За последнее время не произошло каких либо существенных изменений в принципах измерения магнитного поля. В области магнитных съёмок утвердились способы, основанные на явлении магнитного резонанса, оптической ориентации атомов и др. В основу определения магнитных свойств горных пород и наблюдений в скважинах используют феррозондовые установки, а для измерения остаточной намагниченности применяют астатические магнитометры и рок-генераторы. Подробнее остановимся на таком приборе, как магнетометр.
Магнитометр - прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.
В более узком смысле магнитометры - приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля.
Самым главным параметром магнитометра является его чувствительность. При этом формализовать этот параметр, сделать его единым для всех магнитометров практически невозможно и не только потому, что магнитометры отличаются принципом действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала. Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9) Т.
Поле Земли составляет величину примерно 35000nT (35µT). Это усредненная величина - в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000nT (35µT) - 60000nT (60µT). Таким образом задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов.
Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.
Различают магнитометры для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометры классифицируют также по условиям эксплуатации и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия.
Существуют несколько типов магнитометров, основанных на разных принципах действия, такие как: феррозондовые, магнитоиндуктивные, на эффекте Холла, магниторезисторные, квантовые (Протонные).
Подробно остановимся на феррозондовых преобразователях магнитного поля, рассмотрим их принцип действия, конструкцию и технологию измерения.
Открытие свойств высокой магнитной проницаемости у железно-никелевых сплавов - пермаллоев привело к созданию феррозондовых или потоковоспринимающих магнитометров, в основу работы датчиков которых положен эффект реакции магнитной проницаемости пермаллоя сердечников на действие постоянного магнитного поля Земли при питании их переменным током.
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. В зависимости от величины подаваемого напряжения феррозонд может работать по принципу пик-типа и второй гармоники. Приборы, работающие по принципу второй гармоники, получили более широкое применение(3).
Ферромагнитные зонды характеризуются:
Высокой чувствительностью-минимальное изменение измеряемого элемента поля, которое способен зарегистрировать прибор при изменении силовой компоненты, чувствительность у лучших приборов составляет 1 нТл, для угловой величины-01 сек;
Возможностью точной (0,1%) калибровки;
Малым температурным коэффициентом, менее 0,01 нТл/град. цельсия в диапазоне температур от -20 до +50 град. цельсия;
Низким уровнем собственных шумов;
Небольшими размерами (10-20 см) и массой (1-2 кг с измерительным блоком);
Малым энергопотреблением(2).
На рис. 1 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током и измерительной (сигнальной) катушки. Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью. На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора). В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.
Феррозонды подразделяются на:
стержневые одноэлементные (а)
дифференциальные с разомкнутым сердечником (б)
дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (в).
Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда. Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10-4-10-5 А/м (~10-10-10-11 Тл).
Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см 3 , а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм
В качестве примера на рис. 2 приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.
Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений. Его сердечник изготовлен из пермаллоя. Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую намотаны измерительная обмотка и обмотка возбуждения. Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1, 5x105) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования сигнала «время-импульс». Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50… ±100 А/м (±0, 06… ±0, 126 мТл).Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м x Гц1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 - 3,5 раза выше. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками(3).
Устройства для определения вектора МП с использованием феррозондовых датчиков
Принципы работы устройств, использующих феррозондовые преобразователи магнитного поля, рассмотрены во многих технических изданиях. А потому в качестве примера приведём очень краткие описания принципов работы нескольких таких устройств.
Конструкция простейшего феррозондового датчика направления, используемого в автомобильном навигаторе, приведена на рис. 3
Рис. 3 Датчик МПЗ автомобильного навигатора: а - способ вычисления азимута пункта назначения; б - устройство датчика: б - курс движения автомобиля относительно сервера; в - курс на пункт назначения относительно севера; г - относительный азимут (азимут пункта назначения)
Рис. 4 Принцип работы феррозондового навигатора
Рис. 5 Эпюры выходного напряжения феррозондового датчика: а - при Нх > 0; б - при Нx, y > 0
Датчик навигатора (рис. 3) представляет собой кольцо из материала с высокой магнитной проницаемостью, на которое намотаны обмотка возбуждения и перпендикулярно друг другу две измерительные обмотки(3).
