Recherche de trésors et de trésors : Magnétomètres - informations de base. Magnétomètres Fluxgate Magnétomètre à noyau ferromagnétique et trois enroulements

Construisons un diagramme vectoriel d'un transformateur idéal à vide (Fig. 15.34).

Force magnétisante au ralenti

Établissons maintenant un circuit équivalent pour un transformateur idéal sous sa charge (Fig. 15.35).

Si une charge avec résistance est connectée aux bornes de l'enroulement secondaire Z n, alors un courant le traversera , ce qui aura tendance à réduire le flux magnétique , et cela entraînera une diminution de la force électromotrice. , à la suite de quoi le courant augmentera à une valeur telle à laquelle le flux magnétique acquerra sa valeur d'origine et l'équation (15.35) sera remplie.

Ainsi, l'apparition de courant dans le circuit secondaire entraîne une augmentation du courant dans le circuit primaire. Dans un transformateur chargé, le flux magnétique dans le noyau est égal au flux magnétique à vide, c'est-à-dire Toujours F= const. Flux magnétique sous charge est créé sous l'influence des forces magnétisantes des enroulements primaire et secondaire :

Construisons un diagramme vectoriel d'un transformateur idéal sous charge (Fig. 15.36).

Transformons le circuit équivalent d'un transformateur idéal, pour lequel nous nous débarrasserons du couplage inductif. Si vous connectez les mêmes bornes des enroulements du transformateur entre elles, le mode de fonctionnement du transformateur ne changera pas.

Considérons d’abord des éléments couplés inductivement qui ont désormais un point commun. Le coefficient de couplage de deux éléments dans ce cas égal à un, puisque tout le flux magnétique est complètement imbriqué avec les spires des enroulements primaire et secondaire, c'est-à-dire

donc, étant donné que w 1 = w 2, on trouve :

Remplaçons maintenant une partie du circuit par des éléments à couplage inductif avec un point commun (Fig. 15.37 UN) à un circuit équivalent sans couplage inductif (Fig. 15.37 b).

;

;

Compte tenu de ce qui a été trouvé, le circuit prend la forme illustrée à la Fig. 15.37 V, et le circuit équivalent d'un transformateur idéal est du type illustré sur la figure 15.38.

Si l'on prend maintenant en compte la résistance de fuite active et inductive des deux enroulements, alors pour un transformateur dans lequel w 1 = w 2, nous obtenons le circuit équivalent montré sur la Fig. 15.39.

Écrivons les équations des circuits primaires et secondaires du circuit :

Construisons un diagramme vectoriel du circuit (Fig. 15.40).

Pour mesurer de petits champs magnétiques constants et alternatifs, on utilise des fluxgates qui, dans leur forme la plus simple, sont des tiges constituées d'un matériau magnétique doux et comportant deux enroulements, dont l'un crée un flux magnétique temporaire et l'autre mesure.

Lorsqu'un courant alternatif de forme sinusoïdale traverse l'enroulement d'excitation, l'état magnétique du noyau change le long d'une boucle d'hystérésis dynamique et une onde électronique apparaît dans l'enroulement de mesure. d.s., qui, en plus de la fréquence fondamentale, contiendra des harmoniques impaires plus élevées.

Riz. 21. Diagramme schématique installation balistique : électro-aimant, bobine de mesure, galvanomètre balistique, enroulements primaire et secondaire de la bobine de référence, interrupteurs, clé, système rhéostat, A - ampèremètre

Riz. 22. Conception schématique de la sonde de mesure

Si une telle sonde est placée dans un champ magnétique constant, dirigé de la même manière qu'un champ alternatif le long de l'axe du noyau, alors l'état magnétique du noyau changera déjà dans un cycle privé asymétrique. Ceci s'explique par le fait que dans le sens d'action d'un champ constant, l'inversion de magnétisation du noyau se produira à des valeurs de champ alternatif plus faibles qu'en l'absence de champ constant, et dans le sens opposé, un champ constant Le champ empêchera l’inversion de la magnétisation. Dans ce cas, dans la courbe e. d.s. En plus des harmoniques impaires, des harmoniques paires, principalement des secondes harmoniques, apparaîtront. Il s'avère que la valeur de e. d.s. ce

les harmoniques sont proportionnelles à l’intensité du champ magnétique. Par taille e. d.s., proportionnel à cette harmonique, et mesurer l'intensité du champ.

En figue. La figure 22 montre une conception schématique d'une des sondes de mesure dont le noyau est en permalloy, un matériau magnétique doux. Le noyau est constitué de plaques d'épaisseur 20 à 50. Si le même nombre de tours d'un fil est enroulé des deux côtés du noyau dans des directions opposées, alors les flux magnétiques créés par chaque enroulement seront égaux.

Riz. 23. Conception schématique d'une sonde magnétique de type pont

Riz. 24. Vers le dispositif de sonde de type pont

Les enroulements sont connectés les uns aux autres en série. La bobine de mesure 3 est placée sur le noyau 1. Si un courant alternatif traverse les spires de l'enroulement 2, il ne se produira pas dans la bobine de mesure, car les changements du flux magnétique au fil du temps de chaque enroulement 2 seront égaux et de direction opposée. Lorsque le noyau est placé dans un champ uniforme constant, dirigé perpendiculairement au plan de section transversale des enroulements et de la bobine, une redistribution des flux magnétiques se produira dans l'espace entre les enroulements 2, car le champ constant s'additionnera à une alternance champs, à la suite desquels une force électromotrice apparaîtra dans la bobine de mesure 3. Ce e. d.s. sera proportionnel à l’intensité du champ magnétique. Grâce à une telle sonde, à une fréquence de courant alternatif de 103 Hz, il est possible de mesurer des champs magnétiques de l'ordre de

Il existe actuellement des sondes magnétiques de type pont. L'un de ces ponts est représenté sur la Fig. 23. Le pont est découpé dans une feuille de matériau magnétique doux (Fig. 24). Il est assemblé à partir de plusieurs feuilles dont une moitié est découpée dans le sens de la longueur et l'autre moitié transversalement au laminage. Cela garantit une uniformité magnétique optimale des bras du pont et améliore le contact magnétique des bras. Les segments sont pliés et reliés les uns aux autres de manière à former une deuxième diagonale du pont. Les bobines 1 et 2 sont situées sur les diagonales du pont, et chacune d'entre elles peut être soit de mesure, soit d'excitation. L'enroulement de la bobine d'excitation est alimenté par un réseau industriel ou

fréquence accrue. Le pont magnétique est en équilibre et sans champ magnétique externe constant, aucune émission ne se produit dans la bobine de mesure. d.s. Si le pont est placé dans un champ magnétique externe constant, alors l'équilibre du pont est perturbé, un flux magnétique alternatif apparaîtra dans la diagonale du pont et une émission apparaîtra dans la bobine de mesure. d.s. induction, dont l'ampleur détermine la valeur de l'intensité du champ externe. Valeur maximale e. d.s. se produit dans la bobine de mesure si le champ externe est dirigé parallèlement à deux branches opposées du pont. Pour augmenter la sensibilité, un pont magnétique est parfois réalisé avec des pôles (Fig. 25).

Riz. 25. Conception schématique d'une sonde magnétique à pôles

Considérons un magnétomètre de compensation très sensible pour mesurer l'intensité du champ magnétique jusqu'à , où une sonde magnétiquement saturée est utilisée. Le diagramme schématique du magnétomètre et la section de la sonde magnétiquement saturée sont présentés sur la Fig. 26 et 27.

Le circuit du magnétomètre se compose d'un circuit d'excitation et de signal, d'un circuit de compensation et d'un circuit pour tester la sensibilité de l'appareil.

Le circuit d'excitation et de signal comprend un générateur 4, un doubleur de fréquence 5, un discriminateur de phase 6, un amplificateur résonant 7 et un dispositif indicateur 8. Pour augmenter la sensibilité, le dispositif utilise une méthode de mesure de compensation, dans laquelle le champ mesuré du solénoïde 2 est compensé par un autre champ de grandeur connue et de direction opposée. Ce champ est créé par une bobine conductrice de courant à l'intérieur de laquelle se trouve la sonde 1. La bobine de compensation 3 est utilisée soit sous la forme d'un solénoïde classique, soit sous la forme d'une bobine fermée. Le deuxième type de bobine est utilisé lorsque des matériaux ferromagnétiques se trouvent à proximité du magnétomètre.

La compensation peut également être effectuée à l'aide d'un courant qui traverse l'enroulement de mesure de l'échantillon. Dans ce cas, les dimensions de la tête de mesure sont considérablement réduites, mais l'uniformité du champ de compensation se détériore. Pour alimenter le circuit de compensation, utilisez batteries rechargeables grande capacité. La sonde magnétiquement saturée est constituée de deux noyaux 6 en permalloy de molybdène. Les noyaux sont assemblés à partir de plaques dimensionnées découpées le long du matériau laminé et soumises à un traitement thermique. Sur les noyaux se trouvent un enroulement d'excitation 4 avec 1400 tours de fil de diamètre et un enroulement de mesure 3 avec 400 tours de fil

Une tension de 25 V Hz est fournie à l'enroulement d'excitation. Le courant d'excitation est de 0,3 A. Dans ces conditions, l'installation présente la plus grande sensibilité. Avant de commencer les mesures, la sonde est ajustée en déplaçant le noyau dans les bobines de Helmholtz. Le signal reçu sur l'enroulement de mesure est amplifié par un amplificateur résonant accordé puis transmis à un discriminateur de phase. La déviation du pointeur du dispositif zéro de 2 à 3 divisions correspond à l'intensité du champ magnétique. Le magnétomètre décrit est stable en fonctionnement et son mode est pratiquement indépendant des changements des conditions extérieures (température, vibrations mécaniques, etc.).

Riz. 26. Schéma de principe d'un magnétomètre avec sonde magnétique : 1 - sonde, 2 - solénoïde, 3 - bobine de compensation, 4 - générateur, 5 - doubleur de fréquence, 6 - discriminateur de phase, 7 - amplificateur résistif, 8 - dispositif indicateur, compensation circuit, circuit pour vérifier la sensibilité de l'appareil

L'ouvrage fournit un calcul des conditions de fonctionnement optimales d'une sonde composée de deux noyaux en permalloy de dimensions 0,18X1,75X100. L'enroulement d'excitation est enroulé à partir d'un fil d'une longueur de 350 tours. L'enroulement de mesure est constitué de 1500 tours de fil. à la sortie de l'installation, un voltmètre est allumé, qui enregistre uniquement la valeur jour de congé e. d.s. deuxième harmonique. Pour calculer la valeur efficace de l'amplitude de cette harmonique, utilisez la formule suivante :

où est le champ magnétique externe mesuré, la sensibilité de la sonde au champ externe dans la deuxième harmonique. La dernière valeur est déterminée par la formule

où le nombre de tours de l'enroulement de mesure, la section transversale des noyaux, est la fréquence du courant alternatif alimentant les enroulements d'excitation, un coefficient qui prend en compte la dissipation du flux est une certaine constante, en fonction du champ magnétique propriétés du matériau et du facteur démagnétisant.

La sensibilité est déterminée à la valeur optimale du courant de polarisation, dont l'intensité est calculée à l'aide de la formule

où est le nombre de tours dans le bobinage inducteur.

La sonde décrite a une sensibilité élevée si une carotte longue est utilisée.

Grabovsky et Skorobogatov ont utilisé un fluxgate en permalloy pour mesurer la force coercitive. Leur installation consistait en deux bobines magnétisantes complètement identiques, entre lesquelles se trouvait un fluxgate de longueur, largeur et épaisseur. Un courant passait à travers les bobines dans une direction telle que dans le Dans l'espace occupé par le fluxgate, les champs magnétiques des bobines se compensaient mutuellement. Pour mesurer la force coercitive, un échantillon magnétisé a été placé dans l'une des bobines et le champ magnétique de l'échantillon a provoqué une déviation de l'aiguille de l'appareil, qui était incluse dans l'enroulement indicateur situé sur la vanne de flux. En faisant passer un courant continu à travers les bobines magnétisantes, l’échantillon a été progressivement démagnétisé. Au moment où l'aiguille du dispositif indicateur revenait à la position zéro, l'intensité du courant dans les bobines était mesurée et la valeur de la force coercitive était calculée à l'aide de la formule où est la constante de la bobine.

Riz. 27. (voir scan) Section d'une sonde magnétique : 1 - pétales porteurs de courant, 2 - corps, 3 - enroulement de mesure, 4 - enroulement d'excitation, 5 - cadre, 6 - noyau, 7 - joint isolant

À l'aide du coercimètre décrit, vous pouvez mesurer rapidement avec une précision de 2 à 3 %.

Dans le coercimètre Janus, le fluxgate a la forme d'un cadre, sur les côtés duquel se trouvent deux enroulements : d'excitation et de mesure. L'échantillon d'essai est placé dans le solénoïde de manière à ce que ses extrémités dépassent du solénoïde. Ils sont adjacents à un joug en fer dont la partie médiane est fermée par le noyau du fluxgate.

Drozhzhina et Friedman ont proposé un fluxgate

magnétomètre pour étudier les propriétés magnétiques des matériaux magnétiques doux. Dans leur magnétomètre, le système astatique mobile a été remplacé par des fluxgates, ce qui a permis d'éliminer les fluctuations nulles. Le fluxgate est constitué de deux noyaux en permalloy. Les enroulements de champ sont connectés en série de sorte que les flux magnétiques des noyaux soient mutuellement fermés. Les enroulements de mesure du fluxgate sont connectés de manière différentielle et, sans champ constant externe, la somme des valeurs induites, par ex. d.s. dans ces enroulements est nul. En présence d'un champ magnétique constant en e. d.s. même des harmoniques apparaissent, dont l'ampleur détermine ce champ.

Un magnétomètre à fluxgate est constitué de deux solénoïdes identiques situés horizontalement l'un en dessous de l'autre, dans l'un desquels est placé l'échantillon étudié. Le fluxgate différentiel est situé entre ces solénoïdes. Les champs magnétiques des solénoïdes sans échantillon se compensent mutuellement dans le volume où se trouve le fluxgate.

Pour des mesures de haute qualité, il est préférable d'utiliser un magnétomètre astatique à fluxgate. Dans ce mode de réalisation, un fluxgate est situé entre les solénoïdes et l'autre est à distance du premier dans un plan horizontal parallèle. Les enroulements de ces fluxgates sont connectés en série les uns vers les autres.

À l'aide d'un magnétomètre à fluxgate, vous pouvez déterminer la courbe de magnétisation, la boucle d'hystérésis et la force coercitive des matériaux magnétiques doux. La courbe de magnétisation et la boucle d'hystérésis sont mesurées à l'aide de la méthode de compensation. A cet effet, un courant traverse l'enroulement de compensation dont le champ magnétique compense le champ de l'échantillon magnétisé dans la zone où se trouve la sonde. Pour mesurer la force coercitive, vous devez magnétiser l'échantillon, puis, en augmentant le champ démagnétisant, réduire les lectures du dispositif indicateur à zéro. Schéma simple et le processus de mesure rapide sont l'un des avantages d'un magnétomètre à fluxgate par rapport aux autres magnétomètres, qui seront décrits au chapitre V. Récemment, certains types de sondes magnétiques ont commencé à être utilisés pour étudier le champ magnétique dans les accélérateurs et les spectromètres. Une description des sondes est également disponible dans les ouvrages.

Dans les magnétomètres de ce type, l'élément magnétiquement sensible est une vanne de flux, composée de deux tiges fines et longues en permalloy (un alliage fer-nickel - un ferromagnétique magnétique doux), sur lesquelles l'enroulement primaire (excitant) est enroulé dans le direction opposée. De plus, les deux noyaux, ainsi que l'enroulement primaire, sont recouverts par un enroulement secondaire (de mesure) (Fig. 3.15 a). Les ferromagnétiques magnétiques doux se caractérisent par le fait que leur boucle d'hystérésis est si étroite qu'elle peut être considérée comme une seule courbe (Fig. 3.15 b).

Riz. 3.15. Principe de fonctionnement d'un magnétomètre à fluxgate

type de deuxième harmonique.

Le principe de fonctionnement du fluxgate est le suivant. En utilisant source externe Un courant de fréquence w (le plus souvent 400 Hz) traverse l'enroulement primaire (excitant). S'il n'y a pas de champ magnétique externe, alors l'aimantation initiale des noyaux est nulle. Lorsqu'un courant de fréquence w passe dans chaque demi-cycle, les impulsions d'induction dans les noyaux sont dirigées dans la direction opposée et se compensent (Fig. 3.15 b). Par conséquent, l'induction totale dans l'espace le plus proche des noyaux à chaque instant est nulle et le signal n'est pas induit dans l'enroulement de mesure, c'est-à-dire est également nul.

