Феррозондовые преобразователи магнитного поля



страница1/6
Дата26.07.2014
Размер1.11 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6
C:\Users\Юля\Desktop\1\11_2_8 Феррозондовые ПМП.mht

11.2.8 Феррозондовые преобразователи магнитного поля

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



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\11_2_8%20феррозондовые%20пмп.mht!http://www.support17.com/art/img8780.<div id=jpg" align=bottom width=265 height=200 border=0>

                           mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\11_2_8%20феррозондовые%20пмп.mht!http://www.support17.com/art/img8781.jpg

                                                                                                                                           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.



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\11_2_8%20феррозондовые%20пмп.mht!http://www.support17.com/art/img8782.jpg

 

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 .

C:\Users\Юля\Desktop\1\VolgaSpace -- Библиотека.mht

Система ориентации КА надувной пленочной конструкции для исследования характеристик частиц космического мусора


Д.Г. Бобин; Самарский государственный аэрокосмический университет, г. Самара

Наиболее перспективным средством регистрации микрометеороидных частиц является преобразователь пленочной конструкции ионизационно-конденсаторного типа, который должен быть сориентирован в пространстве. В настоящее время осуществляется проектирование КА надувной пленочной конструкции (проект “КАИКС”), который после выведения представляет собой датчик ионизационно-конденсаторного типа.


В работе предложена система ориентации по вектору магнитного поля Земли, использующая в качестве исполнительных органов токонесущие контура, являющиеся элементами конструкции космического аппарата (КА) и предназначенная для управления ориентации аппаратов в виде надувной пленочной конструкции.
В качестве измерителя углового положения КА использован трехкомпонентный феррозондовый датчик, с помощью которого измеряются компоненты вектора магнитной индукции . Поступающая с феррозондов информация обрабатывается в блоке обработки данных. По контуру шара располагаются три взаимно-перпендикулярных шпангоута, поддерживающие форму КА. Они также используются как токонесущие контура, по которым пропускается электрический ток. Взаимодействуя с магнитным полем Земли ток изменяет угловое положение КА. Управление токами в контурах осуществляется с помощью блока обработки данных.
Разработан алгоритм расчета процесса ориентации пленочного КА и его моделирование. Разработанная математическая модель процесса ориентации КА позволяет анализировать случай, когда орт ориентации направлен по оси ОХ и когда орт ориентации является биссектрисой трехмерного угла, образуемого осями X, Y, Z. Ток в активных контурах Iакт=100 мA, ток в полуактивном контуре для первого случая Iполакт=1 мA. Масса аппаратуры равна 50 кг, диаметр пленочной оболочки 5 м, моменты инерции Jx=Jy=Jz=15,3 кгм2. При расчетах полагалось, что масса равномерно распределена внутри аппарата.
Данная система ориентации обладает малыми габаритами и массой, поскольку ее активные органы являются элементами конструкции КА. При этом она обладает достаточными возможностями для ориентации КА данного типа. Использование такой системы ориентации на пленочных конструкциях КА значительно расширит их функциональные возможности.


C:\Users\Юля\Desktop\1\Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.htm

Одностержневой феррозонд
Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.

Наша Земля — огромный постоянный магнит, полюсы которого лежат в приполярных областях.


В районе магнитных полюсов вектор напряженности естественного магнитного поля перпендикулярен земной поверхности, а на экваторе параллелен ей.
В наших широтах угол между этим вектором и поверхностью Земли составляет 40...60 град, а напряженность естественного магнитного поля — около 50 А/м.

Приборы для измерения магнитного поля называют магнитометрами и строят на основе феррозондов — элементов, чувствительных к внешнему постоянному или медленно изменяющемуся магнитному полю.

Одностержневой феррозонд содержит ферромагнитный магнитопровод и намагничивающую катушку в форме охватывающего магнитопровод соленоида [1].
Напряженность Н магнитного поля внутри соленоида при протекании по нему тока I рассчитывают по формуле:

H= I*N/L


где L — длина соленоида, м,
N — число витков в нем.
Размерность напряженности поля — А/м, а произведение I*N принято называть числом ампер-витков.

Магнитное поле в веществе характеризуют магнитной индукцией, равной:

B=µ0*µ*H

Произведение µ0*µ называют абсолютной магнитной проницаемостью среды;


µ0 = 4π*10-7 — магнитная постоянная;
µ — относительной магнитной проницаемостью среды.

У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость µ не только очень велика (у железа — 5000. .10000, у пермаллоя 79НМ — до 100000...300000), но и зависит от напряженности намагничивающего поля.


При увеличении напряженности от нуля она быстро возрастает, достигает максимума, а затем (в очень сильных полях) падает и приближается к единице.

В результате этого катушка с ферромагнитным магнитопроводом обладает сильно выраженной нелинейностью — зависимостью индуктивности от напряженности магнитного поля.


Если такую катушку включить в колебательный контур автогенератора, при изменении внешнего магнитного поля будет изменяться не только частота, но и скважность генерируемых колебаний. Последнее объясняется тем, что в одном полупериоде внешнее поле складывается с внутренним, создаваемым протекающим по обмотке током, а в другом (после смены направления тока) вычитается из него. В результате индуктивность катушки в соседних полупериодах автоколебаний становится различной и они приобретают неодинаковую длительность.
В генерируемом напряжении образуется постоянная составляющая зависящая от напряженности внешнего магнитного поля.

Несложный датчик магнитного поля может быть изготовлен как для познавательных целей, так и для решения различных прикладных задач\.


Он может быть использован в различных системах охраны, сигнализации и регистрации — везде, где требуется обнаруживать перемещение ферромагнитных предметов относительно датчика либо перемещение его самого в магнитном поле Земли или в поле, специально созданном постоянными магнитами.

Конструкция феррозонда, использованного в описываемом датчике, показана на рис. 1.



c:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\001_01.gif

На цилиндрическом каркасе 1 из текстолита или стеклотекстолита намотана обмотка 2. Она состоит из 640 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,125 мм, уложенного в два слоя. Длина обмотки — 50 мм. индуктивность без магнитопровода — 200...250 мкГн, активное сопротивление — 15. .17 Ом.


Магнитопровод 3 представляет собой отрезки ленты из аморфного магнитного сплава толщиной 25 мкм и шириной 1 мм, уложенные в щель, пропиленную вдоль каркаса 1.
Такие сплавы сегодня широко используются при производстве тороидальных магнитопроводов [2].
Важное обстоятельство, способствующее их широкому внедрению, — необязательность отжига после механической обработки.
Число витков обмотки, толщина и ширина ленты могут меняться в широких пределах.
Магнитопровод можно изготовить также из пермаллоя 79НМ или подобного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, однако отжечь его в среде водорода в любительских условиях вряд ли удастся.

Схема датчика изображена на рис. 2.



c:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\002_01.gif

Колебательный контур автогенератора на ОУ DA1.1 образован феррозондом L1 и конденсатором С1.


Резистор R2 подбирают, добиваясь максимальной чувствительности датчика.
В изготовленном автором устройстве измеренный коэффициент преобразования магнитного поля — отношение приращения среднего значения напряжения на выходе DA1.1 к вызвавшему его изменению внешнего магнитного поля — достигал 4000 В/Тл.
Полосовой фильтр R4R5C2C3 пропускает лишь медленные изменения напряжения на выходе автогенератора, подавляя составляющие с частотой генерации (около 20 кГц) и ее гармоник.

АЧХ этого фильтра показана на рис. 3



c:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\005_01.gif

Коэффициент усиления ОУ DA1.2 устанавливают подстроечным резистором R7. Чем больше этот коэффициент, тем при меньшем изменении магнитного поля будут вспыхивать светодиоды HL1 и HL2.


Соответствие между вспыхнувшим светодиодом и направлением изменения поля устанавливают экспериментально.
Оно зависит например, от направления намотки обмотки феррозонда L1.

Сдвоенный ОУ КР1446УД11А можно заменить другим (например, TL072) с высоким входным сопротивлением.


Конденсаторы С1—СЗ — пленочные, например, К73-16. Заменять их керамическими не следует из-за недостаточной термостабильности последних.
Оксидные конденсаторы С4 и С5 могут быть отечественными или импортными любого типа.

Корпус датчика должен быть изготовлен из пластмассы или другого немагнитного материала.


Связать датчик с внешними исполнительными устройствами можно через оптронную гальваническую развязку, как показано на рис. 4.

