6. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Индукционные измерители магнитногополя. Индукционный метод измерения магнитных полей одинаково применим для измерения как постоянных, так и меняющихся во времени полей. Он основан на изменении потокосцепления системы проводников, в результате чего индуцируется э. д. с.

В случае постоянных полей изменение потокосцепления достигается вращением рамки специальной геометрической формы в магнитном поле.

В зависимости от режима, в котором работает рамка, будут меняться ее чувствительность и динамические характеристики.

В апериодическом режиме, т. е. когда емкостной нагрузкой, включающей в себя паразитные и межвитковые емкости, можно пренебречь, эквивалентная схема рамки имеет вид, показанный на рис. IV.24.

Рис. IV.24. Эквивалентная схема рамки в апериодическом режиме

Рис. IV.25. Эквивалентная схема рамки с емкостной нагрузкой

Напряжение на выходе преобразователя можно представить в виде

Учитывая, что

где — число витков рамки, получим

Тогда можно записать передаточную функцию рамки, работающей на чисто активную нагрузку:

где

Для случая, когда емкостной нагрузкой пренебречь нельзя, эквивалентная схема рамки имеет вид, показанный на рис. IV.25, где Сэкв представляет собой сумму междувитковой, монтажной и нагрузочной емкостей. В этом случае можно записать

где

Тогда передаточную функцию такой рамки можно записать в виде

где

В зависимости от значения корней характеристического уравнения рамка может представлять собой либо два апериодических звена, либо колебательное звено.

Рамка, настроенная в резонанс с рабочей частотой (в случае измерения постоянных полей — частотой вращения), называется резонансной. Основными достоинствами индукционного метода измерения магнитных полей является простота, линейность зависимости выходного напряжения преобразователя от напряженности поля во всем диапазоне измерения. Для исключения влияния скорости вращения рамки на результаты измерения применяют измерители с двумя катушками. Обе катушки вращаются на одной оси, но одна из них помещена в измеряемое поле, а другая — в эталонное. Если сравнить между собой сигналы с обеих катушек, результат измерения не будет зависеть от скорости вращения. Достигаемая при этом точность измерения При измерении слабых полей важную роль играют коллекторные шумы преобразователя. Для уменьшения этих шумов применяют специальные материалы как для коллектора, так и для щеток. Диапазон применения индукционных преобразователей чрезвычайно широк. Известны преобразователи, измеряющие поля с величиной индукции от сотых долей до миллионов гаусс.

Измерители, основанные на изменении магнитной проницаемости. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от напряженности магнитного поля. Этот эффект можно использовать для построения датчиков магнитного поля. Простейшим устройством, использующим эту зависимость, является катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником. Индуктивность катушки зависит от магнитной проницаемости и может быть измерена любым известным способом. Однако сердечники с большой магнитной проницаемостью в большей степени искажают измеряемое поле и отсюда возможны значительные ошибки измерения. Уменьшить ошибку измерения до 15—20% позволяет применение альсиферов и ферритов с невысокой магнитной проницаемостью.

Из всех магнитных преобразователей, использующих зависимость в настоящее время наиболее распространены феррозонды. Существуют различные типы феррозондов: мостиковые, магнитно-насыщенные, с выходом на основной частоте и работающие по принципу удвоения частоты, с использованием четных гармоник.

Преобразователи с выходом на основной частоте по принципу работы аналогичны магнитным усилителям с самонасыщением и используются для высокочувствительных измерителей.

Наиболее широко применяются феррозонды с выходом на удвоенной частоте. Подавляющее большинство таких преобразователей используется для измерения постоянных полей. Однако известны случаи применения феррозондов с выходом на второй гармонике для измерения и переменных во времени магнитных полей. Конструктивно феррозонды представляют собой один или два сердечника из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью с нанесенными на них обмотками; возбуждающей и измерительной. Наиболее часто для измерения используют вторую гармонику, но существует возможность для увеличения сигнала использовать все четные гармоники. Существенным вопросом в этом случае является компенсация сигнала основной частоты. Для компенсации применяют преобразователи с двумя сердечниками. Схема соединений обмоток такого преобразователя показана на рис. IV.26.

Рис. IV.26. Схема преобразователя с двумя сердечниками

При отсутствии внешнего поля потоки, создаваемые обмотками вычитаются для обмотки так как включены встречно. В результате при внешнем поле будет отсутствовать. Однако из-за неидентичности обмоток и сердечников остается некоторая нескомпенсированная величина первой гармоники, ликвидировать которую очень трудно. Хорошо скомпенсированными считаются преобразователи, у которых величина сигнала 1-й гармоники составляет от величины, получающейся при согласном включении обмоток. Использование только второй гармоники целесообразно для ограничения шумов и помех в узком частотном интервале, что позволяет получить высокую чувствительность преобразователя. Такого рода преобразователями можно измерять поля от до

Устройства для измерения магнитных полей, основанные на эффектах Холла, магнитосопротивления и ядерного резонанса. Измерение напряженности магнитного поля может быть выполнено с помощью целого ряда преобразователей и в частности, основанных на эффекте Холла. Эффект Холла связан с появлением э. д. с. на противоположных концах помещенного в измеряемое магнитное поле элемента Холла, по которому пропускается ток.