Принцип действия ферромагнитного зонда
Принцип действия датчика заключается в следующем: если на обмотку возбуждения подать переменное напряжение, то магнитный поток в сердечнике будет изменяться и за счет возникновения электромагнитной индукции на выходе измерительных обмоток появится «наведенное» напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на измерительных обмотках будет тоже отсутствовать, поскольку изменение магнитного потока в этом случае вызывает появление в точках S1, S2 сердечника напряжений противоположной полярности, которые компенсируют друг друга. Если перпендикулярно измерительной обмотке X воздействует магнитное поле с напряженностью Н, то оно складывается с магнитным полем возбуждения и изменения магнитного потока становятся асимметричными (см. 5). В результате этого появляется выходное напряжение, пропорциональное производной разности магнитных потоков.
Если внешнее магнитное поле Н прикладывается под углом И, то на измерительных обмотках X и Y появляются напряжения, равные соответственно:
При определённых геометрических размерах сердечника коэффициент размагничивания может быть настолько мал, что при помещении сердечника во внешнее магнитное поле размагничивающее поле будет практически отсутствовать. Суммарное магнитное поле в сердечнике окажется равным внешнему полю. Если сердечник расположен вдоль поля, он воспринимает полное значение поля, когда под углом - соответствующую составляющую. При перпендикулярном размещении сердечника к полю внешнее поле на него не действует. Указанные выше условия позволяют обеспечить острую диаграмму направленности феррозонда, благодаря чему он пригоден для измерения компонент магнитного поля и соответствующих им углов. Теория феррозондов базируется на развитом В.К. Аркадьевым учении о амагниченности ферромагнитных тел конечных размеров.
Общий принцип действия феррозонда подобен принципу действия магнитного усилителя, у которого управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью(3).
Технология измерения ферромагнитными зондами
Простейший феррозондовый магнитометр состоит из генератора, питающего переменным током феррозондовый датчик, откуда сигнал поступает в ячейку фильтров на усилительно-преобразовательный канал и в регистратор. В датчик также поступает ток компенсации из устройства начальной компенсации. Число феррозондовых датчиков определяется назначением и конструкцией прибора.
Конструктивно феррозондовый датчик может находиться в одной упаковке с электронной схемой или составлять отдельный блок, соединённый кабелем с электронным блоком. Феррозондовые датчики в наземных и скважинных магнитометрах - самоустанавливающиеся. Для этого используют карданные подвесы либо эксцентрические устройства. В магнитных градиентометрах датчики укрепляют на поворотной штанге.
Для примера возьмём феррозондовый теодолит, который представляет собой не имеющий магнитных деталей геодезический теодолит с установленным на его трубе датчиком феррозонда, работающего по схеме второй гармоники, и электронный блок - регистратор. Измерения выполняются нулевым методом, когда ось феррозонда перпендикулярна вектору магнитной индукции земного поля, на выходе измеряемой катушки ток I=0. Электронный блок таким образом фиксирует нулевой ток в положении оси датчика, перпендикулярного вектору магнитной индукции Т: при горизонтальном положении трубы и датчика фиксируется направление магнитного меридиана, в вертикальной плоскости магнитного меридиана определяется наклонение.
Датчик крепится к трубе теодолита на специальном лафете, позволяющим регулировать углы установки датчика относительно оптической оси теодолита.
Ось ферромагнитного датчика в принципе не может совпадать с оптической осью теодолита. Положение датчика на зрительной трубе характеризуется:
Величинами смещений геометрического центра феррозонда о оптического центра трубы в вертикальной плоскости вращения вдоль и поперёк оптической оси и в горизонтальной плоскости;
Углами в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эти углы ось феррозонда составляет с оптической осью трубы(2).
