DE2117266A1 - Magnetometer - Google Patents

Description

"Magnetometer"

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer mit einem Fühlglied,' welches einen mit einer Magnetschicht überzogenen Metalldraht aufweist.

Magnetometer, die mit Hilfe eines mit einer dünnen Schicht

ferromagnetischen Materials überzogenen Leiter arbeiten, sind aus der amerikanischen Patentschrift 3 ^21 075 bekannt. Die dünne ferromagnetische Schicht wird auf den metallischen Leiter aufgedampft oder aufgalvanisiert. Derartige in Fühlgliedern für Magnetometer verwendete magnetbeschichtete Drähte weisen entlang einer sogenannten Vorzugsachse eine einachsige Anisotropie auf und haben im Idealfalle nur einen einzigen Magnetbereich.

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Nachteilig bei den bekannten Magnetometern der eingangs geschilderten Art ist es, daß ihre Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern verhältnismäßig schwach und ihre Meßgenauigkeit somit gering ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magentometer mit erhöhter Empfindlichkeit zu schaffen, der/bei sehr kompaktem Aufbau und niedrigen Herstellungskosten eine stark erhöhte Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern aufweist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das mit einer aus mehreren Windungen des magnetbeschichteten Drahtes gebildeten ersten Wicklung versehene Fühlglied des Magnetometers zur Erregung an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist und an den Ausgängen des Fühlgliedes ein von der auf das Fühlglied einwirkenden Änderung der magnetischen Feldstärke abhängiges Ausgangssignal an eine mit einem Detektor versehene Ausgangsschaltung abgibt, an der der gemessener.Wert ablesbar ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, die nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert werden. Darin zeigt:

Fig. 1 in abgebrochener Darstellung einen Querschnitt durch einen in dem erfindungsgemäßen Magnetometer verwendeten magnetbeschichteten Draht,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Fühlgliedes des erfindungsgemäßen !Magnetometers,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des Fühlgliedes des erfindungsgemäßen Magnetometers und

Fig. 1», 5 und 6 in Form von Blockschaltbildern mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetometers, in denen die Fühlglieder nach Fig. 2 und 3 Verwendung finden können.

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In Pig. 1 ist in abgebrochener Darstellung ein magnetbeschichteter Draht der bekannten Art dargestellt. Dieser Draht hat einen Durchmesser von 125 /um, besteht aus Beryllium-Kupfer und hat eine Permalloyschicht 11 mit einer Zusammensetzung von etwa 80 % Nickel und 20 % Eisen. Während die ferromagnetische Schicht aufgebracht wird, wirkt in Richtung einer Vorzugsachse ein magnetisches Feld auf die Schicht ein, wobei dieses Feld in Richtung des Drahtumfanges weist. Es konnte nachgewiesen werden, daß sowohl schraubenförmig gewundene Vorzugsachsen als auch longitudinal gerichtete Vorzugsachsen verwendet werden können. Der Magnetisierungsvektor Ff kann während der Abwesenheit eines äußeren Feldes entlang dieser Achse verlaufen und einen den Draht umgebenden magnetischen Fluß verkörpern, der eine in sich geschlossene Schleife bildet. Die zur Vorzugsachse senkrecht stehende Achse wird vielfach als Hartachse bezeichnet; sie verläuft in Richtung der Längsachse des Drahtes. Die Oberfläche des beschichteten Drahtes wird mit einer Schicht geeigneten Isolationsmaterials umgeben, die den zerstörenden Einflüssen (Biegen oder Reiben des Drahtes) widersteht. Die Magnetschicht 11 stellt ein durch das umgebende magnetische Feld sowie durch seine eigenen Wirkungen beeinflußbares Medium dar, während der Draht als elektrischer Anschluß wirkt, dem eine Spannung induziert werden kann.

In Fig. 2 ist ein als ringförmige Meßspule ausgestaltetes Fühlglied dargestellt. Die Meßspule ist auf einen zylinderförmigen Träger 12 aufgebracht, um den eine Anzahl von Windungen 13 des beschichteten Drahtes aufgewickelt.sind, die an den Anschlußpunkten 14 und 15 enden. Die Windungen 13 bilden die innenliegende erste Wicklung. Das Fühlglied ist darüberhinaus noch mit einer/toroidförmig gewickelten, außenliegenden zweiten Wicklung 16 versehen, deren Windungen die erste Wicklung umschlingen. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Wicklungsrichtung der zweiten Wicklung 16 auf der Hälfte des Ringes ihren Wicklungssinn ändert. Die zweite Wicklung 16 ist mit den Anschlußpunkten 17 und 20 versehen.

