Cerca tesori e tesori: magnetometri: informazioni di base. Magnetometri fluxgate Magnetometro con nucleo ferromagnetico e tre avvolgimenti

Costruiamo un diagramma vettoriale di un trasformatore ideale a vuoto (Fig. 15.34).

Forza magnetizzante al minimo

Disegniamo ora un circuito equivalente per un trasformatore ideale sotto il suo carico (Fig. 15.35).

Se un carico con resistenza è collegato ai terminali dell'avvolgimento secondario Z N, allora la corrente lo attraverserà , che, a sua volta, tenderà a ridurre il flusso magnetico , e questo porterà ad una diminuzione della fem. , per cui la corrente crescerà a un valore tale al quale il flusso magnetico acquisterà il suo valore originale e l'equazione (15.35) sarà soddisfatta.

Pertanto, la comparsa di corrente nel circuito secondario porta ad un aumento della corrente nel circuito primario. In un trasformatore caricato, il flusso magnetico nel nucleo è uguale al flusso magnetico a vuoto, cioè Sempre F= cost. Flusso magnetico sotto carico viene creato sotto l'influenza delle forze magnetizzanti degli avvolgimenti primari e secondari:

Costruiamo un diagramma vettoriale di un trasformatore ideale sotto carico (Fig. 15.36).

Trasformiamo il circuito equivalente di un trasformatore ideale, per il quale elimineremo l'accoppiamento induttivo. Se si collegano tra loro gli stessi terminali degli avvolgimenti del trasformatore, la modalità operativa del trasformatore non cambierà.

Consideriamo innanzitutto gli elementi accoppiati induttivamente che ora hanno un punto comune. Il coefficiente di accoppiamento di due elementi in questo caso uguale a uno, poiché l'intero flusso magnetico è completamente interbloccato con le spire degli avvolgimenti primario e secondario, cioè

quindi, dato ciò w 1 = w 2, troviamo:

Sostituiamo ora parte del circuito con elementi accoppiati induttivamente con un punto comune (Fig. 15.37 UN) a un circuito equivalente senza accoppiamento induttivo (Fig. 15.37 B).

;

;

Tenendo conto di quanto riscontrato, il circuito assume la forma mostrata in Fig. 15.37 V, e il circuito equivalente di un trasformatore ideale è del tipo mostrato in Fig. 15.38.

Se ora prendiamo in considerazione la resistenza di dispersione attiva e induttiva di entrambi gli avvolgimenti, allora per un trasformatore in cui w 1 = w 2, otteniamo il circuito equivalente mostrato in Fig. 15.39.

Scriviamo le equazioni dei circuiti primario e secondario del circuito:

Costruiamo un diagramma vettoriale del circuito (Fig. 15.40).

Per misurare piccoli campi magnetici costanti e alternati, vengono utilizzati i fluxgate, che nella loro forma più semplice sono aste realizzate in materiale magnetico morbido e dotate di due avvolgimenti, uno dei quali crea un flusso magnetico temporaneo e l'altro misura.

Quando una corrente alternata di forma sinusoidale passa attraverso l'avvolgimento di eccitazione, lo stato magnetico del nucleo cambia lungo un ciclo di isteresi dinamico e appare ad esempio nell'avvolgimento di misura. d.s., che, oltre alla frequenza fondamentale, conterrà armoniche dispari più alte.

Riso. 21. Diagramma schematico installazione balistica: elettromagnete, bobina di misura, galvanometro balistico, avvolgimenti primari e secondari della bobina di riferimento, interruttori, chiave, sistema reostato, A - amperometro

Riso. 22. Progettazione schematica della sonda di misurazione

Se tale sonda viene posizionata in un campo magnetico costante, diretto allo stesso modo del campo alternato lungo l'asse del nucleo, lo stato magnetico del nucleo cambierà già in un ciclo privato asimmetrico. Ciò è spiegato dal fatto che nella direzione di azione di un campo costante, l'inversione della magnetizzazione del nucleo avverrà a valori inferiori del campo alternato rispetto all'assenza di un campo costante e, nella direzione opposta, a un campo costante campo impedirà l'inversione della magnetizzazione. In questo caso, nella curva e. d.s. Insieme agli armonici dispari appariranno anche quelli pari, principalmente la seconda armonica. Si scopre che il valore di e. d.s. Questo

le armoniche sono proporzionali all’intensità del campo magnetico. Per dimensione e. d.s., proporzionale a questa armonica, e misurare l'intensità del campo.

Nella fig. 22 mostra una struttura schematica di una delle sonde di misurazione, il cui nucleo è realizzato in materiale magnetico morbido permalloy. Il nucleo è costituito da 20-50 piastre di spessore.Se lo stesso numero di spire di un filo viene avvolto su entrambi i lati del nucleo in direzioni opposte, i flussi magnetici creati da ciascun avvolgimento saranno uguali.

Riso. 23. Progetto schematico di una sonda magnetica a ponte

Riso. 24. Al dispositivo sonda a ponte

Gli avvolgimenti sono collegati tra loro in serie. La bobina di misura 3 è posizionata sul nucleo 1. Se la corrente alternata viene fatta passare attraverso le spire dell'avvolgimento 2, allora non si verificherà nella bobina di misura, poiché le variazioni del flusso magnetico nel tempo da ciascun avvolgimento 2 saranno uguali e opposte nella direzione. Quando il nucleo è posto in un campo costante e uniforme, che è diretto perpendicolarmente al piano della sezione trasversale degli avvolgimenti e della bobina, si verificherà una ridistribuzione dei flussi magnetici nello spazio tra gli avvolgimenti 2, poiché il campo costante si sommerà ad alternanza campi, a seguito dei quali si formerà una forza elettromotrice nella bobina di misurazione 3. Questo e. d.s. sarà proporzionale all'intensità del campo magnetico. Utilizzando tale sonda, ad una frequenza di corrente alternata di 103 Hz, è possibile misurare campi magnetici dell'ordine di

Attualmente esistono sonde magnetiche del tipo a ponte. Uno di questi ponti è mostrato in Fig. 23. Il ponte è ritagliato da un foglio di materiale magnetico morbido (Fig. 24). È assemblato da più fogli, di cui una metà tagliata longitudinalmente e l'altra metà trasversalmente alla laminazione. Ciò garantisce un'uniformità magnetica ottimale dei bracci del ponte e migliora il contatto magnetico dei bracci. I segmenti vengono piegati e collegati tra loro in modo da formare una seconda diagonale del ponte. Le bobine 1 e 2 si trovano sulle diagonali del ponte e ognuna di esse può essere di misurazione o eccitante. L'avvolgimento della bobina di eccitazione è alimentato da un motore industriale o

maggiore frequenza. Il ponte magnetico è in equilibrio e senza un campo magnetico esterno costante non si verificano emissioni nella bobina di misura. d.s. Se il ponte è posto in un campo magnetico esterno costante, l'equilibrio del ponte sarà disturbato, nella diagonale del ponte apparirà un flusso magnetico alternato e nella bobina di misura apparirà un'emissione. d.s. induzione, la cui entità determina il valore dell'intensità del campo esterno. Valore massimo e. d.s. si verifica nella bobina di misura se il campo esterno è diretto parallelamente a due rami opposti del ponte. Per aumentare la sensibilità, talvolta viene realizzato un ponte magnetico con poli (Fig. 25).

Riso. 25. Progetto schematico di una sonda magnetica con poli

Consideriamo un magnetometro di compensazione altamente sensibile per misurare l'intensità del campo magnetico fino a , dove viene utilizzata una sonda magneticamente saturata. Lo schema del magnetometro e la sezione della sonda magneticamente saturata sono mostrati in Fig. 26 e 27.

Il circuito del magnetometro è costituito da un circuito di eccitazione e segnale, un circuito di compensazione e un circuito per testare la sensibilità del dispositivo

Il circuito di eccitazione e segnale comprende un generatore 4, un duplicatore di frequenza 5, un discriminatore di fase 6, un amplificatore risonante 7 e un dispositivo indicatore 8. Per aumentare la sensibilità, il dispositivo utilizza un metodo di misurazione di compensazione, in cui il campo misurato del solenoide 2 è compensato da un altro campo di grandezza nota e direzione opposta. Questo campo viene creato da una bobina trasportata da corrente all'interno della quale si trova la sonda 1. La bobina di compensazione 3 viene utilizzata sotto forma di un magnete convenzionale o sotto forma di una bobina chiusa. Il secondo tipo di bobina viene utilizzata quando si trovano materiali ferromagnetici vicino al magnetometro.

La compensazione può essere effettuata anche utilizzando una corrente che passa attraverso l'avvolgimento di misura del campione. In questo caso le dimensioni della testa di misura sono notevolmente ridotte, ma l'uniformità del campo di compensazione peggiora. Per alimentare il circuito di compensazione, utilizzare batterie ricaricabili grande capacità. La sonda magneticamente saturata è costituita da due nuclei 6 realizzati in permalloy di molibdeno. Le anime vengono assemblate da lamiere su misura che vengono tagliate lungo il laminato e sottoposte a trattamento termico. Sui nuclei è presente un avvolgimento di eccitazione 4 con 1400 spire di filo di diametro e un avvolgimento di misura 3 con 400 spire di filo

All'avvolgimento di eccitazione viene fornita una tensione di 25 V Hz. La corrente di eccitazione è 0,3 A. In queste condizioni, l'installazione ha la massima sensibilità. Prima di iniziare le misurazioni, la sonda viene regolata spostando il nucleo nelle bobine di Helmholtz. Il segnale ricevuto sull'avvolgimento di misura viene amplificato da un amplificatore risonante sintonizzato e quindi inviato ad un discriminatore di fase. La deviazione dell'indice del dispositivo zero di 2-3 divisioni corrisponde all'intensità del campo magnetico.Il magnetometro descritto è stabile nel funzionamento e la sua modalità è praticamente indipendente dai cambiamenti delle condizioni esterne (temperatura, vibrazioni meccaniche, ecc.).

Riso. 26. Schema schematico di un magnetometro con sonda magnetica: 1 - sonda, 2 - solenoide, 3 - bobina di compensazione, 4 - generatore, 5 - duplicatore di frequenza, 6 - discriminatore di fase, 7 - amplificatore resistivo, 8 - dispositivo indicatore, compensazione circuito, circuito per verificare la sensibilità del dispositivo

Il lavoro fornisce un calcolo delle condizioni operative ottimali di una sonda costituita da due nuclei di permalloy con dimensioni 0,18X1,75X100. L'avvolgimento di eccitazione è avvolto da un filo con una lunghezza di 350 giri. L'avvolgimento di misura è costituito da 1500 giri di filo. A all'uscita dell'impianto si accende un voltmetro che registra solo il valore del giorno libero e. d.s. seconda armonica. Per calcolare il valore effettivo dell'ampiezza di questa armonica, utilizzare la seguente formula:

dove è il campo magnetico esterno misurato, la sensibilità della sonda al campo esterno nella seconda armonica. L'ultimo valore è determinato dalla formula

dove il numero di spire dell'avvolgimento di misura, l'area della sezione trasversale dei nuclei, è la frequenza della corrente alternata che fornisce gli avvolgimenti di eccitazione, un coefficiente che tiene conto della dissipazione del flusso è una certa costante, a seconda del campo magnetico proprietà del materiale e fattore di smagnetizzazione.

La sensibilità è determinata dal valore ottimale della corrente di polarizzazione, la cui intensità viene calcolata utilizzando la formula

dove è il numero di spire dell'avvolgimento di campo.

La sonda descritta ha un'elevata sensibilità se viene utilizzato un nucleo lungo.

Per misurare la forza coercitiva Grabovsky e Skorobogatov utilizzarono un fluxgate in permalloy. La loro installazione consisteva in due bobine magnetizzanti completamente identiche, tra le quali si trovava un fluxgate di lunghezza, larghezza e spessore. Attraverso le bobine veniva fatta passare una corrente in una direzione tale che nel Nello spazio occupato dal fluxgate, i campi magnetici delle bobine erano reciprocamente compensati. Per misurare la forza coercitiva, un campione magnetizzato è stato posizionato in una delle bobine e il campo magnetico del campione ha causato una deflessione dell'ago del dispositivo, che era incluso nell'avvolgimento indicatore situato sul fluxgate. Facendo passare una corrente continua attraverso le bobine magnetizzanti, il campione veniva gradualmente smagnetizzato. Nel momento in cui l'ago del dispositivo indicatore è tornato nella posizione zero, è stata misurata la corrente nelle bobine e il valore della forza coercitiva è stato calcolato utilizzando la formula dove è la costante della bobina.

Riso. 27. (vedi scansione) Sezione di una sonda magnetica: 1 - petali percorsi da corrente, 2 - corpo, 3 - avvolgimento di misura, 4 - avvolgimento di eccitazione, 5 - telaio, 6 - nucleo, 7 - guarnizione isolante

Utilizzando il coercimetro descritto, puoi misurare rapidamente con una precisione del 2-3%.

Nel coercimetro Janus, il fluxgate ha la forma di un telaio, ai lati del quale si trovano due avvolgimenti: eccitazione e misurazione. Il campione di prova viene posizionato nel solenoide in modo che le sue estremità sporgano dal solenoide. Sono adiacenti ad un giogo di ferro, la cui parte centrale è chiusa dal nucleo fluxgate.

Drozhzhina e Friedman hanno proposto un fluxgate

magnetometro per lo studio delle proprietà magnetiche dei materiali magnetici dolci. Nel loro magnetometro, il sistema astatico mobile è stato sostituito da fluxgate, che hanno permesso di eliminare fluttuazioni pari a zero. Il fluxgate è costituito da due nuclei in permalloy, gli avvolgimenti di campo sono collegati in serie in modo che i flussi magnetici dei nuclei siano reciprocamente chiusi. Gli avvolgimenti di misura del fluxgate sono collegati in modo differenziale e senza un campo costante esterno la somma delle forze indotte ad es. d.s. in questi avvolgimenti è zero. In presenza di un campo magnetico costante in e. d.s. compaiono anche le armoniche, la cui grandezza determina questo campo.

Un magnetometro fluxgate è costituito da due solenoidi identici posti orizzontalmente uno sotto l'altro, in uno dei quali è posto il campione in esame. Tra questi solenoidi si trova il fluxgate differenziale. I campi magnetici dei solenoidi senza campione si compensano reciprocamente nel volume in cui si trova il fluxgate.

Per misurazioni di alta qualità, è meglio utilizzare un magnetometro fluxgate astatico. In questa forma di realizzazione, un fluxgate si trova tra i solenoidi e l'altro è distante dal primo su un piano orizzontale parallelo. Gli avvolgimenti di questi fluxgate sono collegati in serie tra loro.

Utilizzando un magnetometro fluxgate, è possibile determinare la curva di magnetizzazione, il ciclo di isteresi e la forza coercitiva dei materiali magnetici morbidi. La curva di magnetizzazione e il ciclo di isteresi vengono misurati utilizzando il metodo di compensazione. A questo scopo attraverso l'avvolgimento di compensazione viene fatta passare una corrente, il cui campo magnetico compensa il campo del campione magnetizzato nella zona in cui si trova la sonda. Per misurare la forza coercitiva, è necessario magnetizzare il campione e quindi, aumentando il campo di smagnetizzazione, ridurre a zero le letture del dispositivo indicatore. Schema semplice e il processo di misurazione veloce sono uno dei vantaggi di un magnetometro fluxgate rispetto ad altri magnetometri, che sarà descritto nel Capitolo V. Recentemente, alcuni tipi di sonde magnetiche hanno cominciato ad essere utilizzate per studiare il campo magnetico negli acceleratori e negli spettrometri. In lavorazione è disponibile anche una descrizione delle sonde.

Nei magnetometri di questo tipo, l'elemento magneticamente sensibile è un fluxgate, che consiste di due aste sottili e lunghe fatte di permalloy (una lega ferro-nichel - un ferromagnete magnetico morbido), su cui è avvolto l'avvolgimento primario (eccitante) direzione opposta. Inoltre, entrambi i nuclei, insieme all'avvolgimento primario, sono coperti da un avvolgimento secondario (di misura) (Fig. 3.15 a). I ferromagneti magnetici morbidi sono caratterizzati dal fatto che il loro ciclo di isteresi è così stretto che può essere considerato come una curva (Fig. 3.15 b).

Riso. 3.15. Principio di funzionamento di un magnetometro fluxgate

tipo di seconda armonica.

Il principio di funzionamento del fluxgate è il seguente. Usando fonte esterna Una corrente di frequenza w (spesso 400 Hz) viene fatta passare attraverso l'avvolgimento primario (eccitante). Se non c'è campo magnetico esterno, la magnetizzazione iniziale dei nuclei è zero. Quando in ogni semiciclo viene fatta passare una corrente di frequenza w, gli impulsi di induzione nei nuclei sono diretti nella direzione opposta e si compensano a vicenda (Fig. 3.15 b). Pertanto, l'induzione totale nello spazio più vicino ai nuclei in ogni istante è zero e il segnale non viene indotto nell'avvolgimento di misura, cioè è anche zero.

Quando in ogni semiciclo appare un campo esterno T (che deve essere misurato), questo campo coincide con l'induzione di uno dei nuclei, e l'induzione dell'altro nucleo è diretta nella direzione opposta, il che equivale a uno spostamento nell'induzione dei nuclei. L'induzione totale (totale B S) nello spazio vicino ai nuclei, sommandosi, forma un flusso magnetico alternato, cambiando con una frequenza di 2w (Fig. 3.15. b). Questo flusso induce un segnale elettrico nell'avvolgimento di misura con una frequenza di 2w e un'ampiezza proporzionale allo "spostamento" dell'induzione negli avvolgimenti - il campo magnetizzante esterno T.

Per misurare questo campo è sufficiente selezionare un segnale con una frequenza di 2 W (800 Hz) utilizzando un filtro (F), amplificarlo con un amplificatore (U), determinare il segno del campo (fase) con una fase rilevatore sensibile (PSD) e misurarne l'ampiezza con un misuratore (I). In questo caso, il dispositivo che misura l'ampiezza del segnale può essere calibrato in unità di intensità del campo magnetico o induzione. Un tale fluxgate è chiamato “fluxgate di tipo seconda armonica”.

Una caratteristica utile di un tale fluxgate per i rilievi magnetici è che può misurare la componente dell'intensità del campo magnetico diretta lungo l'asse della sonda. Cioè, se il campo T è diretto perpendicolarmente ai nuclei, non ci sarà alcuno "spostamento" dell'induzione negli avvolgimenti e non ci sarà alcun segnale nell'avvolgimento secondario.

Questa caratteristica consente di effettuare le cosiddette misurazioni dei componenti (ovvero misurazioni di tre componenti lungo gli assi) dell'induzione del campo magnetico, che è uno dei vantaggi del metodo. Lo svantaggio del metodo è la presenza di un offset di zero del dispositivo, che, anche con un'elevata soglia di sensibilità del dispositivo di 1 nT, non consente misurazioni con elevata precisione.

Il fluxgate ha anche altri nomi: sonda di saturazione magnetica, sensore di modulazione magnetica (MMD). Nella letteratura straniera si chiama flusso - data (flux gate) - flusso che passa.

Magnetometro progettato per misurare l'induzione del campo magnetico. Il magnetometro utilizza un campo magnetico di riferimento, che consente, attraverso determinati effetti fisici, convertire il campo magnetico misurato in un segnale elettrico.
L'uso applicato dei magnetometri per il rilevamento di oggetti massicci realizzati con materiali ferromagnetici (molto spesso acciaio) si basa sulla distorsione locale del campo magnetico terrestre da parte di questi oggetti. Il vantaggio di utilizzare i magnetometri rispetto ai tradizionali metal detector è proprio questo raggio di rilevamento più lungo.

Magnetometri fluxgate (vettoriali).

Un tipo di magnetometro è . Il fluxgate è stato inventato da Friedrich Förster ( )

Nel 1937 e serve per determinare vettore di induzione del campo magnetico.

Progettazione Fluxgate

fluxgate ad asta singola

Il fluxgate più semplice è costituito da un'asta in permalloy su cui è posizionata una bobina di eccitazione (( bobina di comando), alimentato da corrente alternata, e una bobina di misura ( bobina del rilevatore).

Permallo- una lega con proprietà magnetiche dolci, composta da ferro e 45-82% di nichel. Il permalloy ha un'elevata permeabilità magnetica (permeabilità magnetica relativa massima ~ 100.000) e una bassa coercività. Una marca popolare di permalloy per la produzione di fluxgate è 80НХС - 80% di nichel + cromo e silicio con un'induzione di saturazione di 0,65-0,75 T, utilizzata per nuclei di trasformatori, induttanze e relè di piccole dimensioni che operano in campi deboli di schermi magnetici, per nuclei di trasformatori di impulsi, amplificatori magnetici e relè senza contatto, per nuclei di testine magnetiche.
La dipendenza della permeabilità magnetica relativa dall'intensità del campo per alcune varietà di permalloy ha la forma:

Se al nucleo viene applicato un campo magnetico costante, nella bobina di misurazione appare una tensione Anche armoniche, la cui grandezza serve come misura della forza di un campo magnetico costante. Questa tensione viene filtrata e misurata.

fluxgate a doppia asta

Un esempio è il dispositivo descritto nel libro Karalisa V.N. "Circuiti elettronici nell'industria" -



