DE60113151T2

DE60113151T2 - Vektorielle magnetfeldmessung

Info

Publication number: DE60113151T2
Application number: DE60113151T
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Leger; Olivier Gravrand; François Bertrand
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: US20040046553A1; ATE303603T1; US6844726B2; EP1344075B1; DE60113151D1; EP1344075A1; WO2002033434A1; FR2815416A1; FR2815416B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Komponenten eines Magnetfelds mit Hilfe eines skalaren Magnetometers. Sie findet Anwendung beim Messen schwacher Magnetfelder (in der Größenordnung des Erdmagnetfelds, also einige zehn μT) mit einer hohen Genauigkeit der Größenordnung 10^–5.
Stand der Technik
Seit vielen Jahren wird auf dem Gebiet der Magnetfeldvektormessung mit spezifisch skalaren Magnetometern geforscht, die nur auf den Magnetfeldmodul ansprechen, unabhängig von seiner Richtung. Die Idee, die diesen Arbeiten zugrunde liegt, besteht darin, den absoluten Charakter der skalaren Messungen (basierend auf der Protonen- oder Elektronenresonanz) zu nutzen, um einen der hauptsächlichen Mängel der vektoriellen Sensoren zu beseitigen, nämlich ihre Abweichung ("offset") und die damit verbundenen Niederfrequenzverschiebungen.
Eine solche Realisierung wird zum Beispiel in dem Patent FR-A-2 663 751 oder in seiner amerikanischen Entsprechung US-A-5,221,897 beschrieben. Diese Dokumente enthalten außerdem bibliographische Referenzen zu diesem Thema.
Ein vektorielles Magnetometer, das einen solchen skalaren Magnetometer benutzt und fähig ist, die Werte von jedem der Komponenten des Magnetfeldvektors zu liefern, dessen Modul durch das skalare Magnetometer geliefert wird, wird in der Patentanmeldung EP-A-0 964 260 beschrieben.
Nach der in dieser Anmeldung beschriebenen Erfindung umfasst die Messvorrichtung der Komponenten des Magnetfelds außer einem skalaren Magnetfeld, das ein dem Modul eines angewandten Magnetfelds entsprechendes Ausgangssignal liefert:

– wenigstens zwei Leiterwicklungen, um das genannte skalare Magnetometer herum angeordnet, wobei die Achsen dieser Leiterwicklungen nach verschiedenen Richtungen (Ox, Oy, Oz) ausgerichtet sind,
– Einrichtungen, um jede Wicklung mit einem Strom zu versorgen, der eine für diese Wicklung charakteristische Frequenz (Fx, Fy, Fz) hat,

Die Analyse des durch jede der Wicklungen induzierten Signals ermöglicht, die Komponente des auf diese Achse projizierten Magnetfeldvektors des Moduls B_o wiederzufinden.
Ein Artikel (1) von J. M. G. MERAYO, F. PRIMDAHL und P. BAUER, ausgehändigt am 21. Januar 2000 den Teilnehmern am ersten "Workshop for calibration of the magnetic field of the earth", der in Saclay abgehalten wurde. Dieser Artikel hat den Titel "L'orthogonalisation des systemes magnétiques (Die Orthogonalisierung der magnetischen Systeme)" und erläutert, wie man aus einem realen, im Prinzip orthonormierten aber notwendigerweise schrägen bzw. schiefen axialen System, das heißt einem orthonormierten oder nahezu orthonormierten System, übergeht zu einem tatsächlich rekonstruierten orthonormierten Achsensystem bzw. Rechtssystem, und wie man die Komponenten eines Magnetfeldvektors in dem rekonstruierten Achsensystem aus Messungen neu berechnet, die man in den magnetischen Achsen der Wicklungen erhält. Eine zu einem solchen Achsenwechsel befähigte Vorrichtung kann außer den Einrichtungen zur Berechnung der Achselwechselmatrizen dieser Funktion dienende Sensoren umfassen. Die Berechnung kann auch aufgrund der Detektionen – durchgeführt durch jede der beiden anderen Spulen – eines durch eine der Spulen ausgesandten Felds erfolgen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die durch den Erfinder durchgeführten Untersuchungen ergaben das Vorhandensein eines Residuums, das heißt einer Nichtnull-Differenz zwischen der direkten Messung des Werts des Moduls des Magnetfeldvektors, erhalten durch das skalare Magnetometer, und des aufgrund seiner drei Komponenten berechneten Werts dieses Moduls, erhalten durch synchrone Demodulation mit jeder der Modulationsfrequenzen des Felds.
Die 1, Teil A, stellt zwei Kurven dar. Eine erste mit "a" bezeichnete Kurve stellt die zeitliche Entwicklung des Werts des Moduls des durch den skalaren Sensor erhaltenen Magnetfeldvektors dar. Eine zweite mit b bezeichnet Kurve stellt die gleichzeitige Entwicklung des Werts dieses Moduls dar, berechnet aufgrund seiner drei Komponenten, erhalten durch die Analyse der von jeder der drei Wicklungen stammenden Signale.
Die 1 Teil B stellt in vergrößertem Ordinaten-Maßstab die gleichzeitige Entwicklung der Differenz dB bzw. dB-Differenz zwischen den durch direkte Messung und durch Berechnung erhaltenen Werten der Module dar.
In dieser Figur sind die Ordinaten in nT graduiert und zeigen eine Differenz, die zwischen –15 nT und +10 nT variiert. Die Messung der Komponenten gemäß der Methode nach dem Stand der Technik ermöglicht nicht, Genauigkeiten in der Größenordnung von 10^–5 zu erreichen und es empfiehlt sich daher, die Messvorrichtung und die Messmethode zu verbessern, um dieses Ziel zu erreichen.
Die Erfindung hat folglich eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Komponenten eines Magnetfelds bis auf 10^–5 zum Gegenstand.
Die Hypothese zur Verbesserung des in der vorerwähnten Patentanmeldung EP-A-0 964 260 beschriebenen bekannten Verfahrens besteht darin, dass die Transferfunktion f_transfer, die ermöglicht, von der Messung mit einer Frequenz von zum Beispiel Fx entsprechend der Achse Ox zu der Feldkomponente entsprechend dieser Richtung Ox überzugehen, gleich dem Produkt einer Funktion dieser Frequenz Fx mal einer von dem benutzten Messinstrument abhängigen Funktion ist, die F_instrumental genannt wird.
Die Begründung dieser Hypothese ist die folgende. Die Funktionsweise im vektoriellen Modus beruht auf der Analyse der Reaktion des skalaren Magnetometers auf eine Stimulation entsprechend einem periodischen Modus mit jeder der Frequenzen Fx, Fy und eventuell Fz. Daraus resultiert, dass jede Bandbreiten- bzw. Durchlassbandmodifikation des skalaren Magnetometers sich auf nicht zu vernachlässigende Weise die vorher bestimmten Transferfunktionen auswirkt, wenn man eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10^–5 anstrebt.
Das Durchlassband bzw. die Bandbreite ist eine Resultierende der verschiedenen physikalischen Phänomene in der skalaren Sonde. Bei einem optisch mit Helium gepumpten skalaren Magnetometer entsprechend dem schon erwähnten Dokument FR-A-2 713 347 (oder seiner amerikanischen Entsprechung US-A-5,534,776) hängt sie vor allem von der Relaxationszeit der Atome in dem metastabilen Niveau ab, die mit der Temperatur T variiert, proportional zu 1/√T, und mit der Intensität des elektrischen Hochfrequenzfelds zur Aufrechterhaltung der Entladung, der Pumpzeit, abhängig von der Intensität des Laserstrahls, oder auch der für die Magnetresonanz charakteristischen Zeitkonstanten, die eine Funktion des Hochfrequenzfelds ist.
Erfindungsgemäß nimmt man also an, dass: finstrumental·H(F) = ftransfer
Die Instrumentalfunktion f_instrumental die von den bekannten Kennwerten des Instruments abhängt, ist bis auf 10^–5 bekannt. Nach der Erfindung muss noch für jede Frequenz Fx oder Fy oder Fz die Transferfunktion H(F) bestimmt werden.
Wenn man in erster Annäherung annimmt, dass die Bandbreite bzw. das Durchlassband des skalaren Sensors sich einem Tiefpassfilter erster Ordnung nähert:
wo F₀ die Grenzfrequenz des Filters ist.
Der Modul dieser Transferfunktion schreibt sich:
Im Falle einer gegenüber der Grenzfrequenz dieses Filters niedrigen Frequenz entwickelt man den Modul zweiter Ordnung:
von wo eine relative Fluktuation proportional zu den relativen Fluktuationen von F₀:
Die Fluktuationen der Transferfunktionen sind folglich proportional zu denen des Durchlassbands des skalaren Heliumsensors, wobei der Proportionalitätsfaktor von F² abhängt. Das skalare Residuum variiert dann proportional zu der Fluktuation des Durchlassbands:
Zudem wird die Phase dieses Filters durch folgenden Ausdruck geliefert: φ(F) = –arctan(F/F0)
Bei einer sich dem Gleichstrom nähernden Frequenz kann man schreiben: φ(F) = –F/F0 + 0(F/F0)3
Bei F<<F₀ leitet man ab, dass eine Fluktuation ΔF₀ des Bands des skalaren Sensors sich dann durch eine Fluktuation Δφ der Phase ausdrückt, so dass:
Indem man die parallelen Evolutionen des skalaren Residuums dB bzw. dB-Residuums und der Phasen der Harmonischen prüft (da die dritte Projektion in der berücksichtigten experimentellen Konfiguration beinahe null ist, wurde die Phase des entsprechenden Signals nicht dargestellt), stellt man bei der in der 2 dargestellten Aufzeichnung fest, dass die Phasen φ_X, φ_y der beiden Komponenten X und y in korrelierter Weise mit den Evolutionen von dB bzw. dB-Evolutionen fluktuieren, dargestellt in 1B entsprechend den Resultaten der Modellierung.