Lorsqu'un champ extérieur T apparaît (qu'il faut mesurer) dans chaque demi-cycle, ce champ coïncide avec l'induction de l'un des noyaux, et l'induction de l'autre noyau est dirigée en sens inverse, ce qui équivaut à un décalage dans l'induction des noyaux. L'induction totale (totale B S) dans l'espace à proximité des noyaux, s'additionnant, forme un flux magnétique alternatif, changeant avec une fréquence de 2w (Fig. 3.15. b). Ce flux induit un signal électrique dans l'enroulement de mesure avec une fréquence de 2w et une amplitude proportionnelle au "décalage" de l'induction dans les enroulements - le champ magnétisant externe T.

Pour mesurer ce champ, il suffit de sélectionner un signal d'une fréquence de 2w (800 Hz) à l'aide d'un filtre (F), de l'amplifier avec un amplificateur (U), de déterminer le signe du champ (phase) avec un phase- détecteur sensible (PSD) et mesurer son amplitude avec un compteur (I). Dans ce cas, l'appareil mesurant l'amplitude du signal peut être calibré en unités d'intensité de champ magnétique ou d'induction. Un tel fluxgate est appelé « fluxgate de type seconde harmonique ».

Une caractéristique utile d'un tel fluxgate pour les levés magnétiques est qu'il peut mesurer la composante de l'intensité du champ magnétique dirigée le long de l'axe de la sonde. Autrement dit, si le champ T est dirigé perpendiculairement aux noyaux, il n'y aura pas de « décalage » de l'induction dans les enroulements et il n'y aura pas de signal dans l'enroulement secondaire.

Cette particularité permet d'effectuer des mesures dites de composantes (c'est-à-dire des mesures de trois composantes le long des axes) de l'induction du champ magnétique, ce qui est l'un des avantages du procédé. L'inconvénient de la méthode est la présence d'un décalage zéro de l'appareil, qui, même avec un seuil de sensibilité élevé de l'appareil de 1 nT, ne permet pas des mesures avec une grande précision.

Le fluxgate a également d'autres noms : sonde de saturation magnétique, capteur de modulation magnétique (MMD). Dans la littérature étrangère, cela s'appelle flux - date (flux gate) - flux passant.

Magnétomètre conçu pour mesurer l’induction du champ magnétique. Le magnétomètre utilise un champ magnétique de référence, qui permet, grâce à certains effets physiques, convertir le champ magnétique mesuré en un signal électrique.
L'utilisation appliquée des magnétomètres pour détecter des objets massifs constitués de matériaux ferromagnétiques (le plus souvent en acier) est basée sur la distorsion locale du champ magnétique terrestre par ces objets. L'avantage d'utiliser des magnétomètres par rapport aux détecteurs de métaux traditionnels est que plage de détection plus longue.

Magnétomètres Fluxgate (vecteur)

Un type de magnétomètre est . Le fluxgate a été inventé par Friedrich Förster ( )

En 1937 et sert à déterminer vecteur d'induction de champ magnétique.

Conception du fluxgate

fluxgate à tige unique

Le fluxgate le plus simple est constitué d'une tige en permalloy sur laquelle est placée une bobine d'excitation (( bobine d'entraînement), alimenté en courant alternatif, et une bobine de mesure ( bobine de détection).

Permalloy- un alliage aux propriétés magnétiques douces, composé de fer et de 45 à 82 % de nickel. Le permalloy a une perméabilité magnétique élevée (perméabilité magnétique relative maximale ~ 100 000) et une faible coercivité. Une marque populaire de permalloy pour la fabrication de fluxgates est le 80НХС - 80% nickel + chrome et silicium avec une induction de saturation de 0,65-0,75 T, utilisé pour les noyaux de transformateurs de petite taille, de selfs et de relais fonctionnant dans des champs faibles d'écrans magnétiques, pour noyaux de transformateurs d'impulsions, amplificateurs magnétiques et relais sans contact, pour noyaux de tête magnétique.
La dépendance de la perméabilité magnétique relative à l'intensité du champ pour certaines variétés de permalloy a la forme -

Si un champ magnétique constant est appliqué au noyau, une tension apparaît dans la bobine de mesure même harmoniques dont l'amplitude sert de mesure de la force d'un champ magnétique constant. Cette tension est filtrée et mesurée.

fluxgate à double tige

Un exemple est l'appareil décrit dans le livre Karalisa V.N. "Circuits électroniques dans l'industrie" -



L'appareil est conçu pour mesurer des champs magnétiques constants dans la plage de 0,001 à 0,5 oersted.
Enroulement du champ du capteur L1 Et L3 compteur inclus. Mesure de l'enroulement L2 enroulé sur les enroulements de champ. Les enroulements d'excitation sont alimentés par une fréquence de courant de 2 kHz provenant d'un générateur push-pull avec un inductif retour. Le mode générateur est stabilisé par CC diviseur de résistance R8 Et R9.

fluxgate à noyau toroïdal
L'une des options de conception les plus populaires pour un magnétomètre à fluxgate est une fluxgate avec un noyau toroïdal ( fluxgate à noyau annulaire) -

Par rapport aux fluxgates à tige, cette conception a moins de bruit et nécessite la création force magnétomotrice beaucoup plus faible.

