Магнитометр

Оглавление

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.

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.

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.

Феррозондовые векторные магнитометры

Одним из видов магнитометров являются феррозонды. Феррозонд был изобретен Фридрихом Фёрстером (Friedrich Förster)
в 1937 году и служит для определения вектора индукции магнитного поля.

Прочитать о моем прототипе феррозондового магнитометра можно здесь.

Конструкция феррозонда

одностержневой феррозонд

Простейший феррозонд состоит из пермаллоевого стержня, на котором размещена катушка возбуждения ((drive coil), питаемая переменным током, и измерительная катушка (detector coil).

Пермаллой — сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и 45-82 % никеля. Пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью (максимальная относительная магнитная проницаемость ~100 000) и малой коэрцитивной силой. Популярной маркой пермаллоя для изготовления феррозондов является 80НХС — 80 % никеля + хром и кремний с индукцией насыщения 0,65-0,75 Тл, применяется для сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей и реле, работающих в слабых полях магнитных экранов, для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле, для сердечников магнитных головок.
Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности поля для некоторых сортов пермаллоя имеет вид —

Некоторые факты развития магнитометрии в России

Русский учёный 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 2970 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  г. впервые в мире советский географ А. А. Логачев сконструировал прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолёта. 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 2970 дней]

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.

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.

Еще больше информации о протонном магнитометре смотрите в следующем видео.

Настройка магнитометров

Для тестирования феррозонда можно использовать катушки Гельмгольца. Катушки Гельмгольца используются для получения практически однородного магнитного поля. В идеальном случае они представляют собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой последовательно и расположенных на расстоянии радиуса витка друг от друга. Обычно катушки Гельмгольца состоят из двух катушек, на которых намотано некоторое количество витков, причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса. В реальных системах толщина катушек может быть сравнима с их радиусом. Таким образом, можно считать системой колец Гельмгольца две соосно расположенных одинаковых катушки, расстояние между центрами которых приблизительно равно их среднему радиусу. Такую систему катушек называют также расщепленный соленоид (split solenoid).

В центре системы имеется зона однородного магнитного поля (магнитное поле в центре системы в объеме 1/3 радиуса колец однородно в пределах 1%), что может быть использовано для измерительных целей, для калибровки датчиков магнитной индукции и т. д.

Магнитная индукция в центре системы определяется как $B = \mu _0\,{\left ( {4\over 5}\right) }^{3/2} \, {IN\over R}$,
где $N$ – число витков в каждой катушке, $I$ – ток через катушки, $R$ – средний радиус катушки.

Также катушки Гельмгольца могут быть использованы для экранирования магнитного поля Земли. Для этого лучше всего использовать три взаимно перпендикулярные пары колец, тогда не имеет значения их ориентация.

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.

Феррозондовый магнитометр-градиентометр Магнум решает следующие задачи:

Обнаружение железных, стальных и содержащих железные элементы предметов на значительных глубинах под слоем грунта, воды, льда, бетона т .д. Глубина обнаружения возрастает с увеличением массы железа (см. Фотогалерею, а также раздел «Полевые испытания магнитометра-градиентометра Магнум»). При непосредственных полевых испытаниях магнитометр Магнум демонстрирует следующие результаты:

Каски времён Великой Отечественной войны – 1,6 – 2,2 метра ;

Магазины  к зенитному орудию – 2,3 – 2,5 метра;
Обрезок трубы длин. 1 метр, диам. 70 мм (имитация стрелкового оружия) – 2,5-4,5 метра;

Легковой автомобиль 1000—2000 кг – 5-12 метров;

Танк – 12-20 метров (см. “Фотогаллерея“).

Глубина обнаружения зависит от намагниченности стали (её марки), массы и формы объекта.
При стандартных археологических исследованиях обнаруживаются погребённые фундаменты, пустоты, очаги, печи и др. (см. статью «Магниторазведка в археологии: Как это делается?»)...

Феррозондовый магнитометр-градиентометр Магнум

Магнитометр – градиентометр Магнум разработан как специализированный поисковый прибор, предназначенный для оперативного исследования значительных по площади участков в максимально сжатые сроки. Эта специфика нашла своё отражение в ряде особенностей, отличающих его от стандартных магнитометров и градиентометров:

  • первая, и главная особенность – постоянный поток информации о магнитном поле по линии движения. В обычных, съёмочных, магнитометрах измерения выполняются по точкам, с обязательной остановкой и фиксацией (хотя бы в памяти оператора) 5-разрядного значения магнитного поля. Это сделано для удобства построения карт магнитного поля по площади исследования при решении геологических задач, которые при поисковых работах не строятся.

    Но магнитометр-градиентометр Магнум – узкоспециализированный поисковый прибор и сконструирован так, что позволяет двигаться по маршруту без остановок с любой скоростью, получая при этом непрерывный поток информации;

  • в Магнуме предусмотрены простые удобные виды регистрации магнитного поля – световая, в виде меняющей цвет и длину линейки светодиодов и дублирующая её звуковая, меняющая громкость и тон звука;
  • применение современной элементной базы позволило снизить вес прибора в несколько раз относительно стандартных магнитометров: вес Магнума не превышает 1,5 кг.
  • питание прибора – от 6 пальчиковых аккумуляторов типа АА, встроенных в электронный блок. Ресурс работы полностью заряженных аккумуляторов не менее 12 часов.
  • зарядка аккумуляторов либо от адаптера через сеть 220 В, либо от бортсети автомобиля. Также предусмотрена возможность питания прибора от любого внешнего источника с напряжением 9-15 В.

Феррозондовый магнитометр-градиентометр «Магнум»

Ещё видео о магнитометрах

Квантовые скалярные магнитометры

Другим видов магнитометров являются устройства, основанные на квантовых эффектах.

Протонные магнитометры

Наиболее популярные из квантовых магнитометров — протонные магнитометры (proton precession magnetometer, PPM), в которых используется явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Отличием такого магнитометра от феррозонда является то, что он измеряет только модуль магнитной индукции.
В Физической энциклопедии. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 приведена схема протонного магнитометра -
В протонных магнитометрах сосуд с богатой протонами жидкостью (дистилированная вода, керосин, этиловый спирт) помещают внутрь катушки. Протоны (ядра атомов водорода) ведут себя как микроскопические магниты. По катушке пропускается постоянный ток силой до нескольких ампер, создающий магнитное поле с индукцией около 10 мТл, которое вызывает поляризацию магнитов-протонов в жидкости, и направленное приблизительно перпендикулярно измеряемому магнитному полю. Если затем ток в катушке резко выключить, то магнитное поле, создававшееся этим током, тоже исчезнет, и оси вращения протонов вернутся в свое исходное положение, но это возвращение будет сопровождаться в течение нескольких секунд (время релаксации) прецессией этих осей (ларморовская прецессия) —
При этом в катушке возникает очень слабая (единицы микровольт) затухающая синусоидальная ЭДС с частотой прецессии (ларморовская частота, Larmor frequency), которая зависит от индукции измеряемого магнитного поля -  $f = {B\over 23,4875}$ ,
где $f$ — частота, Гц; $B$ — индукция измеряемого магнитного поля, нТл.
Коэффициент 23,4875 равен $2\pi L\over M$, где
$L$ — угловой момент протона,  $M$ — магнитный момент протона. Он является обратной величиной от Proton Gyromagnetic Ratio = 0,042576 Гц/нТл.
Для измерения частоты прецессии индукционную катушку через усилитель подключают к частотомеру. Чувствительность такого магнитометра может достигать 10 пТл.
Этот используемый многими геофизиками и любителями метод получил название Varian-Packard по фамилиям ученых, опубликовавших статью Packard M., Varian R., Free Nuclear Induction in the Earth's magnetic field, Phys.Rev. 93, 941 (1954), и известен с 1950-х годов.
Недостатки протонных магнитометров —

  • требуется очень точное измерение частоты (с точностью до 0,04 Гц для частоты в тысячи Гц) для очень слабого сигнала (единицы микровольт);
  • подверженность внешним электромагнитным помехам, например, от электропроводки, поэтому протонные магнитометры не эксплуатируются внутри зданий и сооружений.

В Большой Советской Энциклопедии приведена схема протонного магнитометра с двумя катушками -
L — катушка, создающая вспомогательное намагничивающее поле H;
П — катушка, в которой возникает ЭДС, обусловленная прецессией ядерных моментов вокруг измеряемого магнитного поля Н;
У — усилитель сигнала;
Ч — частотомер.
Постройка низкобюджетного и эффективного протонного магнитометра описывается на сайте http://www.gellerlabs.com/PMAG%20Docs.htm исследователя Joe Geller —
Катушки этого магнитометра -
Толчком этому проекту послужила статья Nicholas Wadsworth с девизом «Building a sensitive magnetometer and an accurate solid-state timer» в колонке Amateur Scientist журнала Scientific American за февраль 1968 года -

Применение протонных магнитометров
Протонные магнитометры широко используются в археологических исследованиях.
Протонный магнитометр упоминается в научно-фантастической новелле Майкла Крайтона «В ловушке времени» («Timeline») -He pointed down past his feet. Three heavy yellow housings were clamped to the front struts of the helicopter. "Right now we’re carrying stereo terrain mappers, infrared, UV, and side-scan radar.”  Kramer pointed out the rear window, toward a six-foot-long silver tube that dangled beneath the helicopter at the rear. “And what’s that?” “Proton magnetometer.” “Uh-huh. And it does what?” “Looks for magnetic anomalies in the ground below us that could indicate buried walls, or ceramics, or metal.”

Майкл Крайтон

Цезиевые магнитометры

Разновидностью квантовых магнитометров являются атомные магнитометры на щелочных металлах с оптической накачкой.

цезиевый магнитометр G-858

Магнитометры Оверхаузера

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.

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.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector