Измерение магнитной индукции и напряженности магнитного поля

Приборы для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля (далее - МП) называются тесламетрами (Тм), по аналогии с измеряемой величиной. Процесс измерения магнитных величин более сложный, чем определение электрических величин, соответственно и приборы и схемы тоже сложнее.

Наиболее распространенными магнитоизмерительными приборами для определения индукции и напряженности являются: Тм с преобразователем Холла, ферромодуляционный и ядерно-резонансный тесламетр.

Тм с преобразователем Холла определяют параметры средних (от 10-5 до 10-1 Тл) и сильных (10-1 до102 Тл) МП. Принцип работы таких тесламетров основан на появлении ЭДС в полупроводниках, помещенных в зону влияния МП.

При этом вектор магнитной индукции искомого МП должен быть перпендикулярен пластине полупроводника.

Через тело полупроводника протекает электрический ток I. В результате на боковых гранях пластины образуется разность потенциалов, которую называют ЭДС Холла. ЭДС определяется компенсационным методом или милливольтметром, шкала которого градуирована в теслах. На практике ЭДС Холла зависит от следующих параметров:

Ех=С*I*B

где С – коэффициент, учитывающий конструктивные параметры пластины полупроводника;

I – сила тока, А;

В – магнитная индукция, Тл.

Зная силу тока I, коэффициент С и значение Ех, прибор градуируют в единицах измерения МП, при условии, что сила тока постоянна.

Тм с преобразователем Холла просты в применении, имеют небольшие размеры, что позволяет применять их при измерениях в малых зазорах. С их помощью определяют параметры постоянных, переменных и импульсных полей.

Пределы измерения обычного прибора от 2*10-3 до 2 Тл, с относительной погрешностью ±1,5–2,5%.

Вторым видом приборов для определения характеристик МП является ферромодуляционный тесламетр (ФМТ). Используют ФМТ для измерения слабых и средних, постоянных и переменных (до 1кГц) МП.

В основу работы ФМТ заложено свойство пермаллоевых сердечников С, изменять свое магнитное состояние, при одновременном воздействии на них постоянного и переменного МП.

Наиболее широкое применение в схеме измерения рис.2 нашли дифференциальные ферромодуляционные преобразователи. Генератор Г служит для создания переменного МП, которое посредствам катушек ω влияет на сердечники С.

В связи с тем, что эти катушки включены встречно, т. е. конец одной совпадает с другой, ЭДС в цепи индикаторной катушки ωи отсутствует.

Если внести сердечники С в постоянное МП (измеряемое поле), так чтобы вектор магнитной индукции был параллелен оси сердечников, в измерительной обмотке появится ЭДС. Это явление происходит благодаря физическим свойствам пермаллоя, изменять свое магнитное состояние под воздействием двух разнородных полей.

Итак, под влиянием поля В_ , на входе избирательного усилителя ИУ, на ряду с нечетными гармониками, появятся четные. В частности ЭДС второй гармоники имеет прямую зависимость от напряженности МП Н и магнитной индукцииВ_.

Е2 ≈ kH;

E2 ≈ k1B

где k и k1 – коэффициенты, учитывающие конструкционные особенности сердечников, частоту и напряженность поля возбуждения ω;

Н – измеряемая напряженность МП;

В_ - измеряемая индукция.

Синхронный выпрямитель получает с выхода ИУ усиленный сигнал ЭДС второй гармоники, преобразует ЭДС в пропорциональный ей (а значит и Н и В_) ток компенсации Iк.

Ток компенсации, протекая по компенсирующим обмоткам ωк, создает компенсирующее поле Вк, которое стремится уравновеситься с В_, и имеет встречное направление. Миллиамперметр, по которому также протекает ток Iк, градуирован в теслах.

Ферромодуляционные тесламетры имеют высокую чувствительность, точность, и могут быть использованы для непрерывных измерений параметров магнитного поля. Пределы измерения ФМТ от 10-6 до 1 мТл, с погрешностью от 1 до 5%.

Тесламетры с квантовыми магнитоизмерительными преобразователями  используют для измерения средних и слабых МП, постоянных и переменных частотой до 20 кГц полей. Принцип действия квантовых магнитоизмерительных преобразователей заключается во взаимодействии ядер молекул вещества с МП.

На рис.3 представлена схема распространенного ядерно-резонансного преобразователя. В колбе находится рабочее вещество. По средствам генератора высокой частоты ГВЧ и катушки, охватывающей витками колбу, к рабочему веществу приложено переменное МП.

Взаимодействие ядер с МП называется прецессией. Итак, в колбе частицы прецессируют вокруг вектора магнитной индукции переменного поля.

Под прямым углом, на колбу с рабочим веществом, начинает действовать измеряемое постоянное МП В_. Плавно изменяя частоту переменного поля, добиваются ядерного магнитного резонанса – совпадения частоты прецессии с частотой переменного поля. Резонанс заключается в увеличении амплитуды прецессии.

Этот процесс сопровождается поглощением части энергии переменного ВЧ поля, что приводит к изменению добротности катушки, а соответственно и изменению напряжения на ее концах.

Явление резонанса можно наблюдать на экране электронного осциллографа ЭО, на горизонтальный вход которого подается напряжение ГНЧ, а на вертикальный – выпрямленное напряжение рабочей катушки. ГНЧ питает током низкой частоты катушку модуляции Км, которая служит для модуляции магнитной индукции В_.

Ядерно-резонансные тесламетры являются самыми точными, их относительная погрешность составляет 0,001–0,1%, в области значений 10-2–10 Тл.