K měření malých konstantních a střídavých magnetických polí se používají fluxgate, což jsou ve své nejjednodušší podobě tyče vyrobené z měkkého magnetického materiálu se dvěma vinutími, z nichž jedno vytváří dočasný magnetický tok a druhé je měřicí.

Při průjezdu polním vinutím střídavý proud sinusového tvaru se magnetický stav jádra bude měnit podél dynamické hysterezní smyčky, přičemž se např. objeví v měřicím vinutí. d.s., který kromě základní frekvence bude obsahovat vyšší liché harmonické.

Rýže. 21. Schematický diagram balistická instalace: elektromagnet, měřicí cívka, balistický galvanometr, primární a sekundární vinutí referenční cívky, spínače, klíč, systém reostatu, A - ampérmetr

Rýže. 22. Schématický návrh měřicí sondy

Pokud je taková sonda umístěna do konstantního magnetického pole, nasměrovaného stejným způsobem jako střídavé pole podél osy jádra, pak se magnetický stav jádra již změní v asymetrickém soukromém cyklu. To je vysvětleno skutečností, že ve směru působení konstantního pole dojde k obrácení magnetizace jádra při nižších hodnotách střídavého pole než při absenci konstantního pole a v opačném směru k konstantnímu pole zabrání obrácení magnetizace. V tomto případě v křivce e. d.s. Spolu s lichými harmonickými se objeví sudé, hlavně druhé harmonické. Ukazuje se, že hodnota e. d.s. tento

harmonické jsou úměrné intenzitě magnetického pole. Podle velikosti e. d.s., úměrné této harmonické, a změřte intenzitu pole.

Na Obr. 22 znázorňuje schematický návrh jedné z měřicích sond, jejíž jádro je vyrobeno z měkkého magnetického materiálu permalloy. Jádro je tvořeno deskami o tloušťce 20-50 Pokud je na obou stranách jádra navinutý stejný počet závitů v opačných směrech, pak budou magnetické toky vytvářené každým vinutím stejné.

Rýže. 23. Schématický návrh magnetické sondy můstkového typu

Rýže. 24. K zařízení sondy můstkového typu

Vinutí jsou vzájemně zapojena do série. Měřicí cívka 3 je umístěna na jádru 1. Pokud střídavý proud prochází závity vinutí 2, pak se v měřicí cívce nevyskytuje, protože změny magnetického toku v čase od každého vinutí 2 budou stejné a opačného směru. Když je jádro umístěno v konstantním stejnoměrném poli, které je nasměrováno kolmo k rovině průřezu vinutí a cívky, dojde v prostoru mezi vinutími 2 k redistribuci magnetických toků, protože konstantní pole bude sčítat střídavě pole, v důsledku čehož v měřicí cívce 3 vznikne elektromotorická síla. Toto e. d.s. bude úměrná intenzitě magnetického pole. Pomocí takové sondy je možné při frekvenci střídavého proudu 103 Hz měřit magnetická pole řádově

V současnosti existují magnetické sondy můstkového typu. Jeden z těchto mostů je znázorněn na obr. 23. Můstek je vyříznut z plátového měkkého magnetického materiálu (obr. 24). Skládá se z několika plechů, z nichž jedna polovina je podélně rozříznuta a druhá polovina napříč válcováním. To zajišťuje optimální magnetickou rovnoměrnost ramen můstku a zlepšuje magnetický kontakt ramen. Segmenty jsou složeny a vzájemně spojeny tak, že vznikne druhá diagonála mostu. Cívky 1 a 2 jsou umístěny na úhlopříčkách můstku a kterákoli z nich může být buď měřicí nebo budící. Vinutí budicí cívky je napájeno průmyslovým popř

zvýšená frekvence. Magnetický můstek je v rovnováze a bez vnějšího konstantního magnetického pole nedochází v měřicí cívce k žádné emisi. d.s. Pokud je můstek umístěn ve vnějším konstantním magnetickém poli, pak je rovnováha můstku narušena, v úhlopříčce můstku se objeví střídavý magnetický tok a v měřicí cívce se objeví emise. d.s. indukce, jejíž velikost určuje hodnotu vnější intenzity pole. Maximální hodnota e. d.s. nastává v měřicí cívce, pokud vnější pole směřuje rovnoběžně se dvěma protilehlými větvemi můstku. Pro zvýšení citlivosti se někdy vyrábí magnetický můstek s póly (obr. 25).

Rýže. 25. Schematický návrh magnetické sondy s póly

Uvažujme vysoce citlivý kompenzační magnetometr pro měření síly magnetického pole až , kde je použita magneticky saturovaná sonda. Schematický diagram magnetometru a řez magneticky saturovanou sondou jsou na obr. 26 a 27.

Obvod magnetometru se skládá z obvodu buzení a signálu, kompenzačního obvodu a obvodu pro testování citlivosti zařízení.

Obvod buzení a signálu obsahuje generátor 4, zdvojovač kmitočtu 5, fázový diskriminátor 6, rezonanční zesilovač 7 a indikační zařízení 8. Pro zvýšení citlivosti zařízení využívá metodu kompenzačního měření, při které je měřené pole elektromagnetu 2 je kompenzováno dalším polem známé velikosti a opačného směru. Toto pole je tvořeno cívkou s proudem, ve které je umístěna sonda 1. Kompenzační cívka 3 je použita buď ve formě běžného solenoidu nebo ve formě uzavřené cívky. Druhý typ cívky se používá, když jsou feromagnetické materiály umístěny v blízkosti magnetometru.

Kompenzaci lze také provést pomocí proudu, který prochází měřicím vinutím vzorku. V tomto případě jsou rozměry měřicí hlavy výrazně zmenšeny, ale zhoršuje se rovnoměrnost kompenzačního pole. K napájení kompenzačního obvodu by měly být použity vysokokapacitní baterie. Magneticky nasycená sonda se skládá ze dvou jader 6 vyrobených z molybdenové permalloy. Jádra jsou sestavena z desek o velikosti, které jsou řezány podél válcovaného materiálu a podrobeny tepelnému zpracování. Na jádrech je budicí vinutí 4 s průměrem 1400 závitů drátu a měřicí vinutí 3 se 400 závity drátu

Do budícího vinutí je přiváděno napětí 25 V Hz. Budicí proud je 0,3A. Za těchto podmínek má instalace největší citlivost. Před zahájením měření se sonda seřídí pohybem jádra v Helmholtzových cívkách. Signál přijatý na měřicím vinutí je zesílen laděným rezonančním zesilovačem a poté přiveden do fázového diskriminátoru. Výchylka ručičky nulového zařízení o 2-3 dílky odpovídá síle magnetického pole Popisovaný magnetometr je v provozu stabilní a jeho režim je prakticky nezávislý na změnách vnějších podmínek (teplota, mechanické vibrace atd.).

Rýže. 26. Schematické schéma magnetometru s magnetickou sondou: 1 - sonda, 2 - solenoid, 3 - kompenzační cívka, 4 - generátor, 5 - zdvojovač frekvence, 6 - fázový diskriminátor, 7 - odporový zesilovač, 8 - indikační zařízení, kompenzace obvod, obvod pro kontrolu citlivosti zařízení

Práce poskytuje výpočet optimálních provozních podmínek sondy sestávající ze dvou permalloyových jader o rozměrech 0,18X1,75X100. Budicí vinutí je navinuto z drátu o délce 350 závitů na výstupu instalace se zapne voltmetr, který zaznamenává pouze hodnotu den volna e. d.s. druhá harmonická. Pro výpočet efektivní hodnoty amplitudy této harmonické použijte následující vzorec:

kde je vnější měřené magnetické pole, citlivost sondy na vnější pole ve druhé harmonické. Poslední hodnota je určena vzorcem

kde počet závitů měřicího vinutí, plocha průřezu jader, je frekvence střídavého proudu napájejícího budicí vinutí, koeficient, který bere v úvahu rozptyl toku, je určitá konstanta v závislosti na magnetickém vlastnosti materiálu a demagnetizační faktor.

Citlivost se zjišťuje při optimální hodnotu předpětí, jehož síla se vypočítá podle vzorce

kde je počet závitů v poli vinutí.

Popsaná sonda má vysokou citlivost při použití dlouhého jádra.

Grabovsky a Skorobogatov použili k měření koercitivní síly permalloy fluxgate Jejich instalace se skládala ze dvou zcela identických magnetizačních cívek, mezi nimiž byl umístěn fluxgate délky, šířky a tloušťky Cívky procházel proud v takovém směru, že v prostoru obsazeného fluxgatem byla magnetická pole cívek vzájemně kompenzována. Pro měření koercitivní síly byl do jedné z cívek umístěn zmagnetizovaný vzorek a magnetické pole vzorku způsobilo vychýlení jehly zařízení, které bylo obsaženo v indikátorovém vinutí umístěném na fluxgate. Průchodem stejnosměrného proudu magnetizačními cívkami byl vzorek postupně demagnetizován. V okamžiku, kdy se jehla indikátorového zařízení vrátila do nulové polohy, byla změřena síla proudu v cívkách a byla vypočtena hodnota koercitivní síly pomocí vzorce kde je cívková konstanta.

Rýže. 27. (viz sken) Řez magnetické sondy: 1 - proudovodné plátky, 2 - tělo, 3 - měřicí vinutí, 4 - budící vinutí, 5 - rám, 6 - jádro, 7 - izolační těsnění

Pomocí popsaného koercimetru můžete rychle měřit s přesností 2-3%.

U koercimetru Janus má fluxgate tvar rámu, na jehož stranách jsou dvě vinutí: budicí a měřicí. Zkušební vzorek se umístí do solenoidu tak, aby jeho konce vyčnívaly ze solenoidu. Přiléhají k železnému třmenu, jehož střední část je uzavřena jádrem fluxgate.

Drozhzhina a Friedman navrhli fluxgate

magnetometr pro studium magnetických vlastností měkkých magnetických materiálů. V jejich magnetometru byl pohyblivý astatický systém nahrazen fluxgatemi, které umožňovaly eliminovat nulové výkyvy. Fluxgate se skládá ze dvou jader z permalloy. Budicí vinutí jsou zapojena do série tak, že magnetické toky jader jsou vzájemně uzavřeny. Měřicí vinutí fluxgate jsou zapojena diferenciálně a bez vnějšího konstantního pole je součet indukovaných např. d.s. v těchto vinutích je nula. V přítomnosti konstantního magnetického pole v e. d.s. objevují se i harmonické, jejichž velikost určuje toto pole.

Fluxgate magnetometr se skládá ze dvou identických solenoidů umístěných vodorovně pod sebou, v jednom z nich je umístěn zkoumaný vzorek. Mezi těmito solenoidy je umístěn diferenciální fluxgate. Magnetická pole solenoidů bez vzorku jsou v objemu, kde je umístěn fluxgate, vzájemně kompenzována.

Pro kvalitní měření je lepší použít astatický fluxgate magnetometr. V tomto provedení je jeden fluxgate umístěn mezi solenoidy a druhý je ve vzdálenosti od prvního v paralelní horizontální rovině. Vinutí těchto fluxgatech jsou zapojena do série vůči sobě.

Pomocí fluxgate magnetometru můžete určit magnetizační křivku, hysterezní smyčku a koercitivní sílu měkkých magnetických materiálů. Magnetizační křivka a hysterezní smyčka jsou měřeny pomocí kompenzační metody. Za tímto účelem prochází kompenzačním vinutím proud, jehož magnetické pole kompenzuje pole zmagnetovaného vzorku v oblasti, kde se nachází sonda. Chcete-li měřit koercitivní sílu, musíte vzorek zmagnetizovat a poté zvýšením demagnetizačního pole snížit hodnoty indikačního zařízení na nulu. Jednoduché schéma a rychlý proces měření jsou jednou z výhod fluxgate magnetometru oproti jiným magnetometrům, které budou popsány v kapitole V. V poslední době se některé typy magnetických sond začaly používat pro studium magnetického pole v urychlovačích a spektrometrech. Popis sond je také k dispozici v práci.

V poslední době nedošlo v principech měření magnetického pole k žádným výrazným změnám. V oblasti magnetických průzkumů se pro zjišťování magnetických vlastností hornin a pozorování ve vrtech používají metody založené na fenoménu magnetické rezonance, optické orientaci atomů atd. Instalace Flux-gate a astatické magnetometry a horniny. generátory se používají k měření remanentní magnetizace. Podívejme se podrobněji na takové zařízení, jako je magnetometr.

Magnetometr- přístroj na měření charakteristik magnetického pole a magnetických vlastností látek (magnetických materiálů). Podle zjišťované hodnoty se rozlišují přístroje pro měření: intenzita pole (oerstedmetry), směr pole (inklinátory a deklinátory), gradient pole (gradientometry), magnetická indukce (teslametry), magnetický tok (Webermetry, popř. fluxmetry), koercitivní síla (koercimetry), magnetická permeabilita (mu-metry), magnetická susceptibilita (kappa-metry), magnetický moment.

V užším slova smyslu jsou magnetometry přístroje pro měření síly, směru a gradientu magnetického pole.

Nejdůležitějším parametrem magnetometru je jeho citlivost. Zároveň je téměř nemožné tento parametr formalizovat a sjednotit pro všechny magnetometry, a to nejen proto, že se magnetometry liší principem činnosti, ale také konstrukcí převodníků a funkcí zpracování signálu. U magnetometrů se citlivost obvykle označuje velikostí indukce magnetického pole, kterou je zařízení schopno registrovat. Typicky se citlivost měří v nanoteslach (nT) 1nT = (1E-9) T.

Pole Země je přibližně 35 000 nT (35 µT). Toto je průměrná hodnota - v různých částech zeměkoule se pohybuje v rozmezí 35000 nT (35 µT) - 60 000 nT (60 µT). Úkolem hledání feromagnetických objektů je tedy detekovat na pozadí přirozeného pole Země nárůst pole způsobený zkreslením feromagnetických objektů.

Na nich je založeno několik fyzikálních principů a typů magnetometrických přístrojů, které umožňují zaznamenat minimální změny magnetického pole Země nebo zkreslení způsobené feromagnetickými objekty. Moderní magnetometry mají citlivost od 0,01 nT do 1 nT v závislosti na principu činnosti a třídě řešených problémů.

Existují magnetometry pro měření absolutních hodnot charakteristik pole a relativních změn pole v prostoru nebo čase. Posledně jmenované se nazývají magnetické variometry. Magnetometry jsou také klasifikovány podle provozních podmínek a konečně podle fyzikálních jevů, které jsou základem jejich provozu.

Existuje několik typů magnetometrů založených na různých principech činnosti, např.: fluxgate, magnetoinduktivní, Hallův jev, magnetorezistivní, kvantový (protonový).

Pojďme se podrobně věnovat měničům magnetického pole fluxgate, zvážit jejich princip činnosti, konstrukci a technologii měření.

Objev vlastností vysoké magnetické permeability ve slitinách železa a niklu - permalloyích vedl k vytvoření fluxgate nebo flux-sensing magnetometrů, jejichž činnost je založena na účinku reakce magnetické permeability permalloyových jader na působení konstantního magnetického pole Země při napájení střídavým proudem.

Snímač magnetického pole fluxgate neboli fluxgate je určen k měření a indikaci konstantních a pomalu se měnících magnetických polí a jejich gradientů. Působení fluxgate je založeno na změně magnetického stavu feromagnetika pod vlivem dvou magnetických polí různých frekvencí. V závislosti na velikosti použitého napětí může fluxgate pracovat na principu špičkového typu a druhé harmonické. Stále více se používají zařízení pracující na principu druhé harmonické(3).

Feromagnetické sondy se vyznačují:

Vysoká citlivost - minimální změna měřeného prvku pole, kterou je zařízení schopno registrovat při změně výkonové složky, citlivost nejlepších zařízení je 1 nT, pro úhlovou hodnotu - 01 sec;

Možnost přesné (0,1%) kalibrace;

Nízký teplotní koeficient, méně než 0,01 nT/deg. Celsia v rozmezí teplot od -20 do +50 stupňů. Celsia;

Nízká hladina vlastního hluku;

Malá velikost (10-20 cm) a hmotnost (1-2 kg s měřicí jednotkou);

Nízká spotřeba energie (2).

Na Obr. Obrázek 1 schematicky ukazuje některé konstrukční možnosti pro fluxgate.

Ve své nejjednodušší verzi se fluxgate skládá z feromagnetického jádra a dvou cívek na něm umístěných: budicí cívky napájené střídavým proudem a měřicí (signální) cívky. Fluxgate jádro je vyrobeno z materiálů s vysokou magnetickou permeabilitou. Budicí cívka je napájena ze speciálního generátoru střídavé napětí s frekvencí od 1 do 300 kHz (v závislosti na úrovni parametrů a účelu zařízení). V nepřítomnosti měřeného magnetického pole se jádro vlivem střídavého magnetického pole H vytvářeného proudem v budicí cívce remagnetizuje v symetrickém cyklu. Změna magnetického pole způsobená obrácením magnetizace jádra podél symetrické křivky indukuje emf v cívce signálu, které se mění podle harmonického zákona. Působí-li na jádro současně měřené konstantní nebo pomalu se měnící magnetické pole Ho, pak křivka zvratu magnetizace změní svou velikost a tvar a stane se asymetrickou. V tomto případě se mění velikost a harmonické složení EMF v signální cívce. Zejména se objevují i ​​harmonické složky EMF, jejichž velikost je úměrná síle měřeného pole a které při cyklu symetrického převrácení magnetizace chybí.

Fluxgate se dělí na:

jednoprvková tyč (a)

diferenciál s otevřeným jádrem (b)

diferenciál s uzavřeným (kroužkovým) jádrem (c).

Diferenciální fluxgate (obr. b, c) se zpravidla skládá ze dvou jader s vinutími, která jsou spojena tak, že liché harmonické složky jsou prakticky kompenzovány. To zjednodušuje měřicí zařízení a zvyšuje citlivost fluxgate. Fluxgate sondy se vyznačují velmi vysokou citlivostí na magnetická pole. Jsou schopny zaznamenávat magnetická pole o síle až 10-4-10-5 A/m (~10-10-10-11 T).

Moderní designy fluxgates jsou kompaktní. Objem fluxgate, kterým jsou domácí magnetometry G73 vybaveny, je menší než 1 cm 3 a třísložkový fluxgate pro magnetometr G74 se vejde do krychle o straně 15 mm.

Jako příklad na Obr. Obrázek 2 ukazuje konstrukci a rozměry miniaturní fluxgate tyče.

Konstrukce fluxgate je poměrně jednoduchá a nevyžaduje žádné zvláštní vysvětlení. Jeho jádro je vyrobeno z permalloy. Má po délce proměnlivý průřez, který se ve střední části jádra, na které je navinuto měřicí a budicí vinutí, zmenšuje přibližně 10krát. Tato konstrukce poskytuje s relativně krátkou délkou (30 mm), vysokou magnetickou permeabilitu (1,5x105) a nízkou hodnotu intenzity saturačního pole ve střední části jádra, což vede ke zvýšení fázové a časové citlivosti jádra. fluxgate. Díky tomu je vylepšen tvar výstupních impulsů v měřicím vinutí fluxgate, což umožňuje snížit chyby v obvodu generování časového impulsu. Rozsah měření fluxgate měničů standardního provedení je ±50… ±100 A/m (±0,06… ±0,126 mT Hustota magnetického šumu ve frekvenčním pásmu do 0,1 Hz pro fluxgate s tyčovými jádry je 30 - 40 μA). / m (m x Hz1/2) v závislosti na budicím poli, které se s rostoucím budicím polem snižuje. Ve frekvenčním pásmu do 0,5 Hz je hustota šumu 3 - 3,5 krát vyšší. Experimentální studie prstencových fluxgates odhalila, že jejich hladina hluku je o řád nižší než u fluxgatech s tyčovými jádry(3).

Zařízení pro stanovení MF vektoru pomocí fluxgate senzorů

Principy činnosti zařízení využívajících měniče magnetického pole fluxgate jsou diskutovány v mnoha technických publikacích. Proto jako příklad uvedeme velmi stručné popisy principy fungování několika takových zařízení.

Návrh nejjednoduššího směrového snímače fluxgate používaného v autonavigátoru je na Obr. 3

Rýže. 3 MPZ snímač automobilový navigátor: a - způsob výpočtu azimutu cíle; b - senzorové zařízení: b - kurz vozidla vzhledem k serveru; c - směřování k cíli vzhledem k severu; r - relativní azimut (azimut cíle)

Rýže. 4 Princip činnosti fluxgate navigátoru

Rýže. 5 Schémata výstupního napětí fluxgate snímače: a - při Hx > 0; b - pro Нx, y > 0

Snímač navigátoru (obr. 3) je prstenec z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou, na kterém je navinuto budicí vinutí a dvě měřicí vinutí (3) jsou na sebe kolmá.

Princip činnosti feromagnetické sondy

Princip činnosti snímače je následující: pokud je na budicí vinutí přivedeno střídavé napětí, magnetický tok v jádře se změní a v důsledku výskytu elektromagnetické indukce se na výstupu objeví „indukované“ napětí. měřicí vinutí. Při nepřítomnosti vnějšího magnetického pole bude také chybět napětí na měřicích vinutích, protože změna magnetického toku v tomto případě způsobí, že se v bodech S1, S2 jádra objeví napětí opačné polarity, která se navzájem kompenzují . Působíme-li kolmo na měřicí vinutí X magnetické pole o intenzitě H, pak se sčítá s budícím magnetickým polem a změny magnetického toku se stávají asymetrickými (viz 5). Výsledkem je, že výstupní napětí se zdá být úměrné derivaci rozdílu magnetických toků.

Pokud vnější magnetické pole H působí pod úhlem I, objeví se na měřicích vinutích X a Y napětí rovnající se, v tomto pořadí:

Pro určité geometrické rozměry jádra může být demagnetizační koeficient tak malý, že když je jádro umístěno do vnějšího magnetického pole, demagnetizační pole bude prakticky chybět. Celkové magnetické pole v jádře se bude rovnat vnějšímu poli. Pokud je jádro umístěno podél pole, vnímá plnou hodnotu pole, když pod úhlem vnímá odpovídající složku. Když je jádro umístěno kolmo k poli, vnější pole na něj nemá vliv. Výše uvedené podmínky umožňují zajistit ostrý vyzařovací diagram fluxgate, díky čemuž je vhodný pro měření složek magnetického pole a jim odpovídajících úhlů. Teorie fluxgates vychází z vývoje V.K. Arkaďjevova doktrína amagnetizace feromagnetických těles konečných velikostí.

Obecný princip činnosti fluxgate je podobný principu činnosti magnetického zesilovače, jehož ovládání elektrický obvod nahrazeno otevřeným magnetickým obvodem (3).

Technologie feromagnetických sond

Nejjednodušší fluxgate magnetometr se skládá z generátoru, který dodává střídavý proud do fluxgate senzoru, odkud signál vstupuje do filtrační buňky, do zesilovacího-konverzního kanálu a do zapisovače. Snímač také přijímá kompenzační proud z počátečního kompenzačního zařízení. Počet fluxgate senzorů je dán účelem a konstrukcí zařízení.

Konstrukčně může být fluxgate senzor umístěn ve stejném balení elektronický obvod nebo tvoří samostatnou jednotku připojenou kabelem k elektronické jednotce. Fluxgate senzory v povrchových a hloubkových magnetometrech jsou samonastavitelné. K tomuto účelu se používají kardanové závěsy nebo excentrická zařízení. U magnetických gradiometrů jsou snímače upevněny na otočné tyči.

Vezměme si například fluxgate teodolit, což je geodetický teodolit bez magnetických částí s nainstalovaným fluxgate senzorem na potrubí, pracujícím podle druhého harmonického obvodu, a elektronickou jednotkou - zapisovačem. Měření se provádí nulovou metodou, kdy je osa fluxgate kolmá na vektor magnetické indukce zemského pole, na výstupu měřeného proudu cívky I = 0. Elektronická jednotka tak zafixuje nulový proud v poloze osy snímače kolmé k vektoru magnetické indukce T: když je potrubí a snímač ve vodorovné poloze, směr magnetického poledníku je pevný a sklon je určen ve svislé poloze. rovině magnetického poledníku.

Snímač je připevněn k trubici teodolitu na speciálním vozíku, který umožňuje nastavit úhly snímače vzhledem k optické ose teodolitu.

Osa feromagnetického snímače se v zásadě nemůže shodovat s optickou osou teodolitu. Poloha senzoru na dalekohledu je charakterizována:

Velikost posunutí geometrického středu fluxgate od optického středu trubky ve vertikální rovině rotace podél a přes optickou osu a ve vodorovné rovině;

Úhly v horizontální a vertikální rovině, tyto úhly svírá osa fluxgate s optickou osou potrubí (2).

Zvažme technologii měření na jiném domácím magnetometru, jako je M-17.

Pro měření vertikální složky je fluxgate orientován vertikálně speciálním kyvadlem umístěným v kardanovém závěsu. Ten je vybaven tlumicím zařízením pro rychlé tlumení vibrací. Fluxgate je připojen k měřicí jednotce. Obsahuje generátor zvuku, spínač podrozsahů, spínač kompenzace magnetického pole, měřicí indikační zařízení.

Tuzemské letecké magnetometry byly vyráběny na principu fluxgate - AEM-49, AM-13, AMM-13, AST-46, AMF-21 atd. V aeromagnetometrech je instalován měřicí fluxgate pomocí speciálních kardanových zařízení a dvou doplňkových vzájemně kolmých fluxgate podél celého vektoru silových magnetických polí Země. Je umístěna ve speciální gondole a tažena za letadlem na kabelu o délce 40 - 50 m. Elektrický signál z této jednotky putuje kabelem na konzolu magnetometru instalovanou na letounu, kde je zesílen elektronickým zesilovačem, narovnaný. a odeslána do automatického kompenzačního zařízení a speciálního zapisovače. Na pásku se kromě intenzity pole zaznamenává výška letu, časové značky, značky orientačních bodů nebo synchronní letecké snímky. Aeromagnetometry se instalují na lehká letadla nebo vrtulníky. Chyby měření u leteckých magnetometrů nepřesahují 20 nT.

Zařízení Fluxgate měří relativní změny v jakékoli složce magnetického pole. Citlivost magnetometrů závisí na typu fluxgate a měří se od několika nT do 200 nT.

Magnetické průzkumné sondy jsou široce používány v různých oblastech výzkumu, jak v zemské kůře, tak pro výzkum vesmíru.

Fluxgate sondy se používají v přístrojích pro pozemní průzkumy (sonda je umístěna v kardanovém závěsu, na teodolitovém dalekohledu), ve vrtné magnetometrii pro kontrolu směru vrtů, magnetické susceptibility hornin a složek vnitřního pole podél osy vrtu, vrtné magnetometrie. ve vzdušných geofyzikálních stanicích, pro automatickou orientaci umělých družic Země, na mezinárodních vesmírných stanicích, dále v magnetické defektoskopii pro detekci povrchových vad, kontrolu kvality válcovaných a svařovaných trubek, diagnostiku kolejových tratí atd. (1).

Bibliografie

magnetometr fluxgate probe

1 Gershanok L.A. Magnetické vyhledávání: Tutorial/ Trvalá: Trvalá Státní univerzita, 2006. 364 s.

2. Ladyshkin A.V., Popova A.A., Semakov N.N. atd. Vektorová magnetická měření s fluxgate teodolity: Toolkit/ Novosibirsk: Novosibirsk State University, 2005, 89 s.

3. Geofyzikální metody výzkumu // magnetická prospekce // feromagnetické magnetometry / materiály z internetu

Podobné dokumenty

Technika měření magnetických vlastností látek ve střídavém a konstantním magnetickém poli na příkladu magnetické tekutiny. Studium změny magnetického toku procházejícího závity měřicí cívky při rychlém vyjmutí nádoby se vzorkem z ní.

laboratorní práce, přidáno 26.08.2009


Měření v režimu pomalu se měnícího vnějšího magnetického pole. Zdůvodnění a výpočet prvků měřicího zařízení. Reverzace magnetizace v uzavřeném magnetickém obvodu. Požadavky na systém měření magnetické indukce. Magnetizační a řídicí jednotka.

práce v kurzu, přidáno 29.03.2015


Projevy magnetického pole, parametry jej charakterizující. Vlastnosti feromagnetických (měkkých a tvrdých magnetických) materiálů. Kirchhoffův a Ohmův zákon pro magnetické obvody stejnosměrný proud, princip jejich výpočtu, jejich analogie s elektrickými obvody.

test, přidáno 10.10.2010


Podstata indukčně-frekvenční metody měření magnetické susceptibility a princip činnosti instalace Etalon-1B. Rozvoj software pro automatický záznam křivek susceptibility. Kalibrace senzoru magnetického pole Hallova jevu.

práce v kurzu, přidáno 18.06.2015


Charakteristika magnetického pole a jevy v něm probíhající. Interakce proudů, stejnosměrné pole a kruhový proud. Superpozice magnetických polí. Cirkulace vektoru síly magnetického pole. Vliv magnetických polí na pohybující se proudy a náboje.

práce v kurzu, přidáno 2.12.2014


Určení přítomnosti a směru magnetického pole tagu. Vytvoření konstantního magnetického pole, které kompenzuje vliv konstantních vnějších magnetických polí. Schematické schéma nabíjecí-vybíjecí jednotky zařízení. Stanovení vybití skladovací kapacity.

laboratorní práce, přidáno 18.06.2015


Geomagnetické pole Země. Příčiny magnetických anomálií. Směr vektoru zemského napětí. Technogenní a antropogenní pole. Rozložení magnetického pole v blízkosti nadzemního elektrického vedení. Vliv magnetických polí na flóru a faunu.

práce v kurzu, přidáno 19.09.2012


Koncepce a funkční vlastnosti magnetické spouštěče střídavého proudu, jejich účel a význam. Konstrukce a princip činnosti spouštěčů, jejich odrůdy: reverzibilní a nevratné. Hlavní řada magnetických spouštěčů, charakteristiky: PME, PMA, PM12.

abstrakt, přidáno 27.10.2013


Kvantování magnetického toku. Termodynamická teorie supravodivosti. Josephsonův jev jako supravodivý kvantový jev. Supravodivé kvantové interferenční detektory, jejich aplikace. Zařízení pro měření slabých magnetických polí.

test, přidáno 2.9.2012


Studium podstaty magnetického pole, které vzniká pohybem elektrických nábojů. Vlastnosti magnetických čar - obrysy vzniklé působením magnetických sil. Znaky magnetické indukce - hodnota charakterizující magnetické pole.

Snímač magnetického pole fluxgate neboli fluxgate je určen k měření a indikaci konstantních a pomalu se měnících magnetických polí a jejich gradientů. Působení fluxgate je založeno na změně magnetického stavu feromagnetika pod vlivem dvou magnetických polí různých frekvencí.

Na Obr. Schematicky jsou znázorněny některé konstrukční možnosti pro fluxgate.

Ve své nejjednodušší verzi se fluxgate skládá z feromagnetického jádra a dvou cívek umístěných na něm:

AC budicí cívka

a měřicí (signálovou) cívku.

Fluxgate jádro je vyrobeno z materiálů s vysokou magnetickou permeabilitou.

Do budicí cívky je ze speciálního generátoru přiváděno střídavé napětí o frekvenci 1 až 300 kHz (v závislosti na úrovni parametrů a účelu zařízení).

V nepřítomnosti měřeného magnetického pole se jádro vlivem střídavého magnetického pole H vytvářeného proudem v budicí cívce remagnetizuje v symetrickém cyklu.

Změna magnetického pole způsobená obrácením magnetizace jádra podél symetrické křivky indukuje emf v cívce signálu, které se mění podle harmonického zákona.

Působí-li na jádro současně měřené konstantní nebo pomalu se měnící magnetické pole Ho, pak křivka zvratu magnetizace změní svou velikost a tvar a stane se asymetrickou. V tomto případě se mění velikost a harmonické složení EMF v signální cívce.

Zejména se objevují i ​​harmonické složky EMF, jejichž velikost je úměrná síle měřeného pole a které při cyklu symetrického převrácení magnetizace chybí.

Fluxgate se dělí na:

jednoprvková tyč (obr. a)

Diferenciály s otevřeným jádrem (obr.b)

Diferenciál s uzavřeným (kroužkovým) jádrem (obr. c).

Diferenciální fluxgate (obr. b, c) se zpravidla skládá ze dvou jader s vinutími, která jsou spojena tak, že liché harmonické složky jsou prakticky kompenzovány. To zjednodušuje měřicí zařízení a zvyšuje citlivost fluxgate.

Fluxgate sondy se vyznačují velmi vysokou citlivostí na magnetická pole.

Jsou schopny zaznamenávat magnetická pole o síle až 10 -4 -10 -5 A/m (~10 -10 -10 -11 T).

Moderní konstrukce fluxgate jsou kompaktní.

Objem fluxgate, kterým jsou domácí magnetometry G73 vybaveny, je menší než 1 cm 3 a třísložkový fluxgate pro magnetometr G74 se vejde do krychle o straně 15 mm.

Jako příklad na Obr. Je zobrazena konstrukce a rozměry miniaturního tavidla.

Konstrukce fluxgate je poměrně jednoduchá a nevyžaduje žádné zvláštní vysvětlení.

Jeho jádro je vyrobeno z permalloy.

Má po délce proměnlivý průřez, který se ve střední části jádra, na které je navinuto měřicí a budicí vinutí, zmenšuje přibližně 10krát.

Tato konstrukce poskytuje s relativně krátkou délkou (30 mm), vysokou magnetickou permeabilitu (1,5x10 5) a nízkou hodnotu intenzity saturačního pole ve střední části jádra, což vede ke zvýšení fázové a časové citlivosti. fluxgate. Díky tomu je vylepšen tvar výstupních impulsů v měřicím vinutí fluxgate, což umožňuje snížit chyby v obvodu generování časového impulsu.

Rozsah měření fluxgate měničů standardního provedení je ±50... ±100 A/m (±0,06... ±0,126 mT).

Hustota magnetického šumu ve frekvenčním pásmu do 0,1 Hz pro fluxgate s tyčovými jádry je 30 - 40 μA/m (m x Hz 1/2) v závislosti na budicím poli, se zvyšujícím se budicím polem se snižuje. Ve frekvenčním pásmu do 0,5 Hz je hustota šumu 3 - 3,5 krát vyšší.

Toto zařízení měří magnetické pole Země v určitém bodě. Při pohybu zařízení v blízkosti feromagnetických materiálů (v našem případě ocel, litina) je zaznamenána změna magnetického pole oproti pozadí. Přístroje této skupiny jsou vhodné pro vyhledávání velkých litinových a ocelových předmětů (cisterny, lokomotivy, automobily). Z principu činnosti magnetometru vyplývá následující vlastnost: míra zkreslení magnetického pole závisí především na hmotnosti předmětu. Magnetometr tedy bude fungovat stejně na nádrži a na stohu kolejnic o stejné hmotnosti. Proto je magnetometr vhodný i pro vyhledávání skladů zbraní a munice. Magnetometr nereaguje na neželezné kovy.

Základní pojmy

Magnetometr- přístroj na měření charakteristik magnetického pole a magnetických vlastností látek (magnetických materiálů). V závislosti na zjišťované hodnotě existují přístroje pro měření: intenzity pole (oerstedmetry), směru pole (inklinátory a deklinátory), gradientu pole (gradientometry), magnetické indukce (teslametry), magnetického toku (Webermetry nebo fluxmetry), koercitivní síly. (koercimetry) ), magnetická permeabilita (mu-metry), magnetická susceptibilita (kappa-metry), magnetický moment.

Používá se pro účely vyhledávání Teslametry A gradiometry. Hlavní myšlenka použití magnetometru k hledání předmětů obsahujících železo je následující. Jak víte, Země má své vlastní magnetické pole. Velikost a směr tohoto pole jsou na poměrně velkých plochách prakticky konstantní. V blízkosti feromagnetického objektu se však magnetické pole mění, a to jak ve směru, tak ve velikosti. Zaznamenáním změny magnetického pole pomocí magnetometru lze takový předmět detekovat. Navíc pomocí výpočtových metod používaných v geofyzice je možné vypočítat velikost objektu a hloubku, ve které se nachází.

Co nám říká geofyzika? Na pólech jsou vertikální složky magnetické indukce přibližně rovné 60 μT a horizontální složky jsou rovné nule. Na rovníku je horizontální složka přibližně 30 µT a vertikální složka je nulová. Ještě nějaká čísla: železný předmět o hmotnosti 1 libry (453 gramů) ve vzdálenosti 3 m změní magnetické pole o 1 nT. Slušný magnetometr by tedy měl měřit magnetické pole v rozsahu 30 000 - 60 000 nT s přesností 1 nT.

Princip činnosti

Hlavní senzory používané v magnetometrech:

Princip fungování opticko-mechanické Magnetometry fungují podobně jako kompas. Citlivým prvkem (snímačem) takových zařízení je permanentní magnet, který se může volně otáčet. V závislosti na orientaci osy otáčení permanentního magnetu, jeho magnetickém momentu a síle magnetického pole Země zaujímá permanentní magnet určitou polohu vůči vodorovné nebo svislé rovině. Změna síly magnetického pole Země vede k odpovídající změně úhlu sklonu permanentního magnetu (za jinak stejných okolností). Pro zvýšení přesnosti určení úhlu sklonu soustavy se používají speciální optické přístroje Pro snížení chyby orientace podél magnetického poledníku se používá metoda kompenzačního měření. K tomuto účelu má zařízení kompenzační magnet, pevně spojený s čtecí stupnicí. Hladké kompenzace je dosaženo otáčením tohoto magnetu, dokud není permanentní magnet umístěn vodorovně. Okamžik kompenzace je fixován pomocí speciálního optického systému kombinací odrazu od zrcadla na magnetu a pevného horizontálního indexu. Pro rozšíření mezí měření ΔZ je zde druhý, tzv. rozsahový magnet stupňové kompenzace. Chyba měření u takového přístroje je 2–5 nT.

Základ konstrukce fluxgate (citlivý prvek) fluxgate magnetometr slouží jako elektrická cívka navinutá na podlouhlé tyči z feromagnetika, která má nízkou koercitivní sílu a vysokou magnetickou permeabilitu ve slabých magnetických polích (např. ze slitiny železa a niklu - permalloy). V nepřítomnosti vnějšího magnetického pole, když střídavý elektrický proud o frekvenci f a amplitudě dostatečné k vytvoření budícího pole překračujícího úroveň nasycení jádra prochází generátorovou (primární) cívkou, objeví se EMF o dvojnásobné frekvenci 2f. měřicí (sekundární) cívka. V přítomnosti vnějšího konstantního magnetického pole, jehož složka podél osy tyče je odlišná od nuly, bude indukovanému EMF dominovat frekvence shodná s frekvencí f budícího pole. Fluxgate magnetometru se skládá ze dvou identických permalloy tyčí umístěných paralelně k sobě a orientovaných podél měřené složky magnetického pole Země. Vinutí budicích cívek jsou zapojena do série tak, že střídavé pole ve dvou jádrech je směrováno v opačných směrech. K měření vnějšího magnetického pole (jeho složky směřující podél osy tyčí) se obvykle používá kompenzační metoda, která spočívá v kompenzaci konstantního magnetického pole Země konstantním polem. nastavitelný proud. Velikost kompenzačního proudu se používá k posouzení síly magnetického pole Země podél osy fluxgate. Mezi taková zařízení patří vzdušný magnetometr AMF-21. Kvůli chybě v orientaci fluxgate dosahuje chyba měření u takového magnetometru desítek nanotesla. Pro downhole operace se používá downholová verze feromagnetometru (například TSMK-30), která umožňuje měření složek magnetického pole AZ, AX, AU s chybou až ± 100 nT.

Společnost Precision Navigation Inc. (USA) byla vyvinuta vylepšená verze ferorezonančního senzoru, která byla pojmenována magnetoindukční senzor- Magneto-indukční (MI) senzory. Snímač je mikrominiaturní induktor s feromagnetickým jádrem. Cívka obsahuje pouze jedno vinutí a registruje magnetické pole pouze ve směru jedné z os.

Hallův senzor funguje přibližně následovně (viz obrázek): pokud přes polovodičový wafer v směr A-B projít proudem, pak v přítomnosti magnetického pole intenzity H nasměrovaného kolmo k rovině desky, na okrajích E-F desky EMF se objeví. Velikost emf závisí na síle magnetického pole. Citlivost magnetometrů s Hallovými snímači je asi 10 nT.

magnetorezistor

Magnetorezistor(viz obrázek) obsahuje polovodičovou destičku 2 umístěnou na substrátu 1 vyrobeném z anizotropního vysoce účinného feromagnetu. Princip činnosti magnetorezistoru je následující: ve feromagnetiku se vytvoří doménová struktura nejméně dvou domén. Magnetizace v doménách jsou kolmé k rovině substrátu a vzájemně opačné. Deska je umístěna podél domén se stejným směrem magnetizace. Doménové struktury feromagnetického substrátu vytvářejí počáteční magnetické pole v polovodičové destičce, zvyšují její měrný odpor a posouvají pracovní bod. Při umístění magnetorezistoru do měřeného magnetického pole dochází k dodatečné změně odpor. Práh citlivosti magnetorezistorů je asi 0,1 nT.

Princip fungování proton nebo jaderný magnetometry je založena na jevu volné precese protonů v zemském magnetickém poli. Po určitém elektromagnetickém působení na senzor obsahující proton protony postupují kolem směru magnetického pole Země úhlovou rychlostí ω, úměrnou celkové síle magnetického pole Země T: ω = aT, kde a je koeficient úměrnosti. , který se rovná gyromagnetickému poměru jádra (poměru magnetického momentu jádra k mechanickému) . Protonový magnetometr se skládá z magneticky citlivé jednotky nebo senzoru (nádoba obsahující proton s vodou, alkoholem, benzenem atd., kolem které jsou navinuty budicí a měřicí cívky); spojovací dráty; elektronická jednotka (předzesilovač, spínací obvod, násobič frekvence, měřič frekvence a kontrolka); záznamové zařízení a napájecí zdroj. Pracovní cyklus, tedy čas pro stanovení hodnot magnetického pole v každém bodě, se skládá z doby polarizace senzoru (pro vodu je to 3–8 s), doby sepnutí senzoru a doby pro určení frekvence signálu indukovaného v cívce snímače (0,1–0,4 s). V závislosti na látce obsahující proton a přesnosti určení frekvence precese je pracovní cyklus 1-10 s. Při nízké rychlosti nosiče magnetometru (pevninská nebo námořní verze) jsou údaje o magnetickém poli Země T získávány téměř nepřetržitě. Při vysokých rychlostech, např. při rychlosti letadla 350 km/h, je vzdálenost mezi měřeními 300 m Pomocí protonového magnetometru můžete provádět magnetické průzkumy pomocí kovových nosičů – lodí nebo letadel, které mají vlastní magnetické pole. . V tomto případě je snímač magnetometru tažen na kabelu, jehož délka by měla být několikanásobně větší než podélné rozměry nosiče. Pomocí protonového magnetometru je diskrétně (jednou za 1-10 s) měřena absolutní hodnota magnetické indukce geomagnetického pole s chybou ± 1-2 nT s nízkou citlivostí (±45°) na orientaci snímače. podél magnetického poledníku, nezávislost na teplotě a čase (žádný nulový posun). Protonové magnetometry se používají pro pozemní (například domácí magnetometr MMP-203) a námořní (MMP-3) průzkumy, méně často pro letecké průzkumy (MSS-214) a pozorování vrtů.

V kvantová magnetometry, určený k měření absolutních hodnot modulu indukce magnetického pole, využívá tzv. Zeemanův jev. V elektronové struktuře atomů s magnetickým momentem, když vstupují do magnetického pole, jsou energetické hladiny rozděleny do podúrovní s rozdílem energie a podle toho i radiační frekvence úměrné modulu celkového vektoru magnetické indukce na pozorovací bod. Citlivým prvkem magnetometru je nádoba obsahující páry cesia, rubidia nebo helia. V důsledku záblesku monochromatického světla (metoda optického čerpání) se elektrony páry přenášejí z jedné energetické podúrovně do druhé. Jejich návrat na předchozí úroveň po ukončení čerpání je doprovázen emisí energie s frekvencí úměrnou velikosti magnetického pole. Pomocí kvantového magnetometru jsou T měření prováděna s chybou ±(0,1-1) nT s nízkou citlivostí na orientaci snímače, vysokou rychlostí a stabilitou odečtů (nevýznamný posun nuly). Hlavními tuzemskými kvantovými magnetometry jsou přístroje těchto značek: pozemní (pěší) M-33 a MMP-303, mořský KM-8, vzdušný magnetometr KAM-28. V magnetometrech pro filmování v pohybu (na moři, ve vzduchu nebo v automobilu) se magnetická indukce zaznamenává automaticky, téměř nepřetržitě. Profily jsou svázané různé způsoby(radiová navigace, použití leteckého snímkování atd.). Výsledky pozorování jsou někdy prezentovány v analogové podobě ve formě magnetogramů, častěji však v digitální podobě, která zajišťuje následné zpracování informací na palubních počítačích nebo v expedičních výpočetních střediscích.

U magnetometrů tohoto typu je magneticky citlivým prvkem fluxgate, který se skládá ze dvou tenkých a dlouhých tyčí vyrobených z permalloy (slitina železa a niklu - měkký magnetický feromagnet), na kterých je v opačném směru navinuto primární budicí vinutí. . Obě jádra jsou navíc spolu s primárním vinutím kryta sekundárním (měřicím) vinutím (obr. 4.4a). Měkká magnetická feromagnetika se vyznačují tím, že hysterezní smyčka je u nich tak úzká, že ji lze považovat za jednu křivku (obr. 4.4b). Princip činnosti fluxgate je následující. Používáním vnější zdroj Primárním (budícím) vinutím prochází proud o frekvenci nejčastěji 400 Hz. Pokud neexistuje žádné vnější magnetické pole, pak je počáteční magnetizace jader nulová. Při průchodu frekvenčního proudu v každé půlperiodě jsou indukční impulsy v jádrech směrovány v opačném směru a vzájemně se kompenzují (obr. 4.4b). Proto je celková indukce v prostoru nejblíže k jádrům v každém časovém okamžiku nulová a signál se v měřicím vinutí neindukuje, tzn. je také nula. Když se v každém půlcyklu objeví vnější pole T (které musí být změřeno), toto pole se shoduje s indukcí jednoho z jader a indukce druhého jádra je směrována v opačném směru, což je ekvivalentní posunu. při indukci jader. Celková (celková B) indukce v prostoru v blízkosti jader tvoří sečtením střídavý magnetický tok, měnící se s frekvencí 2 (obr. 4.2. b). Tento tok se indukuje v měřicím vinutí elektrický signál frekvence 2 a amplituda úměrná „posunu“ indukce ve vinutí - vnější magnetizační pole T.

K měření tohoto pole stačí vybrat signál s frekvencí 2 (800 Hz) pomocí filtru (F), zesílit zesilovačem (U), určit znaménko pole (fáze) fázově citlivým detektorem (PSD) a změřte jeho amplitudu metrem (I). V tomto případě může být zařízení měřící amplitudu signálu kalibrováno v jednotkách síly magnetického pole nebo indukce. Takový fluxgate se nazývá „fluxgate druhého harmonického typu“. Užitečnou vlastností takového fluxgate pro magnetické průzkumy je to, že může měřit složku síly magnetického pole nasměrovanou podél osy sondy. To znamená, že pokud je pole T nasměrováno kolmo k jádrům, nedojde k žádnému „posunu“ indukce ve vinutích a

Rýže. 4.4. Princip činnosti fluxgate magnetometru druhého harmonického typu.

v sekundárním vinutí nebude žádný signál. Tato vlastnost umožňuje provádět tzv. měření složek (tj. měření tří složek podél os) indukce magnetického pole, což je jedna z výhod metody. Nevýhodou metody je přítomnost nulového offsetu přístroje, který ani při vysokém prahu citlivosti přístroje 1 nT neumožňuje měření s vysokou přesností. Fluxgate má také další názvy: magnetická saturační sonda, magnetická modulační sonda (MMD). V zahraniční literatuře se nazývá flux - date (flux gate) - flow-passing. Na tomto principu jsou založeny letecké magnetometry (AMF-21, AMM-13 atd.) a pozemní magnetometry (M-17, M-29) používané od 30. do konce 80. let. V současné době se na tomto principu používají vrtné magnetometry (TSMK-30, KSP-38 atd.).

Protonové magnetometry.

Protonový magnetometr byl poprvé vyvinut v roce 1953 M. Packardem a R. Varianem (USA) a v SSSR v roce 1957 A. J. Rotstein a V. S. Tsirel. Tyto magnetometry jsou založeny na principu volné jaderné precese protonů – jader atomu vodíku. Proton jako pohybující se rotující nabitá částice má určitý moment hybnosti (spin). R a magnetický moment Magnetické pole protonu je podobné poli tyčového magnetu orientovaného podél osy rotace částice. Proton, stejně jako magnet, má tendenci ustavit svou magnetickou osu ve směru magnetického pole Země (jako magnetická střelka kompasu) a vlastnost gyroskopu (nahoře) tomu brání. Rotační osa (a magnetický moment) protonu proto začíná popisovat kuželové plochy kolem směru vektoru vnějšího magnetického pole T VN. (obr. 4.5, a). Tento pohyb se nazývá precese. Precese se nazývá volná, pokud k ní dochází bez působení vnějších sil na protonový systém.

Rýže. 4.5. Princip činnosti jaderně-protonových magnetometrů.

Teoreticky bylo zjištěno a experimentálně potvrzeno, že frekvence volné precese protonů v magnetickém poli je přímo úměrná velikosti vektoru intenzity. T VN. vnější magnetické pole a souvisí s ním jednoduchým vztahem, který se nazývá Larmorova rovnost: f=( Kde = p/- gyromagnetický poměr protonu, tzn. poměr jeho mechanického momentu p k jeho magnetickému momentu. Protože konstantní hodnota je určena s velmi vysokou přesností (relativní chyba řádově 10 -6) a nezávisí na žádných vnějších faktorech (teplota, tlak atd.), vyznačují se výsledky měření touto metodou velmi vysokou přesností. a stabilitu.

