Hintergrund der Erfindung
Erfindungsbereich
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines Systems zum Messen
eines Magnetfeldes mittels eines supraleitenden Magnetwiderstandselements aus
supraleitendem Material. Im besonderen bezieht sie sich auf eine Verbesserung
der Meßgenauigkeit in einem hochempfindlichen
Supraleiter-Magnetfeldsensorsystem mit einem an das Magnetwiderstandselement, das aus dem
supraleitenden Material mit schwach gekoppelten Korngrenzen besteht, angelegten
Vormagnetisierungsfeld.
Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmlicherweise wird bei einem Magnetfeldsensor der Halleffekt des
Magnetwiderstandseffekts in einem Halbleiter oder in einem magnetischen Material zur
Feststellung oder Messung eines Magnetfeldes genutzt. Im besonderen ist ein
Magnetwiderstandselement bekannt, bei dem ein Formeffekt in einem Halbleiter
mit hoher Elektronengeschwindigkeitsmobilität, zum Beispiel InSb und InAs
ausgenutzt wird, oder ein ferromagnetisches Material mit Richtungseffekt, wie FeNi
oder Co-Ni, verwendet wird.
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Weiterhin wurde ein Verfahren zur Feststellung und Messung eines schwachen
Magnetfeldes entwickelt, das einen Magnetwiderstandseffekt in einem
supraleitenden Material mit lose zusammenhängenden Korngrenzen eines
Supraleiteroxids verwendet.
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Bei dem bekannten Magnetwiderstandselement, das ein halbleitendes oder ein
magnetisches Material verwendet, wird ein Vormagnetisierungsfeld, das zum
Beispiel durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, an das schwache zu
messende Magnetfeld angelegt, um den niedrigen Bereich, in dem sich die Stärke des
Magnetfeldes befindet, in einen hochempfindlichen, durch das
Magnetwiderstandselement
zu messenden Bereich anzuheben, da die Meßempfindlichkeit für
Magnetfelder in einem niedrigen oder schwachen Bereich gering ist. Jedoch ist es
auch in diesem Fall schwer, ein solch schwaches Magnetfeld genau zu messen.
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Beim Messen eines Magnetfelds mit einem supraleitenden
Magnetwiderstandselement, wird durch das Anlegen eines Magnetfeldes einer bestimmten Stärke, die
größer als ein Schwellwert ist, der abhängig von der Stärke des durch das Element
fließenden Vormagnetisierungsstroms bestimmt wird, der supraleit ende Zustand
des Elements aufgehoben und in einen normal leitenden Zustand überführt.
Dadurch wird in der Region, in der das Magnetfeld größer als der Schwellwert in
diesem Übertragungspunkt ist, der Widerstandswert des Elements abrupt
angehoben. Dann kann eine zum Widerstandswert proportionale Ausgangsspannung
generiert werden, um dadurch eine hochempfindliche Messung eines Magnetfeldes
in dieser Region zu ermöglichen.
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In solch einem supraleitenden Magnetwiderstandselement tritt jedoch in einem
Niederfrequenzbereich kleiner als 10 Hz ein Fluktuationseffekt auf. Dieser
verursacht eine Fluktuation des Ausgangssignals des Elements. Dadurch ist es schwer,
ein schwaches Magnetfeld zu messen, indem ein
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld oder ein Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld mit einer Frequenz von
weniger als 10 Hz angelegt wird. Weiterhin tritt eine änderung des
Ausgangsspannungswerts des Elements wegen einer dem supraleitenden
Magnetwiderstandselement innewohnenden Temperaturfluktuation bei der Kühlung des Elements zur
Erhaltung des supraleitenden Zustands auf. Diese Änderung in der
Ausgangsspannung des Elements durch die Temperaturfluktuation kann nicht korrigiert
werden.
