Преобразователи магнитных полей

Целью и содержанием магнитных измерений является исследование характеристик магнитных полей, материалов и образцов.

Магнитные измерения находят практическое применение при исследовании свойств материалов, испытаниях магнитных деталей и элементов, в магнитной дефектоскопии, при изучении магнитных полей Земли, при измерении и контроле магнитных полей в установках атомной и ядерной физики и т.п.

Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Магнитные материалы оценивают по их характеристикам и параметрам – статическим и динамическим.

Измеряемые магнитные величины обычно предварительно преобразуются в электрические, более удобные для измерения. Преобразователи магнитных величин в электрические строятся на основе явлении электромагнитной индукции, ядерного магнитного резонанса, гальваномагнитного преобразования и некоторых других.

Измерительные катушки

Если измеряемый магнитный поток Ф сцеплен с измерительнойкатушкой, то в последней возникает ЭДС, определяемая формулой

,

(4.2)

где N _K – число витков катушки.

Таким образом, измерительная катушка выполняет роль преобразователя магнитной величины в электрическую. Выбор формы, конструкции и размеров такого индукционного преобразователя, называемого измерительной катушкой, зависит от параметров магнитного поля и условий его измерения. В любом случае требуется, чтобы витки измерительной катушки были сцеплены лишь с измеряемым магнитным потоком.

Выражение (4.2) можно преобразовать к виду

и проинтегрировать:

или

(4.3)

Из (4.3) следует, что изменение потока за время можно определить, проинтегрировав ЭДС в указанном временном интервале. Интегрирование можно осуществить различными способами. В магнитных измерениях для этих целей обычно используют баллистический гальванометр или веберметр.

Гальваномагнитными называются преобразователи, использующие гальваномагнитные явления, которые возникают при помещении некоторых материалов в магнитное поле. К таким явлениям, в частности, относятся эффекты Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС на боковых гранях помещенной в магнитное поле полупроводниковой пластинки, если по ней протекает ток. Принцип построения прибора для измерения магнитной индукции с преобразователем Холла представлен на рис. 4.3. Через полупроводниковую пластинку, плоскость которой расположена перпендикулярно магнитному полю В, от грани а к грани b протекает постоянный ток I. На гранях с и d возникает ЭДС

,

(4.4)

где R_x – постоянная Холла, зависящая от материала пластинки; h –толщина пластинки.

Достоинствами приборов на основе эффекта Холла является возможность измерения как постоянных, так и переменных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователей.

Недостатком является сравнительно небольшая зависимость ЭДС от температуры. Основная погрешность обычно составляет десятые доли процента, диапазон измерений – от сотых долей до единиц тесла.

 

Рис. 4.3. Преобразователь Холла

Преобразователи на основе ядерного магнитного резонанса используют квантовое явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которым обладают материалы, содержащие ядра атомов, имеющих магнитный момент (например, вода, содержащая ядра атомов водорода). Если образец из такого материала поместить в измеряемое постоянное поле с индукцией В _– и, кроме того, воздействовать на него переменным высокочастотным магнитным полем с индукцией В _~, и изменяющейся частотой, то при некотором значении частоты f возникает резонансное поглощение высокочастотной энергии образцом. Эта частота равна

 

,

(4.5)

где – гиромагнитное отношение – величина, постоянная для данного вида атомов.

Принцип измерения индукции магнитного поля при помощи ЯМР – преобразователей ЯМРП иллюстрируется рис. 4.4. Образец (ампула с водой) помещенная внутрь катушки К. Катушка подключена к высокочастотному генератору G, поэтому вдоль ее оси возбуждается высоко–частотное магнитное поле В _~. При измерениях индукции постоянного магнитного поля B_ поле В_~ должно быть расположено перпендикулярно ему. Плавное изменение частоты генератора G позволяет установить частоту f, на которой имеет место ядерный магнитный резонанс и рост поглощения высокочастотной энергии ядрами вещества. При резонансе напряжение на зажимах катушки К уменьшается, что фиксируется на экране осциллографа. Резонансная частота f измеряется цифровым частотомером Hz. Тесламетры с ЯМР – преобразователями обладают высокой точностью, (грешность может не превышать 10^-4 %) и широким диапазоном измерений (10^-5 – 10² Тл).

 

 

Рис. 4.4. Преобразователь на основе ядерного магнитного резонанса:

К - намагничивающая катушка; G - ВЧ генератор; Hz - частотомер.

 

1.

2.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

Реостатные преобразователи

Реостатный преобразователь – это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое (линейное) перемещение движка, выходной – изменение его сопротивления.

Устройство преобразователя показано на рис. 4.5. Он состоит из каркаса 1, на который намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3, укрепленного на оси 4. Движок касается провода 2. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 5.

 

 

 

Рис. 4.5. Реостатный преобразователь:

1- каркас; 2- провод с высоким удельным сопротивлением; 3- токосъемный движок; 4- ось вращения; 5- токосъемное кольцо.

 

В измерительной технике требуются реостатные преобразователи, как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования R = f (x) (рис. 4.6 а) является использование каркаса с переменной высотой (рис. 4.6 б).

 

Рис. 4.6. Реостатный преобразователь с нелинейной функцией преобразования

 

При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки сопротивление изменяется на

 

,

(4.6)

где dR / dx – производная требуемой функции преобразования R = f (x) по перемещению движка х. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на величину

,

(4.7)

где – сопротивление единицы длины провода; – длина одного витка провода; h – высота каркаса; b – его толщина.