Пристрій для вимірювання квазістатичних магнітних полів

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения малых квазистатических магнитных полей, В качестве прототипа выбрано устройство для измерения квазистатических магнитных полей, в котором сердечник соленоида выполнен в виде стержня с зеркальным торцом и компенсатор в виде зеркального гальванометра с фотоприемником, и содержит лазер, светоделитель, зеркала, генератор подмагничивания, светоделитель, две растровые диафрагмы, четыре объектива, второй фотоприемник, усилитель зеркального гальванометра, резонансный усилитель и источник постоянного напряжения. Недостатком такого устройства является недостаточная точность и стабильность измерений, а также большие габариты, связанные с наличием интерферометра. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать устройство для измерения квазистатических полей за счет использования туннельного зонда и мембраны, что при изменении расстояния между ними приводит к изменению величины тока туннелирующих электронов, в результате чего обеспечивается высокая чувствительность туннельного тока к изменению расстояния между туннельным зондом и мембраной, что обеспечивает более высокую точность измерений. Поставленная задача решается тем, что устройство содержит соленоид с сердечником из магнитострикционного материала, соединенный с генератором подмагничивания и источником постоянного напряжения, усилитель в цепи обратной связи и узкополосный усилитель. Сердечник соленоида выполнен в виде стержня из магнитострикционного материала, который сопряжен с блоком резонансного преобразования амплитуды колебаний. К одной обмотке соленоида подсоединен генератор подмагничивания, соединенный с синхронным детектором, выход которого соединен с источником постоянного напряжения, подключенным через измеритель тока ко второй обмотке соленоида. Узел резонансного преобразования амплитуды колебаний, выполненный в виде мембраны, закреплен на пьезоэлектрическом элементе, с помощью которого меняется натяжение мембраны до совпадения резонансных частот механических колебаний мембраны и магнитострикционного стержня. На одной из поверхностей мембраны располагается проводящая площадка, электрически заземленная, напротив которой установлен туннельный зонд, электрически соединенный с интегрирующим и селективным усилителем. Выход интегрирующего усилителя соединен с пьезоэлектрическим перемещателем, а выход селективного усилителя через синхронный детектор соединен с источником постоянного напряжения. Магнитострикционный стержень, мембрана и туннельный зонд с пьезоэлектрическим перемещателем помещены в акустический и электрический экран. Совокупность указанных признаков обеспечивает повышение точности и стабильности измерений, существенное уменьшение габаритов устройства и возможность использования з разных условиях. Устройство обеспечивает измерение магнитного поля с точностью 10Тл, ограничение на величину поля связано с параметрами соленоида. На фиг.1 изображен блок-схема устройства для измерения квазистатических магнитных полей; на фиг.2 - зависимость деформации магнитострикционного стержня от приложенного магнитного поля. Устройство содержит магнитострикционный сердечник 1, помещенный в катушку соленоида 2, соединенного с генератором подмагничивания 3 и источником постоянного напряжения 4. Натяжение мембраны 5 изменяется с помощью пьезоэлектрического элемента 6. Мембрана 5 изготовлена из тонкой металлической пленки или диэлектрической пленки, на поверхности которой расположена проводящая площадка, электрически соединенная с землей. Туннельный зонд 7 электрически соединен с интегрирующим 9 и селективным 10 усилителями. Выход интегрирующего усилителя 9 электрически соединен с пьезоэлектрическим перемещателем 8, который связан с туннельным зондом 7. Выход селективного усилителя 10 через синхронный детектор 11 соединен с источником постоянного напряжения 4; туннельный зонд 7 подводится с помощью "грубого" перемещателя 13 к поверхности мембраны 5 и удерживается на постоянном среднем расстоянии от него с помощью пьезокерамического "точного" перемещателя 8. При работе устройства туннельный зонд 7 расположен непосредственно над проводящей площадкой мембраны 5. Мембрана 5 имеет связь с магнитострикционным сердечником 1 посредством механического контакта или за счет любого другого силового взаимодействия сердечник - мембрана. Магнитострикционный сердечник 1 вместе с туннельным зондом. 7, мембраной 5 и пьезоэлектрическим перемещателем 8 помещены в акустический и электростатический экран 14. В цепь, соединяющую источник постоянного напряжения 4 и соленоид 2, включен амперметр 12. Устройство работает следующим образом. Натяжением мембраны 5 с помощью пьезоэлектрического элемента 6 добиваются совпадения частоты механического резонанса на основной гармонике мембраны 5 и магнитострикционного сердечника 1. Туннельный зонд 7 и связанный с ним пьезоэлектрический перемещатель 8 приближают с помощью перемещателя для подвода туннельного зонда 13 к проводящему участку в центре мембраны 5 до возникновения тока туннелирующих электронов. Туннельный ток возникает при сближении кончика острия зонда 7 и мембраны 5 на расстояние 5 30Å, при этом туннельный зонд 7 имеет напряжение смещения относительно мембраны 10 - 500мВ. Мембрана 5 или проводящий участок на ее поверхности выполнен из неокисляющегося материала: золота, серебра, пиролитического графита или их функциональных заменителей, Постоянная составляющая туннельного тока усиливается интегрирующим усилителем 9. Усилитель усиливает разность туннельного тока и специально заданного эталонного тока Усиленный и проинтегрированный разностный сигнал поступает на пьезоэлектрический перемещатель 8 так, что случайное увеличение постоянной составляющей туннельного тока приводит к увеличению расстояния мембрана туннельный зонд и соответствующему уменьшению постоянной составляющей туннельного тока, тем самым поддерживается постоянное значение среднего туннельного тока равное заданному эталонному току и, следовательно, постоянное значение расстояния туннельный зонд - мембрана, которое связано с туннельным током следующим выражением где - ток туннелирующих электронов, - напряжение смещения туннельный зонд мембрана; - расстояние туннельный зонд - мембрана; - средняя работа выхода материала туннельного зонда и проводящей площадки; - масса электрона; - постоянная Планка; - константа. При изменении расстояния X на 1Å значение туннельного тока k изменяется приблизительно на порядок, в результате чего обеспечивается высокая чувствительность туннельного тока к изменению расстояния где типичное значение туннельного тока принято Магнитострикционный сердечник 1 помещен в тестовое переменное магнитное поле соленоида 2 частоты равной частоте механического резонанса продольных колебаний сердечника 1 где - скорость звука в материале стержня; - длина стержня. Для установки рабочей точки на нуль зависимости (фиг.2) к обмотке соленоида дополнительно подключен источник постоянного напряжения 4. Из-за того, что зависимость четная функция, в спектре колебаний длины сердечника 1 присутствуют составляющие с частотами, кратными двойной частоте При изменении внешнего магнитного поля происходит смещение рабочей точки на характеристике и в спектре колебаний стержня появляются нечетные гармоники Магнитострикционный сердечник 1, сопряженный с мембраной 5, имеющую резонансную частоту колебаний представляет собой систему двух связанных осцилляторов. При возбуждении системы двух связанных осцилляторов с равными или близкими собственными частотами энергия колебаний перераспределяется между ними по периодическому закону. Энергия колебания сердечника 1 составит: где - модуль Юнга; -площадь поперечного сечения стержня; - длина стержня; - амплитуда изменения длины стержня при колебаниях. Энергия колебания мембраны может составлять: где - сила натяжения мембраны; - амплитуда смещения мембраны от положения равновесия; - размер мембраны. Мембрана, воспринимая энергию колебаний от стержня, колеблется с амплитудой в раз больше, чем амплитуда колебания стержня может быть оценено сопоставлением (1) и (2) где -толщина мембраны; - размер мембраны; - растяжение мембраны при ее натяжении силой - модули Юнга материала стержня и мембраны соответственно; - длина стержня. Так как резонансная частота колебаний мембраны совпадает с частотой основных колебаний сердечника в спектре колебания мембраны преимущественному усилению будут подвергаться составляющие колебаний частоты а все высшие гармоники будут подавляться ввиду того, что гармоники колебаний мембраны не кратны ее основной частоте. Колебание мембраны приводит к изменению величины туннельного промежутка мембрана - туннельный зонд, в результате чего в спектре переменной составляющей туннельного тока связанного с расстоянием появится составляющая с частотой Эта составляющая туннельного тока селективно усиливается узкополосным усилителем 10, а затем детектируется синхронно с колебаниями генератора подмагничивания 3. Полученный сигнал с синхронного детектора 11 поступает на управляющий вход источника постоянного напряжения 4, который изменит ток в катушке соленоида 2 и при этом рабочая точка характеристики будет установлена на нуль, и тем самым в спектре колебаний длины стержня 1, мембраны 5 и туннельного тока отсутствует составляющая на частоте Измеритель тока (амперметр) 12 регистрирует все измене ния тока соленоида. При внесении магнитострикционного стержня в измеряемое магнитное поле или при любом его изменении обратная связь обеспечивает возвращение рабочей точки в нуль характеристики за счет создания постоянного компенсирующего поля соленоида 2, формируемого благодаря изменению величины протекающего по его обмоткам тока, создаваемого управляемым источником постоянного напряжения 4. Величина этого тока определяется амперметром 12, включенным в электрическую цепь источника 4 и соленоида, и связана с компенсирующим магнитным полем, равным измеряемому, соотношением: где - приращение компенсирующего магнитного поля, равное изменению измеряемого; - измеряемое приращение тока в обмотках соленоида; - число витков на единицу длины соленоида; - радиус соленоида. Граничная частота цепи обратной связи по постоянной составляющей туннельного тока значительно ниже частоты генератора подмагничивания вследствие чего колебания этой частоты попадают на вход узкополосного усилителя 9 без ослабления и не компенсируется изменением длины туннельного промежутка. Механические колебания сердечника и мембраны на частоте за счет механического резонанса усиливаются в и раз соответственно механическая добротность стержня для продольных колебаний на частоте добротность изгибных колебаний мембраны на частоте что обеспечивает повышение чувствительности измерительного прибора. Для предотвращения влияния акустических помех, приводящих к паразитных колебаниям магнитострикционного сердечника и мембраны, о также исключения электрических наводок, искажающих туннельный ток, сердечник вместе с туннельным датчиком, пьезоэлектрическим перемещателями и мембраной помещен в акустический экран, одновременно выполняющий роль электростатического экрана. Пример реализации. Устройство реализовано следующим образом (фиг.3). Магнитострикционный сердечник 1 изготовлен из феррита М400 НН, имеет длину 160мм и диаметр 8мм. На одном из концов сердечника закреплено пьезокерамическое кольцо из пьезокерамики ЦТС 19 диаметром 8мм, на которое с противоположной стороны натянута мембрана из серебра толщиной 3мкм. Сердечник помещен в соленоид 2, содержащий две обмотки. Одна обмотка намотана медным проводом диаметром 0,8мм в два ряда и служит для создания тестового переменного магнитного поля. Другая обмотка содержит 8000 витков провода диаметром 0,3мм и служит для создания постоянного компенсирующего поля. В качестве генератора подмагничивания 3 используется генератор ГЗ-112. В качестве источника постоянного тока использован источник типа ВС-5 - 10, в котором сделан отвод от входа регулирующего элемента для соединения с фазовым детектором. Острие туннельного зонда 7 выполнено из вольфрамовой проволоки, заостренной методом электрохимического травления. Пьезоэлектрический перемещатель 8 представляет собой трубку из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 8мм, длиной 35мм, толщиной 35мм, толщиной стенки 1мм. На внешнюю и внутреннюю сторону трубки нанесены электроды из серебра. Пьезоэлектрический перемещатель 8 закреплен на основании, которое может передвигаться с помощью дифференциального винта, необходимого для начальной установки туннельного зонда 7 вблизи мембраны. Дифференциальный винт одновременно является частью акустического и электромагнитного экрана 14. Интегрирующий 9 и селективный 10 усилители собраны на операционных усилителях К140УД6. Фазовый детектор собран на микросхеме 590КНЗ. Ток в катушке соленоида, создающий компенсирующее магнитное поле, измеряется прибором В7-21 (12). Блок резонансного преобразования амплитуды, колебаний (фиг.4) может быть выполнен в виде мембраны, закрепленной на пьезокерамическом кольце с помощью которого можно менять натяжение мембраны и, следовательно, резонансную частоту ее поперечных колебаний. Пьезокерамическое кольцо вторым своим основанием закрепляется на некотором расстоянии от конца магнитострикционного стержня (фиг.4а). Изменяя точку закрепления основания пьезокерамического кольца, можно изменять коэффициент связи двух связанных колебательных систем (сердечника и мембраны). При меньшем коэффициенте связи резонансная кривая системы двух связанных осцилляторов имеет меньшую полуширину, в результате чего повышается избирательность системы, понижается уровень шумов, что приводит к повышению точности измерений. Блок резонансного преобразования амплитуды колебаний может быть выполнен в виде (фиг.4б) мембраны, закрепленной на пьезокерамическом кольце, с помощью которого можно менять натяжение мембраны, а, следовательно, резонансную частоту ее поперечных колебаний; она располагается вблизи торца сердечника на расстоянии так, что по воздуху передаются колебания от сердечника мембране. Коэффициент связи уменьшается при удалении мембраны от сердечника, чем достигается повышение избирательности системы и, следовательно, улучшение точности измерений. Блок может быть выполнен в виде (фиг.4в) мембраны, закрепленной на пьезокерамическом кольце, с помощью которого можно менять натяжение мембраны и, следовательно, резонансную частоту ее поперечных колебаний; мембрана связывается с торцом сердечника посредством упругой связи. Изменением коэффициента жесткости упругой связи можно менять коэффициент связи между двумя колебательными системами и изменять форму резонансной кривой системы связанных осцилляторов; тем самым повышая точность измерений. На фиг.4г мембрана закреплена на пьезокерамическом кольце, с помощью которого можно менять натяжение мембраны и, следовательно, резонансную частоту ее поперечных колебаний; она располагается вблизи торца сердечника и в зазоре сердечник мембрана формируется электрическое поле. Поле возникает за счет соединения мембраны и металлизированного участка торца сердечника с различными полюсами источника постоянного напряжения. Колебания сердечника передаются мембране за счет силы действующей между торцом сердечника и мембраной, к которым приложена разность потенциалов где - диэлектрическая постоянная; - площадь мембраны; - разность потенциалов; - расстояние между торцом сердечника и мембраной. Коэффициент связи мембрана - сердечник может быть изменен как изменением приложенной разности потенциалов так и изменением расстояния сердечник -мембрана. Изменением коэффициента связи изменяют форму резонансной кривой колебательной системы и, следовательно, повышают точность измерений. На фиг.4д мембрана закреплена на составном пьезокерамическом кольце так, что возможно независимо изменять натяжение мембраны и толщину кольца. Ко второй части пьезокерамического кольца подключен источник переменного напряжения; частота переменного напряжения равна удвоенной частоте тестового магнитного поля и в точности совпадает с частотой неосновных колебаний магнитострикционного сердечника. Амплитуда переменного напряжения и его фаза выбираются так, чтобы неосновные колебания магнитострикционного сердечника компенсировались модуляцией толщины части пьезокерамического кольца. В результате колебания на удвоенной частоте не будут передаваться мембране, что приведет к повышению точности измерения магнитного поля. На фиг.4е к мембране дополнительно подключен источник переменного напряжения; частота переменного напряжения равна удвоенной частоте тестового магнитного поля и в точности совпадает с частотой неосновных колебаний магнитострикционного сердечника. Амплитуда и фаза переменного напряжения выбираются так, чтобы компенсировать составляющую силы на двойной частоте где - амплитуда переменного напряжения; - средняя разность потенциалов мембрана - сердечник; - среднее расстояние мембрана сердечник; - амплитуда колебаний сердечника на частоте В результате колебания сердечника на двойной частоте не будут передаваться мембране, что приведет к повышению точности, измерений магнитного поля.