JPH0695147B2 - 磁気測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．発明の目的 〔産業上の利用分野〕 本発明は、地磁気の水平２成分と垂直成分、及びそれの
全磁力の値や、又は大きな磁気の中にあって、微小に変
化する磁界の値等、微小磁界を測定する磁気測定装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来、地磁気の３成分を測定するのに、検出コイルによ
り検出したアナログ信号をアナログデジタル変換してデ
ジタル記憶と演算処理により信号を処理し全磁力の値を
求め、又、地磁気の変化量を記録する等の機能を備えた
定常観測用の地磁気測定装置はすでに公知である。一
方、地磁気測定装置において、地磁気の定常測定を行な
う時は高い測定精度を得るのに、アナログ増幅回路の電
源電圧を高い電圧とすることは問題ないが、火山のマグ
マ活動を知るための火山観測に用いたり、地質調査等を
目的とした地磁気測定装置や、地磁気の移動観測に使用
する磁気測定装置では、携帯に便利なように小型で電源
も電池駆動が可能な携帯型磁気測定装置が要求され、し
かも検出する磁気の測定値も±60000ナノテスラ（以下n
Tと称す）に対して0.1nTの測定精度が要求される。又、
携帯型磁気測定装置に要求される正負のアナログ信号を
アナログデジタル変換するA/D変換器には15ビットの変
換器を使用しているが、確実に信頼性よく使用出来る範
囲は13ビット迄であり、±60000nTの値に対しては10nT
以下の値については不確かな値となっていた。

本発明による地磁気測定装置は、携帯に便利で、小型
で、高い測定精度を保証し、地磁気測定信号を増幅する
アナログ回路の電源に電池を使用して、しかも1nT以下
の地磁気の値を正確に読み取れると共に、±60000nT範
囲の定磁界の地磁気の値が測定出来、また±60000nTの
地磁気の中で変化している変動磁界の地磁気の値につい
ては±300nTの範囲に対し、0.1nT以下の精度で読み取
れ、しかも地磁気の変化量が±300nT以上に変化し、予
め設定した基準の磁気の値からずれた時には自動的に地
磁気の信号に追従して自動計測が出来るように構成した
地磁気測定装置である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、定磁界の地磁気の値と変動磁界の地磁気の値
とを常時測定出来、携帯に便利な、小型軽量で、しかも
変動磁界の測定精度を0.1nT以下の値で測定出来るよう
構成した地磁気測定装置で、増幅率の異なる２つのアナ
ログ増幅回路を用意して地磁気信号を増幅し、定磁界測
定モードと、変動磁界測定モードにより２つの増幅回路
の入力をアナログスイッチにより切り替え出来るように
し、定磁界を打ち消して変動磁界を測定している時に、
変動磁界範囲を超えて地磁気の値が移動した時には、予
め設定した定磁界の値を自動的に再設定して、連続して
変動磁界を測定出来るように構成した磁気測定装置であ
る。又、変動磁界測定時の測定精度を確かなものとする
ため、磁気検出器の磁心は常に偏倚磁界が加わらないよ
ういわゆるゼロバイアス磁界で動作するように構成して
あり、このため、アナログ増幅回路には負饋還回路を設
け、アナログ増幅電圧を負饋還回路とアナログスイッチ
を通じ信号検出コイルに電圧電流変換回路を経て負饋還
電流を流し、アナログ増幅回路出力の負饋還電圧が信号
電圧として出力される。本発明の磁気測定装置は、変動
磁界の連続計測を行なうための定磁界の検出、設定、ア
ナログ増幅回路の切り替え、及び計測結果の表示装置へ
の出力、直交する２成分と垂直成分から計算する全磁力
の値、伏角の値等の演算表示はマイクロコンピュータを
用いて制御演算し、計測結果は表示装置への表示、及び
外部記憶装置へ連続出来るよう構成した磁気測定装置で
ある。

ロ．発明の構成 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、磁気検出素子MSCの一成分を形成する信号検
出コイルSCからの検出信号を計測したアナログ信号を増
幅するのに、高い磁気の値を測定する定磁界測定用アナ
ログ増幅回路の低利得増幅回路LACと、変動磁界測定時
に使用するアナログ増幅回路の高利得増幅回路HACとの
２つのアナログ増幅回路を設置し、信号検出コイルSCと
２つのアナログ増幅回路の間にはマイクロコンピュータ
CPUの信号により制御されるアナログ増幅回路切り替え
スイッチSWを挿入し、変動磁界測定モード時に予め設定
した磁界の値を超えて変動磁界が動いた時には定磁界の
探査、定磁界値の設定、変動磁界測定の手順を自動的に
切り替え、連続して変動磁界の測定を行なうもので、マ
イクロコンピュータCPUの指令により自動的にアナログ
増幅回路切り替えスイッチSWの切り替え、及び制御、演
算等を、マイクロコンピュータCPUの演算装置、記憶装
置により行なう。又、本発明の磁気測定装置の実施例で
はアナログ増幅回路の電源電圧には±15Vを使用し、ア
ナログ磁気信号の出力は±10Vの値に対し±15ビットの
アナログデジタル変換を行ない、定磁界測定モードでは
±10Vで±60000nTに変換してあり、変動磁界測定モード
では±10Vで±300nTに設定され、変動磁界測定モードで
は0.05nTの値まで正確に測定出来る。

即ちアナログ増幅回路の出力はマイクロコンピュータの
出力により制御される信号チャンネル切り替えを行なう
マルチプレクサを経由し、アナログデジタル変換を行な
うA/D変換器を経由し、マイクロコンピュータCPUに取り
込まれ、内部記憶装置に記憶される。一方、変動磁界測
定モードにおいて、測定磁界が変動磁界範囲を超えて移
動すると定磁界測定モードに自動的に替り、定磁界の自
動打ち消しを行なう時はマイクロコンピュータCPUから
定磁界測定モードの指令が発せられ、アナログ増幅回路
切り替えスイッチSWは低増幅率の低利得増幅回路LACに
マイクロコンピュータCPUからの指令で自動的に切り替
え接続され、定磁界のアナログデジタル変換された測定
値がマイクロコンピュータCPUに取り込まれ、取り込ま
れた定磁界の値はデジタルアナログ変換回路A/D、及び
電圧電流変換回路を経て、打ち消しコイルに打ち消し電
流として供給される。次いで、再び変動磁界測定モード
に切り替り、アナログ増幅回路切り替えスイツチSWは、
変動磁界測定時の高利得増幅回路HACに切り替えられ、
変動磁界測定範囲が±300nT以内であることをマイクロ
コンピュータで確認した後、変動測定モードで継続測定
される。測定される変動磁界は、変動磁界測定モードに
より継続測定し表示記憶され、各成分毎の磁界の値は定
磁界測定モードで打ち消しコイルに加えられた定磁界の
値か、定磁界の値を変動磁界測定モードで測定した磁界
の値の和のいずれかにより求めている。

即ち本発明は、 1.磁気信号を増幅するアナログ回路と、アナログデジタ
ル変換器と、磁気測定値の記憶、制御演算処理を行なう
マイクロコンピュータと、デジタルアナログ変換器と、
電圧電流変換回路からなる一定磁界を打ち消す打ち消し
回路と、信号検出コイル、打ち消しコイル、励磁コイル
とからなる磁気検出素子の励磁コイルを励磁する励磁回
路から構成される磁気測定装置において、アナログ増幅
回路に低利得増幅回路と高利得増幅回路との２つの回路
を用意し、アナログ回路入力側にはマイクロコンピュー
タにより制御されるアナログスイッチを設け、高感度で
変動磁界を測定するのに予め決められた磁気測定範囲を
超えて磁気変動がある時には、自動的に定磁界値を変更
して変動磁界を連続的に測定出来るよう構成したことを
特徴とする磁気測定装置である。

2.変動磁界の連続測定は、開始指令によりアナログ信号
の増幅を低利得増幅回路に切り替えて地磁気の定磁界の
値を読み取り、打ち消し磁界の値を検出し、打ち消し回
路へ定磁界の打ち消し電圧を出力後、アナログ増幅回路
を高利得増幅回路に切り替え、予め設定した微小磁界の
範囲に入るよう残留微小磁界の極性判別と微小打ち消し
磁界を打ち消し回路に加える操作を繰り返し、微小磁界
範囲に追い込み微小磁界範囲を満足した後変動磁界を連
続測定し、変動磁界の連続測定磁界の値が予め決められ
た測定範囲を超える時は、再び開始に戻る操作の手順を
マイクロコンピュータの制御により繰り返し、自動的に
連続して変動磁界を測定するよう構成した磁気測定装置
である。

〔作用〕

アナログ増幅回路は地磁気成分を検出測定する定磁界測
定モード時に動作する低利得増幅回路と、地磁気の変動
分を検出し、測定する変動磁界測定モード時に動作する
高利得増幅回路の２つの回路を使用し、２つのアナログ
増幅回路は信号検出コイルとアナログ増幅回路の間に微
小電流を流せるアナログスイッチを接続してマイクロコ
ンピュータの制御指令により２つのアナログ増幅回路を
切り替えるように構成してあるので、アナログ増幅回路
の電源電圧が低くても変動磁界測定モードに切り替える
ことにより0.1nT以下の地磁気の値も正確に測定出来
る。又、変動磁界測定モードで、測定磁界が予め設定し
た変動磁界範囲を超える時は、測定装置に組み込まれた
マイクロコンピュータにより検出され、変動磁界測定モ
ードから定磁気測定モードに自動的に切り替えられ、地
磁気成分の定磁界の値を測定し、測定値はデジタルアナ
ログ変換器と電圧電流変換回路により定磁界の打ち消し
電流値として打ち消しコイルに流され、磁気検知素子は
零バイアス磁界となり再び変動磁界測定モードに切り替
り、アナログ増幅回路も変動磁界測定モード時の高利得
増幅回路に切り替えられ変動磁界が±300nT以内で予め
設定した微小磁界範囲を満足したことが確認されると、
再び変動磁界測定モードで磁気測定を継続する。変動磁
界測定モードでは以上の説明による手順で動作を繰り返
し、変動磁界測定モードの測定を継続する。変動磁界測
定時に打ち消した定磁界の値と、測定した変動磁界の３
成分の値は、外部記録装置を接続する時は外部記録装置
に連続して記録出来、又、測定した短時間の変動磁界の
値は、一時記憶装置に記憶され、液晶表示等による表示
装置に表示される。

〔実施例〕

本発明の実施例につき図面を参照し詳細に説明する。

第１図は本発明による磁気測定装置で、フラックスゲー
ト方式の磁界を検出する磁気検出素子MSCは、磁気検出
素子を励磁する励磁コイルDCと、信号を検出する信号検
出コイルSCと、定磁界を打ち消す打ち消しコイルCCとよ
りなり、地磁気の３成分を測定する時は３相用意され
る。信号検出コイルSCの出力は、アナログ増幅回路切り
替えスイツチSW、直流交流増幅回路AAC、直流増幅回路A
Cとアナログデジタル変換器ADCを通り、デジタル変換さ
れた測定値は制御演算の動作を行なうマイクロコンピュ
ータのCPUに取り込まれ、一時内部記憶装置MRYに記憶さ
れる。変動磁界測定の際は、マイクロコンピュータCPU
に取り込まれた定磁界の値をデジタルアナログ変換回路
DACによりアナログ電圧値に変換され、電圧電流変換回
路VICにより電流値に変換し打ち消しコイルCCに打ち消
し電流として入力される。従来の磁気測定装置では磁気
検出素子１成分当り１つのアナログ増幅回路であるが、
定常観測装置ではアナログ増幅回路の電源電圧を高く出
来るので、1nT以下の測定が可能である。

第１図に本発明によるフラックスゲート方式による磁気
測定装置の一成分の回路ブロック図を示す。磁界を検出
する磁気検出素子MSCは従来と同様磁気検出素子を駆動
する励磁コイルDCと、信号を検出する信号検出コイルSC
と、定磁界を打ち消す打ち消しコイルCCとよりなり、地
磁気の３成分を測定する時は３相用意される。信号検出
コイルSCの出力は、低利得増幅回路LACと高利得増幅回
路HACの入力切り替えを行なうアナログ増幅回路切り替
えSWを経由し、増幅利得の異なる２つの増幅回路に切り
替え接続され、増幅回路の出力はマルチプレクサMPX、
直流増幅回路AC、アナログデジタル変換器ADCを経由
し、信号の記憶、演算、制御を行なうマイクロコンピュ
ータCPUに取り込まれる。アナログ増幅回路は前記のよ
うに、本発明の磁気測定装置では低利得増幅回路LACと
高利得増幅回路HACとを用意し、変動磁界測定モードの
時は高利得増幅回路HACに切り替えて高精度測定を行な
うものである。本発明のアナログ増幅回路では、低利得
増幅回路LAC、高利得増幅回路HACとも同期検波回路の後
の信号電圧を電流値に変換する負饋還増幅回路NFCによ
り、信号検出コイルに負饋還されており、磁気検出素子
を構成する磁心は常に磁気ヒステリシス曲線の中心で動
作し、非対象励磁による誤差の生ずることのないゼロバ
イアス励磁の回路構成としてある。負饋還電流の値は極
めて小さくマイクロアンペアの値であるため、アナログ
増幅回路切り替えスイッチSWはマイクロアンペアを通す
アナログスイッチを用いる。磁気測定は、定磁界測定モ
ードと変動磁界測定モードとあり、定磁界測定の時は、
マイクロコンピュータCPUにつながる入力キイKEYにより
定磁界測定モードにすると、マイクロコンピュータCPU
からの指令によりアナログ増幅回路切り替えスイッチSW
はＡに切り替えられ、低利得増幅回路LACが接続され
る。低利得増幅回路LACでは最大±60000nTの磁気測定が
出来、通常地磁気の定磁界の測定、全磁力の値を測定す
る。

