Измерение магнитной компоненты

[наверх]

В качестве датчика для измерения магнитной компоненты используется катушка-зонд (search coil sensor), представляющая собой катушку индуктивности с большим числом витков. В большинстве случаев для повышения чувствительности и уменьшения габаритов она снабжается сердечником из материала с высокой магнитной проницаемостью (см. рис. 2.2). На сердечнике также может размещаться калибровочная обмотка, используемая для контроля и калибровки датчика в производстве и в эксплуатации.

Рис.2.2. Конструкция магнитного датчика резонанса Шумана

Обмотка и сердечник обладают большой собственной емкостью, через которую в цепи датчика могут проникать электростатические помехи. Для защиты от них вся конструкция помещается в заземляемый электростатический экран, изготавливаемый из немагнитного металла, чаще всего из алюминиевой, медной или латунной фольги. В этом же экране в большинстве случаев размещают и электронный блок предварительной обработки сигнала, включающий предусилитель и набор фильтров. На рис. 2.3 для примера показано фото промышленного датчика ICS101, выпускаемого итальянской фирмой SISTEL, а на рис. 2.4 - фото датчика, спроектированного и изготовленного для станции мониторинга резонанса Шумана, расположенной в штате Айова, США.

Рис.2.3. Промышленный магнитный датчик ICS101

(за основу взята иллюстрация с сайта SISTEL)

Рис.2.4. Магнитный датчик станции мониторинга в штате Айова, США

(источник иллюстрации: Construction And Deployment Of An ULF Receiver For The Study Of Schumann Resonance In Iowa)

В качестве материала сердечника часто используют пермаллой, мю-металл или метглас. Эти материалы имеют магнитную проницаемость μ, измеряемую десятками и даже сотнями тысяч. Однако повышение уровня выходного сигнала за счет их использования достигает всего нескольких сотен, что связано с наличием фактора демагнетизации, определяемого геометрией сердечника по формуле:

[1] Nd = (d²/l²)[ln(2l/d)-1], где d и l - диаметр и длина сердечника соответственно.

Этот фактор уменьшает истиную (apparent) магнитную проницаемость μ_app сердечника по отношению к внешнему магнитному полю катушки по формуле:

[2] μ_app = μ/[1+Nd(μ-1)],

вследствие чего увеличение магнитной индукции в сердечнике с ростом его магнитной проницаемости начинает определяться не самой магнитной проницаемостью, а геометрией сердечника. Поэтому для удешевления датчика вместо дорогих сплавов с проницаемостью на уровне десятков и сотен тысяч могут применять гораздо более дешевые материалы с проницаемостью на уровне нескольких тысяч, например, ферриты. Это ведет к снижению чувствительности или требует увеличения числа витков катушки, но не пропорцианально изменению проницаемости, а всего лишь в несколько раз, что часто бывает экономически оправдано.

Амплитуда выходного сигнала датчика Um определяется по формуле:

[3] Um = 0.5π²fd²wμ_appBm,

где f - частота сигнала, Bm - амплитуда магнитной индукции измеряемой компоненты, w - число витков катушки, а d и μ_app определены выше.

Значения амплитуд магнитной компоненты резонанса Шумана лежат в диапазоне единиц пТл (пикоТесла = 10^-12 Тл), поэтому для получения приемлемого для последующего усиления уровня выходного сигнала (десятые доли микровольта) требуются катушки с числом витком, измеряемым десятками тысяч. Катушки с таким большим числом витков наматываются тонким проводом в несколько слоев, и, соответственно, имеют большую межвитковую емкость, что приводит к появлению собственных нежелательных резонансов. Для борьбы с паразитными резонансами применяют специальные методы намотки, а также оптимизацию параметров катушек по числу витков, диаметру провода, длине и диаметру намотки и др.

Задачей предварительной обработки сигнала является его усиление с минимальным уровнем шумов и последующая фильтрация с выделением заданной полосы частот и подавлением нежелательных детерминированных помех, например, сетевой помехи 50 Гц. Эта задача решается путем использования прецизионных малошумящих операционных усилителей и активных фильтров. В качестве примера реализации на рис. 2.5 приведена схема предварительной обработки сигнала датчика ICS101. Полученные с помощью данной схемы амплитудно-частотные характеристики датчика см. в описании датчика, а также на странице по ссылке под рисунком.

Рис.2.5. Схема предварительной обработки сигнала датчика ICS101

(источник иллюстрации: веб-страница INDUCTION COIL ICS101)

Индуктивные датчики рассмотренного типа, как правило, имеют полосу частот, начинающуюся с долей герца, чтобы кроме диапазона резонанса Шумана охватить также и диапазоны более низких частот - резонансов Альфвена и геомагнитных пульсаций. Если ограничиться минимальной частотой, необходимой только для регистрации резонанса Шумана (например, частотой 1Гц), то потребное количество витков обмотки может быть уменьшено на порядок и более, что может резко удешевить датчик и сократить его массу и габариты. Возможно и другое решение - исключение сердечника и увеличение диаметра катушки. Такой вариант широко практикуется радиолюбителями, увлекающимися приемом сверхнизкочастотных радиосигналов. Однако в научно-исследовательской практике и прикладных проектах такие решения практически не используются, т.к. наблюдение резонанса Шумана обычно проводится в комплексе с другими измерениями магнитного поля, требующими более низкочастотного диапазона.

Следует также отметить, что с первого взгляда привлекательной идеей представляется использование для измерения магнитной компоненты датчиков SQUID (superconducting quantum interference device). Они имеют очень высокую чувствительность (порядка 0,01 пТл), достаточную полосу частот (от 0 до 1000 Гц) и успешно применяются в ряде приложений, связанных с измерением сверхслабых магнитных полей. Однако необходимость охлаждения их до криогенных температур и высокий уровень шумов на данный момент пока не позволяют этому направлению конкурировать с простыми индуктивностями.