electricity Labworks / Laboratory practical work the Electricity and magnetism. Release 1 (Knyazev)(nsu,2008,86s)

www.phys.nsu.ru

вращательному моменту стрелка компаса поворачивается в направлении магнитного поля.

3.4.2.Принципы работы магнитных датчиков

Для измерения магнитного поля используют измерители, работающие на различных принципах. Одним из наиболее распространенных являются индукционные датчики (ИД), представляющие из себя катушку, обычно медного провода, в которой изменяющееся магнитное поле вызывает ЭДС согласно закону электро-

магнитной индукции: ε = −N0 dΦ(t) , где N0 – число витков катуш- dt

ки, Ф – магнитный поток: Φ = ∫B n dS , В – напряженность поля, n -

A

вектор нормали к поверхности А. Например, если поле постоянно и параллельно вектору n, то Ф=В·S, вполне очевидно, что поток не зависит от формы поверхности: пусть A1 и А2 две поверхности натянутые на один и тот же контур и ограничивающие объем V, тогда

по теореме Гаусса Φ1 − Φ2 = ∫B n dS − ∫B n dS = ∫divB dV = 0

A1 A2 V

Для усиления эффекта используют многовитковую катушку, а также вставляют внутрь стержень из ферромагнитного материала. Очевидно, что датчик этого типа реагирует только на изменение магнитного потока, а следовательно, он не сможет измерять стационарные поля. Достоинством ИД является чрезвычайно широкий диапазон измеряемых магнитных полей, а также возможность создания датчиков слабых полей.

В работе применяются также датчики на эффекте Холла [23]. В простейшем случае эффект Холла состоит в том, что в проводнике по которому течет ток, под действием внешнего магнитного поля возникает разность потенциалов между боковыми гранями (рис.7).

61

www.phys.nsu.ru

носителей заряда в металлах. Более подробно эффекта Холла вы сможете изучить в лабораторной работе посвященной этому эффекту.

Теперь рассмотрим основные характеристики датчиков магнитного поля. Как определить какой датчик лучше подходит для конкретной задачи? Основной характеристикой датчика является его чувствительность. Обычно чувствительность указывают в В/Тл, т.е. если чувствительность равна 1 В/Тл, то в поле 1 тесла на датчике возникнет напряжение 1 вольт. Например, среднее магнитное поле Земли составляет 50 мкТл и датчик с чувствительностью 1 В/Тл не очень то подходит для его измерения.

Другой важной характеристикой датчика является диапазон измеримых полей. Обычно под этим подразумевают максимальное значение поля, которое можно измерить датчиком. Многие типы датчиков имеют свойство «насыщаться», т. е. при приложении поля, большего чем максимальное, датчик выдает одно и то же значение напряжения, вне зависимости от поля.

Еще одна важная характеристика датчика − это его линейность. Обычно указывается в процентах. Предполагается, что напряжение на датчике прямо пропорционально измеряемому полю, на самом деле это не так, например, из-за эффекта магнетосопротивления (см. приложение) линейность зависимости U(B) для датчика Холла нарушается. У большинства современных датчиков нелинейность составляет ~1-3%.

Для некоторых видов датчиков указывают температурные коэффициенты, например, дрейф магнитной чувствительности (magnetic sensitivity temperature drift ). Обычно в процентах. Этот коэф-

фициент показывает на сколько процентов изменяется чувствительность при изменении температуры на 1 градус. Зависимость магнитной чувствительности от температуры связанна, прежде всего, с изменением сопротивления элементов датчика при изменении температуры.

Современные датчики обычно содержат в себе встроенные усилители, поэтому в документации к датчикам приводятся параметры характерные для усилителей, например, смещение нуля. Смещение нуля означает, что при нулевом магнитном поле на выходе датчика будет соответствующее ненулевое напряжение.

63

www.phys.nsu.ru

смысле) которое и является объектом изучения. Для нормальной работы установки частота вращения электродвигателя не должна совпадать с частотой питающей сети (50 Гц).

