Магнитометр принцип работы – Магнитометр. Виды и работа. Применение и особенности

Магнитометр. Виды и работа. Применение и особенности

Магнитометр – это прибор, который применяется для разведки магнитного поля Земли или поиска скрытых предметов. По принципу действия прибор немного напоминает металлоискатель, который реагирует на металлические поверхности, за тем исключением, что он чувствителен к естественному магнитному полю Земли, а также крупным неметаллическим предметам, имеющим собственное остаточное поле. Устройство нашло свое применение в различных отраслях промышленности и науки, поскольку позволяет фиксировать природные аномалии, а также ускоряет поиски объектов.

Зачем используется магнитометр

Магнитометры реагируют на магнитное поле и выражают показатели его силы в различных физических единицах измерения. В связи с этим существует много типов данных приборов, каждый из которых адаптирован под определенную поисковую цель.

Модификации этих устройств применяются в десятках отраслях науки и промышленности:

• Геология.
• Археология.
• Навигация.
• Сейсмология.
• Военная разведка.
• Геохронология.

В геологии с помощью магнитометра осуществляется поиск полезных ископаемых без необходимости проводить пробное бурение для взятия образцов. Прибор позволяет зафиксировать богатую ископаемыми жилу и принять решение о целесообразности начала добычи в данном районе. Также с помощью данного оборудования можно определить, где находятся подземные источники питьевой воды, как они располагаются и их объем. Благодаря этому можно заблаговременно решить, где осуществить строительство колодца или скважины, чтобы добраться к воде без необходимости максимального углубления.

Магнитометры используются в археологии при раскопках. Они позволяют реагировать на скрытые глубоко под землей фундаменты зданий, статуи и прочие объекты, которые имеют остаточную намагниченность. В первую очередь это обожженный кирпич или камень. Устройство реагирует на скрытые глубоко под землей старинные очаги и печи. С его помощью можно искать объекты во льду или снегу.

Магнитометр также используется в навигации. С его помощью осуществляется определение магнитного поля Земли, в результате чего можно получить данные о направлении движения в случае дезориентации. Такие приборы используют в авиации и морском транспорте. Магнитометры являются обязательным оборудованием на космических станциях и шаттлах.

В сейсмологии магнитометры, которые реагируют на магнитное поле Земли, позволяют предсказывать землетрясение, поскольку при изменении характеристик тектонических плит происходит нарушение привычных показателей поля. Таким способом можно определить свежие подземные трещины, сквозь которые может начаться извержение.

В военной разведке данное оборудование позволяет искать военные объекты, скрытые от обычных радаров. С помощью магнитометра можно выявить лежащую на морском или океанском дне подводную лодку.

В геохронологии по силе остаточной намагниченности можно определить возраст горных пород. Существуют и более точные методы, но с помощью магнитометра это можно сделать за считанные секунды, без необходимости осуществления дорогостоящего анализа.

Разновидности магнитометров по принципу действия

По принципу действия магнитометры разделяют на 3 вида:

1. Магнитостатические.
2. Индукционные.
3. Квантовые.

Каждая разновидность реагирует на стороннее магнитное поле, используя определенный физический принцип. На базе этих трех разновидностей созданы различные узкоспециализированные виды магнитометров, которые являются более точными для измерений в определенных условиях.

Магнитостатические

Несмотря на внешнюю сложность данного прибора, он работает по вполне понятному физическому принципу. Внутри магнитометра находится небольшой постоянный магнит, реагирующий на магнитное поле, с которым контактирует. Магнит находится в подвешенном состоянии на упругой подвеске, позволяющей ему прокручиваться. Она практически не обладает своей жесткостью, поэтому не удерживает его и позволяет прокручиваться без сопротивления. Когда постоянный магнит реагирует с чужеродным полем направление которого или сила не совпадают с его собственным, происходит реакция притяжение или отторжения. В результате подвешенный постоянный магнит начинает проворачиваться, что фиксирует чувствительный датчик. Таким образом осуществляется измерение силы и направления стороннего магнитного поля.

Чувствительность магнитостатического прибора зависит от эталонного магнита, который в него установлен. Также на точность измерения влияет упругость подвески.

Индукционные

Индукционные магнитометры имеют внутри катушку с проволочной обмоткой из токопроводящего материала. Она находится под напряжением от аккумуляторного источника питания. Катушка создает собственное магнитное поле, которое начинает контактировать со сторонними полями, проходящими через ее контур. Чувствительные датчики реагируют на изменения, которые отображаются на катушке в результате такого взаимодействия. Они могут реагировать на вращение или колебания. У более сложных устройств датчики реагируют на изменение магнитной проницаемости сердечника катушки. Независимо от того каким образом фиксируется изменение, прибор отображает показатели внешних магнитных полей и позволяет определять местонахождение объектов, их размер и отдаленность.

Квантовые

Квантовый магнитометр реагирует на магнитный момент электронов, которые двигаются под действием внешних магнитных полей. Это дорогостоящее оборудование, которое применяется для лабораторных исследований, а также сложных поисков. Устройство фиксирует магнитный момент микрочастиц и напряженность измеряемого поля. Данное оборудование позволяет измерить напряженность слабых полей, в том числе тех которые находятся в космическом пространстве. Именно это оборудование применяется в георазведке для поиска глубоких залежей полезных ископаемых.

Отличие между приборами

Магнитометр представляет собой высокотехническое оборудование, которое может отличаться от других подобных приборов не только по физическому принципу реакции на изменение магнитного поля или чувствительности, но и по прочим характеристикам.

Устройства могут отличаться друг от друга по следующим критериям:

• Наличию дисплея.
• Количеству датчиков.
• Наличию звукового индикатора.
• Погрешности измерения.
• Способу индикации.
• Продолжительности непрерывной работы.
• Габаритам и весу.

Что касается количества чувствительных датчиков, то чем их больше, тем более точным будет оборудование. Магнитометр может отображать свои измерения в числовом или графическом выражении. Сказать что лучше сложно, поскольку все зависит от особенностей условий, в которых проводится измерение. В определенных случаях нужно просто получить отображение показателей магнитного поля в цифрах, в то время как иногда больше нужно визуальное определение вектора его завихрений. Оптимальным вариантом являются комбинированные устройства, которые позволяют визуализировать показатели в цифровом и графическом отображении.

Похожие темы:

tehpribory.ru

Принцип работы магнитометра

Магнитометр – измерительный прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств веществ.

Магнитным полем можно назвать проявление электромагнитного поля, обусловленное движущимися заряженными частицами и изменением электрического поля и оказывающего силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы или проводники с током.

Основной физической величиной является магнитная индукция В, которая характеризует силовое воздействие магнитного поля в каждой его точке, как по значению, так и по направлению. Магнитная индукция – является величиной векторной, изображается вектором В, имеющим направление, совпадающее с направлением касательной к силовой линии в любой точке поля, так как магнитное поле может быть изображено с помощью линий магнитной индукции, т. е. силовых линий.

 

          

Магнитное поле может быть однородным(а, б) и неоднородным (в). В однородном поле векторы магнитной индукции В в любой точке поля одинаковы и направлены в одну сторону. В противном случае поле считается не однородным Магнитометры в зависимости от определяемой величины можно разделить на приборы для измерения конкретного параметра:

• эрстедметры – напряжённости поля;
• инклинаторы и деклинаторы – направления поля;
• градиентометры – градиента поля;
• тесламетры – магнитной индукции;
• веберметры, или флюксметры – магнитного потока;
• коэрцитиметры – коэрцитивной силы;
• мю-метры – магнитной проницаемости;
• каппа-метры – магнитной восприимчивости, магнитного момента.

 Наиболее широко используются приборы для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля, которые позволяют:

• Определить соответствия оборудования для проведения магнитопорошкового контроля необходимым техническим характеристикам;
• Контролировать уровня индукционных полей подконтрольных изделий, компонентов, либо устройств при проведении диагностических работ магнитопорошковым методом;
• Контролировать уровня остаточной намагниченности;
• Контролировать уровень индустриальных помех;
• Контролировать уровня магнитных полей.

Измерение магнитной индукции и напряженности магнитного поля в постоянных и переменных полях выполняются с помощью тесламетров с преобразователями Холла. При помещении такого преобразователя в магнитное поле на боковых его гранях генерируется ЭДС.

К достоинствам тесламетров работающих с преобразователем Холла можно отнести простоту конструкции, удобство в эксплуатации, высокие метрологические характеристики. Недостатки: показания прибора зависят от температуры.

  Автор: Сергей Погорелов

novotest.ua

МАГНИТОМЕТР • Большая российская энциклопедия

МАГНИТО́МЕТР, при­бор для из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик маг­нит­но­го по­ля и маг­нит­ных свойств объ­ек­тов и ма­те­риа­лов. Не­ко­то­рые М. име­ют спец. на­зва­ния в за­ви­си­мо­сти от из­ме­ряе­мой ве­ли­чи­ны: эр­стед­мет­ры из­ме­ря­ют на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, гра­ди­ен­то­мет­ры и ва­рио­мет­ры – из­ме­не­ния на­пря­жён­но­сти в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, инк­ли­на­то­ры и дек­ли­на­то­ры – на­прав­ле­ние век­то­ра на­пря­жён­но­сти, тес­ла­мет­ры – ве­ли­чи­ну маг­нит­ной ин­дук­ции. М. из­ме­ря­ют так­же сле­дую­щие ха­рак­те­ри­сти­ки объ­ек­тов и ма­те­риа­лов: маг­нит­ную про­ни­цае­мость и маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость (мю-мет­ры и кап­па-мет­ры), ко­эр­ци­тив­ную си­лу (ко­эр­ци­ти­мет­ры), по­ток маг­нит­ной ин­дук­ции (ве­бер­мет­ры или флюкс­мет­ры), маг­нит­ный мо­мент, кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния, по­те­ри на гис­те­ре­зис и др. Час­то маг­ни­то­мет­рич. дат­чи­ки ис­поль­зу­ют­ся при кос­вен­ных из­ме­ре­ни­ях не­маг­нит­ных ве­ли­чин.

По прин­ци­пу дей­ст­вия М. мож­но раз­де­лить на маг­ни­то­ста­ти­че­ские (ме­ха­ни­чес­кие), ин­дук­ци­он­ные, кван­то­вые и др.

Магнитостатические магнитометры

Прин­цип дей­ст­вия этих М. ос­но­ван на ме­ха­нич. воз­дей­ст­вии маг­нит­но­го по­ля на маг­нит. К та­ким при­бо­рам от­но­сят­ся ком­пас маг­нит­ный и бус­соль, оп­ре­де­ляю­щие на­прав­ле­ние маг­нит­но­го по­ля Зем­ли, квар­це­вые ва­рио­мет­ры, по­зво­ляю­щие ре­ги­ст­ри­ро­вать гео­маг­нит­ные ва­риа­ции с точ­но­стью 10^–3–10^–4 А/м и маг­нит­ные ве­сы, при­ме­няе­мые в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти об­раз­цов. В маг­нит­ных ве­сах вос­при­им­чи­вость маг­нит­но­го ма­те­риа­ла оп­ре­де­ля­ет­ся по си­ле, с ко­то­рой ис­сле­дуе­мый об­ра­зец, имею­щий фор­му длин­но­го ци­лин­д­ра, втя­ги­ва­ет­ся в по­ле элек­тро­маг­ни­та (ме­тод Гуи), или по си­ле, дей­ст­вую­щей на об­ра­зец ма­ло­го раз­ме­ра, по­ме­щён­ный в не­од­но­род­ное маг­нит­ное по­ле (ме­тод Фа­ра­дея). В ме­то­де Гуи тре­бу­ет­ся бо́льшая мас­са ве­ще­ст­ва (1–10 г), а ме­тод Фа­ра­дея по­зво­ля­ет ра­бо­тать с мил­ли­грам­ма­ми ве­ще­ст­ва и тре­бу­ет бо­лее слож­но­го обо­ру­до­ва­ния.

Индукционные магнитометры

 Ра­бо­та этих М. ос­но­ва­на на яв­ле­нии элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции; они ре­ги­ст­ри­ру­ют из­ме­не­ние по­то­ка маг­нит­ной ин­дук­ции в из­ме­рит. ка­туш­ке, вы­зван­ное разл. при­чи­на­ми. Ин­дук­ци­он­ные М. ус­лов­но де­лят на пас­сив­ные и ак­тив­ные: в пер­вых эдс в ка­туш­ке воз­бу­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем во вре­ме­ни внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля, во вто­рых – из­ме­не­ния­ми в са­мом при­бо­ре. Пас­сив­ные М. пред­став­ля­ют со­бой длин­ную ци­лин­д­рич. ка­туш­ку, на­мо­тан­ную на фер­ро­маг­нит­ный сер­деч­ник и фак­ти­че­ски яв­ля­ют­ся ан­тен­на­ми сверх­низ­кой час­то­ты. Та­кие М. ис­поль­зу­ют­ся для де­тек­ти­ро­ва­ния ядер­ных взры­вов, свя­зи с под­вод­ны­ми лод­ка­ми, маг­ни­то­тел­лу­рич. зон­ди­ро­ва­ния зем­ной ко­ры, изу­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия сол­неч­но­го вет­ра с маг­ни­то­сфе­рой Зем­ли и вол­но­вых про­цес­сов в кос­мич. плаз­ме.

К ак­тив­ным ин­дук­ци­он­ным М. от­но­сят­ся, напр., рок-ге­не­ра­тор и фер­ро­зон­до­вый М. В рок-ге­не­ра­то­ре ис­сле­дуе­мый об­ра­зец по­ме­ща­ет­ся на спец. пло­щад­ку, вра­щаю­щую­ся в цен­тре из­ме­рит. ка­туш­ки с час­то­той 40 Гц. В ре­зуль­та­те в ка­туш­ке воз­ни­ка­ет эдс, ве­ли­чи­на ко­то­рой про­пор­цио­наль­на ве­ли­чи­не на­маг­ни­чен­но­сти об­раз­ца. Для ис­клю­че­ния влия­ния внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля на ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний ка­туш­ка (вме­сте с вра­щаю­щей­ся пло­щад­кой и об­раз­цом) за­кры­та мно­го­слой­ным пер­мал­лое­вым эк­ра­ном. Рок-ге­не­ра­тор при­ме­ня­ет­ся при ис­сле­до­ва­ни­ях маг­нит­ных свойств гор­ных по­род, напр. при изу­че­нии па­лео­маг­не­тиз­ма.

