 3), provided that s ₁ =s ₂ =s and w ₁ =w ₂ =w, taking into account ( 19) and (21) we can write:

Если, измеряемое постоянное поле в пространстве неоднородно, т.е. на секции 3' и 3'' обмотки катушки воздействует магнитное поле разной напряженностью соответственно то разностное напряжение между клеммами "b" и "d" будет определяться выражением:If the measured constant field in space is inhomogeneous, i.e. sections 3' and 3'' of the coil winding are affected by a magnetic field of different strengths, respectively then the difference voltage between terminals "b" and "d" will be determined by the expression:

Аналогичным образом для режима функционирования феррозонда в режиме полемера получим:Similarly, for the operating mode of the fluxgate in the polar meter mode, we obtain:

1. Для первой секции 3' обмотки проходной катушки -1. For the first section 3' of the winding of the through coil -

2. Для второй секции 3'' обмотки проходной катушки -2. For the second section of the 3'' winding of the through coil -

Для разностного напряжения между клеммами "b" и "d" при условии, что s₁=s₂=s и w₁=w₂=w с учетом (24) и (25) можем записать:For the difference voltage between terminals “b” and “d”, provided that s ₁ =s ₂ =s and w ₁ =w ₂ =w, taking into account (24) and (25), we can write:

Особенностью феррозонда на основе предлагаемого устройства модулятора, реализующего предлагаемый способ бифакторного возбуждения, является применение в качестве сигнальных входов и выходов и (относительно точки заземления) соответственно одноименных выводов первой 3' и второй 3'' секций обмотки проходной катушки (их "начало"), а "концы" "с" и "e" секций обмотки проходной катушки имеют общую точку заземления. Эти две конструктивные особенности являются обязательными условиями для нормального функционирования рассматриваемого варианта модулятора в составе феррозонда.A feature of the fluxgate based on the proposed modulator device, which implements the proposed method of bifactor excitation, is the use of the first 3' and second 3'' sections of the winding of the pass coil (their “beginning”) as signal inputs and outputs and (relative to the grounding point), respectively, of the same name. and the “ends” “c” and “e” of the winding sections of the pass coil have a common ground point. These two design features are prerequisites for the normal functioning of the modulator variant under consideration as part of a fluxgate.

При этом секции 3' и 3'' обмотки проходной катушки в совокупности с соответствующими конструктивными конденсаторами связи образуют емкостно-индуктивный измерительный мост с разностным сигналом его измерительной диагонали:In this case, sections 3' and 3'' of the winding of the pass coil, together with the corresponding structural coupling capacitors, form a capacitive-inductive measuring bridge with a difference signal of its measuring diagonal:

Такое схемотехническое решение минимизирует паразитное взаимовлияние секций 3' и 3'' обмотки проходной катушки; обеспечивает максимальную компенсацию синфазных составляющих помехи и последствий температурного дрейфа.This circuit design minimizes the parasitic interference of sections 3' and 3'' of the winding of the feed-through coil; provides maximum compensation for common-mode noise components and the effects of temperature drift.

Проведенный анализ возникающих физических эффектов и приведенные аналитические выражения доказывают работоспособность и эффективность работы феррозондов при реализации в них предложенного способа бифакторного возбуждения и модулятора для его реализации.The analysis of the resulting physical effects and the given analytical expressions prove the operability and efficiency of fluxgates when they implement the proposed method of bifactor excitation and a modulator for its implementation.

Обобщая, можно констатировать, что по сравнению с известным вариантом феррозонда с магнитным возбуждением предлагаемый способ бифакторного возбуждения обладает следующими преимуществами:To summarize, it can be stated that compared to the known version of a fluxgate with magnetic excitation, the proposed method of bifactor excitation has the following advantages:

1 - повышенные точности и чувствительность преобразования, которые обеспечиваются путем использования набора свойств структурных компонентов материала токопроводящих ферритовых элементов 1' и 1'' модулятора феррозонда, проявляемых в виде различных физических эффектов при резонансном воздействии соответствующими физическими полями.1 - increased accuracy and sensitivity of the conversion, which are ensured by using a set of properties of the structural components of the material of the current-conducting ferrite elements 1' and 1'' of the fluxgate modulator, manifested in the form of various physical effects under resonant influence of the corresponding physical fields.

2 - использование конструктивных конденсаторов связи в качестве плечевых элементов емкостно-индуктивного измерительного моста позволяет реализовать режим последовательного электрического резонанса, что существенно повышает чувствительность феррозонда.2 - the use of structural coupling capacitors as shoulder elements of a capacitive-inductive measuring bridge makes it possible to implement a sequential electrical resonance mode, which significantly increases the sensitivity of the fluxgate.

3 - повышенная помехозащищенность, за счет использования первой 3' и второй 3'' секций обмотки проходной катушки в качестве плечевых элементов емкостно-индуктивного измерительного моста с разностным сигналом его измерительной диагонали (компенсация синфазных составляющих помехи и последствий температурного дрейфа).3 - increased noise immunity due to the use of the first 3' and second 3'' winding sections of the pass coil as shoulder elements of a capacitive-inductive measuring bridge with a difference signal of its measuring diagonal (compensation for common-mode components of interference and the effects of temperature drift).

4 - применение в качестве материала стержневой ферромагнитной системы модулятора широко распространенного класса токопроводящих магнитных материалов, как ферро-, так и и ферримагнетиков.4 - the use of a widespread class of current-conducting magnetic materials, both ferro- and ferrimagnets, as a material for the modulator rod ferromagnetic system.

Наличие перечисленных выше преимуществ предлагаемого способа бифакторного возбуждения и устройства модулятора для его реализации по сравнению с известными техническими решениями говорит о реальных перспективах его самого широкого промышленного применения для решения различных задач контроля, диагностики и точного позиционирования.The presence of the above advantages of the proposed method of bifactor excitation and the modulator device for its implementation in comparison with known technical solutions indicates the real prospects for its widest industrial application for solving various problems of control, diagnostics and precise positioning.

Claims (8)

1. Способ бифакторного возбуждения феррозондов, заключающийся в том, что на стержневой магнитопровод его модулятора одновременно воздействуют возбуждающим переменным полем и подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем, которыми осуществляют модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, при этом в качестве источника подмагничивающего продольного постоянного магнитного поля используют постоянный магнит, отличающийся тем, что в качестве материала стержневого магнитопровода модулятора используют электропроводящий магнитный материал, а в качестве возбуждающего переменного поля используют продольное переменное магнитное поле, которым на частоте электромеханического резонанса в материале стержневого магнитопровода одновременно инициируют два физических процесса – магнитомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода и возбуждение в приповерхностном слое стержневого магнитопровода вихревых токов, при этом за счет магнитомодуляционного преобразования магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода осуществляют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле, а за счет электродинамического взаимодействия вихревых токов с подмагничивающим продольным постоянным магнитным полем возбуждают в структуре материала стержневого магнитопровода акустическое поле в виде радиальных продольных волн, которым осуществляют дополнительное акустомодуляционное преобразование магнитной проницаемости материала стержневого магнитопровода, посредством которого реализуют соответствующее модулирующее воздействие на измеряемое магнитное поле.1. A method of bifactor excitation of fluxgates, which consists in the fact that the rod magnetic circuit of its modulator is simultaneously exposed to an exciting alternating field and a biasing longitudinal constant magnetic field, which exerts a modulating effect on the measured magnetic field, while a constant one is used as a source of the biasing longitudinal constant magnetic field a magnet, characterized in that an electrically conductive magnetic material is used as the material of the modulator magnetic core core, and a longitudinal alternating magnetic field is used as the exciting alternating field, which simultaneously initiates two physical processes at the frequency of electromechanical resonance in the magnetic core core material - magnetic modulation transformation of the magnetic permeability of the core material magnetic core and excitation in the near-surface layer of the core magnetic core of eddy currents, while due to the magnetic modulation transformation of the magnetic permeability of the material of the core magnetic core, a corresponding modulating effect on the measured magnetic field is carried out, and due to the electrodynamic interaction of eddy currents with a magnetizing longitudinal constant magnetic field, they are excited in the structure of the material of the core magnetic core an acoustic field in the form of radial longitudinal waves, which carry out an additional acoustic modulation transformation of the magnetic permeability of the material of the core magnetic circuit, through which a corresponding modulating effect on the measured magnetic field is realized. 2. Способ бифакторного возбуждения феррозондов по п. 1, отличающийся тем, что продольное переменное магнитное поле в стержневом магнитопроводе возбуждают посредством последовательного резонансного индуктивно-емкостного контура путем индукции соответствующего электрического потенциала на индуктивном компоненте этого контура переменным электрическим потенциалом, подаваемого через емкостной компонент этого контура от генератора относительно заземления.2. The method of bifactor excitation of fluxgates according to claim 1, characterized in that the longitudinal alternating magnetic field in the core magnetic circuit is excited through a series resonant inductive-capacitive circuit by inducing the corresponding electric potential on the inductive component of this circuit by an alternating electric potential supplied through the capacitive component of this circuit from the generator relative to grounding. 3. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов, содержащее стержневой магнитопровод конечной длины, выполненный в виде идентичных соосных первого и второго магнитных сердечников, состыкованных между собой соосным дискообразным постоянным магнитом соответствующей формы, и излучающий дипольный элемент, отличающееся тем, что излучающий дипольный элемент выполнен в виде проходной катушки, электрическая обмотка которой имеет первую и вторую секции, расположенные соответственно на первом и втором диэлектрических каркасах, пространственно симметрично разнесенных относительно постоянного магнита и имеющих возможность осевого перемещения, дополнительно содержит первый и второй металлические электроды в виде тонкостенных трубок с длиной, соизмеримой с длиной диэлектрических каркасов, и с прорезью вдоль образующей, установленные коаксиально на внутренней поверхности сквозных отверстий соответственно первого и второго диэлектрических каркасов, первый металлический электрод, расположенный между первой секцией обмотки проходной катушки и первым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочным слоем первой секции обмотки проходной катушки первый конструктивный конденсатор связи, второй металлический электрод, расположенный между второй секцией обмотки проходной катушки и вторым электропроводящим магнитным сердечником, образует совместно с нижним проволочной слоем второй секции обмотки проходной катушки второй конструктивный конденсатор связи.3. A modulator device for bifactor excitation of fluxgates, containing a rod magnetic circuit of finite length, made in the form of identical coaxial first and second magnetic cores, coupled to each other by a coaxial disk-shaped permanent magnet of the appropriate shape, and a radiating dipole element, characterized in that the radiating dipole element is made in in the form of a pass-through coil, the electrical winding of which has first and second sections, located respectively on the first and second dielectric frames, spatially symmetrically spaced relative to the permanent magnet and having the possibility of axial movement, additionally containing first and second metal electrodes in the form of thin-walled tubes with a length commensurate with length of the dielectric frames, and with a slot along the generatrix, installed coaxially on the inner surface of the through holes of the first and second dielectric frames, respectively, the first metal electrode, located between the first section of the winding of the feed-through coil and the first electrically conductive magnetic core, forms together with the lower wire layer of the first winding section of the pass coil, the first structural coupling capacitor, the second metal electrode located between the second winding section of the pass coil and the second electrically conductive magnetic core, forms, together with the lower wire layer of the second section of the pass coil winding, a second structural coupling capacitor. 4. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что переменное напряжение на первую и вторую секции обмотки проходной катушки подается соответственно через первый и второй конструктивные конденсаторы связи от генератора относительно точки заземления.4. A modulator device for bifactor excitation of fluxgates according to claim 3, characterized in that alternating voltage is supplied to the first and second sections of the pass coil winding, respectively, through the first and second structural coupling capacitors from the generator relative to the grounding point. 5. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что продольное переменное магнитное поле создается в стержневом магнитопроводе посредством двухсекционной обмотки проходной катушки, каждая секция которой при работе устройства модулятора в составе феррозонда дополнительно выполняет измерительные функции.5. A modulator device for bifactor excitation of fluxgates according to claim 3, characterized in that a longitudinal alternating magnetic field is created in the core magnetic circuit by means of a two-section winding of a feed-through coil, each section of which, when the modulator device is operating as part of the fluxgate, additionally performs measuring functions. 6. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что в качестве входов и сигнальных выходов секций катушки возбуждения относительно точки заземления используются соответственно одноименные выводы их электрических обмоток (их «начало»), а их «концы» имеют соответствующее заземление в виде общей точки соединения.6. A modulator device for bifactor excitation of fluxgates according to claim 3, characterized in that the corresponding terminals of their electrical windings (their “beginning”) are used as inputs and signal outputs of the excitation coil sections relative to the grounding point, respectively, and their “ends” have the corresponding grounding as a common connection point. 7. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что необходимый уровень симметрии в пространственном расположении проходных катушек и балансировка минимального уровня нулевого сигнала обеспечивается соответствующим осевым перемещением секций проходных катушек относительно постоянного магнита.7. A modulator device for bifactor excitation of fluxgates according to claim 3, characterized in that the required level of symmetry in the spatial arrangement of the pass coils and balancing of the minimum level of the zero signal is ensured by the corresponding axial movement of the sections of the pass coils relative to the permanent magnet. 8. Устройство модулятора для бифакторного возбуждения феррозондов по п. 3, отличающееся тем, что при работе устройства модулятора в составе феррозонда, функционирующего в режиме полемера, секции обмотки проходной катушки имеют «встречное» пространственное расположение («начало»-«начало»), а в случае функционирования феррозонда в режиме градиентомера секции обмотки проходной катушки должны иметь «согласное» пространственное расположение («начало»-«конец»).8. A modulator device for bifactor excitation of fluxgates according to claim 3, characterized in that when the modulator device is operating as part of a fluxgate operating in the polar meter mode, the winding sections of the pass coil have an “opposite” spatial arrangement (“beginning” - “beginning”), and in the case of the fluxgate operating in the gradiometer mode, the winding sections of the pass coil must have a “consistent” spatial arrangement (“beginning” - “end”).