УДК 681.355
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
1Ю.Н. Кочемасовк Ю.Б. Колегаев
Рассмотрены принципы действия и основные характеристики современных магнитометров различных видов, дан анализ возможностей их применения в различных областях науки и техники.
Во многих отраслях науки и техники возникает необходимость определения параметров магнитных полей. В настоящее время требуется измерение индукции постоянных магнитных полей в диапазоне от 1СГ16 (магнитный вакуум) до 30 Тл, переменных — от Ю-15 до нескольких тесла в диапазоне частот от долей герца до десятков мегагерц. Создание удовлетворяющих разнообразным техническим требованиям средств измерений параметров магнитного поля возможно только на базе различных магнитоизмеритель-ных преобразователей, основными из которых являются: магнитомеха-нические, индукционные, гальваномагнитные, магн иторезонансн ые, феррозондовые, а также типа SQUID.
В магншпомеханических преобразователях магнитное поле воздействует на магнитную стрелку из ферромагнитного материала, которая имеет возможность вращаться вокруг своей оси. Особенностью таких преобразователей является большая инерционность, ограничивающая их частотный диапазон единицами герц. Поэтому для измерения магнитной индукции переменных полей в диапазоне от единиц пикотес-ла до десятков микротесла и постоянных полей в диапазоне от сотен пикотесла до десятков микротесла они применяются только в качестве измерителей вариаций составляющих индукции поля Земли, изменяющихся с малой частотой.
Магнитомеханические преобразователи применяются для индикации уровня в поплавковых измерительных устройствах. Примером может служить уровнемер Штремберга фирмы "Voltz-Sohn Appratebau" (ФРГ). В сосуде с жидкостью находится поплавок, внутрь которого вмонтирован постоянный магнит. Перед сосудом расположена трубка из немагнитного материала с нане-
сенной на нее измерительной шкалой. Внутри трубки в прозрачной жидкости плавает железный шарик. Под действием силового поля магнита шарик перемещается вместе с поплавком вверх или вниз при изменении уровня жидкости, что позволяет фиксировать его значение без установки прибора внутри сосуда.
Достаточно часто для измерения направления и интенсивности остаточных магнитных полей небольших фрагментов горных пород, для определения возраста археологических артефактов по остаточному полю, для измерения магнитного сопротивления и магнитной восприимчивости материалов, а также для тестирования и калибровки навигационного оборудования, магнитометров и датчиков Холла применяются магнитометры на основе катушек Гельмгольца, каждая из которых состоит из двух идентичных катушек. При подаче входного сигнала постоянного или переменного тока в пространстве между этими катушками возникает однородное магнитное поле. При этом стабильность поля (в качестве примера возьмем систему HELM-CS фирмы "Billingsley Magnetics", (США)) может достигать ±1 нТл при установлении поля на 24 ч и ±3 нТл — на один месяц при погрешности установления 0,015 % в центре катушки Гельмгольца. При работе этой системы в режиме определения параметров магнитного поля диапазон измерений составляет ±100 мкТл (для специального варианта реализации ±200 мкТл).
Многие фирмы-производители для решения более сложных технических задач выпускают многоосевые системы катушек Гельмгольца. В частности, для компенсации магнитного поля Земли выпускаются трехосевые системы, в которых осуществляется управление отдельно по каждой оси, отвечающей за со-
ответствующую составляющую магнитного поля. Компания "Walker Scientific" (США) выпускает широкий спектр систем постоянного и переменного тока на основе катушек Гельмгольца, которые позволяют работать с полями от единиц на-нотесла до десятков микротесла и обеспечивать получение однородных полей в объемах от кубических сантиметров до десятков кубических дециметров. Фирма "AGICO" (Чехия) выпускает высокоточные, программно управляемые системы на основе катушек Гельмгольца сер. JR, предназначенные для измерения остаточного магнетизма фрагментов горных пород. Они выпускаются в двух конструктивных вариантах: цилиндрическом — длиной 25,4 мм и диаметром 22 мм и кубическом с размерами 20x20x20 мм для системы JR-5A и 23x23x23 мм для системы JR-5. Системы JR-5 и JR-5A работают с полями от 2 нТл до 2 мТл с чувствительностью 3 пТл, а отличаются тем, что смена исследуемых образцов в системе JR-5 производится вручную, а в системе JR-5A — автоматически. Стоимость системы JR-5 составляет 17 120 долл. США*, а системы JR-5A — 26 395 долл. США*.
Работа индукционных преобразователей основана на явлении электромагнитной индукции. Они довольно простые и широко применяются для измерения индукции переменных магнита ых полей (в диапазоне от единиц нанотесла до сотен тесла) и постоянных магнитных полей (в диапазоне от сотен нанотесла до сотен тесла) с погрешностью 0,5...2,5 %. В таких преобразователях исследуемое магнитное поле создает пото-косцепление с неподвижной измерительной катушкой и вызывает появление ЭДС, пропорциональной
* Цены приведены на январь 2000 г.
30 _ Sensors & Systems • № 4.2001
скорости изменения магнитной индукции. Выходной сигнал индукционного преобразователя зависит от частоты измеряемого поля, которая изменятся от 20 Гц до 30 МГц, что в некоторых случаях компенсируется интегрирующими устройствами. Однако стоимость индукционных преобразователей сравнительно высокая.
