Магнитные преобразователи

Основные типы магнитных преобразователей (МП) представлены на рис. 1.5

Индукционный преобразователь, представляющий собой измерительную катушку (ИК), применяется для измерения магнитного потока Ф, магнитной индукцией В и магнитного момента.

ИК для измерения магнитных потоков и индукции должна удовлетворять следующим требованиям. Необходимо, чтобы все витки катушки сцеплялись с одним и тем же потоком, т.е., чтобы витки располагались в одной плоскости, перпендикулярной к линиям индукции. Для измерения индукции в образце все витки должны плотно примыкать к поверхности образца, охватывая его.

ИК для измерения напряженности магнитного поля выполняются в виде плоских катушек с четным числом слоев обмотки так, чтобы начало и конец находились в одном месте и провода от них можно было скрутить, не образовывая петли.

Рис. 1.5 Классификация МП

Диаметр и длина катушки зависят от размеров пространства с одновременным магнитным полем, величину напряженности которого требуется определить.

ИК делают обычно очень тонкой, чтобы можно было считать, что практически она находится в поле, равном нулю внутри образца. Катушка плотно прижимается к поверхности образца, ее толщина не должна превышать 1,0-1,5 мм, число слоев намотки делают четным.

Одной из разновидностей индукционных преобразователей является магнитный потенциомметр. Это ИК с обмоткой, равномерно навитой по длине каркаса из изолирующего материала. Обмотка навивается либо на гибкий каркас, либо на жесткое основание призматической формы или в виде дуги.

Преобразователь предназначен для измерения разновидности магнитных потенциалов или магнитодвижущей силы (М.Д.С).

При испытаниях магнитных материалов в постоянных магнитных полях в качестве интегрирующего прибора к индукционным преобразователям чаще всего служит баллистический гальванометр или веберметры различных типов.

Устройства с использованием сверхпроводящих ИК для измерения магнитного потока являются самыми чувствительными и перспективными. В технической диагностике часто используются для измерения коэрцитивной силы.

Ферроиндуктивные преобразователи (феррозонды). При решении многочисленных магнитометрических задач, например, при измерении магнитного поля Земли и его вращений, при магнитной дефектоскопии изделий и т.д. все чаще применяются феррозондовые преобразователи (магнитно-модуляционные датчики (ММД)). С помощью феррозондов можно измерять постоянные и переменные магнитные поля от 10^-6 А/см до 10²-10³ А/см.

Феррозонды относятся к активным индукционным преобразователям и по своему принципу действия во многом схожи с магнитными усилителями. От них они отличаются тем, что не содержат управляемой электрической цепи.

В феррозондах она заменена магнитной в виде стержневых сердечников из магнитомягких материалов, приобретающих намагниченность под действием измеряемого поля. Поскольку напряженность магнитного поля характеризуется вектором, а намагниченность сердечников зависит не только от их ориентации, но и от соотношения продольных и поперечных размеров, то кроме отмеченных свойств, феррозонды обладают еще и диаграммой направленности, благодаря чему они могут быть использованы для измерения компонент магнитного поля.

Действие феррозонда основано на нелинейности кривой перемагничивания ферромагнитного материала. В простейшем виде феррозонд представляет собой стержень из магнитомягкого материала (чаще всего пермаллоя), на котором помещены две обмотки: ω₁ – для создания в сердечнике переменного магнитного потока (поля возбуждения) и ω₂ – для измерений индуцированной ЭДС.

Если по обмотке ω₁ пропустить переменный ток, то магнитное состояние сердечника будет меняться по динамической петле, а в обмотке ω₂ появится ЭДС.

Если ток изменяется по синусоидальному закону, то ЭДС в обмотке будет содержать, кроме основной частоты, высшие, нечетные гармоники. Практически в феррозонде используют сердечники длиной от 1 до 3 сотен миллиметров, а частоту возбуждения от 50 Гц до сотен килогерц.

Сердечник 1 набирают из 20-50 пластин пермаллоя, толщиной 0,2-0,35 мм. На две длинные стороны сердечника наматывают две одинаковые катушки включаемые последовательно. Если поверх сердечника поместить индикаторную обмотку 3, то при пропускании по обмоткам 2 переменного тока ЭДС в обмотке 3 будет равна нулю. Если такое устройство поместить в постоянное поле, направленное вдоль длинной стороны сердечника, нарушится равенство потоков, сцепленных с катушками 2. В индикаторной катушке появится ЭДС, пропорциональная величина постоянного магнитного поля.

  2 3 1

H

V

Рис. 1.6 Схема феррозонда

Гальваномагнитные преобразователи. Датчики Холла Эффект Холла заключается в появлении ЭДС между противоположными сторонами пластины, если через пластину пропустить ток и поместить ее при этом в магнитное поле. Направление тока, векторы напряженности поля и ЭДС Холла взаимно перпендикулярны. Эффект Холла может наблюдаться в металлах и полупроводниках, однако в полупроводниках он значительно выше.

Эффект Холла объясняется действием силы Лоренца (действием магнитного поля на движущийся заряд), которая направлена перпендикулярно векторам скорости движения заряда и напряженности магнитного поля. Благодаря действию силы Лоренца в пластине появляется разность потенциалов – ЭДС Холла

где R_X – постоянная Холла, Ом·см²/А;

i – ток в пластине, А;

d – толщина пластины, см;

H – напряженность магнитного поля, А/см.

Основными достоинствами датчиков Холла является пропорциональность ЭДС Холла напряженности магнитного поля, их малый размер (порядка 1 мм), а также отсутствие подвижных частей в измерительном механизме. Они позволяют измерять напряженности магнитного поля в диапазоне от 0,1 до 10⁵ А/см. Большим преимуществом является возможность использования переменных магнитных полей в широком диапазоне частот ~ до 10¹² Гц.

Квантовые преобразователи. Для измерения напряженности (индукции) постоянных магнитных полей применяют преобразователи, в которых используются ядерные, электронные и атомные явления.

Сущность метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) заключается в следующем. Если парамагнитное вещество поместить в постоянное однородное магнитное поле, то ядра вещества, обладающие магнитным моментом и моментом количества движения, будут прецессировать вокруг направления приложенного поля с частотой, определяемой соотношением:

где ω – частота прецессии;

γ – гиромагнитное отношение, то есть отношение магнитного момента к моменту количества движения;

Н – напряженность постоянного магнитного поля.

Если теперь перпендикулярно полю приложить переменное магнитное поле, то при совпадении частоты прецессии, с частотой вспомогательного поля будет наблюдаться ЯМР – амплитуда прецессии возрастает и достигает max значения.

Увеличение амплитуды и прецессии сопровождается поглощением ядрами вещества энергии высококачественного вспомогательного поля. Таким образом, измерение напряженности моля сводится к фиксации резонанса и последующему измерению частоты этого резонанса.

Недостатком ЯМР является невозможность измерений неоднородных полей, т. к. в неоднородном поле наблюдается расширение резонансной линии.

В отличие от ЯМР преобразователи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основаны на использовании резонанса электронов в веществах, атомы которых имеют неспаренные электроны, благодаря чему электронная оболочка обладает магнитным дипольным моментом. Методика и аппаратура для обнаружения ЭПР подобна методике и аппаратуре ЯМР. Сигнал ЭПР на несколько порядков больше сигнала ЯМР, что позволяет применять преобразователи малого объема и измерять индукции в том диапазоне (от 10^-5 до 5·10^-4 Т), в котором трудно пользоваться ядерным преобразователем.

Дата добавления: 2014-12-10