Рассмотрим технологию измерения на ещё одном отечественном магнитометре, таком как М-17.
Для измерения вертикальной составляющей феррозонд ориентируется по вертикали особым маятником, помещенным в кардановом подвесе. Последний снабжен демпфирующим устройством для быстрого затухания колебаний. Феррозонд подключается к измерительному блоку. В нем помещен звуковой генератор, переключатель поддиапазонов, переключатель компенсации магнитного поля, измерительный индикаторный прибор.
На феррозондовом принципе изготовлялись отечественные аэромагнитометры - АЭМ-49, АМ-13, АММ-13, АСТ-46, АМФ-21 и др. В аэромагнитометрах измерительный феррозонд с помощью особых карданных устройств и двух дополнительных взаимно перпендикулярных феррозондов устанавливается вдоль полного вектора напряженности магнитного поля Земли. Он помещается в специальной гондоле и буксируется за самолетом на кабеле длиной 40 - 50 м. Электрический сигнал с этого блока по кабелю попадает на пульт магнитометра, установленный на самолете, где усиливается электронным усилителем, выпрямляется и попадает на автоматическое компенсационное устройство и особый самописец. На ленте, кроме напряженности поля, записываются высота полета, марки времени, отметки ориентиров или синхронных аэрофотоснимков. Аэромагнитометры устанавливаются на самолетах легкого типа или на вертолетах. Погрешности измерений аэромагнитометрами не превышают 20 нТл.
Феррозондовые приборы измеряют относительные изменения любой компоненты магнитного поля. Чувствительность магнитометоров зависит от типа феррозонда и измеряется от нескольких нТл до 200 нТл.
Магниторазведочные зонды широко применяются в различных областях исследований как земной коры, так и для космических исследований.
Феррозонды используются в приборах для наземной съёмки (зонд помещают в карданов подвес, на зрительной трубе теодолита), в скважинной магнитометрии для контроля направления хода буровых скважин, магнитной восприимчивости горных пород и компонент внутреннего поля вдоль оси скважины, в аэрогеофизических станциях, для автоматической ориентации искусственных спутников Земли, на международных космических станциях, а также в магнитной дефектоскопии для обнаружения поверхностных дефектов, контроля качества проката и сварных труб, диагностики рельсовых путей и т.д. (1).
Список используемой литературы
магнитометр феррозонд зонд
1 Гершанок Л.А. Магниторазведка: Учебное пособие/ Пермь: Пермский государственный университет, 2006. 364 с.
2. Ладышкин А.В., Попова А.А., Семаков Н.Н. и др. Векторные магнитные измерения с феррозондовыми теодолитами: Методическое пособие/ Новосибирск: Новосибирский государственный университет, 2005, 89 с.
3. Геофизические методы исследования // магниторазведка // феррозрндовые магнитометры/ материалы из интернета
Подобные документы
Методика измерения магнитных свойств веществ в переменном и постоянном магнитном поле на примере магнитной жидкости. Исследование изменения магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки при быстром извлечении из нее контейнера с образцом.
лабораторная работа , добавлен 26.08.2009
Измерения в режиме медленно изменяющегося внешнего магнитного поля. Обоснование и расчет элементов измерительной установки. Перемагничивание в замкнутой магнитной цепи. Требования к системе измерения магнитной индукции. Блок намагничивания и управления.
курсовая работа , добавлен 29.03.2015
Проявления магнитного поля, параметры, его характеризующие. Особенности ферромагнитных (магнитомягких и магнитотвердых) материалов. Законы Кирхгофа и Ома для магнитных цепей постоянного тока, принцип их расчета, их аналогия с электрическими цепями.
контрольная работа , добавлен 10.10.2010
Сущность индуктивно-частотного метода измерения магнитной восприимчивости и принцип работы установки "Эталон-1Б". Разработка программного обеспечения для автоматической записи кривых восприимчивости. Калибровка датчика магнитного поля на эффекте Холла.
курсовая работа , добавлен 18.06.2015
Характеристики магнитного поля и явлений, происходящих в нем. Взаимодействие токов, поле прямого тока и круговой ток. Суперпозиция магнитных полей. Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля. Действие магнитных полей на движущиеся токи и заряды.
курсовая работа , добавлен 12.02.2014
Определение наличия и направления магнитного поля метки. Создание постоянного магнитного поля, компенсирующего действие постоянных внешних магнитных полей. Принципиальная схема зарядно-разрядного узла устройства. Определение разряда накопительной емкости.
лабораторная работа , добавлен 18.06.2015
Геомагнитное поле земли. Причины возникновения магнитных аномалий. Направление вектора напряженности земли. Техногенные и антропогенные поля. Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП. Влияние магнитных полей на растительный и животный мир.
курсовая работа , добавлен 19.09.2012
Понятие и функциональные особенности магнитных пускателей переменного тока, их цели и значение. Конструкция и принцип работы пускателей, их разновидности: реверсивные и нереверсивные. Основные серии магнитных пускателей, характеристики: ПМЕ, ПМА, ПМ12.
реферат , добавлен 27.10.2013
Квантование магнитного потока. Термодинамическая теория сверхпроводимости. Эффект Джозефсона как сверхпроводящее квантовое явление. Сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы, их применение. Прибор для измерения слабых магнитных полей.
контрольная работа , добавлен 09.02.2012
Исследование сущности магнитного поля, которое создаётся движущимися электрическими зарядами. Особенности магнитных линий - очертаний, образовавшиеся под воздействием магнитных сил. Признаки магнитной индукции - величины характеризующей магнитное поле.
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот.
На рис. схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек:
катушки возбуждения, питаемой переменным током
и измерительной (сигнальной) катушки.
Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу.
Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону.
Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и стано- вится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке.
В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.
Феррозонды подразделяются на:
стержневые одноэлементные (рис. а)
Дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.б)
Дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.в).
Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.
Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю.
Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10 -4 -10 -5 А/м (~10 -10 -10 -11 Тл).
Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью.
Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см 3 , а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм.
В качестве примера на рис. приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.
Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений.
Его сердечник изготовлен из пермаллоя.
Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую намотаны измерительная обмотка и обмотка возбуждения.
Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1, 5x10 5) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования сигнала «время-импульс».
Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50... ±100 А/м (±0, 06... ±0, 126 мТл).
Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м x Гц 1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 - 3,5 раза выше.
Магнитометр
предназначен для измерения индукции магнитного поля. В магнитометре используется опорное магнитное поле, которое позволяет посредством тех или иных физических эффектов преобразовать измеряемое магнитное поле в электрический сигнал
.
Прикладное применение магнитометров для обнаружения массивных объектов из ферромагнитных (чаще всего, стальных) материалов основано на локальном искажении этими объектами магнитного поля Земли. Преимуществом использования магнитометров в сравнении с традиционными металлодетекторами состоит в большей дальности обнаружения
.
Феррозондовые (векторные) магнитометры
Одним из видов магнитометров являются . Феррозонд был изобретен Фридрихом Фёрстером ()
В 1937 году и служит для определения вектора индукции магнитного поля .
Конструкция феррозонда
одностержневой феррозонд
Простейший феррозонд состоит из пермаллоевого стержня, на котором размещена катушка возбуждения ((drive coil ), питаемая переменным током, и измерительная катушка (detector coil ).
Пермаллой
- сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и 45-82 % никеля. Пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью (максимальная относительная магнитная проницаемость ~100 000) и малой коэрцитивной силой. Популярной маркой пермаллоя для изготовления феррозондов является 80НХС - 80 % никеля + хром и кремний с индукцией насыщения 0,65-0,75 Тл, применяется для сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей и реле, работающих в слабых полях магнитных экранов, для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле, для сердечников магнитных головок.
Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности поля для некоторых сортов пермаллоя имеет вид -
Если на сердечник накладывается постоянное магнитное поле, то в измерительной катушке появляется напряжение четных гармоник, величина которого служит мерой напряженности постоянного магнитного поля. Это напряжение отфильтровывается и измеряется.
двухстержневой феррозонд
В качестве примера можно привести устройство, описанное в книге Каралиса В.Н.
"Электронные схемы в промышленности" -
Прибор предназначен для измерения постоянных магнитных полей в диапазоне 0,001 ... 0,5 эрстед.
Обмотки возбуждения датчика L1
и L3
включены встречно. Измерительная обмотка L2
намотана поверх обмоток возбуждения. Обмотки возбуждения питаются током частоты 2 кГц от двухтактного генератора с индуктивной обратной связью. Режим генератора стабилизируется по постоянному току делителем на резисторах R8
и R9
.
феррозонд с тороидальным сердечником
Одним из популярных вариантов конструкции феррозондового магнитометра является феррозонд с тороидальным сердечником (ring core fluxgate
) -
По сравнению со стержневыми феррозондами такая конструкция имеет меньшие шумы и требует создания намного меньшей магнитодвижущей силы .
Этот датчик представляет собой обмотку возбуждения
, намотанную на тороидальном сердечнике, по которой протекает переменный ток с амплитудой, достаточной для ввода сердечника в насыщение, и измерительную обмотку
, с которой снимается переменное напряжение, которое и анализируется для измерения внешнего магнитного поля.
Измерительная обмотка наматывается поверх тороидального сердечника, охватывая его целиком (например, на специальном каркасе) -
Эта конструкция аналогична первоначальной конструкции феррозондов (конденсатор добавлен для достижения резонанса на второй гармонике) -
Применение протонных магнитометров
Протонные магнитометры широко используются в археологических исследованиях.
Протонный магнитометр упоминается в научно-фантастической новелле Майкла Крайтона "В ловушке времени" ("Timeline
") -
He pointed down past his feet. Three heavy yellow housings were clamped to the front struts of the helicopter. "Right now we’re carrying stereo terrain mappers, infrared, UV, and side-scan radar.” Kramer pointed out the rear window, toward a six-foot-long silver tube that dangled beneath the helicopter at the rear. “And what’s that?” “Proton magnetometer.” “Uh-huh. And it does what?” “Looks for magnetic anomalies in the ground below us that could indicate buried walls, or ceramics, or metal.”
Цезиевые магнитометры
Разновидностью квантовых магнитометров являются атомные магнитометры на щелочных металлах с оптической накачкой.
цезиевый магнитометр G-858
Магнитометры Оверхаузера
Твердотельные магнитометры
Наиболее доступными являются магнитометры, встроенные в смартфоны. Для Android
хорошим приложением, использующим магнитометр, является . Страничка этого приложения - http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/ .
Настройка магнитометров
Для тестирования феррозонда можно использовать . Катушки Гельмгольца используются для получения практически однородного магнитного поля. В идеальном случае они представляют собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой последовательно и расположенных на расстоянии радиуса витка друг от друга. Обычно катушки Гельмгольца состоят из двух катушек, на которых намотано некоторое количество витков, причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса. В реальных системах толщина катушек может быть сравнима с их радиусом. Таким образом, можно считать системой колец Гельмгольца две соосно расположенных одинаковых катушки, расстояние между центрами которых приблизительно равно их среднему радиусу. Такую систему катушек называют также расщепленный соленоид (split solenoid).
В центре системы имеется зона однородного магнитного поля (магнитное поле в центре системы в объеме 1/3 радиуса колец однородно в пределах 1%
), что может быть использовано для измерительных целей, для калибровки датчиков магнитной индукции и т. д.