Фер­ро­зон­до­вые М. ос­но­ва­ны на пе­рио­дич. из­ме­не­нии маг­нит­ной про­ни­цае­мо­сти фер­ро­маг­не­ти­ков при пе­ре­маг­ни­чи­ва­нии (до на­сы­ще­ния) пе­ре­мен­ным по­лем воз­бу­ж­де­ния. На об­мот­ку воз­буж­де­ния по­да­ёт­ся пе­ре­мен­ный ток; при этом в из­ме­рит. ка­туш­ке на­во­дит­ся пе­ре­мен­ная эдс, чёт­ные гар­мо­ни­ки ко­то­рой про­пор­цио­наль­ны про­доль­ной ком­по­нен­те внеш­не­го по­ля. Про­стей­ший фер­ро­зон­до­вый дат­чик со­сто­ит из стерж­не­во­го фер­ро­маг­нит­но­го сер­деч­ни­ка и на­хо­дя­щих­ся на нём об­мо­ток из­ме­ре­ния и воз­бу­ж­де­ния. В наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ных фер­ро­зон­до­вых М. ис­поль­зу­ет­ся то­рои­даль­ный сер­деч­ник с об­мот­кой воз­бу­ж­де­ния или два стерж­не­вых сер­деч­ни­ка с рас­пре­де­лён­ны­ми по их дли­не об­мот­ка­ми воз­бу­ж­де­ния, вклю­чён­ны­ми по­сле­до­ва­тель­но-встреч­но (т. е. элек­три­че­ски по­сле­до­ва­тель­но, но маг­нит­ные по­ля, соз­да­вае­мые об­мот­ка­ми, име­ют про­ти­во­по­лож­ное на­прав­ле­ние). Из­ме­ре­ния про­из­во­дят­ся ли­бо при по­мо­щи од­ной об­щей сиг­наль­ной об­мот­ки, ли­бо с ис­поль­зо­ва­ни­ем двух об­мо­ток, со­еди­нён­ных так, что не­чёт­ные гар­мо­нич. со­став­ляю­щие маг­нит­но­го поля прак­ти­че­ски ком­пен­си­ру­ют­ся. Ис­поль­зо­ва­ние то­рои­даль­но­го сер­деч­ни­ка по­зво­ля­ет од­но­вре­мен­но из­ме­рять 2–3 вза­им­но ор­то­го­наль­ные ком­по­нен­ты маг­нит­но­го по­ля, что умень­ша­ет ошиб­ки в оп­ре­де­ле­нии на­прав­ле­ния век­то­ра по­ля.

Фер­ро­зон­до­вые М. при­ме­ня­ют для из­ме­ре­ния маг­нит­но­го по­ля Зем­ли и его ва­риа­ций, при аэ­ро­маг­нит­ных съём­ках и раз­вед­ке по­лез­ных ис­ко­пае­мых, в кос­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях, хи­рур­гии, в сис­темах кон­тро­ля ка­че­ст­ва про­дук­ции, в элек­трон­ных ком­па­сах. Чув­ст­ви­тель­ность фер­ро­зон­до­во­го М. дос­ти­га­ет 10^–4–10^–5 А/м.

Квантовые магнитометры

В ра­бо­те кван­то­вых магнитометров ис­поль­зу­ют­ся кван­то­вые яв­ле­ния: сво­бод­ная упо­ря­до­чен­ная пре­цес­сия ядер­ных (ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс, ЯМР) или элек­трон­ных (элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс, ЭПР) маг­нит­ных мо­мен­тов во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, кван­то­вые пе­ре­хо­ды меж­ду маг­нит­ны­ми по­ду­ров­ня­ми ато­мов, а так­же кван­то­ва­ние маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­во­дя­щем кон­ту­ре. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба соз­да­ния мак­ро­ско­пич. маг­нит­но­го мо­мен­та и ме­то­да де­тек­ти­ро­ва­ния сиг­на­ла раз­ли­ча­ют: про­тон­ные М. (М. сво­бод­ной пре­цес­сии, с ди­на­ми­чес­кой и син­хрон­ной по­ля­ри­за­ци­ей), М. с оп­тич. на­кач­кой и др.

Дат­чи­ком про­тон­но­го М. слу­жит кон­тей­нер с диа­маг­нит­ной жид­ко­стью, мо­ле­ку­лы ко­то­рой со­дер­жат ато­мы во­до­ро­да. В ка­че­ст­ве та­кой жид­ко­сти мо­гут вы­сту­пать во­да, ке­ро­син, бен­зол, геп­тан и др. Ам­пу­лу с жид­ко­стью по­ме­ща­ют в ка­туш­ку, ли­бо ка­туш­ку по­гру­жа­ют в ём­кость с ра­бо­чей жид­ко­стью. Че­рез ка­туш­ку вна­ча­ле про­пус­ка­ют ток по­ля­ри­за­ции, ко­то­рый соз­да­ёт маг­нит­ное по­ле, ори­ен­ти­рую­щее маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов и на­маг­ни­чи­ваю­щее жид­кость. По­сле от­клю­че­ния то­ка по­ля­ри­за­ции маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов на­чи­на­ют пре­цес­си­ро­вать во­круг на­прав­ле­ния из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля

Н_изм c час­то­той ω = γ_pН_изм, где γ_p – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние для про­то­нов. Т. о., из­ме­ре­ние час­то­ты пре­цес­сии по­зво­ля­ет с вы­со­кой точ­но­стью оп­ре­де­лить ве­ли­чи­ну на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля.

В ра­бо­те кван­то­во­го М. мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на так­же пре­цес­сия в маг­нит­ном по­ле маг­нит­ных мо­мен­тов не­спа­рен­ных элек­тро­нов па­ра­маг­нит­ных ато­мов. Час­то­та пре­цес­сии элек­тро­нов в сот­ни раз боль­ше час­то­ты пре­цес­сии про­то­нов. Соз­да­ны про­тон­ные М., в ко­то­рых ЭПР уве­ли­чи­ва­ет ин­тен­сив­ность ЯМР (эф­фект Овер­хау­зе­ра).

Кван­то­вый оп­тич. М. (М. с оп­тич. на­кач­кой) час­то на­зы­ва­ют про­сто кван­то­вым М. Дат­чи­ком при­бо­ра яв­ля­ет­ся стек­лян­ная кол­ба, на­пол­нен­ная парáми ще­лоч­но­го ме­тал­ла (напр., Rb, Cs, K), ато­мы ко­то­ро­го па­ра­маг­нит­ны. При про­пус­ка­нии че­рез кол­бу све­та с кру­го­вой по­ля­ри­за­ци­ей и дли­ной вол­ны, со­от­вет­ст­вую­щей пе­ре­хо­ду ато­мов ме­тал­ла на один из воз­бу­ж­дён­ных уров­ней, ато­мы за­пол­ня­ют один из маг­нит­ных по­ду­ров­ней это­го уров­ня, что при­во­дит к умень­ше­нию ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та. При по­ме­ще­нии кол­бы в пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле с час­то­той ω = γ

eН_изм (γ_e – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние для элек­тро­нов) на­се­лён­ность маг­нит­ных по­ду­ров­ней вы­рав­ни­ва­ет­ся, а по­гло­ще­ние и рас­сея­ние све­та рез­ко воз­рас­та­ют. Чув­ст­ви­тель­ность про­тон­но­го и оп­ти­че­ско­го М. со­став­ля­ет 10^–4–10^–5 А/м.

Все опи­сан­ные кван­то­вые М. при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния на­пря­жён­но­сти сла­бых маг­нит­ных по­лей, в т. ч. гео­маг­нит­но­го по­ля в кос­мич. про­стран­ст­ве, а так­же в гео­ло­го­раз­вед­ке.

Прин­цип дей­ст­вия сверх­про­во­дя­щих кван­то­вых М. (СКВИД-маг­ни­то­мет­ров) ос­но­ван на кван­то­вых эф­фек­тах в сверх­про­вод­ни­ках: кван­то­ва­нии маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­вод­ни­ке и за­ви­си­мо­сти кри­тич. то­ка кон­так­та двух сверх­про­вод­ни­ков от Н_изм (см. Джо­зеф­со­на эф­фект). Сверх­про­во­дя­щие М. из­ме­ря­ют сверх­сла­бые маг­нит­ные по­ля и при­ме­ня­ют­ся в био­фи­зи­ке, фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, маг­не­то­хи­мии и др., а так­же для из­ме­ре­ний ком­по­нент гео­маг­нит­но­го по­ля. Чув­ст­ви­тель­ность СКВИД-маг­ни­то­мет­ров дос­ти­га­ет 10^–10 A/м.

Другие типы магнитометров

 Прин­цип дей­ст­вия галь­ва­но­маг­нит­ных М. ос­но­ван на ис­крив­ле­нии тра­ек­то­рий за­ря­жен­ных час­тиц в маг­нит­ном по­ле. К этой груп­пе М. от­но­сят­ся М., ис­поль­зую­щие Хол­ла эф­фект и эф­фект Га­ус­са (из­ме­не­ние со­про­тив­ле­ния про­вод­ни­ка в по­пе­реч­ном маг­нит­ном по­ле). На эф­фек­те Хол­ла ос­но­ва­ны так­же: тес­ла­мет­ры, при­ме­няе­мые для из­ме­ре­ния по­сто­ян­ных, пе­ре­мен­ных и им­пульс­ных маг­нит­ных по­лей; флюкс­мет­ры, ис­поль­зуе­мые для от­бра­ков­ки по­сто­ян­ных маг­ни­тов; ко­эр­ци­ти­мет­ры, при­ме­няе­мые при не­раз­ру­шаю­щем кон­тро­ле ка­че­ст­ва. На ос­но­ве дат­чи­ков Хол­ла соз­да­ют­ся гра­ди­ен­то­мет­ры для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­ных свойств ма­те­риа­лов. Чув­ст­ви­тель­ность М. на эф­фек­те Хол­ла обыч­но на­хо­дит­ся в диа­па­зо­не 10–100 А/м. Эф­фект Га­ус­са при­ме­ня­ет­ся в маг­ни­то­ре­зи­стив­ных дат­чи­ках, ис­поль­зуе­мых в элек­трон­ных ком­па­сах и др. Чув­ст­ви­тель­ность та­ких тес­ла­мет­ров со­став­ля­ет 0,5–10 А/м.

Су­ще­ст­ву­ют так­же М., прин­цип дей­ст­вия ко­то­рых ос­но­ван на вра­ще­нии плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та в маг­нит­ном по­ле или по­ле на­маг­ни­чен­но­го об­раз­ца, из­ме­не­нии дли­ны на­маг­ни­чен­но­го стерж­ня под дей­ст­ви­ем при­ло­жен­но­го по­ля (маг­ни­то­ст­рик­ции) и др. Та­кие М. при­ме­ня­ют­ся в разл. об­лас­тях тех­ни­ки.

bigenc.ru

Типы магнитометров | Магнитометр

С.Г. Седов, геофизик, канд.геол.-минер. наук

Прежде всего, магнитометры делятся на съёмочные и поисковые. К съёмочным приборам относятся магнитометры, предназначенные для построения геофизических карт магнитного поля, используемых при геологических исследованиях. Поскольку геологические объекты имеют размеры от сотен метров до десятков и сотен километров, то шаг между точками измерения поля меняется от 50 метров до десятков километров. По этой причине дискретное, поточечное измерение магнитного поля при геологических исследованиях не представляет проблемы. Другое дело – археологические и поисковые работы. Здесь поточечное измерение имеет существенные недостатки. Во-первых, теряется вся информация в межточечном пространстве – приходится лишь надеяться, что там ничего не было. Сокращение расстояний между точками измерений, допустим, до 50 см, настолько снижает производительность (темп опоискования площади), что со временем оператор переходит к измерениям через 1-2 метра или к работе в движении. Однако съёмочные пешеходные приборы к работе в движении не приспособлены. Обычно производитель указывает это в Инструкции к прибору. Дело в том, что протонные съёмочные приборы имеют задержку от 2 до 10 сек. от нажатия кнопки “Пуск” до получения на табло цифрового значения поля, вызванную затратами времени на поляризацию жидкости в датчике и на измерение частоты прецессии. Такая инерционность заставляет “проскакивать” аномалию на 2 и более метров, затем возвращаться, и опять же, производя поточечные измерения, отыскивать её центр. Кроме того, работа с протонными магнитометрами в движении резко, в несколько раз, снижает точность измерения поля (также должно быть оговорено Инструкцией) и соответственно снижает достоверность исследований.

Ещё одна особенность съёмочных протонных магнитометров – большой объём датчиков. Следствием этого является неоднородность сильного поля внутри его объёма при приближении к нему железного объекта. В результате магнитометр не может измерить поле – на табло появляются сплошные нули. Это явление всегда наблюдается при выкапывании  объекта из земли: невозможно определить, в какую сторону расширять яму и следует ли её углублять, чтобы достичь до этого объекта.

Совершенно очевидно, что поисковые работы требуют оперативного и полного получения информации, и потому поисковый прибор должен обеспечивать непрерывное её поступление оператору. В частности, армейский миноискатель и археологический металлоискатель, которые являются типичным примером поискового прибора, дают именно непрерывную информацию по ходу движения. Аналогичным свойством должен обладать и поисковый магнитометр. К приборам такого типа относится ряд зарубежных магнитометров-градиентометров и магнитометр-градиентометр “Магнум”. Датчики этих поисковых приборов имеют малый объём и не чувствительны к сильным градиентным полям. Поисковые магнитометры также имеют ряд других особенностей, описанных в разделах “Преимущества” и “Магнитометр-градиентометр”.

Магнитометры различаются и по принципу работы – они могут быть протонные, квантовые, феррозондовые, криогенные, индуктивные, на эффекте Холла и др. Однако  широко применяются только первые три типа.

Протонные магнитометры

Элементарные частицы материи, в т.ч. атомные ядра, являются носителями магнетизма, т. е. имеют собственные магнитные моменты. Атомное ядро прецессирует (вращается) в магнитном поле вокруг направления поля с частотой. Определяемой соотношением Лармора. Гиромагнитное отношение ядер каждого изотопа (отношение магнитного момента к механическому) является атомной константой, не зависящей от внешних факторов (температура, давление, влажность и т.п.). Поэтому частота прецессии ядра данного изотопа зависит только от напряжённости внешнего магнитного поля.  далее >>>

Квантовые магнитометры

Как известно, энергетические уровни атомов паров металлов, находящиеся в магнитном поле, расщепляются на несколько подуровней (эффект Зеемана). Если через сосуд с парами металла (рубидия или цезия) пропускать поляризованный по кругу пучок монохроматического света, произойдёт переход атомов металла с нижнего энергетического уровня на более высокий.  далее >>>

Феррозондовые магнитометры

Магниточувствительным элементом феррозондового магнитометра является феррозонд – электрическая катушка с сердечником из магнитомягкого материала, питаемая переменным током. Которая чувствительна к величине и направлению внешнего магнитного поля. Феррозонд имеет другие наименования: датчик магнитного насыщения. Магнитонасыщенный датчик, магнито-модуляционный датчик. В зарубежной литературе феррозонд называется flux-gate – потокопропускающий, потоковоспринимающий.   далее  >>>

