О разработке протонных магнитометров. Часть 2.

Блок-схему одного из возможных вариантов реализации квантового протонного магнитометра можно представить следующим образом:


Рассмотрим принцип работы данного устройства. Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:
1. Поляризация. С Модуля микроконтроллера формируется Управляющий импульс 1 и приводит к замыканию Коммутатора К1 (далее просто К1), при этом Коммутатор К2 (далее К2) находится в разомкнутом состоянии. Через Датчик начинает протекать постоянный ток поляризации. Величина этого тока зависит от активного сопротивления датчика и составляет обычно от нескольких сот мА до нескольких А. Под воздействием созданного этим током электромагнитного поля в рабочем веществе Датчика (Подробнее строение Датчика рассмотрим позднее, а в общем он представляет собой катушку индуктивности соленоидального, тороидального или смешанного типа, в качестве "сердечника" которой выступает "рабочее вещество" - жидкость или газ, содержащее свободные протоны; часто используют дистиллированную воду, бензин, керосин или, что может быть особенно полезно в полевых условиях, спирт :) свободные протоны "выстраиваются" согласно линиям напряженности поля.
2. Подавление переходного процесса. К1 размыкается, К2, как и ранее находится в разомкнутом состоянии. Этот этап при ряде условий можно было бы и не выделять отдельно, но индуктивность Датчика может быть достаточно высокой (от нескольких десятков до нескольких сотен мГн) и момент размыкания К1 может представлять опасность для высокочувствительного Малошумящего входного усилителя.
3. Усиление сигнала с Датчика, фильтрация, преобразование в "удобочитаемую" для микроконтрол- лера форму, измерение частоты и перевод в нанотеслы с последующим отображением на дисплее. К1 разомкнут, К2 замкнут. При отключении поляризационного тока свободные протоны начинают перестраиваться под воздействием магнитного поля Земли и при этом совершают колебательные движения, вызывая появление на датчике напряжения с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Коэффициент пропорциональности равен 23,4872 нТл/Гц, т.е. при возникновении на Датчике напряжения с частотой 2000 Гц напряженность магнитного поля равна 2000*23,4872=46974 нТл. Сложность заключается в том, что величина напряжения лежит в диапазоне 0,5-2 мкВ (при разумных размере датчика, его индуктивности, токе поляризации и объеме рабочего вещества) и стремительно падает по экспоненциальному закону до нуля за очень небольшой промежуток времени (примерно 0,7с для керосина, 2,5-3с для дисциллированной воды). Для получения приемлемого соотношения сигнал/шум мы должны за время около 0,3-0,4с измерить частоту напряжения (грубо для наших целей лежащую в диапазоне 1000-3000Гц) с точностью до сотых долей Гц (разрешение прибора при этом составит примерно 1 нТл). Методы расчета и построения датчика, а также возможный метод измерения частоты с заданной точностью мы рассмотрим далее. Фильтр нужен для подавления шумовых составляющих сигнала, лежащих вне рабочего диапазона, Компаратор или триггер Шмитта - для увеличения крутизны фронтов сигнала и преобразования его в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму (можно, конечно, использовать для этих целей и встроенный компаратор микроконтроллера).

Для наглядности рассмотрим графики:

Как видим, цикл одного измерения состоит из двух взаимосвязанных импульсов: первого для управления поляризацией, а затем, через интервал времени t задержки , служащий для подавления переходного процесса в Датчике, второго, подключающего схемы усиления, обработки и измерения входного сигнала.