Результат интеллектуальной деятельности: Широкополосный высокочувствительный датчик переменных магнитных полей

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно предназначено для измерения слабых переменных магнитных полей и может использоваться в магнитометрии.

Известен датчик слабых магнитных полей [Патент РФ №2682076, МПК G01R 33/24, опубл. 14.03.2019, Бюл. №8], содержащий СВЧ-генератор, чувствительный элемент на основе тонкой магнитной пленки, помещенной в микрополосковый резонатор, магнитную систему, амплитудный детектор, операционный усилитель, компенсационную схему и схему синхронного детектирования. Направления высокочастотного магнитного поля и постоянного магнитного поля смещения совпадают с осью трудного намагничивания тонкой магнитной пленки. Направления измеряемого, компенсационного и модулирующего поля перпендикулярны оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки.

Известен тонкопленочный магнитометр слабых магнитных полей [Патент РФ №2712926, МПК G01R 33/05, опубл. 03.02.2020, Бюл. №4], содержащий тонкую магнитную пленку, размещенную в микрополосковом резонаторе; СВЧ-генератор; амплитудный детектор; синхронный детектор; модуляционные кольца Гельмгольца; компенсационные кольца Гельмгольца; низкочастотный генератор тока. Под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки с помощью модуляционных колец Гельмгольца и низкочастотного генератора тока формируется модулирующее поле, причем амплитуда этого поля больше величины поля анизотропии тонкой магнитной пленки. Сигнал СВЧ-генератора подается на микрополосковый резонатор с тонкой магнитной пленкой, к нему же подключен вход амплитудного детектора. Выход амплитудного детектора подключен к входу синхронного детектора, на второй вход которого поступает сигнал от низкочастотного генератора тока. Выходной сигнал синхронного детектора является выходным сигналом устройства.

Известна тонкопленочная магнитная антенна [Патент РФ №2712922, МПК G01R 33/05, опубл. 03.02.2020, Бюл. №4], содержащая транзисторный СВЧ-генератор, микрополосковый резонатор с тонкой магнитной пленкой, амплитудный детектор с удвоением напряжения и магнитную систему, предназначенную для формирования подмагничивающего поля. Устройство не содержит компенсационной схемы измерений, за счет чего достигается широкая полоса частот.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является датчик слабых высокочастотных магнитных полей [Патент РФ №2536083, G01R 33/05, G01R 33/24, опубл. 20.12.2014 (прототип)], содержащий СВЧ-генератор; два микрополосковых резонатора, внутри которых размещена тонкая магнитная пленка; два амплитудных детектора; операционный усилитель. Проводники микрополосковых резонаторов в датчике размещены под углом 2φ₀ друг к другу, обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования устройства. За счет этого же удается частично компенсировать шумы собственного СВЧ-генератора при суммировании сигналов с амплитудных детекторов на сумматоре.

Общим недостатком всех известных конструкции и конструкции-прототипа является присутствие постоянной составляющей на выходе устройства. Несмотря на то, что известные конструкции предназначены для измерения величин магнитных полей на частотах от 10^-2 Гц, фактически они измеряют и постоянную составляющую магнитного поля. Данное обстоятельство затрудняет использование известных устройств для проведения измерений переменных слабых магнитных полей, так как перед высокоразрядным аналого-цифровым преобразованием выходного сигнала
с датчиков необходимо максимально скомпенсировать постоянную составляющую магнитного поля.

Техническим результатом заявляемого изобретения является компенсация постоянной составляющей сигнала на выходе устройства.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в широкополосном высокочувствительном датчике переменных магнитных полей, содержащем СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, формирующую подмагничивающее поле, новым является то, что устройство дополнительно содержит схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи и катушку обратной связи, причем входы повторителя и фильтра верхних частот подключены параллельно к выходу сумматора, а их выходы – ко входу операционного усилителя, выход которого подключен к последовательной цепочке из сопротивления обратной связи и катушки обратной связи, при этом выходной сигнал устройства снимается с выхода фильтра верхних частот.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием схемы компенсационных измерений, включающей повторитель, фильтр верхних частот, операционных усилитель, сопротивление обратной связи и катушку обратной связи.

Существенным отличием является то, что сигнал, подаваемый на катушку обратной связи, формируется путем вычитания на операционном усилителе из выходного сигнала повторителя сигнала фильтра верхних частот. Таким образом, происходит компенсация только постоянной составляющей магнитного поля. При этом цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя замыкается через компенсационную катушку и компенсационное магнитное поле.

Другим существенным отличием является то, что выходной сигнал устройства снимается с выхода фильтра верхних частот, на выходе которого отсутствует постоянная составляющая сигнала, за счет чего достигается технический результат.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана функциональная схема заявляемого широкополосного высокочувствительного датчика переменных магнитных полей; на фиг. 2 показаны направления магнитных полей в области чувствительного элемента устройства.

Широкополосный высокочувствительный датчик переменных магнитных полей содержит (фиг. 1) СВЧ-генератор (1), выход которого подключен к двум микрополосковым СВЧ-резонаторам (2) с тонкими магнитными пленками (ТМП); два амплитудных детектора (3), входы которых подключены к СВЧ-резонаторам (2), а выходы – одного к повторителю (4), второго к инвертору (5); Выход повторителя (4) и выход инвертора (5) подключены к двум входам сумматора (6), выход которого подключен к схеме компенсационных измерений. Эта схема включает: повторитель (7), фильтр верхних частот (8), операционный усилитель (9) – ОУ, сопротивление обратной связи (10) и катушку обратной связи (11). Выход сумматора (6) параллельно подключен к входам повторителя (7) и фильтра верхних частот (8) схемы компенсационных измерений. Выходы повторителя (7) и фильтра верхних частот (8) подключены к двум входам операционного усилителя (9), причем выход повторителя (7) подключен к неинвертирующему входу, а выход фильтра верхних частот (8) – к инвертирующему входу операционного усилителя (9). Выход операционного усилителя (9) подключен к последовательной цепочке из сопротивления обратной связи (10) и катушки обратной связи (11). Кроме этого, выход фильтра верхних частот (8) подключен ко входу усилителя (12) выходного сигнала, выход этого усилителя (12) является выходом устройства. Для формирования постоянного магнитного поля смещения в устройстве предусмотрена магнитная система (13). На фиг. 2 показаны направления магнитных полей в широкополосном высокочувствительном датчике слабых магнитных полей. Одна или несколько тонких магнитных пленок (14) размещаются таким образом, что их оси трудного намагничивания (ОТН) направлены вдоль подмагничивающего магнитного поля H_СМ, формируемого магнитной системой (13). Компенсационное магнитное поле Н_КОМП, формируемое катушкой обратной связи (11), направлено перпендикулярно ОТН. Компенсационному магнитному полю Н_КОМП сонаправлено измеряемое поле Н_ИЗМ (т. е. направление максимальной чувствительности устройства) Формируемое полосковыми проводниками (15) высокочастотное магнитное поле H_СВЧ направлено под углами ±φ° к ОТН.

Широкополосный высокочувствительный датчик переменных магнитных полей работает следующим образом. Подробно работа чувствительного элемента устройства (микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками) описана, например, в [Магнитометр слабых квазистационарных и высокочастотных полей на резонансных микрополосковых преобразователях с тонкими магнитными пленками / А. Н. Бабицкий, Б. А. Беляев, Н. М. Боев, Г. В. Скоморохов, А. В. Изотов, Р. Г. Галеев // Приборы и техника эксперимента, – 2016. – №3. – С. 96–104], поэтому акцент будет сделан на отличительных особенностях в работе заявляемого устройства относительно прототипа. СВЧ-сигнал с выхода СВЧ-генератора (1) поступает (фиг. 1) на два СВЧ-резонатора (2), внутри которых находятся (фиг. 2) тонкие магнитные пленки (14). Под воздействием внешнего измеряемого поля H_ИЗМ происходит изменение величины поглощения электромагнитной энергии СВЧ-резонаторов (2) пленками (14), что регистрируется (фиг. 1) амплитудными детекторами (3). Сигналы амплитудных детекторов (3), пройдя через повторитель (4) и инвертор (5), поступают на вход сумматора (6). Выходной сигнал сумматора (6) поступает одновременно на повторитель (7) и на фильтр верхних частот (8). Частота среза фильтра верхних частот (8) определяет нижнюю границу частотного диапазона широкополосного высокочувствительного датчика переменных магнитных полей. Выходные сигналы повторителя (7) и фильтра верхних частот (8) поступают на вход операционного усилителя (9), а выходной сигнал операционного усилителя подключен к последовательной цепочке из сопротивления обратной связи (10) и катушки обратной связи (11). Важно отметить, что на операционном усилителе (9) вычисляется разность сигналов повторителя (7) и фильтра верхних частот (8), при этом отрицательная обратная связь операционного усилителя (9) замыкается через магнитное поле, создаваемое катушкой обратной связи (11).Сигнал с выхода фильтра верхних частот (8) через усилитель (12) подается на выход устройства.

Экспериментальные исследования показали, что широкополосный высокочувствительный датчик переменных магнитных полей работает в широкой полосе частот, например, от 1 Гц до 1 МГц. Нижняя частотная граница определяется частотой среза фильтра верхних частот (8). Устройство может быть использовано, например, при проведении геофизических измерений методом становления поля. Как правило, для измерений магнитного поля в этом случае используют крупногабаритные индукционные магнитометры, которые не измеряют постоянную составляющую магнитного поля (которая не несет полезной информации) и работают на низких частотах (верхняя граничная частота не более 10 кГц). Заявляемое устройство обладает меньшей чувствительностью, чем крупногабаритные (длиной более метра) и тяжелые (массой 5–10 кг) индукционные магнитометры, однако имеет значительно меньшую массу (менее 100 г) и габариты (77×35×28, мм). Это дает возможность разместить большое количество векторных датчиков как внутри передающей магнитной петли, так и снаружи, при необходимости – на разных высотах. Кроме того, в отличие от индукционных магнитометров, заявляемый широкополосный высокочувствительный датчик переменных магнитных полей имеет постоянный коэффициент преобразования во всем частотном диапазоне. Уровень собственных шумов устройства на высоких частотах около 10^-13 Тл/Гц^1/2.