Il dispositivo è progettato per misurare campi magnetici costanti nell'intervallo 0,001 ... 0,5 oersted.
Avvolgimenti del campo del sensore L1 E L3 contatore incluso. Misurazione dell'avvolgimento L2 avvolto sugli avvolgimenti di campo. Gli avvolgimenti di eccitazione sono alimentati da una frequenza di corrente di 2 kHz proveniente da un generatore push-pull con cavo induttivo feedback. La modalità generatore è stabilizzata da DC partitore resistivo R8 E R9.

fluxgate con nucleo toroidale
Una delle opzioni di progettazione più popolari per un magnetometro fluxgate è un fluxgate con un nucleo toroidale ( fluxgate con nucleo ad anello) -

Rispetto ai fluxgate ad asta, questo design ha meno rumore e richiede la creazione forza magnetomotrice molto più bassa.

Questo sensore è avvolgimento di eccitazione, avvolto su un nucleo toroidale, attraverso il quale scorre una corrente alternata di ampiezza sufficiente a portare il nucleo in saturazione, e misurazione dell'avvolgimento, da cui viene rimossa la tensione alternata, che viene analizzata per misurare il campo magnetico esterno.
L'avvolgimento di misura è avvolto sul nucleo toroidale, ricoprendolo interamente (ad esempio su un telaio speciale) -


Questo design è simile al design fluxgate originale (viene aggiunto un condensatore per ottenere la risonanza alla seconda armonica) -

Applicazioni dei magnetometri a protoni
I magnetometri a protoni sono ampiamente utilizzati nella ricerca archeologica.
Il magnetometro a protoni è menzionato nel romanzo di fantascienza "Trapped in Time" di Michael Crichton. Sequenza temporale") -
Indicò oltre i suoi piedi. Tre pesanti alloggiamenti gialli erano fissati ai montanti anteriori dell'elicottero. "In questo momento disponiamo di mappatori stereo del terreno, radar a infrarossi, UV e a scansione laterale." Kramer indicò il lunotto posteriore, verso un tubo d'argento lungo sei piedi che penzolava sotto l'elicottero nella parte posteriore. "Magnetometro protonico." "Uh-huh. E cosa fa?" "Cerca anomalie magnetiche nel terreno sotto di noi che potrebbero indicare muri sepolti, ceramica o metallo."

Magnetometri al cesio

Un tipo di magnetometri quantistici sono i magnetometri atomici di metalli alcalini con pompaggio ottico.

Magnetometro al cesio G-858

Magnetometri Overhauser

Magnetometri a stato solido

I più accessibili sono i magnetometri integrati negli smartphone. Per Androide buona applicazione usare un magnetometro lo è . La pagina per questa applicazione è http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Impostazione dei magnetometri

Per testare il fluxgate puoi usare. Le bobine di Helmholtz vengono utilizzate per produrre un campo magnetico quasi uniforme. Idealmente, rappresentano due spire anulari identiche collegate tra loro in serie e situate a una distanza di raggio di sterzata l'una dall'altra. Tipicamente, le bobine di Helmholtz sono costituite da due bobine su cui è avvolto un certo numero di spire e lo spessore della bobina dovrebbe essere molto inferiore al loro raggio. Nei sistemi reali lo spessore delle spire può essere paragonabile al loro raggio. Pertanto, possiamo considerare un sistema di anelli di Helmholtz come due bobine identiche posizionate coassialmente, la cui distanza tra i centri è approssimativamente uguale al loro raggio medio. Questo sistema di bobine è anche chiamato solenoide diviso ( solenoide diviso).

Al centro del sistema c'è una zona di campo magnetico uniforme (campo magnetico al centro del sistema in un volume pari a 1/3 del raggio degli anelli omogeneo entro l'1%), che può essere utilizzato per scopi di misurazione, per calibrare sensori di induzione magnetica, ecc.

L'induzione magnetica al centro del sistema è definita come $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\right) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
dove $N$ è il numero di spire di ciascuna bobina, $I$ è la corrente che attraversa le bobine, $R$ è il raggio medio della bobina.

Le bobine di Helmholtz possono essere utilizzate anche per schermare il campo magnetico terrestre. Per fare ciò, è meglio utilizzare tre coppie di anelli reciprocamente perpendicolari, quindi il loro orientamento non ha importanza.

Recentemente non ci sono stati cambiamenti significativi nei principi di misurazione del campo magnetico. Nel campo delle indagini magnetiche sono stati stabiliti metodi basati sul fenomeno della risonanza magnetica, sull'orientamento ottico degli atomi, ecc .. Per determinare le proprietà magnetiche delle rocce vengono utilizzati impianti flusso-gate e osservazioni in pozzi, magnetometri astatici e rocce i generatori vengono utilizzati per misurare la magnetizzazione rimanente. Soffermiamoci più in dettaglio su un dispositivo come un magnetometro.

Magnetometro- un dispositivo per misurare le caratteristiche di un campo magnetico e le proprietà magnetiche delle sostanze (materiali magnetici). A seconda del valore da determinare, gli strumenti si distinguono per misurare: intensità di campo (oerstedmetri), direzione del campo (inclinatori e declinatori), gradiente di campo (gradientometri), induzione magnetica (teslametri), flusso magnetico (Webermetri o flussimetri), forza coercitiva (coercimetri), permeabilità magnetica (mu-metri), suscettibilità magnetica (kappa-metri), momento magnetico.

In senso stretto, i magnetometri sono strumenti per misurare l'intensità, la direzione e la pendenza di un campo magnetico.

Il parametro più importante di un magnetometro è la sua sensibilità. Allo stesso tempo, è quasi impossibile formalizzare questo parametro e renderlo uniforme per tutti i magnetometri, e non solo perché i magnetometri differiscono nel principio di funzionamento, ma anche nella progettazione dei convertitori e nella funzione di elaborazione del segnale. Per i magnetometri, la sensibilità è solitamente indicata dall'entità dell'induzione magnetica del campo che il dispositivo è in grado di registrare. Tipicamente, la sensibilità viene misurata in nanotesla (nT) 1nT = (1E-9) T.

Il campo terrestre è di circa 35000nT (35μT). Questo è un valore medio: in diverse parti del globo varia nell'intervallo 35000nT (35μT) - 60000nT (60μT). Pertanto, il compito della ricerca di oggetti ferromagnetici è quello di rilevare, sullo sfondo del campo naturale della Terra, un aumento del campo causato dalle distorsioni degli oggetti ferromagnetici.

Esistono diversi principi fisici e tipi di strumenti magnetometrici basati su di essi che consentono di registrare cambiamenti minimi nel campo magnetico terrestre o distorsioni introdotte da oggetti ferromagnetici. I moderni magnetometri hanno una sensibilità da 0,01nT a 1nT, a seconda del principio di funzionamento e della classe di problemi da risolvere.

Esistono magnetometri per misurare i valori assoluti delle caratteristiche del campo e i relativi cambiamenti nel campo nello spazio o nel tempo. Questi ultimi sono chiamati variometri magnetici. I magnetometri vengono classificati anche in base alle condizioni operative e, infine, in base ai fenomeni fisici alla base del loro funzionamento.

Esistono diversi tipi di magnetometri basati su diversi principi di funzionamento, quali: fluxgate, magnetoinduttivo, effetto Hall, magnetoresistivo, quantistico (Protone).

Soffermiamoci in dettaglio sui convertitori di campo magnetico fluxgate, consideriamo il loro principio di funzionamento, la progettazione e la tecnologia di misurazione.

La scoperta delle proprietà di elevata permeabilità magnetica nelle leghe ferro-nichel - permalloy ha portato alla creazione di magnetometri fluxgate o rilevamento del flusso, il cui funzionamento si basa sull'effetto della reazione della permeabilità magnetica dei nuclei di permalloy al azione del campo magnetico terrestre costante quando alimentato da corrente alternata.

Il trasduttore di campo magnetico fluxgate, o fluxgate, è progettato per misurare e indicare campi magnetici costanti e che cambiano lentamente e i loro gradienti. L'azione del fluxgate si basa sul cambiamento dello stato magnetico del ferromagnete sotto l'influenza di due campi magnetici di diversa frequenza. A seconda dell'entità della tensione applicata, il fluxgate può funzionare secondo il principio del picco e della seconda armonica. I dispositivi che funzionano secondo il principio della seconda armonica sono diventati sempre più diffusi(3).

Le sonde ferromagnetiche sono caratterizzate da:

Alta sensibilità - la variazione minima nell'elemento di campo misurato che il dispositivo è in grado di registrare quando cambia la componente di potenza; la sensibilità dei migliori dispositivi è 1 nT, per un valore angolare - 01 sec;

Possibilità di calibrazione accurata (0,1%);

Coefficiente di bassa temperatura, inferiore a 0,01 nT/deg. Celsius nell'intervallo di temperatura da -20 a +50 gradi. Centigrado;

Basso livello di rumore;

Di piccole dimensioni (10-20 cm) e peso (1-2 kg con misuratore);

Basso consumo energetico(2).

Nella fig. La Figura 1 mostra schematicamente alcune opzioni di progettazione per i fluxgate.

Riso. 1

Nella sua versione più semplice, un fluxgate è costituito da un nucleo ferromagnetico e due bobine posizionate su di esso: una bobina di eccitazione alimentata da corrente alternata e una bobina di misurazione (segnale). Il nucleo del fluxgate è realizzato con materiali ad elevata permeabilità magnetica. Una tensione alternata con una frequenza compresa tra 1 e 300 kHz viene fornita alla bobina di eccitazione da un generatore speciale (a seconda del livello dei parametri e dello scopo del dispositivo). In assenza di un campo magnetico misurato, il nucleo, sotto l'influenza di un campo magnetico alternato H creato dalla corrente nella bobina di eccitazione, viene rimagnetizzato in un ciclo simmetrico. Una variazione del campo magnetico causata dall'inversione della magnetizzazione del nucleo lungo una curva simmetrica induce una fem nella bobina del segnale che varia secondo una legge armonica. Se allo stesso tempo un campo magnetico Ho misurato costante o che cambia lentamente agisce sul nucleo, la curva di inversione della magnetizzazione cambia dimensione e forma e diventa asimmetrica. In questo caso, l'ampiezza e la composizione armonica dell'EMF nella bobina del segnale cambiano. In particolare compaiono anche componenti armoniche della FEM, la cui ampiezza è proporzionale all'intensità del campo misurato e che sono assenti durante un ciclo simmetrico di inversione della magnetizzazione.

I fluxgate si dividono in:

asta a elemento singolo (a)

differenziale a nucleo aperto (b)

differenziale con nucleo chiuso (anello) (c).

Un fluxgate differenziale (Fig. b, c), di regola, è costituito da due nuclei con avvolgimenti collegati in modo tale che le componenti armoniche dispari siano praticamente compensate. Ciò semplifica l'attrezzatura di misura e aumenta la sensibilità del fluxgate. Le sonde fluxgate sono caratterizzate da un'altissima sensibilità ai campi magnetici. Sono in grado di registrare campi magnetici con intensità fino a 10-4-10-5 A/m (~10-10-10-11 T).

I moderni design fluxgate sono compatti. Il volume del fluxgate di cui sono dotati i magnetometri G73 domestici è inferiore a 1 cm 3 e il fluxgate a tre componenti per il magnetometro G74 si inserisce in un cubo con un lato di 15 mm

Come esempio in Fig. La Figura 2 mostra il design e le dimensioni di un'asta fluxgate in miniatura.

Riso. 2

Il design del fluxgate è abbastanza semplice e non richiede spiegazioni speciali. Il suo nucleo è fatto di permalloy. Ha una sezione che varia lungo la sua lunghezza, diminuendo di circa 10 volte nella parte centrale del nucleo, sulla quale sono avvolti l'avvolgimento di misura e quello di eccitazione. Questo design fornisce, con una lunghezza relativamente breve (30 mm), un'elevata permeabilità magnetica (1,5x105) e un basso valore dell'intensità del campo di saturazione nella parte centrale del nucleo, che porta ad un aumento della sensibilità di fase e temporale del il flussoporta. In questo modo viene migliorata anche la forma degli impulsi di uscita nell'avvolgimento di misura del fluxgate, il che consente di ridurre gli errori nel circuito di generazione del segnale dell'impulso temporale. Il campo di misura dei convertitori fluxgate nella versione standard è ±50...±100 A/m (±0,06...±0,126 mT). La densità del rumore magnetico nella banda di frequenza fino a 0,1 Hz per fluxgate con nuclei bastoncini è 30 - 40 μA / m (m x Hz1/2) in funzione del campo di eccitazione, decrescente all'aumentare di quest'ultimo. Nella banda di frequenza fino a 0,5 Hz la densità del rumore è 3 - 3,5 volte superiore. Uno studio sperimentale sui fluxgate ad anello ha rivelato che il loro livello di rumore è un ordine di grandezza inferiore a quello dei fluxgate con nucleo a bastoncino(3).