Магнитометр с ферромагнитным сердечником и тремя обмотками. Магнитометрия

За последнее время не произошло каких либо существенных изменений в принципах измерения магнитного поля. В области магнитных съёмок утвердились способы, основанные на явлении магнитного резонанса, оптической ориентации атомов и др. В основу определения магнитных свойств горных пород и наблюдений в скважинах используют феррозондовые установки, а для измерения остаточной намагниченности применяют астатические магнитометры и рок-генераторы. Подробнее остановимся на таком приборе, как магнетометр.

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 более узком смысле магнитометры - приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля.

Самым главным параметром магнитометра является его чувствительность. При этом формализовать этот параметр, сделать его единым для всех магнитометров практически невозможно и не только потому, что магнитометры отличаются принципом действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала. Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9) Т.

Поле Земли составляет величину примерно 35000nT (35µT). Это усредненная величина - в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000nT (35µT) - 60000nT (60µT). Таким образом задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов.

Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.

Различают магнитометры для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометры классифицируют также по условиям эксплуатации и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия.

Существуют несколько типов магнитометров, основанных на разных принципах действия, такие как: феррозондовые, магнитоиндуктивные, на эффекте Холла, магниторезисторные, квантовые (Протонные).

Подробно остановимся на феррозондовых преобразователях магнитного поля, рассмотрим их принцип действия, конструкцию и технологию измерения.

Открытие свойств высокой магнитной проницаемости у железно-никелевых сплавов - пермаллоев привело к созданию феррозондовых или потоковоспринимающих магнитометров, в основу работы датчиков которых положен эффект реакции магнитной проницаемости пермаллоя сердечников на действие постоянного магнитного поля Земли при питании их переменным током.

Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. В зависимости от величины подаваемого напряжения феррозонд может работать по принципу пик-типа и второй гармоники. Приборы, работающие по принципу второй гармоники, получили более широкое применение(3).

Ферромагнитные зонды характеризуются:

Высокой чувствительностью-минимальное изменение измеряемого элемента поля, которое способен зарегистрировать прибор при изменении силовой компоненты, чувствительность у лучших приборов составляет 1 нТл, для угловой величины-01 сек;

Возможностью точной (0,1%) калибровки;

Малым температурным коэффициентом, менее 0,01 нТл/град. цельсия в диапазоне температур от -20 до +50 град. цельсия;

Низким уровнем собственных шумов;

Небольшими размерами (10-20 см) и массой (1-2 кг с измерительным блоком);

Малым энергопотреблением(2).

На рис. 1 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.

В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током и измерительной (сигнальной) катушки. Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью. На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора). В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Феррозонды подразделяются на:

стержневые одноэлементные (а)

дифференциальные с разомкнутым сердечником (б)

дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (в).

Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда. Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10-4-10-5 А/м (~10-10-10-11 Тл).

Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см 3 , а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм

В качестве примера на рис. 2 приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.

Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений. Его сердечник изготовлен из пермаллоя. Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую намотаны измерительная обмотка и обмотка возбуждения. Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1, 5x105) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования сигнала «время-импульс». Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50… ±100 А/м (±0, 06… ±0, 126 мТл).Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м x Гц1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 - 3,5 раза выше. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками(3).

Устройства для определения вектора МП с использованием феррозондовых датчиков

Принципы работы устройств, использующих феррозондовые преобразователи магнитного поля, рассмотрены во многих технических изданиях. А потому в качестве примера приведём очень краткие описания принципов работы нескольких таких устройств.

Конструкция простейшего феррозондового датчика направления, используемого в автомобильном навигаторе, приведена на рис. 3

Рис. 3 Датчик МПЗ автомобильного навигатора: а - способ вычисления азимута пункта назначения; б - устройство датчика: б - курс движения автомобиля относительно сервера; в - курс на пункт назначения относительно севера; г - относительный азимут (азимут пункта назначения)

Рис. 4 Принцип работы феррозондового навигатора

Рис. 5 Эпюры выходного напряжения феррозондового датчика: а - при Нх > 0; б - при Нx, y > 0

Датчик навигатора (рис. 3) представляет собой кольцо из материала с высокой магнитной проницаемостью, на которое намотаны обмотка возбуждения и перпендикулярно друг другу две измерительные обмотки(3).

Принцип действия ферромагнитного зонда

Принцип действия датчика заключается в следующем: если на обмотку возбуждения подать переменное напряжение, то магнитный поток в сердечнике будет изменяться и за счет возникновения электромагнитной индукции на выходе измерительных обмоток появится «наведенное» напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на измерительных обмотках будет тоже отсутствовать, поскольку изменение магнитного потока в этом случае вызывает появление в точках S1, S2 сердечника напряжений противоположной полярности, которые компенсируют друг друга. Если перпендикулярно измерительной обмотке X воздействует магнитное поле с напряженностью Н, то оно складывается с магнитным полем возбуждения и изменения магнитного потока становятся асимметричными (см. 5). В результате этого появляется выходное напряжение, пропорциональное производной разности магнитных потоков.

Если внешнее магнитное поле Н прикладывается под углом И, то на измерительных обмотках X и Y появляются напряжения, равные соответственно:

При определённых геометрических размерах сердечника коэффициент размагничивания может быть настолько мал, что при помещении сердечника во внешнее магнитное поле размагничивающее поле будет практически отсутствовать. Суммарное магнитное поле в сердечнике окажется равным внешнему полю. Если сердечник расположен вдоль поля, он воспринимает полное значение поля, когда под углом - соответствующую составляющую. При перпендикулярном размещении сердечника к полю внешнее поле на него не действует. Указанные выше условия позволяют обеспечить острую диаграмму направленности феррозонда, благодаря чему он пригоден для измерения компонент магнитного поля и соответствующих им углов. Теория феррозондов базируется на развитом В.К. Аркадьевым учении о амагниченности ферромагнитных тел конечных размеров.

Общий принцип действия феррозонда подобен принципу действия магнитного усилителя, у которого управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью(3).

Технология измерения ферромагнитными зондами

Простейший феррозондовый магнитометр состоит из генератора, питающего переменным током феррозондовый датчик, откуда сигнал поступает в ячейку фильтров на усилительно-преобразовательный канал и в регистратор. В датчик также поступает ток компенсации из устройства начальной компенсации. Число феррозондовых датчиков определяется назначением и конструкцией прибора.

Конструктивно феррозондовый датчик может находиться в одной упаковке с электронной схемой или составлять отдельный блок, соединённый кабелем с электронным блоком. Феррозондовые датчики в наземных и скважинных магнитометрах - самоустанавливающиеся. Для этого используют карданные подвесы либо эксцентрические устройства. В магнитных градиентометрах датчики укрепляют на поворотной штанге.

Для примера возьмём феррозондовый теодолит, который представляет собой не имеющий магнитных деталей геодезический теодолит с установленным на его трубе датчиком феррозонда, работающего по схеме второй гармоники, и электронный блок - регистратор. Измерения выполняются нулевым методом, когда ось феррозонда перпендикулярна вектору магнитной индукции земного поля, на выходе измеряемой катушки ток I=0. Электронный блок таким образом фиксирует нулевой ток в положении оси датчика, перпендикулярного вектору магнитной индукции Т: при горизонтальном положении трубы и датчика фиксируется направление магнитного меридиана, в вертикальной плоскости магнитного меридиана определяется наклонение.

Датчик крепится к трубе теодолита на специальном лафете, позволяющим регулировать углы установки датчика относительно оптической оси теодолита.

Ось ферромагнитного датчика в принципе не может совпадать с оптической осью теодолита. Положение датчика на зрительной трубе характеризуется:

Величинами смещений геометрического центра феррозонда о оптического центра трубы в вертикальной плоскости вращения вдоль и поперёк оптической оси и в горизонтальной плоскости;

Углами в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эти углы ось феррозонда составляет с оптической осью трубы(2).

Рассмотрим технологию измерения на ещё одном отечественном магнитометре, таком как М-17.

Для измерения вертикальной составляющей феррозонд ориентируется по вертикали особым маятником, помещенным в кардановом подвесе. Последний снабжен демпфирующим устройством для быстрого затухания колебаний. Феррозонд подключается к измерительному блоку. В нем помещен звуковой генератор, переключатель поддиапазонов, переключатель компенсации магнитного поля, измерительный индикаторный прибор.

На феррозондовом принципе изготовлялись отечественные аэромагнитометры - АЭМ-49, АМ-13, АММ-13, АСТ-46, АМФ-21 и др. В аэромагнитометрах измерительный феррозонд с помощью особых карданных устройств и двух дополнительных взаимно перпендикулярных феррозондов устанавливается вдоль полного вектора напряженности магнитного поля Земли. Он помещается в специальной гондоле и буксируется за самолетом на кабеле длиной 40 - 50 м. Электрический сигнал с этого блока по кабелю попадает на пульт магнитометра, установленный на самолете, где усиливается электронным усилителем, выпрямляется и попадает на автоматическое компенсационное устройство и особый самописец. На ленте, кроме напряженности поля, записываются высота полета, марки времени, отметки ориентиров или синхронных аэрофотоснимков. Аэромагнитометры устанавливаются на самолетах легкого типа или на вертолетах. Погрешности измерений аэромагнитометрами не превышают 20 нТл.

Феррозондовые приборы измеряют относительные изменения любой компоненты магнитного поля. Чувствительность магнитометоров зависит от типа феррозонда и измеряется от нескольких нТл до 200 нТл.

Магниторазведочные зонды широко применяются в различных областях исследований как земной коры, так и для космических исследований.

Феррозонды используются в приборах для наземной съёмки (зонд помещают в карданов подвес, на зрительной трубе теодолита), в скважинной магнитометрии для контроля направления хода буровых скважин, магнитной восприимчивости горных пород и компонент внутреннего поля вдоль оси скважины, в аэрогеофизических станциях, для автоматической ориентации искусственных спутников Земли, на международных космических станциях, а также в магнитной дефектоскопии для обнаружения поверхностных дефектов, контроля качества проката и сварных труб, диагностики рельсовых путей и т.д. (1).

Список используемой литературы

магнитометр феррозонд зонд

1 Гершанок Л.А. Магниторазведка: Учебное пособие/ Пермь: Пермский государственный университет, 2006. 364 с.

2. Ладышкин А.В., Попова А.А., Семаков Н.Н. и др. Векторные магнитные измерения с феррозондовыми теодолитами: Методическое пособие/ Новосибирск: Новосибирский государственный университет, 2005, 89 с.

3. Геофизические методы исследования // магниторазведка // феррозрндовые магнитометры/ материалы из интернета

Подобные документы

Методика измерения магнитных свойств веществ в переменном и постоянном магнитном поле на примере магнитной жидкости. Исследование изменения магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки при быстром извлечении из нее контейнера с образцом.

лабораторная работа , добавлен 26.08.2009

Измерения в режиме медленно изменяющегося внешнего магнитного поля. Обоснование и расчет элементов измерительной установки. Перемагничивание в замкнутой магнитной цепи. Требования к системе измерения магнитной индукции. Блок намагничивания и управления.

курсовая работа , добавлен 29.03.2015

Проявления магнитного поля, параметры, его характеризующие. Особенности ферромагнитных (магнитомягких и магнитотвердых) материалов. Законы Кирхгофа и Ома для магнитных цепей постоянного тока, принцип их расчета, их аналогия с электрическими цепями.

контрольная работа , добавлен 10.10.2010

Сущность индуктивно-частотного метода измерения магнитной восприимчивости и принцип работы установки "Эталон-1Б". Разработка программного обеспечения для автоматической записи кривых восприимчивости. Калибровка датчика магнитного поля на эффекте Холла.

курсовая работа , добавлен 18.06.2015

Характеристики магнитного поля и явлений, происходящих в нем. Взаимодействие токов, поле прямого тока и круговой ток. Суперпозиция магнитных полей. Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля. Действие магнитных полей на движущиеся токи и заряды.

курсовая работа , добавлен 12.02.2014

Определение наличия и направления магнитного поля метки. Создание постоянного магнитного поля, компенсирующего действие постоянных внешних магнитных полей. Принципиальная схема зарядно-разрядного узла устройства. Определение разряда накопительной емкости.

