Iskanje zakladov in zakladov: Magnetometri - osnovni podatki. Fluxgate magnetometri Magnetometer s feromagnetnim jedrom in tremi navitji

Konstruirajmo vektorski diagram idealnega transformatorja v prostem teku (slika 15.34).

Magnetna sila v prostem teku

Zdaj narišimo ekvivalentno vezje za idealni transformator pod njegovo obremenitvijo (slika 15.35).

Če je na sponke sekundarnega navitja priključeno breme z uporom Z n, potem bo skozenj šel tok , kar bo posledično težilo k zmanjšanju magnetnega pretoka , kar bo povzročilo zmanjšanje emf. , zaradi česar se tok se bo povečalo na takšno vrednost, pri kateri magnetni pretok bo pridobil prvotno vrednost in enačba (15.35) bo izpolnjena.

Tako pojav toka v sekundarnem tokokrogu vodi do povečanja toka v primarnem tokokrogu. V obremenjenem transformatorju je magnetni pretok v jedru enak magnetnemu pretoku v prostem teku, tj. Nenehno F= konst. Magnetni tok pod obremenitvijo nastane pod vplivom magnetnih sil primarnega in sekundarnega navitja:

Konstruirajmo vektorski diagram idealnega transformatorja pod obremenitvijo (slika 15.36).

Transformirajmo ekvivalentno vezje idealnega transformatorja, pri katerem se bomo znebili induktivne sklopke. Če povežete enake sponke navitij transformatorja med seboj, se način delovanja transformatorja ne bo spremenil.

Najprej razmislimo o induktivno sklopljenih elementih, ki imajo zdaj skupno točko. Koeficient sklopitve dveh elementov v tem primeru enako ena, saj je celoten magnetni tok popolnoma povezan z zavoji primarnega in sekundarnega navitja, tj.

torej glede na to w 1 = w 2, ugotovimo:

Zamenjajmo zdaj del vezja z induktivno sklopljenimi elementi s skupno točko (sl. 15.37). A) na enakovredno vezje brez induktivne sklopke (slika 15.37 b).

;

;

Ob upoštevanju ugotovljenega dobi vezje obliko, prikazano na sliki 15.37 V, in ekvivalentno vezje idealnega transformatorja je tipa, prikazanega na sliki 15.38.

Če zdaj upoštevamo aktivno in induktivno upornost obeh navitij, potem za transformator, v katerem w 1 = w 2, dobimo ekvivalentno vezje, prikazano na sliki 15.39.

Zapišimo enačbe primarnega in sekundarnega tokokroga vezja:

Izdelajmo vektorski diagram vezja (slika 15.40).

Za merjenje majhnih stalnih in izmeničnih magnetnih polj se uporabljajo fluxgates, ki so v najpreprostejši obliki palice iz mehkega magnetnega materiala in imajo dve navitji, od katerih ena ustvarja začasni magnetni pretok, druga pa je merilna.

Ko skozi vzbujevalno navitje teče izmenični tok sinusne oblike, se bo magnetno stanje jedra spremenilo vzdolž dinamične histerezne zanke in se na primer pojavi v merilnem navitju. d.s., ki bo poleg osnovne frekvence vsebovala višje lihe harmonike.

riž. 21. Shematski diagram balistična inštalacija: elektromagnet, merilna tuljava, balistični galvanometer, primarna in sekundarna navitja referenčne tuljave, stikala, ključ, reostatski sistem, A - ampermeter

riž. 22. Shematska zasnova merilne sonde

Če je taka sonda postavljena v konstantno magnetno polje, usmerjeno na enak način kot izmenično polje vzdolž osi jedra, se bo magnetno stanje jedra že spremenilo v asimetričnem zasebnem ciklu. To je razloženo z dejstvom, da se bo v smeri delovanja konstantnega polja magnetizacija jedra zgodila pri nižjih vrednostih izmeničnega polja kot v odsotnosti konstantnega polja, v nasprotni smeri pa konstantna bo preprečilo obračanje magnetizacije. V tem primeru je v krivulji e. d.s. Poleg lihih harmonikov se bodo pojavljali tudi sodi, predvsem drugi harmoniki. Izkazalo se je, da je vrednost e. d.s. to

Harmoniki so sorazmerni z jakostjo magnetnega polja. Po velikosti e. d.s., sorazmeren s tem harmonikom, in izmerite poljsko jakost.