Эта э. д. с. определяется выражением

где — ток, проходящий через элемент Холла;

Н — напряженность измеряемого магнитного поля;

— постоянная.

Измерение напряженности магнитных полей с помощью преобразователей, в которых использован эффект изменения магнито-сопротивления, основано на том, что в магнитном поле траектория движения зарядов внутри проводника искривляется и они при том же электрическом поле проходят вдоль проводника меньший путь. Если бы носители тока двигались внутри проводника с постоянной и одинаковой скоростью, то в первый момент после включения поля их траектория искривилась бы, но возникшее вследствие образовавшегося из-за эффекта Холла градиента концентрации электрическое поле «спрямило» бы их траектории и никакого эффекта магнитосопротивления не возникло.

Но реально существует некоторое распределение скоростей носителей. Вследствие этого электрического эффекта Холла в одном случае будет не достаточно для «спрямления» траекторий носителей, а в другом — будет происходить отклонение их в противоположную сторону.

Рис. IV.27. Характеристика преобразователя с висмутовой спиралью

Из приведенных рассуждений следует, что эффект Холла уменьшает магнитное сопротивление. Существует несколько путей для устранения эффекта Холла в датчиках магнитосопротивления. Например, можно применить материал, в котором присутствуют носители двух знаков. В этом случае эффект Холла отсутствует, так как заряды компенсируют друг друга (при одинаковой подвижности и концентрации).

Устранить или уменьшить поле Холла можно и конструктивно. Для этого берется проводник такой формы, у которого «нет краев» — диск Карно. Один электрод у диска Карно расположен в центре, второй — на окружности. Одним из первых преобразователей, применяемых для измерения магнитного поля, была висмутовая спираль. Типичная характеристика преобразователя с висмутовой спиралью показана на рис. IV.27. В диапазоне больших полей характеристика близка к линейной. Обычно висмутовая проволока наматывается в виде плоской бифилярной спирали для устранения э. д. с. индукции в датчике при его перемещении или в переменных магнитных полях. Значительная температурная зависимость эффекта магнитосопротивления висмута ограничивает точность метода в пределах 1—2% в линейной части характеристики.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) возможен благодаря наличию у ядра собственного магнитного момента. Под действием магнитного поля ядерный магнитный момент может ориентироваться определенным образом. Каждая ориентация магнитного момента ядра связана с определенным энергетическим уровнем. Производя переориентацию ядерного магнитного момента, можно наблюдать энергетические переходы между уровнями, связанными с этими ориентациями, которые квантованы так же, как и угловой

момент ядра, и могут принимать значений, где спиновое квантовое число, которое может иметь любое значение, кратное . При переходах будут поглощаться или излучаться кванты электромагнитной энергии определенной величины. Известно, что излучение и поглощение происходит на ларморовой частоте

где — частота в

у — гиромагнитное отношение

В — индукция магнитного поля в

Последнее выражение справедливо для ядер с спиновым квантовым числом, равным 1/2. Таким спином обладают, в частности, протоны, ядра лития и т. д. Существенно, что резонансная частота поглощения или излучения не зависит от угла между вектором магнитного момента и направлением поля. Ядерное гиромагнитное отношение определено в настоящее время с высокой степенью точности. Например, для наиболее часто употребляемых для этих целей протонов сек. Это обстоятельство позволяет проводить высокоточные абсолютные измерения индукции магнитного поля методом ЯМР. Для измерения магнитных полей методом ЯМР необходимо иметь генератор высокой частоты, частотомер и индикатор уровня. Установить момент совпадения частоты генератора с собственной частотой ЯМР можно либо по резонансному поглощению образцом мощности от генератора (метод ядерной абсорбции), либо по излучению на этой частоте (метод ядерной индукции).

Образцом может служить обычная водопроводная вода, запаянная в стеклянную ампулу объемом приблизительно Иногда для уменьшения времени релаксации в воде растворяют парамагнитные соли. В этих случаях наблюдают протонный ЯМР. Подставляя в выражение (IV.32) численное значение гиромагнитного отношения для протонов, получим

где В — индукция в — частота в гц.

На ампуле с образцом размещается катушка высокочастотного возбуждения и измерительная катушка. Для автоматического измерения и стабилизации магнитной индукции магнитное поле в районе образца модулируют с низкой частотой при помощи катушек Гельмгольца. Одна из возможных схем измерения и стабилизации магнитных полей таким способом приведена на рис. IV.28.

Устройство работает следующим образом. При совпадении величины индукции поля со значением, удовлетворяющим выражению (IV.33), наблюдается резонансное поглощение мощности от генератора в результате чего амплитуда колебаний генератора резко падает и на выходе детектора возникает сигнал удвоенной

частоты НЧ генератора. Сигнал усиливается резонансным усилителем НЧ, выделяющим в нем 1-ю гармонику, фаза которой несет информацию от отклонения индукции В от стабилизируемого значения Далее сигнал подвергается фазовому детектированию на фазовом детекторе 9, величина и знак напряжения на выходе которого пропорциональны величине и знаку отклонения В от Напряжение ошибки через согласующий усилитель 10 управляет блоком питания электромагнита. Работа стабилизатора иллюстрируется временной диаграммой на рис. IV.29.

Задание осуществляется перестройкой частоты генератора 4, контролируемой волномером 6.

Рис. IV.28. Блок-схема стабилизатора магнитной индукции: 1 — образец; 2 — катушка Гельмгольца; 3 — полюса электромагнита; 4 — генератор ВЧ; 5 — усилитель ВЧ; 6 — волномер; 7 — детектор; 8 — резонансный усилитель НЧ; 9 — фазовый детектор; 10 — усилитель согласования; И — блок питания электромагнита; 12 — генератор НЧ

Точность измерения магнитной индукции зависит от ширины резонансной кривой. Собственная ширина резонанса протона очень невелика. К стабильности генератора высокой частоты в данном случае необходимо предъявлять высокие требования. Однако существующие в настоящее время кварцевые генераторы могут обеспечить стабильность не хуже

Высокие требования к однородности измеряемого магнитного поля ограничивают применение метода ЯМР. Однако существуют методы, в которых требования к однородности поля могут быть снижены за счет использования меньших объемов рабочего тела. При этом же соотношении сигнал/шум обьем рабочего тела при протонном ЯМР составляет Для высокоточных измерений неоднородных полей применяется метод ферромагнитного резонанса (ФМР). В отличие от ядерного магнитного резонанса, в связи с тем, что в феррите имеется сильное спиновое обменное взаимодействие, кривая резонанса ферритов остается достаточно узкой даже в очень неоднородных полях. Взаимодействие с полем на один атом в ФМР на несколько порядков больше, чем

в ЯМР. Однако при этом возрастает и частота ФМР и при использовании этого метода необходимо иметь дело с генераторами СВЧ диапазона. При ФМР можно использовать образцы объемом до и менее при удовлетворительном соотношении сигнал/шум. В случае ФМР большое значение имеет форма образца и направление намагничивания. Для образца феррита шаровой формы зависимости частоты ФМР от напряженности ноля будут выглядеть следующим образом:

где — напряженность поля в

— частота в гц.

Для образцов другой формы коэффициент связи между зависит от направления намагничивания. Простейший магнитометр, использующий ФМР, показан на рис. IV.30. Здесь генератор диапазона питает через согласующий вентиль 3 коротко-замкнутую секцию 4, в которой помещен образец — ферритовый термистор 5.

Рис. IV.29. Временная диаграмма работы стабилизатора: — напряжение на выходе детектора при

Рис. IV.30. Блок-схема простейшего ФМР магнитометров: 1 — волномер; 2 - генератор СВЧ; 3 — вентиль; 4 — короткозамкнутая волноводная секция; 5 — ферритовый термистор; 6 — индикаторная цепь

Секция 4 вместе с образцом помещена в измеряемое магнитное поле. В момент резонанса СВЧ мощность, поглощаемая образцом, резко увеличивается, температура его повышается, а сопротивление падает. Момент резонанса фиксируется по максимуму тока в индикаторной цепи. Из-за высокого сопротивления ферритовых термисторов этот метод несколько неудобен. Иногда к ферритовому образцу приклеивают терморезистор или термопару. Но в этом случае резко возрастает инерционность прибора и тепловая постоянная времени может достигать сек. Существуют более современные методы определения момента резонанса, использующие безынерционные СВЧ явления. Например, ферритовый образец в момент резонанса поглощает проходящую СВЧ мощность или переизлучает СВЧ мощность из

одного волновода в другой. Принципиальные схемы таких устройств показаны на рис. IV.31.

По аналогии с модулируя поле в районе образца с низкой частотой при помощи катушек Гельмгольца, можно, применив ту же блок-схему (рис. IV.28), осуществить стабилизацию и измерение магнитного поля. Точность измерения с помощью ФМР несколько уступает ЯМР.

Рис. IV.31. Принципиальные схемы измерительных головок ФМР магнитометра: а — в момент резонанса возникает поглощение СВЧ мощности и резко падает; б — в момент резонанса возникает поглощение СВЧ мощности и резко падает

Абсолютные измерения методом ФМР можно производить с точностью до Однако метод ФМР применим для измерения полей с сильной неоднородностью, т. е. в тех случаях, когда ЯМР не применим вовсе.

Этот метод позволяет снимать топографию полей и измерять их градиенты.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)