Магнитная индукция в центре системы определяется как $B = \mu _0\,{\left({4\over 5}\right) }^{3/2} \, {IN\over R}$,
где $N$ – число витков в каждой катушке, $I$ – ток через катушки, $R$ – средний радиус катушки.
Также катушки Гельмгольца могут быть использованы для экранирования магнитного поля Земли. Для этого лучше всего использовать три взаимно перпендикулярные пары колец, тогда не имеет значения их ориентация.
Для измерения небольших по величине постоянных и переменных магнитных полей применяют феррозонды, представляющие собой в простейшем виде стержни, выполненные из магнитомягкого материала и имеющие две обмотки, одна из которых создает временный магнитный поток, а другая является измерительной.
При прохождении через обмотку возбуждения переменного тока синусоидальной формы магнитное состояние сердечника будет изменяться по динамической петле гистерезиса, при этом в измерительной обмотке появляется э. д. с., которая кроме основной частоты будет содержать высшие нечетные гармоники.
Рис. 21. Принципиальная схема баллистической установки: электромагнит, измерительная катушка, баллистический гальванометр, первичная и вторичная обмотки эталонной катушки, переключатели, ключ, система реостатов, А - амперметр
Рис. 22. Схематическое устройство измерительного зонда
Если такой зонд поместить в постоянное магнитное поле, направленное так же, как и переменное поле по оси сердечника, то магнитное состояние сердечника будет уже изменяться по несимметричному частному циклу. Это объясняется тем, что в направлении действия постоянного поля перемагничивание сердечника будет происходить при меньших значениях переменного поля, чем при отсутствии постоянного поля, а в противоположном направлении постоянное поле будет препятствовать перемагничиванию. В этом случае в кривой э. д. с. наряду с нечетными гармониками появятся четные, главным образом вторые гармоники. Оказывается, что величина э. д. с. этой
гармоники пропорциональна напряженности магнитного поля. По величине э. д. с., пропорциональной этой гармонике, и измеряют напряженность поля.
На рис. 22 показано схематическое устройство одного из измерительных зондов, сердечник которого сделан из магнитомягкого материала пермаллоя. Сердечник складывается из 20-50 пластин толщиной Если на обе стороны сердечника намотать одинаковое число витков одного провода в противоположных направлениях, то магнитные потоки, создаваемые каждой обмоткой, будут равны.
Рис. 23. Схематическое устройство магнитного зонда мостикового типа
Рис. 24. К устройству зонда мостикового типа
Обмотки соединены между собой последовательно. Измерительную катушку 3 надевают на сердечник 1. Если через витки обмотки 2 пропускать переменный ток, то в измерительной катушке не возникнет, так как изменения магнитного потока по времени от каждой обмотки 2 будут равны и противоположны по направлению. При помещении сердечника в постоянное однородное поле, которое направлено перпендикулярно плоскости сечения обмоток и катушки, произойдет перераспределение магнитных потоков в пространстве между обмотками 2, так как постоянное поле будет складываться с переменными полями, в результате чего в измерительной катушке 3 возникнет электродвижущая сила. Эта э. д. с. будет пропорциональна напряженности магнитного поля. С помощью такого зонда при частоте переменного тока 103 гц можно измерять магнитные поля порядка
Существуют в настоящее время магнитные зонды мостикового типа . Один из таких мостов изображен на рис. 23. Мост вырезают из листового магнитомягкого материала (рис. 24). Собирают его из нескольких листов, одну половину которых вырезают вдоль, а другую - поперек прокатки. Это обеспечивает оптимальную магнитную однородность плечей моста и улучшает магнитный контакт ветвей. Отрезки загибают и соединяют друг с другом так, что образуется вторая диагональ моста. На диагоналях моста расположены катушки 1 и 2, при этом любая из них может быть или измерительной, или возбуждающей. Обмотка катушки возбуждения питается переменным током промышленной или
повышенной частоты. Магнитный мостик находится в равновесии, при этом без внешнего постоянного магнитного поля в измерительной катушке не возникает э. д. с. Если мостик поместить во внешнее постоянное магнитное поле, то равновесие моста нарушается, в диагонали моста появится переменный магнитный поток и в измерительной катушке возникнет э. д. с. индукции, величина которой определяет значение напряженности внешнего поля. Максимальное значение э. д. с. возникает в измерительной катушке, если внешнее поле направлено параллельно двум противоположным ветвям мостика. Для увеличения чувствительности магнитный мостик делают иногда с полюсами (рис. 25).