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Es sei auf die als EP-A-0 301 902 vorveröffentlichte europäische
Patentanmeldung des Anmelders hingeweisen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Feststellung eines Magnetfeldes durch die Verwendung einer
Magnetwiderstandseigenschaft eines supraleitenden Materials beschreibt. Dieses Dokument
lehrt, daß ein an ein supraleitendes Material mit Korngrenzen angelegtes
Magnetfeld eine Änderung des Widerstandswerts des Materials hervorruft, die von einem
Übergang des Materials vom supraleitendem Zustand in den normal leitenden
Zustand begleitet ist. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit zur Messung
schwacher Magnetfelder kann ein von einem Permanentmagneten oder ein von einem
Elektromagneten erzeugtes Vormagnetisierungsfeld an das Material angelegt
werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung bietet einen Magnetfeldsensor mit einem supraleitenden
Magnetwiderstandselement, Mitteln zum Anlegen eines
Vormagnetisierungswechselfeldes an das Element, und Mitteln zum Abzweigen eines den sich ändernden
Widerstand des Elements repräsentierenden Ausgangssignals aus dem Element, sie ist
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Herausfilterung einer
Grundwellenkomponente der Frequenz des wechselnden Vormagnetisierungsfeldes und einer
2. Harmonischen Komponente bei der doppelten Grundfrequenz, sowie eine
Einrichtung zum Berechnen eines Meßsignals aus den beiden Komponenten.
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Mit einer solchen Anordnung kann die Änderung der Ausgangsspannung wegen
seiner Temperaturfluktuation durch die Kühlung, damit es in den supraleitenden
Zustand gesetzt wird, korrigiert werden. Die Messung schwacher magnetischer
Felder kann dadurch genau und mit einer hohen Empfindlichkeit erreicht werden.
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Vorzugsweise enthält der Magnetfeldsensor weiter Mittel zum Anlegen eines
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes an das supraleitende
Magnetwiderstandselement. Vorteilhafterweise können die Mittel zum Anlegen des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes die Stärke des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändern.
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In der bevorzugten Ausführung liegt die Frequenz des
Wechselstrom-Vormagnetisie rungsfeldes in einem Hochfrequenzbereich, der von der natürlichen
Fluktuation bei einer Niederfrequenz, die in dem supraleitenden Material innewohnt,
nicht betroffen ist. Dadurch verursacht die natürliche Niederfrequenzfluktuation
keinen Meßfehler
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Die Erfindung, die in der bevorzugten Ausführung genau beschrieben wird,
ermöglicht es so, die oben beschriebenen Probleme der Temparaturfluktuation und
der Niederfrequenzfluktuation zu überwinden. Sie ermöglichet weiter die
Messung eines Magnetfeldes mit einer hohen Genauigkeit und einer guten Effizienz.
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Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit weiteren Vorzügen am besten in
Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1(a) und 1(b) sind eine Aufsicht und eine Schnittdarstellung, die eine
Anordnung der Ausführung des supraleitenden Magnetwiderstandselements
zeigen, das in der Ausführung eines supraleitenden Magnetfeldsensorsystems nach
der vorliegenden Erfindung benutzt wird,
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die beispielhaft eine Anordnung
zur Herstellung eines in der Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzen
supraleitenden Films zeigt,
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Fig. 3 ist eine schematischen Darstellung, die eine allgemeine Anordnung
eines supraleitenden Magnetwiderstandselements nach der vorliegenden
Erfindung zeigt, wie es in Figur 1 zu sehen ist,
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Fig. 4 zeigt einen Graphen der Kennlinie zwischen dem
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und der Ausgangsspannung des in der Ausführung
benutzten supraleitenden Magnetwiderstandselements,
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Fig. 5 zeigt einen Graphen der Kennlinien zwischen dem
