2.Магнитометрические преобразователи

2.1.Классификация

Классификация магнитометрических преобразователей показана на рис.2.1.

Магнитометрические преобразователи

Магнитомеханические преобразователи

Индукционные преобразователи

Гальваномагнитные преобразователи

Квантовые преобразователи

Рис. 2.1 Классификация магнитометрических преобразователей

Принцип действия магнитомеханических преобразователей основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. Типичным и самым старым представителем данного типа преобразователей является магнитная стрелка компаса. Угол поворота магнита оптическим или иным способом преобразуется в значение составляющей или градиента магнитной индукции. Такие преобразователи используются в основном в стационарных условиях. Например, в вариометрах - приборах для измерения вариаций магнитного поля Земли. Особыми свойствами обладают, так называемые, астатические преобразователи, которые содержат несколько постоянных магнитов, составленных таким образом, чтобы их суммарный магнитный момент был равен нулю. Они не реагируют на однородное магнитное поле, и предназначены для измерения слабо изменяющейся в пространстве магнитной индукции на фоне медленно изменяющегося во времени однородного магнитного поля Земли. Современные астатические преобразователи имеют порог чувствительности менее 0.01 нТл.

Гальваномагнитными называются преобразователи, принцип действия которых основан на воздействии магнитного поля на движущиеся заряды. Согласно формуле Лоренца, сила, действующая на частицу с положительным зарядом , имеет вид:

,

где первое слагаемое - это электрическая часть силы, зависящая от напряженности электрического поля , а второе слагаемое – магнитная часть силы, действующая только на движущийся со скоростью заряд в магнитном поле .

В измерительной технике используется два гальваномагнитных эффекта. Поперечный эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла), пропорциональной магнитной индукции и протекающему току и эффект изменения внутреннего сопротивления полупроводника при изменении магнитного поля (эффект Гаусса).

Принцип действия индукционных преобразователей основан на законе электромагнитной индукции Фарадея:

,

где - ЭДС в контуре , - магнитный поток, - напряженность электрического поля, - скорость перемещения контура в магнитном поле или магнитного поля относительно неподвижного контура .

Составляющая - называется трансформаторной ЭДС, а - ЭДС перемещения.

Для любой поверхности , натянутой на замкнутый контур магнитный поток определяется по формуле

.

При перемещении в однородном магнитном поле катушки с площадью витка и числом витков магнитный поток определяется по формуле

,

где - угол между векторами и .

Из приведенных выражений следует, что данные преобразователи могут измерять переменное магнитное поле и помощью неподвижной катушки с сердечником или без него, и постоянное магнитное поле посредством перемещающегося или вращающегося замкнутого контура.

Квантовыми называются преобразователи, использующие внутриатомные явления (взаимодействие ядер, атомов или молекул с индукцией магнитного поля). Эти частицы, обладающие зарядом, имеют также и массу и поэтому обладают механическим моментом. Внешнее магнитное поле воздействует на магнитный момент частицы, а механический момент, обладая свойством гироскопа, приводит к прецессии магнитного момента относительно внешнего магнитного поля. Частота прецессии связана с модулем индукции внешнего магнитного поля соотношением

,

где - гиромагнитное отношение ( -механический момент, а - магнитный момент частицы).

Измерение частоты можно осуществить достаточно просто с очень большой точностью. Так как гиромагнитное отношение является мировой константой, то, измеряя частоту прецессии, можно очень точно измерить индукцию внешнего магнитного поля.