3.5.2.Порядок выполнения работы

1.Закрепите постоянный магнит в кронштейне. С помощью датчика HW300A-D или аналогичного проведите измерение зависимости одной из компонент магнитного поля от расстояния до магнита. Десяти измерений будет достаточно. Характерный вид зависимости представлен на рис. 9

Рис. 9 Вертикальная компонента поля магнитного диполя в зависимости от расстояния.

Постройте график полученной зависимости. Чувствительность датчика можно найти в его описании. На том же графике изобразите магнитное поле, описываемое формулой (47). Обратите внимание, что величина поля быстро стремится к нулю с увеличением расстояния. Подберите коэффициент, на который нужно умножить формулу (47) чтобы наилучшим образом описать поле на далеких расстояниях.

Выберите точку на построенной кривой, так чтобы формула (47) описывала в ней поле с точностью лучше 10%. В этой точке

65

www.phys.nsu.ru

2. Закрепить постоянные магниты в кронштейнах электродвигателя так чтобы полюса магнитов были сонаправлены. Включить электродвигатель. Размещая датчик на расстояниях 0,1,2,…,10 см от оси двигателя, записать с помощью осциллографа временную зависимость сигнала. Для записи информации рекомендуем использовать функцию осциллографа «Save All», которая сохраняет не только численные значения в текстовые файлы, но и рисунки с экрана осциллографа. Определить частоту вращения магнитов. Характерный вид сигнала изображен на рис.10

На расстоянии, где наблюдался максимальный сигнал, разместите измерительную катушку и запишите осциллограмму сигнала. Рассчитайте чувствительность индуктивного датчика, используя известный коэффициент чувствительности Холловского датчика.

Рис.11 Спектр Фурье сигнала, изображенного на рис. 10, частота по оси Х, амплитуда Фурье гармоники по оси Y.

После завершения работы нужно показать преподавателю первичные данные: файлы CSV или аналогичные, рисунки экрана осциллографа в формате BMP или аналогичном, запись в тетради о соответствии имен файлов точкам измерения и цены деления шкал осциллографа, данные о чувствительности используемого датчика и другие необходимые для обработки данные.

67

www.phys.nsu.ru

нии систему вращающихся магнитов можно заменить одним магнитным моментом суммарной величины.

Для проверки этого утверждения постройте зависимость амплитуды постоянного поля от расстояния. Для этого для каждого записанного сигнала возьмите значение амплитуды нулевой Фурье гармоники и отложите на графике в зависимости от расстояния от центра системы до точки измерения (рис. 12). Заметьте, что в центре постоянное поле не обращается в 0.

На рис.12 крестикам показано постоянное поле, а сплошной линией поле магнитного диполя двойной величины помещенного в центр системы. Остальные линии изображают поле на частоте вращения и на кратных ей частотах. Провалы на графике можно объяснить поведением магнитных силовых линий возле магнита. Магнитные силовые линии замкнуты и значит, существуют точки в которых вертикальная компонента поля обращается в 0 и меняет знак, эти точки и соответствуют провалам.

3.5.3.Анализ данных

Перед тем как приступить к оформлению работы внимательно изучите пункт «Основы обработки экспериментальных данных»

настоящего пособия, это существенно облегчит вашу задачу. Для анализа данных мы рекомендуем использовать систему MathCAD.

Импорт данных в систему можно произвести с помощью функции READPRN, следующим образом: a := READPRN("F0032CH1.CSV"), файл с данными должен находиться в той же директории, что и mcd файл, иначе придется указывать полный путь до считываемого файла. Символ присвоения вводится знаком:

Теперь массив а содержит два столбика цифр. Далее нужно задать индекс массива. Просмотреть содержимое массива можно набрав а =, нас интересует количество элементов в столбике. Обычно файлы создаваемые осциллографами Tektronix содержат 2500 точек. Для задания индекса массива пишем i = 0..2500, символ .. вводится нажатием ;. Создадим два вектора содержащие амплитуду

и время: ti := ai,0, xi := ai,1, нижний индекс вводится символом [. Обычно время записывается в секундах, а напряжение в вольтах, но некоторые осциллографы используют другие единицы измерений и

69