Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
погрешности.doc
Скачиваний:
17
Добавлен:
22.09.2019
Размер:
630.27 Кб
Скачать

Магнитометры

Магнитометр - (от греч. magnetis - магнит и... метр), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.

В более узком смысле магнитометры - приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля. Шкалы магнитометров градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (эрстед, мэ, мкэ, гамма = 105 э) и в единицах магнитной индукции СИ (тесла, мктл, нтл).

Самым главным параметром магнитометра является его чувствительность. При этом формализовать этот параметр, сделать его единым для всех магнитометров практически невозможно и не только потому, что магнитометры отличаются принципом действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала. Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9)Т. Кроме чувствительности для определения качества прибора используют такой параметр, как разрешающая способность, который также измеряется в нанотеслах и определяет ту минимальную разницу индукции, которую возможно зарегистрировать прибором. Для того чтобы представить величину индукции магнитного поля, которое регистрируют современные магнитометры, достаточно вычислить величину магнитного поля, создаваемого проводником с током в 1 мА на расстоянии 0.1м.

Поле Земли составляет величину примерно 35000nT (35µT). Это усредненная величина – в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000nT (35µT) – 60000nT (60µT). Таким образом, задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов. * Bmax = 70µT Hmax=55.7A/m    Bmin = 20µT Hmin=15.9A/m

Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.

Разновидности магнитометров.

  • Феррозондовый.

  • Магнитоиндуктивные.

  • На эффекте Холла.

  • Магниторезисторные.

Феррозонд

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. 14 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.

Рис. 14 Конструкции ферозондов.

В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника 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 становится 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. 14, а)

  • дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.14, б)

  • дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.14, в).

Магнитоиндуктивные датчики.

    Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного датчика, который получил наименование магнитоиндуктивного датчика - Magneto-Inductive (MI) sensors. Датчик представляет собой микроминиатюрную катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Катушка содержит всего одну обмотку и регистрирует магнитное поле в направлении только одной из осей.

Рис. 15. Магнитоиндуктивный датчик: а - упрощенная схема включения, б - выходная характеристика

    На рис. приведены упрощенная схема включения MI и выходная характеристика датчика. Схема представляет собой релаксационный LR-генератор, в котором MI датчик выполняет роль основного элемента. Изменение напряженности воздействующего магнитного поля приводит к изменению частоты генератора. Датчики предназначены для использования в составе электронных компасов. В этом случае выходной сигнал генератора обрабатывается ИС микропроцессора.

Датчики магнитного поля на основе эффекта Холла

Датчики магнитного поля на основе эффекта Холла обладают хорошей

линейностью выходного сигнала и высокой чувствительностью к магнитным полям,

приложенным перпендикулярно, вне зависимости от их плоскости.

Конструктивно датчики Холла (рис. 1) состоят из чувствительного элемента

Холла, стабилизатора питания, схемы усиления сигнала и выходного каскада [1].

Рис. 16. Принцип действия чувствительного элемента Холла

Магниторезистивные датчики

Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и

позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в

магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения

объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых

колес и др.

Принцип работы магниторезистивных датчиков (рис. 3) основан на изменении

направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под

воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением

тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки.

Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению

сопротивления.

Рис. 17. Изменение свойств пермаллоя во внешнем магнитном поле

Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех

пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату

датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает

легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика,

катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных

полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или

металлическими предметами) [1].

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с

последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика

могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и

трехосевые сенсоры.

Таблица 2. Основные параметры наиболее распространенных преобразователей магнитного поля, используемых для регистрации магнитного поля Земли.

№ п/п

Тип преобразователя магнитного поля

Минима-льное разрешение

мкТл

Число одновре-менно регистри-рующих составляющих МП

Динами-ческий диапазон

мкТл

Потребля-емая мощность

млВт

Достоинства, недостатки, особенности применения

1

Элемент Холла высокой чувствитель-ности

1-10

1-3

±100

10-50

Компактность, высокая надежность, широкий динамический диапазон. Удовлетворительная магнитная чувствительность. Малая постоянная времени. Хорошая ориентационная характеристика. Хорошее сопряжение с электроникой. Широкий диапазон рабочих температур: от -260 до +150 С. Высокая стоимость

2

Специализированный тонкопленочный магниторезистор

0,4-0,85

1-2

±(0,2-1)

30-90

Компактность и высокая надежность. Высокая магнитная чувствительность. Интегральная технология, совмещенная с компенсационной и модулирующей катушками. Малая постоянная времени. Хорошая ориентационная характеристика. Хорошее сопряжение с электроникой. Диапазон рабочих температур: от -40 до +85 С. Ограниченный динамический диапазон. Сравнительно низкая стоимость

3

Магнитоиндукционный датчик

0,01-0,02

1

±(1-200)

1-5

Компактность и высокая надежность. Высокая магнитная чувствительность. Малая постоянная времени. Хорошее сопряжение с электроникой. Хорошая ориентационная характеристика. Диапазон рабочих температур: от -20 до +70 С. Ограниченный динамический диапазон. Низкая стоимость

4

Ферозонд

0,0001-0,01

1

±0,1

5-50

Очень высокая магнитная чувствительность. Удовлетворительная ориентационная характеристика. Большие размеры. Ограниченный динамический диапазон. Невысокая механическая прочность, невозможность работы в условиях вибраций и тряски. Значительная инерционность. Сложность сопряжения с электроникой. Диапазон рабочих температур: от -10 до +70 С. Значительная трудоемкость и высокая стоимость