лабораторная работа , добавлен 18.06.2015

Геомагнитное поле земли. Причины возникновения магнитных аномалий. Направление вектора напряженности земли. Техногенные и антропогенные поля. Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП. Влияние магнитных полей на растительный и животный мир.

курсовая работа , добавлен 19.09.2012

Понятие и функциональные особенности магнитных пускателей переменного тока, их цели и значение. Конструкция и принцип работы пускателей, их разновидности: реверсивные и нереверсивные. Основные серии магнитных пускателей, характеристики: ПМЕ, ПМА, ПМ12.

реферат , добавлен 27.10.2013

Квантование магнитного потока. Термодинамическая теория сверхпроводимости. Эффект Джозефсона как сверхпроводящее квантовое явление. Сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы, их применение. Прибор для измерения слабых магнитных полей.

контрольная работа , добавлен 09.02.2012

Исследование сущности магнитного поля, которое создаётся движущимися электрическими зарядами. Особенности магнитных линий - очертаний, образовавшиеся под воздействием магнитных сил. Признаки магнитной индукции - величины характеризующей магнитное поле.

В магнитометрах этого типа магниточувствительным элементом является феррозонд, который представляет собой два тонких и длинных стержня из пермаллоя (железо-никелевый сплав - магнитомягкий ферромагнетик), на которые во взаимообратном направлении намотана первичная (возбуждающая) обмотка. Кроме того, оба сердечника вместе с первичной обмоткой охвачены вторичной (измерительной) обмоткой (рис.3.15 а). Магнитомягкие ферромагнетики характерны тем, что петля гистерезиса для них настолько узка, что ее можно рассматривать, как одну кривую (рис.3.15 б).

Рис. 3.15. Принцип действия феррозондового магнитометра

типа второй гармоники.

Принцип действия феррозонда состоит в следующем. С помощью внешнего источника через первичную (возбуждающую) обмотку пропускается ток частотой w (чаще всего 400 Гц). Если внешнее магнитное поле отсутствует, то исходная намагниченность сердечников равна нулю. При пропускании тока частотой w в каждый полупериод импульсы индукции в сердечниках направлены противоположно и компенсируют друг друга (рис.3.15 б). Поэтому общая индукция в ближайшем к сердечникам пространстве в каждый момент времени равна нулю и в измерительной обмотке сигнал не индуцируется, т.е. также равен нулю.

При появлении внешнего поля Т (которое необходимо измерить) в каждый полупериод это поле с индукцией одного из сердечников совпадает, а индукция другого сердечника направлена противоположно, что равносильно сдвигу индукции сердечников. Общая (суммарная В S) индукция в пространстве у сердечников, складываясь, образует переменный магнитный поток, изменяющийся с частотой 2w (рис.3.15. б). Этот поток индуцирует в измерительной обмотке электрический сигнал частотой 2w и амплитудой, пропорциональной «сдвигу» индукции в обмотках - внешнему намагничивающему полю Т.

Для измерения этого поля необходимо только выделить с помощью фильтра (Ф) сигнал частотой 2w (800 Гц), усилить его усилителем (У), определить знак поля (фазу) фазочувствительным детектором (ФЧД) и измерить его амплитуду измерителем (И). При этом прибор, измеряющий амплитуду сигнала, может быть проградуирован в единицах напряженности или индукции магнитного поля. Такой феррозонд называется «феррозонд типа второй гармоники».

Полезной для магнитных съемок особенностью такого феррозонда является то, что он может измерять составляющую напряженности магнитного поля, направленную по оси зонда. То есть, если поле Т будет направлено перпендикулярно сердечникам, то «сдвига» индукции в обмотках не будет и сигнала во вторичной обмотке не будет.

Эта особенность позволяет проводить так называемые компонентные измерения (т.е. измерения трех составляющих по осям) индукции магнитного поля, что относится к достоинствам метода. Недостатком метода является наличие смещения нуля прибора, что даже при высоком пороге чувствительности прибора в 1нТл не позволяет проводить измерения с высокой точностью.

Феррозонд имеет также другие наименования: зонд магнитного насыщения, магнитомодуляционный датчик (ММД). В зарубежной литературе он называется flux - date (флакс-гейт) - потокопропускающий.

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 наименованиемагнитоиндуктивного 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 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.