www.magnitometr.com

Как работает магнитометр DEEPGEOTECH

Физический принцип металлопоиска с помощью магнитометра. Как известно у нашей планеты есть собственное магнитное поле, оно возникает в недрах расплавленного ядра и простирается далеко за пределы атмосферы. То есть магнитное поле есть везде, напряженность его в отдельно взятом локальном месте относительно равномерна и подвержена лишь слабым колебаниям. Если вы сделаете несколько замеров напряженности магнитного поля в одном месте, то значение будет примерно одинаково. Железные предметы вызывают искажение силовых линий магнитного поля земли, и значения его напряженности , сделанные вблизи железных объектов сильно отличаются от естественного фона магнитного поля. Таким образом, принцип металлопоиска с магнитометром состоит в нахождении магнитных аномалий, создаваемых железными предметами. Магнитометр способен обнаружить также неоднородности почвы (ствол колодца, шахта, пещера). Магнитометр не способен обнаружить обьекты из цветного металла, но , если говорить о применении в археологии, то как правило цветной металл всегда соседствует с железом (бочка, кованый сундук, чугунок, железный ящик и тд) либо связан с нарушением структуры почвы (яма, колодец, подвал и тд). В полной мере возможности магнитометра раскрываются при поиске крупных объектов (размером от пистолета до танка), причем чем крупнее объект тем более магнитометр уйдет в отрыв от других металлодетекторов. Значение же мелких предметов (гвозди, шрапнель) нивелируется и они не мешают поиску. Практические глубины – 1.5 -2 метров на пистолет, 15-20 метров на автомобиль. Причем цель захватывается не только непосредственно над датчиком, но и сбоку, что значительно облегчает поиск и снижает вероятность пропуска. В непосредственной близости от предмета показания прибора будут максимальны, либо прибор перегрузится и выдаст соответствующий звуковой сигнал, таким образом вы всегда сможете определить точное местоположение объекта под землей. Принцип работы основан на ядерной прецессии (изменении ориентации оси вращения) вокруг направления магнитного поля. Ядра водорода (протоны), находящиеся в протоносодержащей жидкости, под влиянием искусственного магнитного поля, созданного соленоидом, ориентированного примерно под прямым углом к земному магнитному полю, поляризуются. Затем поляризующее магнитное поле выключается. Протоны начинают свободно прецессировать вокруг направления земного магнитного поля до тех пор, пока ядерные спины не достигнут нового равновесного состояния. Прецессия протонов индуцирует небольшую ЭДС в приемной катушке. Частота f этого сигнала такая же, как частота прецессии протонов и связана с величиной магнитного поля F соотношением 2pf = gF, где g – гиромагнитное отношение протона, известное с высокой точностью. Измерение частоты сигнала в катушке позволяет определить напряженность магнитного поля. Сигнал с катушки усиливается примерно в 5 миллионов раз, фильтруется от помех , оцифровывается и поступает в микропроцессор для дальнейшей обработки, измерения и визуализации. Вы включаете прибор и исследуете участок. На экране отображается значение напряженности магнитного поля. В случае обнаружения магнитной аномалии (например, вызванной скрытым в земле железным предметом) выдается звуковой сигнал. Показания прибора визуализируются на экране в виде графика. Возможна запись данных (напряженность поля, время, GPS координаты места) непрерывно в файл формата EXEL для дальнейшей обработки на персональном компьютере. Мы предлагаем два исполнения приборов: магнитометр и градиентометр. Оба прибора имеют высокие показания чувствительности и разрешающей способности. Градиентометр – более функциональная версия, он имеет все функции магнитометра плюс дополнительные функции. Достоинства магнитометра – меньшая цена, вес, и энергопотребление. Магнитометры по праву считаются дальнобойной артиллерией металлопоиска. Ни один другой физический принцип металлодетекции (VLF, PI и тд) не может сравниться с магнитометрией по глубине обнаружения сокрытых в земле железных объектов, и этому есть несколько объяснений. Все металлодетекторы сначала излучают сигнал, он проникает сквозь толщу земли к обьекту, отражается и путешествует сквозь толщу земли еще раз обратно. Магнитометры же ничего не излучают, а только измеряют уже существующее магнитное поле, так как оно уже есть везде , и под землей тоже. Таким образом с помощью магнитометрии теоретически возможно достижение относительно вдвое больших глубин обнаружения. Но глубина обнаружения зависит также и от параметров магнитометра – его чувствительности и разрешающей способности. Чем меньшее геомагнитное возмущение он сможет зафиксировать, тем дальше он обнаружит предмет. Различные типы магнитометров имеют различные значения разрешающей способности. Протонные магнитометры – неоспоримые лидеры и имеют гораздо большую разрешающую способность чем все другие (феррозондовые, магниторезистивные, холла и тд). Недостаток только один – всилу особенностей метода скорость измерений невелика – примерно одно измерение в секунду. Магнитное поле земли относительно однородно. Ферромагнитные предметы создают возмущение магнитного поля довольно сложной формы. В общем случае проекция этого возмущения на плоскость земли представляет из себя восьмерку, в центре которой находится ферромагнитный предмет, на север от предмета напряженность магнитного поля увеличивается а на юг – уменьшается. Размер аномалии существенно превышает размеры ферромагнетика, таким образом задача поиска обьекта облегчается – магнитометр реагирует не только непосредственно над обьектом но и с боков. Поиск в пешеходном режиме. В пешеходном поисковом режиме целесообразно сканировать местность в направлении север-юг, в этом случае наличие под землей ферромагнитного обьекта можно безошибочно определить по изменению магнитного поля с положительной анамалии на отрицательную. Включите магнитометр, войдите в автоматический режим, на чистом от металла месте нажмите кнопку “баланс”. Двигаясь в направлении север-юг, наблюдайте за показаниями прибора, при приближении к ферромагнитному обьекту показания будут увеличиваться плавно нарастая, как только вы пересекете центр аномалии – показания резко перскочат на отрицательные, и , при дальнейшем удалении от предмета медленно вернутся к естественному магнитному фону. Таким образом центр сокрытого в земле предмета всегда можно определить в направлении восток-запад – по максимальному(или минимальному) значению напряженности магнитного поля,а в направлении север-юг по скачкообразному переключению показаний прибора с плюса на минус (или с минуса на плюс). В цифровом режиме отображения это будет выглядеть примерно так: Составление магнитной карты местности. В случае , если предмет поиска довольно крупный или протяженный, целесообразно составить магнитную карту иссследуемого участка. Размечается участок: Далее на флешкарту записывается серия профилей (M1.CSV, M2.CSV и тд) вдоль каждой из размеченных линий. Шаг сканирования выбирается исходя из размеров искомой аномалии. Записанные таким образом профили обрабатываются программой DEEPGEOTECH Viewer в режиме Matrix. Результат работы программы будет примерно такой: Здесь: черный и красный цвета – магнитная аномалия, голубой – естественный магнитный фон. Ферромагнитный обьект будет расположен примерно в центре магнитной аномалии. Видео по теме:

deepgeotech.ru

Протонный магнитометр

 

Содержание 
 

Введение 

Глава 1. Принцип работы протонного магнитометра 

Глава 2. Обзор отечественных  магнитометров 

Заключение 

Используемая  литература 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение   

 Ядерно-прецессионный  протонный магнитометр имеет,  на первый взгляд, страшное название. На самом деле физика процессов,  протекающих в магнитометре, обыденно  проста.   

 Принцип работы  магнитометра основан на явлении  прецессии протона в магнитном  поле. Если протон помещен во  внешнее магнитное поле, из-за  своего собственного магнитного  момента, он испытает магнитный  вращающий момент. Поскольку он  также имеет угловой момент, этот  магнитный вращающий момент приведет  его (протон) к прецессии –  она называется ‘Лармор прецессией’  и ее уровень зависит от  величины внешнего магнитного  поля. 
Частота Лармор прецессии независима от ориентации протона и зависит только от величины внешнего поля. 
Частота прецессии определяется по формуле: F = В/23.4875, где F – частота в Гц, В – величина индукции внешнего магнитного поля в нТл. 
Чтобы измерить величину местной магнитной индукции с точностью до одного нТл, необходимо измерить частоту с точностью до 0.0426 Гц. 
Магнитное поле Земли имеет величину индукции примерно 50 мкТл. Наименьшее значение магнитной индукции на экваторе, наибольшее на полюсах. Кроме этого, величина магнитной индукции земного поля зависит от солнечной активности, времени суток, залежей полезных ископаемых и многих других факторов.   

 В датчике ядерно-прецессионного  магнитометра, протоны ‘намагничивают’ (то есть, выстраивают их магнитные  моменты в одном направлении)  с помощью внешнего магнитного  поля возбуждения, формируемого, например, соленоидом, а затем максимально  быстро отключают внешнее поле. Протоны перестраиваются в направлении  магнитного поля Земли и при  этом все синфазно «прецессируют», вызывая напряжение с частотой  Лармор прецессии, которая может  быть измерена и использоваться  для вычисления величины окружающего  магнитного поля. Тот же самый  соленоид, после отключения возбуждающего  поля, действует, как катушка датчика  и подключен к чувствительному  усилителю для усиления напряжения  прецессии. 
Вызванное напряжение протонной прецессии имеет порядок микровольт. 
Поскольку прецессия протонов будет впоследствии рандомизироваться тепловыми столкновениями протонов, то полезный сигнал уменьшается по экспоненте со временем. Время зависит от специфики используемого вещества и может изменятся от одной до нескольких секунд. 
Для другого измерения процесс необходимо повторить.   

 Наиболее простая  конфигурация датчика – многовитковый  соленоид, содержащий внутри вещество, богатое протонами: дистиллированная  вода, керосин, бензин, дизельное  топливо, органические спирты.    

 Магнитометристы,  работавшие с протонным магнитометром  ММП-203, утверждают, что в датчик  заливать можно все и в любых  сочетаниях. 
Большинство протонных магнитометров имеют соленоидальные датчики. Эта конфигурация имеет одно преимущество и несколько больших недостатков. 
Преимущество – датчик легко изготовить. 
Первый недостаток – датчик является чувствительным к внешним переменным магнитным полям. Поле промышленной частоты 50 Гц вызовет напряжение, которое может быть намного больше, чем полезное напряжение прецессии. 
Во-вторых, соленоидальный датчик чувствителен к ориентации в магнитном поле Земли. Если поле поляризации (по оси соленоида), сонаправлено с измеряемым внешним полем, то полезное напряжение будет равно нулю. Это означает, что пользователь должен всегда убедиться в правильной ориентации соленоида для корректного измерения. 
Для устранения этих недостатков применяют тороидальные датчики. 
Первое – тороидальная катушка – не чувствительна к внешним переменным ‘шумовым’ магнитным полям. 
Во-вторых, тороидальная конфигурация почти не чувствительна к ориентации. Если внешнее измеряемое магнитное поле ориентируется в наименее чувствительном направлении (в плоскости тороида), вызванное полезное напряжение только в два раза меньше, чем полезное напряжение при самой чувствительной ориентации (внешнее поле направлено по оси тороида). 
Сигнал никогда не уменьшается до нуля. 
Единственное неудобство тороида – это трудоемкая намотка.

Глава1. Принцип работы протонного магнитометра

Протонный магнитометр работает в двух основных режимах:

• первый из них – режим поляризации, при котором рабочее вещество подвергается воздействию сильного магнитного поля, чтобы намагнитить (то есть, выстроить в линию) протоны.
• Второй режим – фактическое измерение частоты прецессии для определения величины магнитного поля.

 

    В обоих режимах  используется та же самая обмотка,  как для поляризации электромагнита, так и для датчика напряжения  прецессии. 
Основная величина, которая будет измерена – частота прецессии протонов. Это переменное напряжение диапазона звуковых частот на выходе датчика. Это напряжение составляет от долей до единиц микровольт и должно быть усилено. Очевидно, что усилитель должен иметь низко шумовой фактор.   

 Частота прецессии  должна быть измерена настолько  точно – насколько возможно. 
Чем точнее измерена частота прецессии, тем точнее будет определена величина магнитного поля.   

 Так как сигнал  распадается по экспоненте со  временем – период измерения ограничен. 
При уменьшении амплитуды сигнала отношение сигнал-шум ухудшается. 
При постройке магнитометра необходимо учитывать все эти факторы. 
В магнитометре, мы хотим измерить абсолютную величину магнитного поля. 
При использовании современных микроконтроллеров преобразование частоты прецессии протонов в величину индукции магнитного поля по вышеприведенной формуле легко решается.

Блок-схему одного из возможных вариантов реализации квантового протонного магнитометра можно  представить следующим образом:

Рассмотрим принцип  работы данного устройства. 
Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:

1. Поляризация. 
   С Модуля микроконтроллера формируется Управляющий импульс 1 и приводит к замыканию Коммутатора К1 (далее просто К1), при этом Коммутатор К2 (далее К2) находится в разомкнутом состоянии. Через Датчик начинает протекать постоянный ток поляризации. Величина этого тока зависит от активного сопротивления датчика и составляет обычно от нескольких сот мА до нескольких А. Под воздействием созданного этим током электромагнитного поля в рабочем веществе Датчика (Подробнее строение Датчика рассмотрим позднее, а в общем он представляет собой катушку индуктивности соленоидального, тороидального или смешанного типа, в качестве “сердечника” которой выступает “рабочее вещество” – жидкость или газ, содержащее свободные протоны; часто используют дистиллированную воду, бензин, керосин или, что может быть особенно полезно в полевых условиях, спирт 🙂 свободные протоны “выстраиваются” согласно линиям напряженности поля.

2. Подавление  переходного процесса. 
   К1 размыкается, К2, как и ранее находится в разомкнутом состоянии. Этот этап при ряде условий можно было бы и не выделять отдельно, но индуктивность Датчика может быть достаточно высокой (от нескольких десятков до нескольких сотен мГн) и момент размыкания К1 может представлять опасность для высокочувствительного Малошумящего входного усилителя.

3. Усиление сигнала  с Датчика, фильтрация, преобразование в “удобочитаемую” для микроконтроллера форму, измерение частоты и перевод  в нТл с последующим отображением на дисплее.

4. К1 разомкнут, К2 замкнут. При отключении поляризационного тока свободные протоны начинают перестраиваться под воздействием магнитного поля Земли и при этом совершают колебательные движения, вызывая появление на датчике напряжения с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Коэффициент пропорциональности равен 23,4872 нТл/Гц, т.е. при возникновении на Датчике напряжения с частотой 2000 Гц напряженность магнитного поля равна 2000*23,4872=46974 нТл.

 

    Сложность заключается  в том, что величина напряжения  лежит в диапазоне 0,5-2 мкВ (при  разумных размере датчика, его  индуктивности, токе поляризации  и объеме рабочего вещества) и  стремительно падает по экспоненциальному  закону до нуля за очень  небольшой промежуток времени  (примерно 0,7с для керосина, 2,5-3с для дистиллированной воды). 
Для получения приемлемого соотношения сигнал/шум мы должны за время около 0,3-0,4с, измерить частоту напряжения (грубо для наших целей лежащую в диапазоне 1000-3000Гц) с точностью до сотых долей Гц (разрешение прибора при этом составит примерно 1 нТл). 
Методы расчета и построения датчика, а также возможный метод измерения частоты с заданной точностью мы рассмотрим далее. Фильтр нужен для подавления шумовых составляющих сигнала, лежащих вне рабочего диапазона, Компаратор или триггер Шмита – для увеличения крутизны фронтов сигнала и преобразования его в “удобочитаемую” для микроконтроллера форму (можно, конечно, использовать для этих целей и встроенный компаратор микроконтроллера).

Для наглядности рассмотрим графики: 
 

 
 
 
 
 

Как видим, цикл одного измерения состоит из двух взаимосвязанных  импульсов:

• первого для управления поляризацией, а затем, через интервал времени t задержки , служащий для подавления переходного процесса в Датчике
• второго, подключающего схемы усиления, обработки и измерения входного сигнала. Продолжение следует.

Рассмотрим более  подробно отдельные моменты проектирования устройства в целом.

Поляризация. 

 

    Упрощенный вариант  схемы поляризации может иметь  следующий вид (Рис 1): В данном  варианте подача напряжения поляризации  и подключение датчика к усилителю  происходит при помощи реле, диоды  VD1 и VD2 служат для гашения импульса  самоиндукции, транзистор VT для “заземления” входа высокочувствительного усилителя  и запирается лишь на время,  необходимое измерительной схеме  для замера частоты сигнала  с датчика (во многих случаях  он необязателен). Конденсатор С рез здесь и в дальнейших схемах ставится лишь в случаях использования резонансного включения датчика. Применение подобного решения нежелательно ввиду низкого быстродействия релейной коммутационной схемы и подгоранию контактов.

Этих недостатков  лишена схема на Рис. 2, где функции  реле выполняют транзисторы VT1 и VT2, при помощи VT2 также осуществляется задержка подключения усилителя  на время, необходимое для полного  подавления переходного процесса в  датчике. Но и эта схема неприменима  из-за того, что транзисторы являются хоть и достаточно качественными ключами, но не идеальными. В закрытом состоянии через VT1 и датчик протекает ток утечки сток-исток порядка нескольких мкА, что в нашем случае достаточно много (т. к. амплитуда измеряемого нами сигнала с датчика находится в диапазоне от десятых долей мкВ до 1-2 мкВ при нерезонансном подключении датчика).

Схема на Рис. 3 представляет собой “симбиоз” первых двух и  лишена присущих им недостатков. Механизм ее работы таков: до начала поляризации  транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт, контакты реле находятся в показанном на схеме  положении; при поляризации VT1 открывается  и через датчик протекает ток; по окончании поляризации VT1 закрывается  и через несколько мс (время, достаточное  для завершения переходного процесса). Реле подключает датчик к усилителю и запирается VT2; после проведения измерения контакты реле возвращаются в исходное положение, и отпирается VT2. Подобная реализация предотвращает протекание тока утечки сток-исток VT1 через датчик в момент измерения, исключает коммутацию больших токов при помощи реле и может быть использована на практике (в качестве реле можно использовать, например, РЭС 55 или аналогичные). Для желающих избавиться в схеме от такого “узкого” места, как реле, можно рекомендовать вариант решения, предложенный J.A. Koehler-ом (именно его работы позволили заняться отработкой принципов построения протонного магнитометра, т. к. содержат большое количество необходимого теоретического материала и доступны в сети.

На Рис. 4 показана схема, не использующая реле в качестве коммутирующего элемента. Этого удалось  добиться путем добавления нескольких транзисторов и некоторым усложнением  управляющей схемы (при использовании  микроконтроллера управление реализуемо программно, если же микроконтроллер  не используется, управляющие импульсы удобно формировать при помощи таймеров типа 555). Рассмотрим принцип работы этой схемы при помощи временных  диаграмм, приведенных ниже. До начала поляризации все транзисторы, кроме VT7, закрыты. VT7 открыт – вход усилителя  подключен к “земле”. Для начала поляризации управляющей схемой формируются Упр. импульс 1 (примерно 0,7 с для керосина) и Вспом. импульс 1, что приводит к отпиранию VT1, VT2, VT3 и VT4, через датчик протекает ток поляризации и подключается схема подавления переходного процесса на VT4 R2. VT7, как и ранее, открыт, остальные закрыты. Как видно из графиков, Упр. импульс 1 и Вспом. импульс 1 начинают формироваться одновременно, но Вспом. импульс 1 имеет большую длительность (как правило, на 10-20 мс, в зависимости от тока поляризации и индуктивности датчика) и за это дополнительное время происходит подавление импульса самоиндукции (на R2 и защитных диодах транзисторов). Сразу же после окончания Вспом. импульс 1 формируется Вспом. импульс 2 (длительность примерно 0,2-0,5 с , к критериям выбора вернемся позднее) и отпирается VT5, VT1-VT4 и VT6 закрыты , VT7, как и ранее, открыт. Собственно, в использовании VT5 и заключается “изюминка” этой схемы. Если при поляризации “корпусным” являлся нижний по схеме вывод датчика, то в процессе измерения частоты прецессии на “корпус” подключается верхний вывод. На снимаемый с датчика сигнал это не влияет, но львиная доля тока утечки СИ VT2 (от которого, собственно, мы и стремимся избавиться) протекает по цепи +U – CИ VT2 – СИ VT5 – “корпус”, минуя датчик. Через 5-10 мс после начала Вспом. импульс 2 формируется Упр. импульс 2, открывается VT6 и запирается VT7. Сигнал с датчика поступает на вход усилителя. По окончании Вспом. импульс 2 оканчивается и Упр. импульс 2 и схема возвращается в исходное состояние.

www.stud24.ru

КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 13. Москва, 2009, стр. 474

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: Е. Б. Александров

КВА́НТОВЫЙ МАГНИТО́МЕТР, при­бор для оп­ре­де­ле­ния маг­нит­ной ин­дук­ции, ос­но­ван­ный на из­ме­ре­нии энер­гии (час­то­ты) кван­то­во­го пе­ре­хо­да па­ра­маг­нит­ной час­ти­цы ме­ж­ду дву­мя со­стоя­ния­ми, раз­ли­чаю­щи­ми­ся кван­то­ван­ны­ми (дис­крет­ны­ми) зна­че­ния­ми про­ек­ции уг­ло­во­го мо­мен­та на век­тор маг­нит­ной ин­дук­ции. Энер­гия свя­за­на с маг­нит­ной ин­дук­ци­ей по­ля че­рез фун­дам. кон­стан­ты и кон­стан­ты, ха­рак­те­ри­зую­щие ве­ще­ст­ва, по­это­му по­ка­за­ния К. м. не нуж­да­ют­ся в ка­либ­ров­ке и име­ют аб­со­лют­ный ха­рак­тер. Это в кор­не от­ли­ча­ет К. м. от всех др. маг­ни­то­мет­ров, в т. ч. от маг­ни­то­мет­ров на ос­но­ве кван­то­вых сверх­про­во­дя­щих ин­тер­фе­ро­мет­ров – СКВИД-маг­ни­то­мет­ров.

Схема протонного магнитометра.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го ти­пов К. м. Наи­более из­вес­тен про­тон­ный маг­ни­то­метр (рис.), ос­но­ван­ный на из­ме­ре­нии час­то­ты сво­бод­ной пре­цес­сии ядер­ных спи­нов про­то­нов во внеш­нем маг­нит­ном по­ле. Ра­бо­чей сре­дой про­тон­но­го маг­ни­то­мет­ра слу­жит жид­кость, со­дер­жа­щая про­то­ны, ча­ще все­го во­да. При от­сут­ст­вии маг­нит­но­го по­ля маг­нит­ные мо­мен­ты отд. про­то­нов ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­тич­но. Пе­ред на­ча­лом из­ме­ре­ния кю­ве­ту с во­дой по­ме­ща­ют в силь­ное вспо­мо­га­тель­ное маг­нит­ное по­ле, соз­да­вае­мое ка­туш­кой с то­ком и на­прав­лен­ное пер­пен­ди­ку­ляр­но век­то­ру ин­дук­ции из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля $\boldsymbol B$. Под дей­ст­ви­ем вспо­мо­га­тель­но­го маг­нит­но­го по­ля, ока­зы­ваю­ще­го ори­ен­ти­рую­щее (по­ля­ри­зую­щее) дей­ст­вие на маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов, в во­де воз­ни­ка­ет мак­ро­ско­пич. маг­нит­ный мо­мент. По­сле вы­клю­че­ния по­ля­ри­зую­ще­го по­ля этот мо­мент на­чи­на­ет пре­цес­си­ро­вать во­круг на­прав­ле­ния из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля. Час­то­та пре­цес­сии ω про­пор­цио­наль­на величине маг­нит­ной ин­дук­ции B из­ме­ряе­мо­го по­ля: ω=γB, где γ  – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние, рав­ное для про­то­на (в во­де) ≈ 42,57602 МГц/Тл. Час­то­та из­ме­ря­ет­ся по сиг­на­лу ин­дук­ции, ко­то­рую на­во­дит пре­цес­си­рую­щая на­маг­ни­чен­ность в ка­туш­ках, ок­ру­жаю­щих кю­ве­ту с во­дой. Сиг­нал пред­став­ля­ет со­бой экс­по­нен­ци­аль­но за­ту­хаю­щую си­ну­сои­ду. Вре­мя за­ту­ха­ния со­став­ля­ет ок. 1 с, что позво­ля­ет на­счи­тать ты­ся­чи пе­рио­дов ос­цил­ля­ций в зем­ном маг­нит­ном по­ле и обес­пе­чить чув­ст­ви­тель­ность из­ме­ре­ния вплоть до до­лей нТл. Про­тон­ный пре­цес­си­он­ный маг­ни­то­метр, по­стро­ен­ный впер­вые в сер. 20 в., до сих пор слу­жит эта­лон­ным сред­ст­вом из­ме­ре­ния маг­нит­ной ин­дук­ции и при­ме­ня­ет­ся гл. обр. в гео­маг­нит­ных об­сер­ва­то­ри­ях.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го мо­ди­фи­ка­ций это­го при­бо­ра, из ко­то­рых сле­ду­ет от­ме­тить К. м., ис­поль­зую­щий эф­фект Овер­хау­зе­ра (см. Ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс) для по­ля­ри­за­ции ядер­ных спи­нов. В этих при­бо­рах вме­сто про­то­нов ис­поль­зу­ют­ся па­ра­маг­нит­ные ра­ди­ка­лы со сверх­тон­кой струк­ту­рой осн. со­стоя­ния. В ус­ло­ви­ях элек­трон­но­го па­ра­маг­нит­но­го ре­зо­нан­са в мик­ро­вол­но­вой об­лас­ти уда­ёт­ся дос­тичь вы­со­ко­го уров­ня ядер­ной по­ля­ри­за­ции без при­ме­не­ния силь­но­го внеш­не­го по­ля­ри­зую­ще­го по­ля. Это по­зво­ля­ет пе­рей­ти от им­пульс­но­го ре­жи­ма из­ме­ре­ния ин­дук­ции к не­пре­рыв­но­му и за­мет­но по­вы­сить чув­ст­ви­тель­ность.

В 1960-х гг. поя­ви­лись К. м., ис­поль­зую­щие в ка­че­ст­ве ра­бо­чей сре­ды элек­трон­ные па­ра­маг­не­ти­ки, пре­иму­ще­ст­вом ко­то­рых яв­ля­ет­ся мно­го бóльшая (на 2–3 по­ряд­ка) ве­ли­чи­на ги­ро­маг­нит­но­го от­но­ше­ния γ. При про­чих рав­ных ус­ло­ви­ях это при­во­дит к по­вы­ше­нию чув­ст­ви­тель­но­сти маг­ни­то­мет­ра и уве­ли­че­нию ско­ро­сти из­ме­ре­ния, что важ­но для ря­да при­ло­же­ний. Од­на­ко пре­иму­ще­ст­во вы­со­ко­го ги­ро­маг­нит­но­го от­но­ше­ния у элек­трон­ных па­ра­маг­не­ти­ков уда­ёт­ся реа­ли­зо­вать, ес­ли толь­ко вре­ме­на ре­лак­са­ции на­маг­ни­чен­но­сти элек­трон­ных и ядер­ных па­ра­маг­не­ти­ков со­пос­та­ви­мы. Это воз­мож­но для элек­трон­ных па­ра­маг­не­ти­ков в ви­де раз­ре­жен­ных ато­мар­ных га­зов. Наи­луч­шие ре­зуль­та­ты дос­тиг­ну­ты для ато­мов в ос­нов­ном S со­стоя­нии, та­ких как ато­мы ще­лоч­ных ме­тал­лов и ато­мы ге­лия в ме­та­ста­биль­ном 2³S₁ со­стоя­нии (ор­то­ге­лий). В К. м. с элек­трон­ны­ми па­ра­маг­не­ти­ка­ми ис­поль­зу­ет­ся др. прин­цип по­ля­ри­за­ции – оп­тич. на­кач­ка. Этот про­цесс ос­но­ван на се­лек­тив­ном оп­тич. воз­бу­ж­де­нии ато­мов в со­стоя­ни­ях с оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем уг­ло­во­го мо­мен­та или его про­ек­ции. Оп­тич. на­кач­ка по­зво­ля­ет не толь­ко дос­ти­гать пре­дель­но вы­со­кой по­ля­ри­за­ции ато­мов, но и кон­тро­ли­ро­вать её по сте­пе­ни по­гло­ще­ния ато­ма­ми све­та на­кач­ки. Со­че­та­ние элек­трон­ных па­ра­маг­не­ти­ков с прин­ци­пом оп­тич. на­кач­ки да­ло воз­мож­ность соз­дать К. м., пре­вос­хо­дя­щие про­тон­ные маг­ни­то­мет­ры по всем осн. по­ка­за­те­лям, та­ким как точ­ность, раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность и бы­ст­ро­дей­ст­вие.

К. м. с оп­тич. на­кач­кой пе­ре­кры­ва­ют ши­ро­чай­ший диа­па­зон зна­че­ний маг­нит­ной ин­дук­ции – от ну­ля до еди­ниц Тл. Чув­ст­ви­тель­ность та­ких К. м. не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны на­пря­жён­но­сти из­ме­ряе­мо­го по­ля (в от­ли­чие от про­тон­ных маг­ни­то­мет­ров, чув­ст­ви­тель­ность ко­то­рых ли­ней­но умень­ша­ет­ся с умень­ше­ни­ем на­пря­жён­но­сти по­ля). Наи­бо­лее ши­ро­ко они при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния гео­маг­нит­ных по­лей, т. е. в об­лас­ти маг­нит­ной ин­дук­ции от 20 до 80 мкТл. По­пу­ляр­ны­ми ра­бо­чи­ми ве­ще­ст­ва­ми для К. м. с оп­тич. на­кач­кой яв­ля­ют­ся па­ры́ ще­лоч­ных ме­тал­лов – це­зия и ка­лия, а так­же ор­то­ге­лий. Наи­бо­лее про­стые и де­шё­вые це­зие­вые маг­ни­то­мет­ры об­ла­да­ют вы­со­кой раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью (по­ряд­ка 1 пТл в по­ло­се 1 Гц), вы­со­ким бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем (до 100 из­ме­ре­ний в 1 с), но ха­рак­те­ри­зу­ют­ся зна­чи­тель­ны­ми сис­те­ма­тич. по­греш­но­стя­ми – по­ряд­ка 1 нТл и бо­лее. Ка­лие­вые К. м. с оп­тич. на­кач­кой об­ла­да­ют наи­бо­лее вы­со­кой точ­но­стью по­ряд­ка 10 пТл при раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти по­ряд­ка 0,1 пТл· Гц^–1/2. Ге­лие­вые маг­ни­то­мет­ры име­ют близ­кие ха­рак­те­ри­сти­ки по точ­но­сти и раз­ре­ше­нию, но толь­ко в ус­ло­ви­ях ла­зер­ной оп­тич. на­кач­ки (К. м. на парáх ще­лоч­ных ме­тал­лов хо­ро­шо ра­бо­та­ют при на­кач­ке от про­стых га­зо­раз­ряд­ных ламп). При этом ге­лие­вые К. м. име­ют боль­шую ско­рость ре­ак­ции и не ну­ж­да­ют­ся в тер­мо­ста­би­ли­за­ции ра­бо­че­го объ­ё­ма при­бо­ра.

bigenc.ru