Магнитометр: что это такое?

Что это такое?

Как следует из названия, магнитометр — это прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств отдельных материалов. В зависимости от изменения показателей того, какой тип устройства фиксирует, можно назвать следующие термины:

• эрстедметр (измеряет напряженность поля);
• градиентометр (определяет градиент поля);
• тесламетр (показывает индукцию);
• веберметр (определяет магнитный поток);
• инклинатор или деклинатор (указывает направление поля);
• измеритель силы (показывает силу силы).

Когда работают мю- и каппа-метры, можно определить соответственно магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость. А еще есть устройства для фиксации магнитного момента. Но есть и более узкое определение магнитометров — это приборы, измеряющие напряженность, градиент и направление поля. Необходимые параметры определяются по-разному.

Необходимо учитывать, что одни приборы регистрируют абсолютные значения характеристик поля, другие отражают изменение поля во времени или в разных точках пространства.

Определение и формула напряженности магнитного поля

Определение

Напряжённость магнитного поля $bar{H}$ — физическая векторная величина, направленная по касательной к силовым линиям, являющаяся характеристикой магнитного поля, равная:

$$bar{H}=frac{bar{B}}{mu_{0}}-bar{J}(1)$

где $bar{B}$ — вектор магнитной индукции, $mu_{0}=4 pi cdot 10^{-7}$ H/m(N/A2) — магнитная постоянная, $bar{ j } $ — вектор намагниченности среды в исследуемой точке поля.

Для магнитного поля в вакууме напряженность магнитного поля определяется выражением:

$$bar{H}=frac{bar{B}}{mu_{0}}$

В изотропной среде формула (1) преобразуется в вид:

$$bar{H}=frac{bar{B}}{mu_{0} mu}$

где $mu$ — скалярная величина, называемая относительной магнитной проницаемостью среды (или просто магнитной проницаемостью). В изотропной среде векторы магнитного поля и магнитной индукции совпадают по направлению.

Иногда напряженность магнитного поля $d bar{H}$ определяется как векторная величина, направленная по касательной к силовой линии, по модулю равная отношению силы (dF), с которой поле действует на единичный элемент тока (dl) , который расположен перпендикулярно полю в вакууме , к магнитной постоянной:

$$d H=frac{d F}{mu_{0} I dl}$

Закон Био-Савара-Лапласа

Это самый важный закон электромагнетизма. Он определяет вектор напряженности $d bar{H}$ в произвольной точке магнитного поля, создаваемого в вакууме элементарным проводником длиной dl с постоянным током I:

$$d bar{H}=frac{1}{4 pi} frac{I}{r^{3}} d bar{l} times bar{r}(5)$

где $d bar{l}$ — вектор элемента проводника, который по модулю равен длине проводника, направление совпадает с направлением тока; $bar{r}$ — радиус-вектор, проведенный от рассматриваемого элементарного проводника к точке рассмотрения поля; $r=|bar{r}|$ .

Вектор $d bar{H}$ перпендикулярен плоскости, содержащей векторы $d bar{l}$ и $bar{r}$, и направлен так, что вращение вектора $d bar{l }$ по кратчайшему пути до сопоставления с вектором $bar{r}$, продолженным по часовой стрелке.

Для нахождения направления вектора $dbar{H}$ можно воспользоваться правилом буравчика (Вращаем буравчик (винт) так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока, тогда направление, которое рукоятка винта вращается с направлением вектора напряженности поля, который создает рассматриваемый ток).

Закон Био-Савара-Лапласа позволяет рассчитать величину суммарной напряженности магнитного поля, создающего ток, протекающий по проводнику любой формы.

Чтобы найти полную напряжённость магнитного поля, создающего в исследуемой точке ток I, протекающий по проводнику l, нужно векторно просуммировать все элементарные напряжённости $d bar{H}$, создаваемые элементами проводника и находится по формуле (4).

Единицы измерения

Основная единица измерения крутящего момента в системе СИ: H=A/m

Принцип работы

Настройка магнитометра может быть самой разной, но в любом случае он работает по одной и той же методике. Магнитное поле можно охарактеризовать следующим образом:

• вектор напряжения;
• горизонтальная составляющая напряжения;
• магнитное склонение;
• магнитное наклонение.

Но есть еще одно важное свойство магнитного поля — магнитная индукция. Направление вектора определяет направление силы, действующей на северный полюс магнита. Чтобы понять, как все это работает, полезно взглянуть на конструкцию магнитометра Honeywell HMC5883L. Различное усиление влияет на чувствительность датчика. Для чтения данных предусмотрено 12 регистров емкостью 8.

Регистр режима задает основной сценарий действия: непрерывное измерение или однократное измерение и переход в режим ожидания. Если запрос не программный, а аппаратный, используется дублирование данных через вывод DRDY. Но не все так просто – необходимо учитывать не только показания датчиков, но и влияние на них различных возмущений.

Если проигнорировать этот момент, может оказаться, что модуль сбился и вообще неправильно измеряет.

Предположим, что необходимо измерить удельную намагниченность насыщения. Исследуемый образец и постоянный магнит крепятся на тонком стержне, соединенном с вибрационным блоком. Стержень может колебаться с разной частотой, но в любом случае под углом 90 градусов по отношению к полю, создаваемому электромагнитом.

Радиодетали в системе предназначены для усиления, очистки и эффективной обработки сигнала. Когда постоянный магнит и образец колеблются, в специальных катушках возникает электродвижущая сила. Сами катушки располагаются относительно постоянного магнита так, чтобы на их положение не влияли вибрационные колебания.

Но описываемое устройство, как несложно понять из некоторых моментов, можно использовать в основном в лабораторных условиях. Возможности использования «в полевых условиях» существенно ограничены. Для полевых измерений предназначены совсем другие магнитометры, не требующие изготовления и отбора образцов.

Как именно работает этот метод, является коммерческой тайной для производителей. Если вам нужно выполнить измерения остаточной намагниченности или сделать что-то еще, важно знать алгоритм калибровки методом наименьших квадратов.

В наиболее упрощенном изложении сущности этого метода (на основе высшей математики) можно указать, что он предполагает выбор функции, дающей значения, максимально приближенные к полученным по результатам эксперимента. Сумма квадратов отклонений во всех критических точках должна быть как можно меньше, в идеале сведена к нулю.

Обязательным условием использования такого алгоритма является знание вектора магнитного поля Земли. Если вернуться к математической стороне дела, то можно сказать, что здесь нужны линейные преобразования матриц в трехмерном пространстве. А из этого следует, что вы должны использовать показания по трем осям одновременно.

Отстранившись от всего этого абсурда, можно узнать, как работает магнитометр на основе тонкопленочных магниторезисторов. Такое оборудование производят ведущие зарубежные компании. Магниторезисторы обычно размещают на одной кремниевой подложке и соединяют перемычкой.

Поскольку резисторы трудно регулировать в процессе производства, нельзя игнорировать смещение. Параметры датчиков очень сильно зависят от фактической температуры.

Прямое измерение индукции магнитного поля

Прямое измерение индукции магнитного поля с помощью катушки с током основано на явлении электромагнитной индукции Фарадея.

Как измерить индукцию магнитного поля прямым методом? Сначала проводник замыкают в виде небольшой плоской петли на гальванометр и ориентируют так, чтобы линии магнитной индукции магнитного поля были перпендикулярны плоскости проводника.

Затем проводник поворачивают вокруг своей оси на 90°. По закону электромагнитной индукции через гальванометр должен пройти импульс тока. Измеряя этот импульс, определяют среднее значение магнитной индукции B в области контура.

Косвенные методы измерение напряженности и индукции магнитного поля

Прямое (непосредственное) измерение В описанным выше методом не всегда возможно. Например, таким способом нельзя измерить индукцию магнитного поля в веществе.

Необходимо учитывать, что при пересечении границы магнита нормальные компоненты вектора магнитной индукции и тангенциальные компоненты вектора напряженности поля непрерывны.

Как измеряется вектор магнитной индукции в веществе? Для этого в испытуемом материале создается полость и проводится измерение. Также при обработке результатов учитывается форма полости.

Способ 1. В магните параллельно магнитному полю делают бесконечно узкий канал. Поскольку канал бесконечно узок, можно предположить, что напряженность поля в нем и в окружающем магните одинакова. В канал помещают тестовую катушку и измеряют величину магнитной индукции. Поскольку в канале нет магнитного материала и µ=1, получаем:

В→=мкОН→.

Способ 2. В магните создается бесконечно узкий зазор. Удаление вещества при бесконечно малом размере зазора не влияет на магнитное поле (удалением вещества можно пренебречь). Измерив индукцию в зазоре, мы узнаем индукцию магнитного поля в материале.

Пример

Предположим, у нас есть электромагнит, состоящий из железного сердечника и катушек с током. Число токоведущих обмоток N. Сердечник имеет узкий воздушный зазор по длине lv. По большей части линии магнитной индукции сосредоточены внутри сердечника и пересекают границу раздела воздух-сердцевина нормально к границе раздела. Найти величину магнитной индукции в воздушном зазоре электромагнита.

Решение.

Магнитная индукция в зазоре и сердечнике одинакова по абсолютной величине, если зазор бесконечно мал.

B1n=B2n

Применяя теорему к циркуляции вектора напряжения H→, получаем выражение для напряжения в железе и воздухе.