Ce capteur est enroulement d'excitation, enroulé sur un noyau toroïdal, parcouru par un courant alternatif d'amplitude suffisante pour amener le noyau en saturation, et mesure de l'enroulement, dont la tension alternative est supprimée, qui est analysée pour mesurer le champ magnétique externe.
L'enroulement de mesure est enroulé sur le noyau toroïdal, le recouvrant entièrement (par exemple, sur un cadre spécial) -


Cette conception est similaire à la conception originale du fluxgate (un condensateur est ajouté pour obtenir une résonance à la deuxième harmonique) -

Applications des magnétomètres à protons
Les magnétomètres à protons sont largement utilisés dans la recherche archéologique.
Le magnétomètre à protons est mentionné dans le roman de science-fiction "Trapped in Time" de Michael Crichton. Chronologie") -
Il désigna ses pieds. Trois lourds boîtiers jaunes étaient fixés aux montants avant de l'hélicoptère. "À l'heure actuelle, nous proposons des cartographes stéréo de terrain, des radars infrarouges, UV et à balayage latéral." Kramer montra la lunette arrière, vers un tube argenté de six pieds de long qui pendait sous l'hélicoptère à l'arrière. "Et qu'est-ce que c'est ?" "Magnétomètre à protons." "Euh-huh. Et ça fait quoi ?" "Recherche des anomalies magnétiques dans le sol en dessous de nous qui pourraient indiquer des murs enterrés, de la céramique ou du métal."

Magnétomètres au césium

Un type de magnétomètres quantiques sont les magnétomètres atomiques en métaux alcalins avec pompage optique.

magnétomètre à césium G-858

Magnétomètres Overhauser

Magnétomètres à semi-conducteurs

Les plus accessibles sont les magnétomètres intégrés aux smartphones. Pour Android bonne application utiliser un magnétomètre est . La page de cette application est http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Mise en place de magnétomètres

Pour tester le fluxgate, vous pouvez utiliser. Les bobines de Helmholtz sont utilisées pour produire un champ magnétique presque uniforme. Idéalement, ils représentent deux spires annulaires identiques reliées entre elles en série et situées à une distance d'un rayon de spire l'une de l'autre. Généralement, les bobines de Helmholtz sont constituées de deux bobines sur lesquelles sont enroulés un certain nombre de tours, et l'épaisseur de la bobine doit être bien inférieure à leur rayon. Dans les systèmes réels, l'épaisseur des bobines peut être comparable à leur rayon. Ainsi, on peut considérer un système d'anneaux de Helmholtz comme étant deux bobines identiques situées coaxialement, dont la distance entre les centres est approximativement égale à leur rayon moyen. Ce système de bobine est également appelé solénoïde divisé ( solénoïde divisé).

Au centre du système se trouve une zone de champ magnétique uniforme (champ magnétique au centre du système dans un volume de 1/3 du rayon des anneaux homogène à 1% près), qui peut être utilisé à des fins de mesure, pour calibrer des capteurs à induction magnétique, etc.

L'induction magnétique au centre du système est définie comme $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\right) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
où $N$ est le nombre de tours dans chaque bobine, $I$ est le courant traversant les bobines, $R$ est le rayon moyen de la bobine.

Les bobines de Helmholtz peuvent également être utilisées pour protéger le champ magnétique terrestre. Pour ce faire, il est préférable d'utiliser trois paires d'anneaux mutuellement perpendiculaires, leur orientation n'a alors pas d'importance.

