Приборы для измерения параметров магнитных полей

Магнитомеханическими называют такие магнитные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. В зависимости от наличия или отсутствия противодействующего момента магнитомеханические приборы можно разделить на две группы. К первой группе относятся приборы, в которых магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и принимает положение, соответствующее направлению вектора магнитной индукции. Две наиболее распространенных конструкции показаны на рис. 7.10 (а, б) .

Рис. 07.10. Конструкции магнитомеханических преобразователей

 

 

Магнитомеханические преобразователи первого типа используются в приборах, предназначенных для измерения направления магнитного поля - в компасах, буссолях, инклинаторах и т. д.

Ко второму типу магнитомеханических преобразователей относят такие, в которых магнитный момент уравновешивается механическим моментом. Такие приборы и преобразователи могут использоваться для измерения модуля В по измерению величины уравновешивающего момента. На рис. 7.10 (в) показана схема такого преобразования, используема в приборе системы Боброва. Здесь магнит 1 укрепляется на кварцевых нитях 2 и на скобе 3 таким образом, чтобы при повороте магнита его момент уравновешивался бы упругим моментом нити, возникающем при ее закручивании. Угол закручивания регистрируется по отражению луча света от зеркала 4, наклеенного на магнит. В приборе имеется демпфирующая система 5, гасящая высокочастотные колебания магнита.

 

Если закручивающий момент пропорционален углу закручивания а, то условие равновесия индикаторного устройства имеет вид

(7.16)

где m - момент постоянного магнита; θ - угол между векторами ; с - жесткость кварцевой нити.

Из равенства 7.16 следует, что магнитомеханический преобразователь второго типа позволяет измерять величину магнитной индукции, если его показания соответствующим образом проградуировать.

Существуют магнитомеханические преобразователи, в которых на одной и той же нити укреплены два магнита. В этом случае, если их расположить одноименными полюсами друг к другу, такая система не будет чувствительной к постоянному магнитному полю. Такие преобразователи получили название астатических и используются для измерений параметров неоднородного магнитного поля.

Одно из основных достоинств механических преобразователей состоит в возможности их использования для абсолютного измерения модуля магнитной индукции B₀. Впервые этот метод был предложен Гауссом и состоит в измерениях периода качания в горизонтальной плоскости магнита, помещенного в измеряемое поле, и наблюдении угла отклонения другого магнита, вызываемого первым магнитом. Положения, в котором находятся отклоняющий магнит NS и стрелка второго магнита ns могут быть любыми, однако для упрощения расчетов и понимания сущности метода достаточно рассмотреть положения, предложенные Гауссом (рис. 7.11 ).

Рис. 07.11. Взаимное расположение магнитов в тесламетре Гаусса

 

 

При таком расположении отклоняющего магнита NS и отклоняемого ns существует однозначная связь между магнитной индукцией B₀ и углом отклонения q магнита ns. В современных тесламетрах вместо отклоняющего магнита NS устанавливают катушки с током - кольца Гельмгольца, которые создают изменяющиеся с полупериодом Т магнитное поле.

Принцип действия тесламетра, схема которого дана на рис. 7.11 , состоит в измерении угла закручивания нити подвеса стрелки отклоняемого магнита в двух положениях: без влияния отклоняющего магнита и при наличии последнего. Если отклоняющий магнит создает переменное поле с амплитудой dB₀, то изменение угла отклонения магнита ns однозначно связано с амплитудой dB₀ и амплитудой угла отклонения ns, равного θ_m. Связь между этими величинами дается формулой:

(7.17)

где М - магнитный момент магнита NS; - проекция амплитуды изменяющегося магнитного поля на плоскость колебаний; с - коэффициент кручения нити подвеса магнита ns. Из формулы 7.17 следует, что измерив угол отклонения θ_m магнита ns и зная амплитуду изменения переменного поля, вызванного магнитом NS, можно измерять кoэффициeнт S, который будет являться чувствительностью механического преобразователя к магнитной индукции в переменном поле.

В реальных конструкциях можно не измерять и не вычислять все необходимые для измерения параметры, влияющие на показания магнетометра по схеме Гаусса. Если в процессе измерения не изменяется расстояние между магнитами, не изменяется схема расположения отклоняющего и отклоняемого магнита, создающего переменное магнитное поле, то абсолютное значение составляющей вектора магнитной индукции в плоскости расположения магнитов пропорционально углу закручивания нити.

В качестве примера использования описанного принципа приведем схему абсолютного магнитного теодолита, разработанного во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Схема прибора дана на рис. 7.12 .

Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита

 

 

Абсолютный магнитный теодолит используется как средство измерения горизонтальной составляющей магнитного поля земли, а также для воспроизведения единиц магнитной индукции и магнитного потока. Для этой цели в конструкции теодолита предусмотрена вторая пара колец Гельмгольца (5 на рис. 07.12 ). Значения магнитной индукции и магнитного потока задаются пропусканием определенного постоянного тока через катушки 5, который вызовет определенное отклонение магнита с зеркалом 1 (рис. 7.12 ).