Преобразователи магнитных величин

Для преобразования магнитных величин в электрические чаще используются:

- явление электромагнитной индукции;

- явление изменения свойств материала в магнитном поле;

- гальваномагнитное явление;

- магнетронный эффект.

В приборах, использующих явление электромагнитной индукции, для измерения характеристик постоянных и переменных магнитных полей измерительным преобразователем служит катушка ЭДС которой равно

е = - w · dФ/dt,

где ω – число витков катушки;

dФ/dt – скорость изменения магнитного потока.

Если поле в пространстве, охватываемое катушкой, однородно и ось катушки совпадает с направлением индукции, то

e = - w · S_К ∙dВ/dt = - w _· m₀ · S_К · dН/dt,

где S_К - площадь витка катушки, мм;

m₀ – магнитная проницаемость вакуума, Г/м;

Из формулы видно, что катушка является измерительным преобразователем, с помощью которого магнитные величины (магнитная индукция В, магнитный поток Ф, напряженность магнитного поля Н) могут быть преобразованы в электрическую величину ЭДС. В практике магнитных измерений подобные катушки называют измерительными катушками.

В зависимости от характера измеряемой величины к измерительным катушкам предъявляются различные требования.

Измерительные катушки могут иметь каркас (круглый, квадратный, прямоугольный) из изоляционного материала либо быть бескаркасными. Обмотка должна быть нанесена равномерно. Катушка должна иметь такую форму и размеры и должна быть так расположена, чтобы с ее витками сцеплялся лишь тот

поток, который подлежит измерению. Плоскость ее должна быть расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции или напряженности магнитного поля, в противном случае будет измерена лишь нормальная составляющая вектора.

Если измерительная катушка предназначена для измерения магнитной индукции в образце, то витки ее должны охватывать образец и плотно прилегать к его поверхности.

При измерении напряженности магнитного поля на поверхности образца измерительная катушка должна быть плоской и плотно прилегать к поверхности образца. Такие катушки называют иногда катушками поля.

При проведении измерений в однородных магнитных полях измерительные катушки могут быть большого размера (в слабых полях с большим числом

витков).

При измерениях в неоднородных магнитных полях необходимо использование измерительных катушек минимальных размеров для обеспечения определения характеристик поля в данной точке. Основной характеристикой измерительной катушки является произведение числа витков и площади витка (ω·S)_ИК. Это произведение называют «постоянной измерительной катушки».

Для измерения постоянных магнитных полей используют вращающиеся измерительные катушки с постоянной скоростью вращения.

Использование явления силового взаимодействия измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или магнитным полем контура с током. Приборы, основанные на силовом взаимодействии измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита, называют магнитометрами, а этот способ – магнитометрическим. Если постоянный магнит можно укрепить так, чтобы он мог вращаться вокруг оси, проходящей через точку опоры, и поместить его в некоторое магнитное поле, то магнит повернется так, чтобы вектор магнитной индукции его собственного поля совпал с вектором магнитной индукции внешнего поля. В настоящее время на этом принципе строят весьма чувствительные и точные магнитометры (погрешность их не превосходит (04…0,001 %) для измерения магнитного поля Земли.

Использование гальваномагнитных эффектов. Для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в настоящее время используют эффект Холла и эффект Гаусса.

В приборе, реализующем эффект Холла, преобразователь представляет собой пластинку из полупроводника, по которой протекает ток I. При помещении этой пластинки в магнитное поле на боковых гранях ее возникает разность потенциалов – ЭДС Холла Е. Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индукции, основанного на эффекте Холла, приведена на рисунке 9.1. Величина ЭДС. Холла связана с магнитной индукцией и током следующим соотношением:

Е = С

где Е – ЭДС Холла;

I – сила тока;

В – магнитная индукция (вектор ее должен быть перпендикулярен плоскости пластинки, либо будет измерена лишь нормальная составляющая

вектора В);

С – постоянная Холла;

h – толщина пластинки.

В качестве материалов для преобразователей Холла используют германий, сурмянистый индии и другие полупроводниковые материалы. ЭДС Холла обычно невелика. Так, например, чувствительность преобразователей из мышья­ковистого индия колеблется в пределах от 3·10⁵ до 8·10⁶ мкВ/(А·Т), т. е. э. д. с. Холла, возникающая на боковых гранях пла­стинки с током в 1А при помещении ее в поле с магнитной индукцией 1 Т, составляет от 3·10⁵ до 8·10⁶ мкВ. Поэтому в схеме прибора целесообразно (а иногда проcто необходимо) использование усилителя.

Для повышения точности измерения в приборах, основанных на эффекте Холла, часто используется компенсационный метод измерения.

Рисунок 9.1 - Схема прибора для измерения магнитной индукции, основанного на
эффекте Холла

Приборы, использующие эффект Холла, находят все более широкое распространение, так как они обладают рядом положительных свойств. Они достаточно просты, имеют удовлетворительную точность - 1,0…3,0 % (специальными мерами точность может быть доведена до 0,05 %), позволяют измерять магнитную индукцию или напряженность постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полей. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что дозволяет проводить измерение индукции в узких зазорах.

Одним из недостатков преобразователей Холла является значительная зависимость ЭДС Холла от температуры. Для устранения этого явления термостатируют преобразователи либо применяют схемы температурной компенсации. Кроме того, ведется работа по улучшению характеристик преобразователей. В настоящее время уже получены образцы термостабильных преобразователей Холла с дрейфом нулевого сигнала не более 1 мкВ/°С и высокой чувствительностью порядка 2,5 В/(А·Т).

В настоящее время известно значительное количество модификаций приборов, в которых использован эффект Холла, например: измеритель магнитной индукции ЕН-3 для постоянных магнитных полей с пределами измерения от 0,01 до l,6 T и погрешностью 1,5 %; миллитесламетр ВНИИМ для постоянных магнитных полей с пределами 15, 75, 150 мТ и погрешностью 1,0 %.

Использование явления изменения магнитного состояния ферромагнитных материалов в магнитном поле. Приборы, использующие это явление, называют феррозондовыми, а преобразователи, соответственно, феррозондами.

Работа феррозонда основана на особенностях изменения магнитного состояния ферромагнитного материала при одновременном воздействии на него переменного и постоянного магнитных полей (либо двух переменных полей различных частот). Если на ферромагнитный материал воздействует только переменное (синусоидальное) магнитное поле напряженностью Н_~, то магнитное состояние его изменяется по симметричным динамическим магнитным циклам; кривая индукции В несинусоидальна, но симметрична относительно оси времени. При наложении на переменное поле Н_~ постоянного магнитного поля напряженностью Н₌ симметрия нарушается, кривая переменной составляющей индукции В_~ станет несимметричной относительно оси времени, т. е. в составе этой кривой наряду с нечетными появятся четные гармоники, причем степень асимметрии зависит от величины поля Н₌. По величине ЭДС четных гармоник, индуцированных в обмотке измерительной катушки, в частности по ЭДС второй гармоники, можно судить о напряженности постоянного поля Н₌.

Использование внутриатомных явлений. Все более широкие познания в области строения вещества позволяют использовать для построения измерительных преобразователей и некоторые внутриатомные явления. Наиболее широко в настоящее время используется явление ядерной прецессии.

Ядра атомов вещества, обладающие не только моментом количества движения, но и магнитным моментом, при помещении во внешнее магнитное поле начинают прецессировать вокруг вектора магнитной индукции внешнего поля. Напомним, что прецессией называют движение, при котором ось собственного вращения тела перемещается по поверхности конуса, вершина которого совпадает с неподвижной точкой тела. Угол при вершине конуса называют углом прецессии.

Частота процессии ядер атомов вещества связана с магнитной индукцией внешнего поля простым соотношением:

ω = γ·В,

где ω – частота прецессии;

γ – гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента ядра атома к моменту количества движения);

В – магнитная индукция.

Гиромагнитное отношение определяется для ряда веществ с высокой точностью (до 10^-4 %). Следовательно, измерив частоту прецессии, можно найти магнитную индукцию. Частота прецессии определяется различными методами. Можно применить, например, явление ядерного магнитного резонанса, которое состоит в следующем.

Если на измеряемое постоянное поле В₌ наложить под углом 90° переменное поле В_~ , частоту которого можно плавно изменять, то при совпадении частоты прецессии с частотой вспомогательного переменного поля будет наблюдаться явление ядерного магнитного резонанса – амплитуда прецессии возрастает и достигает максимального значения (угол прецессии φ = π/2). Увеличение амплитуды прецессии сопровождается поглощением ядрами вещества энергии высокочастотного вспомогательного поля. Отметив тем или иным путем момент резонанса, по частоте вспомогательного поля определяют частоту прецессии (эти частоты равны), а следовательно, и искомую магнитную индукцию В₌.

В настоящее время разработано много приборов, использующих как описанное, так и другие внутриатомные явления. Некоторые из этих приборов выпускаются серийно. Основным достоинством приборов, использующих внутриатомные явления, является их высокая точность, достигающая приблизительно 10^-3 %.

Основные технические характеристики некоторых приборов, использующих внутриатомные явления: измеритель напряженности магнитного поля типа Е11-2 – пределы измерения от 0,025 до 2,5 Т (для электромагнитов) и от 0,057 до 0,14 Т (для соленоидов) погрешность 0,01 % при неоднородности поля не более 0,02 % на сантиметр; ядерный магнитометр типа ЯМ-1 – пределы измерения от 5·10^-2 до 2,5 Т, погрешность 0,003…0,01 % при неоднородности поля
1 % на сантиметр.