страница - 14
а)
5)
Рис. 1.5.8. Схемы магнитометров:
1 - образец; 2 - ИК; 3 - намагничивающее и размагничивающее устройство; 4 - регистрирующий прибор
Измерение э.д.с. в катушке, вращающейся относительно объекта измерения, составляет принцип работы приборов, называемых измерительными генераторами (рис. 1.5.8, а)у и используется преимущественно для измерения параметров постоянных или медленно изменяющихся магнитных полей. Относительная вибрация ИК и испытуемого образца и измерение индуцированной э.д.с. лежит в основе работы вибрационных магнитометров (рис. 1.5.8, б), используемых для измерения магнитного момента материалов в постоянных или медленно (по отношению к частоте вибрации) меняющихся полях. Метод измерений непрерывно изменяющихся магнитных потоков с помощью стационарной измерительной катушки и веберметра дает возможность регистрации зависимости магнитного потока от намагничивающего поля.
Устройства с использованием сверхпроводящих ИК для измерения магнитного потока являются самыми чувствительными и перспективными. В технической диагностике последние два метода наиболее часто используются для измерения коэрцитивной силы.
Первичные преобразователи напряженности магнитного поля и магнитной индукции, используемые в переменных магнитных полях, аналогичны преобразователям, применяемым в постоянном поле. Отличие состоит в том, что в переменном поле большую роль начинают играть собственные емкость и индуктивность. В практике измерения координат динамических петель намагничивания нашли распространение осциллографические, ферро-метрические и стробоскопические средства измерений.
Ферроиндукционные преобразователи (феррозонды). При решении многочисленных магнитометрических задач, например, при измерении магнитного поля Земли и его вариаций, при магнитной дефектоскоспии изделий и т.д. все чаще применяются феррозондо-вые 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 последних 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:
coj - для создания в сердечнике переменного
магнитного потока (поля возбуждения) и
со 2 - для измерений индуцированной э.д.с.
Если по обмотке coj пропустить переменный ток, то магнитное состояние сердечника будет меняться по динамической петле, а
в обмотке (О 2 появится э.д.с. Если ток изменяется по синусоидальному закону (чаще всего феррозонды работают при синусоидальной кривой тока возбуждения), то э.д.с. в обмотке будет содержать, кроме основной частоты, высшие (нечетные) гармоники. Практически в феррозонде используют сердечники длиной от 1-3 сотен миллиметров, а частоту возбуждения от 50 Гц до сотен килогерц.
При помещении зонда в постоянное магнитное поле, действующее одновременно с переменным полем, форма динамической петли перемагничивания сердечника становится несимметричной. В направлении действия постоянного магнитного поля перемагничива-ние может осуществляться при меньших мгновенных значениях переменного тока, чем в случае отсутствия постоянного поля, то есть перемагничивание в направлении действия
постоянного поля осуществляется за меньший промежуток времени (меньше полупериода). При неизменных величине и форме переменного тока в обмотке зонда, помещенного в постоянное поле, изменяются величина и форма э.д.с: наряду с нечетными гармониками в кривой э.д.с. появляются четные гармоники, величины которых пропорциональны напряженности постоянного поля. Большинство феррозондовых магнитометров работают на выделении 2-й гармоники.
Для облегчения выделения второй гармоники феррозонды обычно выполняют в виде двух одинаковых ферроэлементов, а обмотки возбуждения и вторичные (измерительные) с попарно равными числами витков соединяют таким образом, чтобы напряжение на концах вторичных обмоток в отсутствие постоянного поля было равно нулю.
Работа на удвоенной частоте типична для феррозондов. Однако дифференциальный феррозонд может работать и на основной частоте.
В магнитных измерениях применяются измерительные феррозонды (рис. 1.5.9).
Сердечник / набирают из 20 - 50 пластин пермаллоя толщиной 0,2 - 0,35 мм. На две длинные стороны сердечника наматывают одинаковые катушки, включаемые последовательно. Если поверх сердечника поместить индикаторную обмотку 3, то при пропускании по обмоткам 2 переменного тока э.д.с. 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 э.д.с, пропорциональная величине постоянного магнитного поля. Такие зонды, в частности, нашли широкое применение в широко распространенных коэрцитиметрах серии КИФМ в качестве нуль-индикатора.
К основным областям применения феррозондов можно отнести:
1. Для геофизических исследований - изучение магнитного поля Земли, исследование магнитных полей атмосферы и полей других планет.
2 J
Рис. 1.5.9. Измерительный феррозонд
2.Искатели ферромагнитных масс при поиске полезных ископаемых, для обнаружения железных предметов в неферромагнитной среде, для обнаружения кораблей, мин и т.п.
3.Измерение толщины стенок деталей из неферрамагнитных и ферромагнитных материалов. Регистрируют колебания толщины стенки неферромагнитного изделия до 1 мк.
4.В качестве чувствительных элементов в магнитометрах, коэрцитиметрах, анизометрах. Для измерения внутреннего поля на поверхности изделий из ферромагнитных материалов, в дефектоскопии для выявления нарушений сплошности и поиска скрытых дефектов, при измерении поля в пермеаметрах, а также для определения степени размагничивания изделий.
Гальваномагнитные преобразователи.
Датчики Холла. Эффект Холла заключается в появлении э.д.с. между противоположными сторонами пластины, если через пластину пропустить ток и поместить ее при этом в магнитное поле. Направление тока, векторы напряженности поля и э.д.с. 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 - э.д.с. Холла
п iH
где Rx - постоянная Холла, Ом • см2/А; / - ток
в датчике (пластине), A; d - толщина пластины, см; Н - напряженность магнитного поля, А/см. Постоянная Холла определяется экспериментально.
Основными достоинствами датчиков Холла является пропорциональность э.д.с. Холла напряженности магнитного поля, их малый размер (порядка миллиметра), 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 (примерно до 1012 Гц).
При измерениях чаще стремятся получить э.д.с. Холла переменной, т.к. усилитель переменного тока более стабилен и можно существенно повысить чувствительность и точность метода.
Датчики Холла во многих случаях используют для тех же целей, что и ферроиндук-тивные преобразователи.
Магниторезисторы. Электрическое сопротивление некоторых металлов и сплавов зависит от напряженности магнитного поля, в котором они помещены. Особо сильная зависимость электрического сопротивления от напряженности магнитного поля наблюдается у висмута. Поэтому висмутовую спираль или отрезок висмутовой проволоки иногда применяют для измерения напряженности сильных магнитных полей.
С ее помощью можно измерять напряженность поля в узких щелях электромагнитов и систем с постоянными магнитами. Измерение напряженности поля заключается в следующем.
Спираль помещают в магнитное поле, и на месте или потенциометре постоянного тока измеряют ее электрическое сопротивление.
При 18 °С имеет место следующая зависимость между напряженностью магнитного поля и отношением электрического сопротивления спирали в поле Н к электрическому сопротивлению спирали в отсутствие поля:
Ну А/см ... О 1600 3200 8000 16000 RH/Rrj ... 1 1,046 Ы4 М8 2,09
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
со = у Н ,
где со - частота прецессии; у - 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 переменного поля будет наблюдаться ЯМР - амплитуда прецессии возрастает и достигает максимального значения. Увеличение амплитуды прецессии сопровождается поглощением ядрами вещества энергии высокочастотного вспомогательного поля.
Таким образом, измерение напряженности поля сводится к фиксации резонанса и последующему измерению частоты этого резонанса. Сам факт наступления резонанса может быть обнаружен, например, по уменьшению амплитуды высокочастотных колебаний, обусловленному поглощением энергии ядрами вещества преобразователя; в этом случае метод называют ядерным резонансным поглощением. Или используется метод ядерной индукции, когда в измерительной катушке, ось которой перпендикулярна векторам напряженности постоянного и переменного поля, индуктируется э.д.с. резонансной частоты. Гиромагнитное отношение для ряда веществ определено с высокой точностью (10"3 %), поэтому погрешность измерения напряженности поля зависит в основном от используемого измерителя частоты и может быть доведена до 0,01 - 0,005 % при неоднородности измеряемого поля не более 0,2 % на сантиметр.
Недостатком ЯМР является невозможность измерений неоднородных полей, так как в неоднородном поле наблюдается расширение резонансной линии.
Метод свободной ядерной индукции дает возможность определять гиромагнитное отношение, константы квадрупольной связи; на этом принципе созданы аэро- и переносные магнитометры для измерения индукции магнитного поля Земли.
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 ди-польным 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 105 до 5 • 10"4 Т), в котором-трудно пользоваться ядерным преобразователем.
При использовании квантовых преобразователей в слабых магнитных полях для увеличения резонансного сигнала производится ориентация магнитных моментов ядер с "помощью постоянного магнитного поля (метод свободной ядерной индукции) или методом оптической ориентации атомов некоторых веществ, находящихся в газообразном или парообразном состоянии. На методе оптической ориентации основаны атомные квантовые преобразователи с оптической накачкой и оптическим методом обнаружения резонансного сигнала. Приборы с атомными преобразователями обеспечивают непрерывность измерений, обладают высокой чувствительностью, их недостаток - относительно большой объем преобразователя (десятки кубиче-
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]