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Es kann sowohl die äußere als auch die innere Spule die erregte Spule sein, während an der anderen ein Ausgangssignal abgenommen wird. Die Windungsumkehr der äußeren zweiten Wicklung 1.6 bewirkt eine Richtungsumkehr der erregenden Feldstärke -in den beiden Hälften des Fühlgliedes. Bei einer besonderen Ausführungsform wurden 70 Windungen des beschichteten Drahtes als erste Wicklung und 600 Windungen als zweite Wicklung 16 auf den Träger 12- aufgebracht. Das Fühlglied bewirkt einen impulsförmigen Strom wie weiter unten noch beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt ein rechtwinklig aufgebautes abgeflachtes Fühlglied mit einem Träger 22, um den mit den Anschlußpunkt.en Ik und 15 versehene Windungen 23 aus beschichtetem Draht aufgebracht sind. Bei dieser Ausführungsform wird die aus dem beschichteten Draht gebildete Wicklung 23 von einem elektrostatischen Schild 2k umgeben, um die kapazitive Kopplung zwischen der ersten Wicklung und der zur Erregung dienenden zweiten Wicklung 26 herabzusetzen. Der Schild kann aus verkupferten Mylar bestehen, das in regelmäßigen linsenförmigen Intervallen in Form eines groben Rasters geätzt wurde. Die beiden den Schild 2k bildenden Schichten liegen derart hintereinander, daß die ausgeätzten Linien der zweiten Schicht über den aus Kupfer bestehenden Linien der ersten Schicht liegen, wodurch der Schild entsteht. Bei einer besonderen Ausführungsform des Ausführungsbeispieles nach Fig. 3 besteht die aus dem beschichteten Draht gebildete erste Wicklung 23 aus 70 Windungen, während die zur Erregung dienende zweite Wicklung 26 300 Windungen aufweist, die um den elektrostatischen Schild rechtwinklig zur Wicklungsrichtung der ersten Wicklung gewickelt sind. Der abgeflachte Fühler nach Fig. 3 und der ringförmige Fühler nach Fig. 2 sind richtungsabhängige Elemente, die die Größe des zu messenden Feldes in Richtung ihrer Achse mit der größten Empfindlichkeit messen.

Unter der Einwirkung des Erdfeldes dreht sich der Magnetisie- .·■ rungsvektor Pl bis er eine Lage einnimmt, in der ein Gleichge-

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wicht zwischen dem Moment des magnetischen Feldes und der anisotropischen Feldkraft besteht. Der von dem Generator zur erregenden Spule fließende Strom E bewirkt ein erregendes Feld H_d, welches den Magnetisierungsvektor M* ebenfalls in eine neue Gleichgewichtslage bringt. Ein rotierender Magnetisierungsvektor M* bewirkt in dem beschichteten Draht ein Signal, woraus ein Ausgangssignal an den-Anschlußpunkten 14 und'15 resultiert. Falls erwünscht, kann die äußere zweite Wicklung anstatt der inneren Wicklung als Ausgangsspule gewählt werden. Während des Betriebes des erfindungsgemäßen Magnetometers steht das für magnetische Felder.empfindliche Fühlglied sowohl unter der Einwirkung eines umgebenden magnetischen Feldes als auch eines magnetischen Signalfeldes. Eine Änderung der Gleichgewichtslage resultiert in einer Änderung der induzierten Spannung. Diese Spannungsänderung wird gemessen und ist ein Maß des magnetischen Signalfeldes.

Bei dem in Fig. U gezeigten System mit dem ringförmigen Fühlglied ist ein Impulsgenerator 30 mit den Anschlußpunkten 16 und 17 verbunden, um die zweite Spule zu erregen. Das Fühlglied kann durch Impulse erregt werden, um die von dem Meßsystem benötigte Energie herabzusetzen. Der Generator 30 der als mit einer Doppelbasisdiode versehener Relaxationsoszillator ausgestaltet sein kann, gibt beispielsweise mit einer Frequenz von 6-7 KHz mehrere Mikrosekunden andauernde Impulse ab. Diese Impulse bewirken eine leicht gedämpfte Schwingung mit einer Frequenz von etwa 1 Megahertz in dem aus der zu erregenden zweiten Wicklung und einem veränderbaren Kondensator 31 bestehenden Schwingkreis. Die Resonanzfrequenz ist die gleiche wie bei der ersten Wicklung, auf die sie abgestimmt ist. Die Schwingung erscheint an den Anschlußpunkten 14 und 15 des Fühlgliedes als .Trägerfrequenz-Ausgangsspannung. Die Signaländerung ist auf den Träger aufmoduliert. Die Modulationsamplitude ist von der Impulsfrequenz des Generators unabhängig. Die Modulation stellt den Einfluß auf eines von einem Wechselstromsignal abhängigen magnetischen Feldes auf das Fühlglied dar.

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Der Ausgang des Fühlgliedes an den Anschlußpunkten 14 und

15 wird einem gebräuchlichen Detektor 31 zugeführt, der den Träger abtrennt und die Modulation an einen Verstärker 32 weitergibt, dessen Ausgangssignal einem geeigneten Wiedergabe- oder Anzeigegerät 31 zugeführt wird. Es ist auch möglich, die Anschlußpunkte 16 und 17 mit den Anschlußpunkten 14 und 15 zu vertauschen, so daß der Impulsgenerator direkt die aus dem beschichteten Draht bestehende Spule erregt und das Ausgangssignal des Fühlgliedes von der Wicklung

16 abgegriffen wird.

Die Ausführungsform eines mit einem abgeflachten .Fühlglied nach Fig. 3 versehenen Magnetometers ist in Fig. 5 dargestellt. Die Ausführungsform nach Fig. 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 4 durch den elektrostatischen Schild, der die erregte Wicklung von der anderen Wicklung trennt. Weiterhin ist der Hochfrequenzgenerator als Sinuswellengenerator ausgestaltet. Die Wahl eines derartigen Generators ist aber nicht zwingend und es können die beiden Generatoren nach Fig. 4 und 5 miteinander vertauscht werden.

Das System nach Fig. 5 ist mit einem Vorverstärker 34 versehen, der zwischen das Fühlglied und den Detektor 32 geschaltet ist, um den Träger auf den notwendigen Pegel anzuheben. Fig. 6 zeigt ein gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 4 abgewandeltes Meßsystem, in dem der Impulsgenerator 30 direkt an die Anschlußpunkte 14 und 15 der durch den beschichteten Draht gebildeten Wicklung angeschlossen ist. Diese Anschlußpunkte sind weiterhin noch zu dem Detektor 31 geführt .

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   il.j Magnetometer mit einem Fühlglied, welches einen mit einer Magnetschicht überzogenen Metalldraht aufweist, d adurch gekennzeichnet, daß das Fühlglied, welches eine aus mehreren Windungen des beschichteten Drahtes (10, 11) gebildete erste Wicklung (13) aufweist, zur Erregung an einen Hochfrequenzgenerator (30) angeschlossen ist und an seinen Ausgängen (I¹J, 15) ein von der auf das Fühlglied einwirkenden magnetischen Feldstärkeänderung abhängiges Ausgangssignal an eine mit-einem Detektor (31) versehene Ausgangsschaltung (31 bis 33) abgibt, an der der gemessene Wert ablesbar ist.

   2. Magnetometer nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß, eine um die erste Wicklung (13 bis 15) gewickelte zweite Wicklung (16 bis 20) vorgesehen ist und daß der Hochfrequenzgenerator (30) an die Anschlußpunkte (z.B. 17, 20) der einen und die Ausgangsschaltung (31 bis 33) an die Anschlußpunkte (z.B. 14, 15) der anderen Wicklung angeschlossen ist.

   3. Magnetometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, daß die erste Wicklung (13) auf einen flachen rechteckförmigen Träger (22) gewickelt ist und die Anschlüsse (17, 20) der zweiten Wicklung (26) an den als Sinuswellengenerator ausgestalteten Hochfrequenzgenerator (30) angeschlossen sind.

   Ii. Magnetometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (13) auf einen zylinderförmigen Träger (12) aufgewickelt ist und die zweite Wicklung (16) toiddförmig um die erste Wicklung gewickelt ist.

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   5. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis ^,dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (30) in der zweiten Wicklung gedämpfte Hochfrequenzschwingungen erregt.

   6. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis ^,dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Hochfrequenzgenerator (30) als auch die Anschlußschaltung (31 bis 33) an die gleichen Anschlußpunkte (14, 15) angeschlossen
   sind.

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