Этот прибор измеряет магнитное поле Земли в конкретной точке. При перемещении прибора вблизи ферромагнитных материалов (в нашем случае сталь, чугун), фиксируется изменение магнитного поля по сравнению с фоновым. Приборы этой группы подходят для поиска крупных чугунных и стальных объектов (танки, паровозы, автомобили). Из принципа работы магнитометра вытекает следующая особенность: степень искажения магнитного поля зависит, в основном, от массы объекта. Таким образом, на танк и на стопку рельс такого же веса магнитометр сработает одинаково. Следовательно, магнитометр подходит и для поиска складов оружия и боеприпасов. На цветные металлы магнитометр не реагирует.
Основные понятия
Магнитометр - прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных 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.
В поисковых целях используются тесламетры и градиентометры. Основная идея использования магнитометра для поиска железосодержащих объектов заключается в следующем. Как известно, Земля обладает собственным магнитным полем. Величина и направление этого поля практически постоянны на достаточно больших площадях. Однако, вблизи ферромагнитного объекта магнитное поле изменяется, как по направлению, так и по величине. Зафиксировав с помощью магнитометра изменение магнитного поля, подобный объект можно обнаружить. Мало того, применяя методы расчета, используемые в геофизике, можно расчитать размеры объекта и глубину, на которой он находится.
Что говорит нам геофизика? На полюсах вертикальные составляющие магнитной индукции примерно равны 60 мкТл, а горизонтальные - нулю. На экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл, а вертикальная - нулю. Еще некоторые цифры: железный объект весом 1 фунт (453 грамма), на расстоянии 3 м изменяет магнитное поле на 1 нТл. Таким образом, приличный магнитометр должен измерять магнитное поле в пределах 30 000 - 60 000 нТл с точностью до 1 нТл.
Принцип работы
Основные датчики, применяемые в магнитометрах:
Принцип действия оптико-механических магнитометров аналогичен работе компаса. Чувствительным элементом (датчиком) таких приборов служит постоянный магнит, который может свободно вращаться. В зависимости от ориентации оси вращения постоянного магнита, его магнитного момента и напряженности магнитного поля Земли постоянный магнит занимает определенное положение относительно горизонтальной или вертикальной плоскости. Изменение напряженности магнитного поля Земли приводит к соответствующему изменению угла наклона постоянного магнита (при прочих равных условиях). Для повышения точности определения угла наклона системы применяют специальные оптические устройства.Для снижения погрешности при ориентации по магнитному меридиану используют компенсационный способ измерений. Для этого в приборе имеется компенсационный магнит, жестко связанный с отсчетной шкалой. Плавная компенсация осуществляется вращением этого магнита до тех пор, пока постоянный магнит не установится горизонтально. Момент компенсации фиксируется с помощью особой оптической системы путем совмещения отраженного от зеркала на магните и неподвижного горизонтального индексов. Для расширения пределов измерения ΔZ существует второй, так называемый диапазонный магнит ступенчатой компенсации. Погрешность измерений таким прибором составляет 2—5 нТл.
Основой конструкции феррозонда (чувствительного элемента) феррозондового магнитометра служит электрическая катушка, намотанная на удлиненный стержень из ферромагнетика, обладающего малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (например, из сплава железа и никеля — пермаллоя). В отсутствие внешнего магнитного поля при пропускании через генераторную (первичную) катушку переменного электрического тока частотой f и амплитудой, достаточной для создания поля возбуждения, превышающего уровень насыщения сердечника, в измерительной (вторичной) катушке возникает ЭДС удвоенной частоты 2f. При наличии внешнего постоянного магнитного поля, составляющая которого вдоль оси стержня отлична от нуля, в наведенной ЭДС будет преобладать частота, совпадающая с частотой поля возбуждения f. Феррозонд магнитометра состоит из двух одинаковых пермаллоевых стержней, расположенных параллельно друг другу и ориентированных вдоль измеряемой составляющей магнитного поля Земли. Обмотки катушек возбуждения соединены последовательно таким образом, чтобы переменное поле в двух сердечниках было направлено противоположно. Для измерения внешнего магнитного поля (его составляющей, направленной вдоль оси стержней) обычно используют компенсационный метод, заключающийся в компенсации постоянного магнитного поля Земли полем постоянного регулируемого тока. По величине тока компенсации судят о напряженности магнитного поля Земли вдоль оси феррозонда. К таким приборам относится аэромагнитометр АМФ-21. За счет погрешности в ориентировке феррозонда погрешность съемки таким магнитометром достигает десятков нанотесл. При скважинных работах применяют скважинный вариант ферромагнитометра (например, ТСМК-30), позволяющего измерять составляющие магнитного поля AZ, АХ, АУ с погрешностью до ± 100 нТл.
Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного датчика, который получил наименование магнитоиндуктивного датчика - Magneto-Inductive (MI) sensors. Датчик представляет собой микроминиатюрную катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Катушка содержит всего одну обмотку и регистрирует магнитное поле в направлении только одной из осей.
 |
| датчик Холла |
Датчик Холла работает, примерно, следующим образом (см. рисунок): если через полупроводниковую пластину в направлении A-B пропустить ток, то при наличии магнитного поля напряженностью H, направленного перпендикулярно плоскости пластины, на краях пластины E-F возникнет ЭДС. Величина, ЭДС зависит от напряженности магнитного поля. Чувствительность магнитометров с датчиками Холла порядка 10 нТл.
 |
| магниторезистор |
Магниторезистор (см. рис.) содержит полупроводниковую пластину 2, расположенную на подложке 1 из анизотропного высокоэффективного ферромагнетика. Принцип работы магниторезистора заключается в следующем: в ферромагнетике сформирована доменная структура, по крайней мере, из двух доменов. Намагниченности в доменах нормальны плоскости подложки и противоположны одна другой. Пластина располагается вдоль доменов с одинаковым направлением намагниченности. Доменные структуры ферромагнитной подложки создают начальное магнитное поле в полупроводниковой пластине, увеличивая ее удельное сопротивление и смещая рабочую точку. При помещении магниторезистора в измеряемое магнитное поле, оно приводит к дополнительному изменению удельного сопротивления. Порог чувствительности магниторезисторов составляет около 0,1 нТл.
Принцип действия протонных или ядерных магнитометров основан на явлении свободной прецессии протонов в земном магнитном поле. После определенного электромагнитного воздействия на протонсодержащий датчик протоны прецессируют вокруг направления земного магнитного поля с угловой скоростью ω, пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т: ω = aT, где a — коэффициент пропорциональности, который равен гиромагнитному отношению ядра (отношению магнитного момента ядра к механическому). Протонный магнитометр состоит из магниточувствительного блока или датчика (протонсодержащий сосуд с водой, спиртом, бензолом и т. п., вокруг которого намотаны возбуждающая и измерительная катушки); соединительных проводов; электронного блока (предусилитель, схема коммутации, умножитель частоты, частотомер и световой индикатор); регистрирующего устройства и блока питания. Рабочий цикл, т. е. время определения значений магнитного поля в каждой точке, складывается из времени поляризации датчика (для воды оно составляет 3— 8 с), времени переключения датчика и времени определения частоты сигнала, наведенного в катушке датчика (0,1—0,4 с). В зависимости от протонсодержащего вещества и точности определения частоты прецессии рабочий цикл составляет 1—10 с. При небольшой скорости движения носителя магнитометра (наземный или морской варианты) данные о магнитном поле Земли Т получают практически непрерывно. При большой скорости, например при скорости самолета 350 км/ч, расстояние между замерами составляет 300 м. С помощью протонного магнитометра можно проводить магнитную съемку с использованием металлических носителей — кораблей или самолетов, обладающих собственным магнитным полем. При этом датчик магнитометра буксируют на кабеле, длина которого должна в несколько раз превышать продольные размеры носителя. С помощью протонного магнитометра дискретно (1 раз в 1—10 с) измеряют абсолютное значение магнитной индукции геомагнитного поля с погрешностью ± 1—2 нТл при низкой чувствительности (±45°) к ориентации датчика по магнитному меридиану, независимости от температуры и времени (отсутствует смещение нуля). Протонные магнитометры используют при наземных (например, отечественный магнитометр ММП-203) и морских (ММП-3) съемках, реже при воздушных съемках (МСС-214) и скважинных наблюдениях.
В квантовых магнитометрах, предназначенных для измерения абсолютных значений модуля индукции магнитного поля, используют так называемый эффект Зеемана. В электронной структуре атомов, обладающих магнитным моментом, при попадании в магнитное поле происходит расщепление энергетических уровней на подуровни, с разницей энергии и, соответственно, частотой излучения пропорциональной модулю полного вектора магнитной индукции в точке наблюдения. Чувствительным элементом магнитометра является сосуд, в котором имеются пары цезия, рубидия или гелия. В результате вспышки монохроматического света (метод оптической накачки) электроны паров переводятся с одного энергетического подуровня на другой. Возвращение их на прежний уровень после окончания накачки сопровождается излучением энергии с частотой, пропорциональной величине магнитного поля. С помощью квантового магнитометра измерения Т проводят с погрешностью ±(0,1—1) нТл при слабой чувствительности к ориентации датчика, высоком быстродействии и стабильности показаний (незначительное смещение нуля). Основными отечественными квантовыми магнитометрами являются приборы следующих марок: наземные (пешеходные) М-33 и ММП-303, морской КМ-8, аэромагнитометр КАМ-28. В магнитометрах для съемки в движении (морских, воздушных или автомобильных) регистрацию магнитной индукции ведут автоматически, практически непрерывно. Профили привязывают различными способами (радионавигационными, с помощью аэрофотосъемок и т. п.). Результаты наблюдений представляют иногда в аналоговой форме в виде магнитограмм, но чаще - в цифровой форме, обеспечивающей последующую обработку информации на бортовых ЭВМ или в экспедиционных вычислительных центрах.
1 комментарий:
Очень полезная, конкретно сжатая, честная статья. Благодарность Автору.
Отправить комментарий