Измерение магнитной индукции

Основными методами измерения являются индукционный метод, метод Холла, метод Гаусса.

1. Индукционный метод. Он основан на законе электромагнитной индукции:

, ψ – потокосцепление с измерительной катушкой, которая является первичным измерительным преобразователем; e – ЭДС, наводимая в измерительной катушке.

Вб – веберметр, прибор для измерения потокосцепления.

ψ=ФW=BWS, Ф – магнитный поток, который пронизывает витки W катушки.

, ,S - сечение катушки, которое пронизывается потоком, B - магнитная индукция, е – э.д.с. на выходе катушки W.

Площадь под кривой е(t) пропорциональна ∆Ф, ∆В.

Особенностью индукционного метода является возможность измерения не абсолютных значений индукции, а её приращений. При этом, в соответствии с законом электромагнитной индукции, изменению электромагнитной индукции соответствует вольт-секундная площадь ЭДС, индуцируемой в данной катушке. Поэтому прибор для измерения приращения магнитной индукции представляет собой интегратор (веберметр- интегратор, который измеряет площадь импульса наведенного в катушке).

Этот метод, благодаря простоте, широко применяется при испытаниях изделий из магнитных материалов. При этом изделие перемагничивается по программе испытаний и в измерительной катушке наводится ЭДС, вольт-секундная площадь которой пропорциональна изменению магнитной индукции.

Простейшая схема веберметра на операционном усилителе:

τ – постоянная нарастания; τ₁ – постоянная убывания; R, R1 - электрические сопротивления; C – электрическая ёмкость; ∆U – напряжение, величина которого пропорциональна изменению магнитной индукции; U_ВЫХ – выходное напряжение; t – время.

Рассмотрим реализацию индукционного метода на примере испытания изделия из магнитного материала. Магнитные свойства магнитного материала характеризуются петлёй гистерезиса, а также начальной и основной кривой намагничивания.

В_m и Н_m – координаты точки, соответствующей насыщению магнитного материала; Н_с – коэрцитивная сила материала (Н_m=(5÷10) Н_с); В_r – остаточная индукция (соответствует нулю напряженности).

Если магнитный материал размагнитить, т.е. прийти в состояние 0, то, при увеличении Н, магнитное состояние будет меняться по начальной кривой намагничивания 1 при достижении точек Н_m, В_m; будем уменьшать Н при этом придем в точку В_r. Изменим знак Н и будем увеличивать модуль Н, при этом последовательно придем в точки -Н_m и -В_m, уменьшаем модуль Н, приходим в точку -В_r. Изменив знак Н последовательно попадем в состояние Н_m и В_m. Этот цикл называется предельной петлей гистерезиса.

Аналогично при меньших значениях Н можно получить частные гистерезисные циклы. Кривая соединяющая вершины частных симметричных гистерезисных циклов называется основной кривой намагничивания 2.

Основная кривая намагничивания в общем случае не совпадает с начальной кривой намагничивания. Пусть необходимо измерить некоторое значение индукции В₁ на предельной петле гистерезиса индукционным методом.

Это можно сделать двумя способами.

Первый способ. Нужно измерить В₁= В_m -∆В₁. Для этого в начале переходят из неизвестного состояния В₁ в В_m и веберметром измеряют ∆В₁. Из В_m переходят в состояние -В_m и измеряют веберметром ∆В₂=2В_m, отсюда В_m =∆В₂ /2, B1=∆B₂/2 - ∆B₁.

Второй способ заключается в переходе из В₁ в состояние -В₁ (симметричная точка). При этом сигнал интегрируется веберметром в течении всего периода и результирующее изменение индукции ∆В₃=2В₁, откуда В₁=∆В₃ /2.

Магнитометрический метод основан на взаимодействии подвижной магнитной стрелки магнитометра и намагниченного образца. По углу отклонения магнитной системы от начального положения определяется магнитный момент М образца, а далее можно подсчитать J, B и H.

Метод отличается высокой точностью и чувствительностью. Предельная погрешность метода имеет порядок десятых долей процента, а порог чувствительности примерно 10^-3... 10^-4 А/м.Высокая чувствительность и точность метода обеспечили ему широкое применение при измерениях слабых МП (например, поля Земли) и для решения некоторых метрологических задач. В области испытаний магнитных материалов вследствие большой сложности метод находит применение только в коэрцитиметрах.

Электродинамический метод. В электродинамическом методе напряженность МП определяется по углу поворота катушки с известным электрическим током, помещенной в измеряемое поле. На этом принципе выполнен, например, прибор типа ИМИ-1, позволяющий измерять поля в пределах от 8·10⁴ до 13·10⁵ А/м с погрешностью не более 4 %. Достоинство метода состоит в том, что шкала указателя может быть отградуирована непосредственно в единицах измеряемой величины (напряженности МП или магнитной индукции). Основным недостатком электродинамического метода является малая точность и чувствительность.

Метод, основанный на эффекте Холла, позволяет непосредственно измерять напряженность как постоянного, так и переменного МП. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему МП. Преобразователь Холла (ПХ) представляет собой пластину из полупроводникового материала, по четырем сторонам которой расположено четыре контакта, два из них называются токовыми, а два выходными или измерительными (иногда эти контакты называют холловскими).

е_x =F(B,I,G)

Для изготовления магниточувствительных элементов (МЧЭ) ПХ наиболее широко используются: кремний (Si), германий (Ge), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), арсенид галлия (GaAs), т.е. полупроводниковые материалы, обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла. Известно также применение для этих целей пластин и тонких пленок из селенистой ртути (HgSe) и теллуристой ртути (HgTe), а также висмута (Bi). В последние годы некоторые фирмы ведут работы по использованию тройных соединений типа «кадмий–ртуть–теллур» (Cd_xHg_xTe_х). Преобразователи на основе указанных соединений работают в интервале температур от комнатных до гелиевых и могут быть изготовлены с использованием любой современной технологии микроэлектроники: полупроводниковой биполярной и эпипланарной, пленочной, метал-оксид-полупроводниковой и др. Наибольшее распространение получили кристаллические и пленочные МЧЭ. Конструктивно ПХ могут быть выполнены как в виде дискретных элементов, так и в виде полупроводниковых структур, расположенных в кристалле полупроводникового материала, в том числе и вместе с электронной схемой усиления и обработки сигнала ПХ. Не существует единой универсальной конструкции, приемлемой для всех случаев технического использования преобразователей, но наибольшее распространение получили четыре вида конструкций, которые условно можно именовать бескорпусной, бескорпусной на подложке, бескорпусной на подложке с использованием концентратора МП и корпусной. Из новейших образцов ПХ можно отметить ПХ типа HS-100 с максимальной толщиной 0,3 мм, разработанный фирмой Bell Technologies (США).

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основывается на использовании внутриатомных явлений. Ядро атома, обладающее собственным магнитным моментом М и механическим моментом J, согласно квантовой механики, может принимать в МП H лишь определенные ориентации, число которых равно (2 J + 1). В ядре атома водорода J =1/2 и число ориентаций равно двум. Одна из них соответствует параллельному, а вторая – антипараллельному расположению поля и магнитного момента. Каждая ориентация обладает вполне определенной энергией.

Для измерения Н по методу ЯМР ядросодержащий образец в виде ампулы, заполненной соответствующим веществом (при использовании протонного резонанса – дистиллированной водой), помещается в измеряемое поле Н. Образец охватывается обмоткой, питаемой от высокочастотного генератора, частота которого известна и может плавно изменяться. Точность измерений определяется точностью фиксирования момента резонанса и измерения резонансной частоты. Измерители напряженности МП, основанные на явлении ЯМР, обладают погрешностью от 0,02 до 0,005 %. Следует также отметить, что метод основан на использовании универсальной постоянной (гиромагнитного отношения), поэтому результат измерения практически не зависит от внешних причин. Это придает методу исключительную метрологическую ценность. Диапазон измеряемых полей преобразователей напряженности МП, выполненных на эффекте ЯМР, составляет 4·10³ ... 2·10⁶ А/м.

Отечественной промышленностью выпускаются приборы типа ИМИ-2 с пределами измерений 2·10⁴ ... 2·10⁶ А/м с погрешностью, не превышающей 0,01 %, при условии, что в объеме образца неоднородность не выше 0,02 %.

Мостовой метод применяется для определения магнитных характеристик магнитномягких материалов на переменном токе в широком диапазоне частот: от 50 Гцдо 200 МГцв слабых полях. Сущность мостового метода заключается в том, что намагничивающая обмотка образца включается в одно из плеч моста переменного тока. В одну из диагоналей моста включают источник тока, а в другую – нулевой индикатор, настроенный на первую гармонику частоты намагничивания, затем мост уравновешивают, путем изменения параметров двух переменных элементов, включенных в остальные плечи моста, после чего по уравнению равновесия моста рассчитывают параметры эквивалентной схемы замещения испытуемого образца. Примером мостовой установки, предназначенной для измерения магнитных свойств материалов, может служить установка типа У520. Установка позволяет производить измерения в двух режимах (синусоидальной магнитной индукции или синусоидальной напряженности МП). В режиме синусоидальной напряженности МП измерения могут производиться в полях от 0,8 до 80 А/м. Максимальные значения магнитной индукции в образце (при измерениях в режиме синусоидальной магнитной индукции) соответствуют 60... 80 % магнитной индукции насыщения. Особенно широко мостовые методы применяют при определении магнитных характеристик на высоких частотах, для таких материалов, как ферриты, магнитодиэлектрики и пермаллои микронного проката.

Осциллографический метод. Идея осциллографического метода состоит в следующем. На образец наматывают намагничивающую обмотку w_н и обмотку для измерения магнитной индукции w_и. На горизонтальные пластины электронного осциллографа подают напряжение, пропорциональное намагничивающему току, с сопротивления, включенного в цепь последовательно. При этом мгновенное значение напряжения на горизонтальных пластинах пропорционально мгновенному значению намагничивающего поля. На вертикальные пластины подают напряжение с конденсатора, включенного последовательно с обмоткой w_ии резистора, включенного параллельно. В результате сложения отклонений по горизонтали и вертикали электронный луч будет описывать кривую, изображающую в некоторых масштабах динамическую петлю гистерезиса.

Он обладает исключительной наглядностью и может быть использован в широком частотном диапазоне. Однако большим недостатком метода является его малая точность. Погрешность измерений магнитной индукции и напряженности этим методом оцениваются величиной порядка 7 – 10 %.

Поиск по сайту: