Протонный магнитометр своими руками

Магнитометр предназначен для измерения индукции магнитного поля. В магнитометре используется опорное магнитное поле, которое позволяет посредством тех или иных физических эффектов преобразовать измеряемое магнитное поле в электрический сигнал.
Прикладное применение магнитометров для обнаружения массивных объектов из ферромагнитных (чаще всего, стальных) материалов основано на локальном искажении этими объектами магнитного поля Земли. Преимуществом использования магнитометров в сравнении с традиционными металлодетекторами состоит в большей дальности обнаружения.

Феррозондовые (векторные) магнитометры

Одним из видов магнитометров являются феррозонды. Феррозонд был изобретен Фридрихом Фёрстером (Friedrich Forster)

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 -

Если на сердечник накладывается постоянное магнитное поле, то в измерительной катушке появляется напряжение четных гармоник, величина которого служит мерой напряженности постоянного магнитного поля. Это напряжение отфильтровывается и измеряется.

двухстержневой феррозонд

В качестве примера можно привести устройство, описанное в книге Каралиса В.Н. "Электронные схемы в промышленности" -


Прибор предназначен для измерения постоянных магнитных полей в диапазоне 0,001 ... 0,5 эрстед.
Обмотки возбуждения датчика L1 и L3 включены встречно. Измерительная обмотка L2 намотана поверх обмоток возбуждения.  Обмотки возбуждения питаются током частоты 2 кГц от двухтактного генератора с индуктивной обратной связью. Режим генератора стабилизируется по постоянному току делителем на резисторах R8 и R9.

феррозонд с тороидальным сердечником
Одним из популярных вариантов конструкции феррозондового магнитометра является феррозонд с тороидальным сердечником (ring core fluxgate) -

По сравнению со стержневыми феррозондами такая конструкция имеет меньшие шумы и требует создания намного меньшей магнитодвижущей силы.

Этот датчик представляет собой обмотку возбуждения, намотанную на тороидальном сердечнике, по которой протекает переменный ток с амплитудой, достаточной для ввода сердечника в насыщение, и измерительную обмотку, с которой снимается переменное напряжение, которое и анализируется для измерения внешнего магнитного поля.
Измерительная обмотка наматывается поверх тороидального сердечника, охватывая его целиком (например, на специальном каркасе) -

Эта конструкция аналогична первоначальной конструкции феррозондов (конденсатор добавлен для достижения резонанса на второй гармонике) -

В http://motivationtolearn.org/wordpress/?p=1347 описан феррозонд с сердечником из мотка омедненных стальных проводов для телефонии HC-734A диаметром 0,5 мм -

Обмотка возбуждения содержит около 200 витков. Параллельно обмотке включены два конденсатора 0,47 мкФ и 0,22 нФ, которые служат для выделения cинусоиды первой гармоникиcиз прямоугольного сигнала частотой 2,5 кГц, поступающего с выхода (ножка 3) таймера NE555 через потенциометр 10 кОм и конденсатор 10 мкФ.
Измерительная обмотка содержит 500 витков с параллельно включенным конденсатором 3,3 нФ, который настраивает контур в резонанс на частоте второй гармоники 5 кГц.
Автор этого проекта - Graeme Keon:

ортогональный феррозонд
Также применяются ортогональные (orthogonal) феррозонды -


В случае ортогонального феррозонда его сердечник соответствует цилиндрам ("бочонкам") (ferrite beads), используемым в ферритовых фильтрах, одетых на различные кабели.
Размеры таких цилиндров отличаются друг от друга -

Принцип работы феррозонда

Феррозонд является разновидностью ферроиндукционного преобразователя. Главной особенностью таких преобразователей является изменение магнитной проницаемости $\mu$ сердечника под внешним воздействием (механическим, тепловым или  магнитным).

Рассмотрим принцип работы феррозонда с тороидальным сердечником.При отсутствии внешнего магнитного поля в измерительной катушке не наводится ЭДС, так как магнитные потоки, создаваемые током обмотки возбуждения в двух половинках сердечника одинаковы по величине и противоположны по направлению и взаимно компенсируются. Если же на сердечник накладывается внешнее магнитное поле, то возникает дисбаланс, так как в одной половинке сердечника это поле складывается с полем возбуждения, а во второй - вычитается. Из-за этого в измерительной обмотке наводится ЭДС, которая имеет вид коротких импульсов.

Для оценки силы внешнего магнитного поля анализируется величина второй гармоники этой ЭДС, так как несимметрия датчика проявляется сильнее в возникновении нечетных гармоник.

блок-схема феррозонда

Профессиональные феррозондовые магнитометры

Ebinger Magnex

Foerster Ferex

Schiebel Dimads (трехосевой)

Применение феррозондовых магнитометров
Феррозонды используются для поиска полезных ископаемых (например, нефти), контроля багажа, исследования материалов, проверки эффективности магнитного экранирования, поиска подводных трубопроводов...

Инцидент с водородной бомбой (Tybee Bomb)
Наиболее экзотичен случай использования феррозонда для поиска утерянной вблизи калифорнийского берега американской атомной бомбы. Этот инцидент получил название Tybee Bomb. 5 февраля 1958 года пилот бомбардировщика B-47 "Stratojet" был вынужден после столкновения в воздухе с истребителем F-86 "Saberjet" сбросить водородную бомбу Mark 15 с высоты 7200 футов в океан вблизи южного берега необитаемого острова Little Tybee для обеспечения безопасной посадки -

бомба MK15


экипаж B-47

(слева направо - Howard Richardson, Robert Lagerstrom, Leland Woolard)

Бомба так и не была найдена! Подробнее об этом Вы можете прочитать в интересной книге "Chasing Loose Nukes" полковника Derek L. Duke:

Поиск подводных лодок
На сайте Natural Resources Canada в виртуальном музее (http://geomag.nrcan.gc.ca/lab/vm/fluxgate-eng.php) представлен феррозондовый магнитометр, использовавшийся во время Второй Мировой войны для поиска подводных лодок с воздуха -

На сайте John H. Lienhard (http://www.uh.edu/engines/epi2381.htm) представлена фотография самолета в воздухе с подвешенным феррозондом -

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 H0;
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 -

Скачать статью можно по ссылке - http://www2.neuroscience.umn.edu/eanwebsite/PDF%20EAN%20pubs/Sci%20Am%20218%20124%201968.pdf.
Устройство протонного магнитометра также описано на странице http://gravmag.ou.edu/mag_measure/magnetic_measure.html.

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

Твердотельные магнитометры

Наиболее доступными являются магнитометры, встроенные в смартфоны. Для Android хорошим приложением, использующим магнитометр, является Physics Toolbox Magnetometer.  Страничка этого приложения - http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

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.

Источник: https://acdc.foxylab.com/node/26

Предыдущая статья: аккумулятор автомобильный ремонт своими руками

Следущая статья: своими руками на лачетти

Лучшие статьи: