Меню

Измерение магнитного момента прибор



Магнитометры: что это такое, виды, советы по выбору и эксплуатации

Существует большое количество измерительных приборов. Некоторые из них измеряют то, что невозможно увидеть или потрогать руками. Ярким примером таких устройств как раз и является магнитометр.

Что это такое?

Как следует уже из самого названия, магнитометр – это прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств отдельных материалов. В зависимости от того изменения показателей какого рода фиксирует устройство, его могут называть следующими терминами:

  • эрстедметр (меряет напряженность поля);
  • градиентометр (определяет полевой градиент);
  • тесламетр (показывает индукцию);
  • веберметр (определяет магнитный поток);
  • инклинатор или деклинатор (устанавливает направление поля);
  • коэрцитиметр (показывает коэрцитивную силу).

Когда работают мю-метры и каппа-метры, можно выяснить соответственно магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость. А также существуют приборы для фиксации магнитного момента. Но есть и более узкое определение магнитометров – это аппараты, замеряющие напряженность, градиент и направление поля. Определение необходимых параметров производится различными способами.

Необходимо учитывать, что одни приборы фиксируют абсолютные значения полевых характеристик, а другие отражают изменение поля с течением времени или в разных точках пространства.

Принцип работы

Схема магнитометра может сильно отличаться, но в любом случае он работает по одной и той же методике. Магнитное поле может быть охарактеризовано следующим:

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

Но есть еще одна важная характеристика магнитного поля – магнитная индукция. По направлению ее вектора определяется направление силы, воздействующей на северный полюс магнита. Чтобы понять, как все это работает, полезно рассмотреть устройство магнитометрического датчика HMC5883L от Honeywell. Меняющийся коэффициент усиления влияет на восприимчивость датчика. Для считывания данных предусмотрено 12 регистров с разрядностью 8.

Регистр режима задает основной сценарий действия: непрерывное измерение либо разовый замер и переход в режим ожидания. Если запрос идет не программно, а аппаратно, используется дублирование данных через вывод DRDY. Но не все так просто – требуется учитывать не только показания датчиков, но и воздействия на них различных помех.

Если проигнорировать этот момент, может оказаться так, что модуль сбился и измеряет совсем не то, что нужно.

Предположим, требуется произвести измерения удельной намагниченности насыщения. Образец, который нужно исследовать, и постоянный магнит крепятся на тонком стержне, соединенном с вибрационным узлом. Колебания стержня могут происходить с различной частотой, но в любом случае под углом 90 градусов к полю, создаваемому электромагнитом. Радиотехнические компоненты системы призваны усиливать, очищать и эффективно обрабатывать сигнал. Когда постоянный магнит и образец колеблются, появляется электродвижущая сила в особых катушках. Сами катушки позиционируют по отношению к постоянному магниту так, чтобы на их положение не влияли вибрационные колебания.

Но описанное устройство, как нетрудно понять по некоторым моментам, может применяться преимущественно в лабораторных условиях. Возможности его использования «в поле» существенно ограничены. Для полевых измерений предназначены уже совершенно другие магнитометры, которые не требуют изготовления и выделения образцов. Как именно работает такая техника – коммерческая тайна производителей. В любом случае, нужно ли производить измерения остаточной намагниченности или делать что-то еще, важно знать алгоритм калибровки методом наименьших квадратов.

Максимально упрощенно излагая суть этого метода (основанного на высшей математике), можно указать, что он подразумевает подбор функции, дающей значения, максимально близкие к полученным по итогам эксперимента. Сумма квадратов отклонений во всех критических важных точках должна быть как можно меньшей, в идеале – сведенной к нулю. Обязательным условием для применения такого алгоритма является знание вектора магнитного поля земли. Если же вернуться к математической стороне дела, то можно сказать, что тут нужны линейные преобразования матриц в трехмерном пространстве. А отсюда следует, что придется использовать показания по трем осям сразу.

Немного отстранившись от всей этой зауми, можно разобраться, как действует магнитометр на основе тонкопленочных магниторезисторов. Такая техника выпускается ведущими иностранными фирмами. Магниторезисторы обычно размещают на одной кремниевой подложке и соединяют мостовым способом.

Поскольку сопротивление резисторов сложно подогнать при производстве, нельзя игнорировать напряжение смещения. Параметры датчиков очень сильно зависят от фактической температуры.

Разновидности

Если отталкиваться от организации работы, нетрудно заметить различие съемочных и поисковых магнитометров. Для съемки применяют приборы, строящие геофизическую карту магнитного поля. Так как величина объекта, который интересует геологов, может составлять от 100 м до нескольких сотен км, шаг измерения тоже сильно отличается. Но в археологии (даже «черной») и в кладоискательстве такие параметры неприемлемы. Сканирование пространства по точкам не дает никакой информации о том, что находится между ними.

Сближение точек (с шагом 0,5 м, к примеру), делает работу излишне утомительной – и все равно остается риск «просмотреть» самые интересные объекты. Съемочные протонные магнитометры не предназначаются для работы на ходу. Между нажатием кнопки и прорисовкой на экране обнаруживающейся картины проходит 2–10 секунд, в зависимости от модификации и условий съемки. Можно, конечно, возвращаться и много раз проходить одни и те же места, но это сильно усложняет работу. Наконец, точность съемки на ходу обязательно упадет, по сравнению со штатным режимом.

Читайте также:  Тут единица измерения что это такое

Стоит учесть и еще один нюанс: магнитометр протонного типа неспособен указать, в какую сторону рыть яму и нужно ли ее углублять, чтобы вырыть нужный объект. Полноценный прибор для археологических и кладоискательских работ должен действовать так же непрерывно, как миноискатель или металлоискатель. Поэтому подходящим выбором становятся градиентные магнитометры иностранного производства. Их датчики невелики и не подвержены воздействию слишком сильных «сбивающих» полей.

Возвращаясь к протонным устройствам, нужно указать, что они работают за счет измерения частоты прецессии ядер протонов (зависящей исключительно от внешнего магнетизма). Квантовые приспособления действуют иначе – они основаны на эффекте Зеемана. Этот эффект состоит в том, что атомы испаренных частиц металла, оказавшись в магнитном поле, особым образом реагируют на поляризованный монохроматический луч света. При таком освещении атомы переходят на более высокий энергетический уровень. Феррозондовый магнитометр имеет в качестве основного узла электрическую катушку, сердечник которой изготовлен из магнитомягкого материала. Катушка, получающая электрический ток, и есть искомый феррозонд.

Индукционный магнитометр, как нетрудно понять, работает за счет электромагнитной индукции. Пассивный индукционный прибор отличается тем, что ЭДС в катушке появляется под действием внешнего магнетизма. Активное же устройство работает иначе: на возбуждающую обмотку подается импульс переменного тока. Переменная катушка насыщается наведенной ЭДС. Четные гармоники образующегося поля пропорциональны продольной составляющей внешнего поля.

Кварцевый тип магнитометров появился еще в 1940-е годы. Основной особенностью устройства является то, что магнитный блок подвешивается на кварцевой нити. Это надежная и совершенная техника, которую продолжают применять даже при геомагнитных исследованиях и в наши дни. Иначе устроен вибрационный цифровой магнитометр, который способен учесть влияние на магнитные свойства исследуемых объектов не только изменений внешнего магнетизма, но и колебаний температуры.

Сегодня усовершенствование вибрационных магнетометров направлено на упрощение смены образца и снижение риска поломки прибора при этой операции.

Модели

Рассмотрим подробнее известные модели магнитометров.

  • Внимания заслуживает трехкомпонентный малогабаритный МТМ-01. Это устройство не поможет особо кладоискателям, зато способно определить опасные для человека природные магнитные поля. А также он позиционируется как средство определения эффективности магнитных экранов и других средств защиты.

Его можно применять при обследовании трансформаторов и других электрических установок.

  • МФ-24 ФМ относится к другой категории — это микротесламетр-градиентометр. Он определяет, каково качество размагничивания различных деталей и элементов после сварочных работ. Может быть дана характеристика деталям, подвергнутым магнитным методам неразрушающего контроля.

Коммунальные службы с его помощью определяют намагниченность счетчиков, также устройство применяется в судостроении, авиастроении и других ответственных отраслях.

  • ИМАГ 400-Ц – магнитометр, предназначенный для контроля намагниченности металла в ходе магнитопорошковой дефектоскопии. Производитель гарантирует наработку на отказ не менее 5000 часов.

  • Очень хорошие позиции занимает и магнитометр дефектоскопический 23-ИМ. Этот аппарат используется в дефектоскопии ферромагнитных изделий. Дополнительной областью его применения является определение уровня промышленных магнитных помех. Вместе с батареей масса устройства не превышает 0,15 кг.

  • А вот магнитометр-градиентометр «Магнум» – как раз тот аппарат, который нужен поисковикам, кладоискателям. Он сумеет обнаружить и мелкие вещи, и большую военную технику. Гарантируется работа при суровом морозе. В последних версиях повышена надежность кабеля.

  • Если нужно использовать магнитометр сразу в нескольких делах, подойдет универсальный «Техномаг». Он измеряет остаточную намагниченность и находит локальные полюса, контролирует намагничивание.

Область применения

Магнитометры на практике применяются для поиска металла, в том числе и кладов в полевых условиях. Никакие георадары, не говоря уже о более простых приборах электроразведки, с ними не сравнятся. Все дело в том, что испускаемый теми же георадарами сигнал гаснет на три порядка быстрее. Именно поэтому как раз магнитометры используют в поиске следующих элементов:

  • затонувшие корабли и подводные лодки;
  • боевая техника на полях былых сражений;
  • старинные железные предметы.

Но магнитометр ищет не только металл. Он способен определять остаточные части фундаментов и стены, другие части построек. Кирпич, глина, камень тоже имеют намагниченность, хотя и меньшую, чем сталь. Кроме того, преград для магнитного сканирования нет. Оно «игнорирует» почву и растительность, твердый камень и рыхлый лед, воду и посторонние предметы.

Единственным минусом можно считать избирательность сканирования. Кладоискатели, а отчасти и археологи (хоть и по разным причинам), особо интересуются цветными, драгоценными металлами, ювелирными украшениями – а как раз эти предметы магнитометр не отыщет. Многие люди изготавливают магнитное поисковое оборудование сами на базе микроконтроллера. И оно работает не хуже, чем промышленные образцы. Для обсерватории магнитометры важны способностью определять начинающиеся магнитные бури и измерять их интенсивность.

Но магнитные измерения нужны не только в металлоискателе и вообще на земле. Они требуются и авиационному транспорту. Вернее, не всем воздушным судам, а силам противолодочной обороны. Помимо чувствительности самого аппарата, на эффективность его применения влияют свойства субмарин и условия работы.

При правильном использовании получается ничуть не хуже, чем у калиевого манометра тонкой структуры.

Как выбрать?

Необходимую точность прибора каждый конкретный пользователь определяет «под себя». Когда появится необходимый опыт, можно будет уже заранее подбирать аппарат для определенной задачи или экспедиции. В любом случае рядовым кладоискателям нет смысла приобретать устройства, которые выводят информацию только на дисплей и на магнитный носитель данных. Так устроены аппараты для съемки больших площадей при серьезных экспедиционных изысканиях. Пользоваться ими «в поле» невозможно – собрать и проанализировать данные получится только при помощи специалистов с дополнительной аппаратурой. Поэтому такой техникой пользуются преимущественно геологи и геофизики.

Читайте также:  Мегаомметр схема подключения измерений

Очень хорошо, если есть световая и звуковая индикация. Они позволяют прямо на месте определять аномалии, их структуру, оценивать перспективность каждой находки. Простые ручные металлодетекторы удовлетворяют этому требованию, но для поиска на большей глубине надо применять градиентометры.

Конечно же, надо внимательно изучать отзывы прежних потребителей.

Еще больше информации о протонном магнитометре смотрите в следующем видео.

Источник

МАГНИТО́МЕТР

  • В книжной версии

    Том 18. Москва, 2011, стр. 392-393

    Скопировать библиографическую ссылку:

    МАГНИТО́МЕТР, при­бор для из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик маг­нит­но­го по­ля и маг­нит­ных свойств объ­ек­тов и ма­те­риа­лов. Не­ко­то­рые М. име­ют спец. на­зва­ния в за­ви­си­мо­сти от из­ме­ряе­мой ве­ли­чи­ны: эр­стед­мет­ры из­ме­ря­ют на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, гра­ди­ен­то­мет­ры и ва­рио­мет­ры – из­ме­не­ния на­пря­жён­но­сти в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, инк­ли­на­то­ры и дек­ли­на­то­ры – на­прав­ле­ние век­то­ра на­пря­жён­но­сти, тес­ла­мет­ры – ве­ли­чи­ну маг­нит­ной ин­дук­ции. М. из­ме­ря­ют так­же сле­дую­щие ха­рак­те­ри­сти­ки объ­ек­тов и ма­те­риа­лов: маг­нит­ную про­ни­цае­мость и маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость (мю-мет­ры и кап­па-мет­ры), ко­эр­ци­тив­ную си­лу (ко­эр­ци­ти­мет­ры), по­ток маг­нит­ной ин­дук­ции (ве­бер­мет­ры или флюкс­мет­ры), маг­нит­ный мо­мент, кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния, по­те­ри на гис­те­ре­зис и др. Час­то маг­ни­то­мет­рич. дат­чи­ки ис­поль­зу­ют­ся при кос­вен­ных из­ме­ре­ни­ях не­маг­нит­ных ве­ли­чин.

    Источник

    Магнитометр

    Магнитометр — (от греч. magnetis — магнит и… метр), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента. Магнитометры градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (Эрстед, мЭ, мкЭ, гамма = 10 5 Э) и в единицах магнитной индукции СИ (Тесла, мкТл, нТл). Магнитометры.

    • в геологии, при поиске полезных ископаемых,
    • в археологии, при археологических раскопках,
    • в астрофизике, при исследовании орбитыпланет.
    • в навигации на море, космосе и авиации.
    • в биологии и медицине.
    • в сейсмологии (предсказании землетрясений).

    Содержание

    Типы магнитометров

    Магнитостатические магнитометры

    (механический магнитометр) основаны на измерении механического момента , действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле ; , где — магнитный момент индикаторного магнита. Момент в магнитометрах различной конструкции сравнивается:

      с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G

    1 нтл)
    с моментом силы тяжести (магнитные весы с G

    нтл)

  • с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле , можно измерить абсолютную величину (абсолютный метод Гаусса).
  • Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

    Индукционные магнитометры

    Основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока . Изменение потока в катушке может быть связано:

      с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры — индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G

    вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G

    вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G

    вб/деление и другие.
    с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле (рис. 2); простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G

    тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G

    0,1—1 нтл.
    с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу ферромодуляционные [1] магнитометры имеют G

    Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д.

    • Вибрационный магнитометр
    • Флюксметр
    • Феррозондовый магнитометр.

    Квантовые магнитометры

    Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). Для наблюдения зависимости частоты прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости измеряемого поля (, где — магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопический магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнитометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой и др. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнитохимии (G до нтл). Значительно меньшую чувствительность (G

    тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей.

    Чувствительность квантового магнитометра определяется следующим соотношением [2] :

    где константа, — ширина спектральной линии, — гиромагнитное отношение и — отношение сигнал/шум. Чувствительность не зависит от ларморовой частоты. Магнитометры Оверхаузена, ларморова частота которых равна 0.042 Гц/нТл, цезиевый и гелиевый-4 магнитометры с 3.5 Гц/нТл и 28 Гц/нТл, соответственно, имеют одинаковую чувствительность. Ширина спектральной линиии для разных квантовых магнитометров приведена в таблице.

    Сравнение магнитометров

    Таблица 1, Ширина линии магнитного резонанса в различных магнитометрах

    Тип магнитометра Ширина резонансной линии, , нТл
    Цезий
    Гелий 3
    Гелий 4
    Оверхаузен
    Калий
    Протон

    Применение магнитометров в медицине

    Таблица 2, Общая характеристика магнитных полей в биологии [3]

    Величина магнитного поля, Тл Источники и оценка магнитометра Тип магнитометра
    Предельно допустимое поле на рабочем месте
    Геомагнитное поле Холловский датчик
    Городские магнитные помехи, Феррозонд
    Порог магнитобиологических реакций Феррозонд
    Сигнал электрического органа рыб, геомагнитный шум, сердце, ферромагнитные включения Индукционный
    Мышцы скелетные, глаз Магнитометр с оптической накачкой
    Фоновая и вызванная активность мозга Магнитометр с оптической накачкой
    Клетчатка глаза Магнитометр с оптической накачкой
    Чувствительность СКВИДА СКВИД

    Калибровка магнитометров

    Некоторые факты развития магнитометрии в России

    Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса [источник не указан 846 дней] . Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитной обсерватории была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

    В 1956 году на советской шхуне «Заря» проводятся измерения магнитного поля. Все материалы и предметы корабельного хозяйства на этой шхуне были изготовлены из дерева и немагнитных сплавов, влияние магнитных полей моторов и другого оборудования минимизировано. В настоящее время весь Земной шар покрыт сетью пунктов где производят магнитные измерения (Например международная сеть магнитометрических станций INTERMAGNET (укр.) русск. ).

    В 1934 г. впервые в мире советский географ А. А. Логачев сконструировал прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолета. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли и в ней возникает электрический ток. Сила этого тока изменяется пропорционально изменению магнитного поля Земли. [источник не указан 846 дней]

    См. также

    Примечания

    1. Магнитометр — статья из Физической энциклопедии
    2. Magnetometer Magnetometers Geophysics Magnetic Field Sensors Gradiometer Gradiometers
    3. Ю.А.Холодов, А.Н.Козлов, А.М. Горбачь, «Магнитные поля биологических объектов», Москва, «Наука», 1987 г.

    Ссылки

    • NIST chip-scale atomic magnitometer project. Архивировано из первоисточника 14 марта 2012.
    • Протонный пешеходный магнитометр http://deepgeotech.com
    • Магнитометр — статья из Большой советской энциклопедии
    • Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972;

    Wikimedia Foundation . 2010 .

    Смотреть что такое «Магнитометр» в других словарях:

    магнитометр — магнитометр … Орфографический словарь-справочник

    МАГНИТОМЕТР — (от лат. magnes магнит, и гр. metreo меряю). Снаряд для измерения магнитных отклонений. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. МАГНИТОМЕТР изобретенный Гауссом снаряд для точного измерения малейших… … Словарь иностранных слов русского языка

    магнитометр — Прибор для измерения модуля полного вектора магнитной индукции или его составляющих [ГОСТ 24284 80] магнитометр Прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ или магнитных материалов. [РД 01.120.00 КТН 228 06]… … Справочник технического переводчика

    МАГНИТОМЕТР — прибор для измерения хар к магнитного поля и магн. св в физ. объектов. М. различают по назначению, принципу действия и условиям эксплуатации. При классификации по назначению выделяют две группы М. К первой, наиболее разветвлённой, относят приборы … Физическая энциклопедия

    МАГНИТОМЕТР — прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств физических объектов. Магнитометры подразделяются на магнитостатические, магнитодинамические, электромагнитные, индукционные, квантовые (сверхпроводящие). По назначению… … Большой Энциклопедический словарь

    МАГНИТОМЕТР — МАГНИТОМЕТР, прибор для измерения силы МАГНИТНОГО ПОЛЯ. Обычно он состоит из короткого магнитного бруска с немагнитной стрелкой, закрепленной в центре таким образом, что она находится под прямым углом к оси магнита. Магнит закреплен подобно… … Научно-технический энциклопедический словарь

    Магнитометр — (a. magnetometer; н. Magnetometer; ф. magnetometre; и. magneto metro) прибор для измерения характеристик магнитных полей и магнитных свойств веществ (в т.ч. горн. пород). M. используют для измерения напряжённости (A/м) или индукции… … Геологическая энциклопедия

    магнитометр — сущ., кол во синонимов: 5 • авиамагнитометр (1) • аэромагнитометр (1) • инклинатор … Словарь синонимов

    Магнитометр — (от греч. magnetis магнит и . метр) прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля… … Большая советская энциклопедия

    магнитометр — 3.1.11 магнитометр: Средство измерения параметров магнитного поля напряженности (индукции), направления и градиента. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

    Источник