10. Магнитные измерительные преобразователи - измерительные пре­образователи, основанные на эффекте Холла. Метрологические характеристи­ки. Схемы формирования электрических сигналов.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, выполненный в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 (рисунок 2.11) выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по всей сечению преобразователя. Потенциальные (холловые) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

В магнитном поле носители заряда под действием силы Лоренца F = evB изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани – уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением

Е _хл = R_хл (К_геом, )I B cos /d,

где R_хл – постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя; (К_геом, ) – функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции ;  - угол между вектором магнитной индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя. Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si). Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пластинок (d = 0,01 – 0,2 мм).

Т иповая схема тесламетра с ПК представлена на рисунке 2.12.

Преобразователь питается от источника тока питания ИТП. Выходной сигнал преобразователя Е_Х усиливается усилителем У, детектируется фазовым детектором ФД и подается на тесламетр, проградуированный непосредственно в единицах магнитной индукции.

10. Магнитные измерительные преобразователи - преобразователи Га­усса. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.

Магнитоизмерительные преобразователи Гаусса, называемые магниторезисторами, основаны на использовании эффекта Гаусса, заключающегося в изменении внутреннего сопротивления некоторых материалов в магнитном поле вследствие изменения подвижности носителей электрических зарядов.

Под действием магнитного поля траектории носителей искривляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается. Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид

R_B = R_B=0 [1 + A|uB|^m], (2.40)

где u - подвижность носителей заряда; R_B=0 – сопротивление преобразователя при В = 0; А – магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя; m – показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В 0,2…0,5 Т), для которых uB  1, и равный 1 в сильных магнитных полях, для которых uB  1.

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R_o, которое лежит в пределах от долей ома до десятков килоом, и магниторезистивная чувствительность . Обычно для характеристики магниторезистивных преобразователей используются зависимости , где R₀ = R_B – R₀.

Преобразователи Гаусса используются в приборах для измерений индукции в постоянных и переменных магнитных полях. Особенно эффективно их применение при измерениях в сильных (до 10 Тл) полях, так как функция преобразования в этом диапазоне для них достаточно линейная.

Магнитоизмерительные приборы с преобразователями Гаусса применяются в виде тесламетров постоянного и переменного магнитных полей. Простейший прибор может представлять собой неуравновешенный измерительный мост, в одно из плеч которого включен преобразователь Гаусса. При изменении сопротивления преобразователя в результате воздействия на него измеряемого магнитного поля в индикаторной диагонали моста возникает напряжение, или ток разбаланса, которые измеряются измерительным устройством, проградуированным в единицах магнитной индукции.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений, используются для создания тесламетров при сверхнизких температурах и преобразователей для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в измерение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов.

10. Магнитные измерительные преобразователи: ферромодуляционными преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.

Принцип действия ферроиндукционных преобразователей (называемых также ферромодуляционными) основан на изменении под воздействием измеряемого магнитного поля В_Х магнитного состояния (магнитной проницаемости ) ферромагнитного сердечника, возбуждаемого переменным магнитным полем с постоянной напряженностью Н_.

При одновременном воздействии на сердечник возбуждающего поля напряженностью Н_ и измеряемого поля напряженностью Н_х изменение магнитного состояния будет происходить по несимметричным динамическим петлям и кривая изменения переменной составляющей индукции В_ станет несимметричной относительно оси времени. Это будет означать, что в составе кривой индукции В_ наряду с нечетными гармоническими составляющими появляются также четные гармоники. Оказывается, что степень асимметрии, т.е. амплитуды четных гармоник в индукции В_, пропорциональна в определенных пределах интенсивности измеряемого магнитного поля. Таким образом, по значению амплитуд четных гармоник, в частности второй гармоники, можно определить напряженность или индукцию измеряемого поля.

Т иповая схема включения ферромагнитного преобразователя в измерительную цепь приведена на рисунке 2.8.

Феррозонд помещается в измеряемое магнитное поле с индукцией В_Х. Возбуждающее поле в феррозонде создается током, поступающим в обмотку возбуждения от генератора синусоидального тока. Выделение второй гармоники из выходного сигнала феррозонда осуществляется селективным усилителем. Выходной сигнал усилителя детектируется синхронным детектором и подается на измерительное устройство, которое может быть проградуировано в единицах магнитной индукции. Синхронное детектирование в данной схеме используется для определения изменения фазы е_вых на 180 при изменении направления магнитного поля на обратное. В этом случае выходное напряжение синхронного детектора будет изменять знак. Для улучшения технических и метрологических характеристик схема охвачена глубокой отрицательной обратной связью, которая вводится с помощью цепи обратной связи.