Одним из основных элементов магнитометрических преобразова­телей является магнитная система, обеспечивающая представление контролируемого параметра (тока, угла) в виде напряженности по­ля. Характер распределения напряженности по объему датчика су­щественно влияет на основные характеристики преобразователя.

В протонно-прецессионном преобразователе неоднородность маг­нитного поля, как показано в § 1-2, приводні к резкому увеличе­нию скорости затухания сигнала прецессии, оказывая на ядерную систему действие, во многом аналогичное увеличению спин-спиновой релаксации или уменьшению постоянной Т2, так как из-за разли­чающейся напряженности спиновые моменты каждого из сечений датчика прецессируют на различной частоте. Это сопровождается увеличением скорости расфазировки ядерных моментов.

В самогенерирующих квантовых преобразователях (мазерах) влияние неоднородности магнитного поля в связи с зависимостью частоты от поля {см. (1-51)] сводится к уширению резонансной ли­нии и снижению амплитуды автоколебаний. Причина уширения ли­нии та же, т. е. спиновые моменты камеры поглощения прецесси­руют в различном поле на разной частоте. В связи с этим в фор­мировании сигнала в цепи обратной связи начинает принимать меньшее количество частиц, частота которых близка к пиковой ча­стоте линий, уменьшается амплитуда выходного сигнала и снижает­ся отношение сигнал/шум.

Уширение резонансной линии из-за снижения добротности ос­циллятора приводит к увеличению степени влияния возмущений. Это снижает и порог чувствительности преобразователя, так как минимальное поле, которое можно преобразовать, примерно равно половине ширины линии. Поэтому разработка требований к магнит­ным системам преобразователей с точки зрения обеспечения задан­ной точности и анализ способов получения необходимой однород­ности поля в объеме их датчиков являются одними из основных за­дач при прецизионном преобразовании электрических параметров и угловых перемещений в код.

Для того чтобы наилучшим образом выбрать конструкцию и размеры магнитной системы, необходимо установить зависимость величин, характеризующих степень неоднородности магнитного поля от параметров магнитной системы. Степенью неоднородности может служить наибольшая абсолютная величина разности АЯ0бр между значениями напряженности поля в центре образца Но и в наиболее удаленной его точке х.

Для магнитных систем, обладающих осью симметрии и перпен­дикулярной к ней плоскостью симметрии, это означает, что

ДЯ0бр = |Я*-Яс|, (4-3)

где Нх — аксиальная компонента поля на границе образца.

Из закономерностей, проанализированных в § 1-2, вытекает од­но из основных требований к магнитным системам протонно-прецес - сионных преобразователей, состоящее в том, что неоднородность поля, создаваемого магнитной системой, не должна приводить за время измерения Гизм к модуляции сигнала прецессии, которая по­низила бы отношение амплитуды сигиала к амплитуде шума до ве­личины меньшей, чем требуется для обеспечения заданной точности контроля параметров бт. т.

Тогда величина допустимого уменьшения значения отношения сигнал/шум А и может быть определена из соотношения [50]

где Я к — напряженность поля, пропорциональная контролируемому параметру.

Для проверки выполнения соотношения (4-4) необходимо вы­числить форму огибающей сигнала и найти его изменение за время измерения.

Функция распределения неоднородности поля может быть опре­делена аналитически, экспериментально или получена методами ма­тематического моделирования.

В качестве исходных параметров при разработке требований к магнитным системам квантовых преобразователей могут быть взя­ты такие ограничения, как чувствительность, габариты, предельное значение тока преобразователя и др.

Например, при заданном значении чувствительности и выбран­ном рабочем веществе датчика может быть определено первое при­ближение для постоянной магнитной системы по формуле (2-41), а при наличии ограничений на габариты и предельное значение тока
можно осуществить выбор ее геометрии, определить число витков и запаздывание преобразователя.

Расчет поля в объеме камеры поглощения позволит найти мак­симальную неоднородность и вызванное ею уширение резонансной линии, сопоставление которой с требуемым значением порога чувст­вительности позволит сделать предварительное заключение о пра­вильности выбора магнитной системы квантового преобразователя.

У

Рис. 4-15. К расчету напряженно­сти магнитного поля, создаваемо­го в точке М круговым контуром.

Учитывая особенности конструкции преобразователей, основан­ных на магнитометрических принципах, к их магнитным системам предъявляются также другие требования, которые, в частно­сти, должны обеспечивать:

возможность выполнения многообмоточных систем, что является необходимым усло­вием создания многоканальных частотных преобразователей;

минимум дополнительной погрешности, связанной с изме­нением геометрических разме­ров и сопротивлений обмоток при колебаниях температуры окружающей среды или при обтекании их контролируемым током;

минимум динамических погрешностей, зависящих от постоянной времени нарастания тока в обмотках магнитной системы;

максимальную помехоустойчивость и помехозащищенность от воздействия внешних. магнитных полей;

возможность размещения в центральной области протонно-пре­цессионного или квантового датчиков с требуемым объемом рабо­чего вещества;

минимальные габариты, что может являться в ряде случаев не­обходимым условием использования магнитометрических преобразо­вателей.

Из рассмотрения требований к магнитным системам протонно­прецессионных и квантовых преобразователей становится очевид­ным, что практический интерес представляют лишь те системы, ко­торые обеспечивают напряженность поля на длине образца, весьма мало отличающуюся от напряженности в центре.

Для создания магнитных полей с высокой однородностью ис­пользуются различные магнитные системы. Если известно размеще­ние проводников в контуре, то напряженность магнитного поля в каждой точке пространства может быть точно вычислена и, если не считать влияния внешних полей рассеяния, может быть достиг­нута любая желаемая степень неоднородности.

Вычисление телесного угла Q приводит к следующему выраже­нию для магнитного потенциала в точке М [Л. 71]:

1 _ cos ф _ Sin= Ф 4" (_pr)”X

гдеРп(соз'ф) и Рп (cos 0)—полиномы Лежандра; г — полярное расстояние точки М от начала координат 04.

В полученных формулах для напряженности поля кругового контура предполагалось, что ток протекает'по бесконечно тонкому проводу. Однако на практике обмотка занимает некоторый объем, что уменьшает мощность, рассеиваемую в единице объема. Кроме того, однородность магнитного поля, созданного одиночной катуш­кой, невелика. Поэтому чаще применяют катушки более сложного типа.

Для получения в небольшом объеме магнитного поля высокой однородности часто используются кольца Гельмгольца, которые, как известно, представляют собой два круговых контура одинакового диаметра, расположенные параллельно друг другу на расстоянии L=R и имеющие центры на общей оси. Практически в такой маг­нитной системе вместо одного витка используются однослойные или многослойные обмотки, имеющие w витков. Однослойные катушки, вследствие малого количества витков, создают слабую напряжен­ность магнитного поля. Многослойные катушки, создавая более сильное поле, обеспечивают более низкую точность расчета поля из-за значительной погрешности определения диаметра и расстоя­ния между катушками.

Изменение температуры также сильно влияет на геометрические размеры катушек. Например, при изготовлении их из силумина из­менение температуры на 1°С вызывает относительное изменение ра­диуса на 10~5. Даже если при этом компенсируется. соответствую­щее изменение сопротивления, напряженность поля согласно (4-11) изменится на величину того же порядка.

Преимущество магнитной системы, состоящей из колец Гельм­гольца, перед другими системами заключается в доступности про­странства, в котором создается равномерное поле.

При проектировании магнитных систем для ядерных преобра­зователей допустимая степень неоднородности магнитного поля в объеме датчиков может колебаться в значительных пределах в зависимости от метода возбуждения прецессии и требуемой точ­ности преобразования параметров. По этой причине целесообразно рассмотреть характер изменения напряженности поля, создаваемого парой катушек, и способы повышения его однородности при задан­ных габаритах колец Гельмгольца. Наибольшая протяженность области однородного поля получается в том случае, когда разность между относительным изменением напряженности поля и величиной поля в средней плоскости как раз соответствует допустимой вели­чине отклонения поля от однородного.

Протяженность области, в пределах которой относительное из­менение напряженности поля оказывается заключенным между своим максимально допустимым значением и ее значением в цен­тральной части, может быть определена как оптимальная длина.

На рис. 4-16 приведены результаты расчета по формуле (4-10) относительного изменения напряженности поля по оси колец Гельм­гольца простейшего типа с числом витков w— 1 при изменении рас­стояния между катушками от R до 1,1 R через 0,01 R и от 1,1 R до 2R через 0,1 R[12]. Из этих данных следует, что при небольшой вели­чине допуску на неоднородность поля, например для протЪнно-пре - цессионных преобразователей, следует тщательно подбирать рас­стояние между катушками, так как характер распределения поля очень чувствителен к расстоянию между катушками.

В ряде работ (Л. 23, 61] предлагаются магнитные системы с большим, чем у обычных колец Гельмгольца, числом контуров,

Рис. 4-16. Изменение напряженности при наруше­нии условия L=R.

обеспечивающие заданную степень неоднородности в том же объ­еме, но при меньших габаритах магнитной системы. Однако много­контурные системы имеют ряд недостатков, связанных со значитель­ным усложнением конструкции магнитной системы, необходимостью ее тщательной юстировки и уменьшением рабочего пространства.

В качестве магнитных систем преобразователей могут быть ис­пользованы также миниатюрные соленоиды.

Особенности магнитометрических преобразователей определя­ются также их функциональными схемами и условиями применения. На рис. 4-17 приведена классификация погрешностей магнитометри­ческих преобразователей типа аналог—код и показана взаимосвязь отдельных составляющих ошибок. Систематические погрешности вы­делены в отдельную группу (поз. 1—9). Основную часть этих

Рис. 4-17. Классификация погрешностей магнитометричеошх преобразователей типа аналог—код и их взаимосвязь с обобщенными характеристиками точности.

погрешностей представляют методические ошибки (поз. 1—7). Слу­чайные погрешности связаны главным образом с изменением темпе­ратуры окружающей среды, внешнего магнитного поля и измене­ниями углового положения магнитных контуров преобразователя из-за конечной жесткости конструкции (поз. 29—37).

Погрешности проявляются по-разному в зависимости от типа функциональной схемы, типа датчика, рабочего вещества мазера (поз. 18—22). Особый класс погрешностей представляют динамиче­ские ошибки, связанные с изменениями контролируемых параметров во времени. По физической природе ошибок они могут быть отне­сены к методическим, так как определяются постоянной Т2, т. е. инерционностью спиновой системы, и в меньшей степени — магнитной системы, а по причинности вызывающих их возмущений — к случай­ным. Так же обстоит дело с ориентационной зависимостью частоты (см. § 1-4) и погрешностью умножителя частоты (поз. 23, 24), ис­пользуемого в низкочастотном гелиевом мазере (на Не3), парамет­ры которого приведены в табл. 1-2; поэтому в классификации ди­намические погрешности занимают промежуточное положение.

В приведенной классификации отражено наличие связей между отдельными возмущениями, которые вытекают из особенностей раз­работанных выше функциональных схем и физических процессов в преобразователях (рассмотренных в § 1-2—1-4). Эти связи опре­деляют обобщенные метрологические характеристики точности: нестабильность нуля преобразователей;

* . линейность выходной характеристики преобразователей и ста­бильность ее крутизны;

чувствительность к изменениям входного сигнала; степень ослабления помех.

Для исследования взаимосвязи этих характеристик с ошибками первого и второго рода (11) необходимо знание закона распределе­ния нестабильности передела, под которым понимается закон рас­пределения погрешностей при контролируемом сигнале, близком к предельному значению. Эта характеристика также является обоб­щенной— она формируется из оценок типа чувствительность, сте­пень ослабления помех и линейность.

В качестве примера для иллюстрации связей между ошибками можно указать, что нестабильность нуля преобразователя протонно­прецессионного типа определяется степенью старения параметров его магнитной системы сгG и согласующих устройств сгд, а неста­бильность нуля квантовых преобразователей находится с учетом ос­новных коррелированных составляющих (поз. 29,30 и 32) по формуле:

ао = "Ь q2R "Ь а0.с"Ьас “Ь аи "Ь а34“На29~Ьазо + Ззг)2»

где (То. с — сдвиг частоты мазера из-за влияния изменения фазы в цепи обратной связи; сгс — сдвиг частоты из-за изменения интен­сивности сигнала в цепи обратной связи мазера; сги — сдвиг часто­ты из-за изменения интенсивности источника излучения.

Нестабильность нуля квантовых преобразователей дифференци ального типа для временного интервала непрерывной работы поряд­ка 100 ч (исходя из достигнутой в неподвижных квантовых гради­ентометрах длительной "стабильности нуля и возможной степени компенсации магнитных помех типа вариации градиента поля с по­мощью экрана) может быть около 0,001 % предельного значения приращения поля и лучше. Нестабильность возрастает с ухудшени­ем степени демпфирования помех и качества термостатирования датчика. Предельное значение полезного приращения поля целесо­образно из-за снижения линейности ограничить величиной 5 000— 10 ООО гамм.

Под нестабильностью предела понимается вероятный разброс результатов преобразования, получаемых непосредственно после ка­либровки мазера, исключающей уход его от нуля. хМетодика калиб­ровки рассмотрена в § 4-2 и состоит в использовании режима син­хронизации мазеров с целью возможно более точной оценки нали­чия разности частот при отсутствии сигнала.

Линейность различных вариантов преобразователей зависит в основном от типа рабочего вещества, наличия квадратичного чле­на в выражении для частоты и качества усилителя. В соответствии с рис. 4-17 линейность находится для двух случаев преобразова­ния— на номинальной шкале (U=UEом) и при перегрузках по вхо­ду (£/>£/ном), которые имеют место в режиме автоматического по­иска шкалы. Количественные характеристики линейности зависят от диапазона входных сигналов (см. § 1-4).

Нелинейность выходной характеристики преобразователя с це­зиевым мазером при точности преобразования на уровне 0,01 — 0,005% можно не учитывать. ’

Повышение чувствительности можно производить за счет увели­чения постоянной магнитной системы. Однако при уменьшении га­баритов последних до 10—12 см из-за возрастания неоднородности поля и снижения отношения сигнал/шум, ниже допустимого соотно­шением (4-4) уровня, в обычной магнитной системе типа колец Гельмгольца пока не удалось превзойти уровень 30 000 гамм при таком же поле поляризации.

В связи с этим постоянная малогабаритных магнитных систем преобразователей определяется в основном максимальным входным сигналом /у. макс. Например, при /у. макс —100 мка постоянная маг­нитной системы не должна превышать 3* 105 гамм/ма; при /у. макс^ = 100 ма+3 • 102 гамм/ма и т. д.

Таким образом, чувствительность находится в сочетании с уче­том возможного потребляемого тока, т. е. допустимого входного сопротивления преобразователя.

Стремление к чрезмерному увеличению чувствительности за счет постоянной магнитной системы может привести также к увеличению динамических погрешностей из-за переходных процессов установле­ния поля в' зоне спиновой системы (см. связь поз. 40 с поз. 28 на рис. 4-17). Это явление для магнитных систем типа колец Гельм­гольца несущественно, так как их постоянная времени обычно не

превышает 10-5—10-4 сек. Наиболее важным фактором является здесь увеличение температурных погрешностей и повышение требо­ваний к точности работы систем термостатирования, так как темпе­ратурный дрейф постоянной магнитной системы приводит к изме­нениям крутизны преобразования:

Степень ослабления помех в различных частотных диапазонах, в частности, при нулевой частоте помехи о)п=0, в диапазоне вход­ных сигналов (Оп^сэном и при высокочастотных помехах опреде­ляется типом мазера и функциональной схемой. Помехоустойчивость дифференциальной схемы преобразователя исследована в § 2-3, где показано, что для этой схемы имеются зоны нечувствительности к наиболее опасным помехам типа градиентов поля и вариаций гра­диента.

К числу случайных погрешностей отнесены случайные состав­ляющие сдвигов частоты мазера из-за флуктуаций температуры окружающей среды, а также влияния температуры на стабильность фазы в цепи обратной связи и изменения постоянных составляю­щих внешних полей, приводящие к появлению мультипликативной, т. е. 'возрастающей с ростом сигнала, систематической погрешности, например, типа ориентационного сдвига частоты мазера. Практи­чески все случайные температурные погрешности, связанные с из­менением параметров магнитной системы, сильно коррелированы. Существенной корреляцией отличаются также случайные погрешно­сти, связанные с контактными э. д. с., которые могут возникнуть из-за наличия разнородных материалов в конструкции датчиков.

Учитывая, что по вопросам стабильности параметров магнит­ных мазеров уже имеются систематизированные исследования при­чин сдвигов их частоты в стационарных режимах, основное внима­ние необходимо уделять анализу специфических для техники преоб­разования погрешностей, связанных с изменением поля поляризации (поз. 9) у погрешностей систем обработки частоты (поз. 5) и ди­намических ошибок (поз. 28).

В § 1-4 и 4-2 были приведены порядки величин сдвигов частот мазеров, существенно важных для техники преобразования сигналов постоянного и переменного тока в частоту следования импульсов.

Основная задача, решаемая при проектировании устройств пер­вичной обработки информации, к которым относятся, в частности магнитометрические преобразователи, заключается в разработке та­ких функциональных узлов этих устройств и требований к ним, ко­торые наилучшим образом обеспечивают реализацию операций, пре­дусмотренных техническими требованиями по предварительной об-

работке и преобразованию информации, и, кроме того, удовлетво­ряют критериям стоимости и надежности [Л. 11].

Последовательность разработки протонно-прецессионных преоб­разователей, этапы которой изображены на рис. 4-18, обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к ним и к точности измере­ния контролируемых параметров. Это требует обеспечения опреде

Ленного отношения амплитуды э. д. с. сигнала к среднеквадратиче­скому напряжению шума за время измерения, которое аналитически определяется из условия (4-4).

Приведенный в предыдущих главах анализ принципов построе­ния и основных характеристик магнитометрических преобразовате­лей дает возможность сопоставить их параметры с поставленными техническими требованиями (этап І), сравнить их по интересую­щим нас критериям с другими преобразователями (этап 2) и сде­лать вывод о целесообразности разработки для некоторой конкрет­ной системы контроля устройств первичной обработай информации, основанных, например, на использовании явления свободной ядерной прецессии.

Проектирование преобразующих устройств необходимо прово­дить, исходя из требований к структуре системы контроля в целом [Л. 34]. Такой подход облегчает оптимизацию связей между пара­метрами проектируемых блоков и параметрами других функциональ­ных устройств системы. Это позволяет определить ограничения 3 на характеристики и параметры проектируемого устройства, выполне­ние которых необходимо для согласования контура обработки ин­формации с системой, контролируемым объектом и для обеспечения его работоспособности в реальных условиях.

Перечень ограничений 3 позволяет иметь исходные данные как для принятия решения по конструктивному оформлению узлов и выбору элементов из числа типовых (18), так и для аналитических расчетов, что отражено на схеме рис. 4-18 связями этапа 3 с эта­пами 5, 7 и 8.

Как следует из приведенной схемы, выполнение условия 9 мо­жет быть достигнуто за счет поиска оптимального сочетания пара­метров чувствительного элемента 4 и магнитной системы 6 при условии соответствия их критериям стоимости и надежности (этап 14). іПри этом (необходимо учитывать ограничения на ©ес q, габариты V, ток поляризации /Р, максимальный ток управления /у, максимум частоты /о, объем рабочего вещества датчика Q, оказы­вающий существенное влияние на амплитуду сигнала прецессии, а также время преобразования Тазгл, зависящее от требуемой точ­ности и отношения сигнал/шум.

Расчет собственных параметров датчика из условия максимума сигнала прецессии на этапах 4, 5 может быть проведен по методи­ке, изложенной в работе |[Л. 51], которая предусматривает связь ха­рактеристик датчика, его геометрии и конструкции с э. д. с. сиг­нала.

Выбор типа и расчет параметров магнитной системы (этап 6) обеспечивают получение максимальной однородности магнитного по­ля в объеме датчика при минимальных габаритах системы.

От выбора типа магнитной системы в определенной степени зависят характеристики эталонных и испытательных сигналов (этап 15), используемых в данной системе контроля. На точность расчета неоднородности поля в объеме датчика на этапах 7 и 8 влияет принятое допущение о равномерности распределения витков обмотки (этап 16) по сечению прецизионной магнитной системы. Ниже оно проанализировано на конкретном примере. Допущение о равномерности распределения может способствовать введению обратных связей от этапа 9 — проверки 'выполнения ограничения на отношение сигнал/шум — к этапам 4 и 6

Для исключения ошибок в определении» величины неоднородно­сти поля вместо допущения 16 в процессе проектирования может быть введен алгоритм расчета напряженности поля, учитывающий статистическим путем распределение витков по сечению обмотки магнитной системы.

Тогда, используя приведенный выше алгоритм расчета полей Нх и Ну кругового контура, суммарную напряженность в рассмат­риваемой точке рабочего объема датчика можно определить в ре­зультате последовательного сдвига опорной кривой Hx = f(x, у)

(рис. 4-19,а), рассчитываемой для центрального витка с предельной точностью. Практика таких расчетов на ЭЦВМ показывает, что при использовании семи полиномов Лежандра погрешность при отбра­сывании остаточных членов в формуле (4-10) оказывается меньше

ю-

Алгоритм для вычисления суммарной составляющей поля Нх1 для каждого конкретного значения х записывается для многослойного соленоида в виде

где L — линейный размер магнитного контура по оси х, выражен­ный в числе шагов обмотки; k — выраженный таким же образом порядковый номер витка обмотки, считая от центра контура; i, j — параметры, учитывающие симметрию задачи при сдвиге расчетного витка (рис. 4-19,6); по — число слоев обмотки, которое принято чет­ным для уменьшения погрешности из-за влияния пространственной формы витка, т. е. изменения радиальной составляющей поля витка из-за разворота его плоскости от плоскости сечения на некоторый угол Yo> в общем случае непостоянный по длине витка.

Аналогичным образом может быть построен алгоритм расчета поля и для магнитных систем другого типа.

Типовые расчеты целесообразно выполнять с перфорированием значений промежуточных сумм, которые могут быть в последующих расчетах введены в машину без потери времени.

• Приведенный способ моделирования поля позволяет расширить границы использования указанного метода для расчета магнитных систем с произвольной формой огибающей обмотки y=f(x). При этом следует отдавать отчет, что приведенный аппарат в целях эко­номии машинного времени должен использоваться в первую очередь для уточнения вида функции распределения неоднородности в ре­альных конструкциях магнитных систем.

. Рис. 4-20. Изменение средней напряженно­сти поля соленоида с постоянными ампер - витками ори изменении шага обмотай.

В качестве примера на рис. 4-20 показано изменение относи­тельной величины средней напряженности магнитного поля в объ­еме однослойного соленоида с радиусом Я = 4 см, длиной 2L = 30 см при постоянстве ампер-витков Iw = const в зависимости от шага об­мотки, первое значение которого было 'принято равным 1 мм, а за­тем последовательно уменьшалось до значения 2~7 мм.

Графики рассчитаны для составляющей Нх по опорной кривой в алгоритме (4-12), полученной из соотношения для одиночного вит­ка >[см. формулу (4-10)] при числе полиномов Лежандра, автомати­чески ограничивающих ошибку расчета поля погрешностью порядка 10-8—10~9.

Расчеты были произведены для точек с координатами х и у, ограниченными размерами камеры поглощения (у^2 см, х^.5 см). Кривая с индексом у=2(1, II) относится к вариантам расчета на первом и втором шагах при у=2, кривые г/=0,5(/, VI) и г/=0,5(/, VII) к первому и последнему вариантам при у=0,5. Правая цифро­вая шкала относится к пунктирным кривым. Анализ данных вскрыл интересный факт локальной зависимости напряженности поля от тех­нологии изготовления обмотки, причем уровень поля может отли­чаться для соленоида, с большим диаметром витков от поля соле­ноида на миниатюрном проводе диаметром порядка нескольких сотых миллиметра на 0,01—0,03% при неизменных полных ампер-витках.

В связи с этим после изготовления магнитных систем целесообразно проводить тщательное сравнение их постоянной с постоянной пре­цизионных магнитных систем одним из разработанных е метрологии методов.

Рассмотренный аппарат применим для статистического модели­рования магнитных систем преобразователей, когда координаты вит­ков обмотки изменяются случайно, например, сдвигаются от иде­ального положения на величину, не превышающую шага витка.

