Розроблення методів покращення параметрів широкосмугових індукційних магнітометрів

Abstract

В дисертаційній роботі проведено розроблення методів вдосконалення широкосмугових індукційних магнітометрів з метою підвищення рівня їх метрологічних та експлуатаційних параметрів з урахуванням специфічних вимог сучасного застосування. Для цього побудовано та досліджено новий варіант еквівалентної схеми широкосмугового ІМ, що має диференціальну ланку в колі оберненого зв’язку по магнітному полю, яка в повній мірі відображає його динамічні характеристики. На підставі запропонованої еквівалентної схеми ІМ проведено аналіз його стабільності і швидкодії та обґрунтовано спосіб підвищення запасу стійкості. Виконано аналіз впливу основних параметрів конструкції ІМ - матеріалу і форми осердя, особливостей виконання обмотки та ін. - на коефіцієнт перетворення давача в широкій смузі частот та проведено розрахунок порогу чутливості ІМ. Для зниження порогу чутливості в умовах обмежень на розміри ІМ досліджено ефективність застосування концентраторів магнітного потоку на кінцях осердя. Запропоновано метод розрахунку параметрів широкосмугових індукційних магнітометрів із врахуванням особливостей їх побудови. Його застосування дозволило створити ряд ІМ з покращеним рівнем параметрів, що не поступаються кращим світовим зразкам. Запропоновано також новий спосіб оцінки якості ІМ і показано, що його застосування дозволяє ефективно порівнювати різні за конструкцією ІМ за критерієм мінімального рівня магнітного шуму. Всі положення, подані в роботі, перевірено експериментально і доведено правильність отриманих рекомендацій та модельних співвідношень. The thesis is dedicated to the problem of development of methods of wideband induction magnetometers (IM) improvement with the aim to increase the level of metrological and operational parameters with taking into account the specific requirements of modern application. The new version of equivalent circuit of wideband IM which contains differential link in the feed-back circuit by magnetic field and fully reflects its dynamic characteristics is proposed. The mathematical model of IM is constructed based on the proposed equivalent circuit. Stability and speed response analysis is done and method for the stability increment is proposed. It is demonstrated for the first time that the variation of parameters of the correction link in the feed-back circuit does not influence the speed of response of IM. The analysis of the IM main constructional parameters - core material and shape, numbers of the winding and others - influence on induction sensor transformation factor in wide frequency band and calculation of IM sensitivity threshold are made. The contribution of various sources in the total noise level of IM is analyzed. To reduce the sensitivity threshold when restrictions on the size are imposed the effectiveness of magnetic flux concentrators on the ends of the core is developed. The method of wide-band induction magnetometer parameters calculation is proposed which application allowed us to create a set of IM with improved level of parameters which are within best world specimens. A new method of IM quality estimation is proposed which allows comparison of different as to their construction IMs by the criterion of minimal level of the magnetic noise. All statements given in the work are experimentally verified and the correctness of the received recommendations and model relationships are proved. В диссертационной работе проведена разработка методов усовершенствования широкополосных индукционных магнитометров (ИМ) для повышения уровня их метрологических и эксплуатационных параметров с учетом специфических требований современного их использования. Предложен новый вариант эквивалентной схемы широкополосного ИМ, которая в полной мере отражает его динамические характеристики. На основании этой схемы построена математическая модель ИМ, проведен анализ устойчивости и быстродействия. Выведены зависимости между величинами постоянных времени (комбинаций величин емкостей, индуктивностей и сопротивлений схемы) и запасом устойчивости ИМ в целом. Показано, что традиционный способ повышения запаса устойчивости - введение корректирующего RC звена - эффективен в случае его применения к такой системе автоматического регулирования как ИМ. Получен новый теоретический результат, который позволяет утверждать, что в отличие от систем со статическим и астатическим уравновешиванием, в системе с дифференциальным звеном в цепи обратной связи повышение быстродействия ИМ как системы автоматического регулирования не может быть достигнуто традиционным путем - введением корректирующего звена. Этот результат имеет также и существенное практическое значение: из него следует, что при проектировании ИМ можно выбирать необходимые параметры корректирующего звена для обеспечения максимального запаса устойчивости ИМ без учета иногда противоположных требований к обеспечению максимального быстродействия. Проанализировано влияние основных параметров конструкции ИМ - материала и формы сердечника, особенностей исполнения обмотки и др. - на коэффициент преобразования датчика в широкой полосе частот. Рассмотрен способ увеличения чувствительности ИМ путем применения концентраторов магнитного потока на концах сердечника. Исследованы особенности применения этого подхода и показано, что эффективность применения этих концентраторов зависит не только от соотношения диаметра концентраторов к диаметру сердечника, но и от отношения длины сердечника к диаметру концентраторов. На основании полученных результатов предложен и изготовлен сверхмалый трехкомпонентный индукционный датчик, экспериментальные исследования которого подтвердили достаточно высокий уровень параметров разработанной конструкции для применения в космических экспериментах. Продемонстрирована эффективность одновременного применения компенсирующих емкостей и электростатических экранов для подавления паразитных резонансов катушки ИМ, возникающих в рабочей полосе частот из-за наличия паразитных емкостей, распределенных вдоль катушки. Детально проанализирован вклад различных источников в общий шум ИМ, рассмотрены способы расчета спектральной плотности его собственных шумов и предложена система уравнений, на базе которых реализован новый более наглядный и удобный в использовании инженерный подход к такому расчету. Показано, что построить широкополосный ИМ для всего диапазона частот, который бы имел минимально низкий уровень шумов вдоль всей полосы, невозможно. Даны рекомендации по выбору соответствующих параметров индукционного датчика и предусилителя и впервые построена зависимость, которая для снижения уровня шумов позволяет выбрать соотношение параметров измерительной катушки, близкое к оптимальному. Впервые предложен новый способ оценки качества ИМ и показано, что его применение позволяет эффективно сравнивать различные по конструкции ИМ по критерию минимального уровня магнитного шума. На основании предложенного подхода проведен расчет и проектирование ряда ИМ для геофизических исследований. Разработаны и изготовлены партии широкополосных ИМ для разведочной геофизики: LEMI-120 (рабочая полоса частот 0,0001 - 1000 Гц, уровень собственных шумов  100 фТл  Гц-0, 5 на частоте 1 Гц, довжина 1340 мм), LEMI-121 (рабочая полоса частот 0,0001 - 500 Гц, уровень собственных шумов  450 фТл  Гц-0, 5 на частоте 1 Гц, довжина 560 мм), LEMI-145 (рабочая полоса частот 0,04 - 30000 Гц, уровень собственных шумов  1 фТл  Гц-0, 5 на частоте 1 кГц), а также ИМ для космических научных миссий РЕЗОНАНС, ЛУНА-ГЛОБ. Параметры этих приборов не уступают лучшим образцам в мире. Все положения, представленные в работе, проверены экспериментально и доказана правильность полученных рекомендаций и модельных соотношений.