Градиентометр напряженности магнитного поля
GRADIENTOMETER OF MAGNETIC FIELD STRENGTH

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений параметров неравномерных магнитных полей, в частности градиента магнитной индукции или напряженности.
Известны датчики магнитной индукции (авт. св. №1686940 от 09.02.2009), содержащие полупроводниковый кристалл в виде стержня кругового сечения, снабженный с торцов инжектирующим и омическим контактами. При помещении его в магнитное поле вдоль силовых линий и вследствие винтового движения электронов и дырок с повышением напряженности электрического и магнитного полей выше соответствующих пороговых значений возникает эффект самовозбуждения, обусловленный винтовой неустойчивостью электронно-дырочной плазмы полупроводникового кристалла, при котором происходят колебания тока в теле стержня. Частота этих колебаний зависит от индукции или напряженности магнитного поля. Выбором размеров и формы сечения стержня можно изменять чувствительность датчика и диапазон измеряемых значений магнитной индукции.
Однако это справедливо при помещении полупроводникового кристалла (стержня) в равномерное магнитное поле, когда градиент как мера неравномерности индукции или напряженности магнитного поля равен нулю, Случаи существования равномерных магнитных полей в практике являются редкими. Следовательно, применение данного датчика ограничено, и как аналога устройства для измерения и контроля градиента реальных магнитных полей – не состоятельно.
Известны феррозондовые преобразователи параметров магнитных полей (Техническая диагностика: учебник: в 2-х ч. Под редакцией В. Ф. Криворудченко. Ч.1.: Теоретические основы технической диагностики и неразрушающего контроля вагонов. – 403 с.– М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.д. транспорте», 2013), получивших также название феррозонды второй гармоники, построенные по полемерным (феррозонд-полемер) и градиентометрическим (феррозонд-градиентометр) схемам. Среди последних (далее градиентометры) наибольшее применение, особенно в дефектоскопии, получили градиентометры по нормальной составляющей измеряемого магнитного поля. Они содержат два одинаковых полузонда с обмотками и стержневыми сердечниками из магнитомягкого материала, по возможности идентичными друг другу, оси которых строго параллельны и направлены вдоль нормального компонента линий магнитного поля. Здесь используется принцип модуляции потока индукции измеряемого поля через приемную обмотку путем периодического доведения сердечников до насыщения пропусканием переменного тока через обмотку возбуждения. Так как насыщение сердечника происходит при обеих полярностях намагничивающего поля, то модуляция потока измеряемого поля осуществляется с частотой, вдвое превышающей частоту тока возбуждения. Это значительно облегчает выделение полезного сигнала на фоне сопутствующих помех от тока возбуждения. Градиентометр, содержащий два преобразователя напряженности магнитного поля, измеряющий изменения отношений напряженностей вдоль осей сердечников, разнесенных на минимальное базовое расстояние в направлении намагничивания, принят в качестве прототипа. Следует сказать, что оценка градиента, получаемая во всех известных градиентометрах, приближенная, точность которой зависит от степени малости принятого базового расстояния (базы феррозонда) и погрешности измерения выходного сигнала феррозонда.
Однако реализация феррозондовых градиентометров, имеющих, как правило, малый коэффициент преобразования и потому требует для обработки сигнала достаточно сложные схемотехнические решения, например, синхронного детектирования, фильтрации и др. Кроме того, имеет место необходимость тщательного подбора сердечников на идентичность магнитных характеристик и выполнения их размерных параметров с отношением длины к диаметру порядка (35 – 50) при диаметре сердечников порядка (0,1 – 0,2) мм с целью исключения влияния посторонних магнитных полей, а также необходимость использования пермаллоевых сплавов, заставляющая предохранять сердечники от механических нагрузок, вызываемых бескаркасной намоткой катушек полузондов. Все это свидетельствует о том, что феррозондовые градиентометры являются устройствами, предъявляющими ряд жестких технологических требований к их производству.
Целью изобретения является повышение чувствительности градиентометров и улучшение технологичности их изготовления.
n
Данный технический результат достигается тем, что в заявляемом градиентометре напряженности магнитного поля, содержащем возбуждаемые этим полем два преобразователя, размещенные на базовом расстоянии между собой и вдоль магнитного поля, выходные цепи которых подключены к блоку обработки сигналов, согласно изобретению, упомянутые преобразователи выполнены в виде параллельно ориентированных полупроводниковых стержневых элементов из германия –типа с инжектирующим и омическим торцевыми токовыми контактами каждый, присоединенными к источнику напряжения постоянного тока, и с расположенными на их боковых поверхностях потенциальными электродами, подключенными к блоку обработки сигнала в виде последовательно соединенных блока вычитания частот и блока регистрации.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого градиентометра напряженности магнитного поля.
n
H
H
p
n
1
2
Градиентометр напряженности магнитного поля содержит: два стержневых полупроводниковых элемента 1 и 2 из германия –типа, размещенных в измеряемом магнитном поле вдоль его силовых линий  и , снабженных инжектирующими 3 и 5 и омическими 4 и 6 торцевыми токовыми контактами; источник питания постоянного тока 7, подключенный к полупроводниковым элементам 1 и 2 в такой полярности, чтобы образованные с помощью инжектирующих контактов 3 и 5  –  переходы были смещены в прямом направлении; два омических контакта 8 и 9, выполненных на боковых поверхностях элементов 1 и 2, подключенных к входам блока вычитания частот 10, выход которого соединен с блоком регистрации 11, выполненным, например, в виде частотомера или измерителя периода.
Градиентометр работает следующим образом.
p
n
E
H
E
H
n
П
П
Располагаем полупроводниковые стержневые элементы 1 и 2 параллельно друг другу, помещаем их в постоянное магнитное поле и создаем в телах этих элементов продольное электрическое поле путем приложения к их токовым контактам 3-4 и 5-6 напряжения постоянного тока от подсоединенного к ним источника 7, смещающего  –  переходы в прямом направлении. В результате в элементах 1 и 2 образуется электронно-дырочная плазма, и вследствие винтового движения носителей заряда (электронов и дырок) и при превышении напряженностей  электрического и  магнитного полей соответствующих пороговых  и  значений наступает эффект самовозбуждения, при котором возникают колебания продольного тока в полупроводниковых элементах 1 и 2 и электрического потенциала на их боковых поверхностях колебания с той же частотой, что и колебания тока. При выполнении элементов 1 и 2 из полупроводника (например, германия -типа) частота колебаний тока и поперечного напряжения прямо пропорциональна напряженности магнитного поля
f=f
kH
0
+,
f
E
E
H
H
0
П
П
где  – значение частоты на пороге возбуждения при = и =;
k
– постоянный коэффициент, определяемый параметрами электронно-дырочной плазмы и поперечным размером полупроводникового элемента (Hurwitz С.E., Mc Whorter A.L. Grawing helical density waves in semiconductor plazmas// Physical Review,1964.V 134.A. P. 1033 - 1050).
H
H
f
f
f
f=f
f
H
H
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
При помещении полупроводниковых элементов 1 и 2 в однородное (равномерное) магнитное поле, т.е. когда = и градиент напряженности магнитного поля равен нулю, частоты  и  колебаний напряжения на контактах 8 и 9 элементов 1 и 2 будут равны, при этом частота  колебаний напряжения на выходе блока 10 равна нулю ( - =0). При помещении указанных элементов 1 и 2 в неоднородное магнитное поле (H ≠ H, например, >) градиент напряженности становится не равным нулю, следовательно, значения частот колебаний напряжения на боковых контактах 8 и 9 не будут равными, и на выходе блока вычитания частот 10 получим
,
Х
X
X
2
1
При разнесении полупроводниковых элементов 1 и 2 между собой на минимальное базовое расстояние ∆= –  в направлении намагничивания получим частоту сигнала на выходе блока вычитания частот 10, пропорциональную оценке градиента напряженности измеряемого магнитного поля:
Значение градиента напряженности магнитного поля определяется блоком регистрации 11.
Предлагаемое устройство выгодно отличается от устройства–прототипа. Известно, что длина стержневых полупроводниковых элементов может составлять единицы миллиметров (3 – 10 мм) и более, а поперечный размер – от десятых долей миллиметра, что позволяет уменьшить базовое расстояние по сравнению с базой современных феррозондов-градиентометров (не менее 2–3 мм) в несколько раз. Это свидетельствует, что чувствительность предлагаемого градиентометра значительно увеличена.
Кроме того, он обладает значительно высокой помехозащищенностью от влияния внешних помех (магнитное поле Земли, сварка, массивные ферромагнитные объекты и др.), которая здесь не является столь актуальной, как в феррозондовых градиентометрах. В последних отстройка от помех достигается за счет утонения сердечников полузондов, вернее, за счет увеличения отношения их длины к поперечному размеру, что приводит к технологическим трудностям в их изготовлении и намотке. Исходя из принципа действия, предлагаемый градиентометр воспринимает только те линии магнитного поля, которые проходят вдоль продольной оси стержневых элементов 1 и 2, т.к. линии посторонних полей не могут участвовать в образовании винтовой неустойчивости упомянутой плазмы. Приведенные преимущества способствуют также упрощению схемотехнических решений и настроек предлагаемого градиентометра.