Hazineleri ve hazineleri arayın: Manyetometreler - temel bilgiler. Fluxgate manyetometreleri Ferromanyetik çekirdekli ve üç sargılı manyetometre

Yüksüz durumda ideal bir transformatörün vektör diyagramını oluşturalım (Şekil 15.34).

Rölantide mıknatıslanma kuvveti

Şimdi ideal bir transformatör için yükü altında eşdeğer bir devre çizelim (Şekil 15.35).

İkincil sargının terminallerine dirençli bir yük bağlıysa Z N o zaman içinden bir akım geçecektir bu da manyetik akıyı azaltma eğiliminde olacaktır ve bu emk'de bir azalmaya yol açacaktır. , bunun sonucunda mevcut artacak öyle bir değere ulaşacak ki manyetik akı orijinal değerine kavuşacak ve denklem (15.35) yerine getirilecektir.

Böylece ikincil devrede akımın ortaya çıkması, birincil devrede akımın artmasına neden olur. Yüklü bir transformatörde çekirdekteki manyetik akı, yüksüz durumdaki manyetik akıya eşittir; Her zaman F= sabit Yük altında manyetik akı birincil ve ikincil sargıların mıknatıslanma kuvvetlerinin etkisi altında yaratılır:

Yük altında ideal bir transformatörün vektör diyagramını oluşturalım (Şekil 15.36).

Endüktif kuplajdan kurtulacağımız ideal bir transformatörün eşdeğer devresini dönüştürelim. Transformatör sargılarının aynı terminallerini birbirine bağlarsanız transformatörün çalışma modu değişmeyecektir.

Öncelikle artık ortak bir noktaya sahip olan tümevarımsal olarak eşleşmiş elemanları ele alalım. Bu durumda iki elemanın bağlanma katsayısı bire eşit tüm manyetik akı birincil ve ikincil sargıların dönüşleriyle tamamen kilitlendiğinden, yani.

bu nedenle, göz önüne alındığında w 1 = w 2'de şunu buluyoruz:

Şimdi devrenin bir kısmını ortak noktaya sahip endüktif olarak bağlanmış elemanlarla değiştirelim (Şekil 15.37). A) endüktif bağlantı olmadan eşdeğer bir devreye (Şekil 15.37) B).

;

;

Bulunanları dikkate alarak devre, Şekil 15.37'de gösterilen formu alır. V ve ideal bir transformatörün eşdeğer devresi, Şekil 15.38'de gösterilen tiptedir.

Şimdi her iki sargının aktif ve endüktif kaçak direncini hesaba katarsak, o zaman bir transformatör için w 1 = wŞekil 2'de, Şekil 15.39'da gösterilen eşdeğer devreyi elde ederiz.

Devrenin birincil ve ikincil devrelerinin denklemlerini yazalım:

Devrenin bir vektör diyagramını oluşturalım (Şekil 15.40).

Küçük sabit ve alternatif manyetik alanları ölçmek için, en basit haliyle yumuşak manyetik malzemeden yapılmış çubuklar olan ve biri geçici bir manyetik akı oluşturan, diğeri ölçüm yapan iki sargıya sahip olan fluxgate'ler kullanılır.

Sinüzoidal şekilli bir alternatif akım, uyarma sargısından geçtiğinde, çekirdeğin manyetik durumu dinamik bir histerezis döngüsü boyunca değişecek ve örneğin ölçüm sargısında görünecektir. temel frekansa ek olarak daha yüksek tek harmonikler içerecek olan d.s.

Pirinç. 21. Şematik diyagram balistik kurulum: elektromıknatıs, ölçüm bobini, balistik galvanometre, referans bobininin birincil ve ikincil sargıları, anahtarlar, anahtar, reostat sistemi, A - ampermetre

Pirinç. 22. Ölçüm probunun şematik tasarımı

Böyle bir prob, çekirdeğin ekseni boyunca alternatif alanla aynı yönde yönlendirilmiş sabit bir manyetik alana yerleştirilirse, çekirdeğin manyetik durumu zaten asimetrik bir özel döngüde değişecektir. Bu, sabit bir alanın hareket yönünde, çekirdeğin mıknatıslanma tersine çevrilmesinin, alternatif alanın daha düşük değerlerinde, sabit bir alanın yokluğundan ve ters yönde sabit bir alandan meydana geleceği gerçeğiyle açıklanmaktadır. alan mıknatıslanmanın tersine çevrilmesini önleyecektir. Bu durumda e eğrisinde. d.s. Tek harmoniklerin yanı sıra, çoğunlukla ikinci harmonikler olmak üzere çift harmonikler de ortaya çıkacaktır. e'nin değerinin olduğu ortaya çıktı. d.s. Bu

Harmonikler manyetik alan kuvvetiyle orantılıdır. Boyuta göre e. d.s.'yi bu harmonikle orantılı olarak ölçün ve alan gücünü ölçün.

İncirde. Şekil 22, çekirdeği yumuşak manyetik malzeme permalloyundan yapılmış olan ölçüm sondalarından birinin şematik tasarımını göstermektedir. Çekirdek 20-50 kalınlıktaki plakalardan oluşur.Çekirdeğin her iki tarafına zıt yönlerde bir telin aynı sayıda dönüşü sarılırsa, her sarımın yarattığı manyetik akı eşit olacaktır.

Pirinç. 23. Köprü tipi manyetik probun şematik tasarımı

Pirinç. 24. Köprü tipi prob cihazına

Sargılar birbirine seri olarak bağlanır. Ölçme bobini (3) çekirdek (1) üzerine yerleştirilir. Eğer alternatif akım sargının (2) dönüşlerinden geçerse, ölçüm bobininde bu meydana gelmeyecektir, çünkü her bir sargıdan (2) zaman içinde manyetik akıdaki değişiklikler eşit ve zıt yönde olacaktır. Çekirdek, sarımların ve bobinin kesit düzlemine dik olarak yönlendirilen sabit ve düzgün bir alana yerleştirildiğinde, sabit alan alternatif akım oluşturacağından, sarımlar (2) arasındaki boşlukta manyetik akıların yeniden dağılımı meydana gelecektir. Bunun sonucunda ölçüm bobininde (3) bir elektromotor kuvvet ortaya çıkacaktır. Bu e. d.s. manyetik alan kuvvetiyle orantılı olacaktır. Böyle bir probu kullanarak 103 Hz alternatif akım frekansında manyetik alanları ölçmek mümkündür.

Şu anda köprü tipi manyetik problar var. Bu köprülerden biri Şekil 2'de gösterilmektedir. 23. Köprü, yumuşak manyetik malzemeden kesilmiştir (Şek. 24). Bir yarısı uzunlamasına ve diğer yarısı haddeleme boyunca kesilmiş birkaç tabakadan birleştirilir. Bu, köprü kollarının optimum manyetik homojenliğini sağlar ve kolların manyetik temasını geliştirir. Segmentler katlanır ve köprünün ikinci bir köşegeni oluşacak şekilde birbirine bağlanır. Bobinler 1 ve 2 köprünün köşegenlerinde bulunur ve bunlardan herhangi biri ölçülebilir veya heyecan verici olabilir. Uyarma bobini sarımı endüstriyel veya

artan frekans. Manyetik köprü dengededir ve harici bir sabit manyetik alan olmadığında ölçüm bobininde emisyon meydana gelmez. d.s. Köprü harici sabit bir manyetik alana yerleştirilirse, köprünün dengesi bozulur, köprünün köşegeninde alternatif bir manyetik akı görünecek ve ölçüm bobininde bir emisyon görünecektir. d.s. büyüklüğü dış alan kuvvetinin değerini belirleyen indüksiyon. Maksimum değer e. d.s. Dış alan köprünün iki zıt koluna paralel olarak yönlendirilirse ölçüm bobininde meydana gelir. Hassasiyeti arttırmak için bazen kutuplarla manyetik bir köprü yapılır (Şek. 25).

Pirinç. 25. Kutuplu manyetik probun şematik tasarımı

Manyetik olarak doymuş bir probun kullanıldığı durumda, manyetik alan kuvvetini m'ye kadar ölçmek için oldukça hassas bir telafi manyetometresini düşünelim. Manyetometrenin şematik diyagramı ve manyetik olarak doymuş probun kesiti Şekil 1'de gösterilmektedir. 26 ve 27.

Manyetometre devresi bir uyarı ve sinyal devresi, bir dengeleme devresi ve cihazın hassasiyetini test etmek için bir devreden oluşur.

Uyarım ve sinyal devresi bir jeneratör (4), bir frekans çiftleyici (5), bir faz ayırıcı (6), bir rezonans amplifikatörü (7) ve bir gösterge cihazı (8) içerir. Hassasiyeti arttırmak için cihaz, solenoidin (2) ölçülen alanının kullanıldığı bir dengeleme ölçüm yöntemi kullanır. büyüklüğü bilinen ve ters yöndeki başka bir alan tarafından telafi edilir. Bu alan, içine prob 1'in yerleştirildiği akım taşıyan bir bobin tarafından oluşturulur. Dengeleme bobini 3, geleneksel bir solenoid şeklinde veya kapalı bir bobin formunda kullanılır. İkinci tip bobin, ferromanyetik malzemeler manyetometrenin yakınına yerleştirildiğinde kullanılır.

Telafi, numunenin ölçüm sargısından geçen bir akım kullanılarak da gerçekleştirilebilir. Bu durumda ölçüm başlığının boyutları önemli ölçüde azalır, ancak dengeleme alanının tekdüzeliği bozulur. Kompanzasyon devresine güç vermek için şunu kullanın: Şarj edilebilir pil geniş kapasite. Manyetik olarak doyurulmuş prob, molibden kalıcı alaşımından yapılmış iki çekirdekten (6) oluşur. Çekirdekler, haddelenmiş malzeme boyunca kesilen ve ısıl işleme tabi tutulan büyüklükteki plakalardan birleştirilir. Çekirdeklerin üzerinde çapı 1400 tur tel olan bir uyarma sargısı (4) ve 400 tur telli bir ölçüm sarımı (3) bulunmaktadır.

Uyarma sargısına 25 V Hz'lik bir voltaj sağlanır. Uyarma akımı 0,3 A'dır. Bu koşullar altında kurulum en büyük hassasiyete sahiptir. Ölçümlere başlamadan önce, Helmholtz bobinlerindeki çekirdek hareket ettirilerek prob ayarlanır. Ölçüm sargısından alınan sinyal, ayarlanmış bir rezonans amplifikatörü tarafından güçlendirilir ve daha sonra bir faz ayırıcıya beslenir. Sıfır cihazının işaretçisinin 2-3 bölüm sapması, manyetik alan kuvvetine karşılık gelir Açıklanan manyetometre, çalışma sırasında stabildir ve modu, pratik olarak dış koşullardaki değişikliklerden (sıcaklık, mekanik titreşimler, vb.) bağımsızdır.

Pirinç. 26. Manyetik problu bir manyetometrenin şematik diyagramı: 1 - prob, 2 - solenoid, 3 - dengeleme bobini, 4 - jeneratör, 5 - frekans çiftleyici, 6 - faz ayırıcı, 7 - dirençli amplifikatör, 8 - gösterge cihazı, dengeleme devre, cihazın hassasiyetini kontrol etmeye yarayan devre

Çalışma, 0.18X1.75X100 boyutlarında iki permal alaşım çekirdekten oluşan bir sondanın optimum çalışma koşullarının hesaplanmasını sağlar.Uyarma sargısı 350 tur uzunluğunda telden sarılır.Ölçüm sarımı 1500 tur telden oluşur. Tesisatın çıkışında yalnızca izin gününün değerini kaydeden bir voltmetre açılır e. d.s. ikinci harmonik. Bu harmoniğin genliğinin etkin değerini hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanın:

ölçülen dış manyetik alan nerede, ikinci harmonikte probun dış alana duyarlılığı. Son değer formülle belirlenir

ölçüm sargısının dönüş sayısı, çekirdeklerin kesit alanı, uyarma sargılarını besleyen alternatif akımın frekansı olduğunda, akı dağılımını hesaba katan bir katsayı, manyetik bağlı olarak belirli bir sabittir malzemenin özellikleri ve manyetikliği giderme faktörü.

Hassasiyet, gücü formül kullanılarak hesaplanan öngerilim akımının optimal değerinde belirlenir.

alan sargısındaki dönüş sayısı nerede.

Açıklanan prob, uzun bir çekirdek kullanıldığında yüksek hassasiyete sahiptir.

Grabovsky ve Skorobogatov, zorlayıcı kuvveti ölçmek için permalloy bir fluxgate kullandılar.Kurulumları, aralarında uzunluk, genişlik ve kalınlıkta bir fluxgate'in bulunduğu tamamen aynı iki mıknatıslama bobininden oluşuyordu.Bobinlerden öyle bir yönde bir akım geçirildi ki fluxgate'in kapladığı alan nedeniyle bobinlerin manyetik alanları karşılıklı olarak dengelendi. Zorlayıcı kuvveti ölçmek için, bobinlerden birine mıknatıslanmış bir numune yerleştirildi ve numunenin manyetik alanı, akı kapısı üzerinde bulunan gösterge sargısında bulunan cihazın iğnesinin sapmasına neden oldu. Mıknatıslama bobinlerinden doğru akım geçirilerek numunenin mıknatıslığı yavaş yavaş giderildi. Gösterge cihazının iğnesinin sıfır konumuna döndüğü anda bobinlerdeki akım kuvveti ölçülmüş ve bobin sabiti nerede formülü kullanılarak zorlayıcı kuvvetin değeri hesaplanmıştır.

Pirinç. 27. (taramaya bakın) Manyetik probun bölümü: 1 - akım taşıyan yapraklar, 2 - gövde, 3 - ölçüm sargısı, 4 - uyarma sargısı, 5 - çerçeve, 6 - çekirdek, 7 - yalıtım contası

Açıklanan koersimetreyi kullanarak %2-3'lük bir doğrulukla hızlı bir şekilde ölçüm yapabilirsiniz.

Janus koersimetresinde fluxgate, yanlarında iki sargı bulunan bir çerçeve şeklindedir: uyarma ve ölçme. Test numunesi, uçları solenoidden dışarı çıkacak şekilde solenoidin içine yerleştirilir. Orta kısmı fluxgate çekirdeği tarafından kapatılan bir demir boyunduruğa bitişiktirler.

Drozhzhina ve Friedman bir akış kapısı önerdi

Yumuşak manyetik malzemelerin manyetik özelliklerini incelemek için manyetometre. Manyetometrelerinde, hareketli astatik sistemin yerini fluxgate'ler aldı, bu da sıfır dalgalanmaları ortadan kaldırmayı mümkün kıldı. Fluxgate, kalıcı alaşımdan yapılmış iki çekirdekten oluşur.Alan sargıları, çekirdeklerin manyetik akılarının karşılıklı olarak kapalı olması için seri olarak bağlanır. Fluxgate'in ölçüm sargıları diferansiyel olarak bağlanır ve harici bir sabit alan olmadan indüklenenlerin toplamı örn. d.s. bu sargılarda sıfırdır. E'de sabit bir manyetik alanın varlığında. d.s. büyüklüğü bu alanı belirleyen harmonikler bile ortaya çıkar.

Bir fluxgate manyetometresi yatay olarak birbirinin altına yerleştirilmiş iki özdeş solenoidden oluşur ve bunlardan birine incelenen numune yerleştirilir. Diferansiyel akı kapısı bu solenoidlerin arasında bulunur. Numune içermeyen solenoidlerin manyetik alanları, fluxgate'in bulunduğu hacimde karşılıklı olarak telafi edilir.

Yüksek kaliteli ölçümler için, astatik bir fluxgate manyetometresi kullanmak daha iyidir. Bu uygulamada, bir fluxgate solenoidlerin arasına yerleştirilmiştir ve diğeri paralel yatay düzlemde birinciden belli bir mesafede bulunmaktadır. Bu fluxgate'lerin sargıları birbirine seri olarak bağlanmıştır.

Bir fluxgate manyetometresi kullanarak, yumuşak manyetik malzemelerin mıknatıslanma eğrisini, histerezis döngüsünü ve zorlayıcı kuvvetini belirleyebilirsiniz. Mıknatıslanma eğrisi ve histerezis döngüsü telafi yöntemi kullanılarak ölçülür. Bu amaçla, dengeleme sargısından, manyetik alanı, probun bulunduğu bölgedeki mıknatıslanmış numunenin alanını telafi eden bir akım geçirilir. Zorlayıcı kuvveti ölçmek için numuneyi mıknatıslamanız ve ardından manyetikliği giderme alanını artırarak gösterge cihazının okumalarını sıfıra düşürmeniz gerekir. Basit şema ve hızlı ölçüm süreci, fluxgate manyetometresinin diğer manyetometrelere göre avantajlarından biridir ve bu, Bölüm V'te anlatılacaktır. Son zamanlarda, hızlandırıcılarda ve spektrometrelerde manyetik alanı incelemek için bazı manyetik prob türleri kullanılmaya başlandı. Çalışmalarda probların bir açıklaması da mevcuttur.

Bu tip manyetometrelerde, manyetik olarak hassas eleman, üzerine birincil (uyarıcı) sargının sarıldığı, permalloydan (bir demir-nikel alaşımı - yumuşak bir manyetik ferromıknatıs) yapılmış iki ince ve uzun çubuktan oluşan bir akı kapısıdır. ters yön. Ek olarak, her iki çekirdek de birincil sargıyla birlikte ikincil (ölçüm) sargıyla kaplanmıştır (Şekil 3.15 a). Yumuşak manyetik ferromıknatıslar, histerezis döngüsünün tek bir eğri olarak kabul edilebilecek kadar dar olmasıyla karakterize edilir (Şekil 3.15 b).

Pirinç. 3.15. Fluxgate manyetometresinin çalışma prensibi

İkinci harmonik türü.

Fluxgate'in çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Kullanarak dış kaynak Birincil (uyarıcı) sargıdan w frekanslı bir akım (çoğunlukla 400 Hz) geçirilir. Harici bir manyetik alan yoksa, çekirdeklerin başlangıçtaki mıknatıslanması sıfırdır. Her yarım çevrimde w frekanslı bir akım geçtiğinde, çekirdeklerdeki indüksiyon darbeleri ters yönde yönlendirilir ve birbirini telafi eder (Şekil 3.15 b). Bu nedenle zamanın her anında çekirdeklere en yakın alandaki toplam indüksiyon sıfırdır ve ölçüm sargısında sinyal indüklenmez, yani. aynı zamanda sıfırdır.

Her yarım döngüde bir dış alan T ortaya çıktığında (ölçülmesi gereken), bu alan çekirdeklerden birinin indüksiyonu ile çakışır ve diğer çekirdeğin indüksiyonu ters yönde yönlendirilir, bu da bir kaymaya eşdeğerdir. çekirdeklerin indüksiyonunda. Çekirdeklerin yakınındaki uzaydaki toplam (toplam B S) indüksiyon, toplanarak, 2w frekansıyla değişen alternatif bir manyetik akı oluşturur (Şekil 3.15.b). Bu akı, ölçüm sargısında 2w frekanslı ve sargılardaki indüksiyonun "kayması" - dış mıknatıslama alanı T ile orantılı bir genliğe sahip bir elektrik sinyalini indükler.

Bu alanı ölçmek için, yalnızca bir filtre (F) kullanarak 2w (800 Hz) frekanslı bir sinyal seçmeniz, onu bir amplifikatör (U) ile güçlendirmeniz, alanın işaretini (faz) bir faz ile belirlemeniz yeterlidir. hassas dedektör (PSD) ve genliğini bir metre (I) ile ölçün. Bu durumda sinyal genliğini ölçen cihaz, manyetik alan kuvveti veya indüksiyon birimleri cinsinden kalibre edilebilir. Böyle bir fluxgate'e "ikinci harmonik tip fluxgate" denir.

Manyetik araştırmalar için böyle bir akış kapısının yararlı bir özelliği, sondanın ekseni boyunca yönlendirilen manyetik alan kuvvetinin bileşenini ölçebilmesidir. Yani, T alanı çekirdeklere dik olarak yönlendirilirse, o zaman sargılarda indüksiyonda herhangi bir "kayma" olmayacak ve ikincil sargıda sinyal olmayacaktır.

Bu özellik, yöntemin avantajlarından biri olan manyetik alan indüksiyonunun bileşen ölçümleri (yani eksenler boyunca üç bileşenin ölçümleri) olarak adlandırılan ölçümlerin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. Yöntemin dezavantajı, cihazın sıfır ofsetinin varlığıdır; bu, cihazın 1 nT'lik yüksek hassasiyet eşiğinde bile yüksek doğrulukta ölçümlere izin vermez.

Fluxgate'in başka isimleri de vardır: manyetik doyum probu, manyetik modülasyon sensörü (MMD). Yabancı literatürde akış - tarih (akı kapısı) - akış geçişi olarak adlandırılır.

Manyetometre Manyetik alan indüksiyonunu ölçmek için tasarlanmıştır. Manyetometre, belirli fiziksel etkiler yoluyla izin veren bir referans manyetik alanı kullanır. Ölçülen manyetik alanı elektrik sinyaline dönüştürün.
Ferromanyetik (çoğunlukla çelik) malzemelerden yapılmış büyük nesnelerin tespit edilmesi için manyetometrelerin uygulamalı kullanımı, Dünya'nın manyetik alanının bu nesneler tarafından yerel olarak bozulmasına dayanmaktadır. Manyetometre kullanmanın geleneksel metal dedektörlerine göre avantajı şudur: daha uzun algılama aralığı.

Fluxgate (vektör) manyetometreleri

Manyetometrenin bir türü . Fluxgate, Friedrich Förster tarafından icat edildi ( )

1937'de ve belirlemeye hizmet ediyor manyetik alan indüksiyon vektörü.

Fluxgate tasarımı

tek çubuklu fluxgate

En basit fluxgate, üzerine bir uyarma bobininin yerleştirildiği kalıcı alaşımlı bir çubuktan oluşur (( tahrik bobini), alternatif akımla çalışan ve bir ölçüm bobini ( dedektör bobini).

Kalıcı alaşım- demir ve %45-82 nikelden oluşan, yumuşak manyetik özelliklere sahip bir alaşım. Permalloy yüksek manyetik geçirgenliğe (maksimum bağıl manyetik geçirgenlik ~100.000) ve düşük zorlayıcılığa sahiptir. Fluxgate üretimi için popüler bir permalloy markası, manyetik ekranların zayıf alanlarında çalışan küçük boyutlu transformatörlerin, bobinlerin ve rölelerin çekirdekleri için kullanılan, 0,65-0,75 T doygunluk indüksiyonuna sahip 80НХС -% 80 nikel + krom ve silikondur. Darbe transformatörlerinin, manyetik amplifikatörlerin ve temassız rölelerin çekirdekleri için, manyetik kafa çekirdekleri için.
Bazı permal alaşım türleri için bağıl manyetik geçirgenliğin alan kuvvetine bağımlılığı şu şekildedir:

Çekirdeğe sabit bir manyetik alan uygulanırsa ölçüm bobininde bir voltaj belirir eşit Büyüklüğü sabit bir manyetik alanın gücünün bir ölçüsü olarak hizmet eden harmonikler. Bu voltaj filtrelenir ve ölçülür.

