книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

не только магнитного потока, но и магнитной индукции или напря­ женности магнитного поля.

Индукционные преобразователи используются в приборах для маг­ нитных измерений как в постоянных, так и в переменных полях. В пер­ вом случае изменение потокосцепления исследуемого потока с витками ИК можно осуществить быстрым удалением (выдергиванием) ее из ис­ следуемого поля. При этом изменение потокосцепления за интервал вре­ мени между моментами начала /,, и конца /к удаления ИК будет равно

а при Фк = 0 значение измеряемого потока Фх может быть преобразо­ вано в импульс э. д. с. или импульс тока.

Для получения непрерывного выходного сигнала изменение пото­ косцепления можно осуществить путем непрерывного вращения или вибрации ИК (индукционно-периодические преобразователи).

При равномерном вращении ИК с угловой скоростью о = 2л/ в ней наводится переменная э. д. с., изменяющаяся по синусоидаль­ ному закону:

ех (/) = Ет5Ш со/ = аКшзВх зш а зш со/,

где а — угол между направлением вектора магнитной индукции и осью вращения рамки.

Коэффициент преобразования вращающейся ИК по амплитуде вы­ ходной э. д. с. равен

Ет = Кт5(0.

Вх$ш а

Для устранения влияния на результат преобразования нестабиль­ ности частоты вращения рамки часто размещают на одном валике две идентичные рамки, одна из которых находится в измеряемом поле Вх, а другая — в известном поле Ва. При этом осуществляют компенсацию э. д. с. ех (/) или ее часть известной э. д. с. второй катушки, находя­ щейся в известном поле.

Преобразователи с вращающейся катушкой имеют коэффициент преобразования до несколько сотен вольт на тесла и обеспечивают пре­

образование магнитной индукции от 10-4 до 12 Тл с погрешностью 0,1...0,2 % [41. Недостатком таких преобразователей является нали­ чие двигателя, служащего для обеспечения вращательного движе­ ния ИК.

В преобразователях с вибрирующей ИК наводимая в катушке э. д. с.

равна [41:

е Щ = (йа.тКт$Вхзш (а + ат соз а>()з1п

где ат , © — амплитуда и частота угловых колебаний ИК; а — началь­ ный угол между вектором индукции и нормалью к катушке.

Ка — а>атКи)5-

Если а = 0, то выходная э. д. с. имеет удвоенную частоту:

а2

е (*) = Ю— ■КтзВх31П2©/,

однако, так как ат •— , коэффициент преобразования по второй гармонике

существенно меньше, чем на основной частоте.

Вибрацию ИК можно осуществить, например, с помощью допол­ нительной силовой катушки, жестко связанной с измерительной и воз­ буждаемой переменным током. За счет электродинамического взаимо­ действия тока в силовой катушке с измеряемым полем обе катушки совершают колебательные движения. Вибрацию можно получить также благодаря электродинамическому взаимодействию двух упруго свя­ занных катушек, а также с помощью электрострикционных прибо­ ров [41.

При измерениях параметров переменных магнитных полей приме­ няются, как правило, неподвижные ИК.

Если кривая потока симметрична, то амплитуда наводимой в ИК э. д. с. связана с амплитудой преобразуемого потока Фтх С00ТН0Ш6НИ6М

Ет= (йХУФтх,

а среднее выпрямленное значение э. д. с.

Еср= 4[ъиФтх.

При использовании преобразователей с модуляционным возбужде­ нием для измерений в переменных магнитных полях в целях обеспе­ чения фильтрации полезного сигнала частота модуляции выбирается значительно больше частоты преобразуемого поля (не менее чем на порядок).

При полной идентичности обеих половин феррозонда и отсутствии исследуемого поля э. д. с., наводимая во вторичной обмотке, вслед­ ствие симметрии потоков равна нулю. При наличии измеряемого поля, направленного вдоль стержней, симметрия потоков нарушается (в одном стержне потоки суммируются, а в другом — вычитаются), по­ этому в измерительной обмотке наводится э. д. с. четных гармоник (нечетные вычитаются).

Для выделения полезного сигнала обычно используется фильтр, настроенный на вторую гармонику. В этом случае сигнал на выходе фильтра

ду вектором исследуемого поля и направлением оси феррозонда. Феррозонды являются исключительно чувствительными преобра­

зователями. С их помощью можно измерять индукцию магнитного поля вплоть до Ю-14 Тл с погрешностью 1...2 %.

16.3. Гальваномагнитные преобразователи

Среди всех известных гальваномагнитных эффектов для построе­ ния преобразователей магнитных величин наибольшее распростра­ нение получили эффекты Холла и магнитосопротивления (Гаусса).

Преобразователи Холла. Принцип действия такого преобразовате­ ля основан на использовании одноименного физического явления, за­ ключающегося в появлении поперечной разности потенциалов (э. д. с. Холла) на краях проводящей пластины 1, помещенной в магнитное поле перпендикулярно к вектору магнитной индукции, при условии, что по пластине протекает электрический ток (рис. 16.4).

Возникновение э. д. с. Холла связано с изменением траектории движения носителей заряда под действием сил Лоренца. Под действием этих сил заряды смещаются к боковым граням, вследствие чего на них появляются потенциалы. Э. д. с. Холла пропорциональна как току /, протекающему через пластину, или напряжению I/, приложенному к пластине, так и значению индукции Вх:

ся его чувствительность к изменению магнитной индукции, под кото­ рой понимают значение производной {1ен1йВх при заданном значении тока питания. Она определяется постоянной Холла, геометрическими размерами чувствительного элемента и электродов, а при работе в ре­ жиме заданного напряжения — и значением сопротивления Важ-

ными характеристиками преобразователей Холла являются также до­ пустимые мощность рассеивания, входное и выходное сопротивления, уровень шумов.

Допустимая мощность рассеивания ограничивает ток или напря­ жение питания и определяется коэффициентом теплоотдачи чувстви­ тельного элемента, его геометрическими и электрическими парамет­ рами.

Входное и выходное сопротивления преобразователя Холла являют­ ся приближенно квадратичными функциями индукции.

Уровень напряжения шумов на выходе преобразователя опреде­ ляется в основном характером измерительного тока. Если ток постоян­ ный, то шумы обусловлены термо-э. д. с. и неэквипотенциальностью холловских электродов. Неэквипотенциальность проявляется также и при питании переменным током. Различают напряжения теплового, дробового и избыточного шумов.

Для кристаллических преобразователей напряжение шумов лежит

в пределах 10 8... 10—6В, а для пленочных — в пределах КГ'4...!*)-3 В. Все составляющие выходного шума, а также сопротивление преобразо­ вателя температурозависимы.

Благодаря своей простоте, возможности миниатюрного исполнения, большой универсальности преобразователи Холла нашли широкое применение при измерениях параметров магнитных полей с погреш­ ностью порядка 1...2 %.

Магниторезистивные преобразователи (преобразователи Гаусса). Принцип действия преобразователей Гаусса основан на изменении внутреннего сопротивления полупроводников в магнитном поле вслед­ ствие отклонения траектории движения носителей заряда от ли­ нейной.

Относительное изменение удельного сопротивления полупроводни­ ков с атомной решеткой и одним знаком носителей заряда, которые наиболее часто используются при изготовлении преобразователей Гаус­ са, описывается выражением'

где Лф — коэффициент, который зависит от формы и размеров чувст­ вительного элемента; о — подвижность носителей зарядов. В слабых магнитных полях, когда оВ, < 1, показатель степени п ~ 2; в более сильных полях, для которых оВ* > 1, п лежит в пределах от 1 до 2.

Чувствительность магниторезистивного преобразователя к изме­ нению индукции

$в = пАфьпВх~1

зависит от индукции магнитного поля, материала чувствительного'элемента и его конструкции.

Конструктивно чувствительный элемент преобразователя выпол­ няется трех типов: в виде дисков Корбино (рис. 16.5, с), прямоуголь­ ников (рис. 16.5, б) и меандра (рис. 16.5, в).

В первом случае эффект Гаусса проявляется наиболее полно, ибо при протекании тока через диск в радиальном направлении эффект Холла практически отсутствует. Однако внутреннее сопротивление такого преобразователя незначительно (0.1...1 Ом), а зависимость Др/рр = / (Вх) существенно нелинейна в широком диапазоне измене­ ния индукции (до 0,5...0,6 Тл).

У преобразователей прямоугольной формы, а также в виде меандра вследствие сильновыраженного эффекта Холла магниторезистивный эффект проявляется менее сильно. Однако такие преобразователи имеют более высокое внутреннее сопротивление, достигающее сотен ом, а также более широкий диапазон постоянства чувствительности, начи­ ная с 0,2...0,3 Тл.

Значение Ар/р0 для дисков Корбино из 1пАз достигает 5,5, а из 1п5Ь — 10 при магнитной индукции 1 Тл.

Порог чувствительности преобразователя Гаусса ограничен адди­ тивным шумом на его выходе, который определяется нескомпенсированным остатком термо-э. д. с. и напряжением шумов, которое имеет те же составляющие, что и преобразователи Холла.

Температурный коэффициент сопротивления может достигать зна­ чения 1 %/К и больше. Погрешности преобразователя составляют 1...2 %.

16.4. Квантовые преобразователи

Работа квантовых преобразователей магнитных величин основы­ вается на использовании явления магнитного резонанса. Магнитный резонанс обусловлен взаимодействием микрочастиц (ядер, электронов, атомов, молекул), обладающих магнитным моментом и моментом ко­ личества движения (спином), с внешним магнитным полем. В резуль­ тате этого взаимодействия наблюдается избирательное поглощение или излучение веществом электромагнитных волн определенной ,*лины. Энергетическое состояние микрочастиц, находящихся в магнитном поле, в соответствии с законами квантовой механики, носит дискрет­ ный характер и зависит от ориентации их магнитных моментов относи­ тельно внешнего поля. Изменение ориентации магнитного момента и, в результате этого, изменение энергетического состояния микрочасти­ цы может происходить скачкообразно.

Если на микрочастицу с магнитным моментом М 1 воздействовать

магнитным полем с индукцией Вх (рис. 16.6, а), направленной под не-

которым углом к вектору М (, то будет иметь место непрерывная регу-

лярная прецессия вектора М (

относительно вектора Вх с кру­ говой частотой

где V — частота прецессии; к — постоянная Планка; у — гиро­ магнитное отношение микрочас­ тицы (отношение магнитного мо­ мента к механическому моменту количества движения), значение

(электромагнитных колебаний), можно с высокой точностью опреде­ лить значение индукции магнитного поля.

В веществах, имеющих микрочастицы, которые могут взаимодейст­

вовать с магнитным полем, вследствие хаотической ориентации маг-

—►

нитных моментов отдельных частиц суммарный магнитный момент М равен нулю. Воздействие внешнего поля приводит к ориентации сум­

марного магнитного момента М в единице объема вещества в направ­

лении поля Вх, т. е. к намагниченности / = хр.„В*. Для наблюдения сигнала прецессии необходимо отклонить суммарный магнитный мо­

мент М от направления поля Вх на некоторый угол а, т. е. поляризо­ вать микрочастицы. С этой целью используется поляризующее поле

Нп (рис. 16.6, б).

Поляризацию микрочастиц можно создать различными способами: наложением сильного магнитного поля, облучением вещества электро­ магнитным полем, светом резонансной частоты. В зависимости от того, как осуществляется поляризация во времени непрерывно или дискрет­ но, а значит, в зависимости от характера выходного сигнала, кванто­ вые преобразователи делятся на преобразователи непрерывного и ди­ скретного действия. К первым относятся преобразователи, использую­ щие вынужденную прецессию, а ко вторым — преобразователи, осно­ ванные на свободной прецессии микрочастиц.

В преобразователях, основанных на свободной ядерной прецессии, поляризация осуществляется с помощью кратковременного воздейст­ вия вспомогательного поля, направленного перпендикулярно к изме­ ряемому. При этом поляризующее поле может создаваться с помощью специальной намагничивающей катушки или магнита. Часто прием­ ная катушка выполняет также функции поляризующей, по которой пропускают импульсы тока поляризации.

Если поляризующее поле быстро убрать, то вектор М начинает

—у

прецессировать вокруг вектора Вх. При этом модуль вектора будет

постепенно уменьшаться до значения М 0, определяемого равновесной намагниченностью в измеряемом поле. Частота прецессии определяет­

ся только значением Вх и не зависит от значения Нп. Уменьшение проекции вектора на ось ог осуществляется по экспоненциальному закону с постоянной времени 7\, которая носит название постоянной

времени продольной релаксации. Затухание проекции вектора М на горизонтальную плоскость также носит экспоненциальный характер, только с постоянной времени Тг, которая называется постоянной вре­ мени поперечной релаксации.

Для наблюдения выходного сигнала необходимо, чтобы время по­ ляризации было значительно больше Тг, а время, в течение которого убирается поляризующее поле, было значительно меньше Тг.

Э. д. с., индуктируемая в цилиндрической измерительной катушке

Так как о — уВх, то амплитуда сигнала в катушке пропорциональ­ на индукции измеряемого поля.

С целью уменьшения влияния э. д. с. посторонних помех измери­ тельную катушку преобразователя выполняют астатической, т. е. в виде двух идентичных обмоток, включенных последовательно-встреч­ но. Для той же цели применяют экраны с немагнитного материала с разрезами во избежание возникновения вихревых токов после выклю­ чения поля поляризации.

Преобразователи, основанные на свободной ядерной прецессии, имеют диапазон преобразуемой индукции от 2 10-5 до 10“ 4 Тл и при­

веденную ко входу абсолютную погрешность порядка (1...2) Ю- 9 Тл. Постоянная времени — 0,1...0,2 с [4].

В преобразователях, основанных на вынужденной ядерной или электронной прецессии, поляризация осуществляется воздействием высокочастотного магнитного поля. Вынужденная прецессия большей частью используется в ядерном и электронном резонансе. Условие резонанса наступает при совпадении частоты внешнего возбуждающего генератора с частотой прецессии микрочастиц в измеряемом магнит­ ном поле. Преобразователи этого типа работают следующим образом. Образец с резонирующими ядрами (электронами) помещается внутри катушки, которая питается от внешнего генератора. Частота этого генератора меняется до тех пор, пока не совпадет с частотой прецессии ядер. Высокочастотная энергия, развиваемая катушкой, переводя совокупность микрочастиц в возбужденное состояние, изменяет угол прецессии. Часть энергии катушки поглощается образцом, что при­ водит к изменению добротности катушки и соответственно высокоча­ стотного напряжения на ее концах.

Для наблюдения этого изменения добиваются периодического по­

глощения энергии образцом путем модуляции измеряемой магнитной индукции или частоты генератора.

В преобразователях такого типа в качестве резонирующего веще­ ства применяются ядра лития, водорода и дейтерия.

Амплитудное значение э. д. с., наводимой в длинной цилиндриче­ ской приемной катушке, равно

Ет=^-нКвУУ1уТ\.

Преобразователи, основанные на вынужденной прецессии ядер, применяются обычно для измерения индукции от 0,025 Тл и выше.

Впреобразователях, основанных на оптической «накачке» атомов,

вкачестве рабочего вещества применяются пары щелочных металлов, атомы которых имеют один валентный электрон, и метастабильный гелий (ортогелий), спины двух электронов атомов которого параллель­ ны и направлены в одну сторону.

При облучении атомов в направлении магнитного поля циркулярно поляризованным светом резонансной частоты, соответствующей пере­ ходу атома из основного состояния в возбужденное, происходит опти­ ческое возбуждение атомов, после чего они возвращаются в исходное состояние. Так как обратный переход атомов из возбужденного состоя­ ния в основное состояние обусловлен главным образом тепловыми яв­ лениями и намного медленный по сравнению с временем возбуждения, то в установившемся динамическом режиме в возбужденном состоянии находится больше атомов. Поэтому рабочее вещество вследствие пре­ кращения поглощения света станет более прозрачным, чем в начальный

момент после включения резонансного света.

Наложение внешнего измеряемого переменного магнитного поля резонансной частоты приводит к разрушению преимущественной ориентации атомов (выравнивается населенность подуровней), что отражается в возрастании поглощения света.

При периодическом изменении частоты переменного магнитного поля в пределах ширины резонансной линии поглощения наблюдается модуляция интенсивности светового потока, по которой можно опре­ делить частоту резонансного поглощения.

Указанные преобразователи применяются обычно в диапазоне пре­ образуемой индукции (0,02...0,8) 10—1 Тл, их абсолютная погреш­ ность не превышает 0,5...2 нТл [41.

16.5. Меры магнитных величин

•Единство магнитных измерений основывается на первичных этало­ нах магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента, а также на соответствующих образцовых средствах измерений.

;В области постоянных магнитных полей 10-8...5 10-2 Тл в настояТЦее время используется первичный эталон в виде трех эталонных ка­ тушек. В его состав входят две катушки типа колец Гельмгольца и цилиндрическая катушка с разрывом обмотки в центральной части. Катушки выполнены на кварцевых каркасах. Систематическая погреш­

ность воспроизведения единицы не превышает 0,0004 % при случайной погрешности не более 0,0005 %.

В области постоянных магнитных полей 5 10 2...2 Тл исполь­ зуется специальный эталон, который реализован в виде электромагнита с устройством стабилизации магнитной индукции в зазоре. Система­ тическая погрешность воспроизведения не превышает 0,001 % [211.

В диапазоне 2... 10 Тл магнитная индукция воспроизводится с по­ мощью специального эталона, который реализован в виде сверхпро­ водящей катушки. Данный эталон обеспечивает вопроизведение с по­ грешностью, не превышающей 0,001 % [211.

Государственный первичный эталон единицы магнитного потока создан по типу катушки Кемпбелла. Первичная обмотка катушки со­ стоит из двух одинаковых однослойных цилиндрических поясов (по 100 витков в каждом), соединенных последовательно; вторичная об­ мотка с большим радиусом расположена в плоскости симметрии этих поясов соосно с ними. Взаимная индуктивность катушек рассчиты­ вается по геометрическим размерам. Номинальное значение постоян­

ной эталона 10“ 2 Вб/А с погрешностью не более 0,001 % [211. Первичный эталон магнитного момента выполнен в виде эталонных

катушек, намотанных на кварцевые трубы. Эталон обеспечивает вос­ произведение единицы магнитного момента с погрешностью, не пре­ вышающей 0,05 %.

При поверке и градуировке магнитоизмерительных средств изме­ рения магнитные поля с заданными параметрами создаются с помощью образцовых и рабочих мер магнитного поля. К магнитным мерам от­ носят также и стандартные образцы магнитных материалов и веществ (кривые намагничивания, размагничивания, удельные потери и др.).

Меры магнитной индукции обычно выполняют в виде катушек, обтекаемых электрическим током. Магнитная индукция образцовых мер определяется расчетным путем, исходя из геометрических разме­ ров катушки, вида ее намотки и силы тока. Поскольку индукция маг­ нитного поля в катушке без ферромагнитного сердечника строго про­ порциональна намагничивающему току, вместо диапазона воспроиз­ водимых полей меры обычно характеризуются постоянной индукции по току Кв, которая определяется отношением создаваемой индукции к силе тока в катушке (Тл/А). Постоянные мер невысокой точности определяются обычно экспериментальным путем. Намагничивающие катушки могут быть самыми разнообразными (цилиндрические и спе­ циальной формы, одно-, многослойные и др.).

В области магнитных полей Ю_8...Ю—2 Тл в настоящее время наи­ более широко используются меры магнитной индукции в виде катушек Гельмгольца (рис. 16.7, а). Индукция в центре катушки Гельмгольца радиусом Я с числом витков а> и током I определяется выражением

* ~ 1 У Г * т / - | Ь Ь

Значения индукции таких мер рассчитываются с погрешностями в со­ тые и тысячные доли процента.

Цилиндрические катушки с большим отношением длины к диаметру