Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602 603 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637 638 639 640 641 642 643 644 645 646 647 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 659 660 661 662 663 664 665 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
6. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙИндукционные 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
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 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 Из всех магнитных преобразователей, использующих зависимость 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 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 Н — напряженность измеряемого магнитного поля;
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
где 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 Образцом может служить обычная водопроводная вода, запаянная в стеклянную ампулу объемом приблизительно
где В — индукция в 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 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 Задание
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 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
где — частота в гц. Для образцов другой формы коэффициент связи между
Рис. IV.29. Временная диаграмма работы стабилизатора:
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 одного волновода в другой. Принципиальные схемы таких устройств показаны на рис. IV.31. По аналогии с
Рис. IV.31. Принципиальные схемы измерительных головок ФМР магнитометра: а — в момент резонанса возникает поглощение СВЧ мощности и Абсолютные измерения методом ФМР можно производить с точностью до Этот метод позволяет снимать топографию полей и измерять их градиенты. ЛИТЕРАТУРА(см. скан) (см. скан)
|
1 |
Оглавление
|