Die vorgeschlagene Methode besteht darin, den Fluktuationen des Durchlassbands des skalaren Magnetometers Rechnung zu tragen, indem man die Information auswertet, die in den Phasen der durch eine oder mehrere Modulationen erzeugten Signale enthalten sind.
Hingegen – anstatt einer einfachen Synchrondetektion bei jeder Modulation, wie in der schon genannten Patentanmeldung FR 98 07216 – realisiert man eine doppelte Synchrondetektion, phasengleich und 90°-phasenverschoben, was die simultane Detektion der Amplitude M und der Phase φ jedes Signals in Abhängigkeit von dem phasengleichen Modul P und dem 90°-phasenverschobenen Modul Q ermöglicht, wobei M = (p² + Q²)^1/2 und φ = Arct(Q/P).
Die Phasenmessung ermöglicht eine Schätzung der Grenzfrequenz F₀ des Magnetometers, die anschließend benutzt wird, um den Modul der Transferfunktion |H(F)| mit der betrachteten zu korrigieren.
Eine nach der Erfindung verbesserte Messvorrichtung des Magnetfelds umfasst also alle in Verbindung mit dem schon beschriebenen Patent FR 98 07 216 verbundenen Elemente, aber wenigstens eine der Einrichtungen zur Einspeisung eines ersten Signals in wenigstens eine der Wicklungen Ex, Ey und Ez werden modifiziert, um ein zweites Signal mit derselben Frequenz zu erzeugen, das aber in Bezug auf die andere phasenverschoben ist. Das erste Signal wird wie im Stand der Technik in die Wicklungen Ex, Ey und Ez eingespeist.
Die mit jeder der Wicklungen verbundenen Detektionseinrichtungen sind fähig, nicht nur die Phasendetektion wie nach dem Stand der Technik durchzuführen, sondern auch erfindungskonform eine 90°-Verschiebungsdetektion. Zu diesem Zweck empfangen sie die in Bezug auf die ersten Signale phasenverschobenen zweiten Signale. Die Recheneinrichtungen umfassen erfindungskonform Einrichtungen zur Berechnung der Phase der Transferfunktion des skalaren Magnetometers für wenigstens eine der in eine Wicklung eingespeisten Frequenzen und des Moduls dieser Funktion.
Resümierend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur genauen Messung der Komponenten eines Magnetfelds mit einem skalaren Magnetometer, das ein dem Modul eines angewandten Magnetfelds entsprechendes Ausgangssignal liefert, die umfasst:

– wenigstens zwei um das skalare Magnetometer herum angeordnete leitfähige Wicklungen, wobei diese Wicklungen Achsen mit unterschiedlichen Richtungen (Ox, Oy, Oz) haben,
– Einrichtungen zur Versorgung jeder Wicklung mit einem Strom mit einer bestimmten, für diese Wicklung charakteristischen Frequenz (Fx, Fy, Fz),
– Verarbeitungseinrichtungen, die das durch das skalare Magnetometer gelieferte Signal empfangen und dieses Signal verarbeiten, um daraus für jede der Achsen der Wicklungen einen Wert des Gleichanteils bzw. der Gleichstromkomponente abzuleiten,

In der Praxis kann man eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik modifizieren, indem man bei wenigstens einem der Generatoren (Gx, Gy, Gz) zur Versorgung jeder Wicklung mit einem Strom mit einer für diese Wicklung charakteristischen Frequenz (Fx, Fy, Fz) eine Viertelwellenlängenverzögerung vorsieht. So wird zum Beispiel eine Wicklung Ex durch einen direkten Ausgang des Generators versorgt. Hingegen erhalten die Demodulationseinrichtungen außer dem direkten Ausgang einen parallelen 90°-phasenverschobenen Ausgang.
Die Softwares der Verarbeitungseinrichtungen werden modifiziert, um eine doppelte synchrone Demodulation durchzuführen – phasengleich und 90°-phasenverschoben – mit wenigstens einer der spezifischen Frequenzen jeder Achse, und um eine Korrektur des Werts der Gleichstromkomponente in jeder der Achsen zu berechnen, wobei die Resultate dieser doppelten Demodulation berücksichtigt werden.
