7) Физические основы магнитных методов НК. Магнитные преобразователи: феррозонды.
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей, и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот.
На рис. схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек:
катушки возбуждения, питаемой переменным током
и измерительной (сигнальной) катушки.
Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу.
Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону.
Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и стано- вится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке.
В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.
Феррозонды подразделяются на:
стержневые одноэлементные (рис. а)
дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.б)
дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.в).
Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.
Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю.
Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10-4-10-5 А/м (~10-10—10-11 Тл).
8) Физические основы магнитных методов НК. Магнитные преобразователи: датчики Холла.
Датчиком Холла называют устройство, с помощью которого измеряют величину магнитного поля используя эффект Холла. Датчик Холла состоит из полупроводниковой прямоугольной пластинки, к которой присоединены четыре электрических вывода. Схематически чувствительный элемент датчика Холла показан на рис.1.
Эффект Холла заключается в следующем. Пусть образец имеет форму прямоугольной пластинки длиной l, шириной d, толщиной b (см.рис. 1).
Рис.1
Эффект Холла и физические основы работы датчика Холла. Если вдоль образца пропустить электрический ток I, а перпендикулярно плоскости пластинки создать магнитное поле B, то на боковых плоскостях пластинки в направлении CD возникнет электрическое поле, которое называют полем Холла. На практике, как правило, поле Холла характеризуют разностью потенциалов, которую измеряют между симметричными точками С и D на боковой поверхности образца. Эта разность потенциалов называется Холловской разностью потенциалов Uхол или ЭДС Холла εхол.
В классической теории проводимости эффект Холла объясняется тем, что в магнитном поле на движущиеся электрические заряды действует сила Лоренца, величина и направление которой определяются векторным уравнением:
F = e [VB] ( 1 ),
где B - вектор индукции магнитного поля,
V - вектор скорости движения зарядов,
е - заряд носителей тока с учетом знака .
В нашем случае V перпендикулярно B и электрическое поле Холла определяется:
Eхол = V B ( 2 ),
Поле связано c ЭДС Холла εхол, или холловской разностью потенциалов Uхол следующим образом:
εхол ≈ Uхол = Eхол d= VBd ( 3 ).
Сила тока, который протекает через единицу площади поперечного сечения образца, равна плотности тока:
J = enV ( 4 ),
где п - количество носителей тока в единице объема образца (концентрация носителей тока).
Отсюда сила тока :
I = jbd = enVbd ( 5 ).
Что дает возможность записать :
V = I / enbd ( 6 ),
εхол = IB/ enb ( 7 ).
Таким
образом, ЭДС Холла (или Uхол)
пропорциональна силе тока, индукции
магнитного поля, и обратно пропорциональна
толщине образца и концентрации носителей
тока в нем.
Рис. 1
Принцип работы датчика Холла. На рис.2 показана характерная зависимость Uхол от магнитного поля при постоянном токе питания.
При отсутствии магнитного поля ЭДС Холла должна равняться нулю. Но в результате разных побочных явлений (например, недостаточно симметричное размещение измерительных электродов датчика) измерительный прибор может показать некоторую разницу потенциалов Uо на выходе Датчика Холла даже при отсутствии магнитного поля. Для исключения связанных с этим погрешностей, величину Uо следуют вычитать от измеренной разницы потенциалов в магнитном поле.
Одной из основных характеристик датчика Холла является чувствительность:
γ = ΔUхол/ ΔB.
Чувствительность датчика Холла, указанную в его паспортных данных, используют при определении величины индукции измеренного магнитного поля:
B = Uхол / γ .
Следует иметь в виду, что датчик Холла измеряет перпендикулярную (к плоскости датчика) составляющую вектора магнитного поля. Поэтому если нужно измерять максимальное значение магнитного поля, то необходимо датчик Холла ориентировать соответствующим образом.