4.2. Пондеромоторные преобразователи

Пондеромоторные преобразователи основаны на взаимодействии магнитного поля и рамки, по которой течёт электрический ток. Для повышения чувствительности преобразователя рамку закрепляют на растяжках.

Луч света от источника 1 попадает на зеркальце 2, которое вместе с преобразователем 5 закреплено на растяжке 3. Отразившись от зеркальца, световой «зайчик» попадает на шкалу 4. Если под действием изменившегося магнитного поля происходит поворот рамки с током 5, то это приводит к смещению луча на шкале.

Пондеромоторные преобразователи нашли применение для измерения напряженности магнитного поля в узких зазорах, для контроля железнодорожных рельсов. Порог реагирования 1-10 А/м.

Рис. Пондеромоторный преобразователь

4.3. Феррозондовые преобразователи

Применяют два типа феррозондов (магнитодинамических магнитометров): полемеры и градиентометры. Первые из них служат для измерения напряженности магнитного поля, вторые – градиента. Феррозонды позволяют измерить поля напряженностью от 1 А/ми выше.

Принцип действия микроферрозонда -полемера.Феррозонд состоит из двух полузондов, каждый из которых имеет магнитно - мягкий пермаллоевый сердечник и две обмотки – первичную и вторичную.

Первичная обмотка служит для возбуждения переменного магнитного поля, которое перемагничивает сердечник, а вторичная обмотка–индикаторная.

Рис. Расположение обмоток феррозонда-полемера

Как видно из рисунка, первичные обмотки соединены последовательно, однако рас-

положены так, что создаваемые ими переменные магнитные поля всегда направлены навстречу друг другу. Через Н_обозначим мгновенное значение напряженности магнитного поля. Амплитуда переменного тока, которым питаются первичные обмотки, как правило, выбирается такой, чтобы материал сердечника намагничивался до технического насыщения.

Пусть у сердечника отсутствуют потери от гистерезиса, т.е. магнитная индукция в них равна нулю, когда Н_=0. Такое допущение можно принять, т.к. материал сердечников магнитомягкий (пермаллой, имеющий μmax=50000…100000), а сердечники имеют большое удлинение (длина 2 мм, диаметр – 0,1мм).

Рис. Кривые перемагничивания сердечников микроферрозонда-полемера при напряженности измеряемого поля Н₀ =0

В этом случае петли гистерезиса будут настолько узкие, что их можно принять за линию.

Т.к. вторичные обмотки соединены последовательно и расположены так, что магнитные потоки в них имеют одинаковое направление, то ЭДС во вторичной обмотке феррозонда- полемера приблизительно равна сумме магнитных индукций в сердечниках катушек К1 и К2:

.

Если напряженность поля, в которое помещен микроферрозонд-полемер, равна нулю (Н_-=0), то ЭДС во вторичной обмотке также равна нулю, т.е.e2=0, т.к.(см. формулу выше).

Если же микроферрозонд-полемер поместить в однородное магнитное поле напряженностью Н_, то кривые перемагничивания сердечников переместятся параллельно самим себе на расстоянии |Оа|=|Об|=|Н_{–_}|.

Суммарная индукция В=В₁+В₂уже не будет равна 0 (см. рис. ниже).

Не будет равна нулю и ЭДС во вторичной обмотке.

Рис. Кривые перемагничивания микроферрозонда-полемера (а), находящегося в поле, напряженностью Н_–, характер изменения суммарной индукции в сердечниках(б) и изменение э.д.с. на выходе преобразователя (в)

Если ЭДС во вторичной обмотке микроферрозонда-полемера разложить в ряд Фурье и ограничиться первым членом этого ряда, то можно записать:

, где

Н_ - напряженность измеряемого поля.

– амплитудное значение напряженности переменного поля.

К – постоянный коэффициент, который определяется конструкцией катушки и магнитными характеристиками сердечника.

Если Н_<<, то

Итак, ЭДС во вторичной обмотке микроферрозонда-полемера пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля.

Микроферрозонд-градиентометр.Электрическая схема феррозонда-градиента отличается от феррозонда-полемера тем, что первичная обмотка сделана вторичной.

Т.к. первичные обмотки феррозонда градиентометра включены согласно, то создаваемые ими переменные магнитные поля намагничивают сердечники в одном направлении.

Вторичные обмотки включены встречно, поэтому ЭДС на выходе будет определяться разностью магнитных индукций в сердечниках В₁и В₂.

.

Т.к. первичные намагничивающие поля имеют одинаковое направление, то кривые перемагничивания сердечников в катушках К₁и К₂совпадают (смотри рисунок внизу).

Рис. Расположение обмоток микроферрозонда-градиентометра

Рис. Кривые перемагничивания сердечников микроферрозонда-градиентомера:

-сплошная линия – при напряженности измеряемого поля Н₀ =0;

-пунктирная линия – при Н₀ =Н_–;

1. Если напряженность поля, в которое помещен преобразователь, Н_=0, то e2=0.

2. Если преобразователь помещен в однородное магнитное поле , то кривые перемагничивания сердечников переместятся параллельно самим себе на расстояние |Оа|=|Н_|. ЭДС на выходе преобразователя также будет равна нулю, .т.к. В₁–В₂=0. Т.е.e2=0.

3. Если преобразователь помещен в неоднородное магнитное поле, то кривые перемагничивания сердечников сместятся на неодинаковые расстояния.

Рис. Кривые перемагничивания сердечников микроферрозонда-градиентомера, помещенного в неоднородное поле:

- К₁– кривая перемагничивания сердечника, находящегося в поле, напряженностью Н₁;

- К₂– кривая перемагничивания сердечника, находящегося в поле, напряженностью Н_2.

Разность магнитных индукций в сердечниках уже не будет равна нулю. Не будет равна нулю и ЭДС во вторичной обмотке преобразователя. Разность магнитных индукций в сердечниках уже не будет равна нулю. Не будет равна нулю и ЭДС во вторичной обмотке преобразователя.

Рис. Характер изменения суммарной индукции в сердечниках (б) и изменение э.д.с. на выходе микроферрозонда-градиентометра (в)

Если ЭДС во вторичной обмотке микроферрозонда-градиентометра разложить в ряд Фурье и ограничиться первым членом этого ряда, то получим:

Т.е ЭДС на выходе феррозонда- градиентометра приблизительно равна разности напряженностей магнитных полей, в которых находятся полузонды, т.е. приблизительно равна градиенту напряженности поля.

Коэффициенты А и А^определяются путем градуировки феррозонда в постоянных магнитных полях.

4.4. Преобразователи ХоллаЭффект Холла заключается в появлении ЭДС между противоположными сторонами пластинки, если через неё пропустить токаIи поместить её в магнитное поле. Эффект Холла проявляется в металлах и полупроводниках, однако в полупроводниках ЭДС Холла значительно выше, поэтому в качестве материала для преобразователей Холла используют полупроводники германий, индий и другие. Эффект Холла объясняется действием силы Лоренца (действие магнитного поля на движущийся электрический заряд). ЭДС Холла определяется по формуле (без учета знака):

где Rx– постоянная Холла.

Rxопределяется экспериментально.

Рис. Преобразователь Холла.

Основными достоинствами датчиков Холла являются пропорциональность ЭДС Холла напряженности магнитного поля, малый размер чувствительного элемента преобразователя, возможность измерения как постоянного, так и переменных магнитных полей в широком диапазоне от10 до 10⁷А/м.

Обычно, если измеряют переменные магнитные поля, то преобразователь запитывают постоянным током и наоборот. Размер чувствительного элемента преобразователя может достигать 0,010,01 мм и меньше.