Bei einer Realisierungsart gibt es eine Wicklung für jede Achse, und drei Generatoren Gx, Gy, Gz. Jeder dieser drei Generatoren umfasst eine Viertelwellenlängenverzögerung. Jeder dieser drei Generatoren ist mit einer Wicklung und einem Demodulator gekoppelt, der eine phasengleiche Demodulation durchführt.
Es ist auch möglich, nur zwei Viertelwellenlängenverzögerungen zu benutzen und die Transferfunktion nur für die Frequenzen zu berechnen, mit denen die Wicklungen Ex und Ey versorgt werden, wobei man die Transferfunktion für die dritte Komponente indirekt aufgrund einer der beiden direkt erhaltenen Transferfunktionen erhält; vorzugsweise von derjenigen, deren Modul größer ist.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Messung von Komponenten eines Magnetfelds entsprechend Achsen (Ox, Oy, Oz) mit unterschiedlichen Ausrichtungen, realisierbar mittels einer Vorrichtung, die ein skalares Magnetometer benutzt, das ein Ausgangssignal liefert, welches dem Modul B_o eines angewandten Magnetfelds entspricht, wobei das Verfahren darin besteht, dem zu messenden Magnetfeld Felder zu überlagern, von denen jedes jeweils gemäß jeder der Achsen (Ox, Oy, Oz) ausgerichtet ist, wobei diese Felder zeitlich in periodischer Weise gemäß einer für jede Achse spezifischen Frequenz (Fx, Fy, Fz) variieren, dann in synchroner Weise mit jeder der Frequenzen (Fx, Fy, Fz) das von dem Magnetometer stammende Signal zu demodulieren, und das aus einer synchronen Demodulation resultierende Signal mit einer Frequenz zu verarbeiten, um daraus den Wert der Gleichstromkomponente bzw. des Gleichanteils des Magnetfelds in der Achse abzuleiten, die das mit dieser Frequenz überlagerte Feld erhält, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass für wenigstens eine der axialen Richtungen die Demodulation für wenigstens eines der überlagerten Felder in synchroner Weise gleichphasig oder 90°-phasenverschoben erfolgt, und dadurch, dass man aufgrund der Demodulationsresultate wenigstens eine Transferfunktion des Magnetometers für eine der Frequenzen, bei der man eine Überlagerung eines bei dieser Frequenz periodischen Felds durchgeführt hat, direkt berechnet, und eventuell eine oder zwei Transferfunktionen aufgrund einer direkt erhaltenen Transferfunktion auf indirekte Weise berechnet, und dadurch, dass man den Wert des Moduls von jeder Komponente durch Anwendung von einer der direkt oder indirekt berechneten Transferfunktionen korrigiert.
Man berechnet also generell direkt oder indirekt eine Transferfunktion mit jeder der Frequenzen und korrigiert jede Komponente in Abhängigkeit von der mit der dieser Komponente entsprechenden Frequenz berechneten Transferfunktion.
Nach einer Realisierungsart des Verfahrens:

– berechnet man die nicht-korrigierten Komponenten des Magnetfelds,
– führt man einen Vergleich zwischen den Komponenten durch, um die größte zu bestimmen,
– führt man die Korrektur durch, indem man bei jeder Axialkomponente die Transferfunktion anwendet, die der bei der Wicklung gemäß der Achse dieser Axialkomponente angewandten Modulationsfrequenz entspricht, wobei man die Transferfunktion der größten Komponente direkt aufgrund der Demodulationsresultate erhält, und man die Transferfunktion der anderen Komponenten indirekt aufgrund der Demodulationsresultate der größten Komponente erhält.

Nach einer vorteilhaften Variante verifiziert man, dass die zu der Berechnung jeder Transferfunktion führenden Signale akzeptable Rauschabstandpegel aufweisen. In der Praxis ist der Rauschabstandpegel akzeptabel, wenn der Signalpegel höher ist als eine bestimmte Schwelle. Wenn also der Pegel höher ist als diese Schwelle, nimmt man die für diese Frequenz direkt berechnete Transferfunktion. Wenn hingegen der Pegel eines der Signale niedriger ist als diese Schwelle, dann ersetzt man die mit dieser Frequenz direkt erhaltene Transferfunktion durch eine indirekt erhaltene, das heißt aufgrund einer für eine andere Frequenz direkt berechneten Transferfunktion, wobei diese Frequenz vorzugsweise der Gleichstromkomponente mit dem höchsten Wert entspricht.
Weiter oben hat man anhand eines Beispiels bezüglich eines Tiefpassfilters erster Ordnung gesehen, dass die Fluktuationen der Transferfunktionen proportional sind zu denen der Durchlassbands des skalaren Heliumsensors, wobei der Proportionalitätsfaktor von F² abhängt. Es ist folglich möglich, eine Transferfunktion mit einer zweiten Frequenz zu berechnen, wenn man eine Transferfunktion für eine erste Modulationsfrequenz kennt.
Ein Beispiel einer solchen Berechnung liefert die obige Formel (4).
Anzumerken ist, dass die Grenzfrequenzen der Transferfunktionen zwischen 200 und 1000 Hz liegen, generell bei ungefähr 400 Hz, während die Frequenzen der Überlagerungs- bzw. Überdeckungsfelder zwischen 5 und 60 Hz gewählt werden, so dass die Werte dieser Frequenzen immer klein sind in Bezug auf die Grenzfrequenzen. Daraus resultiert, dass man die weiter oben angegebenen Berechnungen bzw. Formeln vereinfachen kann, insbesondere indem man auf zum Beispiel die erste Ordnung begrenzte Entwicklungen macht. Ebenfalls, wie unmittelbar oben angemerkt, können die Transferfunktionen mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen aufgrund von einer von ihnen berechnet werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Demodulationsdaten bei einer Frequenz verrauscht sind, eine Transferfunktion für diese verrauschte Frequenz aufgrund einer Transferfunktion zu berechnen, die man für eine andere Frequenz erhält, bei der der Rauschabstand hoch ist.
Schließlich speist man in die Wicklungen vorzugsweise sinusförmige periodische Signale ein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die schon erwähnte 1 umfasst einen Teil A und einen Teil B. In 1, Teil A, sind zwei Kurven dargestellt. Eine erste Kurve, mit "a" bezeichnet, stellt die zeitliche Entwicklung des Werts des Moduls eines Magnetfeldvektors dar. Eine zweite Kurve, mit "b" bezeichnet, stellt die Entwicklung des Werts dieses Moduls in derselben Zeit dar, berechnet aufgrund seiner drei Komponenten. Der Teil B zeigt die zeitliche Entwicklung des Werts der Differenz dB bzw. dB-Differenz zwischen den Werten der beiden in Teil A dargestellten Module dar.
Die schon kommentierte 2 zeigt für dieselben Zeitpunkte wie die in der 1 dargestellten Kurven die Kurven der zeitlichen Entwicklung des Werts der Phase von zwei zwei Überlagerungsfrequenzen entsprechenden Transferfunktionen.
Die 3 zeigt eine Realisierungsart einer erfindungskonformen Entwicklung.
Beschreibung einer speziellen Realisierungsart
Zunächst wird ein in der 3 als Schaltplan dargestelltes, optisch heliumgepumptes skalares Magnetometer betrachtet, das dem schon genannten Dokument FR-A-2 713 347 entspricht (oder dessen amerikanischer Entsprechung US-A-5,534,776).
Dieses Magnetometer umfasst, wie bekannt, eine mit Helium gefüllte Zelle 10, einen Laser 14 mit einem Strahl 15, einen Polarisator 16, der einen geradlinigen polarisierten Strahl 17 liefert, einen Photodetektor 24, der den Strahl 18 nach der Durchquerung der Zelle 10 empfängt, eine Frequenzregelungsschaltung 21, einen Hochfrequenzgenerator 22, ein Frequenzmeter 26 und eine Entladungsschaltung 30. Der Generator 22 speist eine in der Nähe der Zelle 10 angeordnete Spule 56, um in dieser Letzteren ein Hochfrequenzfeld zu erzeugen. Die Spule 56 und der Polarisator 16 sind mechanisch fest verbunden, so dass jede Drehung des Polarisators eine Drehung der Richtung des Felds um denselben Winkel zur Folge hat, wobei die Intensität dieses Letzteren durch den Generator 22 definiert wird.
Um die Einrichtungen 56 und 16 zu verbinden, verwendet man vorteilhafterweise einen Drehkontakt, zum Beispiel einen Kontakt durch kapazitive Kopplung oder durch einen Transformator, dessen Primärwicklung stationär ist und die Sekundärwicklung mobil.
Vorzugsweise sind die Spule 10 und der Polarisator 16 so montiert, dass der Polarisator und das angewandte Feld parallel sind.
Die Schaltung 40 ist eine Regelungsschaltung, die einen Motor 46 steuert, der die Winkelposition des Polarisators 16 regelt. Diese Schaltung wird in dem erwähnten Dokument beschrieben.
Bei der dargestellten Realisierungsart umfasst die Vorrichtung drei Leiterspulen Ex, Ey und Ez, deren Achsen ein im Prinzip dreirechtwinkliges Achsenkreuz Oxyz bilden. Im Sinne von mehr Klarheit wurden diese Wicklungen mit einem Abstand zu der Zelle 10 dargestellt, umgeben jedoch in Wirklichkeit diese Zelle 10. Jede der Wicklungen Ex, Ey, Ez ist mit einem Generator verbunden, jeweils Gx, Gy und Gz, jeder geregelt auf eine spezielle Modulationsfrequenz Fx, Fy, Fz. Die Modulationsfrequenzen Fx, Fy, Fz sind selbstverständlich unterschiedlich. Erfindungskonform ist jeder Gx, Gy und Gz mit einer Viertelwellenlängenverzögerung, jeweils 31, 32, 33, versehen.
Eine Verarbeitungsschaltung 70 umfasst sechs Demodulatoren Dx D'x, Dy D'y, Dz D'z, die jeweils gekoppelt sind mit den Generatoren Gx, Gy, Gz und mit den Viertelwellenlängenverzögerungen 31, 32, 33, und die ein Ausgangssignal erhalten, geliefert durch das skalare Magnetometer, das heißt bei der dargestellten Realisierungsart das durch das Frequenzmeter 26 gelieferte Signal. Dieses Signal ist generell ein digitales Signal, das den Modul Bo des zu messenden Feld liefert bzw. wiedergibt.
Die Anwendung eines äußeren Felds Hx, angewandt längs der Achse Ox mit einer Frequenz Fx, modifiziert den Modul des zu messenden Felds um eine Größe, die mit der Frequenz Fx variiert. Das Ausgangsignal des skalaren Magnetometers, das den Modul des Felds liefert, enthält folglich eine mit der Frequenz Fx variierende Komponente, wobei diese Komponente die Projektion des in der Achse Ox zu messenden Feldes darstellt. Der Wert dieser Projektion hängt außerdem, wie weiter oben erläutert, von dem Wert der Transferfunktion des Magnetometers für diese Frequenz ab. Indem man das Ausgangssignal des skalaren Magnetometers mit der Frequenz Fx phasengleich und 90°-phasenverschoben demoduliert, erhält man den Wert dieser Komponente und auch den Wert des Moduls und der Phase der Transferfunktion. Man kann folglich einen korrigierten Wert der Komponente in Ox berechnen. Dasselbe gilt für die beiden anderen Komponenten.
Der Demodulationsteil der Schaltung 70, gebildet durch die Schaltungen Dx D'x, Dy D'y und Dz D'z ist klassisch und kann entweder durch Multiplikation oder Demodulation arbeiten oder durch schnelle Fourier-Transformation (FFT). Sie liefert die phasengleichen und 90°-phasenverschobenen Komponenten Bx B'x, By B'y und Bz B'z des Felds in den drei Richtungen Ox, Oy und Oz. Diese Komponenten werden in einem Rechenmodul 34 der Verarbeitungsschaltung 70 empfangen. Der Modul 34 berechnet die Transferfunktion für jede Frequenz und korrigiert den Wert der Komponente jeder Achse in Abhängigkeit von dieser Transferfunktion, um die korrigierten Komponenten zu liefern.
Vorteilhafterweise enthält der Rechenmodul 34 eine Achsenwechselfunktion, um Werte jeder Komponente des Felds in einem Rechtssystem zu tiefem, berechnet nach einer der Methoden, beschrieben in dem schon genannten Artikel von J. M. G. MERAYO, F. PRIMDAHL und P. BAUER. Im Allgemeinen, wie in diesem Artikel beschrieben, fällt eine Achse des berechneten Rechtssystem zusammen mit einer der Achsen der Wicklungen. In dem hier beschriebenen Beispiel werden die Parameter der Transformationsmatrizen in einer vorausgehenden Kalibrierungsphase berechnet, im Prinzip wie bei den bei den Fluxgates bzw. Fluxgate-Magnetometern angewandten Methoden.
Wenn die drei korrigierten Komponenten Bx, By, Bz des Felds die in dem berechneten Rechtssystem neu berechneten sind, sind sie mit dem Modul des Felds Bo durch folgende Relation verbunden: B2x + B2y + B2z = B2o .
Man kann folglich auch mit nur zwei Wicklungen, zum Beispiel Ex, Ey, zwei Generatoren Gx, Gy und zwei Komponenten Bx und By arbeiten und die dritte Komponente Bz aufgrund des Dauerwerts Bo finden, den der Frequenzmeter 26 liefert. Die Bz liefernde Relation ist: |Bz| = [B2o – B2x – B2y ]
Selbstverständlich ist die oben beschriebene Realisierungsart nur ein Beispiel und man könnte ein anderes skalares Magnetometer als das beschriebene verwenden, wobei wesentlich ist, dass es ein Ausgangssignal liefert, das den Feldmodul wiedergibt.
Es ist auch möglich, nur eine Viertelwellenlängenverzögerung zu benutzen, zum Beispiel 31, und die Transferfunktion nur für die Frequenz zu berechnen, mit der die Wicklung Ex versorgt wird, wobei man die Transferfunktionen für die beiden anderen Komponenten indirekt aufgrund der einzigen direkt erhaltenen Transferfunktion erlangt.
Man hat oben gesehen, dass die Anzahl der Wicklungen Ex, Ey, Ez zwischen zwei und drei variieren kann, dass die Anzahl der Viertelwellenlängenverzögerungen 31, 32, 33 zwischen eins und drei variieren kann, woraus resultiert, dass Anzahl der Synchrondetektoren zwischen 3 und 6 variieren kann. Es sind drei, wenn man zwei Generatoren hat, von denen einer mit einer Verzögerung ausgerüstet ist, und es sind sechs, wenn alle drei Generatoren mit einer Verzögerung ausgestattet sind.
Es ist vorteilhaft, wenn die Verarbeitungseinrichtungen 70 eine Anzahl von Synchrondetektionseinrichtungen umfasst, die gleich oder höchstens gleich der Summe der Anzahl der Signalgeneratoren und der Viertelwellenlängenverzögerungen 31–33 ist, mit denen diese Signalgeneratoren ausgestattet sind.

(1) Der Artikel von J. M. G. MERAYO, F. PRIMDAHL und P. BAUER, am 21. Januar 2000 den Teilnehmern am ersten "Workshop for calibration of the magnetic field of the earth" in Saclay ausgehändigt und betitelt "L'orthogonalisation des systèmes magnétiques (Die Orthogonalisierung der magnetischen Systeme)", soll in der Revue "sensors and actuators" (Sensors and Actuators A 89 (2001) 185–196) erscheinen.

Claims

Vorrichtung (1) zur genauen Messung der Komponenten eines Magnetfelds mit: einem skalaren Magnetometer (2), ein dem Modul eines angewendeten Magnetfeld entsprechendes Signal liefernd: – wenigstens zwei um das skalare Magnetometer herum angeordnete leitfähige Wicklungen (Ex, Ey, Ez), wobei diese Wicklungen (Ex, Ey, Er) Achsen mit unterschiedlichen Richtungen (Ox, Oy, Oz) haben, – Einrichtungen zur Versorgung jeder Wicklung mit einem Strom mit einer bestimmten, für diese Wicklung charakteristischen Frequenz (Fx, Fy, Fz), – Verarbeitungseinrichtungen (70), die das durch das skalare Magnetometer gelieferte Signal empfangen und dieses Signal verarbeiten, um daraus für jede der Achsen der Wicklungen einen Wert des Gleichanteils bzw. der Gleichstromkomponente abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Einrichtungen (Gx, Gy, Gz) zur Versorgung jeder Wicklung (Ex, Ey, Er) mit einem Strom mit einer bestimmten, für diese Wicklung charakteristischen Frequenz (Fx, Fy, Fz) in dieser Frequenz gleichphasige und um 90° phasenverschobene Signale erzeugt, und dadurch, dass die das durch das skalare Magnetometer (2) gelieferte Signal empfangenden Verarbeitungseinrichtungen (70) Demodulationseinrichtungen (Dx, D'x, Dy, D'y, Dz, D'z) umfassen, fähig außer einer phasensynchronen Demodulation mit wenigstens den Versorgungsfrequenzen (Fx, Fy, Fz) der Wicklungen eine um 90° phasenverschobene Demodulation für wenigstens eine der Frequenzen (Fx, Fy, Fz) der Versorgungsströme der Wicklungen (Ex, Ey, Ez) durchzuführen, wobei diese Demodulationseinrichtungen außer dem durch die Versorgung der Wicklungen (Ex, Ey, Ez) erzeugten gleichphasigen Signal das von den Erzeugungseinrichtungen (Gx, Gy, Gz) stammende, um 90° phasenverschobene Signal erhalten, und schließlich dadurch, dass die Verarbeitungseinrichtungen (70) einen Rechenmodul (34) umfassen, der direkt oder indirekt aufgrund der Resultate der verschiedenen Demodulationen für jede Frequenz wenigstens eine Transferfunktion des Magnetometers für eine der Frequenzen berechnet, die durch die Einrichtungen zur Versorgung jeder Wicklung mit einem Strom mit einer bestimmten, für diese Wicklung charakteristischen Frequenz (Fx, Fy, Fz) geliefert werden, und den Wert des Moduls jeder Komponente durch Anwendung der direkt oder indirekt berechneten Transferfunktion korrigiert.
Vorrichtung (1) zur genauen Messung der Komponenten eines Magnetfelds nach Anspruch 1, bei der die Achsen (Ox, Oy, Oz) der leitfähigen Wicklungen (Ex, Ey, Er) ein orthonormiertes Bezugssystem oder ein im Wesentlichen orthonormiertes Bezugssystem bilden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, drei leitfähige Wicklungen (Ex, Ey, Ez) mit gegenseitig orthogonalen Achsen (Ox, Oy, Oz) umfassend.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Erzeugungseinrichtungen (Gx, Gy, Gz) zur Versorgung jeder Wicklung (Ex, Ey, Ez) mit einem Strom mit einer bestimmten, für diese Wicklung charakteristischen Frequenz (Fx, Fy, Fz) mit einer Viertelwellen-Verzögerung (31–33) ausgerüstet sind, von der ein Ausgang mit einer Detektionseinrichtung (D'_x, D'_y, D'_z) gekoppelt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Verarbeitungseinrichtungen (70) eine Anzahl Synchrondetektionseinrichtungen gleich der Summe der Anzahl Signalgeneratoren und der Anzahl Viertelwellen-Verzögerungen (31–33) umfassen, mit denen die genannten Signalgeneratoren ausgerüstet sind.