次に本発明の変動磁界連続測定について第２図に示すマ
イクロコンピュータの動作を示すフローチャートを用い
説明する。変動磁界測定モードに入力キイKEYにより指
令すると、マイクロコンピュータCPUの指令により測定
開始となり、アナログ増幅回路切り替えSWは先ずＡに低
利得増幅回路LACに切り替えられ、アナログ信号はアナ
ログデジタル変換器ADCによりデジタル信号に変換さ
れ、定磁界の値はマイクロコンピュータCPUに取り込ま
れ、数値が記憶され、低感度状態でのデータの読み込み
が行なわれる。測定された数値は、打ち消し量を確認の
後、デジタルアナログ変換器DAC、及び電圧電流変換回
路VICを通り、打ち消し電流となり定磁界に相当する電
流が打ち消しコイルCCに加えられる。次いで、アナログ
増幅回路切り替えスイッチSWはＢに切り替えられ、高利
得増幅回路HACが接続され、高利得増幅回路HACの測定値
はアナログデジタル変換器ADCを通り、マイクロコンピ
ュータCPUに取り込まれる。変動磁界測定モードの測定
開始は、定磁界が打ち消し電流により±50nTの範囲内ま
で打ち消され、微小磁界範囲±50nTの範囲を満足した条
件の時に開始となるため、マイクロコンピュータCPUの
指令の確認のもとで、定磁界が打ち消され、その微小磁
界が±50nTの範囲に入る迄地磁気極性の判定と、任意の
打ち消し磁界、例えば検出された磁気を打ち消す極性
の、±10nTの打ち消し磁界に相当する打ち消し電流を打
ち消し回路へ出力される、この操作は微小磁界範囲±50
nT以下の条件が満足されるまで高利得増幅回路HACを通
してマイクロコンピュータCPUへ測定値の読み込みを繰
り返す。

打ち消し磁界が微小磁界範囲±50nT以内となった時、打
ち消し磁界の値を内部記憶装置に記憶して定磁界を固定
し、変動磁界を測定し、内部記憶装置に測定値を記録す
ると共に測定値を外部記録装置へ出力する。変動磁界を
連続して測定している状態で、もし測定磁界が移動し、
変動が磁界測定範囲±300nTを超えると、マイクロコン
ピュータCPUの指令によりアナログ増幅回路切り替えス
イッチSWは低利得増幅回路LACに自動的に切り替えら
れ、開始時と同じ段階を踏み変動磁界測定が繰り返され
る。

変動磁界測定モードでは測定範囲は±300nTで±15ビッ
ト変換されるため下の桁２ビットが不確実になっても充
分に0.05nTの分解能を持ち、目標とする0.1nTの精度が
充分確保され、しかも±300nTの範囲で自動的に切り替
えられて連続して測定される。本発明の測定装置は、測
定値の短時間の連続記録、及び表示と、外部記録装置へ
の接続が出来るよう作られているため、測定値の短時間
範囲の表示と、測定値の外部記録装置による連続記録が
出来る。

尚、本発明の実施例において、変動磁界測定装置を±30
0nTの値に、変動磁界測定範囲内の設定のための微小磁
界範囲を±50nTの値に設定してあるが、±300nT、±50n
Tの値に固定するものではなく、他の磁界値としてもよ
いことは当然である。