Рассмотрим, к примеру, продукцию фирмы MEDA(CLLIA). Так, стоимость работающего в полосе частот 20 Гц... 10 кГц чувствительного низкочастотного индукционного однокомпонентного элемента АСМ-1 (преобразователь без магни-топровода, диаметром 38 мм) составляет 4750 долл. США. Индукционные магнитометры с ферромагнитным магнитопроводом MGC-1 и MGC-3, работающие, соответственно, в полосе частот 5 Гц... 10 кГц и 0,2 Гц...1,0 кГц, имеют аналогичную стоимость. Стоимость магнитометра MGC-1 составляет 4400, а MGC-3 - 4900 долл. США; чувствительный трехкомпонентный индукционный элемент без ферромагнитного магнитопровода АСМ-3 стоит 11 550 долл. США.
Для обработки сигналов чувствительных элементов, предназначенных для измерения полного вектора индукции низкочастотного магнитного поля, применяется трехкомпонентный блок типа ТСМ-1А, работающий в полосе частот 5 Гц... 10 кГц, стоимостью 9800 долл. США. В состав блока может входить (за дополнительную плату) набор фильтров для компенсации влияния полей промышленной частоты, для США, кратных 60 Гц, ТСМ-1А-01 (60, 120, 180, 240, 300 Гц), для европейских стран, кратных 50 Гц, ТСМ-1А-02 (50, 100, 150, 200, 250 Гц) стоимостью 1000 долл. каждый. Объединенный набор фильтров ТСМ-1А-03 для частот, кратных 50/60 Гц, стоит 1500 долл. Стоимость трехкомпо-нентной конструкции для крепления чувствительных одноосных индукционных элементов типа MGC-1 с ферромагнитным магнитопроводом составляет 1500 долл. Во время экспериментов по программе ULF (ультранизкие частоты) применялись именно такие трехосевые магнитометры. Чувствительность этих магнитометров составляет 0,1 нТл/Гц на частоте 0,1 Гц и 0,0002 нТл/Гц на частоте 10 Гц. В результате экспериментов получены параметры магнитных флуктуации поля, обнаруженных в диапазоне 0,05...11,5 Гц при осуществлении выборок с частотой 23 Гц. Чувствительный одно-
осный элемент с ферромагнитным магнитопроводом типа MGCH-2, работающий в диапазоне частот 10 Гц... 100 кГц, стоит 4400, а блок обработки информации SAM-3 — 6000 долл. США.
В последние годы наибольшее распространение получили магнитометры типа SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices — квантовые интерференционные устройства на основе сверхпроводимости). Приборы этого типа выполняются на основе тонкой сверхпроводниковой пленки с высокой критической температурой, которая служит в качестве магнитного датчика. Они достаточно универсальны, так как позволяют измерять параметры различных физических явлений, которые преобразуются в магнитные параметры.
Принцип действия SQUID-дат-чиков основывается на таких физических явлениях, как сверхпроводимость, эффект Джозефсона и др. Для наблюдения этих явлений необходимо, чтобы датчик остыл до температуры 4 К при использовании стандартных сверхпроводников или до температуры 77 К при использовании высокотемпературных сверхпроводников. Датчик охлаждается с помощью жидкого гелия (тогда стоимость датчика, к примеру, производства фирмы TERM IS (Россия) может подняться до 34 000 долл. США) или жидкого азота, который по сравнению с гелием имеет большую теплоемкость и стоит дешевле.
Датчики данного типа отличаются способностью к обнаружению чрезвычайно малых магнита ых полей на достаточно небольших (до 1 кГц) частотах с погрешностью 0,1...5 % (например, магнитометр HSM фирмы "FIT Messtechnik" (ФРГ) измеряет магнитные поля до 1 мкТл), магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности геологических образцов, пространственного распределения электрических зарядов, вызванного процессами коррозии; электромагнитной совместимости электронных устройств и др.
С помощью SQUID-датчиков были измерены параметры магнитного поля биотоков мозга и сердца человека (0,11 пТл). Одним из вариантов реализации такого датчика является магнитометр SC106M фирмы РТВ (ФРГ), работающий в диапазоне 0,016...200 Гц с чувствительностью 1,2 нТл и который применялся для регистрации нервных сигналов человеческого сердца.
К гальваномагнитным преобразователям относятся преобразователи Холла. Выходное напряжение датчика прямо пропорционально индукции магнитного поля. Достоинства таких датчиков — малые размеры (размеры датчика производства фирмы "Sharp Microelectronics" (США) составляют 2,9x1,56x1,1 мм) и малая инерционность, позволяющая измерять магнитные поля высокой частоты (до 200 кГц) с погрешностью 0,5...2,5 %. Диапазон измерений постоянных и переменных магнитных полей — от единиц микротесла до сотен тесла. Так, к примеру, датчик типа MG-2A производства фирмы "Wuntronic" (ФРГ) позволяет измерять параметры переменных магнитных полей на частотах до 4 кГц в диапазоне 1 ...3 мТл. Однако магнитометры этого типа чу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.