Verfahren zur Messung von Komponenten eines Magnetfelds gemäß Achsen (Ox, Oy, Oz) mit unterschiedlichen Ausrichtungen, realisiert mittels einer Vorrichtung, die ein skalares Magnetometer benutzt, das ein Ausgangssignal liefert, welches dem Modul B_o eines angewandten Magnetfelds entspricht, wobei das Verfahren dann besteht, dem zu messenden Magnetfeld Felder zu überlagern, von denen jedes jeweils gemäß jeder der Achsen (Ox, Oy, Oz) ausgerichtet ist, wobei diese Felder zeitlich in periodischer Weise gemäß einer für jede Achse spezifischen Frequenz (Fx, Fy, Fz) variieren, dann in synchroner Weise mit jeder der Frequenzen (Fx, Fy, Fz) das von dem Magnetometer stammende Signal zu demodulieren, und das aus einer synchronen Demodulation resultierende Signal mit einer Frequenz zu verarbeiten, um daraus den Wert der Gleichstromkomponente bzw. des Gleichanteils des Magnetfelds in der Achse abzuleiten, die das mit dieser Frequenz überlagerte Feld erhält, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass für wenigstens eine der axialen Richtungen die Demodulation für wenigstens eines der überlagerten Felder in synchroner Weise gleichphasig oder um 90° phasenverschoben erfolgt, und dadurch, dass man aufgrund der Demodulationsresultate wenigstens eine Transferfunktion des Magnetometers für eine der Frequenzen, bei der man eine Überlagerung eines bei dieser Frequenz periodischen Felds durchgeführt hat, direkt berechnet, und eventuell eine oder zwei Transferfunktionen aufgrund einer direkt erhaltenen Transferfunktion auf indirekte Weise berechnet, und dadurch, dass man den Wert des Moduls von jeder Komponente durch Anwendung von einer der direkt oder indirekt berechneten Transferfunktionen korrigiert.
Verfahren zur Messung von Komponenten eines Magnetfelds nach Anspruch 6, bei dem man aufgrund der Resultate der gleichphasigen und um 90° phasenverschobenen Demodulation eine Transferfunktion durch Frequenzmodulation direkt berechnet, und bei dem man die für jede der Modulationsfrequenzen berechnete Transferfunktion bei der Korrektur der Komponente des dieser Modulationsfrequenz entsprechenden Magnetfelds anwendet.
Verfahren zur Messung von Komponenten eines Magnetfelds nach Anspruch 6, bei dem: – man die nicht-korrigierten Komponenten des Magnetfelds berechnet, – man einen Vergleich zwischen den Komponenten durchführt, um die größte zu bestimmen, – man die Korrektur durchführt, indem man bei jeder Axialkomponente die Transferfunktion anwendet, die der bei der Wicklung gemäß der Achse dieser Axialkomponente angewandten Modulationsfrequenz entspricht, wobei man die Transferfunktion der größten Komponente direkt erhält aufgrund der Demodulationsresultate, und man die Transferfunktion der anderen Komponenten indirekt erhält aufgrund der Demodulationsresultate der größten Komponente.
Verfahren zur Messung von Komponenten eines Magnetfelds nach Anspruch 6, bei dem: – man die nicht-korrgierten Komponenten des Magnetfelds berechnet, – man den Wert von jeder Komponente mit einem Schwellenwert vergleicht, – man einen Vergleich zwischen den Komponenten durchführt, um die größte zu bestimmen, – man anschließend jede der einen Schwellenwert überschreitenden Komponenten korrigiert, indem man bei ihr die direkt erlangte Transferfunktion anwendet, der diese Komponente betreffenden Frequenz entsprechend, und man die Komponenten, die kleiner sind als der Schwellenwert, korrigiert, indem man bei ihnen eine Transferfunktion anwendet, die man auf indirekte Weise aufgrund der Transferfunktion erlangt, die der größten Komponente entspricht.
Verfahren zur Messung von Komponenten eines Magnetfelds nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem man die Komponenten des Magnetfelds neu berechnet aufgrund der in einem System mit exakt orthonormierten fiktiven Achsen korrigierten Axialkomponenten, wobei eine der fiktiven Achsen mit einer der Achsen der Wicklungen zusammenfällt.