Напряжение в железе равно HFe=Bµ0µFe. Напряжение в воздухе: Hv=Bμ0μv. Циркуляция вектора напряжения запишется как:

HFelFe+Hvlv=NI

где I — ток в катушке, lFe — длина цепи в железном сердечнике.

Здесь приведенное выше выражение заменяет напряжение:

Bμ0μFelFe+Bμ0μvlv=NI.

Отсюда выразим магнитную индукцию:

B=μ0lNlvμv+lFeμFe≈μ0lNlv+lFeμFe.

Магнитная проницаемость железа высока, и отношением lFeµFe≪1 можно пренебречь. Тогда выражение для индукции запишется так:

B≈μ0lNlv.

Измерение напряженности магнитного поля методом Гаусса

Этот метод используется для измерения магнитного поля Земли.

Определение

Постоянными магнитами называют магниты, у которых вектор намагниченности J→ остается неизменным (или изменяется незначительно) при введении магнита во внешнее магнитное поле.

Суть метода основана на этом определении. Для измерения напряженности магнитного поля методом Гаусса берут постоянный магнит в виде стержня, намагниченного параллельно оси. Если такой магнит поместить в постоянное магнитное поле с индукцией В→, на него будет действовать вращающийся магнитный момент М→.

М→=Пм→Б→.

Здесь Pm→ — магнитный момент стержня. Под действием момента М→ стержень, вращающийся вокруг своего центра масс, придет в состояние равновесия и установится по вектору поля В→. При малых отклонениях от положения равновесия возникают колебания с периодом T=2πθPm→B→, где θ — момент инерции стержня.

Стержневой магнит прикреплен перпендикулярно магнитному полю B→, а небольшая магнитная стрелка расположена на расстоянии r от центра. Стержень можно рассматривать как магнитный диполь, и для магнитного поля стержня в месте расположения стрелки можно написать:

B1=2Pmr3.

Под действием полей B→ и B→1 стрелка установится под углом α к постоянному магнитному полю:

tga=B1B=2PmBr3.

Измеряя период Т и вычисляя угол а, находят магнитный момент стержня и величину индукции магнитного поля.

Читайте также: Виды и применение изоленты — технические характеристики и обзор производителей

Разновидности

Если исходить из организации работы, то нетрудно заметить разницу между обзорными и поисковыми магнитометрами. Для съемки используются приборы, строящие геофизическую карту магнитного поля. Так как размеры интересующего геологов объекта могут варьироваться от 100 м до нескольких сотен км, то и шаг измерения также сильно различается.

Но в археологии (даже «черной») и в кладоискательстве такие параметры неприемлемы. Сканирование пробелов на точки не дает информации о том, что находится между ними.

Сближение точек (с шагом 0,5 м, например) делает работу излишне утомительной — и все же есть риск «увидеть» самые интересные объекты. Обзорные протонные магнитометры не предназначены для использования в движении.

Между нажатием кнопки и отрисовкой изображения, отображаемого на экране, проходит 2-10 секунд, в зависимости от модификации и условий съемки. Конечно, можно возвращаться и проходить одни и те же места много раз, но это значительно усложняет работу. Наконец, точность стрельбы на ходу точно упадет по сравнению с обычным режимом.

Стоит учесть еще один нюанс: магнитометр протонного типа не способен указать, в каком направлении следует копать яму и нужно ли ее углублять, чтобы вырыть нужный предмет. Полноценный прибор для археологических и кладоискательских работ должен работать так же непрерывно, как миноискатель или металлоискатель.

Поэтому подходящим выбором являются градиентные магнитометры зарубежного производства. Их сенсоры маленькие и не подвержены влиянию слишком сильных «сбивающих с толку» полей.

Возвращаясь к протонным единицам, следует отметить, что они работают, измеряя частоту прецессии протонных ядер (только в зависимости от внешнего магнетизма). Квантовые гаджеты работают иначе — они основаны на эффекте Зеемана.

Этот эффект заключается в том, что атомы испаряемых частиц металла, находящиеся в магнитном поле, особым образом реагируют на поляризованный монохроматический световой пучок. При таком освещении атомы переходят на более высокий энергетический уровень.

Основным узлом феррозондового магнитометра является электрическая катушка, сердечник которой изготовлен из магнитомягкого материала. Катушка, которая получает электрический ток, является желаемым феррозондом.

Индукционный магнитометр, как нетрудно понять, работает за счет электромагнитной индукции. Пассивный индукционный прибор отличается тем, что ЭДС в катушке возникает под действием внешнего магнетизма. Активное устройство работает иначе: на обмотку возбуждения подается импульс переменного тока.

Переменная катушка насыщается ЭДС индукции. Четные гармоники результирующего поля пропорциональны продольной составляющей внешнего поля.

Магнитометры кварцевого типа появились в 1940-х годах. Главной особенностью устройства является то, что магнитный блок подвешен на кварцевой проволоке. Это надежная и совершенная методика, которая и сегодня продолжает использоваться в геомагнитных исследованиях.

По-иному устроен вибрационный цифровой магнитометр, который способен учитывать влияние на магнитные свойства изучаемых объектов не только изменений внешнего магнетизма, но и температурных колебаний.

Сегодня совершенствование вибромагнитометров направлено на упрощение замены образцов и снижение риска отказа прибора при этой операции.

Модели

Рассмотрим подробнее известные модели магнитометров.

• Заслуживает внимания трехкомпонентный компакт МТМ-01. Этот прибор особо не поможет кладоискателям, но способен определять естественные магнитные поля, опасные для человека. А также позиционируется как средство определения эффективности магнитных экранов и других средств защиты.

Его можно использовать для осмотра трансформаторов и других электроустановок.

• MF-24 FM относится к другой категории — это микротесламетрический градиентометр. Он определяет качество размагничивания различных деталей и элементов после сварки. Характеристика может быть дана деталям, подвергнутым магнитным методам неразрушающего контроля.

Коммунальные службы используют его для определения намагниченности датчиков, а также прибор используется в судостроении, авиастроении и других ответственных отраслях промышленности.

• IMAG 400-C представляет собой магнитометр, предназначенный для проверки намагниченности металла при контроле магнитных частиц. Производитель гарантирует наработку на отказ не менее 5000 часов.

• Дефектоскопический магнитометр 23-ИМ также имеет очень хорошее положение. Это устройство используется для дефектации ферромагнитных изделий. Дополнительная область применения – определение уровня промышленных магнитных помех. Вместе с аккумулятором масса агрегата не превышает 0,15 кг.

• А вот магнитометр-градиентометр Magnum — это именно тот прибор, который нужен поисковикам и кладоискателям. Он сможет обнаруживать как мелкие предметы, так и крупную военную технику. Гарантированно работает в сильный мороз. В последних версиях повышена надежность кабеля.

• Если вам необходимо использовать магнитометр в нескольких случаях одновременно, подойдет универсальный «Техномаг». Он измеряет остаточную намагниченность и находит локальные полюса, контролирует намагниченность.

Область применения

На практике магнитометры используются для поиска металла, в том числе клада в полевых условиях. Никакие георадарные радары, не говоря уже о более простых приборах электроразведки, не могут с ними сравниться. Дело в том, что сигнал, излучаемый тем же георадаром, уходит на три порядка быстрее. Именно поэтому магнитометры используются при поиске следующих элементов:

• затонувшие корабли и подводные лодки;
• военная техника на полях прошлых сражений;
• старые железные предметы.

Но магнитометр ищет не только металл. Он способен определять остатки фундаментов и стен, другие части зданий. Кирпич, глина, камень тоже имеют намагниченность, но меньшую, чем сталь. Кроме того, нет никаких препятствий для магнитного сканирования. Он «игнорирует» почву и растительность, твердые породы и рыхлый лед, воду и посторонние предметы.

Единственным недостатком является избирательность сканирования. Кладоискателей, а в какой-то степени и археологов (хотя и по разным причинам) особенно интересуют цветные, драгоценные металлы, ювелирные изделия — а именно эти предметы магнитометр не находит.

Многие люди делают свои собственные магнитные поисковые устройства на базе микроконтроллера. И работает не хуже промышленного дизайна. Для обсерватории магнитометры важны из-за способности обнаруживать зарождающиеся магнитные бури и измерять их интенсивность.

Но магнитные измерения нужны не только в металлоискателе и вообще на земле. Они также необходимы для авиации. Вернее, не на всю авиацию, а на силы противолодочной обороны. Помимо чувствительности самого прибора, на эффективность его использования влияют характеристики подводных лодок и условия эксплуатации.

При правильном использовании он ничем не хуже тонко натертого калиевого манометра.

Как выбрать?

Требуемую точность прибора каждый конкретный пользователь определяет «под себя». Когда появится необходимый опыт, можно будет заранее подобрать аппарат под конкретную задачу или экспедицию. В любом случае рядовым кладоискателям нет смысла покупать устройства, выводящие информацию только на экран и на магнитный носитель информации.

Так устроены аппараты для съемки больших территорий во время серьезных экспедиционных исследований. Использовать их «в поле» невозможно — собирать и анализировать данные можно будет только с помощью специалистов с дополнительным оборудованием. Поэтому эта методика в основном используется геологами и геофизиками.

Очень хорошо, если есть световая и звуковая индикация. Они позволяют прямо на месте определить аномалии, их структуру, оценить перспективы каждой находки. Простые ручные металлоискатели удовлетворяют этому требованию, но для более глубокого поиска необходимо использовать градиентометры.