Приборы, работающие по принципу второй гармоники

Индукция В намагничиваемого тела связана довольно сложной зависимостью с намагничивающим полем Н. Представим эту зависимость в виде степенного ряда

В = , (3.10)

где а_к – некоторые коэффициенты, зависящие от геометрических и магнитных параметров образца, в котором возбуждается индукция.

Величина индукции зависит от направления приложенного магнитного поля, которое изменяет знак степени к. С учетом этого формулу (3.10) следует записать в виде ряда

В = .

Если в обмотки возбуждения подается переменное поле с частотой ω, то возникает переменное магнитное поле с той же частотой, равное

Н = Н_о е ^jωt .

В этом случае

В = . (3.11)

В каждый момент времени в обеих катушках индукции будут равны и противоположны по знаку, следовательно, суммарный эффект от их действия будет равен нулю. ЭДС в измерительной катушке не возникает.

Если работа феррозонда выполняется во внешнем постоянном магнитном поле Т, то в этом случае

В = . (3.12)

Ограничиваясь двумя первыми членами ряда, для первой катушки запишем

В_{1 =} а₃ Н_о ³ е ^{j 3ωt} + 3а₃ Т Н_о е ^{j 2ωt} + (3а₃ Т² + а₁) Н_о е ^jωt + а₃ Т³ +

+ а₁Т + …

Для второй катушки закон изменения индукции будет аналогичным, но изменится знак направления питаемого напряжения:

В_{2 =} - а₃ Н_о ³ е ^{j 3ωt} + 3 а₃ Т Н_о е ^{j 2ωt} -

- (3 а₃ Т² + а₁ ) Н_о е ^jωt + а₃ Т³ + а₁Т +…

Суммарная индукция в измерительной катушке будет равна

В = 6 а₃ Т Н_о² е^{j 2ωt} + 2 а₃ Т³ + а₁ Т + …,

она зависима только от четных гармоник. ЭДС в измерительной обмотке найдем продифференцировав В по t,

_-

ЭДС = . (3.13)

Полученное выражение свидетельствует о том, что индуцированная ЭДС прямо пропорциональна амплитуде внешнего магнитного поля Т.

Феррозондовые приборы измеряют относительные изменения любой (в зависимости от ориентации датчика) компоненты магнитного поля. Чувствительность магнитометров зависит от типа феррозонда и изменяется в широких пределах – от нескольких нТл до 200 нТл.

Рис. 3.7. Феррозондовый магнитометр на теодолите

Приоритет в разработке магниторазведочных феррозондов принадлежит геофизикам России и США. Мощным стимулом, резко ускорившим развитие феррозондового приборостроения, стали события Второй мировой войны. Стране потребовались новые аэромагнитные системы наблюдений для обнаружения подводных лодок и затонувших кораблей. В послевоенные годы потребности в высокопроизводительных феррозондовых магнитометрах многократно возросли. Наиболее востребованными оказались приборы АМ-13 и АММ-13 ( второй гармоники ) с порогом чувствительности в 4 нТл. Для наземных съемок в течение ряда лет применялся Z-магнитометр М-17 – феррозонд, помещенный в карданов подвес.

Рис. 3.8. Современные одноосные феррозондовые магнитометры

В последнее время широкое распространение получили феррозондовые магнитометры с магниточувствительным элементом, закрепленным на зрительной трубе теодолита (рис.3.7). Такая конструкция позволяет при ориентации датчика с точностью до 1 сек. измерять любые составляющие полного вектора Т и вести учет наклонения и склонения. Научно-производственное предприятие «Геологоразведка» в настоящее время для измерения и регистрации горизонтальной и вертикальной составляющих полного вектора магнитной индукции разрабатывает переносной феррозондовый магнитометр МПФ-МГ.

Одно- и трехкомпонентные (векторные) феррозондовые приборы нашли широкое применение в скважинной магнитометрии для контроля направления хода буровых скважин, измерения магнитной восприимчивости горных пород, слагающих их стенки, и компонент внутреннего поля вдоль оси скважины. В серийной аппаратуре КМК-3, предназначенной для исследования скважин глубиной до 2000 м, датчиком магнитной восприимчивости служила индукционная катушка с ферритовым сердечником.

В скважинном наряде магнитометра ТМ-3 размещаются три взаимно ортогональных феррозонда. Ориентация датчика в пространстве производится с помощью феррозондовой следящей системы.

Чрезвычайно мощный толчок к развитию феррозондового приборостроения дали исследования космического пространства. Создавались системы, предназначенные не только для измерения внешних полей, но и для автоматической ориентации искусственных спутников Земли в геоцентрической системе координат. В 1970 г. на околоземных орбитах уже работало 40 феррозондов и еще 20 находилось в стадии подготовки. Во Франции и Германии сконструирована магнитовариационная станция с порогом чувствительности 0.5 нТл. На космической станции «Мир» в комплект аппаратуры СПРУТ-V1 входил трехкомпонентный феррозондовый магнитометр с порогом чувствительности 0.1 нТл.

Феррозондовые магнитометры (рис.3.8) используются также в магнитной дефектоскопии для обнаружения поверхностных дефектов, контроля качества проката и сварных труб, диагностики состояния рельсовых путей /7/.