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und einem Rauschen des supraleitenden
Magnetwiderstandselements,
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Fig. 6(a) bis 6(f) sind schematische Darstellungen, die die Ausgangswellen
formen in Bezug auf die Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelder zeigen,
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Fig. 7 zeigt einen Graphen, der die Betriebspunkte der Fig. 6 aufzeigt,
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Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Ausführung des
Magnetfeldsensorsystems nach der vorliegenden Erfindung darstellt,
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Fig. 9(a) bis 9(d) sind schematische Darstellungen, die die Wellenformen
zur Erklärung der A/D Wandlung des Ausgangssignals des Elements darstellen,
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Fig. 10(a) bis 10(c) sind schematische Diagramme, die Wellenformen zur
Erklärung der Korrektur der Phasendifferenz zwischen dem
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld und dem Ausgangssignals des Elements darstellen, und
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Fig. 11 zeigt einen Graphen, der die Ausgangskennlinie zwischen dem
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und dem Ausgangssignal des Elements
darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Die Figuren 1(a) und 1(b) zeigen eine Anordnung eines supraleitenden
Magnetwiderstandselements 14, das in einer bevorzugten Ausführung eines
Magnetfeldsensorsystems nach der Erfindung benutzt wird. Das Element 14 besteht aus
einem Substrat 1 aus einer nichtmagnetischen Substanz und einem daraufgebilde
ten supraleitenden Film 2. Der supraleitende Film 2 besteht aus einer Koaleszenz
von feinen Körnern aus supraleitendem Materialoxid, wobei die feinen Körner in
einer Punkt zu Punkt Weise schwach zusammengewachsen sind, oder durch einen
dünnen Isolierfilm oder einen normalen leitenden Film aneinander gebunden
sind. Der supraleitende Film 2 ist durch Einschnitte, die mittels einer
Schneidemaschine eingeschnitten wurden, in eine meanderförmige Form geformt, die an
der gleichen Seite endet, an der sie auch beginnt. Auf den supraleitenden Film 2
sind durch die Aufdampfung von Titan (Ti) Material auf beide Seitenbereiche
seiner oberen Oberfläche ein Paar Stromanschlüsse 3a und 3b und ein Paar
Spannungsanschlüsse 4a und 4b gebildet.
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Die Stromanschlüsse 3a und 3b sind an eine Konstantstromquelle 5
angeschlossen, damit ein konstanter Strom zwischen ihnen fließt. Ein Spannungsmesser 6
ist über die Spannungsanschlüsse 4a und 4b zur Messung derausgangsspannung
des Elements 14 angeschlossen. Dadurch wird der Widerstand des
supraleitenden Magnetwiderstandselements 14 abhängig von einer über den
Spannungsanschlüssen 4a und 4b generierten Spannung gemessen.
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Die Figur 2 zeigt eine schematische Anordnung eines bekannten Verfahrens zur
Herstellung des supraleitenden Widerstandselements 14 unter Verwendung
eines Sprühpyrolyseverfahrens.
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Ein Supraleiteroxidfilm aus einer Zusammensetzung der Y-Ba-Cu-O Gruppen
wird auf einem Substrat 13 gebildet, das an einer Basisplatte 17 befestigt ist. Die
Basisplatte 17 wird durch eine Heizung 12 auf eine Temperatur von etwa 600ºC
aufgeheizt. Auf der anderen Seite werden Zusammensetzungen von Nitrat,
dargestellt durch Y (NO&sub3;)&sub3; 6H&sub2;O, Ba (NO&sub3;)&sub2; und Cu (NO&sub3;)&sub2; 3 H&sub2;O, die Materialien
des Supraleiterfilms sind, so ausgemessen, daß sie eine Zusammensetzung von
bestimmten Elementen (YBa&sub2;Cu&sub3;) sind. Danach werden die ausgemessenen
Nitratmateriallen in einer Lösung 7 aufgelöst, die dann in einem Tank 8 einer
Sprühpistole 9 gelagert wird. Nachfolgend wird die im Tank 8 gelagerte Lösung 7 durch
die Sprühpistole 9 nach und nach mittels durch eine Leitung 10 zugeführter
Druckluft in feinen Nebel 11 verwandelt und auf das Substrat 13 gesprüht. Der
auf das Substrat 13 gesprühte Nebel 11 wurde durch Pyrolyse bei einer
Temperatur von etwa 600ºC, auf die das Substrat 13 von der Heizung 12 aufgeheizt wurde,
in eine Keramikoxidschicht gewandelt.
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Der auf dem Substrat 13 gebildete Oxidfilm ist in etwa 10 µm dick hergestellt
worden. Danach wurde der Oxidfilm für einige Minuten einer Temperaturbehandlung
in Luft ausgesetzt, wodurch ein Film mit einer erwünschten Supraleiterfähigkeit
erhalten wurde.
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Obwohl der supraleitende Oxidfilm 2 in dieser Ausführung aus Materialien der Y-
Gruppe hergestellt wurde, kann er auch aus anderen Materialien, z.B. der Bi
Gruppe oder der Tl Gruppe hergestellt werden. Weiterhin können neben dem
Sprühpyrolyse Verfahren andere Verfahren wie Sputtering oder das
CVD-Verfahren zur Bildung des supraleitenden Films 2 benutzt werden.
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Ein gutes Ergebnis wird erhalten, wenn der supraleitende Film 2 des Elements 14
im Bereich von 1 µm bis 10 µm dick gebildet ist.
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Wie in der Figur 3 zu sehen ist, ist das supraleitende Magnetwiderstandselement
14 in einem Bereich angeordnet, der von zwei Spulen 15 und 16 umschlossen ist,
die Vormagnetisierungsfelder in derselben Richtung erzeugen. Dadurch wird ein
Magnetfeldsensorbereich gebildet, in dem die in Figur 1(a) gezeigten
Schaltungsverbindungen der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind. Indem ein solcher
Magnetfeld sensor benutzt wird und das Meßverfahren mit diesem
Magnetfeldsensor in einem magnetisch abgeschirmten Raum durchgeführt wird, der eine
Störung durch magnetisches Rauschen verhindert, wird es möglich ein Magnetfeld
mit einer hohen Genauigkeit zu messen.
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Die Spule 15 ist an eine Wechselstromquelle 26 angeschlossen, um ein
Wechselstrom-Vormagnetisierungfeld an das Element 14 anzulegen. Die Spule 16 ist an
eine Gleichstromquelle 27 angeschlossen, um ein
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld an das Element 14 anzulegen.
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Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Spannungsausgangskennlinie des
supraleitenden Magnetwiderstandselements 14 über die Spannungsanschlüsse 4a und 4b in
der Messung mit dem Magnetfeldsensor, wie sie oben beschrieben wurde. Die in
der Figur 4 gezeigte Ausgangskennlinie wurde unter den Bedingungen erhalten,
daß ein Vormagnetisierungsstrom von 10 mA Stärke durch die Stromanschlüsse
3a und 3b des Elements 14 aufrechterhalten wird, während die Stärke des durch
die Spule 16 an das Element 14 angelegten
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändert wird. Die vertikale Achse der Figur 4 zeigt die Ausgangsspannung
des Elements 14 und die horizontale Achse der Figur 4 zeigt die Stärke des durch
die Spule 16 angelegten Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes.
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In der Figur 5 zeigt die vertikale Achse des Graphen die Stärke des im
Ausgangssignal des Elements 14 enthaltenen Rauschens bei verschiedenen Frequenzen,
wie 0,75 Hz, 10 Hz und 100 Hz, bei einem Betrieb des Elements 14 unter denselben
Bedingungen wie in Figur 4, während sich das
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld so verändert, wie es in der horizontalen Achse der Figur 5 aufgezeigt ist.
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Wie in der Figur 5 zu sehen ist, verändert sich die Stärke des durch das Element 14
erzeugten Rauschens nur gering, wenn sich die Stärke des angelegten
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändert. Werden die Frequenzanteile des
Rauschens analysiert, so ist festzustellen, daß das Rauschen im Bereich eines
niedrigen Frequenzpegels unter einigen Hz relativ groß ist. Es ist weiter
festzuhalten, daß eine genaue Messung eines Gleichstrom- oder
Niederfrequenzmagnetfeldes schwer durchzuführen ist, indem ein Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld
an das supraleitenden Magnetwiderstandselement 14 angelegt wird, da die
Messung des Gleichstrom- oder Niederfrequenzmagnetfeldes durch das Rauschen
gestört wird, wie es in der Figur 5 zu erkennen ist.
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In der bevorzugten Ausführung des Magnetfeldsensorsystems nach der vorliegen
den Erfindung können ein Gleichstrommagnetfeld und ein
Niederfrequenzmagnetfeld durch die Verhinderung eines Einflusses von
Niederfrequenzkomponenten des in dem supraleitenden Magnetwiderstandselement 14
innewohnenden Rauschens präzise gemessen werden. Weiterhin ermöglicht es die bevorzugte
Ausführung durch die Korrektur deränderung derausgangsspannung wegen der
Temperaturfluktuation des supraleitenden Magnetwiderstandselements 14, die
auftritt, wenn das Element 14 um in den supraleitenden Zustand zu kommen
gekühlt wird, ein schwaches externes Magnetfeld mit hoher Genauigkeit zu messen.
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Die Figuren 6(a) bis 6(f) zeigen Wechselstrom-Ausgangswellenformen des
Elements 14, wenn ein Wechselstom-Vormagnetisierungsfeld durch die Spule 15 an
das Element 14 angelegt wurde, in der Ausführung nach der vorliegenden
Erfindung.
Die Figur 6(a) zeigt ein sin-förmiges Wechselstrommagnetfeld von ±100
Milligauß, das an das Element 14 durch einen wechselstrom von 1 kHz angelegt wird,
mit dem die Spule 15 gespeist wird, wie es in Figur 2 gezeigt ist.
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Unter der Bedingung, daß das Wechselstrommagnetfeld an das Element 14
angelegt wird, indem die Spule 15 mit einem Wechselstrom versorgt wird, wird ein
Gleichstrommagnetfeld einer vorbestimmten Stärke zusätzlich an das Element 14
angelegt, indem die Spule 16 mit einem vorbestimmten Gleichstrom gespeist wird.
Die unter dieser Bedingung entstandene Ausgangskennlinie des Elements 14 ist
in Figur 7 gezeigt. Werden die verschiedene Stärken des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes, die durch die Punkte A bis E in Figur 7 gezeigt sind, und den in
Bezug auf Figur 4 erklärten Inhalt haben, an das Element 14 angelegt, so verhalten
sich die zu den zuvor aufgezeigten Stärken des Magnetfeldes korrespondierenden
am Ausgang des Elements 14 gene rierten Wellenformen wie die in den Figuren 6(b)
bis 6(f) gezeigten zu den Punkten A bis E der Figur 7 korrespondierenden.
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Die Ausgangssignale des Elements 14 mit den Ausgangswellenformen nach den
Figuren 6(a) bis 6(f) werden durch ein mit einem magnetischen Feldsensor
verbundenes Magnetfeldsensorsystem verarbeitet, wie es in Figur 8 gezeigt ist. Dabei
wird die Änderung des Ausgangssignals des Elements 14 wegen der oben
erwähnten dem Element 14 innewohnenden Fluktuation durch eine Verarbeitung des
Ausgangssignals korrigiert.
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Die Figur 8 zeigt eine allgemeine Anordnung des
Supraleiter-Magnetfeldsensorsystems. Das Ausgangssignal der Spannungsanschlüsse 4a und 4b des
supraleitenden Magnetwiderstandselements 14 wird an einen Differenzverstärker 21
angelegt und von diesem mit dem Faktor 20 verstärkt. Danach wir das Ausgangssignal
des Verstärkers 21 über einen Tiefpaßfilter 22, der eine Grenzfrequenz von 2,5
kHz zur Eliminierung des durch das Element 14 generierten Effekts des
Rückrauschens hat, an einen analog/digital Wandler 23 (nachfolgend als A/D Wandler 23
bezeichnet) angelegt.
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Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 22 wird vom A/D Wandler 23 A/D
gewandelt und das digitale Ausgangssignal des A/D Wandlers 23 wird an einen digitalen
Signalprozessor 24 geführt.
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Die A/D Wandlung des A/D Wandlers 23 wird nachfolgend in Bezug auf Figuren
9(a) bis 9(d) erklärt. Die Figur 9(a) zeigt eine Wellenform eines
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes, das an das Element 14 durch die Versorgung der Spule 15
mit einem Wechselstrom angelegt ist. Die Figur 9(b) zeigt die Wellenform eines
Ausgangssignals des Elements 14 mit angelegtem
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld. Mit Hilfe von zwei Arten von Zeit signalen, dem in Figur 9(c)
dargestellten Sample-Signal und dem in Figur 9(d) gezeigten Trigger-Signal, die von einem
Sinusgenerator 25 zur Generierung eines Wechselstrommagnetfeldes zu dieser
Zeit übertragen wurden, wird die A/D Wandlung durch den A/D Wandler 23, der
mit dem Anlegen des Wechselstrommagnetfeldes synchronisiert ist,
durchgeführt.
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Die A/D Wandlung wird durch den A/D Wandler 23 mit 16 bit durchgeführt, in
denen die Sampeltätigkeit 16 mal in gleichbleibenden Intervallen während einer
Periode des oben erwähnten Wechselstrommagnetfeldes durchgeführt wird.
Dadurch wird das digitale Ausgangssignal erhalten.
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Mit dem digitalen Ausgangssignal des A/D Wandlers 23 werden der
Grundwellenanteil, der den gleichen Frequenzanteil wie das
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld aufweist, und die 2. Harmonische Komponente, die den doppelten
Frequenzanteil der Grundfrequenz aufweist, mittels der Fouriertransformation
berechnet. Die Grundfrequenz korrespondiert zu der Komponente mit der Ordnung
1 und die 2. Harmonische Komponente korrespondiert zu der Komponente mit der
Ordnung 2 der Fourierreihe der periodischen Menge des
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes. Der berechnete Wert der Grundfrequenzkomponente wird
durch den Wert der 2. Harmonischen Komponente dividiert. Dadurch wird die
Änderung des Ausgangssignals des Elements 14 wegen der dem Element 14
innewohnenden Fluktuation entfernt.
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In dieser Ausführung werden nur 1 kHz und 2 kHz Komponenten des
Ausgangssignals des Elements 14 schmalbandig ausgebiendet, da die Frequenz des
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes 1 kHz beträgt. Dadurch wird es möglich, den
effektiven Wert des im Element 14 generierten Rauschens in einem
Niederfrequenzbereich zu unterdrücken.
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Das digitale Ausgangssignal des A/D Wandlers 23 wird durch den digitalen
Signalprozessor 24 bearbeitet, der an den A/D Wandler 23 angeschlossen ist. Die
prinzipielle Theorie der digitalen Signalverarbeitung des Signalprozessors 24
wird nachfolgend beschrieben.
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Wie oben beschrieben, wird das analoge Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 22
durch den A/D Wandler 23 A/D gewandelt, um diskrete digitale Werte zu erhalten.
Diese werden mittels der diskreten Fouriertransformation numerisch analysiert.
Hierdurch wird eine reelle Funktion x(t) durch die Fouriertransformation wie folgt
expandiert:
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wobei sich jeder Faktor der Komponente der Ordnung N der diskreten Fourierreihe
(1) wie folgt darstellt:
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Hierbei entsprechen die Xj den Eingangsdaten und N der Ordnungsnummer der
entsprechenden Daten.
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Nach der vorliegenden Ausführung wird das digitale Datensignal von 16 bit durch
den Signalprozessor 24 mit einer hohen Geschwindigkeit verarbeitet, um die
jeweiligen Frequenzanteile zu errechnen.
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In dieser Ausführung ist die Anzahl der Eingangsdaten 128, die zu den Daten von
8 Perioden korrespondieren, wobei die Daten 16 mal in jeder Periode gesampelt
werden.
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Bei der Kühlung des Elements 14, damit es in einen supraleitenden Zustand
kommt, kann die Temperaturfluktuation des Elements nicht verhindert werden,
da das Element 14 in flüssigen Stickstoff versenkt ist, der sich in einem
Wärmeisolationsgefäß befindet, und durch dessen Verdampfung gekühlt wird. Dadurch
war in der herkömmlichen Methode, ein Magnetfeld mittels nur der
Grundfrequenzkomponente zu messen, der Fehler der Fluktuation der Ausgangsdaten
durch die Temperaturcharakteristik des Elements 14 vorhanden.
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Auf der anderen Seite wird in der bevorzugten Ausführung nach der vorliegenden
Erfindung die 2. Harmonische Komponente zusammen mit der
Grundfrequenzkomponente verwendet, wie oben beschrieben. In Übereinstimmung mit der
Kennlinie des Elements 14 ist die 2. Harmonische Komponente des
Ausgangssignals im Bereich eines vorbestimmten Magnetfeldes nicht abhängig von der
Stärke des externen Magnetfeldes, sondern nur von der Änderung der Kennlinie
durch die Temperatur des Elements. Andererseits wird die
Grundfrequenzkomponente des Ausgangssignals von der Änderung des Ausgangssignals des Elements
durch die Stärke des externen Magnetfeldes und durch die
Temperaturfluktuation beeinflußt. Deshalb wird die Grundfrequenzkomponente durch die 2.
Harmonische Komponente dividiert, wodurch es möglich wird, den Rauschantell, der
vom Element wegen der Temperaturfluktuation erzeugt wird, aus der
Grundfrequenzkomponente herauszufiltern. Demnach wird im Vergleich mit dem
herkömmlichen Verfahren, nur die Grundfrequenzkomponente mit einem
Differenzeinrastverstärker zu messen, in dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
die Fluktuation des Ausgangswerts auf einen Faktor 1/5 reduziert.
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Nachfolgend wird die oben erwähnte Signalverarbeitung schematisch in Bezug
auf die Figuren 10(a) bis 10(c) erklärt.
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Die Phasendifferenz θ zwischen dem an das Element 14 angelegten
Wechselstrommagnetfeld, wie es in Figur 10a gezeigt ist, und des Ausgangssignals des Elements
14, das die gleiche Periode hat und in Figur 10(b) gezeigt ist, wird gemessen und
die jeweiligen Faktoren der Fourierreihe werden nach den folgenden Gleichungen
(4) und (5) korrigiert, dabei werden die jeweiligen Sinuswellenkomponenten der
Grundfrequenzwelle und der 2. Harmonischen Welle erhalten.
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Unter der Annahme, daß die Cosinus- und Sinusanteile der Grundfrequenzwelle
jeweils C1 und S1 sind, und daß die Cosinus- und Sinusantelle der 2.
Harmonischen Welle jeweils C2 und S2 sind, werden die absoluten Anteile M1 und M2 der
Grundfrequenz und der 2. Harmonischen Frequenz jeweils durch die folgenden
Gleichungen (6) und (7) erhalten:
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Durch diese Berechnungen werden die Ausgangswerte durch die Gleichungen (8)
und (9) wie folgt erhalten:
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Mittels der Gleichung (8) wird es möglich, die Komponente des externen
Magnetfeldes mit der gleichen Polarität wie die des angelegten
Wechselstrommagnetfeldes zu messen. Mittels der Gleichung (9) wird es möglich, den absoluten Wert der
Komponente des externen Magnetfeldes zu messen, die eine andere Polarität als
das angelegte Wechselstrommagnetfeld aufweist. Wie oben beschrieben, wird das
Rauschen des Fluktuationsantells, das zur Phasendifferenz zwischen dem
Ausgangswert des Magnetfeldsensors und dem angelegten Wechselstrommagnetfeld
korrespondiert, durch die Berechnungen des digitalen Signalprozessors 24
korrigiert.
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Die Ergebniswerte einer solchen oben beschriebenen Messung des Magnetfeldes
sind in Figur 11 gezeigt. Die horizontale Achse der Figur 11 stellt die Stärke des
gemessenen externen Magnetfelds dar und die vertikale Achse stellt den
Ausgangsspannungswert des Supraleiter-Magnetfeldsensorsystems der bevorzugten
Ausführung dar, die die Errechnung nach Gleichung (8) benutzt. Um die
Berechnungszeit zu reduzieren, kann die Signalberechnungstätigkeit auch
durchgeführt werden, indem eine Substitutionsmethode für die Messung durchgeführt
wird, in der die 2. Harmonische Komponente M2 durch die Kosinuskomponente
C2 ersetzt wird. Weiterhin sind solche Berechnungen nicht auf diese Beispiele
beschränkt, es können auch andere passende Kombinationen der Berechnungen
verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung ist gänzlich in Bezug auf die bevorzugte Ausführung
beschrieben worden. Sie soll dadurch nicht begrenzt werden, denn es ist möglich,
den Meßbereich des zu messenden Magnetfeldes und die Genauigkeit der
Messung zu ändern, Indem der an das supraleitende Magnetwiderstandselement
angelegte Vormagnetisierungsstrom, die Stärke des
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes, dessen Frequenz, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes und die Änderung der Stärke des
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes verändert werden.
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Weiterhin ist es möglich, in der Verarbeitung des Ausgangssignals des Elements
14 die Auflösung des A/D Wandlers 23 und die Samplezeiten in jeder Periode auf
eine Rate, die größer oder gleich viermal pro Periode des angelegten
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes ist, zu ändern. Zusätzlich ist es auch möglich,
die Sampleanzahl zum Erhalten der jeweiligen Komponenten in jedem
Samplepunkt 50 zu ändern, daß sie eine höhere Anzahl als die Anzahl der Samples pro
Periode ist.
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Obwohl in der vorliegenden Ausführung das Ausgangssignal des Elements 14
durch den A/D Wandler A/D gewandelt wird, bevor das Signal durch den
Signalprozessor verarbeitet wurde, kann das analoge Ausgangssignal auch durch ein
analoges Signalverarbeitungsverfahren verarbeitet werden.
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Obwohl weiterhin in der vorliegenden Ausführung zwei Spulen zur separaten
Versorgung durch Gleichstrom und Wechselstrom benutzt werden, um das
Gleichstrom- und Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, kann das
Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und das Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld
auch mittels einer Spule durch deren Versorgung mit Wechselstrom und
Gleichstrom erzeugt werden.
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Es ist auch möglich, die Spule zur Versorgung der Vormagnetisierungsfelder in
Dünnfilmtechnik auf dem Substrat, auf dem das supraleitende
Magnetwiderstandselement angeordnet ist, auszuführen. Dadurch wird es möglich, das
Erkennen eines Magnetfeldes zu stabilisieren und die Herstellung des
Magnetfeldsensorsystems zu erleichtern.
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Im Magnetfeldsensorsystem der bevorzugten Ausführung wird ein Wechselstrom-
Vormagnetisierungsfeld einer hohen Frequenz zur Unterdrückung der Wirkung
des Rauschens einer natürlichen Niederfrequenz kleiner als einige Hertz, das dem
Element innewohnt, angelegt. Durch die Benutzung des Frequenzanteils des
Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeldes, der dem Ausgangssignal des Elements
entnommen wurde, und zu dem angelegten Wechselstrom-Vormagnetisierungs
feld und der 2. Harmonischen Komponente korrespondiert, wird es möglich, die
Änderung des Ausgangssignals des Elements zu korrigieren, die wegen der
Temperaturfluktuation des Elements auftritt, wenn das Element gekühlt wird, um
supraleitend zu werden, so daß auch ein schwaches Magnetfeld genau und mit einer
hohen Empfindlichkeit gemessen werden kann.
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Weiterhin ist die Empfindlichkeit des supraleitenden
Magnetwiderstandselements nicht abhängig von seiner Größe oder Form. Es ist dadurch möglich, das
Element und die Spulen mit kleinen Ausmaßen zu gestalten, so daß es möglich
wird, ein externes Magnetfeld in einem winzigen Raum zu erkennen. Das bedeutet,
daß das Magnetfeldsensorsystem in verschiedenen Einsatzgebieten benutzt
werden kann, wie zum Beispiel in medizinischen Behandlungen und bei nicht
zerstörenden Tests.
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Es ist auch festzustellen, daß dem Fachmann verschiedene Änderungen
offenstehen, ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen
definiert ist, zu verlassen.