ハ．発明の効果 本発明による磁気測定装置は、検出信号を増幅するアナ
ログ増幅回路を低利得増幅回路と高利得増幅回路との２
回路で構成し、アナログ増幅回路の入力はマイクロアン
ペアを流すアナログ切り替えスイッチとし、アナログ出
力はアナログデジタル変換器を通しマイクロコンピュー
タに読み込まれ、記憶され、又マイクロコンピュータの
出力はデジタルアナログ変換器によりアナログ電圧に変
換され、アナログ電圧は電圧電流変換回路を経て打ち消
しコイルに供給され、定常磁界測定と変動磁界測定はマ
イクロコンピュータに予め設定されている制御手順によ
り制御され、ある設定磁界範囲における変動磁界を高感
度で自動的に連続測定が出来、測定結果は表示装置によ
る表示、測定装置に接続した外部記録装置に接続してデ
ジタル記録を可能とし、測定結果の磁気測定値の演算も
行なえる磁気測定装置である。又、アナログ回路を高利
得増幅回路と低利得増幅器の２回路を用い、測定モード
により切り替え動作するよう構成してあるので、低電圧
の電源電圧によっても高精度の測定が出来る構成とし、
従って携帯出来る大きさで高感度の磁気測定装置を提供
出来るようになった。

尚、本発明によるアナログ増幅回路に高利得増幅回路と
低利得増幅回路とを設け、変動磁界測定の連続測定を行
なうのにマイクロコンピュータの制御により、高利得増
幅回路と低利得増幅回路を切り替えながら、最適測定条
件を捕捉しながら連続測定を行なう方法は、他の方式の
磁気測定装置にも適用出来ることは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による磁気測定装置一成分の、アナログ
回路、打ち消し回路と、マイクロコンピュータ周辺の概
要を示す回路ブロック図。 第２図は本発明による磁気測定装置において、変動磁界
の連続測定を行なう際のマイクロコンピュータによる各
回路の制御を示すフローチャート図。 第３図は従来の磁気測定装置の一成分の測定系を示す回
路図。 SC……信号検出コイル、CC……打ち消しコイル、DC……
励磁コイル、MSC……磁気検出素子、SW……アナログ増
幅回路切り替えスイッチ、AAC……交流直流増幅回路、A
C……直流増幅回路、NFC……負饋還増幅回路、MPX……
マルチプレクサ、ADC……アナログデジタル変換器、DAC
……デジタルアナログ変換器、VIC……電圧電流変換回
路、DC……励磁回路、CPU……マイクロコンピュータ、D
PY……表示装置、KEY……入力キイ、EMY……外部記録装
置、Ａ……低利得増幅回路側スイッチ、Ｂ……高利得増
幅回路側スイツチ、LAC……低利得増幅回路、HAC……高
利得増幅回路、MRY……内部記憶装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変動磁界を検出する磁気検出素子、並びに
   その磁気検出信号を増幅するアナログ増幅回路と、アナ
   ログデジタル変換器と、上記変動磁界の磁気測定値の記
   憶制御演算処理を行なうマイクロコンピュータと、デジ
   タルアナログ変換器と、上記変動磁界における一定磁界
   を打ち消す打ち消し回路と打ち消しコイルからなる磁気
   測定装置において、上記アナログ増幅回路に低利得増幅
   回路と高利得増幅回路との２つの回路を用意し、上記ア
   ナログ増幅回路入力側にはマイクロコンピュータにより
   制御されるアナログスイッチを設け、上記変動磁界の連
   続測定は、開始指令により、先ず上記アナログ増幅回路
   を低利得増幅回路に切り替えて、上記変動磁界における
   一定磁界の値を読み取り、打ち消し回路へ上記一定磁界
   の打ち消し電圧を出力後、アナログ増幅回路を高利得増
   幅回路に切り替え、予め設定した微小磁界測定の測定範
   囲に入るよう残留微小磁界の極性判別と微小打ち消し電
   圧を打ち消し回路に加える操作を繰り返しおこない、微
   小磁界測定範囲に追い込み、変動磁界を連続測定し、さ
   らに変動磁界の連続測定磁界の値が予め決められた測定
   範囲を越えるときは、再び上記開始指令に戻り、マイク
   ロコンピュータの制御により、上記アナログ増幅回路を
   低利得増幅回路に戻し、次に高利得増幅回路に戻す操作
   を電気的におこない、連続して変動磁界を測定するよう
   構成した磁気測定装置。