Magnetické momenty různých protonů jsou orientovány antiparalelně, proto jsou v normálním stavu vlivem tepelných srážek částic magnetické momenty jednotlivých protonů orientovány náhodně a jejich celkový magnetický moment se blíží nule. Proto se používají speciální metody polarizace pracovní látky, tedy orientace magnetických momentů elementárních částic - protonů. Pro měření magnetického pole je nejvhodnější použít nejjednodušší atomová jádra - protony, protože dávají nejostřejší a nejintenzivnější rezonanci v kapalinách. Magnetický měřicí převodník (MIT) je nádoba s kapalinou obsahující proton (obvykle čištěný petrolej) umístěná v cívce s drátem (obr. 4.5 b). Pokud vinutím MIP prochází silný elektrický proud vytvářející ve směru osy cívky NC magnetické pole o síle cca 100 Oe (spínač K je připojen k napájení), pak vlivem NC pole dochází k magnetické polarizaci pracovní látky - mnoho protonů v ní obsažených získá orientaci magnetických momentů ve směru vektoru síly magnetického pole H k po prudkém vypnutí proudu (vypínač K je připojen k měřiči frekvence ), protony se začnou konzistentním způsobem precesovat kolem vektoru síly vnějšího magnetického pole T, indukující E.M.F. ve stejné vinutí. s precesní frekvencí. Po několika sekundách precese pomine kvůli tepelné srážce částic a ztrátě ko-fáze protonové precese, ale tato doba je dostačující k převedení signálu a jeho určení. frekvence Frekvenční výstup zařízení poskytuje možnost zaznamenat výsledky měření v digitální podobě. Hlavní metodou měření frekvence signálu volné precese v protonových magnetometrech je metoda počítání počtu period (signálů) precese během pevného časového intervalu, určeného periodami referenční frekvence speciálního křemenného oscilátoru. Lze provádět záznam odečtů různá zařízení: analogový záznamník (nebo fotoosciloskop); digitální tiskové zařízení; digitální děrovač nebo magnetický záznamník atd. d. Někdy pro pohodlí přímo nezaznamenávají frekvenci signálu jaderné precese, ale frekvenci úderů vytvořených mezi frekvencí signálů precese a referenční frekvencí speciálního křemenného oscilátoru (blízko frekvence precese): f b = f c – f sq g Tato metoda poskytuje větší přesnost při měření frekvence, ale není příliš vhodná pro jejich automatizaci. Můžete udělat opak: poskytnout počet period referenční frekvence pro pevný počet signálů jaderné precese. V tomto případě je získán digitální výsledek, který je nepřímo úměrný indukci pole, což neumožňuje přímé čtení v jednotkách magnetické indukce, jako v předchozím případě. Tato metoda však nevyžaduje násobič frekvence, který je nezbytný pro přímé odečty. Nejnovější modifikace jaderně-protonových magnetometrů využívají metodu dynamické polarizace. V metodě dynamická polarizace jader použitý Overhauserův efekt, který spočívá v tom, že u některých látek se silnou interakcí jaderných spinů se spiny elektronů je možné vytvořit dodatečnou polarizaci jednoho spinového systému, například jaderného, ​​díky polarizaci jiného, ​​například elektronického. Pracovní látka je excitována na elektronické rezonanční frekvenci pomocí radiofrekvenčního pole (přibližně 56 MHz) a vnitřními interakcemi dochází k přenosu energie na protony. Existuje třída látek, u kterých k tomuto jevu může dojít. Patří sem roztoky sodíku v amoniaku, roztoky v organických kapalinách řady volných stabilních radikálů hydrazinové řady (zejména difenylpikrylhydrosyl), stejně jako vodné a benzenové roztoky volných radikálů disulfonátpyroxylaminu (Fremyho sůl) a některé další radikály. Uvedená řešení umožňují pozorovat dynamickou polarizaci ve slabých magnetických polích, včetně magnetického pole Země. Metoda dynamické polarizace umožňuje zkrátit dobu trvání měřicího cyklu a také provádět měření současně s procesem polarizace. Mezi nevýhody metody patří křehkost některých typů pracovních látek, což způsobuje nepříjemnosti při výrobě magnetických průzkumů. Domácí protonové magnetometry MMP-203M a aeromagiitometry MMV-215 byly postaveny metodou dynamické polarizace jader. Kanadská společnost Geotech vyvinula na tomto principu vertikální vzdušný magnetometr-gradiometr GRAD-1 s citlivostí 0,01 nT pro každý senzor a 0,025 nT/m pro gradientní měření. Protonové magnetometry mají vysokou přesnost (1 nT), stabilní provoz, vysokou produktivitu, nevyžadují nivelaci a jsou málo citlivé na odchylky od optimální orientace zařízení při měření. V současné době se jedná o nejpoužívanější zařízení při provádění pozemních průzkumů (MMP-203M, MINIMAG), aeromagnetických (MMS-213, MMS-214) a hydromagnetických (APM-3, MPM-3) průzkumů a také magnetických měření vrtů (MSP -2).Polní protonové magnetometry MMP-203, MMP-203M, MINIMAG jsou konstrukčně provedeny ve formě dvou samostatných bloků - magnetického měřicího převodníku (snímače) a měřicí konzole. Senzorem protonového (jaderného) magnetometru je obvykle válcová nádobka z organického skla s kapalinou obsahující protony (směs vody a alkoholu, petrolej, roztok Fremyho soli apod.). Nádoba je umístěna ve víceotáčkové cívce naladěné na rezonanci s frekvencí očekávaného signálu. Tato cívka se používá jak pro buzení (polarizaci), tak pro záznam signálu ve formě EMF o určité frekvenci (tyto funkce cívky jsou časově odděleny).

Kvantové magnetometry.

Podle zavedené oborové (geologické a geofyzikální) terminologie se magnetometry pracující na principu optického čerpání nazývají kvantové, i když podle mezinárodní terminologie je skupina kvantových magnetometrů mnohem širší. Magnetometry na principu optického čerpání jsou založeny na interakci magnetických momentů atomů pracovní látky (dvojice alkalických kovů - Na, K, Rb, Cz nebo inertní plyny He, Ar, Kr atd.) vnější magnetické pole (Zeemanův jev). Podstatou Zeemanova efektu je, že energetické hladiny atomů kapalných, plynných a parních látek nacházejících se v magnetickém poli jsou rozděleny do několika podúrovní. Frekvence emise nebo absorpce f (v Hz) během přechodu elektronu z jedné podúrovně do druhé je určena: f = ( b/h) T VN,(3.23) kde B- Bohrův magneton (elektronový magnetický moment); h- Planckova konstanta (koeficient úměrnosti mezi energetickým kvantem a cyklickou frekvencí jeho záření), T VN-síla vnějšího magnetického pole. Ze vzorce (3.23) je zřejmé, že pokud změříme radiační frekvenci f při přechodu elektronu z jedné podúrovně do druhé, můžeme určit hodnotu pole T VN. Ale pozorovat přechod jednotlivých atomů z jedné Zeemanovy úrovně do druhé je téměř nemožné. Je třeba dosáhnout koordinované excitace mnoha atomů a následného přechodu všech najednou do nevybuzeného stavu. Toho je dosaženo pomocí principu optického čerpání. Schematicky je princip optického čerpání neboli optické orientace atomů následující (obr. 4.6. Pod vlivem vnějšího magnetického pole). T VN V souladu se Zeemanovým efektem jsou energetické hladiny atomů rozděleny do podúrovní A, B, C (obr. 4.6a). Proto je převažující populace podúrovně B zajištěna ozařováním pracovní látky světlem, ve kterém není spektrální čára B. Pak je podle zákonů kvantové fyziky přechod z B do C zakázán (nemožný), z A do C je možné, z C do A a B je stejně pravděpodobné. Postupně (obr. 4.6 b - d) atomy přejdou do stavu B. Absorpce světla skončí, látka bude magneticky polarizována (stejná polarizace magnetických momentů atomů). Filtrování spektrální čáry slunce je dosaženo kruhovou polarizací monochromatického světla. Detekce signálu při optickém čerpání se provádí změnami intenzity procházejícího světla. Při vystavení dodatečnému radiofrekvenčnímu magnetickému poli (které zvyšuje vyrovnávání populace) klesá průhlednost pracovní látky, což je zaznamenáváno fotobuňkou ve formě elektrického signálu.

Minimální světlo je pozorováno, když frekvence rádiového pole (f P) odpovídá kruhové frekvenci rezonančního přechodu = 2 = *T VN, (3.24) kde je gyromagnetický poměr elektronu. Je snadné si všimnout, že jak metoda optického čerpání, tak metoda jaderné precese jsou založeny na stejném vzorci, ale způsoby polarizace pracovní látky jsou odlišné. Právě z tohoto důvodu jsou jaderně-protonové a kvantové magnetometry v zahraničí

Rýže. 4.6. Vysvětlit princip optického čerpání

jsou kombinovány pod obecným názvem „jaderné magnetometry“. Prahová hodnota citlivosti magnetometrů na principu optického čerpání je 1 - 0,01 nT v závislosti na cyklu měření. Jejich hodnoty jsou méně stabilní než u protonových magnetometrů, ale mají lepší frekvenční odezvu a mohou pracovat ve slabých i silných gradientních polích. Kvantové letecké magnetometry MM-305, KAM-28, pěší M-33, MMP-303, MM-60 jsou postaveny na principu optického čerpání Postup práce s těmito magnetometry je rovněž zcela jednoduchý a je podobný postupu pro pracující s magnetometrem MMP-203M.