Рис. 25. Схематическое устройство магнитного зонда с полюсами
Рассмотрим высокочувствительный компенсационый магнитометр для измерения напряженности магнитного поля до , где использован магнитонасыщенный зонд. Принципиальная схема магнитометра и разрез магнитонасыщенного зонда показаны на рис. 26 и 27.
Схема магнитометра состоит из цепи возбуждения и сигнала, компенсационной цепи и цепи для проверки чувствительности устройства
В цепь возбуждения и сигнала входят генератор 4, удвоитель частоты 5, фазовый дискриминатор 6, резонансный усилитель 7 и индикаторный прибор 8. Для повышения чувствительности в приборе применен компенсационный метод измерения, при котором измеряемое поле соленоида 2 компенсируется другим полем известной величины и противоположного направления. Это поле создается при помощи катушки с током, внутри которой расположен зонд 1. Компенсирующая катушка 3 используется или в форме обычного соленоида, или в форме замкнутой катушки. Катушку второго вида применяют в том случае, когда вблизи магнитометра находятся ферромагнитные материалы.
Компенсацию можно также осуществить с помощью тока, который пропускают через измерительную обмотку образца. При этом значительно уменьшаются размеры измерительной головки» но зато ухудшается однородность компенсирующего поля. Для питания компенсационной цепи следует использовать аккумуляторные батареи большой емкости. Магнитонасыщенный зонд состоит из двух сердечников 6, выполненных из молибденового пермаллоя. Сердечники собираются из пластин размером которые вырезаются вдоль проката и подвергаются термической обработке. На сердечниках находится обмотка возбуждения 4, имеющая 1400 витков проволоки диаметром и измерительная обмотка 3 в 400 витков проволоки
В обмотку возбуждения подают напряжение величиной 25 в частоты гц. Ток возбуждения равен 0,3 а. При этих условиях установка имеет наибольшую чувствительность. Перед началом измерений зонд настраивают перемещением сердечника в катушках Гельмгольца. Получаемый на измерительной обмотке сигнал усиливается настроенным резонансным усилителем, а затем поступает на фазовый дискриминатор. Отклонение стрелки нулевого прибора на 2-3 деления соответствует напряженности магнитного поля Описанный магнитометр стабилен в работе и его режим практически не зависит от изменений внешних условий (температуры, механических вибраций и т. д.).
Рис. 26. Принципиальная схема магнитометра с магнитным зондом: 1 - зонд, 2 - соленоид, 3 - компенсирующая катушка, 4 - генератор, 5 - удвоитель частоты, 6 - фазовый дискриминатор, 7 - резоиаисиый усилитель, 8 - индикаторный прибор, компенсационная цепь, цепь для проверки чувствительности устройства
В работе приведен расчет оптимальных условий работы зонда, состоящего из двух пермаллое-вых сердечников размерами 0,18X1,75X100 Обмотку возбуждения наматывают из проволоки длиной с числом витков 350, Измерительная обмотка состоит из 1500 витков провода На выходе установки включен вольтметр, который фиксирует только величину выходной э. д. с. второй гармоники. Для расчета эффективного значения амплитуды этой гармоники служит следующая формула:
где внешнее измеряемое магнитное поле, чувствительность зонда к внешнему полю во второй гармонике. Последнюю величину определяют по формуле
где число витков измерительной обмотки, площадь поперечного сечения сердечников, - частота переменного тока, питающего обмотки возбуждения, коэффициент, учитывающий рассеивание потока некоторая постоянная, зависящая от магнитных свойств материала и размагничивающего фактора.
Чувствительность определяют при оптимальном значении подмагничивающего тока, силу которого рассчитывают по формуле
где число витков в обмотке возбуждения.
Описываемый зонд имеет высокую чувствительность в том случае, если применяется длинный сердечник.
Грабовский и Скоробогатов применили пермаллоевый феррозонд для измерения коэрцитивной силы Их установка состояла из двух совершенно одинаковых намагничивающих катушек, между которыми располагался феррозонд длиной шириной и толщиной Через катушки пропускали ток такого направления, что в пространстве, занимаемом феррозондом, магнитные поля катушек взаимно компенсировались. Для измерения коэрцитивной силы намагниченный образец помещали в одну из катушек, при этом магнитное поле образца вызывало отклонение стрелки прибора, который включали в индикаторную обмотку, расположенную на феррозонде. Пропуская постоянный ток через намагничивающие катушки, постепенно размагничивали образец. В момент, когда стрелка индикаторного прибора возвращалась в нулевое положение, измеряли силу тока в катушках и рассчитывали значение коэрцитивной силы по формуле где постоянная катушки.
Рис. 27. (см. скан) Разрез магнитного зонда: 1 - токоподводящие лепестки, 2 - корпус, 3 - измерительная обмотка, 4 - обмотка возбуждения, 5 - каркас, 6 - сердечник, 7 - изоляционная прокладка
При помощи описанного коэрцитиметра можно быстро провести измерение с точностью до 2-3%.
В коэрцитиметре Януса феррозонд имеет форму рамки, на боковых сторонах которой расположены две обмотки: возбуждения и измерительная. Исследуемый образец помещен в соленоид так, что его концы выступают из соленоида. Они примыкают к железному ярму, средняя часть которого замыкается сердечником феррозонда.
Дрожжина и Фридман предложили феррозондный
магнитометр для исследования магнитных свойств мягких магнитных материалов. В их магнитометре подвижная астатическая система заменена феррозондами, которые позволили устранить колебания нуля. Феррозонд представляет собой два сердечника сделанные из пермаллоя Обмотки возбуждения включены последовательно так, что магнитные потоки сердечников взаимно замыкаются. Измерительные обмотки феррозонда включены дифференциально, причем без внешнего постоянного поля сумма индуцированных э. д. с. в этих обмотках равна нулю. При наличии постоянного магнитного поля в э. д. с. появляются четные гармоники, по величине которых определяется это поле.
Феррозондный магнитометр состоит из двух одинаковых соленоидов, расположенных горизонтально один под другим, в один из которых помещают исследуемый образец. Дифференциальный феррозонд расположен между этими соленоидами. Магнитные поля соленоидов без образца взаимно компенсируются в объеме, где располагается феррозонд.
Для качественных измерений лучше использовать астатический феррозондный магнитометр. В этом варианте один феррозонд находится между соленоидами, а другой на расстоянии от первого в параллельной горизонтальной плоскости. Обмотки этих феррозондов включены последовательно навстречу друг другу.
При помощи феррозондного магнитометра можно определять кривую намагничивания, петлю гистерезиса и коэрцитивную силу магнитомягких материалов. Кривую намагничивания и петлю гистерезиса измеряют методом компенсации. С этой целью через компенсирующую обмотку пропускают ток, магнитное поле которого компенсирует поле намагниченного образца в районе расположения зонда. Чтобы измерить коэрцитивную силу, нужно намагнитить образец, а затем, увеличивая размагничивающее поле, свести к нулю показания индикаторного прибора. Простая схема и быстрый процесс измерения являются одним из преимуществ феррозондного магнитометра перед другими магнитометрами, которые будут описаны в главе V. В последнее время некоторые типы магнитных зондов начали применять для исследования магнитного поля в ускорителях и -спектрометрах . Описание зондов имеется также в работах .
