Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики магнитного поля. Учебное пособие
.pdf
Рис. 35. Схема датчика магнитного поля на эффекте Фарадея
Типичная условная схема любого магнитооптического
датчика магнитного поля приведена на рисунке 36 [24]. В
зависимости от конкретной конструкции меняется источник света и
конкретные элементы измерительного прибора (АЦП, приёмники
оптического излучения).
Рис. 36. Волоконно-оптический датчик магнитного поля: 1 – источник
излучения; 2 – устройство ввода излучения в оптическое волокно;
3 – модовый фильтр; 4 – оптическое волокно; 5 – пленки
магнитооптического материала; 6 – модовый демультиплексор;
7 – фотоприемное устройство
Излучение от источника, проходя через устройство ввода,
возбуждает оптическое волокно. Модовый фильтр гасит все моды
оптического излучения и оставляет только осевую. Излучение осевой
моды дифрагирует на доменной структуре в пленках
61
магнитооптического материала, из-за чего возбуждаются моды более
высокого прядка. Для каждой из пленок соответствует свой спектр
углов дифракции, а соответственно и свои моды высшего порядка.
Каждой из пленок соответствует свой угол распространения
излучения. Модовый демультиплексор разделяет моды излучения и
направляет их на соответствующие участки фотоприёмного
устройства. Фотоприёмное устройство производит измерение
интенсивности излучения каждой совокупности мод независимо.
Устройство ввода излучения направляет поток излучения
лазера в оптическое волокно (см. рис. 37) [25]. Излучение в
оптическом волокне расширяется расширителем светового пучка и
дифрагирует на доменной структуре магнитооптического материала.
Выходное многомодовое оптическое волокно 6 пропускает излучение
мод высших порядков через осветленную часть на фотоприемник 7, а
излучение осевой моды распространяется через неразветвленную часть.
Рис. 37. Датчик магнитного поля с расширителем светового пучка:
1 – лазерный источник света; 2 – устройство для ввода излучения в
оптическое волокно; 3 – входное одномодовое оптическое волокно;
4 – расширитель светового пучка; 5 – магнитооптический материал;
6 – выходное многомодовое оптическое волокно; 7 – фотоприёмник
Если к магнитооптическому материалу приложить внешнее
магнитное поле, то произойдёт перераспределение энергий между
порядками дифракции и соответственно изменится модовый состав
излучения. В результате фотоприёмник зарегистрирует изменение
интенсивности излучения светового потока. Если предварительно
62
произвести градуировку датчика в магнитном поле известной
напряженности, то по полученной зависимости величины
фотосигнала от напряженности магнитного поля можно определить
величину исследуемого магнитного поля.
За счет того, что фотоприёмник регистрирует только излучение
высших порядков дифракции, возрастают точность и динамический
диапазон измерения.
С помощью магнитооптических датчиков можно также
измерять параметры электрического тока [26], протекающего в
проводнике. Схема такого датчика приведена на рисунке 38.
Рис. 38. Волоконно-оптический датчик магнитного поля с поворотом
плоскости поляризации: 1 – источник оптического излучения;
2 – поляризатор; 3 – оптическое волокно, свернутое в катушку;
4 – проводник с измеряемым током; 5 – анализатор; 6 – оптическое волокно;
7 – фотоприёмник; 8 – усилитель; 9 – аналогово-цифровой преобразователь;
10 – запоминающий регистр; 11 – индикатор; 12 и 13 – аналоговые
и цифровые выходы
Свет, проходя через поляризатор, становится
плоскополяризованным. Магнитное поле, индуцированное
проводником, воздействует на чувствительный элемент в виде
катушки из оптоволокна. Магнитное поле, создаваемое проводником,
можно определить как
63
, (45)
где I – величина электрического тока; R – расстояние от проводника с
током до рассматриваемой точки.
При прохождении магнитного поля через катушку из
оптического волокна (3), которая служит магнитооптическим
элементом, происходит поворот плоскости поляризации
плоскополяризованного света на угол фарадеевского вращения:
, (46)
где N
– число витков катушки из оптического волокна;
0
V – постоянная Верде.
Анализатор воспринимает поворот плоскости поляризованного
луча как изменение мощности оптического излучения, которое можно
описать
, (47)
где P0 – мощность света в отсутствие магнитного поля.
При подключении датчика к запоминающему устройству
возникает расширение функционала, заключающееся в возможности
сохранения и при необходимости вывода результатов как на
индикатор, так и посредством использования выходов на другое
устройство для дальнейшей обработки.
Задачи визуализации магнитного поля и его
топографирования решаются применением индикаторной пленки. С
помощью таких пленок решаются задачи определения качества
изготовления постоянных магнитов (однородности намагничивания).
С физической точки зрения процесс визуализации
индикаторной пленки заключается в нахождении распределения поля
по конфигурации доменных структур индикаторной пленки,
образующихся под действием этого магнитного поля. Однако для
использования подобных пленок, как правило, необходим
поляризационный микроскоп.
Используемые индикаторные пленки на производствах
позволяют «наблюдать» магнитное поле без использования
специального оборудования. Основой таких пленок является
64
материал, состоящий из матированных капсул магнитной миграции,
состоящих из смеси нанопорошков цветных и редкоземельных
металлов размером примерно 60 нм, смешанных с определенным
пигментом и находящихся в желеобразной среде. В такой среде
капсулы могут спокойно и беспрепятственно перемещаться под
воздействием внешнего магнитного поля.
Магнитооптические датчики нашли своё применение в
области бесконтактной дефектоскопии, медицине и криминалистике.
65
7. ИЗМЕРЕНИЕ ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Одна из задач, которые позволяют решать датчики магнитного
поля, – это измерение пространственного градиента магнитного поля.
Примером подобной задачи является определение местоположения
объекта, например намагниченного тела, по создаваемому им в
пространстве магнитному полю. Измерение магнитной индукции и её
градиента в какой-либо точке позволяет определять расстояние до
искомого объекта и направление на него. Помимо этого, ещё одной
задачей является использование измерения магнитных полей в
качестве альтернативного или дополнительного источника
навигационной информации [27].
Для этого применяются специальные приборы, которые
называются градиентометрами. С помощью них осуществляют
каротажные работы, магнитную дефектоскопию, поиск затонувших
судов, исследуют магнитные поля биологических объектов. Класс
-7
точности таких приборов находится в диапазоне 10
-10
-1
Т/м, а
погрешность оценивается от 1 до 10 %.
Конструктивно градиентометр состоит из двух включенных
дифференциально измерителей магнитной индукции, разнесенных на
некоторое расстояние, которое называется базой. Градуировка
осуществляется при помощи двух мер магнитной индукции, по
которым настраивают каждый датчик.
Для решения задач навигации с использованием естественных
физических полей Земли предназначено использование
корреляционно-экстремальных навигационных систем (КЭНС) [29].
Суть её работы в том, что измеренные параметры поля сравнивают с
координатно привязанным эталоном, хранящимся в памяти
вычислителя. По совпадению измеренного и эталонного значения
получают информацию, необходимую для навигации.
Современные магнитометры обладают высокой
чувствительностью до 0,2 пТл·Гц
-1/2
с диапазоном измерения от 10 до
100 мкТл при частоте дискретизации порядка 1000 измерений в
секунду [29].
66
Фактором, усложняющим решение задачи навигации по
магнитному полю Земли, является его вариативная изменчивость.
Градиент же магнитного поля меньше подвержен вариативной
изменчивости. Точности измерений, которую обеспечивают
синхронные магнитоградиентометры, достаточно для их
использования в навигации.
В настоящее время распространены конструкции одно-, двух- и
трехкомпонентных векторных магнитных градиентометров,
измеряющих градиент модуля вектора магнитной индукции в
нескольких точках [30]. Вычисляя попарные разности и относя их к
расстоянию между датчиками, можно получить все три проекции
вектора градиента:
, (48)
где |B| – модуль вектора индукции магнитного поля, x = (x1, x2, x3) –
вектор пространственных координат.
Подобные аппараты устанавливаются на борту самолётов. Так,
при установке на борт самолёта Cessna Grand Caravan использовались
4 квантовых датчика, расстояние между которыми в горизонтальной
плоскости достигало десяти метров, а вертикальная составляющая
градиента измеряется на расстоянии около трех метров.
67
8. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Ядерный магнитный резонанс – это резонансное поглощение
или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим
ядра с нулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте v
(называемой частотой ЯМР).
Это явление было открыто в 1938 году Исидором Раби в
молекулярных пучках, за что в 1944 году был удостоен Нобелевской
премии. В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Милз Парселл получили
ЯМР в жидкостях и твердых телах, за что также были удостоены
Нобелевской премии в 1952 году.
Магнитный резонанс возникает вследствие избирательного
поглощения или излучения электромагнитных волн определенной
длины, помещенных в магнитное поле. Он обусловлен
взаимодействием микрочастиц (ядер, электронов, атомов),
обладающих собственным магнитным моментом и моментом
количества движения (спином), с магнитным полем [31].
Энергия таких частиц в магнитном поле зависит от ориентации
их магнитных моментов. Согласно законам квантовой механики, эта
ориентация имеет дискретный характер. Изменение ориентации этого
момента, а значит и энергии, происходит скачкообразно. Разность
энергии ∆E до и после скачка равна энергии кванта излучения или
поглощения ∆E=hv (h – постоянная Планка, v – частота
электромагнитных колебаний). Так, для протона ∆E=hv=2μpB, где μp –
магнитный момент протона.
Для наблюдения магнитного резонанса необходимо, чтобы
частиц на одном из энергетических уровней было избыточное
количество, т.е. необходимо создать такие условия, при которых
число частиц, переходящих с низшего уровня на высший, было
больше, чем число частиц, переходящих обратно, и наоборот. Такую
неравновесную населенность вещества можно создать: облучением
вещества электромагнитным полем, светом резонансной частоты,
наложением сильного магнитного поля.
68
В зависимости от типа взаимодействующей микрочастицы все
квантовые приборы можно разделить на ядерные, электронные и
атомные.
Приборы, применяющиеся для измерения магнитной индукции
средних постоянных полей, работающие на вынужденной ядерной
прецессии, способны измерять магнитные поля в диапазоне от 5·10
-2
до 10 Т. Для измерения слабой магнитной индукции (порядка
магнитного поля Земли) используются приборы, основанные на
оптической накачке атомов. Для измерения переменных магнитных
полей используют приборы атомного и электронного резонанса.
Большинство разработанных тесламетров с оптической
накачкой используют оптическую регистрацию сигнала
(фотодетектор). Тесламетры с оптической регистрацией сигнала
могут быть реализованы на зеемановском или сверхтонком
расщеплении [32].
Структурные схемы тесламетров Mz и Mx типа представлены на
рисунке 39.
Рис. 39. Структурные схемы квантовых тесламетров Mz-типа (а)
и Mx–типа (б): 1 – генератор возбуждения спектрального источника;
2 – усилитель; 3 – частотомер; 4 – генератор частоты переменного поля;
5 – модулятор; 6 – синхронный детектор
Тесламетр Mz-типа работает следующим образом. Генератор 1
возбуждает разряд в лампе, свет от которой проходит фокусирующую
систему, светофильтр, полароид и попадает на ячейку поглощения.
Периодическое прохождение резонанса осуществляется модуляцией
измеряемого поля с определенной частотой или модуляцией частоты
генератора. Сигнал определенной частоты, выделенный на
фотодетекторе, усиливается и попадает на синхронный детектор.
69
Сигнал с синхронного детектора пропорциональный разности фаз
между опорным и усиленным сигналами подаётся на генератор
радиочастоты и подстраивает его частоту до условия резонанса.
Измерение магнитной индукции осуществляется посредством
измерителя частоты. Такие тесламетры обладают минимальной
погрешностью измерений (0,005 %), низким порогом
чувствительности (0,01-0,06 нТ). Быстродействие таких приборов
достаточно низкое (0,5-0,2 с).
Самогенерирующий тесламетр работает с Mx компонентой
намагниченности, которая модулирует луч света с частотой
резонанса. Сигнал этой частоты с фотодетектора усиливается и
попадает на намотанную вокруг ячейки катушку обратной связи. При
соблюдении определенных для автогенератора фазовых и
амплитудных соотношений происходи генерация. Такие тесламетры
менее точны, однако обладают более высоким быстродействием при
компактных размерах. Они также имеют чувствительность порядка
0,002-0,02 нТ при погрешности 2,5-3 нТ.
Подобные приборы используются на спутниках и ракетах, а
быстродействие самогенерирующихся тесламетров позволяет
использовать их для измерения слабой переменной магнитной
индукции.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]