Особое внимание с ТОЧКИ зрения соблюдения условия Лит. т^ ^Аифакт, т. е. соотношения между фактическим и требуемым от­ношением сигнал—шум, проверяемою после завершения конструк­тивных расчетов и изготовления опытного образца преобразователя (см. рис. 4-18, этап 7/), следует уделить определению фактической неоднородности магнитного поля в объеме датчика, которая будет существенно зависеть от технологии изготовления датчика и магнит - ной системы.

Изготовление опытного образца позволяет уточнить основные характеристики и постоянные преобразователя, например, такие, как фактическое значение отношение сигнал/шум Аи. факт (этап 12), по­стоянную магнитной системы (этап 17), и выдать необходимые ис­ходные данные для проектирования других блоков системы кон­троля и в первую очередь согласующих устройств и нормализаторов.

Сравнение различных типов преобразователей с точки зрения целесообразности их использования в конкретных условиях удобно проводить, анализируя ряд зависимостей, изображенных графически на рис. 4-21. Известно, что практическая реализация прибора лучше при более высокой чувствительности к изменению частоты в функ­ции от поля, при меньшей мощности Рр, расходуемой от источника сигнала, меньшем коэффициенте усиления k (более простом усили­теле), при более высокой линейности частоты от поля /=<р(Я) и меньших динамических погрешностях. Анализ должен проводиться при одинаковых постоянных магнитных систем и одинаковом уп­равляющем токе /у. Уровень тока управления определяется, исходя из приведенных в § 1-1 требований к входному сопротивлению пре­образователя (это ограничение обозначено на рис. 4-21 вертикалью

Rbx) •

Низкие частоты при малых постоянных магнитных систем могут оказаться неприемлемыми из-за большого времени контроля частоты /к {Л. 11], а чрезвычайно высокие частоты — из-за сложности соот­ветствующих средств контроля (счетчиков). Это обозначено линией ограничения по /сч. Таким образом, рабочим участком функции /== = ср (Я) может оказаться ее участок 1—2. Из нескольких возмож­ных случаев, удовлетворяющих рассмотренным условиям, выбира­ются те, которые обеспечивают (в зависимости от технических тре­бований) либо меньшую потребляемую МОЩНОСТЬ Рр, либо более простой усилитель. Например, из анализа кривых /=ф(Я) и /= = Фі(Я), представляющих два сравниваемые метода, вытекает пол­ное преимущество первого метода и неприемлемость для данных условий второго. Первый метод (оптическая ориентация) характе­ризуется также меньшими динамическими погрешностями, так как Т2*<&Т2**.

В связи с этим в технике преобразования так же, как при из­мерении слабых магнитных полей в магнитометрии, оказывается це­лесообразным использовать свободную ядерную прецессию (в крио­генном варианте), динамическую поляризацию и оптическую ориен­тацию атомов или ядер.

Рис. 4-21. К выбору типа датчика для преобразо­вателя * —овободная прецессия, ** —двойной оптический резонанс).

Основные характеристики наиболее распространенных типов пре цизионных датчиков напряженности магнитного поля приведены вы­ше в § 1-4.

Анализ этих данных, а также степени конструктивной разра­ботки отдельных вариантов показывают, что в преобразователях угловых перемещений и электрических сигналов наиболее целесооб­разно использование гелиевых датчиков с наивысшей стабильностью нуля (лучше 0,1 гамм) и чувствительностью и освоенных к произ­водству цезиевых (или рубидиевых) самогенерирующих устройств с высокими метрологическими свойствами.

 

 

[3] Обеспечивает максимальную стабильность частоты.

8 Обеспечивает высокое быстродействие при контроле частоты.

[5] Удобен для работы в зоне сильных градиентов магнитного поля.

,

 

 

[9] Параметры элементов, отмеченные звездочкой, подбираются при настройке.

должны обеспечивать достаточный для поддержания устойчивых ко­лебаний постоянный фазовый сдвиг, малые фазовые искажения во всем диапазоне изменения напряженности магнитного поля и тре­буемый уровень усиления.

При использовании в датчиках камер поглощения размером 50X70 мм и интенсивности источника излучения порядка 5 -1015 фотонов в секунду (при освещенности фотодиода около 150—

[10] Материалы по этому усилителю и генератору (рис. 4-12) пред­ставлены А. Н. Козловым.

[11] Схема разработана инж. В. А. Наймушиным.

,