Излучающие диоды сдвоенного оптрона подключают вместо светодиодов HL1 и HL2. Сигнал тревоги (открывание одного из соединенных параллельно фототранзисторов) будет подаваться при любом знаке изменения магнитного поля. Оптрон АОТ101АС можно заменить на АОТ101БС (при этом допустимый ток нагрузки возростает с 10 до 20 мА) или зарубежным аналогом TLP504A.

После сборки и монтажа датчик подключают к источнику питания и проверяют работу автогенератора. Для этого осциллографом контролируют форму напряжения на выходе ОУ DA1.
При перемещении феррозонда из горизонтального в вертикальное положение должно наблюдаться изменение скважности и частоты генерируемых колебаний.
Далее к точке соединения резистора R4 с конденсаторами С2 и СЗ подключают милливольтметр постоянного напряжения с высокоомным входом, например, мультиметр DT830. При совпадении продольной оси феррозонда с направлением вектора естественного магнитного поля Земли (в наших широтах около 50 град, относительно горизонта в плоскости магнитного меридиана) милливольтметр должен показать приблизительно 240 мВ по абсолютному значению.
Полярность зависит от того, как ориентирована продольная ось магнитопровода феррозонда, — по полю или против него.
С увеличением сопротивления резистора R2 это напряжение должно возрастать. Оно может достигать плюс или минус 500 мВ, однако стабильность работы автогенератора при этом ухудшается.
Быстрое изменение ориентации феррозонда должно приводить к включению светодиодов.
Через некоторое время после прекращения движения, зависящее от нижней частоты среза полосового фильтра, вспыхнувший светодиод гаснет.

Далее, закрепив феррозонд неподвижно, проверяют чувствительность датчика к приближению и удалению различных ферромагнитных предметов, обладающих остаточной намагниченностью.


Можно проверить зависимость чувствительности датчика от его положения относительно вектора естественного магнитного поля и от скорости перемещения объектов.
Значительное влияние на работу датчика. построенного по рассмотренной схеме, оказывает температурный дрейф нуля ОУ DA1.2. Чтобы уменьшить это влияние, можно заменить усилитель, построенный по схеме УПТ, двумя-тремя ступенями усиления переменного напряжения (с разделительными конденсаторами между ними). Для этого можно заменить сдвоенный ОУ счетверенным. например, TL074.

ЛИТЕРАТУРА:
1. Афанасьев Ю. Феррозонды — Л.: Энергия, 1969
2. Сидоров И. и др. Малогабаритные маг-нитопроводы и сердечники: Справочник — М.: Радио и связь, 1989.

Источник: Радио №11 2010  Автор: Е. Уляшев, г. Томскc:\users\юля\desktop\1\датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде_files\006_01.gif

C:\Users\Юля\Desktop\1\Дефектоскопия - Физическая энциклопедия.mht


  1   2   3   4   5   6

Похожие:

Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЛабораторная работа «Магнитоэлектрические преобразователи»
Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЗакон Био-Савар-Лапласа. Основные закономерности
Силовыми характеристиками магнитного поля служат напряженность магнитного поля и индукция магнитного поля или магнитная индукция....
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconПланы ответов к билетам выпускного экзамена по Физике Магнетизм
Тесла. Линии индукции магнитного поля, их особенности. Графическое изображение поля прямого и кругового тока. Поле соленоида. Действие...
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconКод дидактической единицы предъявляемого содержания из гос
Действия магнитного поля на проводник с током, действие магнитного поля на частицу. Сила Лоренца
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЭлектрическое поле
Ения В/м (Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр)
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЛабораторная работа №9 Исследование магнитного поля в катушках Гельмгольца
Целью лабораторной работы является экспериментальное изучение магнитного поля пространстве, ограниченного катушками Гельмгольца
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconУрок изучения нового материала по теме «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца»
Выделить и изучить новое физическое явление — действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЛабораторная работа №2 определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля земли
Ознакомление с одним из основных методов определения напряженности магнитного поля Земли
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconАбсолютная магнитная проницаемость, Гн/м
Интенсивность магнитного поля характеризуется также вектором магнитной индукции, измеряемой в теслах (Тл). Напряженность магнитного...
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconПриложение 3 Дифференцированный тест Действие магнитного поля на проводник с током Начальный уровень
По какой из приведенных ниже формул можно вычислить модуль индукции магнитного поля в по силе, действующей на проводник с током....
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org