Na sl. 22 prikazuje shematsko zasnovo ene od merilnih sond, katere jedro je izdelano iz mehkega magnetnega materiala permaloja. Jedro je sestavljeno iz plošč debeline 20-50.Če je na obeh straneh jedra v nasprotnih smereh navito enako število ovojev ene žice, bodo magnetni tokovi, ki jih ustvari vsako navitje, enaki.

riž. 23. Shema magnetne sonde mostičnega tipa

riž. 24. Na napravo sonde tipa most

Navitja so med seboj povezana zaporedno. Merilna tuljava 3 je nameščena na jedru 1. Če skozi zavoje navitja 2 teče izmenični tok, se v merilni tuljavi ne bo pojavil, saj bodo spremembe magnetnega pretoka skozi čas iz vsakega navitja 2 enake in nasprotne smeri. Ko je jedro postavljeno v konstantno enakomerno polje, ki je usmerjeno pravokotno na ravnino prečnega prereza navitij in tuljave, bo prišlo do prerazporeditve magnetnih tokov v prostoru med navitji 2, saj bo konstantno polje dodalo izmenično polja, zaradi česar bo v merilni tuljavi 3 nastala elektromotorna sila. Ta e. d.s. bo sorazmerna z jakostjo magnetnega polja. S takšno sondo je mogoče pri frekvenci izmeničnega toka 103 Hz meriti magnetna polja reda velikosti

Trenutno obstajajo magnetne sonde mostnega tipa. Eden od teh mostov je prikazan na sl. 23. Most je izrezan iz mehkega magnetnega materiala (slika 24). Sestavljen je iz več listov, od katerih je ena polovica prerezana po dolžini, druga polovica pa počez. To zagotavlja optimalno magnetno enakomernost krakov mostu in izboljša magnetni kontakt krakov. Segmente prepognemo in povežemo med seboj, tako da nastane druga diagonala mostu. Tuljavi 1 in 2 sta nameščeni na diagonalah mostu in katera koli od njih je lahko merilna ali vzbujalna. Navitje vzbujalne tuljave se napaja z industrijskim oz

povečana frekvenca. Magnetni most je v ravnovesju in brez zunanjega konstantnega magnetnega polja v merilni tuljavi ne pride do emisije. d.s. Če most postavimo v zunanje konstantno magnetno polje, se ravnovesje mostu poruši, v diagonali mostu se pojavi izmenični magnetni tok in v merilni tuljavi se pojavi emisija. d.s. indukcijo, katere velikost določa vrednost zunanje poljske jakosti. Največja vrednost e. d.s. nastane v merilni tuljavi, če je zunanje polje usmerjeno vzporedno na dve nasprotni veji mostu. Za povečanje občutljivosti se včasih naredi magnetni most s palicami (slika 25).

riž. 25. Shema magnetne sonde s poli

Oglejmo si zelo občutljiv kompenzacijski magnetometer za merjenje jakosti magnetnega polja do , kjer je uporabljena magnetno nasičena sonda. Shematski diagram magnetometra in odsek magnetno nasičene sonde sta prikazana na sl. 26 in 27.

Vezje magnetometra je sestavljeno iz vzbujalnega in signalnega vezja, kompenzacijskega vezja in vezja za testiranje občutljivosti naprave.

Vzbujevalno in signalno vezje vključuje generator 4, podvajalnik frekvence 5, fazni diskriminator 6, resonančni ojačevalnik 7 in indikatorsko napravo 8. Za povečanje občutljivosti naprava uporablja kompenzacijsko merilno metodo, pri kateri izmerjeno polje solenoida 2 se kompenzira z drugim poljem znane velikosti in nasprotne smeri. To polje ustvarja tokovna tuljava, znotraj katere se nahaja sonda 1. Kompenzacijska tuljava 3 se uporablja bodisi v obliki običajnega solenoida bodisi v obliki zaprte tuljave. Drugi tip tuljave se uporablja, kadar so feromagnetni materiali v bližini magnetometra.

Kompenzacijo lahko izvedemo tudi s pomočjo toka, ki teče skozi merilno navitje vzorca. V tem primeru se dimenzije merilne glave bistveno zmanjšajo, vendar se enakomernost kompenzacijskega polja poslabša. Za napajanje kompenzacijskega vezja uporabite polnilne baterije velika zmogljivost. Magnetno nasičena sonda je sestavljena iz dveh jeder 6 iz molibden permaloja. Jedra so sestavljena iz plošč velikosti, ki so razrezane vzdolž valjanega materiala in izpostavljene toplotni obdelavi. Na jedrih je vzbujalno navitje 4 s premerom 1400 ovojev žice in merilno navitje 3 s 400 ovoji žice.

Napetost 25 V Hz se napaja v vzbujalnem navitju. Vzbujevalni tok je 0,3 A. V teh pogojih ima namestitev največjo občutljivost. Pred začetkom meritev se sonda nastavi s premikanjem jedra v Helmholtzovih tuljavah. Signal, sprejet na merilnem navitju, se ojača z uglašenim resonančnim ojačevalnikom in nato napaja v fazni diskriminator. Odstopanje kazalca ničelne naprave za 2-3 delitve ustreza jakosti magnetnega polja.Opisani magnetometer je stabilen v delovanju in njegov način je praktično neodvisen od sprememb zunanjih pogojev (temperatura, mehanske vibracije itd.).

riž. 26. Shematski diagram magnetometra z magnetno sondo: 1 - sonda, 2 - solenoid, 3 - kompenzacijska tuljava, 4 - generator, 5 - podvajalnik frekvence, 6 - fazni diskriminator, 7 - uporovni ojačevalnik, 8 - indikatorska naprava, kompenzacija vezje, vezje za preverjanje občutljivosti naprave

Delo zagotavlja izračun optimalnih delovnih pogojev sonde, sestavljene iz dveh permalojskih jeder z dimenzijami 0,18X1,75X100.Vzbujevalno navitje je navito iz žice dolžine 350 obratov.Merilno navitje je sestavljeno iz 1500 obratov žice.Pri izhodu inštalacije se vklopi voltmeter, ki beleži samo vrednost prosti dan e. d.s. drugi harmonik. Za izračun efektivne vrednosti amplitude tega harmonika uporabite naslednjo formulo:

kjer je zunanje izmerjeno magnetno polje, občutljivost sonde na zunanje polje v drugem harmoniku. Zadnja vrednost je določena s formulo

kjer je število obratov merilnega navitja, površina prečnega prereza jeder, frekvenca izmeničnega toka, ki napaja vzbujalna navitja, je koeficient, ki upošteva disipacijo toka, določena konstanta, odvisna od magnetnega lastnosti materiala in faktor razmagnetenja.

Občutljivost se določi pri optimalni vrednosti prednapetostnega toka, katerega moč se izračuna po formuli

kjer je število ovojev v navitju vznemirjenja.

Opisana sonda ima visoko občutljivost, če uporabljamo dolgo jedro.

Grabovsky in Skorobogatov sta za merjenje koercitivne sile uporabila permalloy fluxgate. Njuna instalacija je bila sestavljena iz dveh popolnoma enakih magnetizirajočih tuljav, med katerima je bil nameščen fluxgate dolžine, širine in debeline. Skozi tuljavi je potekal tok v taki smeri, da je v prostora, ki ga zaseda fluxgate, so bila magnetna polja tuljav medsebojno kompenzirana. Za merjenje prisilne sile je bil v eno od tuljav nameščen magnetiziran vzorec, magnetno polje vzorca pa je povzročilo odklon igle naprave, ki je bila vključena v navitje indikatorja, ki se nahaja na fluxgateu. S prehajanjem enosmernega toka skozi magnetizacijske tuljave se je vzorec postopoma razmagnetil. V trenutku, ko se je igla indikatorske naprave vrnila v ničelni položaj, smo izmerili jakost toka v tuljavah in izračunali vrednost koercitivne sile po formuli kjer je konstanta tuljave.

riž. 27. (glej sken) Odsek magnetne sonde: 1 - tokovni lističi, 2 - telo, 3 - merilno navitje, 4 - vzbujevalno navitje, 5 - okvir, 6 - jedro, 7 - izolacijsko tesnilo

Z opisanim koercimetrom lahko hitro merite z natančnostjo 2-3%.

V Janusovem koercimetru ima fluxgate obliko okvirja, na straneh katerega sta dve navitji: vzbujevalni in merilni. Preskusni vzorec se postavi v solenoid tako, da njegovi konci štrlijo iz solenoida. Mejijo na železen jarem, katerega srednji del zapira jedro fluxgate.

Drozhzhina in Friedman sta predlagala fluxgate

magnetometer za preučevanje magnetnih lastnosti mehkih magnetnih materialov. V njihovem magnetometru so premični astatični sistem zamenjali s pretočnimi zapornicami, ki so omogočile odpravo ničelnih nihanj. Pretočna zapornica je sestavljena iz dveh jeder iz permaloja.Velski navitji sta zaporedno povezani tako, da sta magnetna toka jeder med seboj zaprta. Merilna navitja fluxgate so povezana diferencialno in brez zunanjega konstantnega polja se vsota induciranega npr. d.s. v teh navitjih je nič. V prisotnosti stalnega magnetnega polja v e. d.s. pojavijo se celo harmoniki, katerih velikost določa to polje.

Magnetometer s pretočnim ventilom je sestavljen iz dveh enakih solenoidov, ki sta nameščena vodoravno drug pod drugim, v enega od katerih je nameščen vzorec, ki ga preučujemo. Diferencialni fluxgate se nahaja med temi solenoidi. Magnetna polja solenoidov brez vzorca so medsebojno kompenzirana v prostornini, kjer se nahaja fluxgate.

Za visokokakovostne meritve je bolje uporabiti astatični fluxgate magnetometer. V tej izvedbi je en fluxgate nameščen med elektromagnetoma, drugi pa je oddaljen od prvega v vzporedni vodoravni ravnini. Navitja teh fluxgates so zaporedno povezana drug proti drugemu.

S pomočjo magnetometra s fluxgateom lahko določite krivuljo magnetizacije, histerezno zanko in prisilno silo mehkih magnetnih materialov. Krivulja magnetizacije in histerezna zanka se merita s kompenzacijsko metodo. V ta namen se skozi kompenzacijsko navitje spusti tok, katerega magnetno polje kompenzira polje magnetiziranega vzorca v območju, kjer se nahaja sonda. Za merjenje prisilne sile morate magnetizirati vzorec in nato s povečanjem razmagnetnega polja zmanjšati odčitke indikatorske naprave na nič. Preprosta shema in hiter postopek merjenja sta ena od prednosti fluxgate magnetometra pred drugimi magnetometri, ki bodo opisani v V. poglavju. V zadnjem času so nekatere vrste magnetnih sond začeli uporabljati za preučevanje magnetnega polja v pospeševalnikih in spektrometrih. V delu je na voljo tudi opis sond.

Pri tovrstnih magnetometrih je magnetno občutljiv element fluxgate, ki je sestavljen iz dveh tankih in dolgih palic iz permaloja (zlitine železa in niklja - mehkega magnetnega feromagneta), na katerih je primarno (vzbujalno) navitje navito v nasprotna smer. Poleg tega sta obe jedri skupaj s primarnim navitjem pokriti s sekundarnim (merilnim) navitjem (slika 3.15 a). Za mehke magnetne feromagnete je značilno, da je histerezna zanka pri njih tako ozka, da jo lahko obravnavamo kot eno krivuljo (slika 3.15 b).

riž. 3.15. Načelo delovanja fluxgate magnetometra

vrsta drugega harmonika.

Načelo delovanja fluxgate je naslednje. Z uporabo zunanji vir Skozi primarno (vzbujalno) navitje teče tok frekvence w (najpogosteje 400 Hz). Če ni zunanjega magnetnega polja, je začetna magnetizacija jeder enaka nič. Ko v vsakem pol-ciklu teče tok frekvence w, so indukcijski impulzi v jedrih usmerjeni v nasprotno smer in se med seboj kompenzirajo (slika 3.15 b). Zato je skupna indukcija v prostoru, ki je najbližje jedrom, v vsakem trenutku enaka nič in signal se ne inducira v merilnem navitju, tj. je tudi nič.

Ko se v vsakem polciklu pojavi zunanje polje T (ki ga je treba izmeriti), to polje sovpada z indukcijo enega od jeder, indukcija drugega jedra pa je usmerjena v nasprotno smer, kar je enakovredno premiku pri indukciji jeder. Celotna (skupna B S) indukcija v prostoru v bližini jeder, ki se sešteje, tvori izmenični magnetni tok, ki se spreminja s frekvenco 2w (sl. 3.15. b). Ta tok inducira v merilnem navitju električni signal s frekvenco 2w in amplitudo, ki je sorazmerna »premiku« indukcije v navitjih - zunanje magnetno polje T.

Za merjenje tega polja morate samo izbrati signal s frekvenco 2w (800 Hz) s filtrom (F), ga ojačati z ojačevalnikom (U), določiti predznak polja (fazo) s fazo- občutljiv detektor (PSD) in z merilnikom (I) izmerite njegovo amplitudo. V tem primeru lahko napravo, ki meri amplitudo signala, kalibriramo v enotah jakosti ali indukcije magnetnega polja. Tak fluxgate se imenuje "fluxgate drugega harmoničnega tipa".

Uporabna lastnost takšnega fluxgatea za magnetne raziskave je, da lahko meri komponento jakosti magnetnega polja, usmerjeno vzdolž osi sonde. To pomeni, da če je polje T usmerjeno pravokotno na jedra, potem v navitjih ne bo "premika" indukcije in v sekundarnem navitju ne bo signala.

Ta lastnost omogoča izvajanje tako imenovanih komponentnih meritev (tj. meritev treh komponent vzdolž osi) indukcije magnetnega polja, kar je ena od prednosti metode. Pomanjkljivost metode je prisotnost ničelnega odmika naprave, ki tudi pri visokem pragu občutljivosti naprave 1 nT ne omogoča meritev z visoko natančnostjo.

Fluxgate ima tudi druga imena: magnetna nasičena sonda, senzor magnetne modulacije (MMD). V tuji literaturi se imenuje flux - date (flux gate) - flow-passing.

Magnetometer zasnovan za merjenje indukcije magnetnega polja. Magnetometer uporablja referenčno magnetno polje, ki omogoča z določenimi fizikalnimi učinki pretvori izmerjeno magnetno polje v električni signal.
Aplikativna uporaba magnetometrov za detekcijo masivnih predmetov iz feromagnetnih (najpogosteje jeklenih) materialov temelji na lokalnem popačenju zemeljskega magnetnega polja s temi predmeti. Prednost uporabe magnetometrov pred tradicionalnimi detektorji kovin je v tem, da daljše območje zaznavanja.

Fluxgate (vektorski) magnetometri

Ena vrsta magnetometra je . Fluxgate je izumil Friedrich Förster ( )

Leta 1937 in služi za določanje vektor indukcije magnetnega polja.

Zasnova fluxgate

enopalični fluxgate

Najenostavnejši fluxgate je sestavljen iz permalojske palice, na katero je nameščena vzbujalna tuljava (( pogonska tuljava), ki se napaja z izmeničnim tokom, in merilno tuljavo ( detektorska tuljava).

Permalloy- zlitina z mehkimi magnetnimi lastnostmi, sestavljena iz železa in 45-82% niklja. Permalloy ima visoko magnetno prepustnost (največja relativna magnetna prepustnost ~100.000) in nizko koercitivnost. Priljubljena znamka permaloja za izdelavo fluxgates je 80НХС - 80% niklja + kroma in silicija z indukcijo nasičenja 0,65-0,75 T, ki se uporablja za jedra majhnih transformatorjev, dušilk in relejev, ki delujejo v šibkih poljih magnetnih zaslonov, za jedra impulznih transformatorjev, magnetnih ojačevalnikov in brezkontaktnih relejev, za jedra magnetnih glav.
Odvisnost relativne magnetne prepustnosti od poljske jakosti za nekatere sorte permaloja ima obliko -

Če na jedro deluje konstantno magnetno polje, se v merilni tuljavi pojavi napetost celo harmoniki, katerih velikost služi kot merilo jakosti konstantnega magnetnega polja. Ta napetost se filtrira in izmeri.

dvopalični fluxgate

Primer je naprava, opisana v knjigi Karalisa V.N. "Elektronska vezja v industriji" -



Naprava je zasnovana za merjenje konstantnih magnetnih polj v območju 0,001 ... 0,5 oersteda.
Navitja polja senzorja L1 in L3 vključen števec. Merjenje navitja L2 navita čez navitja polja. Vzbujalna navitja se napajajo s tokovno frekvenco 2 kHz iz potisno-vlečnega generatorja z induktivno povratne informacije. Način generatorja se stabilizira z DC uporovni delilnik R8 in R9.

fluxgate s toroidnim jedrom
Ena od priljubljenih možnosti zasnove magnetometra s fluksnim zasnovo je fluxgate s toroidnim jedrom ( fluxgate obročnega jedra) -

V primerjavi s paličnimi pretočnimi zapornicami ima ta oblika manj hrupa in zahteva ustvarjanje veliko manjša magnetna sila.

Ta senzor je vzbujevalno navitje, navito na toroidno jedro, skozi katerega teče izmenični tok z amplitudo, ki zadostuje, da jedro privede do nasičenosti, in merilno navitje, iz katerega se odstrani izmenična napetost, ki se analizira za merjenje zunanjega magnetnega polja.
Merilno navitje je navito čez toroidno jedro in ga v celoti pokriva (na primer na posebnem okvirju) -


Ta zasnova je podobna originalni zasnovi fluxgate (dodan je kondenzator za doseganje resonance pri drugem harmoniku) -

Uporaba protonskih magnetometrov
Protonski magnetometri se pogosto uporabljajo v arheoloških raziskavah.
Protonski magnetometer je omenjen v znanstvenofantastičnem romanu Michaela Crichtona "Ujeti v čas". Časovnica") -
Pokazal je navzdol mimo svojih stopal. Tri težka rumena ohišja so bila pritrjena na sprednje nosilce helikopterja. "Trenutno imamo pri sebi stereo zemljevide terena, infrardeči, UV in radar za stransko skeniranje." Kramer je pokazal skozi zadnje okno proti šest metrov dolgi srebrni cevi, ki je visela pod helikopterjem na zadnji strani. "In kaj je to?" "Protonski magnetometer." "Uh-huh. In kaj naredi?" "Išče magnetne anomalije v tleh pod nami, ki bi lahko kazale na zakopane zidove, keramiko ali kovino."

Cezijevi magnetometri

Vrsta kvantnih magnetometrov so atomski magnetometri alkalijskih kovin z optičnim črpanjem.

cezijev magnetometer G-858

Overhauserjev magnetometer

Polprevodniški magnetometri

Najbolj dostopni so magnetometri, vgrajeni v pametne telefone. Za Android dobra aplikacija uporaba magnetometra je . Stran za to aplikacijo je http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Nastavitev magnetometrov

Za testiranje fluxgate lahko uporabite. Helmholtzeve tuljave se uporabljajo za ustvarjanje skoraj enakomernega magnetnega polja. V idealnem primeru predstavljata dva enaka obročasta zavoja, povezana drug z drugim zaporedno in nameščena na razdalji polmera zavoja drug od drugega. Običajno so Helmholtzove tuljave sestavljene iz dveh tuljav, na katerih je navito določeno število ovojev, debelina tuljave pa mora biti veliko manjša od njunega polmera. V realnih sistemih je lahko debelina tuljav primerljiva z njihovim polmerom. Tako lahko sistem Helmholtzovih obročev obravnavamo kot dve koaksialno nameščeni enaki tuljavi, katerih razdalja med središči je približno enaka njunemu povprečnemu polmeru. Ta sistem tuljav se imenuje tudi razcepljeni solenoid ( razcepljeni solenoid).

V središču sistema je območje enotnega magnetnega polja (magnetno polje v središču sistema v prostornini 1/3 polmera obročev homogen v 1%), ki se lahko uporablja za namene merjenja, za kalibracijo senzorjev magnetne indukcije itd.

Magnetna indukcija v središču sistema je definirana kot $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\desno) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
kjer je $N$ število ovojev v vsaki tuljavi, $I$ je tok skozi tuljavi, $R$ je povprečni polmer tuljave.

Helmholtzeve tuljave se lahko uporabljajo tudi za zaščito zemeljskega magnetnega polja. Če želite to narediti, je najbolje uporabiti tri medsebojno pravokotne pare obročev, potem njihova usmeritev ni pomembna.

V zadnjem času ni bilo bistvenih sprememb v principih merjenja magnetnega polja. Na področju magnetnih raziskav so se uveljavile metode, ki temeljijo na pojavu magnetne resonance, optične orientacije atomov ... Flux-gate naprave se uporabljajo za določanje magnetnih lastnosti kamnin in opazovanja v vrtinah ter astatični magnetometri in kamnine. generatorji se uporabljajo za merjenje preostale magnetizacije. Oglejmo si podrobneje takšno napravo, kot je magnetometer.

Magnetometer- naprava za merjenje karakteristik magnetnega polja in magnetnih lastnosti snovi (magnetnih materialov). Glede na vrednost, ki jo določamo, ločimo instrumente za merjenje: jakosti polja (oerstedmetri), smeri polja (inklinatorji in deklinatorji), gradienta polja (gradientometri), magnetne indukcije (teslametri), magnetnega pretoka (Webermetri ali fluksmetri), prisilne sile. (koercimetri), magnetna prepustnost (mu-metri), magnetna susceptibilnost (kapa-metri), magnetni moment.

V ožjem pomenu so magnetometri instrumenti za merjenje jakosti, smeri in gradienta magnetnega polja.

Najpomembnejši parameter magnetometra je njegova občutljivost. Hkrati je skoraj nemogoče formalizirati ta parameter in ga narediti enotnega za vse magnetometre, ne le zato, ker se magnetometri razlikujejo po principu delovanja, temveč tudi po zasnovi pretvornikov in funkciji obdelave signalov. Pri magnetometrih je občutljivost običajno označena z velikostjo magnetne indukcije polja, ki jo naprava lahko zazna. Običajno se občutljivost meri v nanoteslu (nT) 1nT = (1E-9) T.

Zemljino polje je približno 35000nT (35µT). To je povprečna vrednost - v različnih delih sveta se giblje v razponu od 35000nT (35µT) - 60000nT (60µT). Tako je naloga iskanja feromagnetnih predmetov zaznavanje v ozadju zemeljskega naravnega polja povečanja polja, ki ga povzročajo izkrivljanja feromagnetnih predmetov.

Obstaja več fizikalnih principov in na njih temelječih tipov magnetometričnih instrumentov, ki omogočajo beleženje minimalnih sprememb v zemeljskem magnetnem polju ali popačenj, ki jih povzročajo feromagnetni predmeti. Sodobni magnetometri imajo občutljivost od 0,01nT do 1nT, odvisno od principa delovanja in razreda problemov, ki jih rešujemo.

Obstajajo magnetometri za merjenje absolutnih vrednosti karakteristik polja in relativnih sprememb polja v prostoru ali času. Slednji se imenujejo magnetni variometri. Magnetometri so razvrščeni tudi glede na pogoje delovanja in končno glede na fizikalne pojave, na katerih temelji njihovo delovanje.

Obstaja več vrst magnetometrov, ki temeljijo na različnih principih delovanja, kot so: fluxgate, magnetoinduktivni, Hallov efekt, magnetorezistivni, kvantni (protonski).

Oglejmo si podrobneje pretvornike magnetnega polja fluxgate, upoštevamo njihovo načelo delovanja, zasnovo in merilno tehnologijo.

Odkritje lastnosti visoke magnetne prepustnosti v zlitinah železa in niklja - permalojih je pripeljalo do izdelave magnetometrov s fluxgate ali flux-sensing magnetometrov, katerih delovanje senzorjev temelji na učinku reakcije magnetne prepustnosti permalojskih jeder na delovanje zemeljskega stalnega magnetnega polja pri napajanju z izmeničnim tokom.

Pretvornik magnetnega polja s flukszatom ali fluxgate je zasnovan za merjenje in prikazovanje konstantnih in počasi spreminjajočih se magnetnih polj in njihovih gradientov. Delovanje fluxgatea temelji na spremembi magnetnega stanja feromagneta pod vplivom dveh magnetnih polj različnih frekvenc. Odvisno od velikosti uporabljene napetosti lahko fluxgate deluje na principu temenskega tipa in principu drugega harmonika. Naprave, ki delujejo na principu druge harmonike, so postale vse bolj razširjene(3).

Za feromagnetne sonde je značilno:

Visoka občutljivost - najmanjša sprememba elementa izmerjenega polja, ki jo naprava lahko registrira ob spremembi komponente moči; občutljivost najboljših naprav je 1 nT, za kotno vrednost - 01 s;

Možnost natančne (0,1%) kalibracije;

Nizek temperaturni koeficient, manjši od 0,01 nT/deg. Celzija v temperaturnem območju od -20 do +50 stopinj. Celzija;

Nizka raven lastnega hrupa;

Majhne velikosti (10-20 cm) in teže (1-2 kg z merilno enoto);

Nizka poraba energije(2).

Na sl. Slika 1 shematično prikazuje nekatere možnosti zasnove za fluxgates.

riž. 1

V najpreprostejši različici je fluxgate sestavljen iz feromagnetnega jedra in dveh tuljav, nameščenih na njem: vzbujalne tuljave, ki se napaja z izmeničnim tokom, in merilne (signalne) tuljave. Jedro fluxgate je izdelano iz materialov z visoko magnetno prepustnostjo. Izmenična napetost s frekvenco od 1 do 300 kHz se napaja v vzbujevalno tuljavo iz posebnega generatorja (odvisno od ravni parametrov in namena naprave). V odsotnosti izmerjenega magnetnega polja se jedro pod vplivom izmeničnega magnetnega polja H, ki ga ustvari tok v vzbujevalni tuljavi, ponovno magnetizira v simetričnem ciklu. Sprememba magnetnega polja, ki jo povzroči obrat magnetizacije jedra vzdolž simetrične krivulje, inducira emf v signalni tuljavi, ki se spreminja po harmoničnem zakonu. Če hkrati na jedro deluje izmerjeno konstantno ali počasi spreminjajoče se magnetno polje Ho, potem obratna krivulja magnetizacije spremeni svojo velikost in obliko ter postane asimetrična. V tem primeru se spremeni velikost in harmonična sestava EMF v signalni tuljavi. Pojavijo se zlasti enakomerne harmonične komponente EMF, katerih velikost je sorazmerna z jakostjo izmerjenega polja in ki jih med simetričnim ciklom obračanja magnetizacije ni.

Fluxgates so razdeljeni na:

palica z enim elementom (a)

diferencial z odprtim jedrom (b)

diferencial z zaprtim (obročastim) jedrom (c).

Diferencialni fluxgate (sl. b, c) je praviloma sestavljen iz dveh jeder z navitji, ki sta povezani tako, da so lihe harmonične komponente praktično kompenzirane. To poenostavi merilno opremo in poveča občutljivost fluxgatea. Za sonde fluxgate je značilna zelo visoka občutljivost na magnetna polja. Sposobni so zapisati magnetna polja z močjo do 10-4-10-5 A/m (~10-10-10-11 T).

Sodobne zasnove fluxgate so kompaktne. Prostornina fluxgatea, s katerim so opremljeni domači magnetometri G73, je manjša od 1 cm 3, trikomponentni fluxgate za magnetometer G74 pa se prilega kocki s stranico 15 mm

Kot primer na sl. Slika 2 prikazuje zasnovo in dimenzije miniaturne palice fluxgate.

riž. 2

Zasnova fluxgate je precej preprosta in ne zahteva posebna pojasnila. Njegovo jedro je izdelano iz permaloja. Ima po dolžini spremenljiv prerez, ki se v osrednjem delu jedra, na katerem sta navita merilno in vzbujalno navitje, zmanjša za približno 10-krat. Ta zasnova zagotavlja z relativno kratko dolžino (30 mm) visoko magnetno prepustnost (1,5x105) in nizko vrednost nasičene poljske jakosti v osrednjem delu jedra, kar vodi do povečanja fazne in časovne občutljivosti fluxgate. Zaradi tega je izboljšana tudi oblika izhodnih impulzov v merilnem navitju fluxgatea, kar omogoča zmanjšanje napak v vezju za generiranje časovno impulznega signala. Merilno območje pretvornikov fluxgate standardne izvedbe je ±50…±100 A/m (±0,06…±0,126 mT).Gostota magnetnega šuma v frekvenčnem pasu do 0,1 Hz za fluxgates s paličnimi jedri je 30 - 40 μA / m (m x Hz1/2), odvisno od vzbujalnega polja, ki se zmanjšuje, ko se slednje povečuje. V frekvenčnem pasu do 0,5 Hz je gostota šuma 3 - 3,5-krat večja. Eksperimentalna študija obročastih zapornikov pretoka je razkrila, da je njihova raven hrupa za red velikosti nižja od ravni hrupa pretokov s paličnimi jedri (3).