Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям
ного тонкого ферромагнитного порошка (рис. 19.8). На основе этой схемы можно сконструировать устройство с электростати ческим экранированием, имеющее диаметр 6, толщину 1 мм и индуктивность несколько микрогенри. При помощи такого устройства наблюдались колебания магнитного поля с относи тельным значением 0,01% в области напряженностей от 300 до 2000 Э (от 2,4-104 до 1,6-105 А/м).
19.10. ПРОВОЛОЧНЫЙ ДАТЧИК
Если основная петля гистерезиса ферромагнитного вещества реализуется под действием источника синусоидально изменяю щейся энергии, то время перемагничивания отражается на фазе колебаний. При одновременном воздействии на тело из ферро магнитного вещества переменного магнитного поля и постоянного внешнего магнитного поля время перемагничивания изменяется, что приводит к сдвигу по фазе. Для того чтобы этот фазовый сдвиг сводился к нулю за счет влияния некоторого третьего постоянного приложенного поля, последнее должно быть равно по абсолютной величине и противоположно по направлению внешнему полю, в которое помещено тело.
На рис. 19.9 представлена схема проволочного датчика,
состоящего из |
ферромагнитной проволоки |
и трех надетых |
на нее катушек. |
В одной из катушек течет |
переменный ток |
возбуждения, вторая катушка служит для определения момента перемагничивания проволоки, и третья, питаемая постоянном током, обеспечивает сведение к нулю сдвига по фазе. Ток
Рис. 19.9. Проволочный датчик. Ток, обеспечивающий компенсацию фазового сдвига, можно прокалибровать в значениях напряженности внешнего магнитного поля
Вторая катушка называется управляющей. Текущий в ней постоянный ток можно использовать для выбора положения вспомогательной петли гистерезиса, реализуемой переменным током катушки нагрузки. Изменение управляющего тока приво дит к изменению индуктивности катушки нагрузки. Последнее изменение, в свою очередь, вызывает изменение тока нагрузки, текущего через резистивное сопротивление. Так осуществляется процесс усиления, в результате которого относительно малые изменения управляющей энергии вызывают значительно большие изменения энергии нагрузки.
Те же самые принципы положены в основу конструкции магнитного модулятора. Если на магнитный сердечник подано соответствующее поле смещения, причем к току смещения добав ляется переменный управляющий ток с низкой частотой, то этот управляющий ток будет модулировать высокочастотный переменный ток нагрузки. Магнитный модулятор иногда назы вают магнетором.
Оптимальные характеристики магнитного усилителя дости гаются при условии, что его ферромагнитный сердечник удовлет воряет следующим требованиям.
1. Петля гистерезиса должна иметь прямоугольную форму.
2. Разностная магнитная проницаемость должна иметь мак симально возможное значение, которое остается более или менее постоянным при возрастании напряженности поля до области насыщения. Вблизи состояния насыщения разностная магнитная проницаемость при дальнейшем возрастании напря женности поля должна круто спадать до нуля.
3. Для того чтобы сводились к минимуму вихревые токи и гистерезисные потери, удельное сопротивление должно быть велико, а коэрцитивная сила мала.
4.Для минимизации размеров прибора плотность потока насыщения должна быть максимально возможной.
5.Магнитные х арактеристики должны быть устойчивыми при изменяющихся температурных условиях и условиях механической деформации.
Иллюстрация на рис. 19.10 свидетельствует о сходстве между конструкциями магнитного усилителя и магнитометров (как магнитометра с переменной магнитной проницаемостью, так и магнитометра типа феррозонда). Однако магнитометры воспри нимают однонаправленное внешнее поле, тогда как усилитель создает свое собственное внутреннее поле. Поэтому реакция магнитометра определяется лишь одним его линейным элементом, который питается от ярма, не восприимчивого к внешним воздей ствиям, а в магнитном усилителе в одинаковой мере используют ся все элементы, включая и ярмо. Конструкция, показанная на рис. 19.11, фактически нежелательна для магнитного усилите ля, так как она слишком чувствительна к внешним полям.
19.12.ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
Вмагнитометре с насыщением сердечника (феррозонде) используются прямоугольные петли гистерезиса двух ферромаг нитных стержней, работающих в составе магнитной мостовой схемы, благодаря чему можно измерять внешнее магнитное
поле, не вводя магнитное поле смещения. Это способ ствует повышению точности и стабильности измерений по сравне нию с устройством, содержащим один ферромагнитный стержень (см. § 19.8).
Две одинаковые магнитные цепи феррозондового магнитомет ра возбуждаются одинаковыми переменными вынуждающими силами намагничивания — размагничивания. Хотя достичь иде ально идентичных условий для двух цепей невозможно, они обес печиваются с достаточной практической точностью. Действия двух вынуждающих сил могут быть взаимно скомпенсированы путем вычитания одного результирующего магнитного потока из другого.
Как показано на рис. 19.11, это вычитание осуществляется электромагнитным способом при помощи одной общей катушки, окружающей оба пути магнитных силовых линий. Если катушка установлена таким образом, что переменные магнитные потоки каждой из двух цепей проходят через катушку в противополож ных направлениях, то в катушке не будет генерироваться ни какого напряжения.
Намагничивающие токи (силы) для двух симметричных со ставных частей прибора А и В преобразуются в соответствии с передаточными характеристиками двух одинаковых петель гисте-
С
Рис. 19.12. Форма сигналов в феррозондовом магнитометре. При отклонении намагничивающей силы в любую сторону от центральной точки на одной ветви прямоугольной петли гистерезиса переменный ток возбуждения преобразуется в последовательность импульсов одной полярности, которая может быть преобра зована в сигнальный ток, имеющий вдвое более высокую частоту, чем ток возбуждения
резиса в изменения потоков А и В, как показывает график на рис. 19.12. Две петли гистерезиса изображены как одна (с сильно упрощенной формой), чтобы сосредоточить внимание на основ ных принципах. Симметричные колебания двух вынуждающих сил, создаваемых токами А и В, автоматически центрируются на своих симметричных петлях гистерезиса. Когда в общей катушке поток В вычитается из потока А, результирующее изменение по тока через катушку равно нулю, и, следовательно, наведенное в ней напряжение также равно нулю.
Поскольку передаточные характеристики петель гистерезиса являются нелинейными, изменения потоков А а В имеют иную форму, чем изменения токов возбуждения А и В. Тем не менее, поскольку все параметры системы симметричны, изменения пото ков Л и В в общей катушке взаимно компенсируются.
Как показано на рис. 19.11, внешнее магнитное поле может суммироваться с полем возбуждения в одной части магнитной цепи и вычитаться из поля возбуждения в другой части. График на рис. 19.12 отражает условия, когда намагничивающее поле Я вычитается из синусоидальной намагничивающей силы В. Из рис. 19.11 следует, что одно и то же поле Я может прибавляться к полю А и вычитаться из поля В в соответствии со сдвигом фаз между полями А и В.
При наличии внешнего поля Н срезаются положительные волны поля А, и оно превращается в поле С; в то же время срезаются отрицательные волны поля В, и оно превращается в поле Б (рис. 19.12). Затем после вычитания изменения потока Б из изменения потока С остается некоторый результирующий переменный-магнитный поток, который наводит в общей катушке напряжение, изменяющееся во времени аналогичным образом.
Этот переменный магнитный поток содержит только четные гармоники основной частоты. Выходной сигнал общей катушки можно подвергнуть фильтрации, устраняющей все гармоники по рядка выше второго, и прокалибровать амплитуду второй гар моники в значениях напряженности внешнего поля Я (см. рис. 19.11). Для того чтобы достичь максимальной чувствительности таких измерений, нужно обеспечить тщательную регулировку тока возбуждения. Он должен воздействовать на магнитный материал с прямоугольной петлей гистерезиса так, чтобы макси мумы потока возбуждения были очень близки к «колену» петли гистерезиса, при этом добавление поля Я к полям А и В дает наибольший эффект уплощения волн и обеспечивает максималь ную амплитуду второй гармоники, измеряемой общей катушкой. Амплитуда второй гармоники служит мерой напряженности поля Я, а направление поля характеризуется фазой этой гармоники.
Поскольку невозможно изготовить две абсолютно одинаковые магнитные цепи, в общей катушке всегда будет генерироваться некоторое напряжение второй гармоники. Оно играет роль сме-
324