çift ​​çubuklu fluxgate

Bir örnek kitapta açıklanan cihazdır Karalisa V.N. "Elektronik devreler endüstride" -



Cihaz, 0,001 ... 0,5 oersted aralığındaki sabit manyetik alanları ölçmek için tasarlanmıştır.
Sensör alanı sargıları L1 Ve L3 sayaç dahil. Ölçme sargısı L2 alan sargılarının üzerine sarılır. Uyarma sargıları, endüktif bir itme-çekme jeneratöründen gelen 2 kHz'lik bir akım frekansıyla çalıştırılır. geri bildirim. Jeneratör modu şu şekilde dengelenir: DC direnç bölücü R8 Ve R9.

toroidal çekirdekli fluxgate
Bir fluxgate manyetometresi için popüler tasarım seçeneklerinden biri, toroidal çekirdekli bir fluxgate'tir ( halka çekirdek fluxgate) -

Çubuk akış kapakları ile karşılaştırıldığında, bu tasarım daha az gürültü ve yaratmayı gerektirir çok daha düşük manyetomotor kuvveti.

Bu sensör uyarma sargısı, içinden çekirdeği doygunluğa getirmeye yeterli bir genliğe sahip bir alternatif akımın aktığı toroidal bir çekirdek üzerine sarılmış ve sargı ölçümü harici manyetik alanı ölçmek için analiz edilen alternatif voltajın çıkarıldığı yer.
Ölçüm sargısı, toroidal çekirdeğin üzerine sarılarak onu tamamen kaplar (örneğin, özel bir çerçeve üzerinde) -


Bu tasarım orijinal fluxgate tasarımına benzer (ikinci harmonikte rezonansa ulaşmak için bir kapasitör eklenir) -

Proton manyetometrelerinin uygulamaları
Proton manyetometreleri arkeolojik araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Proton manyetometresinden Michael Crichton'un "Trapped in Time" adlı bilim kurgu romanında bahsediliyor. Zaman çizelgesi") -
Ayaklarının aşağısını işaret etti. Helikopterin ön payandalarına üç adet ağır sarı muhafaza tutturuldu. "Şu anda stereo arazi haritalayıcıları, kızılötesi, UV ve yan taramalı radar taşıyoruz." Kramer arkadaki helikopterin altından sarkan bir buçuk metrelik gümüş boruya doğru arka pencereyi işaret etti. "Peki o nedir?" "Proton manyetometresi." "Hı-hı. Peki ne işe yarıyor?" "Aşağımızdaki zeminde gömülü duvarlara, seramiklere veya metallere işaret edebilecek manyetik anormallikleri arar."

Sezyum manyetometreleri

Kuantum manyetometrelerin bir türü, optik pompalamalı alkali metal atomik manyetometrelerdir.

sezyum manyetometresi G-858

Overhauser manyetometreleri

Katı Hal Manyetometreleri

En erişilebilir olanı akıllı telefonlara yerleştirilmiş manyetometrelerdir. İçin Android iyi uygulama manyetometre kullanmak . Bu uygulamanın sayfası http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/'dur.

Manyetometrelerin ayarlanması

Fluxgate'i test etmek için kullanabilirsiniz. Helmholtz bobinleri neredeyse düzgün bir manyetik alan üretmek için kullanılır. İdeal olarak, birbirlerine seri olarak bağlanan ve birbirlerinden bir dönüş yarıçapı kadar uzaklıkta bulunan iki özdeş halka şeklindeki dönüşü temsil ederler. Tipik olarak Helmholtz bobinleri, üzerine belirli sayıda dönüşün sarıldığı iki bobinden oluşur ve bobinin kalınlığı, yarıçaplarından çok daha az olmalıdır. Gerçek sistemlerde bobinlerin kalınlığı yarıçaplarıyla karşılaştırılabilir. Böylece, bir Helmholtz halkaları sistemini, merkezleri arasındaki mesafe yaklaşık olarak ortalama yarıçaplarına eşit olan, eş eksenli olarak yerleştirilmiş iki özdeş bobin olarak düşünebiliriz. Bu bobin sistemine ayrıca bölünmüş solenoid ( bölünmüş solenoid).

Sistemin merkezinde düzgün bir manyetik alan bölgesi vardır (sistemin merkezinde, halkaların yarıçapının 1/3'ü kadar bir hacimde manyetik alan) %1 dahilinde homojen), manyetik indüksiyon sensörlerinin kalibre edilmesi vb. için ölçüm amacıyla kullanılabilir.

Sistemin merkezindeki manyetik indüksiyon şu şekilde tanımlanır: $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\right) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
burada $N$ her bir bobindeki sarım sayısıdır, $I$ bobinlerden geçen akımdır, $R$ bobinin ortalama yarıçapıdır.

Helmholtz bobinleri aynı zamanda Dünya'nın manyetik alanını korumak için de kullanılabilir. Bunu yapmak için, karşılıklı olarak dik üç halka çifti kullanmak en iyisidir, o zaman yönelimleri önemli değildir.

Son zamanlarda manyetik alan ölçüm prensiplerinde önemli bir değişiklik olmamıştır. Manyetik araştırmalar alanında, manyetik rezonans olgusuna, atomların optik yönelimine vb. dayalı yöntemler oluşturulmuştur.Kayaların manyetik özelliklerini ve kuyulardaki gözlemleri belirlemek için akı kapısı kurulumları ve astatik manyetometreler ve kayalar kullanılır. jeneratörler kalıcı mıknatıslanmayı ölçmek için kullanılır. Manyetometre gibi bir cihaz üzerinde daha ayrıntılı olarak duralım.

Manyetometre- manyetik alanın özelliklerini ve maddelerin (manyetik malzemeler) manyetik özelliklerini ölçmek için bir cihaz. Belirlenen değere bağlı olarak, ölçüm için cihazlar ayırt edilir: alan kuvveti (oerstedmetreler), alan yönü (eğimli ve deklinatörler), alan gradyanı (gradyantometreler), manyetik indüksiyon (teslametreler), manyetik akı (Webermetreler veya akış ölçerler), zorlayıcı kuvvet (koersimetre), manyetik geçirgenlik (mu-metre), manyetik duyarlılık (kappa-metre), manyetik moment.

Daha dar anlamda manyetometreler, manyetik alanın gücünü, yönünü ve eğimini ölçen araçlardır.

Bir manyetometrenin en önemli parametresi hassasiyetidir. Aynı zamanda, bu parametreyi resmileştirmek ve tüm manyetometreler için tek tip hale getirmek neredeyse imkansızdır; bunun nedeni, yalnızca manyetometrelerin çalışma prensibi açısından değil, aynı zamanda dönüştürücülerin tasarımı ve sinyal işleme işlevi açısından da farklılık göstermesidir. Manyetometreler için hassasiyet genellikle cihazın kaydedebildiği alanın manyetik indüksiyonunun büyüklüğü ile gösterilir. Tipik olarak hassasiyet nanotesla (nT) 1nT = (1E-9) T cinsinden ölçülür.

Dünyanın alanı yaklaşık 35000nT'dir (35μT). Bu ortalama bir değerdir; dünyanın farklı yerlerinde 35000nT (35μT) - 60000nT (60μT) aralığında değişir. Bu nedenle, ferromanyetik nesneleri aramanın görevi, Dünya'nın doğal alanının arka planına karşı, ferromanyetik nesnelerden kaynaklanan bozulmaların neden olduğu alanda bir artışı tespit etmektir.

Dünyanın manyetik alanındaki minimum değişiklikleri veya ferromanyetik nesnelerin neden olduğu bozulmaları kaydetmeyi mümkün kılan, bunlara dayanan çeşitli fiziksel prensipler ve manyetometrik alet türleri vardır. Modern manyetometreler, çalışma prensibine ve çözülen problemin sınıfına bağlı olarak 0,01nT'den 1nT'ye kadar bir duyarlılığa sahiptir.

Alan özelliklerinin mutlak değerlerini ve alandaki uzay veya zamandaki göreceli değişiklikleri ölçmek için manyetometreler vardır. İkincisine manyetik variometreler denir. Manyetometreler ayrıca çalışma koşullarına ve son olarak da operasyonlarının altında yatan fiziksel olaylara göre sınıflandırılır.

Farklı çalışma prensiplerine dayanan çeşitli manyetometre türleri vardır; örneğin: fluxgate, manyetoindüktif, Hall etkisi, manyetorezistif, kuantum (Proton).

Fluxgate manyetik alan dönüştürücüleri üzerinde ayrıntılı olarak duralım, çalışma prensiplerini, tasarımlarını ve ölçüm teknolojilerini ele alalım.

Demir-nikel alaşımlarında - permalloylarda yüksek manyetik geçirgenlik özelliklerinin keşfi, sensörlerin çalışması permalloy çekirdeklerin manyetik geçirgenliğinin reaksiyonunun etkisine dayanan akı kapısı veya akı algılayan manyetometrelerin oluşturulmasına yol açtı. alternatif akımla çalıştırıldığında dünyanın sabit manyetik alanının etkisi.

Fluxgate manyetik alan dönüştürücüsü veya fluxgate, sabit ve yavaşça değişen manyetik alanları ve bunların gradyanlarını ölçmek ve göstermek için tasarlanmıştır. Bir fluxgate'in etkisi, farklı frekanslardaki iki manyetik alanın etkisi altında bir ferromıknatısın manyetik durumundaki bir değişikliğe dayanmaktadır. Uygulanan voltajın büyüklüğüne bağlı olarak fluxgate, tepe tipi ve ikinci harmonik prensiplere göre çalışabilir. İkinci harmonik prensibine göre çalışan cihazlar daha yaygın olarak kullanılmaya başlandı(3).

Ferromanyetik probların özellikleri:

Yüksek hassasiyet - güç bileşeni değiştiğinde cihazın kaydedebildiği ölçülen alan elemanındaki minimum değişiklik; en iyi cihazların hassasiyeti 1 nT'dir, açısal değer için - 01 sn;

Doğru (%0,1) kalibrasyon imkanı;

Düşük sıcaklık katsayısı, 0,01 nT/dereceden az. Santigrat -20 ila +50 derece arasındaki sıcaklık aralığında. Santigrat;

Düşük düzeyde kendi gürültüsü;

Küçük boyut (10-20 cm) ve ağırlık (ölçü birimiyle 1-2 kg);

Düşük güç tüketimi(2).

İncirde. Şekil 1, fluxgate'ler için bazı tasarım seçeneklerini şematik olarak göstermektedir.

Pirinç. 1

En basit versiyonunda, bir fluxgate ferromanyetik bir çekirdek ve bunun üzerinde bulunan iki bobinden oluşur: alternatif akımla çalışan bir uyarma bobini ve bir ölçüm (sinyal) bobini. Fluxgate çekirdeği yüksek manyetik geçirgenliğe sahip malzemelerden yapılmıştır. Uyarma bobinine özel bir jeneratörden (parametrelerin seviyesine ve cihazın amacına bağlı olarak) 1 ila 300 kHz frekansta alternatif bir voltaj sağlanır. Ölçülen bir manyetik alanın yokluğunda, uyarma bobinindeki akımın yarattığı alternatif bir manyetik alanın H etkisi altındaki çekirdek, simetrik bir döngüde yeniden mıknatıslanır. Çekirdeğin simetrik bir eğri boyunca mıknatıslanmasının tersine çevrilmesinin neden olduğu manyetik alanda bir değişiklik, sinyal bobininde harmonik bir yasaya göre değişen bir emk'ye neden olur. Aynı zamanda ölçülen sabit veya yavaşça değişen bir manyetik alan Ho çekirdeğe etki ederse, o zaman mıknatıslanma ters eğrisi boyutunu ve şeklini değiştirir ve asimetrik hale gelir. Bu durumda sinyal bobinindeki EMF'nin büyüklüğü ve harmonik bileşimi değişir. Özellikle, büyüklüğü ölçülen alanın gücüyle orantılı olan ve simetrik mıknatıslanma ters çevrimi sırasında bulunmayan EMF'nin harmonik bileşenleri bile ortaya çıkar.

Fluxgate'ler ikiye ayrılır:

tek elemanlı çubuk (a)

açık çekirdekli diferansiyel (b)

kapalı (halka) çekirdekli diferansiyel (c).

Bir diferansiyel akı kapısı (Şekil b, c), kural olarak, tek harmonik bileşenlerin pratik olarak telafi edileceği şekilde bağlanan sargılara sahip iki çekirdekten oluşur. Bu, ölçüm ekipmanını basitleştirir ve fluxgate'in hassasiyetini arttırır. Fluxgate probları, manyetik alanlara karşı çok yüksek hassasiyetle karakterize edilir. 10-4-10-5 A/m'ye (~10-10-10-11 T) kadar güçlü manyetik alanları kaydedebilirler.

Modern fluxgate tasarımları kompakttır. Yerli G73 manyetometrelerinin donatıldığı akı kapısının hacmi 1 cm3'ten azdır ve G74 manyetometre için üç bileşenli fluxgate, 15 mm kenarlı bir küpün içine sığar

Örnek olarak Şekil 2'de yer almaktadır. Şekil 2 minyatür bir fluxgate çubuğunun tasarımını ve boyutlarını göstermektedir.

Pirinç. 2

Fluxgate'in tasarımı oldukça basittir ve gerektirmez özel açıklamalar. Çekirdeği permalloydan yapılmıştır. Ölçme sargısının ve uyarma sargısının sarıldığı çekirdeğin orta kısmında yaklaşık 10 kat azalan, uzunluğu boyunca değişen bir kesite sahiptir. Bu tasarım, nispeten kısa bir uzunluk (30 mm), yüksek manyetik geçirgenlik (1,5x105) ve çekirdeğin orta kısmında düşük bir doyma alanı kuvveti değeri sağlar; bu, faz ve zaman hassasiyetinde bir artışa yol açar. akış kapısı. Bundan dolayı, fluxgate'in ölçüm sargısındaki çıkış darbelerinin şekli iyileştirilir, bu da zaman-darbe sinyali üretim devresindeki hataların azaltılmasını mümkün kılar. Standart tasarımlı fluxgate dönüştürücülerin ölçüm aralığı ±50… ±100 A/m (±0,06… ±0,126 mT)'dir.Çubuk çekirdekli fluxgate'ler için 0,1 Hz'e kadar frekans bandındaki manyetik gürültü yoğunluğu 30 - 40 μA'dır. / m (m x Hz1/2) uyarılma alanına bağlı olarak, ikincisi arttıkça azalır. 0,5 Hz'e kadar olan frekans bandında gürültü yoğunluğu 3 - 3,5 kat daha fazladır. Halkalı fluxgate'ler üzerine yapılan deneysel bir çalışma, bunların gürültü seviyesinin, çubuk çekirdekli fluxgate'lerden (3) bir kat daha düşük olduğunu ortaya çıkardı.