Магнитометр – это прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ. К этим характеристикам относятся: напряжённость, магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость, но основной считается именно магнитная индукция, поскольку она характеризует силовое воздействие магнитного поля как по значению, так и по направлению, и именно её измеряет большинство магнитометров. Однако, существуют приборы для измерения напряжённости (эрстедметры), направления (инклинаторы и деклинаторы) и градиента (градиентометры) поля, магнитного потока (веберметры и флюксметры) и проницаемости (мю-метры).
Технологии, используемые при производстве магнитометров
Четыре основных вида магнитометров
- Магнитостатические
- Индукционные
- Квантовые
- МЭМС-магнитометры
Магнитостатические магнитометры
Принцип действия магнитостатических магнитометров основан на механическом воздействии магнитного поля на магнит. В конструкции такого датчика имеется чувствительный элемент – например, постоянный магнит, подвешенный на упругой подвеске. При воздействии внешнего поля, не совпадающего с полем действия чувствительного элемента, магнит испытывает вращающий момент, пропорциональный силе воздействия магнитного поля. По направлению и степени закручивания подвески определяются направление и сила магнитного поля, то есть индукция.
Индукционные магнитометры
Работа индукционных магнитометров основана на явлении электромагнитной индукции, возникающей в катушке под действием магнитного поля, и поэтому в их устройство входит непосредственно катушка, к которой подключен постоянный ток. Под действием тока в катушке возникает собственное магнитное поле, на которое воздействует внешнее поле, и датчики (например, ёмкостные) реагируют на вращение или колебания катушки. У более сложных устройств датчики могут реагировать на изменение магнитной проницаемости катушки.
Квантовые магнитометры
Принцип работы квантовых магнитометров основан на эффекте Зеемана – расщеплении линий атомных спектров в магнитном поле, обусловленном тем, что при попадании в магнитное поле квантовая частица, обладающая спиновым магнитным моментом, приобретает дополнительную энергию. В этой категории различают протонные магнитометры и магнитометры с оптической накачкой.
Чувствительным элементом протонного магнитометра является сосуд (кювета) с диамагнитной жидкостью, содержащей атомы водорода (вода, керосин, гептан и др.), при этом ёмкость находится внутри катушки. Через катушку проходит постоянный ток, создающий магнитное поле, ориентирующее магнитные моменты протонов и намагничивающее жидкость. Электронные магнитные моменты скомпенсированы, так как жидкость диамагнитная. Когда источник тока выключается, магнитные моменты протонов начинают прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля, и измерение частоты прецессии позволяет определить величину напряжённости поля.
В устройство квантового магнитометра с оптической накачкой входит помещённая в катушку колба, наполненная парами щелочного металла (например, рубидия или цезия) с парамагнитными атомами, содержащими по одному неспаренному электрону. При прохождении сквозь колбу лучей света с круговой поляризацией и длиной волны, соответствующей переходу атома в одно из возбужденных состояний, атомы заполняют один из магнитных подуровней этого уровня, что приводит к уменьшению резонансного поглощения и рассеяния света. Измерение резонансной частоты поля в катушке позволяет определить напряжённость поля, в котором находится датчик.
МЭМС-магнитометры
Принцип действия МЭМС-магнитометра основан на механическом движении структуры за счет действия силы Лоренца, которая действует на проводник, находящийся в магнитном поле. В его устройство входит подвижная алюминиевая пластина, подвешенная на пружинах, электроды и ёмкостные датчики. При прохождении тока через пластину, возникает сила Лоренца, пропорциональная воздействию внешнего магнитного поля. Изменение ёмкости между пластиной и датчиками позволяет определить силу воздействия магнитного поля.
Параметры, которые нужно учитывать при выборе магнитометра
- Диапазон измерений. Измеряется в Тл (Тесла) или Гс (Гаусс) (1 Тл = 10000 Гс). Чем больше значение диапазона, тем большую амплитуду индукции магнитного поля способен зафиксировать магнитометр.
- Чувствительность (разрешение). Измеряется в мкТл или мкГс и показывает минимальное значение индукции, которое способен зафиксировать магнитометр. Чем ниже значение – тем лучше чувствительность, и тем более слабую индуктивность можно измерить.
- Точность. Измеряется в процентах от полного диапазона измерений, показывает насколько полученное на датчике значение близко к истинному значению искомой величины. Чем ниже значение – тем выше точность и меньше погрешность.
Применение магнитометров
Способность магнитометров реагировать на магнитное поле и измерять его показатели нашла своё применение во многих отраслях науки и промышленности.
Магнитометры в геологии и археологии - магниторазведка
В геологии магнитометры используются для поиска некоторых видов полезных ископаемых, поскольку их применение позволяет избежать пробного бурения для поиска жил. В нормальных условиях индукции магнитного поля на поверхности Земли колеблется в диапазоне от 0,25 до 0,65 Гс, но на эти значения могут повлиять железосодержащие породы, залегающие близко к поверхности (например, магнетит или гематит). Датчик зафиксирует изменение магнитного поля в том месте, где пролегает богатая полезными ископаемыми жила, после чего уже можно будет более подробно исследовать местность, используя более сложные методы.
В геологии применение магнитометров иногда может оказаться неэффективным, поскольку для обнаружения металлосодержащие породы должны либо располагаться близко к поверхности, либо глубоко залегающее месторождение должно быть достаточно крупным для того, чтобы серьёзно влиять на магнитное поле.
По-другому дела обстоят в археологии, для которой поиск и классификация объектов в приповерхностном слое являются приоритетными задачами. Применение магнитометров позволяет обнаружить повышенную намагниченность объектов, подвергавшихся воздействию огня (печи, очаги) и намагниченность почвы (оплывшие со временем валы, рвы и другие понижения грунта). Это связано с тем, что под действием тепла в различных веществах (например, глине) образуется термостатическая намагниченность, отличная от магнитного поля Земли. На рисунке ниже приведена карта аномалий магнитного поля и сделанный на её основе интерпретационный план остатков строений античного города Метрополиса (Турция).
Таким образом, магниторазведка является достаточно эффективным, неразрушающим, скоростным и относительно дешёвым методом получения информации о подземных объектах. Однако, у этого метода есть и существенный недостаток - искажение результата измерений из-за помех, возникших из-за деятельности человека (например, из-за близости линий электропередач), что не позволяет использовать магниторазведку как полностью самостоятельный способ изучения местности, но она незаменима в комплексных исследованиях.
Магнитометры в системах навигации
В системах навигации при помощи магнитометра определяется магнитное поле Земли, что позволяет определить направление движения в случае дезориентации. Магнитометры как часть навигационных систем применяются в судостроении, авиационной и космической отраслях, а также в производстве беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Магнитометры в БПЛА
В дронах система состоит из магнитометра, процессора и преобразователя. Данные с датчика магнитного поля поступают на процессор, интерпретирующий их и передающий на преобразователь, который, в свою очередь, передаёт их в навигационную систему дрона, которая использует их для определения положения и направления движения БПЛА. Кроме того, такая система позволяет обнаруживать металлосодержащие препятствия на пути дрона и избегать их.
Подробнее о приводных решения для БПЛА
МЭМС-магнитометры в электронных компасах
В состав электронных компасов также входит магнитометр. Если в устройство простейших компасов входит магнитная стрелка, чьё направление зависит от магнитного поля Земли, то в современных электронных компасах установлены МЭМС-магнитометр, микропроцессор, блоки памяти и интерфейса и индикатор. Иногда в его состав также могут входить акселерометры или гироскопы для определения координат объекта в пространстве. Однако важно учесть, что такой компас указывает не на истинный, а на магнитный полюс Земли и важно учесть величину так называемого магнитного склонения, различного в разных точках Земли. На рисунке ниже показан принцип определения магнитного склонения.
Так, в Москве магнитное склонение восточное и составляет 10,91°, а в Гренландии – западное и равное 26,2°. Кроме того, магнитный полюс Земли каждый год смещается примерно на 10-15 км в северном и северо-западном направлении, и его координаты непостоянны.
Магнитометры в сейсморазведке
В сейсморазведке магнитометры используются как часть системы по обнаружению землетрясений, поскольку при движении тектонических плит меняются характеристики магнитного поля Земли, характерные для той или иной местности.
В геохронологии по силе остаточной намагниченности можно сделать первичные выводы о возрасте горных пород. Данный метод является не самым точным, но отличается скоростью и простотой.
Компания ИНЕЛСО является дистрибьютором магнитометров и других групп инерциальных датчиков. Для консультации и подбора решения под задачи Вашего проекта, обращайтесь к нашим специалистам
по тел.: +7 (812) 628-00-16
или по электронной почте: sales@inelso.ru.