Récemment, il n'y a eu aucun changement significatif dans les principes de mesure du champ magnétique. Dans le domaine des levés magnétiques, des méthodes basées sur le phénomène de résonance magnétique, l'orientation optique des atomes, etc. ont été établies. Des installations de flux-gate sont utilisées pour déterminer les propriétés magnétiques des roches et des observations dans des puits, ainsi que des magnétomètres astatiques et des roches. des générateurs sont utilisés pour mesurer la magnétisation rémanente. Arrêtons-nous plus en détail sur un appareil tel qu'un magnétomètre.

Magnétomètre- un appareil de mesure des caractéristiques d'un champ magnétique et des propriétés magnétiques des substances (matériaux magnétiques). Selon la valeur déterminée, on distingue les instruments pour mesurer : l'intensité du champ (oerstedmètres), la direction du champ (inclinateurs et déclinateurs), le gradient de champ (gradientomètres), l'induction magnétique (teslamètres), le flux magnétique (webermètres ou fluxmètres), la force coercitive. (coercimètres), perméabilité magnétique (mu-mètres), susceptibilité magnétique (kappa-mètres), moment magnétique.

Dans un sens plus étroit, les magnétomètres sont des instruments permettant de mesurer la force, la direction et le gradient d'un champ magnétique.

Le paramètre le plus important d'un magnétomètre est sa sensibilité. Dans le même temps, il est presque impossible de formaliser ce paramètre et de le rendre uniforme pour tous les magnétomètres, et pas seulement parce que les magnétomètres diffèrent par le principe de fonctionnement, mais également par la conception des convertisseurs et la fonction de traitement du signal. Pour les magnétomètres, la sensibilité est généralement indiquée par l'ampleur de l'induction magnétique du champ que l'appareil est capable d'enregistrer. Généralement, la sensibilité est mesurée en nanotesla (nT) 1nT = (1E-9) T.

Le champ terrestre est d'environ 35 000 nT (35 µT). Il s'agit d'une valeur moyenne - dans différentes parties du globe, elle varie entre 35 000 nT (35 µT) et 60 000 nT (60 µT). Ainsi, la tâche de la recherche d’objets ferromagnétiques est de détecter, dans le contexte du champ naturel terrestre, une augmentation du champ provoquée par les distorsions des objets ferromagnétiques.

Il existe plusieurs principes physiques et types d'instruments magnétométriques basés sur ceux-ci qui permettent d'enregistrer des changements minimes dans le champ magnétique terrestre ou des distorsions introduites par des objets ferromagnétiques. Les magnétomètres modernes ont une sensibilité de 0,01nT à 1nT, selon le principe de fonctionnement et la classe de problèmes à résoudre.

Il existe des magnétomètres pour mesurer les valeurs absolues des caractéristiques du champ et les changements relatifs du champ dans l'espace ou dans le temps. Ces derniers sont appelés variomètres magnétiques. Les magnétomètres sont également classés selon les conditions de fonctionnement et enfin selon les phénomènes physiques qui sous-tendent leur fonctionnement.

Il existe plusieurs types de magnétomètres basés sur différents principes de fonctionnement, tels que : fluxgate, magnétoinductif, effet Hall, magnétorésistif, quantique (Proton).

Arrêtons-nous en détail sur les convertisseurs de champ magnétique à fluxgate, examinons leur principe de fonctionnement, leur conception et leur technologie de mesure.

La découverte des propriétés de haute perméabilité magnétique dans les alliages fer-nickel - permalloys a conduit à la création de magnétomètres à fluxgate ou à détection de flux, dont le fonctionnement est basé sur l'effet de la réaction de la perméabilité magnétique des noyaux de permalloy au action du champ magnétique constant de la Terre lorsqu'il est alimenté par un courant alternatif.

Le transducteur de champ magnétique fluxgate, ou fluxgate, est conçu pour mesurer et indiquer des champs magnétiques constants et à évolution lente ainsi que leurs gradients. L'action d'un fluxgate repose sur un changement de l'état magnétique d'un ferromagnétique sous l'influence de deux champs magnétiques de fréquences différentes. En fonction de l'amplitude de la tension appliquée, le fluxgate peut fonctionner selon les principes du type crête et de la seconde harmonique. Les appareils fonctionnant selon le principe de la seconde harmonique sont de plus en plus utilisés(3).

Les sondes ferromagnétiques se caractérisent par :

Haute sensibilité - le changement minimum de l'élément de champ mesuré que l'appareil est capable d'enregistrer lorsque la composante de puissance change ; la sensibilité des meilleurs appareils est de 1 nT, pour une valeur angulaire - 01 sec ;

Possibilité d'étalonnage précis (0,1 %) ;

Faible coefficient de température, inférieur à 0,01 nT/deg. Celsius dans la plage de température de -20 à +50 degrés. Celsius;

Faible niveau de bruit propre ;

De petite taille (10-20 cm) et de poids (1-2 kg avec une unité de mesure) ;

Faible consommation d'énergie (2).

En figue. La figure 1 montre schématiquement quelques options de conception pour les fluxgates.

Riz. 1

Dans sa version la plus simple, un fluxgate se compose d'un noyau ferromagnétique et de deux bobines situées dessus : une bobine d'excitation alimentée en courant alternatif et une bobine de mesure (signal). Le noyau du fluxgate est constitué de matériaux à haute perméabilité magnétique. Une tension alternative d'une fréquence de 1 à 300 kHz est fournie à la bobine d'excitation à partir d'un générateur spécial (en fonction du niveau des paramètres et de la fonction de l'appareil). En l'absence de champ magnétique mesuré, le noyau, sous l'influence d'un champ magnétique alternatif H créé par le courant dans la bobine d'excitation, est remagnétisé selon un cycle symétrique. Une modification du champ magnétique provoquée par l'inversion de la magnétisation du noyau le long d'une courbe symétrique induit une force électromotrice dans la bobine de signal qui varie selon une loi harmonique. Si en même temps un champ magnétique Ho constant ou à variation lente mesuré agit sur le noyau, alors la courbe d'inversion de magnétisation change de taille et de forme et devient asymétrique. Dans ce cas, l'amplitude et la composition harmonique de la FEM dans la bobine de signal changent. En particulier, même des composantes harmoniques de la FEM apparaissent, dont l'ampleur est proportionnelle à l'intensité du champ mesuré et qui sont absentes lors d'un cycle d'inversion de magnétisation symétrique.

Les Fluxgates sont divisés en :

tige monoélément (a)

différentiel à noyau ouvert (b)

différentiel à noyau fermé (anneau) (c).

En règle générale, un fluxgate différentiel (Fig. b, c) se compose de deux noyaux avec des enroulements connectés de telle manière que les composantes harmoniques impaires sont pratiquement compensées. Cela simplifie l'équipement de mesure et augmente la sensibilité du fluxgate. Les sondes Fluxgate se caractérisent par une très haute sensibilité aux champs magnétiques. Ils sont capables d'enregistrer des champs magnétiques avec des intensités allant jusqu'à 10-4-10-5 A/m (~10-10-10-11 T).

Les conceptions modernes de fluxgate sont compactes. Le volume du fluxgate dont sont équipés les magnétomètres domestiques G73 est inférieur à 1 cm 3, et le fluxgate à trois composants du magnétomètre G74 s'insère dans un cube de 15 mm de côté

A titre d'exemple sur la Fig. La figure 2 montre la conception et les dimensions d'une tige de fluxgate miniature.

Riz. 2

La conception du fluxgate est assez simple et ne nécessite pas explications spéciales. Son noyau est en permalloy. Il présente une section variable sur sa longueur, diminuant d'environ 10 fois dans la partie centrale du noyau, sur laquelle sont enroulés l'enroulement de mesure et l'enroulement d'excitation. Cette conception offre, avec une longueur relativement courte (30 mm), une perméabilité magnétique élevée (1,5x105) et une faible valeur du champ de saturation dans la partie centrale du noyau, ce qui conduit à une augmentation de la sensibilité de phase et de temps de le fluxgate. De ce fait, la forme des impulsions de sortie dans l'enroulement de mesure de la porte de flux est améliorée, ce qui permet de réduire les erreurs dans le circuit de génération de signaux d'impulsions temporelles. La plage de mesure des convertisseurs fluxgate de conception standard est de ±50… ±100 A/m (±0,06… ±0,126 mT). La densité de bruit magnétique dans la bande de fréquence jusqu'à 0,1 Hz pour les fluxgates avec noyaux de tiges est de 30 à 40 μA. / m (m x Hz1/2) en fonction du champ d'excitation, décroissant à mesure que ce dernier augmente. Dans la bande de fréquences jusqu'à 0,5 Hz, la densité de bruit est 3 à 3,5 fois plus élevée. Une étude expérimentale des fluxgates en anneau a révélé que leur niveau de bruit est d'un ordre de grandeur inférieur à celui des fluxgates à tiges(3).