11.2.8 Феррозондовые ПМП
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов.
Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. На рис. схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек: катушки возбуждения ωв, питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки ωи.
Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н∽ , создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля. вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющемуся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Н0, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженностиизмеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания. Феррозонды подразделяются на стержневые одноэлементные (рис11.48а), дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.11.48б) и дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.11.48 в).
Дифференциальный феррозонд (рис.11.48 б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические оставляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.
Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю.Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до10-4 – 10-5 (∽10 -10 – 10 -11 Тл) .
Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются изготавливаемые в РФ магнитометры Г73, составляет менее 1 см3, а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм.
сердечник
в)
Рис.11.48.Варианты конструкций феррозондов:а – одноэлементный стержневой; б – дифференциальный с разомкнутым сердечником; в – дифференциальный с замкнутым сердечником.
В качестве примера на рис.11.49. приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда. Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений. Его сердечник изготовлен из пермаллоя.
Рис11.49.Конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда
За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования
сигнала «время-импульс».
Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции оставляет ±50…±100 А/м (±0,06…±0,126 мТл). Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 – 40 мкА/м (м Ч Гц1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3-3,5 раза выше. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками.
Феррозонды широко применяются в аппаратуре, предназначенной для измерения параметров магнитного поля Земли и его вариаций (в частности, при поиске полезных ископаемых, создающих локальные аномалии магнитного поля);для измерения магнитного поля Луны, планет, межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и частиц в неферромагнитной среде (например, в хирургии); в системах контроля за качеством выпускаемой продукции (в магнитной дефектоскопии и др.).
В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это невысокая геометрическая разрешающая способность, значительная зависимость основных параметров от воздействия климатических и механических факторов. Процесс изготовления феррозондов трудоемкий, и, следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды .
В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это невысокая геометрическая разрешающая способность, значительная зависимость основных параметров от воздействия климатических и механических факторов. Процесс изготовления феррозондов трудоемкий, и, следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды .