close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1afanas ev yu v ferrozondy

код для вставкиСкачать
У Д К 6 2 1 .3 1 7 .4 4 4 : 6 2 0 .1 7 9 .1 4 3
6 П 2 .1.083
А 94
Афанасьев Ю. В.
А94 Ф еррозонды. Л ., «Энергия», 1969.
168 с. с р и с.
в к н и г е и зл о ж е н ы о сновы п р о е к т и р о в а н и я и п р и м е н е н и я ф е р р о ­
зо н д о в — в есьм а ч у в с т в и т е л ь н ы х , н ад е ж н ы х и э к о н о м и ч н ы х д а т ч и к о в
м а гн и тн о го п о л я .
З н а ч и т е л ь н о е в н и м а н и е у д е л ен о р ассм о тр ен и ю п р и н ц и п а д е й с т в и я
ф ер р о зо н д о в р а з л и ч н о г о т и п а , с р ав н и т ел ь н о й о ц е н к е и х п а р а м е т р о в
и х а р а к т е р и с т и к . О тм ечен ы особенн ости к о н с т р у к т и в н о г о в ы п о л н е н и я
и и зго т о в л е н и я ф е р р о зо н д о в . П р и в ед ен ы схем ы ф е р р о зо н д о в ы х у с т р о й с т в
д л я и зм е р е н и я п о с т о я н н ы х и п ер ем ен н ы х м а гн и т н ы х п о л е й , н ео д н о р о д ­
ностей п о л я и у г л о в ы х в е л и ч и н .
К н и га р а с с ч и т а н а н а ш и р о к и й к р у г ч и тател ей — и н ж е н е р о в и н а у ч ­
н ы х р а б о т н и к о в , и м ею щ и х о тн о ш ен и е к и зм е р и т е л ь н о й т е х н и к е и а в т о ­
м ати к е. О на м о ж е т б ы т ь п о л е зн а т а к ж е д л я гту д ен то в с т а р ш и х к у р с о в
со о тветству ю щ и х В У З о в .
3 -3 -1 0
2 0 3 -6 9
Предисловие
В современных усл ови ях необходимость производства м аг­
нитных измерений возникает в самых различны х о тр асл ях народ­
ного хозяйства, н ауки и техники. Среди датчиков, и спользуе­
мых д л я этой цели, значительное место занимаю т феррозонды,
обладаю щие высокой чувствительностью , надеж ностью , эконо­
мичностью и малыми габаритам и.
Ф еррозонды относятся к активным индукционным преобразо­
вателям и по своему принципу действия во многом схож и с м агнит­
ными усилителями. От последних они отличаю тся тем, что не со­
д ер ж ат управляемой электрической цепи. В ф еррозондах у п р ав ­
ляем ая электрическая цепь зам енена магнитной в виде пермаллоевых стержневых сердечников, приобретающих намагниченность
под действием измеряемого п оля. П оскольку напряж енность
магнитного поля характери зуется вектором, а намагниченность
сердечников зависит не только от их ориентации, но и от соотно­
ш ения продольных и поперечных размеров, то, кроме отмеченных
свойств, феррозонды обладаю т еще и диаграммой направленности,
благодаря чему они могут быть использованы д л я изм ерения компо­
нент поля и углов.
Н аличие естественной диаграммы направленности выгодно
отличает феррозонды от новейш их ядерно-прецессионны х и кв ан ­
товых датчиков, которые обеспечивают более вы сокую точность
измерений, но непосредственно реагирую т на ск ал яр н у ю величину
поля. Они приобретаю т диаграм м у направленности лиш ь за
счет налож ения вспомогательного поля заранее известного н ап р ав ­
лен и я и величины, что не только услож няет и отягощ ает дополни­
тельными погреш ностями процесс измерения, но и д елает сами
устройства более громоздкими и менее надежными по сравнению
с феррозондовыми.
В настоящ ее время феррозондовые устройства прим еняю т д л я
разведки полезных ископаемы х, поиска объектов негеологического
происхож дения, изучения структуры геомагнитного п о ля и полей
космического пространства, в навигационны х системах, а так ж е
в системах следящ его привода. Еж егодно публикуем ы е статьи,
рефераты и патенты свидетельствую т о все расш иряю щ ейся сфере
применимости феррозондов. И х предлагаю т использовать для
автоматизации производственных процессов, считы вания инфор­
1*
3
мации с медленно д ви ж ущ ихся носителей, регули ровани я улич­
ного движ ения, кон троля за перемещением магнитомеченых
частиц при моделировании тех или иных ф изических процес­
сов и т. д. и т. п.
Несмотря на сравнительную давность изобретения феррозон­
дов сколько-нибудь ц ельн ая и последовательная теория их,
полож енная в основу расчетов и проектирования современных
измерительных устройств, появилась значительно позднее. Р а з ­
работке этой теории немало способствовали советские ученые.
Основополагающим явилось учение о намагниченности ферро­
магнитных тел конечных размеров, развитое крупны м советским
физиком В. К. А ркадьевы м. Это учение в той или иной степени
использовано во всех отечественных и зарубеж ны х работах
о феррозондах. Больш ой вкл ад в теорию феррозондов внесли
М. А. Р озенблат и Р . И. Я нус. Заслуж иваю т вним ания работы
С. Ш. Д олгинова, В. И . Д рож ж и н ой, Л . X . Ф ридм ана, А. П. Л ы ­
сенко, Р . Я. Б ер к м ан а, Ю. Ф. Пономарева и др.
О публикованные работы , главным образом статьи и материалы
научно-технических конференций, носят разрозненны й характер
и далеко не полностью освещ ают круг вопросов, связан н ы х с про­
ектированием и применением феррозондов различного типа.
Н астоящ ая книга имеет целью в какой-то мере восполнить этот
пробел.
Книга является по сущ еству первой попыткой систематического
излож ения вопросов теории, проектирования и применения ф ер­
розондов.
Значительное внимание в книге уделено рассмотрению физи­
ческих основ, принципа действия и параметров феррозондов.
Приведены конкретны е схемы феррозондовых устройств и сообра­
ж ения о наиболее целесообразном их использовании при измерении
постоянных и переменных магнитных полей, неоднородности
поля и угловы х величин. Отмечены некоторые новые тенденции
в развитии феррозондового метода измерения.
Все величины, входящ ие в формулы и в ы раж ен и я, записаны
в международной системе единиц (СИ). Д л я практической оценки
чувствительности феррозондов использована дробн ая единица
напряж енности магнитного поля системы СГС — гамма, широко
распространенная среди магнитологов.
Автор весьма признателен кандидатам технических наук
Е . Н . Чечуриной, Р . Я- Б еркм ан у, В. И. Д рож ж и н ой , Л . X. Ф рид­
ману и Ю. Ф. П ономареву и инж енеру Л . Г. К адинской, взявш им
на себя труд полностью или частично ознаком иться с рукописью
книги и сделавш их ряд ценных замечаний, учтенных при подготовке
ее к печати. Автор благодарен такж е коллективу О К Б МГ СССР
и особенно инж енеру Л . Г. Кадинской за многолетнюю помощь
в работе по проектированию феррозондов. М атериалы этой р а ­
боты частично использованы в книге.
ГЛАВА ПЕРВ А Я
Ф И З И Ч Е С КИ Е О С Н О В Ы И ПРИ НЦИ П
ДЕЙСТВИЯ Ф Е Р Р О З О Н Д О В
1. Ф еноменологические свойства
Феррозондом н азы вается устройство, чувствительное к внеш ­
ним магнитным полям, главны м образом постоянным и медленно
изменяющ имся, содерж ащ ее ферромагнитные сердечники и об­
мотки, распределенные по их длине.
От пассивных индукционны х датчиков и ферритовых антенн
феррозонды отличаю тся тем, что являю тся устройствами активного
типа. П роисходящ ие в них процессы всегда связан ы с сущ ество­
ванием двух полей — внеш него измеряемого поля и некоторого
вспомогательного п оля, образуемого за счет тока, протекаю щ его
в одной из обмоток. Взаимодействие этих полей в объеме сердеч­
н иков, изготавливаемых из легко насыщ аю щ ихся магнитны х мате­
риалов, например п ерм аллоя, приводит к появлению в другой
обмотке электродвиж ущ ей силы, по величине которой и судят
о напряж енности внешнего поля.
По принципу действия феррозонды наиболее бли зки к магнит­
ным усилителям. По сущ еству они и являю тся магнитными уси­
лителями, у которы х уп равл яю щ ая электрическая цепь заменена
разом кнутой магнитной цепью.
Существует довольно много типов и модификаций феррозон­
дов. Ф еррозонды отличаю тся д руг от друга по реж им у работы,
способу налож ения вспомогательного поля, вы бранной схеме
и конструктивному исполнению. Эти отличия оказы ваю тся более
или менее существенными в зависимости от д иапазона и частотного
спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся изме­
рения, особенностей преобразования полезного си гн ал а в измери­
тельной схеме. Однако феррозондам присущи и некоторы е общие
свойства.
Рассмотрим эти свойства на примере наиболее распространенного
в настоящ ее время дифференциального феррозонда (рис. 1).
Р Д ифференциальный феррозонд содерж ит два одинаковы х пермаллоевы х сердечника, выполненных в виде тонких стержней
5
прямоугольного сечения, улож енны х в специальны е каркасы
параллельно д руг д р у гу . П оверх каркасов нанесены первичные
обмотки, включенные последовательно и образую щ ие цепь воз­
буж дения феррозонда. Эту цепь питают переменным током з в у ­
ковой частоты. Кроме первичных обмоток имеется так ж е общая
а)
\
> <
>
г
н„
<
> <
<
/
<'
>
.
<
N
(-)
Р и с. 1. С хем а ( а) и к он стр ук ц и я (б) д и ф ф ер ен ц и ал ь ­
н ого ф ер р озон да.
1 — п е р м ал л о е в ы е сер д еч н и к и ; 2 — п ер ви ч н ы е
обм о тки ;
3 — в т о р и ч н а я о б м о т к а ; 4 — в н у т р ен н и е к а р к а с ы ; 5 —п азы
с ер д еч н и к о в , 6 — вн еш н и й к а р к а с ; 7 — ч е х о л ; В — в ы ­
во д н ы е ко н такты .
ДЛ Я
вторичная обмотка. В торичная обмотка вместе с подключаемым
к ней индикаторным прибором образует измерительную цепь.
В дифференциальном феррозонде первичные обмотки соеди­
нены таким образом, что протекающий в них ток I создает в объеме
сердечников поля Я ^, равны е по величине, но противоположные
по направлению . П ри наличии внешнего поля Я „, направленного
вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность
напряж енностей (Яо — Я ^), в объеме другого — сумма (Я„ -|-
6
+ Нх). Если сердечники идентичны , то можно зап и сать
В '= В {Н ,-Н ,),
( 1)
В" = В { Н , + Н,),
где В ' и В " — индукции или плотности магнитны х потоков
в сердечниках.
Э. д. с. во вторичной обмотке, охватываю щ ей оба сердечника,
будет
е = - з т , ^ { В ' + В"),
(2)
где 8 — поперечное сечение сердечников,
— количество вит­
ков вторичной обмотки и I — время.
П оявление э. д . с. во вторичной обмотке дифф еренциального
феррозонда с идентичными сердечниками п ринципиально воз­
можно лиш ь при нелинейности характери сти к В = / (Я ).
Д ействительно, предполож ив обратное и введя д л я каж дого
сердечника постоянные и одинаковые коэффициенты
= -^/Я ,
имеющие размерность абсолютной магнитной проницаемости,
получим;
В ' + В" = 2 р ,Я о
и
е=
о
Последнее вы раж ение совпадает с известной формулой д л я вы ход­
ной э. д. с. пассивных индукционных датчиков; при
= сопз!
(постоянное внешнее поле) оно становится равным нулю .
Аппроксимируем теперь характеристики В = / (Я ) укоро­
ченным полиномом третьей степени:
В = аН + Ь Н \
(3)
где а и Ь — коэффициенты аппроксимации, зависящ ие от мате­
ри ала и формы сердечников^. В соответствии с (1)
В' = аЯ о - а Я 1 + ЬН1 — ЪЬН\
+ ЪЬН^Н\ — ЬН\,
В" = йЯо + ан^ + ьн1 + гън1н^ + ш н ,н \ + ьн\.
П оложив
=
(4)
и Яд = сопз1, имеем:
В ' + В" = 2аЯ о + 2ЬН1 + ЗбЯ дЯ ^ — ЗЬН^Н1 соз 2ы{
(5)
и
е = бсоЬзаигЯдЯтЗШ
2
(^)^,
(6 )
где ю = 2я / , / — частота вспомогательного поля и Я,„ — ам пли­
туд а этого поля.
^ Д а н н а я а п п р ок си м ац и я в есьм а п р и бл и ж ен н а. О д н ак о, о т л и ч а я сь п р остотой ,
о н а ок азы в ается п о л езн ой д л я к ач ествен н ого оп и сан и я п р оц ессов и явлений
в ф ерром агни тны х ц еп я х .
Таким образом, в отличие от пассивных индукционны х датчи­
ков э. д. с. в феррозонде появляется при наличии постоянного
поля и оказы вается пропорциональной этому полю.
Из вы раж ения (6) следует такж е, что вы ходная э. д. с. имеет
удвоенную частоту. Р абота на удвоенной частоте типична для
феррозондов. О днако принципиально дифференциальный фер­
розонд может работать и на основной частоте.
Пусть ток возбуж дения дифференциального ф еррозонда, кроме
переменной составляю щ ей, содерж ит такж е и постоянную . Тогда
можно записать:
Нщ 81П со/ -ф Яз = Я 1
где Я з = сопзП П роизведя
получаем взамен (5):
Я з = Н\,
необходимую
подстановку
в
В' + В" = С -ф 12ЬНоН^Нт 81П со/ — ЪЬН^Н1 соз 2со/,
(4),
(7)
где С — постоянная составляю щ ая индукции. П осле дис})ференцирования в соответствии с (2), имеем
е* =
о (— 2 Н^Нт соз со/ + ЯД зш 2со/),
(8)
т. е. в составе э. д. с. появилась первая гарм оника, величина
которой такж е пропорциональна внешнему полю.
Заметим, что приведенное ранее выражение (6) явл яется частным
случаем (8). Последнее переходит в (6) при Я з = 0.
В ы раж ения (6) и (8) получены в предположении строгой иден­
тичности и сердечников, и первичных обмоток ф еррозонда. Од­
н ако на практике сердечники и обмотки могут быть подобраны
лиш ь с определенной точностью. В результате этого во вторичной
обмотке появляется дополнительная э. д. с., которая не связан а
или почти не связан а с наличием внешнего поля. Эту дополни­
тельную э. д. с. мы будем назы вать помехой и обозначать индек­
сом N. Полезную ж е э. д. с. будем обозначать индексом 5.
Найдем спектр помехи. Д л я этого воспользуемся вы раж ением (4),
выбрав из него попарные члены с разными знакам и. Введем обозна­
чения: 8„ = а" — а'
— Ь" — Ь' и Нг = Н' = Я " = Н ^ 5 'т со/ -ф
+ Я з (неидентичностью обмоток пренебрегаем). Тогда
= Вм -ф Вм = ^аН\ -ф
-(- ЕдН ^ = СN “Ь
+ (гаНт + г г м 1 н ^ + - ^ г ь Н 1 г + 2 , г , н 1 н Л зш со/ ~ е ^ Н ^ н 1 гС0 $ 2 Ш
8
^ 8г,Ят 5Ш Зсо/,
(9)
рде Сд, — постоянная составляю щ ая помехи. П одставив это вы ра­
жение в (2), получим
вы = — С05Ш
■
Зе^НоНщ +
РйЯт +
+ ЪгьН\Нт ) С08 Ы — Згь Н^Нт 5Ш 2(0^ —
— ^ -е ь Я ^ с о з З с о Л
. (10)
Теперь мы можем написать выраж ение д л я суммарной э. д. с.,
появляю щ ейся во вторичной обмотке феррозонда. П олож и в в (8)
-^ ^
= Ь, имеем
62 = ^5 + вы = Ю5ау 1б6Я()
+ Я т 31П 2(01
4-
— 2 Н<^Н,п соз
+
+
— ( ^аНт + Зе*ЯоЯщ +
еьЯт + ‘^ ^ьН\Нт^ соз (з)( +
+ ЗвйЯгЯт з1п 2Ш + ^ гьНт соз Зсо^ }
( 11 )
и при Я а = о (отсутствие постоянной составляю щ ей тока в цепи
возбуж дения) —
= ^5 + бл-= юзйУг
6ЬНо Нт5т2 &( —
^аНт. “Ь
т 3—Т &ьНщ\ СОЗ СО^ -|+ ^гьН]пС03?>1л1,
.
(12)
С равнивая (11) с (12), нетрудно установить, что реж им работы
феррозонда, характеризую щ ийся наличием постоянной составляю ­
щей в токе возбуж дения, менее благоприятен. В этом случае ин­
формацию о внешнем поле Яд несет не только в то р ая, но и пер­
вая гарм оника. Однако обе эти гармоники содерж атся и в спектре
помехи. Поэтому, независимо от того, какую гарм онику мы будем
вы делять, используя частотную фильтрацию , добиться сущ ествен­
ного улучш ения отнош ения сигнал/помеха в данном случае не
удается. П олож ение усугуб ляется еще и тем, что величина помехи
не остается постоянной, так к ак коэффициенты е^,
оказы ваю тся
зависимыми от таких внеш них факторов, к ак тем пература о к р у ­
жаю щей среды, вибрация и т. п. Когда же постоянная составляю ­
щ ая в токе возбуж дения отсутствует, информацию о внешнем
поле несет главным образом вторая гармоника, причем спектр
помехи содерж ит лиш ь первую и третью гармоники. С ледовательно,
выделив из общего сп ектра выходной э. д. с. феррозонда вторую
9
гарм онику, мы можем резко улучш ить соотношение си гн ал/по­
меха.
По указанной причине феррозонды с дополнительным постоян­
ным подмагничиванием оказал и сь пригодными лиш ь д л я изме­
рения относительно сильны х магнитных полей. Н аоборот, фер­
розонды без начального подмагничивания, с выходом н а удвоен­
ной частоте применяю тся д л я измерения слабых магнитных полей
или малых приращ ений поля. Типичные схемы измерительных
а)
и*
г
0
1
■ч
<5-;
Ог
1
0
%
Р
С
3
~Т
о7
-р
Р и с . 2. Ф ер р озон довы е м агнитом етры : а — с дополн ительн ы м постоян н ы м п од­
м агн ичи ван и ем , б — б ез доп ол н и т ел ь н ого п одм агн и ч и в ан и я .
I — ф ер р о зо н д ; 2 — и з б и р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь ; 3 — си н х р о н н ы й д е т е к т о р , 4 ~ р е г и ­
стр и р у ю щ и й п р и б о р ; 5 — и с т о ч н и к п о ст о я н н о го т о к а ; 6 — г е н е р а т о р с и н у с о и д а л ь н о го
н а п р я ж е н и я (т о к а ); 7 — у д в о и т е л ь ч асто ты ; V и I — со о тветствен н о н а п р я ж е н и я и т о к и ,
действую щ ие в ц еп ях.
устройств
(магнитометров), соответствующие
использованию
этих двух режимов работы феррозонда, изображ ены н а рис. 2 .
Возможность вы деления той или иной гарм оники позволяет
говорить о соответствую щ их коэффициентах п реобразования или
чувствительностях феррозонда. В общем случае имеем:
ЗЕпз
(13)
где (/„ — чувствительность феррозонда по п-ои гарм онике и Е^з —
ам плитуда п-ой гарм оники полезной э. д. с. Н а н ачальны х уча­
стках зависимость Е , г з - Е (Яд), к ак правило, линейна. Поэтому
д л я слабых полей взамен (13) пишут:
Епз
Я„
10
(14)
Отсюда с учетом (8) следует, что чувствительность ф еррозонда
пропорциональна коэффициенту аппроксимации Ь, х ар а к тер и зу ю ­
щему магнитные свойства сердечников, поперечному сечению
сердечников, числу витков вторичной обмотки, частоте и ам пли­
туде вспомогательного п оля. Видно такж е, что чувствительность
по первой и второй гарм оникам различна, в частности, чувстви­
тельность по первой гарм онике зависит от величины д ополн и тель­
ного поля Н е ­
возможность работы на той или иной гарм онике позволяет
так ж е говорить и о соответствующ их порогах чувствительности
феррозонда. Под порогом чувствительности обычно понимаю т то
наименьш ее значение измеряемой величины, которое способно
вы звать заметное изменение выходного парам етра прибора или
устройства. В феррозонде это наименьшее значение определяется
уровнем помехи. П оэтому можно записать:
Р п = ^ ,
(15)
где Я„дг — амплитуда п-ой гармоники э. д. с. помехи, С„ — чув­
ствительность по п-ой гарм онике и
— порог чувствительности
(более точное определение этого понятия будет дано в главе вто­
рой). Заметим, что порог чувствительности феррозонда вы раж ается
в единицах поля.
Часто пользую тся так ж е величиной
д=
(16)
где Ядг — амплитуда суммарной э. д. с. помехи. В еличина д
оказы вается полезной д л я оценки качества феррозонда. Однако
ее не следует путать с величиной р„. Н апример, при работе фер­
розонда на удвоенной частоте [см. вы раж ение ( 12)] величина д
х арактери зует лиш ь степень неидентичности его сердечников
и обмоток. Эта величина мож ет быть на несколько порядков
больш е величины реЭкспериментально чувствительность и порог чувствительности
могут быть определены благодаря наложению н а феррозонд
п оля, напряж енность которого заранее известна. Это поле обычно
создается с помощью калиброванны х катуш ек (соленоидов) или
колец Гельмгольца. К онтрольно-измерительны й ком плекс, ис­
пользуемый д л я определения указанны х параметров феррозонда,
показан на рис. 3 .
Испытуемый феррозонд устанавливаю т в центре колец Гельм­
гольца таким образом, чтобы его продольная ось совп ал а с осью
колец. К обмотке возбуж дения подключают генератор синусои­
дального н ап р яж ен и я. П ри оценке чувствительности по первой
гармонике в эту ж е обмотку подают ток смещ ения, создаю щ ий
в объеме сердечников дополнительное постоянное поле. Выход­
ную (вторичную) обмотку феррозонда подклю чаю т ко входу
11
анали затора гармоник и ламповому милливольтметру. С помощью
анали затора выделяют нуж ную гармонику выходного н ап р я ж е­
н ия. Затем кольца вместе с закрепленны м в них феррозондом
ориентирую т таким образом , чтобы продольная ось феррозонда
оказал ась перпендикулярной вектору геомагнитного поля. О пер­
пендикулярности судят по минимуму показаний милливольтм етра
анали затора и лампового милливольтм етра. П оказан и е первого
Р и с. 3. К он тр ольн о-и зм ер и тельн ы й к ом п лек с.
I, 4 — м а га зи н ы с о п р о т и в л е н и й ; 2, 7 — и сто ч н и ки п о сто ян н о го т о к а ; 3 ~ г е н е р а т о р си н ус о и д а л ь н о го н а п р я ж е н и я (т о к а ); 5 — и сп ы ту ем ы й ф ер р о зо н д ; 6 — к о л ь ц а Г е л ь м г о л ь ц а ;
8 — п е р е к л ю ч ат е л ь ; 9 — м и л л и а м п е р м е т р ; 10 — л ам п о в ы й м и л л и в о л ь т м е т р ; И — а н а ­
л и з а т о р га р м о н и к ; 12 — м и л л и в о л ь т м е т р а н а л и з а т о р а ;
— ве к т о р ге о м а гн и т н о го п о л я ;
М М ' — п р о д о л ь н а я о сь ф е р р о зо н д а и ко л е ц Г е л ь м г о л ь ц а .
соответствует величине
показание второго — величине
В кольца подают ток, измеряемый миллиамперметром. Если по­
стоянн ая колец известна, то становится известным и поле, созда­
ваемое в объеме феррозонда. При наличии поля м илливольт­
метр ан ализатора измерит величину Е^з- З н ая напряж енность
поля, создаваемую кольцам и, и располагая значениям и Е^з,
и Ед,, можно оценить чувствительность, порог чувствитель­
ности и качество изготовления феррозонда.
Особенности экспериментальной оценки указан ны х параметров
свидетельствую т о том, что феррозонд по сущ еству явл яется отно­
сительным индикатором поля. Д ействительно, чувствительность
феррозонда определяю т в известном поле, созданном, например,
с помощью колец Г ельм гольца. Об измеренном ж е значении поля
судят по выходной э. д. с. и чувствительности феррозонда. Следо­
вательно, измеренные зн ачен ия есть результат сравн ен и я н а­
пряженности внешнего поля с величиной того ж е наименования.
12
Д о сих пор мы п редполагали, что внешнее поле н аправлено
вдоль сердечников, параллельно продольной оси феррозонда
(см. рис. 1). Однако это всего лиш ь частный случай взаимного
располож ения вектора внеш него поля и продольной оси ф ерро­
зонда. К асаясь экспериментальной оценки чувствительности фер­
розонда, мы уж е говорили о перпендикулярности его оси вектору
геомагнитного поля. По достиж ении перпендикулярности наблю ­
д ал ся минимум выходной э. д. с. феррозонда. Изменение ам пли­
туды выходной э. д. с. в зависимости от ориентации феррозонда
в поле свидетельствует о п ри ­
сущ ем ему свойстве н ап равл ен ­
ности.
Д иаграм м ы направленности
феррозонда
в
геомагнитном
поле в двух различны х плоско­
стях изображены на рис. 4.
Видно, что они представляю т
собой правильные «восьмерки».
М аксимумы диаграмм соответ­
ствую т направлению продольной
оси феррозонда, минимумы —
направлению , перп ен ди куляр­
ному этой оси. Подобные д и а­ Р и с. 4 . Д и аграм м ы н ап р ав л ен н ости
ф е р р о зо н д а .
граммы могут иметь место лиш ь
^ Н ~ г о р и з о н т а л ь н а я с о с т а в л я ю щ а я ге о при косинусоидальной зав и си ­ м а гн и тн о го п о л я ;
— в ер ти к ал ьн ая со­
мости
амплитуды выходной с т а в л я ю щ а я п о л я ;
— п о лн ы й в е к т о р
поля.
э. д. с. от угл а между продоль­
ной осью феррозонда и вектором
внешнего поля. Поэтому можно записать;
Г „5 = С1Н,
(17)
где 1 — единичный вектор, совпадающий с направлением п ро­
дольной оси феррозонда и Н — вектор внешнего п о л я (для ге о ­
магнитного поля пиш ется с индексом Т). Если полож ить Я соз а =
= Яд, где а — угол между векторами ! и Н, то все приведенные
ранее вы раж ения остаю тся в силе, хотя и с оговоркой, что Я„
есть не что иное, к ак п родольная компонента поля.
Свойство направленности феррозондов позволяет использовать
их для измерения компонент поля и углов.
Ч увствительность феррозонда к углу может быть получена
путем дифференцирования (17) по а:
где ] — единичный вектор, совпадающий с нормалью к плоскости,
образованной векторами Н и 1.
Из (18), в частности, следует, что наибольш ая чувствитель­
ность феррозонда к угловым перемещениям (перемещ аться может
13
либо сам феррозонд, либо вектор внешнего поля) наблю дается
в том случае, когда векторы Н и I взаимно перпендикулярны .
Это обстоятельство учиты вается при построении следящ их систем,
в которы х феррозонды использую тся в качестве датчиков угла
рассогласования.
Подводя итог, перечислим основные свойства феррозонда;
1. Ф еррозонд яв л яется датчиком активного типа, преобра­
зующим действующую н а него напряж енность внеш него постоян­
ного поля в э. д. с., кратную по частоте питающему его перемен­
ному току. П реобразование оказы вается возможным б лагодаря
нелинейности магнитных характеристик его сердечников.
2. В зависимости от выбранного режима работы феррозонда
информацию о внешнем поле могут нести первая или в торая га р ­
моники его выходной э. д . с . И спользование второй гармоники
выходной э. д. с. предпочтительнее, поскольку п озволяет ул уч ­
шить соотношение сигнал/пом еха и создать высокочувствительные
измерительные устройства.
3. Феррозонд яв л яется относительным индикатором поля.
Измеренные с его помощью значения представляю т собой р езу л ь ­
тат сравнения напряж енностей внешнего поля с величинами того же
наименования.
4. Ф еррозонд имеет диаграм м у направленности, максимум
которой совпадает с направлением его продольной оси. Н аличие
диаграммы направленности позволяет использовать феррозонд
не только д л я измерения напряж енности поля, но и д л я измерения
углов.
К этому следует добавить, что феррозонд яв л яется наиболее
надежным и помехоустойчивым датчиком магнитного поля. При
малой потребляемой мощности он отличается высоким коэф­
фициентом полезного действия. Ф еррозонд имеет незначительны е
габариты и вес, прост в изготовлении.
Б л агод аря отмеченным свойствам и эксплуатационны м х аракте­
ристикам феррозонды н аход ят все более ш ирокое применение
в различны х устройствах измерительной техники и автоматики.
2. Проницаемость сердечника
К ак было отмечено в § 1, основу феррозонда составляю т фер­
ромагнитные сердечники, находящ иеся под воздействием изм еряе­
мого и вспомогательных полей.
Предположим сн ач ал а, что сердечники имеют форму вы тяну­
тых эллипсоидов с полуосям и а, Ь, с, причем а — б ольш ая полуось.
Если вещество, из которого изготовлен такой эллипсоид, изо­
тропно, то, в соответствии с теорией поляризации тел конечных
размеров, развитой В. К- Аркадьевым [1, 2 ], проницаемость
эллипсоида может быть представлена в виде симметричного тен-
14
зо р а, имеющего компоненты:
1 + л ? Л р - 1) ’
9-6 - И- 1 +
1
:
(19)
1
Рс
•
Здесь Ца, Цй, Цс — относительные магнитные проницаемости
тела в направлении соответствующ их осей, Ма,
— коэф­
фициенты разм агничивания в направлении тех ж е осей и р, — отно­
сительная магнитная проницаемость вещества.
Коэффициенты разм агничивания Ыа, Л^й,
назы ваемы е
так ж е коэффициентами формы, зави сят от соотнош ения п олу­
осей эллипсоида. В общем случае они различны по величине,
хотя д л я любого трехосного эллипсоида
N ^ + N ,+ N ,=
1
.
(20)
Д л я вытянутого эллипсоида вращ ения (овоида)
X
1
1 — Л/а
(21)
(22)
где Я, = а1Ь = а!с.
П ри Я >■ 10, Яд < 0 ,0 2 , а Яб и
находятся в пределах
0,4 9 —0,5. П одставляя эти коэффициенты в (19), видим, что н аи ­
больш ую проницаемость вытянутый эллипсоид имеет в н ап р ав ­
лении большой оси.
Е сли произвольно ориентировать такой эллипсоид относительно
вектора слабого внешнего п оля, то получим;
В а =
= № ^ й '’
(23)
В. =
где Ро = 4 п • 10"’ гн/ж — м агнитная постоянная. Яд, Я^, Яд —
компоненты вектора Н внеш него поля и Вд, Б^, В д— соответствую ­
щие компоненты вектора индукции В внутри эллипсоида. М одули
15
векторов Н и В будут:
Н = у н 1 + Н\ + Н1
(24)
^
(25)
И з-за различия значений
в ^
Н'
ц1, р*
Ё ь,Н ь
в ^ Н’
в
Н’
т. е. вектор В оказы вается непараллельны м вектору Н (рис. 5).
Р и с. 5. Ф ерром агн итн ы е эл л и п со и д и шар в геом агни тном п о л е.
— в е к т о р п о л я ; В — в е к т о р в н у тр ен н ей и н д у к ц и и .
Заметим, что при произвольной ориентации эллипсоида вектор В
отклоняется от вектора Н в сторону большой оси. Если ориен­
тация неизменна, то это отклонение тем сильнее, чем зн ач и тель­
нее величина А, отличается от единицы.
При А = 1 эллипсоид вы рож дается в ш ар. Д л я ш ара
=
=
Аь == Л/,, == 1/3 и р ; = рь = р* = .
Р + 2-
Поэтому вектор
В
в нем всегда параллелен вектору Н (рис. 5).
При А > 1, наприм ер, при А = 100,
^ 4 ,3 -1 0 -* . П оложив
р = 10®, в соответствии с (19) и (22) имеем: р а ^ 2,3-10® и
Рй = рс
2, т. е. в направлении большой оси проницаемость
эллипсоида оказы вается н а три порядка выше, чем в нап равле­
нии малой оси. В этом случае вектор В практически совпадает
с направлением большой оси и компонентой В„, так к а к компонен­
тами Бй и
ввиду их малости можно пренебречь.
Полученный р езул ьтат чрезвычайно важ ен. Он свидетельствует
о том, что сильно вы тянуты й эллипсоид, изготовленный из вещества
с высокой магнитной проницаемостью, фактически намагничивается
под действием составляю щ ей внешнего поля, совпадаю щ ей с на-
16
правлением его продольной оси
и (25) можно записать;
Д л я этого случая взамен (23)
Б = Ро!^*Н
(26)
в = РоР*1Н,
(27)
или
где 1 — орт, совпадающий с направлением продольной оси сердеч­
ника.
С равнивая (27) с (17), нетрудно заклю чить, что н аправленны е
свойства феррозонда могут быть объяснены сильно вы раж енной
анизотропией формы его сер­
дечников.
Н есмотря на то, что про­
д о льн ая проницаемость вы ­
тянутого эллипсоида во много
р аз больш е поперечной, она
10'
всегда меньше проницаемости
N и,3-10
О) вещ ества, из которого и зго­
10
оо товлен этот эллипсоид. З а в и ­
/
00 симость р*(р) д л я эллипсоида
с Я = 100 представлена на
рис. 6 . Видно, что по мере
Р и с . 6. З ав и си м ость п р он и ц аем ости тела
сО увеличения р величина р*
о т п р они ц аем ости в ещ еств а.
приближ ается к некоторому
предельному значению . Это
предельное значение может быть найдено из (19);
(28)
П т р* = ^ = /п.
Величину т назы ваю т проницаемостью формы.
Д л я получения больш их индукций обычно стрем ятся к тому,
чтобы проницаемость тела оказал ась близкой к проницаемости
формы, т. е. к выполнению условия р* ^ т. Однако выполнение
этого условия имеет и более глубокие резоны.
И з (19) следует, что
р * = / ( Я , р).
П ри заданном Я(Я = сопз!) имеем;
(29)
где Ар — приращение проницаемости вещества и Ар* — п р и р а­
щ ение проницаемости тела. Р аздели в левую и правую части этого
вы раж ения на р* и взяв логарифмическую производную от (19)
с учетом того, что р > 1, получим;
Д р* _
Ю. в.
1
/ ^ _________ N
р" ~ V р
1 + Ар
1+А р
Ар
”рГ •
(30)
17
А ф ан асьев
I
М иколй'в ь а дс^'.жавна
|
Равенство (30) показы вает, что относительные приращ ения
проницаемости тела ослаблены в 1 + Л/р раз по сравнению с вы зы ­
вающими их относительными приращ ениями проницаемости ве­
щества. Это ослабление незначительно, если А р < 1. Но оно ста­
новится ощутимым, если А р > 1. Так, наприм ер, при А = 4,3 X
X 10"* (X = 100) и А р > 1 изменение проницаемости вещества
на 30—40% приводит к изменениям проницаемости тела менее
чем на 1 % . Этим весьма важным обстоятельством ш ироко п ользу­
ются на практике.
При А р > 1 взамен (19) можно записать:
р* =
^
=
(3 1 )
что совпадает с вы раж ением (28) д ля предельного значения про­
ницаемости тела.
Заметим, что коэффициент разм агничивания А может рас­
см атриваться к а к своеобразны й показатель магнитной отрица­
тельной обратной связи в теле. О братная связь возни кает за счет
того, что тело, нам агничиваясь в поле, создает собственное раз­
магничивающее поле, направленное внутри тела навстречу внеш­
нему и результирую щ ему полям. Размагничиваю щ ее поле тем си ль­
нее, чем ближ е располож ены в поле полюса намагниченности.
В поперечном н аправлении вытянутого эллипсоида полюса
расположены близко, поэтому и обратная св язь в этом н ап равле­
нии более гл убокая. В продольном ж е направлении полюса р аз­
несены, поэтому об ратн ая связь менее гл убок ая. Эффективность
обратной связи в том или ином направлении тела к а к раз и учиты­
вается с помощью соответствующ их коэффициентов разм агничи­
вания [см. вы раж ение (19)].
П ользуясь представлениями об обратных с в я зя х , легко объяс­
нить не только направленны е свойства тел, но и эффект стабили­
зации проницаемости этих тел. Д ействительно, при определенных
условиях (А р > 1) обратн ая связь становится настолько глу­
бокой, что результирую щ ее поле оказы вается чрезвычайно сл а­
бым, а разм агничиваю щ ее — сравнимым с внешним полем. М а­
лейшее изменение проницаемости вещества приводит к увеличе­
нию размагничиваю щ его поля и, следовательно, к уменьшению
результирую щ его поля, вследствие чего индукция в теле остается
преж ней. Н еизменность индукции при изменении проницаемости
вещества и воспринимается к ак неизменность проницаемости тела.
Т акж е легко объясняется и скошенность вправо (сдвиг Релея)
предельной гистерезисной петли тела относительно гистерезисной
петли вещества. Эта скош енность тем сильнее, чем больш е коэф­
фициент А и, следовательно, глубж е обратная св язь . И з-за н али ­
чия обратной связи тем ж е значениям индукции соответствуют
больш ие напряж енности поля (рис. 7).
Из изложенного следует, что д л я нахож дения различны х маг­
нитных характеристик и свойств разомкнутых сердечников тре­
18
буется знать их коэффициенты разм агничивания. Эти коэффициенты
достаточно просто вы числяю тся д л я сердечников элл и п сои даль­
ной формы. Из (21) д л я сильно вытянуты х эллипсоидов (Я > 1)
имеем:
1п 2Я — 1
(32)
Nа =
Эта формула даж е при Я = 10 позволяет вычислить коэф ­
фициент разм агничивания с погрешностью менее 1 %.
И зготовление сердечников в форме эллипсоидов сопряж ено
со значительными трудностями. Поэтому в ф еррозондах, к а к п ра­
вило, сердечники выполнены, н ап ри ­
мер, в виде вытянутых цилиндров
(проволок) или узких полосок прям о­
угольного сечения (ш тампованных
пластинок).
Трудность вычисления коэффи­
циентов разм агничивания подобных
тел объясняется тем, что строгих ан а­
литических вы раж ений, связы ваю ­
щ их величины коэффициентов с гео­
метрическими размерами этих тел, не
сущ ествует. Подобные тела, приобре­ Р и с . 7. П р ед ел ьн ы е г и ст ер ези сные петли и с р ед н и е кривы е
тая во внешнем однородном поле не­ н ам агничивания в ещ еств а ( ! ) и
однородную намагниченность, х а р а к ­
тела (2).
теризую тся в различны х точках тела
различны ми значениями размагничиваю щ его поля. П оэтому п ри ­
менительно к таким телам мож но говорить лиш ь о некоторы х
усредненных д л я данного участка или всего сердечника в целом
коэффициентах разм агничивания.
Коэффициенты разм агничивания сердечников н еэллипсоидаль­
ной формы обычно находят по таблицам либо вычисляю т по эм пири­
ческим формулам. При этом разли чаю т коэффициенты р азм агн и ­
чивания для центрального сечения сердечника, так назы ваемы е
центральны е или баллистические коэффициенты разм агн и ч и ва­
н и я , и усредненные коэффициенты разм агничивания. У среднен­
ные коэффициенты в свою очередь разделяю тся на дроссельны е
(усреднение на участке, меньшем длины сердечника) и магнито­
метрические (усреднение вдоль всего сердечника). И с теми, и с д р у ­
гими коэффициентами приходится иметь дело, поскольку первич­
ные и вторичные обмотки ф еррозонда, к ак правило, распределены
вдоль сердечников на разной длине.
Коэффициенты разм агничивания сердечников неэлли п сои даль­
ной формы зави сят такж е от величины проницаемости вещ ества.
Это объясняется тем, что последняя влияет на характер распреде­
лен и я намагниченности вдоль сердечников. Коэффициенты растут
по мере увеличения проницаемости вещества, однако при Ур, > 1
достигаю т некоторого определенного значения У » . Т ак как
2*
19
соотношение А р > 1 обычно выполняется, то в дальнейш ем будем
говорить только о предельных значениях центрального ил и
усредненного коэффициентов разм агничивания, о п у ск ая в обо­
значениях индекс оо.
Табл. 1, заим ствованная нами из работы [2 ], дает представ­
ление о различии коэффициентов разм агничивания сердечников
эллипсоидальной и цилиндрической формы в ш ироком диапазоне
изменения А, причем под А цилиндра понимается отнош ение длины
к диам етру.
Таблица I
"к = а]Ь — г/й
10
20
30
50
60
80
10^
1,30
1,25
1,23
1,21
1,21
1,21
1,21
6-102 103
1,19
1 ,1 8
10^
10^
1,17
1,16
Из таблицы видно, что центральный коэффициент разм агн и ­
чивания Ацц всегда меньше коэффициента разм агничивания Аэ
эллипсоида и что при изменении А отношение
изменяется
крайне монотонно. А налогичная связь сущ ествует и между Аэ
и Ацп — коэффициентом разм агничивания сердечников призм а­
тической формы. Это обстоятельство послуж ило известной основ­
ной д л я поиска эмпирических зависимостей Ац (А) или А„ (А'),
где А' = 11Г7 [2— 12].
В работе М. А. Р озен блата [91 показано, что центральны й
коэффициент разм агничивания сплошных и полых цилиндров,
сплошных и наборных стерж ней прямоугольного сечения, а такж е
эллипсоидов мож ет быть вычислен по формуле
Ы
/,
45
1п-
(33)
Лц =
где 5 — площадь поперечного сечения сердечника (для элли п ­
соидов в экваторном сечении), I — длина сердечника, б и й —
поперечные размеры сердечника и к — коэффициент, зависящ ий
от формы сердечника (табл. 2).
Нетрудно зам етить, что д л я эллипсоида вращ ени я {к = 4,
I = 2а и 8 + Н — 2Ь) формула (33) совпадает с (32), т. е. (32)
становится частным случаем более общей ф ормулы (33). Д л я
цилиндра (й = 2,4 и б = А = с1) из (33) имеем:
1п 1 , 2 А - 1 _
(3 4 )
С учетом того, что д л я подавляющего больш инства призмати­
ческих сердечников, используемых в ф еррозондах, можно принять
\пк1/{8 - 1 - Н) ^ 5 [13], получаем упрощенную формулу
А ЦП '
20
(35)
:5 ,2
которая совпадает с формулой, полученной в [41. Заметим, что
ф ормула (35) пригодна лиш ь д л я прикидочных расчетов. Д л я
более точных расчетов следует пользоваться формулой (33).
П ользуясь центральными коэффициентами разм агн ичивани я,
с учетом (23), (31) и ранее сделанны х допущ ений, находим ц ентраль­
ное значение Вц индукции в сердечниках;
(36)
В ‘\ - - Ж Г Р о В -
В сердечниках неэллипсоидальной формы значения Вц яв ­
л яется наибольшим из всех д р у ги х значений индукции, взяты х
по длине сердечника (рис. 8).
К ак показал М. А. Р озенблат
[9, 15], закон распределения ин­
Г
д у кц ии вдоль сердечников неI
I
эллипсоидальной формы сдоста|
точной д л я практики точностью ~ х - 1 / 2
+ 1 /2 + Х
описы вается формулой
^
В г — В ,|
где Вд. — значение магнитной
индукции в сечении, располо­
ж енном на расстоянии а от цен­
трального сечения (рис. 8) и С—
некоторы й постоянный коэффи­
циент, зависящ ий от формы
сердечника (табл. 2).
С учетом (33) и (36) полу­
чено:
%
Ви.
°ср
~+1/г+х
- Х - 1 / 2
-н
Р и с . 8. Р а сп р ед ел ен и е м агн и тн ой и н ­
д у к ц и и вдол ь эл л и п со и д а л ь н о го (а) и
н еэл л и п сои дал ь н ого (б) сер д еч н и к ов .
В.
п1
48
1п
(38)
к1
б + Л
где Уу — усредненный коэффициент разм агничивания сердечника
и (хе — х^) — участок усреднения, обычно занимаемый какойлибо обмоткой. Отсюда
4з
ы
б + й
(39)
я /3
21
Если участок усреднения расположен симметрично относи­
тельно центрального сечения сердечника {х^ = —Хз), то
Ы
4«
1п
Ч -А
(40)
где '/ц, = Ха — XI — дли н а участка усреднения или размещенной
на нем обмотки.
Значения коэффициентов к и С приведены в табл. 2. [151.
Таблица 2
Ф орма серд ечни ка
......................................................
Э л л и п сои д
С тер ж ень п р я м о у го л ь н о г о сечения
Ц и ли ндр ...........................................................
4
3 ,6
2 ,4
О
0 ,7 5
0 ,8 — 0 ,8 5
Формула (40) носит универсальны й характер. О на пригодна
для расчета коэффициентов разм агничивания сердечников элл и п ­
соидальной, цилиндрической и призматической форм. П ользуясь
ею, можно вычислить к а к дроссельные (1^, < 1), так и магнито­
метрические {1^ = I) коэффициенты разм агничивания. Некоторым
недостатком формулы может служ ить лиш ь наличие в ней табли ч­
ных коэффициентов к и С. Однако более поздние попытки замены
этих коэффициентов зависимостями, базирую щ имися на р азл и ч ­
ных, иногда весьма обнадеживаю щ их физических трактов­
ках [ И , 12), пока не привели к повышению точности вычислений.
П ользуясь формулой (40) и выражением (30), можно определить
условия, при которы х проницаемость сердечников |л* оказы вается
стабилизированной. Д ал ее в соответствии с (31) легко определить
и саму величину р*; при АуР > 1 проницаемость р* = 1/Ау.
3. Два основных режима работы
В предыдущем п араграф е было показано, что ферромагнитные
сердечники вы тянутой формы намагничиваю тся во внешнем поле
под действием составляю щ их, которые совпадаю т с их продоль­
ными осями. В слабы х п олях индукции в сердечниках оказы ваю тся
пропорциональными напряж енностям и этих составляю щ их.
Р асп олагая трем я идентичными сердечниками и ориентируя
их в слабом поле таким образом, чтобы продольные оси сердеч­
ников образовали прям оугольную систему координат х, у, г,
в соответствии с (27) получим:
Вх = Уо1х*Нх
[
(41)
Вг =
22
где Нх, Ну, Нг — компоненты вектора Н внешнего п оля. Е сли
величина р* известна и найден способ измерения значений В^,
Ву, Вг, то по этим данным легко определить и значения компонент
Н х , Н у, Нх.
в сильны х полях связь между индукцией в сердечнике и соответ­
ствую щ ей компонентой напряж енности внешнего поля усл о ж ­
н яется. Эта связь становится нелинейной, поскольку прони ц ае­
мость сердечника такж е оказы вается зависимой от напряж енности
поля.
Ф ормально для случая сильны х полей взамен (41) можно з а ­
писать;
В ,( Я 4 = р „ц * (Я ,.)Я „
(42)
где I = X , у, г — индекс соответствующ ей компоненты внеш него
п оля. О днако по сущ еству ф ун кц ия [л* (Я) может быть найдена
лиш ь в том случае, если известна ф ункция В (Я ).
П редставив функцию В (Я ) в виде однозначной зависим ости,
изображ енной на рис. 7 ш триховой линией и назы ваемой сред­
ней кривой намагничивания сердечника, можно найти зависим ость
р.* (Я ), которая примет вид, показанны й на рис. 9 (к р и в ая 1 ).
Заметим, что зависимость р* (Я ) явл яется четной функцией, так
как
р * (Я )^ р * (-Я ).
В и д н о также, что наибольш ее значение р* имеет тогда, когда
Я —^ О, т. е. в слабых полях. С увеличением поля Я величина р*
уменьш ается.
К ак отмечалось в § 1, н а сердечники феррозонда действует
совокупность полей, причем по крайн ей мере одно из них яв л яе тся
переменным. Е сли сердечники характери зую тся нелинейными
свойствами, то проницаемость д л я постоянных и переменных полей
оказы вается различной.
Выше, при описании магнитного состояния сердечников в по­
стоянны х полях мы пользовались нормальной проницаемостью :
РоР* — В! Н.
О писы вая магнитное состояние сердечников в переменных
п о л я х , следует пользоваться дифференциальной проницаемостью
РоРд = й В/ й Н .
И з (42) следует, что и ндукция в сердечнике явл яется функцией
д ву х переменных р* и Я . П оэтому [2]
1 ав
й (р*я)
„
„ йр*
,
Отсю да нетрудно заклю чить, что рд = р* только тогда, когда
Я == О или (1 \1 *1 с1 Н = 0. Во всех других случаях рд ф р*.
Имея кривую р* (Я ) и п ользуясь выражением (43), можно
путем графического построения производной й\х,*1Ш (к асател ь­
23
н ая РО, см. рис. 9) и проведением из начала координат прямой,
ей параллельной (отрезок ОР), получить величину Н й \ П Ш
(отрезок В Е ) . В ы читая эту величину от ординаты кривой р* (Я ),
находим значение Рд (отрезок СЯ). Р яд значений рд, взяты х вдоль
абсциссы, и образует зависимость рд (Я) (кривая 2).
Очевидно, что зависимость рд (Я) такж е яв л яется четной. В то
ж е время она характери зуется гораздо больш ей нелинейностью ,
чем зависимость р* (Я ). Совпадая с нормальной проницаемостью
в области слабы х полей, диффе­
ренциальная
проницаемость
резко падает при насыщ ении
сердечника, о казы в аясь в сотни
раз меньше норм альной.
В § 1 отмечалось, что б л а­
годаря нелинейности в составе
индукций, кроме составляю щ их,
пропорциональны х сумме изме­
ряемого и вспомогательны х по­
лей, появляю тся составляю щ ие,
пропорциональны
е произведе­
Р и с . 9. З ав и си м ость н ор м ал ь н ой {!)
нию этих полей. Эти составля­
и ди ф ф ер ен ц и ал ь н ой (2) п р он и ц аем о­
ющие могут быть назван ы м уль­
сти сер деч н и к а
от
н а п р я ж е н н о ст и
п оля .
типликативными
Они то и от­
ветственны з а возникновение
полезной э. д. с. в феррозонде, см. вы раж ения (4), (5), (6).
Н аличие мультипликативны х составляю щ их индукции само
по себе еще не указы вает на вид используемой нелинейной з а ­
висимости. В общем случае ею может быть к ак р* (Я ), так и рд (Я ).
Д л я того чтобы зн ать, к а к а я из зависимостей и спользуется в к а ж ­
дом конкретном случае, необходимо располагать сведениями
о взаимной направленности полей.
Если измеряемое и вспомогательное поля п араллельн ы , то одно
из них, меньшее по величине, может рассм атриваться к ак п р и р а­
щение другого. В случае безгистерезисных аппроксимаций ф ун к­
цию разлагаю т в ряд Тейлора:
(44)
л= 1
где п — порядок производной. При достаточно малы х значениях
А Н имеем
АЯ = Я (Я + А Я) — Я (Я ) =
О т л ати н ского гпи111рИса(ю — у м н ож ен и е.
24
АЯ = р о Р > Я ,
(45)
т. е. приращ ения индукции, обусловленны е действием поля Д Я ,
оказы ваю тся пропорциональными величине рд. П оскольку ве­
личина рд такж е является функцией поля, выраж ение (45) можно
переписать в виде:
АВ (Я^ АЯ) = рор^ (Я) АЯ.
(46)
Е сли измеряемое и вспомогательные поля взаимно перпенди­
к у л яр н ы , то функция ВII (Н 11+ Н х) не может быть исследована
с помощью разлож ения в ряд (44). В то ж е время исследовать эту
функцию можно очень просто. П редположим, что Н ц — слабое
постоянное поле, а поле Нх = 0. Тогда в соответствии с (27)
имеем:
В 1, = РоР*Я и.
Я сно, что при налож ении поперечного поля (Нх + 0) и ндук­
ция В|, может измениться только за счет воздействия этого поля
на проницаемость р*. Следовательно, можно записать
В | | ( Я | | , Я х ) = РоЕ"{Я х ) Я ||.
(47)
С равнивая вы раж ения (46) и (47), видим, что в одном случае
и спользуется зависимость рд (Я ), в другом — р* (Я ). Эти случаи
хар актер н ы д л я феррозондов с продольным и поперечным возбу­
ж дением соответственно. В главе второй будет показано, что р а з­
личие зависимостей рд (Я ) и р* (Я ) в свою очередь приводит
к различию параметров и характери сти к этих типов феррозондов.
О днако независимо от выбранного способа возбуж дения и дей­
ствую щ ей проницаемости разли чаю т два основных реж има работы
феррозонда. Рассмотрим особенности обоих режимов на примере
работы феррозонда с продольным возбуждением.
И з (45) и (46) следует, что одно из полей (АЯ) долж но быть
во много раз меньше другого (Я ), однако неясно, какое именно —
вспомогательное или измеряемое. Если сохранить обозначения
д л я измеряемого и вспомогательных полей, данные в § 1, то
практически целесообразными оказы ваю тся следующие условия:
1) Ну + Я г + Я„ и 2) Яо < Я ^, Я г = О, которые и л еж ат
в основе двух режимов работы феррозонда.
Режим первый (Я ^ + Я г + Я^). В этом режиме по цепи
возбуж дения феррозонда п ротекает слабый переменный и до­
статочно сильный постоянный ток. Переменный ток образует поле
Я ^ = Я „ 81П со/, которое настолько мало, что не оказы вает или
почти не оказы вает влияни я на величину дифференциальной про­
ницаемости сердечников рд. Н апротив, постоянный ток создает
поле Н 2 , которое может изменить величину рд. Обычно поле
вы бираю т таким, чтобы рабочие точки сердечников оказал и сь на
у ч астках наибольшей крутизны функции рд (Я ). Н а рис. 10, где
изображ ен а правая ветвь ф ункции рд (Я ), такой точкой явл яется
точка А . Измеряемое поле Нд, алгебраически сум м ируясь с
25
полем Не, перемещает рабочую т'очку на у ч астк еП В . Если принять
значение дифф еренциальной проницаемости в точке А за номиналь­
ное, то при полож ительны х значениях измеряемого поля Н^
проницаемость будет уменьш аться, а при отрицательны х — уве­
личиваться. Эффективность управления проницаемостью зависит
от крутизны функции Рд (Я ) в точке А (касательн ая РО). Если бы
поле Не оказалось слабым и рабочая точка переместилась из А
в С, то поле Яц не смогло бы эффективно у п р ав л ять проницаемо­
стью Рд.
иЛ. ^ь
Р и с. 10. К в ы я вл ен и ю о с о ­
бен н остей п ер вого
р еж и м а
р аботы ф ер р о зо н д а
:«
€ % + Яо).
Найдем вы раж ение д л я выходной э. д. с. дифф еренциального
феррозонда (рис. 1) в рассматриваемом реж име работы.
Пусть Яо = 0. Т огда, с учетом идентичности и встречного вклю ­
чения первичных обмоток феррозонда, в соответствии с (44) имеем;
В ’ = В {Не + Я ,) == ро р Я , -
р Г я^
(48)
Я" = Я ( - Я 2 - Я , ) = ро -
р "я
2 -
е;
Х
+
где одним и двум я ш трихам и помечены магнитные величины пер­
вого и второго сердечников феррозонда соответственно. Если сер­
дечники такж е идентичны, то В ' = — В" и вы ходная э. д. с.
феррозонда в соответствии с (2) равна нулю.
Теперь пусть Я,, < 0. Если Яо < Яа, то по аналогии с (48) имеем:
Я ' = Я [(Я 2 + Яо) + Я 1]
р ' ( Я 2 + Яо) + р ; 'Я 1й(Не+Н,) ■ 2
В " = В [ ( - Я 2 + Я о ) - Я 1] = РО - р " ( Я 2 - Я о ) и\
26
(49)
П ервы е члены в правых частях этих выраж ений суть постоян­
ные составляю щ ие индукции. И х можно опустить, п оскольку
п ер вая производная по времени от этих составляю щ их равн а нулю .
Третьи члены не только малы {Н-^ < Я з + Нд), но в первом п ри ­
ближ ении равны по своим абсолютным значениям ( Н д С ^ Н ^ ) И х алгебраической суммой мож но пренебречь. Следовательно,
необходимо учесть лиш ь вторые члены. Отсюда сум м арная индукция
В ' + В" = ро(рд — Рд")Я.
(50)
П риним ая во внимание, что рд = ф (Я а, Нд), вновь восп ользо­
вавш ись выражением (44) и п о л агая, что поле Нд достаточно мало
по сравнению с полем Я а, получим взамен (50):
В ' + В" = 2 р о ^ Я о Я 1 .
(51)
В ы ходная э. д. с. феррозонда в соответствии с (2) и (51), а так ж е
с учетом того, что Я ^ = Нщ з1п со/, будет
е — — 2й)5йУ ро-^Я оЯ тС 08(й/.
ап 2
(52)
С праведливость полученного вы раж ения может быть д о казан а
следующим образом. Очевидно, что величина И-о
^сть не что
иное, к а к вторая производная от индукции по н апряж енности
п оля Я а, т. е.
В зяв вторую производную от ф ункции (3)
(ВВ
и подставив ее значение в (52), получим
е = — 12® ХШаЯаЯоЯтСОЗм/.
Это вы раж ение точно совпадает с соответствующей частью в ы р а­
ж ени я (8). Очевидно, что в отличие от (8), формула (52) носит
более общий характер.
Сущность описанных процессов сводится к следующему. И зм е­
ряемое поле Нд, алгебраически сум мируясь с полем Я а, н ап р ав ­
ленным в объеме первого сердечника в одну сторону и в объеме
второго — в противополож ную , уменьш ает дифференциальную
проницаемость в одном из сердечников и увеличивает ее в другом.
И з-за разли чи я проницаемостей сердечников баланс индукций,
обусловленны х действием переменных полей Н[ — Н т ^ т
и
Нх = — Нт51П ®/, наруш ается. В результате этого во вторичной
27
обмотке феррозонда появляется э. д. с., пропорциональная вел и ­
чине разбаланса, а следовательно, и величине измеряемого поля.
Эти процессы весьма схож и с теми, которые протекаю т в неко­
торых видах магнитных усилителей [14, 15], а так ж е в д р у ­
гих, немагнитных преобразователях (м одуляторах) балансного
типа [16].
Феррозонды, работаю щ ие в рассматриваемом реж им е, равно
как и их прототипы, характери зую тся нелинейной функцией пре­
образования. Это следует из формулы (52) и рис. 10. Д ействительно,
формула (52) получена в предположении, что поле
достаточно
мало по сравнению с полем Н^- Имеющийся в формуле коэффициент
Ро й ц / й Н е суть тангенс угл а наклона касательной РО в точке АВидно, что зависимость рд (Я) совпадает с этой прямой лиш ь
в окрестностях точки А . В точках ж е Я и Я наблю дается зн ач и ­
тельное отклонение зависимости рд (Я ) от прямой РО. Поэтому,
например, при синусоидальном изменении измеряемого поля
Яд = Я тй 81п П / с амплитудой, достаточной д л я периодического
перемещения рабочей точки из Я в Я и обратно, мы не получим
синусоидального изменения функции рд
причем амплитуда
периодической ф ункции рд (П/) окаж ется меньше ожидаемой
синусоидальной.
Нелинейность ф ункции преобразования не я в л яе тся серьез­
ным недостатком рассматриваемого режима работы и с ним можно
было бы мириться, если бы рассматриваемому реж им у не были
свойственны другие, более существенные недостатки (см. § 1, 6).
К преимуществам рассмотренного режима работы феррозонда
можно отнести лиш ь м алую потребляемую мощность по перемен­
ному току.
Режим второй (Яд <
Н е = 0). В этом реж име работы по
цепи возбуж дения феррозонда протекает только переменный ток.
Амплитуда этого тока такова, что создаваемое им поле Я ^ =
= Нт 81П со/ периодически доводит сердечники до состояния
магнитного насы щ ения. Н апротив, измеряемое поле Я , настолько
мало, что наличие его сущ ественно не меняет общей картины перемагничивания сердечников.
Измеряемое поле Я„ алгебраически суммируется в объеме к а ж ­
дого сердечника в полем Н^ (см. рис. 1). Если первичные обмотки
и сердечники феррозонда идентичны, то в соответствии с (44)
имеем:
Я' = Я (Я , + Я „ )= Р о
7,*я
II*//
р Я ^ +I р
д Я
д - - ^ - - ^
(53)
Я" = Я ( - Я 1 + Яд) = Ро
■р Я ^ -ф р д Я о +
Отсюда
В ' + 5 '' = 2 р д р Х -
28
(54)
П ри Нд = сопз1: с учетом (54) и (2) получим;
е = — 25тНдРд
.
(55)
Справедливость вы раж ения (55), по крайней мере с качествен­
ной стороны, очевидна. Д ействительно, э. д. с. во вторичной
обмотке идеально сбалансированного феррозонда при Нд — сопз!;
мож ет возникнуть только за счет изменения во времени дифф ерен­
циальной проницаемости сердечников. Однако вы раж ение (55)
правильно отраж ает и количественные соотношения.
В еличина
есть не что иное, к ак первая производная от
индукции по напряж енности п оля, в данном случае поля Н^.
В зяв первую производную от (3)
ан^ = а + 5ЬН\ = а + - ^ Ь Н
1
ЪН1 со%2 (л1
и подставив ее значение в (55), получим:
е = Ы Ъ $ щ Н д Н \ 51П 2со/.
Это вы раж ение точно совпадает с ранее полученным в ы р аж е­
нием (6).
Н етрудно видеть, что в отличие от (6), вы раж ение (55) носит
более общий характер. Оно пригодно д л я анализа и расчетов н е­
зависимо от вида безгистерезисной аппроксимации В ( Н ) [4, 10,
15, 17— 201*.
Сущность работы феррозонда в данном режиме ясна из рис. 11.
Е сли
>• Нз, где Я 5 — поле насы щ ения сердечников, то в ел и ­
чина р* периодически изменяется от максимального (при Я 1 = 0)
до минимального (при Я ^ = Нт) значений. Эти изменения п ро­
исходят с удвоенной частотой, так к ак р* (Я) = р* (— Я ).
И зм еняю щ аяся во времени проницаемость при наличии по­
стоянного поля Нд приводит к пульсирую щ ей индукции. П у л ь ­
сации индукции происходят так ж е с удвоенной частотой, причем
ам плитуда пульсаций пропорциональна напряж енности п оля Н д .
Эти пульсации и вызывают появление во вторичной обмотке ф ер­
розонда э. д. с. е (Нд) удвоенной частоты.
И з (55) следует, что э. д. с. е (Я„) при прочих равны х услови ях
пропорциональна скорости изменения проницаемости р*. О днако
на участке с о /= 0-ь
(рис. И ), что соответствует изменению от
максимального до минимального значений, эта скорость непо­
сто я н н ая . При
О и
п / 2 скорость изменения р^ стре­
м ится к нулю ; при (о / % 0 эта скорость достигает м аксим ального
зн ач ен и я. По этой причине форма э. д. с. е ( Нд) даж е при наличии
* Н ео босн ован н ы е сом нен и я в сп р ав ед л и в ост и в ы р аж ен и я (55) вы ск азан ы
в р а б о т е [21 ].
29
слабого поля Яд, к а к правило, отлична от синусоидальной и
имеет вид острых пиков.
Н есинусоидальная форма выходной э. д. с. при синусоидаль­
ном поле возбуж дения характерн а для данного реж им а работы
феррозонда [напомним, что в ранее рассмотренном, первом режиме
работы выходная э. д. с. имела синусоидальную форму — см.
выражение (52)]. П ри несинусоидальной форме выходной э. д. с.
ф у н к ц и ю ( с о / ) можно связать по крайней мере с тремя пара-
Нп\-
2л шЬ
Р и с . И . К в ы я вл ен ию особен н остей в тор ого р еж и м а
работы ф ер р озон да
(Я д <
Н и Не =
0 ).
метрами э. д. с. — с ее средним значением, пиковым значением
и амплитудным значением четных гармоник.
У читывая, что максимальное значение р,* имеет место при со/ =
= О, а минимальное — при со/ = п/2, д л я среднего значения вы­
ходной э. д. с. из (55) находим [10, 15]:
Вер —
е с/со/
=
4 - С 0 5 Ш 2 Я оИ о ( Р д м акс
Р д чин
).
(56)
П оскольку обычно р*
> р*
, то из (56) вы текает весьма
важны й вывод: среднее значение выходной э. д. с. феррозонда
однозначно определяется максимальным значением дифферен­
циальной проницаемости сердечников и не зави си т ни от вида
характеристики р* (Я ), ни от закона изменения напряж енности
поля возбуж дения.
30
Д л я получения пикового зн ачен ия выходной э. д. с. при си н \ соидальном поле возбуж дения представим функцию
в виде
(И
Ш 1
И
=
(57)
-^ ш Я „ с о 5 ® /.
Очевидно, что максимальное значение функции
будет иметь
место при значении со/, близком к 0 (см. рис. 11), где
6 = агсзШ
Я а-
(58)
Н„г
угол насыщ ения сердечников. И з (55) с учетом (57) и (58) н ах о ­
дим пиковое значение выходной э. д. с.:
—
25аУаЯоРо
ан,
(И
Я ^ с о зЭ . (59)
В перевозбужденном реж име работы феррозонда, когда Нт +
> Я 5 , 0 —> 0 и взамен (59) можно записать
/ И * \
Е„
(60)
2ш8Ш2ЯоЯ„Ро {~щ
Это вы раж ение совпадает с полученным в работе [10].
И з (59) и (60) следует, что пиковое значение выходной э. д. с.
феррозонда вы раж ается через максимальное значение второй
производной от индукции по напряж енности поля Нр, оно п р о п о р ­
ционально такж е амплитуде этого поля.
Амплитудное значение четных гармоник выходной э. д. с.
феррозонда может быть найдено путем предварительного р а зл о ж е ­
ния функции р* (й)/) в ряд Ф урье. Т ак как ф ункция р* (Я ) ч ет­
н ая , а функция Я ^ (®/) нечетная, то р* (ш/) будет содерж ать
лиш ь постоянную составляю щ ую и косинусы четных гарм он и к
[18—201:
Рд (со/) = Рср +
(61)
И Ргп С05 2 ц и/,
П = \
где Рср
Рд(м/)с/®/
составляю щ ая
я
~
2
г
— среднее
дифференциальной
значение или
постоянная
проницаемости;
Рз„ =
*
) Рд (и /) соз 2п® / с/м/ — амплитуды четных гарм оник диф6
ф еренциальной проницаемости и п = 1, 2, 3. . . — целые числа
(номера четных гармоник).
Подставив (61) в (55), получим;
е (м/) = Атт^НдРд 2
Щт
2пю/,
(62)
п=1
31
т. е. выходная э. д. с. ф еррозонда будет так ж е содерж ать сумму
четных гармоник.
В ыражение (62) весьма удобно: оно позволяет св яза ть ам пли­
туду любой четной гарм оники дифференциальной проницаемости
к а к функции времени с амплитудой соответствующ ей гармоники
выходной э. д. с. Д ействительно, из (62) следует:
Ееп = 4птщН^Цд\1еп,
(63)
где Ееп — амплитудное значение какой-либо четной гармоники
э. д. с.
Из трех возможны х модификаций вы раж ения (55)— (56), (59)
и (63) — последняя имеет наибольш ее практическое значение. И з­
мерение амплитуды какой-либо нечетной гармоники выходной
э. д. с., в частности второй гармоники, оказалось технически более
целесообразным, чем измерение среднего или пикового значения
э. д. с. (см. главу четвертую ). Ф ормулой (63) мы и воспользуемся
в дальнейш ем д л я конкретны х расчетов.
Второй режим работы феррозонда имеет ряд преимуществ по
сравнению с первым. Основное преимущество — четногармониче­
ский спектр сигнала. К ак указы валось в § 1, использование (вы­
деление) одной из четных гарм оник э. д. с. позволяет улучш ить
соотношение сигнал/пом еха, поскольку помеха, обусловленная
разбалансировкой феррозонда, характери зуется во втором ре­
жиме нечетногармоническим спектром э. д. с. Д р у ги м преимущ е­
ством данного реж им а явл яется обеспечение устойчивости (ста­
бильности) н уля феррозондов, которая обусловлена тем, что при
достаточно большой ам плитуде поля возбуж дения перемагничивание сердечников осущ ествляется по предельной петле гистерезиса
(см. § 6). Н аконец, второй режим обеспечивает гораздо больш ий
динамический д иапазон, а такж е более высокую линейность
функции преобразования внутри этого д иапазона.
Е сли первый реж им работы характеризуется тем, что на про­
ницаемость сердечников воздействует измеряемое поле, в то время
как вспомогательное переменное поле используется лиш ь д л я
снятия информации об этом воздействии, то второй реж им работы,
напротив, основан на том, что на проницаемость воздействует
вспомогательное переменное поле, причем б лагодаря этому воздей­
ствию непосредственно и получают информацию об измеряемом
поле. По отношению к измеряемому полю феррозонды, работающие
во втором режиме, могут рассматриваться как параметрические
устройства. О правомерности этой последней трактовки следует
сказать несколько слов.
В работах [22—24] указан ы условия, при которы х нелинейная
цепь может быть зам енена эквивалентной параметрической цепью.
Эти условия могут быть соблюдены в дифференциальном ф ерро­
зонде. Смысл парам етрической трактовки заклю чается в том, что
нелинейная ф ункциональная связь вида (46) зам еняется линейной
А В {^) = р о Р д ( / ) Д Я ,
32
где / — время и Д Я = Нд. Естественно, что так ая зам ена в о з­
м ож на при Нт = сопз! и Яо <С Нт, Т . С . Т О Л Ь К О Д Л Я второго р е­
ж и м а работы феррозонда. По сущ еству парам етрическая тр ак то вк а
содерж ится уж е в вы раж ении (55), хотя наиболее отчетливо он а
вы ступает в (62) *.
Е щ е более правомерна парам етрическая трактовка д л я ф ерро­
зондов с поперечным возбуж дением . Д ействительно, д л я второго
реж им а работы с учетом (47) и при Нтх = сопз! можно ср азу з а ­
писать:
В | | ( 0 = ФоФ*{ОЯ||,
(64)
где Я
ц
= Яо- Отсюда
е = — 5 X0 2 ^ ^ = = — з щ Н д Ц д ^ ,
(65)
т. е. получаем вы раж ение, аналогичное выражению (55). Р азл и ч и е
между ними состоит лиш ь в том, что в (65) ц* — н о р м ал ьн ая
проницаемость, в то время к а к в (55) Цд — диф ф еренциальная
проницаемость.
К преимуществам парам етрической трактовки можно отнести:
а) возможность единого подхода к рассмотрению и изучению
процессов, протекаю щ их в ф еррозондах с продольным и попереч­
ным возбуждением, что и использовано в работах [25, 26 ];
б) физическую н аглядность получаемых вы раж ений и форм ул,
а так ж е адекватность рассмотрения некоторых явлений, обуслов­
ленны х реакцией н агрузки (параметрический резонанс и прочее);
в) простоту вы кладок.
К сож алению , п ользуясь только одной параметрической т р а к ­
товкой, н ельзя полечить общее вы раж ение д л я суммарной э. д. с.
по типу (11) и (12). Однако в этом нет и особой необходимости.
К а к указы валось в § 1, величина помехи, обусловленная неиден­
тичностью сердечников и обмоток дифференциального ф ерро­
зонда, носит в общем случае случайны й характер. Она во многом
зависит от технологии изготовления феррозонда, а поэтому н у ­
ж дается в конкретной оценке, кото р ая, в силу аддитивности си г­
н ал а и помехи, может быть проведена независимо от выбранной
трактовки возникновения полезной э. д. с. Разум еется, это в пол­
ной мере относится и к феррозондам с поперечным возбуж дением ,
хотя механизм возникновения помехи в них иной.
Условие Я { ,+ Нт, полож енное в основу параметрической т р а к ­
товки , практически такж е не явл яется ограничительным. В совре­
менных магнитометрах и д руги х устройствах феррозонды работаю т,
к а к правило, в режиме нуль-индикатора (см. гл ав у пятую ).
П оэтому указанное условие почти всегда выполнимо.
* В п ер ев о зб у ж д ен н о м р еж и м е {Нт~Т> 8 4 ) работа ф ер р озон да м о ж ет бы ть
у п о д о б л ен а работе клю ча, п ер и од и ч еск и р азр ы ваю щ его м агн и тн ую ц еп ь д л я и зм е­
р я ем о го п оля . В этом отнош ени и п ар ам ет р и ч еск ую п р и р о д у ф е р р о зо н д а уд ач н о
х а р а к т е р и зу е т англий ск и й терм ин «Р1их-С а4е» — «калитка д л я п отока».
3
Ю . Б . А ф анасьев
33
И так, парам етрическая трактовка может быть использована
д л я описания второго реж им а работы феррозондов. О на присущ а
этому режиму.
Заметим, что парам етрическая трактовка распростран яется
и на случай, когда Я а =?= О, если сум марная н ап ряж енн ость поля
7^1 + й ' 2 не изменяет своего зн ак а. Это обеспечивается либо за
счет того, что Я г > Н ^ , либо благодаря вклю чению в цепь воз­
буж дения вентиля (полупроводникового диода), подавляю щ его
один полупериод переменного тока [15, 2 7 ]. Основной частотой
периодической функции р,д (/), а следовательно, и полезной э. д. с.
при этом становится уж е не вторая, а первая гарм оника. О днако та­
кой режим работы (Яд < Я ^,
0) мы сознательно исклю ­
чили из рассмотрения. Этот режим не имеет заметных преимуществ
по сравнению с первым режимом и при одинаковой затрате мощ­
ности по переменному току явно уступает второму реж им у.
Таким образом, рассмотренные нами первый и второй режимы
работы феррозонда явл яю тся, по-видимому, единственно противо­
поставляемыми.
Это противопоставление позволяет выявить специфические осо­
бенности каждого реж им а работы, одновременно о тр аж ая одну
из тенденций современной технической физики — разграничение
нелинейных и парам етрических процессов и явлений.
4. И сторическая справка
Феррозонды были изобретены в начале 30-х годов наш его сто­
лети я в связи с поиском методов и средств, пригодных д л я про­
изводства магнитных измерений в движении.
Н аиболее распространенны е в то время механические магнито­
метры, основанные на взаимодействии магнитной стрелки с изме­
ряемым полем и некоторой мерой, воспроизводимой с помощью
магнитов, гравитационны х рычагов и закрученны х нитей [28—31 ],
обеспечивающие высокую точность измерений в стационарны х ус­
л о виях, по вполне понятным причинам не могли быть использованы
д л я точных измерений в движ ении, хотя попытки приспособить
их, например, д л я морской съемки предприним ались неодно­
кратно [32]. С конструированны е на базе механических магнито­
метров специальные приборы такж е не дали ж елаемы х результатов
[33—3 7 ]. Классический метод, составивший эпоху в истории
магнитометрии, о к а зал ся неприемлемым д л я реш ения новых задач.
К тому времени все больш ее и большее внимание начинает уде­
л яться индукционным методам и приборам [38—42].
В 1934 г. А. А. Л огачевы м предложен первый в мире индук­
ционный аэромагнитометр [43—45]. Чувствительны м элементом
или датчиком аэромагнитометра был индуктор — многовитковая
рам ка, вращ аю щ аяся с постоянной скоростью. Прибор вы пускался
серийно заводом «Геологоразведка» под шифром АМ -9Л. В 1936 г.
был произведен первый опытный полет, полож ивш ий начало
34
аэромагнитной съемке — наиболее эффективному методу м агн и то­
разведки, получившему вскоре всемирное признание. А эром агнито­
метр АМ-9Л с успехом п рим енялся до тех пор, пока не был вытес­
нен более совершенными феррозондовыми аэромагнитометрами.
В ряде отечественных и зарубеж ны х работ изобретение ф ерро­
зондов связы ваю т с именами немецких ученых А ш енбреннера
и Губо [461 *.
Ф еррозонд Аш енбреннера
и Губо, называемый_ими «на­
магничиваемой системой», со­
стоял из кольцевого сердеч­
н и к а, выполненного из ж е ­
лезной, «цветочной» прово­
локи диаметром
0,2 мм,
изолированной ш еллаком, и
обмоток, нанесенных поверх
сердечника. П ервичная об­
м отка наматы валась непо­
средственно на сердечник,
вторичная — разм ещ алась на спе­
циальном каркасе, надеваемом на
сердечник (рис. 12, а). В п ерви ч ­
ную обмотку подавался перемен­
ный ток частоты /= 5 0 0 гц. В торич­
н ая обмотка с помощью кон ден са­
тора С н астраивалась в резонанс
на удвоенную частоту 2 /= 1 0 0 0 гц.
Амплитуда э. д. с. удвоенной ч а­
стоты была пропорциональна и з­ Р и с . 12. Ф ер р о зо н д (а) и сх е м а (б)
меряемой компоненте п оля, дей­ м агнитом етра
А ш ен б р ен н е р а
и
Губо.
ствую щ ей Б направлении М М ,
т. е. по нормали к плоскости вит­
1 — к о л ь ц е в о й ф е р р о зо н д ; 2 — г е н е р а ­
т о р ; 3 — и зб и р а т е л ь н ы й
усилитель;
ков вторичной обмотки.
4 —детек то р (н е с и н х р о н н ы й ); 5 —у с и ­
Схема магнитометра Аш енбрен­ л и т е л ь п о ст о я н н о го т о к а ; 6 — р е г и ­
ст р и р у ю щ и й п р и б о р .
н ера
и
Губо изображ ена на
рис. 12, б. М агнитометр предназначался д ля измерения коротк о­
периодных магнитных возмущ ений {I = 1 0 мин-хг 1 1 2 0 сек), об­
условленны х ионосферными явлен и ям и . П остоянная часть гео­
магнитного поля уравновеш ивалась с помощью магнита, разм е­
щаемого вблизи феррозонда.
В магнитометре А ш енбреннера и Губо феррозонд раб отал во
втором режиме. Однако ам плитуда поля возбуж дения бы ла, повидимому, меньшей, чем это требовалось д л я стабильной работы
феррозонда. Авторы указы ваю т на наблюдаемое ими явление
магнитного последействия (медленное смещение н уля после крат»ковременного воздействия на феррозонд сильного поля), а та к ж е
* И н огда уп ом и н ается имя Р о т з и п е р а [4 7 , 4 8 ] , а т а к ж е д р у г и е и м ен а [ 4 9 ] .
3*
35
на сильную зависимость ухода н уля от колебаний тока возбуж де­
ния. Н едостаточная устойчивость н уля послуж ила, по-видимому,
основной причиной акцента на применимости прибора д л я измере­
ния короткопериодных магнитных возбуж дений.
К асаясь принципа действия прибора, Аш енбреннер и Губо
правильно отметили, что по отношению к измеряемому полю
кольцевой сердечник явл яется разомкнутым и к а к бы состоящим
из двух отдельных сердечников. Они привели, к а к аналогичную
опробованной, схему феррозонда, состоящего из д вух прямых
сердечников, и указал и на необходимость учета коэффициентов
разм агничивания сердечников при более точных расчетах. В ос­
пользовавш ись аппроксимацией вида
(3) и получив вы раж ение (6), авторы
дали по сущ еству п равильное, хотя
всего лиш ь феноменологическое опи­
сание работы феррозонда. Н а базе
такого описания н ел ьзя было прове­
сти теоретический ан али з работы
Р и с . 13. М агнитометр П . А . Х а феррозонда, а так ж е определить его
л и л еев а .
оптимальные парам етры .
I — с т ер ж н ев о й ф е р р о зо н д ; 2 — п о д ­
строен н ы й к о н д е н с а то р : 3 — в е н ­
Феррозонды А ш енбреннера и Губо
ти л ь; 4 — ген ератор, 5 , 6 — ф и л ь ­
были усоверш енствованы Ферстером
т р у ю щ а я Н С ц еп ь, 7 — р е г и с т р и ­
ру ю щ и й п р и б о р .
[4, 4 8 ], который взамен кольцевого
сердечника использовал два разде­
ленных друг от д р у га стерж невых сердечника. Ф ерстер при­
менил стержневые феррозонды для испытаний магнитны х мате­
риалов, а такж е создал приборы иного н азн ачен ия, в том числе
д л я измерения разности полей в двух различны х точках (градиенто­
метры). Работы Ф ерстера не были опубликованы .
Независимо от Ф ерстера и примерно в то ж е врем я стержневые
феррозонды были предлож ены П. А. Х алилеевым [32, 4 4 ]. Ф ерро­
зонд П. А. Х алилеева содерж ал один сердечник и одну обмотку,
которая одновременно я в л ял ас ь обмоткой возбуж дения и выход­
ной обмоткой. Ф еррозонд соп рягался с весьма простой схемой
(рис. 13). В начале В еликой Отечественной войны более соверш ен­
ные магнитометры П. А. Х али леева были выпущены д л я магнито­
разведочных работ.
Ретроспективно, главны м образом в свете исследований
Г. С. Г орелика 150], мож но у казать так ж е на работы Гаррисона
[51—5 3 ]. Гаррисон обратил внимание на зависимость импеданса
ферромагнитной проволоки, по которой пропускали слабый пе­
ременный ток, от воздействующ его на нее в продольном н ап равле­
нии внешнего постоянного поля. Бы ло установлено, что наблю ­
даемый эффект по п о ряд ку величины сильнее, чем магниторези­
стивный эффект (изменение омического сопротивления цепи под
воздействием перпендикулярно направленного к ней магнитного
поля [54]). По сущ еству Гаррисон имел дело с феррозондами,
возбуждаемыми слабым поперечным полем, требующ ими подмаг-
36
н ичивания постоянным продольны м полем, т. е. работаю щ ими
в первом режиме. П редставление об особенностях магнитометра
Гаррисона и трудностях его балансировки дает схема, изобра­
ж ен н ая на рис. 14.
В 1944 г. группой сотрудников Горьковского ф изико-техни­
ческого института (Г. С. Г орели к, И. Л . Берш тейн, К- А. Воро­
нина и И . С. Ж укова) был предлож ен феррозонд с поперечным
возбуж дением, выходной си гн ал которого имел удвоенную ч а­
стоту [50, 55—5 8 ]. М еханизм возникновения выходного си гн ала
Р и с . 14.
Ч у в ст в и тел ь н а я си стем а м агнитом етра Г а р ­
р и со н а .
I — и с т о ч н и к т о к а с м е щ ен и я. 2 — о т р е зк и ф е р р о м а гн и тн о й п р о в о л о к и ; 3 — т р а н с ф о р ­
м а т о р ы ; 4 — б а л ан с и р о в о ч н о е с о п р о т и в л е н и е ; 5 — б а л а н с и р о в о ч н а я и н д у к т и в н о с т ь ; 6 —
ге н е р а т о р ; 7 — б а л а н с и р о в о ч н ы й п о тен ц и о м етр ; 8 — вы х о д н ы е к л е м м ы .
не был тривиальным. А вторы установили ф акт зависимости про­
дольной компоненты индукции, вызванной измеряемым полем, от
величины поперечного поля. Это был эффект обратный тому, ко­
торы й наблю дал Гаррисон. Авторы не только обнаруж и ли этот
обратный эффект, но и физически правильно объяснили его.
В свете их объяснений становился более ясным и прямой эффект.
О братный эффект характери зовал ся иными количественными соот­
нош ениями, которые соответствовали второму реж им у работы
феррозонда.
Ф еррозонд горьковчан и сопрягаемы е с ним элементы изм ери­
тельной схемы изображены н а рис. 15.
К сож алению , из-за трудностей военного и послевоенного пе­
риодов промышленное освоение магнитометров горьковчан з а ­
тян улось у нас на многие годы. Первые сообщения о внедрении
этих приборов поступили и з-за рубеж а [59, 60].
Весьма интенсивное развитие феррозондовые магнитометры по­
лучили в США. Н езадолго до второй мировой войны В акье [49,
37
61, 62] привлек внимание ам ериканских ученых и специалистов
к немецким магнитометрам. Имелся в виду, по-видимому, прежде
всего прибор А ш енбреннера и Губо. Американцы повысили чув­
ствительность магнитометра и изобрели способ автоматической
ориентации феррозонда по направлению вектора геомагнитного
поля. Однако первые публикации об этих работах появились
лиш ь в 1946— 1947 гг. [61— 68].
Вслед за Советским Союзом, где впервые был разработан и внед­
рен метод аэромагнитной съемки, в США такж е развиваю т этот
метод, но на основе использования феррозондов. Во врем я войны
Р и с . 15. М агн и том етр , п р едл ож енн ы й г р уп п ой с о ­
тр у дн и к ов Г ор ь к ов ск ого ф и зи к о-техн и ч еск ого и н с т и ­
тута.
I — п р о во л о ч н ы й ф е р р о зо н д ; 2 — и зб и р ат е л ьн ы й у с и л и ­
т е л ь ; 8 — ге н е р а т о р ; 4 — д е т ек то р ; 5 — р е ги с т р и р у ю щ и й
прибор.
американцы уже располагали феррозондовым аэромагнитометром,
который предназначался д л я поисков подводных лодок. Позднее
на базе этого магнитометра был создан прибор, пригодный и для
геофизической разведки.
В своих магнитометрах ам ериканские специалисты исполь­
зовали стержневые феррозонды , работающие, к а к правило, во
втором режиме. Они прим еняли к ак двухстерж невы е, так и одно­
стерж невы е феррозонды. Н екоторое представление о специфике
соп ряж ен ия этих феррозондов с другими элементами магнитоме­
тров дают схемы, изображ енны е на рис. 16.
Впервые более или менее детальны й анализ теоретических основ
работы феррозондов д ал Ф ельдткеллер [4], обобщ ивш ий данные
неопубликованны х работ Ф ёрстера. Ф ельдткеллер правильн о оце­
нил необходимость учета коэффициента разм агничивания сердеч­
ников и провел четкое разли чи е между проницаемостью вещества,
формы и тела, п о льзуясь при этом известной схемой В. К. А р­
кадьева [1, 2 ], хотя и не ссы лаясь на нее. Он рассмотрел"возмож ­
ные режимьГработы и вывел формулы для’приближ енны х расчетов
феррозондов с продольным возбуждением.
Фелч и др. [63], ап п рокси м и руя кривую нам агни чи ван и я сер­
дечников феррозонда ломаной линией, вычислили ам плитуду вто­
38
рой гарм оники выходной э. д. с. к а к функцию измеряемого поля
и п о ля возбуж дения. П олученны е величины оказали сь достаточно
близким и к наблюдаемым на п ракти ке. Авторы эксперим ентально
установили такж е некоторые законом ерности, характери зую щ и е
св я зь между уровне.м шумов ф еррозонда и выбранным реж имом
его работы.
Вопросам балансировки (уравновеш ивания) диф ф еренциаль­
ных феррозондов посвящ ена работа В урма [48]. В опросам применимости феррозондов
а)
в различны х областях
измерительной техники
были посвящ ены рабо­
8ых
ты [69—8 0 ].
Послевоенный^ этап
р азв и ти я
феррозондо­
вого метода измерения’в
Советском Союзе связан
1X 1
с именами М. А. Розент а
б лата, С. Ш. Д олгинова,
Р. И. Я нуса и др.
5) 6
М. А. Р озенблат вы­
вел достаточно точную
10
и универсальную фор­
'■'ге
м у л у !Для^ численной
оценки
коэффициен­
тов
разм агничивания
стерж невы х _сердечни­
ков
разного сечения
[см. вы раж ение (40),
Р и с . 1 6 .„Ч увстви тел ьн ы е системы а м ер 1|к а н с к и х
§ 2 ], а такж е с учетом
м агн итом етров.
работы [63] дал вполне
I — д в у х с т е р ж н е в о й ф е р р о зо н д : 2 — ш у н т и р у ю щ е е
тр а н с ф о р м а т о р ы ; 4 — б а л а н с и р о ­
приемлемые
формулы вс оо пч нр оо ет исволперноитеи; в 3л е—
н и е ; 5 —д е т е к т о р -у с и л и т е л ь ; 6 — о д ­
дл я р асчета фер р озондов н о с т е р ж н е в о й ф е р р о зо н д ; 7 — б а л л а с т н о е с о п р о т и в л е ­
н и е; 8 — п о ло со во й ф и л ьт р н а ч ас т о ту
9 — ген ера­
[9, 13].
т о р ; 10 — полосовой ф и л ьт р н а ч а с т о т у 2}.
С. Ш. Д олгинов про­
верил формулу М. А. Р озен бл ата д л я коэффициента разм агн и ­
чиван и я на большом количестве сердечников разной длины и сече­
н и я , установив ее хорош ее соответствие экспериментальны м д а н ­
ным, а такж е, аппроксим ируя кривую нам агничивания сердеч­
ников арктангенсом, вы числил ам плитуду второй гарм оники
выходной э. д. с. и определил другие параметры феррозонда.
С. Ш. Д олгинов выполнил достаточно подробный обзор-ан али з
предш ествую щ их работ, подчеркнув перспективность ф еррозон­
дов с продольным возбуж дением , работаю щ их на удвоенной
частоте 68],
Р- И. Я нус, Л . X . Ф ридман и В. И. Д рож ж и н а дали общую
теорию феррозондов с продольным возбуждением, работаю щ их во
втором реж име [10]. Н е за д ав ая сь какой-либо конкретной аппрок-
I
39
симацией кривой нам агничивания сердечников, п о льзу ясь мате­
матическим разлож ением индукции от суммарного п оля в ряд Тей­
ло р а и считая измеряемое поле достаточно малым по сравнению
с полем возбуж дения, авторы получили вы раж ения д л я среднего
и пикового значений, а так ж е д л я м аксимальны х значений ам­
плитуд четных гарм оник выходной э. д. с. феррозонда. В работе
даны рекомендации, касаю щ иеся устранения явлен и й, вызы ваю ­
щих уход н уля феррозондов, в частности, отмечена целесообраз­
ность применения сердечников стреловидной формы и сокращ ения
длины измерительной обмотки.
Р . И. Янусом и его сотрудниками предложен та к ж е и сам тер­
мин «феррозонд», отличаю щ ийся лаконичностью и отраж аю щ ий
наиболее сущ ественное в устройстве — наличие в нем феррома­
гнитного сердечника, намагничиваем ого в измеряемом поле. В н а­
стоящ ее время этот терм ин получил наибольш ее распростра­
нение *.
Н.
Н . Ш умиловский и Б . И. Б лаж кеви ч установили основные
соотношения, пригодные д л я ан ал и за и расчета дифф еренциальных
феррозондов с продольным возбуждением, работаю щ их в первом
реж име [71—73].
В этот ж е период д л я н уж д геофизической служ бы были р а з ­
работаны , а затем вы пускались серийно несколько моделей феррозондовых магнитометров.
В. Н . Пономаревым [85, 86] был разработан полевой перенос­
ный магнитометр ПМ-3.
Больш им
коллективом
специалистов,
возглавляем ы м
Г. С. Смирновым [44, 4 5 ], были разработаны аэромагнитометры
АЭМ-49 и АСГМ-25. В этих магнитометрах феррозонды работали
во втором режиме. О днако выходным сигналом сл у ж и л а не вторая
гармоА гка, а пиковое зн ачение э. д. с., являю щ ееся результатом
суперпозиции четных и нечетных гармоник. Необходимый уровень
нечетных гармоник э. д. с. на выходе ф еррозонда обеспечивался
з а счет его начальной разбалансировки [45, 61, 6 2 ].
З а последние 10— 15 лет на основе упомянуты х теоретических
работ, а такж е на базе приобретенного опыта по созданию первых
моделей магнитометров, были созданы более соверш енны е ферро­
зондовые магнитометры геофизического н азн ачен ия. К ним отно­
сятся магнитометр д л я немагнитной ш хуны «Заря», переносный
магнитометр
М-17,
вы сокочувствительные аэромагнитометры
АМ-13 и АММ-13, магнитометр комплексной аэрогеофизической
1 М енее удачны терм ины «ж елезонасы щ ен ны й зон д» и «магнитонасы щ енны й
датчик». Ч то к асается тер м и н а «м агнитом одуляционны й датчик» [1 3 , 8 2 ] , то,
по наш ем у м н ен ию , ег о с л ед о в а л о бы сохр ан и т ь как о б о б щ ен н о е п он я ти е для
б о л ее ш и рокого к ласса ак ти в н ы х и н дук ц и он н ы х п р ео б р а зо в а т ел ей . К р ом е ф ер р о ­
зо н д о в в число та к и х п р ео б р а зо в а т ел ей в х о д я т и н дук тор Б а р н ет т а [ 8 3 ] , датчик
Г. В . Б р а у д е [8 4 ] и т. п. Э ти п о сл ед н и е устр ой ств а не с о д е р ж а т ф ер р ом агни тны х
сер д еч н и к о в , хотя в и х о б ъ ем е т а к ж е осущ еств л я ет ся м о д у л я ц и я м агнитного
поток а.
40
станции АСГ-46, серия магнитометров д л я космических исследо­
ваний и т. д. и т. п. В новых м агнитометрах феррозонды, к а к п р а ­
вило, работаю т во втором реж им е, причем полезным сигналом с л у ­
ж и т вторая гармоника, вы деляем ая из общего спектра выходной
э. д. с. (см. главы четвертую и пятую ). Новые магнитометры от­
личаю тся высокой чувствительностью и более устойчивым нульпунктом.
В создании указанны х приборов принимали участие С. Ш. Д о л ­
гинов, Л . Н. Ж узгов, В . |Н . М ихайловский, Р . Я . Б ерк м ан ,
Ю . И. Спектор, И. Г. Г ольдреер, Ю. В. А фанасьев, В. Л . К ан то­
рович, О. П . Хвостов, Н. С. М атвеев, В. Ф. Ефремов, В. П . Л ю л и к ,
Л . Г. К адинская и др. С ерийный вы пуск приборов освоен зав о ­
дом «Геологоразведка» МГ СССР.
К ратки й обзор по зарубеж ны м феррозондовым магнитометрам
геофизического назначения, разработанны м в последнее десяти ­
летие, дан в работе [87].
Ссылки на наиболее важ н ы е теоретические работы этого ж е
периода будут даны по ходу дальнейш его и злож ения.
ГЛАВА В ТО РА Я
П А Р А М Е ТР Ы И Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И
ФЕРРО ЗОНДО В
5. Чувствительность
В § 3 были даны общие вы раж ен и я, связы ваю щ ие величину
полезной э. д. с. с конструктивны м и параметрами ф еррозонда и
реж имом его работы. Теперь н адлеж и т конкретизировать эти вы ­
р аж ен и я и определить оптим альны е условия работы д л я каж дого
типа ф еррозонда в отдельности.
С учетом двух способов н ал ож ен и я вспомогательны х перем ен­
ных полей и двух основных реж им ов работы можно усмотреть по
крайн ей мере четыре типа феррозондов:
1) с продольным возбуж дением , работающ ий в первом реж им е;
2) с поперечным возбуж дением , работающ ий в первом реж им е;
3) с продольным возбуж дением , работаю щ ий во втором реж им е;
4) с поперечным возбуж дением , работающ ий во втором реж им е.
Д л я этих четырех типов мы и определим условия, при которы х
достигается оптим альная чувствительность. К ак и ранее, будем
п ользоваться безгистерезисны ми аппроксимациям и.
1.
В соответствии с (13) и (52) д л я дифф еренциального ф ерро­
зонда первого типа имеем
0 ,=
ано'
=
(6 6 )'
41
Из этого вы раж ения видно, что чувствительность феррозонда
прямо пропорциональна частоте поля возбуж дения, площ ади
поперечного сечения сердечников, количеству витков вторичной
обмотки, амплитуде поля возбуж дения и крутизне характери сти ки
[X* (Я) в рабочей точке. В вы раж ение введен так ж е коэффи­
циент 5 ^ 1> зави сящ ий от конкретны х особенностей феррозонда
(см. главу третью).
Величины ш, 5, ^ 2 будем считать заданными и в р ам ках про­
водимого сопоставления одинаковыми д л я всех типов ф еррозон­
дов. В известном смысле заданной можно считать и величину Н^По условию первого реж им а работы {Нт < Я а + Нд) эта вели­
чина долж на быть достаточно малой. Во всяком случае влияни е ее
на чувствительность очевидно. Менее очевидно вл и ян и е поля Я зИ з (66) следует, что при прочих равны х усл ови ях чувствительс1 ц*
о к а­
ность феррозонда будет наибольш ей, если величина
ж ется максимальной. Н а рис. 10 это максимальное значение соот­
ветствует точке А (к асател ьн ая РО). В других точках кривой
йуР
будет меньшим, за исклю чением, разузначение
К (^ )
ан.
меется, точки А , располож енной на левой ветви четной ф унк­
ции р,* (Я ) симметрично точке А (на рис. 10 не п оказана).
Значение й р ^ й Н ^ мож ет быть найдено, если известно ан ал и ­
тическое вы раж ение кривой р.* (Я ) или В (Я ). П усть, наприм ер,
ф ункция В (Я ) аппроксим ирована степенным полиномом [23,
88—90];
(67)
В = а Я + ЬЯ® + сЯ®,
где а, Ь, с — коэффициенты аппроксимации*. Тогда, в зяв вторую
производную от функции Р-* (Я ) и п риравняв ее зн ачение нулю:
= 6 ( 6 + 10сЯ^) = 0,
йН\
находим оптимальную величину поля Н^'.
—
Н % опт ~
6
Юс
Отсюда
1*0
К
сР В
ЛН2 о п т
= 66Я 2 опт + 20 сЯ ^ пт = 46 ] /
— ь
Юс
* В отличие о т ап п р ок си м ац и и ук ороченн ы м полиномом (3 ), д а н н а я а п п р о к си ­
м ация п ригодна не тол ьк о д л я кач ествен н ого оп и сан и я п р о ц ессо в в ф ер р ом аг­
нитны х ц е п я х , но и дл я п р ак т и ч еск и х расчетов.
42
П одставив это значение в (66), получим
,=
8
(йЗщНт 1 Ь ] /
___
^
Юс
(68)
Коэффициенты аппроксимации функции (67) могут быть найдены ,
наприм ер, по методу, предлож енном у в работе [89]. А налогичны м
путем могут быть получены вы раж ен и я для оптимальной чувстви­
тельности и при д ругих аппроксим а­
а)
ц и ях .
Вид зависимости О 1 {Не), а так ж е
схем а д л я экспериментальной проверки
этой зависимости даны на рис. 17.
П ри экспериментальной п роверке
изм еряется амплитуда
выходной
^^2апт Н,
э. д. с. к ак ф ункция полей Яц, Н ^ и
Не- Е сли Но = сопз]; и Я „5 = сопзК то
^ 15( ^ 2) = НоОх{Не 1 ,
т. е. ход зависимости Е^ ^ {Не) повто­
р яе т зависимость 0 ^ {Не). А так как
чувствительность пропорциональна про­
изводной й\Е‘^ й Н е , то, р ас п о л ага я з а ­
висимостью ^15 {Не),
мы получаем
информацию об истинной кри визн е
м агнитны х характери сти к сердечников.
Эта информация может о к а зать ся полез­
Р и с . 17. З а в и си м о ст ь ч у в ­
ной д л я оценки степени прибли ж ен ия
ствительности ф ер р о зо н д а о т
аппроксимирую щ ей ф ункции к действи­ в сп ом огател ьн ого п о ст о я н н о ­
тельной.
го п ол я (а) и сх ем а д л я э к с ­
п р ов ер к и
Очевидно, что д л я оценки чувстви­ п ер им ентал ьн ой
эт ой зав и си м о ст и (б).
тельности феррозондов, работаю щ их в
д; 2 — ан али затор
первом реж име, нет необходимости ап­ 1га р—м офнеиркр;о зо3 н—
м и лливольтм етр
проксим ировать всю кривую н ам агни ­ а н а л и з а т о р а ; 4 — р а з д е л и т е л ь ­
н ы й к о н д е н с а то р ; 5 — д р о с с е л ь ;
ч и ван и я сердечников. Д остаточно ап ­ 6 — м и л л и а м п е р м е т р ; 7 — п е р е ­
ное с о п р о т и в л е н и е (м а г а з и н
проксим ировать лиш ь тот участок кри ­ мен
с о п р о т и в л е н и й ); 8 — г е н е р а т о р ;
вой, в пределах которого перем ещ ается 9 — и сто ч н и к п о с т о я н н о го т о к а .
рабочая точка. Н а рис. 10 эти пределы
соответствую т точкам В я Е . У часток В Е в свою очередь соот­
ветствует участку с наибольш ей кривизной характери сти ки В (Я ).
В работе [71 ] участок С наибольш ей кривизны ф ункции В (Я)
аппроксимирован н атуральн ой п оказательной функцией. А вторы
наш ли условия, при которы х д ости гался оптимальный ток смещ е­
н и я феррозонда, а так ж е п оказал и , что при малых зн ач ен и ях тока
возбуж дения составляю щ ими высших гармоник выходной э. д. с.
практически можно пренебречь. Они получили вы раж ение д л я
чувствительности:
=
43
где
— коэффициент при первой гармонике р азл о ж ен и я неко­
торой функции в ряд Ф урье, со — круговая частота си н усои даль­
ного тока возбуж дения,
— амплитуда этого тока, /„ — вели­
чина тока смещения. В ходящ ие в формулу коэффициенты а, с
и Ъ определялись эксперим ентально. Авторы отмечали, что п ар а­
метр а связан с проницаемостью материала сердечников, их
коэффициентом разм агн ичивани я и количеством витков вторичной
обмотки, а параметры с и 6 зави сят от числа витков первичных
обмоток.
О днако с учетом вы раж ен и я (66) для инж енерны х расчетов
можно получить значительно более простое вы раж ение.
А ппроксимируем рабочий участок функции р* (Я ), соответ­
ствующий участку наибольш ей кривизны характери сти ки В (Я ),
прямой линией (рис. 18). Очевидно, что на всем протяж ени и п р я ­
мой (участок аЬ) кр у ти зн а постоянна и равна
где На я
— соответственно значения поля в точ ках а и Ь,
Я 5 — значение поля, соответствующ ее оптимальному значению
поля Я з , а так ж е совпадаю щ ее с точкой наибольш ей кривизны
характеристики В (Я ), т =
— максим альное значение
дифференциальной проницаемости сердечников (величиной Рд^,„н
пренебрегаем). Е сли учесть, что
Я а — Ва и„ иИ з
РоОТ
то В соответствии с
(66)
и
(69)
Ез
р„т
получим :
■
Р ''*
где В ^ — индукция, соответствую щ ая начальной точке криволи­
нейного участка ф ункции В (Я ), и
— и ндукция насыщ ения
(рис. 18).
Удобство формулы (70) состоит в том, что в ней чувствитель­
ность непосредственно св я за н а с максимальной проницаемостью
сердечников, зависящ ей от их формы, и парам етрам и м атериала
(вещества), которые от формы не зави сят. Д ействительно, при
Л/р > 1 величина т мож ет быть вычислена по формуле (40) с уче­
том соотношения (31). Ч то касается значений Вд и В^, то они мо­
гут быть получены из характери сти ки В (Я ), снятой на торои­
дальном образце, изготовленном из того ж е м атери ала, либо взяты
из соответствующ их справочников. Из построений ти п а «релеева
сдвига» (рис. 18) следует, что значения Вд и В 5 не зав и ся т от из­
менения формы сердечников (характеристики сердечников изме­
ненной формы даны в ш трихованной системе обозначений).
44
Заметим, что аппроксим ация рабочего участка х ар а к тер и ­
стики |т* (Я) прямой линией эквивален тн а аппроксимации соот­
ветствую щ его участка характери сти ки В (Я ) параболической з а ­
висимостью. Подобные аппроксимирую щ ие зависимости бли зки
к действительным и могут быть использованы не только в п ри ­
кладн ы х, но и исследовательских ц елях [91]. В ряд е случаев
взамен дифференциальных двухстерж невы х феррозондов исполь­
зую т одностержневые, а в качестве выходного парам етра выби­
раю т не амплитуду первой гарм оники э. д. с., а частоту или ф азу
н ап р яж ен и я, действующего в выход­
ной цепи.
Н а рис. 19, а приведена схема
магнитометра с частотным выходом.
Одностерж невой феррозонд 1 подклю ­
чен к ш ирокополосному усилителю 3
таким образом, что об разуется схема
ген ератора с индуктивной обратной
связью . К олебательны м контуром
ген ератора является одна из обмоток
феррозонда, к которой подключен
конденсатор С и
В отсутствие измеряемого поля
величина индуктивности, а след ова­
тельно, и резонансная частота гене­
р ато р а соответствуют некотором у
миним альному значению . П р и н ал и ­
чии измеряемого п оля индукти в­
ность обмотки получает п р и р ащ е­ Р и с. 18. К ап п р ок си м ац и и ф у н к ­
ции р* (Н ) л ом ан ой л и н и ей .
ние, приводящ ее в свою очередь к
изменению частоты генератора. Д р у ­
га я обмотка феррозонда п редназначена для подачи тока обратной
связи (через делитель н ап р яж е н и я Я е В з и разделительны й кон­
денсатор Сз) и тока смещ ения (поступающ его от источника 2 через
сопротивление ВТ)- П ри ращ ен и я частоты могут быть зареги стри ­
рованы с помощью частотны х дискриминаторов (детекторов), счет­
ны х схем (частотомеров) и д руги х устройств, ш ироко исполь­
зуем ы х в системах с частотной модуляцией [92, 9 3 ].
Схема магнитометра с фазовым выходом приведена на
рис. 19, б. В этой схеме ф еррозонд 1 содерж ит всего лиш ь одну
обмотку, которая последовательно с разделительны м конденса­
тором Се и сопротивлением Я 4 вклю чена в цепь ген ератора 4.
В эту ж е обмотку от источника 2 поступает и ток смещ ения. В от­
сутствие измеряемого поля меж ду напряж ением и током в цепи
имеет место некоторая н ом и нальн ая разность фаз ф„ом =
= агс 1§ —
на личии поля индуктивность обмотки по­
лучает приращ ение А1 д, вследствие чего наблю дается та к ж е и
приращ ение Аф. П ри ращ ен ия фазы могут быть зарегистрирован ы
45
с помощью фазовых дискрим инаторов (детекторов) и других
подобных устройств, используемы х в системах с фазовой моду­
ляцией [93, 94].
Чувствительность феррозонда в таких схемах мож ет быть вы­
раж ен а через дифф еренциальную индуктивность рабочей обмотки
и приращ ение этой индуктивности к а к функции измеряемого поля.
Н оминальное
значение дифференциальной индуктивности
(Я з = Язопт Нд = 0) будет
НОМ
Еднои —
(71)
2 /„
а)
ю
Сг
Шо)
X
Но
1
с?
■\ к,
' )
/
/1
/?«
ГГ
Рис
19. С хемы ф ер р о зо и д о в ы х м агнитом етров с ч а ст о т ­
ным (а) и ф азовы м (б) вы ходом .
где 5 — поперечное сечение сердечника, ю и 1 ^ — соответственно
количество витков и дли н а обмотки, | — коэффициент, зависящ ий
от конструкции. С другой стороны
ан.а опт АН,
(72)
где А Н = Нд. Отсюда
АЕд =
вТ-Д ном
ан.
а!р д ном
- АН.
(73)
П о л ьзу ясь формулами (71) и (73), можно в каж дом конкретном
случае найти вы раж ение д л я чувствительности одностерж невого
феррозонда. Т ак, д л я схемы магнитометра с частотным выходом
при условии, что рабочий участок зависимости р.* (Я ) ап прокси­
мирован прямой линией (рис. 18) и
= т, имеем;
О, =
А/
ДЯ
б/
м
д ном
АЯ
А1д
дном
ДЯ
(74)
4яш (В з
-5 а )]/
где С =
(см. рис. 19, а). Аналогичным образом мож но получить
вы раж ение и д л я чувствительности 0^ одностерж невого ф ерро­
зонда, используемого в магнитометре с фазовым выходом.
46
2.
Н а некоторых особенностях второго типа ф еррозондов мы
останавли вались в § 4. О тмечалось, что чувствительные к м агн и т­
ному полю устройства, разработанн ы е Гаррисоном (см. рис. 14),
есть не что иное, к ак ф еррозонды с поперечным возбуж дением ,
работаю щ ие в первом реж им е. Б олее соверш енная схема м агнито­
метра с феррозондом этого ти п а изображ ена на рис. 20.
Ф еррозонд 1 выполнен в виде полой ферромагнитной трубки ,
во внутрь которой пропущ ен п ровод.'П о проводу протекает слабый
переменный ток Д , создающ ий ц и рк улярн ое поперечное поле Я ^ .
И ндуктивность цепи мож ет быть увеличена замечет м ногократного
про п у скан и я провода сквозь труб ку, в виде тороидальной обмотки,
ко то р ая явл яется плечом уравн ове­
шенного моста 5, к одной из д и аго­
и
налей которого подключен ген ера­
тор переменного тока 4. Н еобходи­
Нг.
А
мое начальное смещение в (ферро­
зонде создается с помощью обмотки,
распределенной вдоль сердечника и
подклю ченной к источнику постоян ­
ного тока 2. В отсутствие и зм еряе­
мого поля Яд мост 3 уравновеш ен и Р и с 2 0. Схем а м агн и т ом етр а,
выходное напряж ение, снимаемое с в к отор ой п р им енен ф ер р о зо н д
с
поперечны м
в о зб у ж д е н и е м ,
другой его диагонали, равно нулю.
работаю щ ий в первом р еж и м е.
П ри наличии поля Я д индуктивность
ф еррозонда получает п риращ ение, равновесие моста наруш ается
и н а выходе схемы п оявл яется н ап ряж ени е Я^.
Е сли материал, из которого изготовлена ф ерром агнитная
тр у б ка, изотропен, то
В
Я„
В
(75)
Я
X
где
в = у в \ + в \ ,
н = у н \ +
Я 1,
(76)
!
причем
Я || = я , 2 + я ,го-
(77)
т. р. яв л яется внутренним полем [1, 2 ], что следует из (75).
П о условию работы ф еррозонда в первом реж име имеем:
<
< Я ||. Тогда взамен (76) мож но записать Я =& бц и Я ^ к Я ц .
Следовательно, магнитное состояние трубки почти целиком з а ­
висит от продольного поля.
П о аналогии с излож енным в п. 1
дмакс
■д НОМ
‘■жХ
2^ /„
‘ еиХ
(78)
где т — количество витков обмотки возбуж дения ( д л я ф ерро­
зонда, изображ енного н а рис. 20, ш = 1), «х — площ адь попереч-
47
ного сечения сердечника д л я поперечного поля,
— д л и н а об­
мотки возбуж дения, р ав н ая длине окруж ности труб ки , и рд —
дифф еренциальная проницаемость вещества. П ри аппроксимации
рабочего участка зависимости Рд (Я^-) прямой линией, так ж е как
и для феррозонда с продольны м возбуждением (см. рис. 18), имеем:
2
д. ,
_
#Д
№дмакс
и
И сходя из равенства
Я р > 1, находим:
г,
Яц = Ро1*Я,-о = РоР*Яо
Я,о = ^ ^ 1 Я о ^ ^ Я о ,
,г.с,\
и
п олагая
(80)
где р — норм альная проницаемость вещества, соответствую щ ая
значению поля
Е сли учесть, что рд„дкс = Ушке = Е
(указанны е величины определяю тся по средней кривой нам агни ­
чивания вещества — см. рис. 7), то из (78)— (80) получим:
АД =
= 7 - 41^+-^" я„.
Я Р д НОМ
( +
(81)
-“ (т}
П ользуясь вы раж ениям и (78), (81) и прим еняя те или иные ме­
тоды измерения приращ ений индуктивности, в том числе и мо­
стовые [95, 9 6 ], можно в каж дом конкретном случае найти вы ра­
ж ение д ля чувствительности феррозонда с поперечным возбуж де­
нием. Е сли такой феррозонд применен в магнитометре с частотным
выходом, то по аналогии с (74) получим:
Рот
А/
Н„
4яш ( В 5 - В
о)
(82)
’’ "
2+х
где С — емкость конденсатора, подключаемого п ар ал л ел ьн о об­
мотке возбуж дения.
3.
В соответствии с излож енны м в § 3 для ф еррозондов с п ро­
дольным возбуж дением, работаю щ их во втором реж им е, может
быть найдена чувствительность по среднему, пиковом у и ам пли­
тудному значениям выходной э. д. с.
Е сли
= т (условие Яр, > 1) и т > р*
то с уче­
том (56) имеем д л я дифф еренциального ф еррозонда [10]:
4 Еср
Сер =
= - Г а з щ 1 рдт,
(83)
где
так ж е как и в вы раж ен и и (66), — коэффициент, зависящ ий
от конструкции феррозонда.
Ч увствительность по пиковом у значению выходной э. д. с.
мож ет быть найдена из вы раж ен и я (59). П осле н еслож ны х триго­
нометрических преобразований получаем (см. рис. И ):
Оп =
48
4Еп
г/
1 /,
В еличина
может быть найдена, если известно ан ал и ­
тическое вы раж ение зависимости [т* (Я ) или В (Я ). П римеры вы ­
числения этих величин д л я д вух различны х аппроксимаций даны
в п. 1. П ри аппроксимации ск л о н а кривой р,* (Я ) прямой линией
(рис. 18) взамен (84) можно записать:
т
Сходство вы раж ения (85) с выраж ением (70) основано н а том,
что в обоих случаях чувствительность феррозондов п ропорц и о­
н ал ьн а максимальному значению второй производной от индукции
по напряж енности поля [см. вы раж ен и я (59) и (52)]. О днако,
если учесть, что амплитуда п оля возбуж дения во втором реж им е
работы феррозонда во много раз больше, чем в первом, то п ри ­
мерно во столько ж е раз и чувствительность
будет больш е ч у в ­
ствительности
Чувствительность по ам плитудному значению какой-либо
четной гармоники выходной э. д. с. может быть определена, если
предварительно найдены коэффициенты ряда (61).
В общем случае с учетом вы раж ений (61)— (63) имеем
8
Веп. =
йН,
г *
= ~тл5хю,^\1о ] Рд(®/)со8 2п(о/(/со/.
(86)
И-дмакс =
И
^ Едмин>
аппроксим ируя зависимость |1*( Я ) ломаной линией П -образной формы, п оказанной на
рис. 11 ш триховой линией, мож но записать взамен (61) [20, 9 7 ]:
^
[о + V
С05 2 со /);
\
(87)
/
В ер =
^
Р2,г = |^ 5 Ш 2 п 9 ,
где 0 — угол насы щ ения, определяемый
Отсю да с учетом (63) находим:
(88)
(89)
из
вы раж ен и я
(58).
о
Оеп = - - - (й8 щ 1 \ХоГП31п 2п0.
(90)
И з (90) следует, что чувствительность по любой четной гарм о­
н ике э. д. с. зависит от угл а 0 . А так к ак угол 0 , в свою очередь,
зави си т от амплитуды поля возбуж дения ,Я,„ и значения поля н а ­
сы щ ения Я 5 (рис. 11), то всегда можно выбрать такой реж им
Ю.
в.
А ф анасьев
49
возбуж дения, когда | з 1п 2л 01 = 1. С ледовательно, предельное
значение чувствительности феррозонда по любой четной гармонике
э. д. с. будет
(91)
Найдем условия, при которы х достигается м акси м альн ая
чувствительность ф еррозонда по второй гармонике (л = 1). С уче­
том (58) имеем:
2Н з
з т 20 = 2 з1п 9 соз 9 =
0.6
0.2
(92)
Нт
п р и р а в н и в а я (92) единице и ре­
ш ая уравнение относительно Н ^ , по­
лучим:
[\
1
1 \
1
1
11
11
1
1
V2В8
Н„
(93)
Рот
К ак будет п оказано в следующем
параграф е, из-за необходимости до­
О
Нг 2
6 Н т /Н з
стиж ения устойчивости (стабильно­
сти) н уля феррозонда часто прихо­
Р и с . 21. Зав и си м ость ч у в ств и ­
тельн ости ф ер р о зо н да (по в т о ­
дится работать при соотношенииЯ,„>>
рой гарм они к е вы ходной э . д . с .)
> и тот- В этом случас чувствитсльо т п оля в о зб у ж д е н и я .
ность феррозонда по второй гармо­
нике следует определять по формуле (90), которая при я = 1 с
учетом (92) может быть зап и сан а следующим образом:
^
1
=
6
—
Нз
(94)
1 —
Н1
Эта формула совпадает с формулой, полученной несколько
иным путем в работе [13].
П ользуясь формулой (94), можно определить и вид зависимо­
сти Оз (Нт), изображ енной на рис. 21 в относительны х единицах.
Зависимость Оз (Н^) мож ет быть легко получена эксперимен­
тально. Д л я этого изм еряю т амплитуду В 2 3 выходной э. д. с. как
функцию полей Нд и Нт (измерения могут быть проведены с по­
мощью контрольно-измерительного ком плекса, изображ енного
на рис. 3). Если Нд = сопз!, то В 2 3 (Нт) = Я^Оз (Нт), т. е.
ход зависимости Е 25 (Нщ) повторяет зависимость Сз (Я „ ). Опыт
показы вает, что измеренные таким образом зависимости хорошо
согласую тся с зависимостью , изображенной на рис. 21.
Заметим, что ф орм ула (94) дает несколько завы ш енны е зн а ­
чения чувствительности по сравнению с наблюдаемыми на п р ак ­
тике. Р асхож дения м огут быть объяснены более резким хар ак те­
ром изменения аппроксимирую щ ей функции р,* (Я ) по сравнению
с действительной (рис. 11). А мплитуда первой гарм оники п р я ­
моугольны х импульсов р* (®/) всегда больше ам плитуды первой
50
гарм оники импульсов какой -либо иной формы, вписанны х в п р я ­
моугольны е [93, 97, 98].
В некоторы х случаях возни кает необходимость в определенной
чувствительности феррозонда по высшим четным гарм оникам
при заданном значении амплитуды Я„, поля возбуж дения, или,
что то ж е самое, в нахож дении четногармонического сп ектра вы ­
ходной э. д. с. Д л я р,ешения этой задачи можно воспользоваться
вы раж ением (90), предварительно вычислив по ф ормуле (58)
значение угла 0 д л я данного зн ачен ия амплитуды Я „ . Затем ,
последовательно вы числяя зн ачен ия
\кеп\ = 51П 2п0,
(95)
где п — номера четных гарм он и к, находим коэффициенты д л я
соответствующ их амплитуд четных гармоник. И з-за указан н ы х
выше особенностей аппроксимирую щ ей функции р* (Я ) зн ачен ия
этих коэффициентов будут тем сильнее отличаться от действитель­
ных, чем выше номер четной гарм оники.
И ногда реш ают обратную зад ач у — определяю т услови я, при
которы х амплитуды высших четных гармоник становятся зн ач и ­
тельно меньшими, чем ам плитуда второй гармоники э. д. с. [20,
99, 100]. Эти условия обеспечиваю тся при форме поля (тока)
возбуж дения, отличной от синусоидальной. П олучить такую форму
п оля возбуж дения на п ракти ке бы вает довольно слож но. В то ж е
врем я достигаемый эффект — сниж ение амплитуд высших четных
гарм оник э. д. с. — не исклю чает надобности в полосовых ф иль­
т р ах , которые приходится прим енять из-за значительного уровн я
нечетных гармоник, содерж ащ и хся в выходной э. д. с. и я в л я ю ­
щ и хся помехой при и зм ерениях (см. § 1, 6).
4.
Чувствительность феррозондов с поперечным возбуждением,
работаю щ их во втором реж им е, можно найти, п ользуясь вы раж е­
нием (65), в котором р* суть н орм альная проницаемость сердеч­
ников.
В § 3 отмечалось, что н орм ал ьн ая проницаемость тела ка к
ф у н кц ия поля убывает зн ачительн о медленнее, чем дифферен­
ц и а л ьн ая . В то время, когда р * ^ 1, р* продолж ает оставаться
много больш е единицы и лиш ь в пределе, т. е. в очень сильном
намагничиваю щ ем поле, п ри б ли ж ается к ней (см. рис. 9). В р еа л ь ­
ных феррозондах намагничиваю щ ее поле (поле возбуж дения)
не мож ет быть выбрано очень больш им. Поэтому, д ля сердечников
ф еррозонда почти всегда
> 1.
То ж е самое следует ск азать и о нормальной проницаемости
вещ ества к ак функции поля: она так ж е убывает значительно
медленнее, чем диф ф еренциальная проницаемость. Т ак , наприм ер,
если риз^(. = В 5/Р 0Я 5 = 10^ (аппроксим ация функции В (Н) л о ­
маной линией), то при налож ении поля, даж е в сто раз превы ш аю ­
щ его поле Н^, получим рм„„ = 10®. В то ж е время уж е удвоенного
зн ач ен и я поля Н,„ = 2Н^ достаточно, чтобы Рамин—>• 1 и о к а за ­
л ась во много раз меньше величины Ри,,,,.
4*
51
Применительно к феррозондам с поперечным возбуждением
это обстоятельство приходится учиты вать, так к а к при зн ачитель­
ной величине
величина р*^^^ становится соизмеримой р^д,^,.Д ействительно, если м атериал, из которого изготовлен трубчатый
сердечник феррозонда (рис. 22) изотропен, то в соответствии с (19)
и (28), а такж е при условии рм„„ > 1 имеем
р* = - Н *
(96)
1-1 - г т
Отсюда, например д л я значений
Имин = 10® получаем соответственно:
т = 2-10®, Рмакс
Рм акст
1*м ак с
р
Рмакс + т
Рминт
Рмин + т
10® и
;2-10» = т .
= 4 . 10®=
.
%
В данном случае уменьшение проницаемо­
сти вещ ества в сто раз привело к уменьшению
проницаемости тела всего лиш ь в три раза.
О тсутствие пропорциональности меж ду из­
менениями р и р* объясняется эффектом ста­
билизации проницаемости тела (см. § 2). Этот
эффект ослабляется, если произведение Я р ока­
Р и с . 22. Ф ер р о зо н д
зы вается соизмеримо с единицей. П ри проекти­
с поперечны м в о з ­
ровании феррозондов с поперечным возбуж де­
б у ж д ен и ем , р а б о т а ­
нием часто приходится пользоваться ослабле­
ю щ ий во
втором
реж и м е.
нием эффекта стабилизации с тем, чтобы при
малы х затр атах мощности в цепи возбуж дения
получить возможно больш ие изменения проницаемости р*, а сле­
довательно, и больш ую чувствительность феррозонда.
Из (65) с учетом (96) находим чувствительность ф еррозонда по
среднему значению выходной э. д. с.;
л /2
Сср =
йНд
Рмакс
Рмакс + Н1
Рмин
(97)
Рм ин
где Цмин — В а / р о Я и с и Н т х — амплитуда поля возбуж дения,
действующего в поперечном направлении.
С равнивая полученное вы раж ение с выражением (83), видим,
что при прочих равны х услови ях чувствительность феррозонда
с поперечным возбуж дением всегда меньше чувствительности
феррозондов с продольны м возбуждением. Л иш ь в пределе, при
очень большой амплитуде Я „ х поля возбуж дения, когда р„ин ^ 1.
чувствительности обоих типов феррозондов совпадаю т.
52
Ч увствительность ф еррозонда по амплитудному значению к а ­
кой-либо четной гармоники выходной э. д. с. может быть найдена,
если известен спектр периодической функции р* (со/). В свою
очередь, ф ункция р* (со/) мож ет быть определена, если известны
зависим ость р* [ Н / ) и форма п оля возбуж дения. Зависим ость
Р * (Н х ) можно получить из зависимости р (Я ^ ) путем пере­
счета ординат по формуле (96). Ф орма поля возбуж дения обычно
зад ан а. Вид зависимости р* (Я ± ) и ф ункции р* (со/) при синусои­
дальном поле возбуж дения п о к азан а на рис. 23.
П о ско л ьк у зависимость р* ! Н ± ) четная, то по аналогии с (61)
мож но записать:
р*
рср
(со/) =
(98)
Реп с о 5 2лсо/.
-ф 2
п=1
2КШ1
Р и с . 2 3 . К в ы явлению о со б ен н о ст ей работы ф ер р озон да с п о п е­
речным в о зб у ж д ен и ем .
А ппроксим ируя зависимость р* (Я ^ ) какой-либо функцией,
мож но вычислить коэффициенты ряд а (98).
О днако, если учесть монотонный характер убы вания зав и си ­
мости р* (Я д ), функцию р* (со/) в первом приближ ении можно
зам енить косинусоидой (на рис. 23 п оказана ш триховой линией).
Тогда
1
р * (с о /) =
Отсю да
С
Р м акс
Р м а к с " г Рм
2
учетом (65), (99)
ЛЕеЗ
с1Н„
и
Рмин
2
'
соз 2со/.
(99)
(96) получаем
■
— С08ЙУ21 Ро (рмакс — [/.мин) —
= а з щ 1 РоГП
\ Р м акс +
т
Р ш ^\
рмин + т
( 100)
)
53
ср а в н и в а я это вы раж ение с выражением (90), видим, что и по
второй гармонике чувствительность феррозонда с поперечным
возбуждением, при прочих равны х условиях, ниж е чувствитель­
ности феррозонда с продольны м возбуждением.
[Зам ети м , что_из-за разл и чи я между действительной’”зависимостью р.* {о^^) и косинусоидой формула (100) дает несколько з а ­
ниж енные значения. О днако при другой форме поля возбуж дения,
наприм ер, соответствующ ей реж им у синусоидальной индукции
[15] (показана на рис. 23, а штриховой линией), зависимость
р* (со/) будет почти косинусоидальной и вычисления по формуле
(100) дадут значения, более близ­
кие к действительным.
Д л я случая р„дк, = т, р„акс>
> Рмин> п риним ая
во внимание,
что р„и„ =
Ва
и В з = РоЕмаксХ
х Н з х , где Я а х — поле насыще­
ния, получаем из (100):
Р и с. 2 4 . З ав иси м ость ч ув ств и тел ь­
ности ф ер р о зо н да о т п оля в о з б у ­
ж ден и я .
0 2 =
1—
-ту
2Я,
ИтХ
( 101)
П ользуясь (101), мож но опреде­
лить и вид зависимости (?2 (Я ^х )В относительных единицах эта за ­
висимость показана на рис. 24. Она хорошо согласуется с опыт­
ными данными, полученными д л я различны х модификаций ферро­
зондов, процесс перем агничивания в которых соответствует реж иму
синусоидальной индукции.
С равнивая кривы е, изображ енны е на рис. 21 и 24, видим, что
во втором случае зависимость Оз (Я „) носит более монотонный
х ар актер , причем с возрастанием амплитуды поля возбуж дения
чувствительность ф еррозонда остается достаточно приближ енной
к максимальному значению . Монотонный характер зависимости
Ог (Я,„х) имеет место и при д ругих аппроксим ациях функции
р.* (©/). При этом оказы вается (особенно в тех сл у ч аях , когда п ро­
цесс перем агничивания соответствует реж им у синусоидальной
напряж енности поля), что зависимость Од (Я ^ х ) имеет максимум,
соответствующий некотором у значению поля возбуж дения Н^х оп тЕсли ридкс + т, что мож ет иметь место в том случае, когда
сердечник феррозонда п редставляет собой ферромагнитную трубку
толщиной п орядка несколько микрон (см. главу третью ), то в со­
ответствии с (96) имеем:
и
т. е. ма­
гнитное состояние сердечника целиком определяется проницае­
мостью вещества. В этом случае из (65) и (99) получаем:
I — к р и в а я , со о т в е тс т в у ю щ ая в ы р а ж е ­
нию (1 0 1 ); 2 —э к с п е р и м е н т а л ь н а я к р и ­
вая.
1
54
Нзх \
Нт Х
( 102)
В ы раж ения (100)— (102) пригодны д л я приближ енны х расче­
тов. П огреш ность определения максимальной чувствительности
по этим формулам не превыш ает 20— 30% .
В заклю чение отметим, что чувствительность феррозондов лю ­
бого типа принято вы раж ать в микровольтах на гамму [ м т / у ] ,
причем
1у = 10“®а =
а/ж.
И з приведенных в настоящ ем параграф е вы раж ений следует,
что наибольш ую чувствительность имеют феррозонды с п родоль­
ным возбуж дением, работаю щ ие во втором режиме. Ч увстви тел ь­
ность этих феррозондов обычно составляет десятки и д аж е сотни
м и кровольт на гамму.
6. Порог чувствительности
П риведенное в § 1 определение порога чувствительности ф ерро­
зонда нуж дается в уточнении. Совершенно очевидно, что, если
ам плитуда помехи постоянна, а н ач ал ьн ая ф аза ж естко ф икси­
р ован а по отношению к ф азе си гн ала, то так ая помеха может
быть устранена методами ком пенсации. П омеха с постоянной
амплитудой и фазой свидетельствует о смещенном н уле ф ерро­
зонда, но никак не может определять его порог чувствительности.
П ом еха лиш ь тогда определяет порог чувствительности, когда
какой-либо из параметров э. д. с. — амплитуда, ф аза или ч а­
стота — изменяю тся во времени, причем изменения н осят с л у ­
чайны й характер.
П оскольку измеряемым парам етром выходной э. д. с. в б о л ь­
ш инстве случаев явл яется ам плитуда, то в развитие (15) можно
зап и сать:
где
— некоторое среднее значение амплитуды помехи.
Е сл и помеха обладает свойством эргодичности
то
Е , ^ = Х е 1м { 1 ) ~ \ Е пм { Х
( 104)
— среднеквадратичное значение, причем
______
т
Е \ ы (О = И т -дп
Г-^оо
— Ию
‘
^
(/)
— средний
квадрат
помехи,
т
[ Еддг (/) (Н — постоянная составляю щ ая помехи
^ Э то свойство состои т в том , что ср ед н и е по м н ож ест в у (т. е . м атем ати ч е­
с к и е о ж и д а н и я , вы численны е по р а сп р ед е л ен и я м ) сов п адаю т со ср едн и м и по в р е ­
м ен и , п олученны м и д л я одной р еа л и за ц и и п р оц есса [1 0 1 — 1 0 3 ].
55
и г — время наблю дения. П ри отсутствии
можно положить
(/) = 0. В этом случае
“'я V
смещенного
(0 .
н уля
(105)
Можно показать [102— 104], что
Е1ы(1) = ]ё{Пй!,
где § (/) — сп ектрал ьн ая плотность помехи А„д, (/), пропорцио­
н ал ьн ая мощности процесса и п риходящ аяся на полосу в 1 гц,
Е — ш ирина полосы какой-либо
а)
избирательной системы,
с по­
мощью которой вы деляется п-я
гармоника полезной э. д. с. (см.
рис. 2). Отсюда с учетом (103) и
(105) имеем;
Рп =
Оп
( 106)
Опыт показы вает, что в ф ерро­
зондах сп ектрал ьн ая плотность
помехи не явл яется равномерной.
О на остается постоянной лиш ь
вдали от рабочей частоты /о «-й
Р и с . 25. С п ек тр ал ьная п л от н ост ь
гармоники выходной э. д. с. По
(а) и х а р а к тер (б) п ом ехи на в ы ход е
мере ж е приближ ения к частоте /о
ф ер р о зо н да.
плотность ё (О возрастает (рис.
25, а). Это налагает отпечаток и на сам процесс Е ^^ (/): оги­
баю щ ая
помехи с учетом изменения фазы (зн ака ампли­
туды Еп /), к ак правило, содерж ит ярко вы раж енную инфранизкочастотную составляю щ ую , которая пром одулирована меньшими
по разм аху высокочастотными составляющими (рис. 25, б).
Неравномерность сп ектральной плотности ё (/) в некоторой
полосе, близкой к частоте полезного сигнала, обусловлена сущ е­
ствованием нескольких источников помех. М ожно ук азать на
следую щие источники;
1) недостаточная электром агнитная р азв я зк а меж ду измери­
тельной цепью и цепью возбуж дения феррозонда;
2) остаточная намагниченность и магнитное последействие
(вязкость) сердечников феррозонда;
3) неоднородность м агнитны х потоков (постоянного и пере­
менного) в объеме сердечников;
4) неповторяемость процессов перем агничивания сердечников,
образую щ ая сплошной спектр т а к называемых магнитны х шумов;
56
5)
неупорядоченность теплового движ ения электронов в об­
м отках, приводящ ая к сплош ному спектру так назы ваемы х э л е к ­
трических шумов.
О чевидно, что в каж дый момент времени помеха представляет
собой р езультат суперпозиции отдельны х составляю щ их э. д. с.,
обусловленны х сущ ествованием указан ны х источников.
Рассмотрим каж дую из составляю щ их помехи в отдельности.
1.
Н едостаточная электром агни тн ая р а зв я зк а между и зм ери­
тельной цепью и цепью возбуж дени я имеет место в феррозондах
всех типов. Однако, к ак отмечалось в § 1 и 3, ее последствия н а и ­
более ощутимы в феррозондах, работаю щ их на основной частоте,
т. е. в первом режиме.
В феррозондах с продольны м возбуждением р а зв я з к а осущ е­
ствл яется б лагодаря использованию двух сердечников и диффе­
ренциальном у включению первичны х обмоток (см. рис. 1, 17).
И з-за неидентичности сердечников и обмоток на выходе ф ерро­
зон да появляется э. д. с. помехи (см. § 1). И з (10), о п уская член,
пропорциональны й квадрату измеряемого поля, имеем
[Е/д,! =
~
гьНт + ЗгьН1^ .
Е сли учесть, что полезный си гн ал, а следовательно, и чувстви­
тельность — см. вы раж ения (8), (52), (70) и д р ., так ж е пропор­
ционален величинам ю, 8, Шз, Нщ, то в соответствии с (8) и (15)
получаем
^ 1 = + (
ж
( ' 07)
И з (107) следует, что м одуль отношения Е^д^/С^ зави си т от
величины 8„ и 8;,, характери зую щ и х неидентичность сердечников,
а так ж е от величин
и Н ^ , Если
и 8(, суть постоянные вели ­
чины, отношение
дает величину смещенного н у л я ф ерро­
зонда. Во многих случ аях, однако, величины
и
оказы ваю тся
зависимыми от таких внеш них факторов к ак тем пература о к р у ­
ж аю щ ей среды, механические воздействия и т. п., причем далеко
не всегда удается установить строгую детерминированную связь
меж ду суммой воздействий и суммарным откликом на эти воздей­
ствия. В этом случае говорят о случайной составляющ ей помехи,
а следовательно, и о пороге чувствительности, обусловленном этой
помехой.
У читы вая, что первый реж им работы феррозонда х ар а к тер и ­
зу ется заданным значением п оля
(см. § 3), взамен (107) можно
записать:
Егы
О,
где а и р — некоторые постоянны е или медленно флуктуирую щ ие
величины . И з этого вы раж ен и я следует, что отношение
57
зависит от квадрата ам плитуды поля возбуж дения. О днако разу м ­
ным пределом сниж ения амплитуды поля возбуж дения явл яется
соотношение Н„
В феррозондах с поперечным возбуждением р а зв я з к а осу­
щ ествляется з а счет ортогональности полей Н ^ ! и Нд. О днако
на практике обеспечить строгую ортогональность не удается.
Поэтому и для этих феррозондов отношение
в сильной
степени зависит от амплитуды поля возбуж дения и от внеш них
факторов.
В феррозондах, работаю щ их на удвоенной частоте, т. е. во
втором режиме, недостаточность р азв язки , к ак отмечалось в § 1,
Р и с. 2 6 . П р едельн ы е п етли и частны е циклы г и ст ер ези са .
обуславливает лиш ь степень фильтрации сигнала в последую щ их
звен ьях магнитометра, п оскольку э. д. с. помехи характери зуется
в этом случае нечетногармоническим спектром. Отнош ение
^2
обычно во много раз меньш е, чем Е ц ^ Ю и Д л я достиж ения еще
более низких значений Е^^/Ое в цепях возбуж дения феррозондов
устанавливаю т реж екторны е фильтры, препятствую щ ие прохо­
ждению четных гармоник тока, вырабатываемых генератором.
2.
Остаточная намагниченность и магнитное последействие,
наблюдаемые в сердечниках феррозонда, обусловлены наличием
гистерезиса. Д о сих пор мы предполагали, что процессы в сер­
дечниках протекаю т по средней безгистерезисной кривой нам а­
гничивания (рис. 7). Это предположение не могло привести к к а ­
ким-либо существенным ош ибкам при оценке чувствительности
феррозондов и сп ектрального состава выходной э. д. с. Однако
при анализе источников помех, обуславливаю щ их ниж ний порог
чувствительности феррозондов, гистерезис долж ен быть учтен.
Н а рис. 26, а показано семейство симметричных петель ги­
стерезиса, полученных при цикличном перем агничивании сер­
дечника. В неш няя петля, п роходящ ая через точку
н азы вается
предельной. Она получена при некотором максимальном значе­
нии поля перем агничивания, когда дальнейш ий рост площ ади
58
петли прекращ ается. В еличину
назы ваю т коэрцитивной силой.
П етли, расположенны е внутри предельной петли, назы ваю т ч а­
стными циклами. Вершины частны х циклов леж ат на основной
кривой намагничивания. С редняя кр и в ая намагничивания п о ка­
за н а ш триховой линией. Ч астны е циклы в общем случае могут
быть симметричными и асимметричными.
Н а рис. 26, б показан (внутри предельной петли гистерезиса)
частный асимметричный ц икл, характерн ы й для сердечников ф ер­
розонда, работающ его в первом режиме. Если суммарное поле
Н-^ = Н 2
Нд периодически изм еняется с некоторой частотой О,
а поле возбуж дения Нх = Н ^ 31П ю / более высокой частоты со
отсутствует, то изменение м агнитного состояния происходит по
кри вой, проходящ ей через точки А я Е. Если ж е поле Н ^ Ф О,
то изменение магнитного состояния происходит по иной кривой,
п оказанной штриховой линией и проходящ ей через точку С.
Д ействительно, при некотором значении суммарного поля Н ^
и отсутствии поля возбуж дения
магнитное состояние сердеч­
н и к а будет характери зоваться точкой А . П ри налож ении п оля
возбуж дения с амплитудой Я „ магнитное состояние будет и з­
м ен яться сн ачала по восходящ ей ветви асимметричного ц и к л а до
точки Е , а затем при последую щ их периодах частоты ю начнет
ц и р ку ли р о вать вокруг точки С. Т очка С, л еж ащ ая внутри вновь
установивш егося частного ц и к л а Е О , характери зует усредненное
м агнитное состояние сердечника при одновременном налож ении
д ву х полей — медленно изменяю щ егося поля Я ^ и быстро изм е­
няю щ егося поля Нх = Нт 81П ®/. К зж дом у новому знзчению
ПОЛЯ Я г соответствует свой частны й цикл Е О с точкой С внутри.
Соединив все точки С между собой, получим кривую изменения
магнитного состояния сердечника, показанную ш триховой л и ­
нией 190].
С равни вая частные асимметричные циклы при отсутствии и
при наличии поля возбуж дения, видим, что во втором случае
ш ирина ц и кла меньше, чем в первом. Очевидно, что по мере уве­
личен и я амплитуды Нт поля возбуж дения ш ирина ц и к л а д л я
п оля Я г будет уменьш аться. А так к а к явлен и я остаточной н ам а­
гниченности и магнитного последействия тесно связан ы с ш ириной
ц и к л а, то с увеличением ам плитуды поля возбуж дения порог ч у в ­
ствительности феррозонда будет сниж аться.
Уменьш ение ширины ц и к л а д л я постоянного или медленно
изменяю щ егося поля происходит и тогда, когда переменное поле
н ап равлен о перпендикулярно постоянному^(ф еррозонды с попе­
речным возбуждением).
П о ско л ьк у первый реж им работы феррозондов х ар а к тер и ­
зу ется соотношением Я ^ <С Я а + Я о (см. § 3), то уменьш ение
ш ирины ц и кла остаточную намагниченность и магнитное после­
действие исклю чает неполностью . П осле кратковрем енного в о з­
действия сильным постоянным полем нуль феррозонда смещ ается
(остаточная намагниченность) и медленно сползает в сторону
59
исходного значения (магнитное последействие). П роцесс сп олза­
ния н у ля, обусловленны й магнитным последействием, может
дли ться иногда часами и более [105— 107].
Иное дело — второй реж им работы феррозонда, которы й х а ­
рактеризуется соотношением
> Яд. В этом сл уч ае циклом
становится предельная п етля гистерезиса (рис. 26, в). Е сли изме­
ряемое поле Но = О, то усредненное за период п оля возбуж дения
магнитное состояние сердечника характери зуется точкой, совпа­
дающей с началом координат. Если Но Ф О, то наблю дается пере­
стройка петли (на ри сун ке перестроенная петля п о к азан а ш три­
ховой линией). П ри этом магнитное состояние сердечника будет
характери зоваться некоторой точкой С. П оскольку ш ирина петли
остается примерно одной и той ж е
то точка С оказы вается л е­
ж ащ ей на средней кривой нам агничивания. Если сн ять поле Но,
то петля восстанавливается и магнитное состояние сердечника
будет вновь х арактери зоваться точкой, совпадающей с началом
координат.
Д ругим и словами, при больш ой амплитуде п оля возбуж дения
гистерезисный цикл д л я постоянного или медленно изменяю щ егося
поля к ак бы вы рож дается в однозначную зависимость, геометри­
ческое место точек которой совпадает со средней кривой н ам агни­
чивания, т. е. второй реж им работы ф еррозонда оказы вается
благоприятны м и в этом отношении.
В работах [10, 15, 63, 70, 82, 106, 107] показано, что в ф ерро­
зондах, работающ их во втором режиме, однозначная зави си ­
мость В (Но) достигается при условии Я „ > Н„гош, где Н^оит —
ам плитуда поля возбуж дения, при которой чувствительность фер­
розонда (по второй гармонике) максимальна.
Д л я феррозондов с продольны м возбуждением ам плитуду поля
возбуж дения обычно выбираю т с учетом соотнош ения
Н ^ = (3^5)Н ^,
(108)
где Н з — поле насы щ ения [ср. с выражением (93)].
Д л я феррозондов с поперечным возбуждением соотношение
(108), как правило, оказы вается недостаточным. О днако д л я этого
типа феррозондов и при значительно больш их зн ач ен и ях ам пли­
туды поперечного поля не всегда удается получить практически
однозначную зависимость Вц (Но) (см. главу третью ).
Заметим, что яв л ен и я остаточной намагниченности и магнит­
ного последействия не поддаю тся строгой аналитической оценке.
Они могут быть вы явлены и оценены количественно лиш ь опыт­
ным путем. Очень часто остаточная намагниченность оказы вается
ответственной за смещенный нуль феррозонда, тогда к а к его
^ З ам ети м , что на р и с 2 6 , в и зо б р а ж е н а дин ам ическ ая п ет л я , т огд а как на
р и с 2 6 , а и б даны стати ч еск и е п етли И з-за доп ол н и тел ьн ы х п о тер ь на вихревы е
токи дин ам ич еск ая п етля в сегд а ш и р е статической [108, 1 0 9 ]. Н а р и су н к е р а з ­
м ерн ость по осям не у к а з а н а , п о эт о м у все п редельны е петли и зо б р а ж е н ы о д и н а ­
ковыми.
60
порог чувствительности определяется временными изменениями,
обусловленны ми магнитным последействием.
3. Неоднородность магнитных потоков (постоянного и п ере­
менного) в объеме сердечников так ж е может привести к смещению
н у л я и загрублению порога чувствительности феррозонда.
Н еоднородность магнитного потока может быть обусловлена
к а к неоднородностью внеш него п оля, так и неоднородностью
внутреннего поля. Н еоднородность внешнего поля мож ет быть
вы зван а структурой самого измеряемого поля, распределением
переменного поля, создаваемого первичными обмотками, х а р а к ­
тером компенсирующего поля (при нулевом методе изм ерения),
зави сящ им от конструктивного вы полнения катуш ек ком пенсации
или компенсационных магнитов, а так ж е от их располож ения от­
носительно осей симметрии феррозонда. Неоднородность в н у ­
треннего поля зависит от текстуры м атериала, из которого и зго­
тавли ваю тся сердечники, а т ак ж е от формы сердечников.
Опыт показы вает, что неоднородность постоянного м агнитного
потока лиш ь тогда приводит к смещению н уля или загрублен ию
п орога чувствительности, когда она сочетается с неоднородностью
переменного потока. Если неоднородность переменного потока
устранена либо при наличии последней отсутствует внеш нее по­
стоянное поле, то указанны е отрицательны е явления не н аблю ­
даю тся. С учетом этого обстоятельства может быть дан следую щ ий
м еханизм возникновения помехи, приводящ ей к смещению н у л я
и загрублен ию порога чувствительности.
П ри нулевом методе изм ерения неоднородность постоянного
потока в сердечниках ф еррозонда ноиводит к тому, что и зм еряе­
мое поле оказы вается уравновеш енным полем компенсации по
длине или объему сердечников лиш ь в среднем. В отдельны х ж е
ч астях сердечников может иметь место недокомпенсация или переком пенсация измеряемого п оля. Н едокомпенсация соответствует
одному зн ак у поля, переком пенсация — другому. П ри равн ом ер­
ном распределении обмоток вдоль сердечников феррозонд мож ет
быть представлен в виде системы элементарны х зондов, которы е
соединены последовательно. Е сл и чувствительности и н ачальн ы е
фазы э. д. с. элементарны х зондов одинаковы , то э. д. с. помехи
н а выходе феррозонда отсутствует. О днако равенство чувстви ­
тельностей и начальны х фаз э. д. с. элементарных зондов будет
иметь место лиш ь в том случае, когда переменный магнитный
поток, обусловленный полем возбуж дения, однороден по длине
сердечников. В противном случае на выходе феррозонда п оявл яется
э. д. с. помехи. Будучи результатом суперпозиции элем ентарны х
э. д. с., помеха в общем случае имеет произвольн}<ю начальн ую
ф азу. Н а фазовой плоскости вектор этой помехи может быть р а з ­
лож ен на синфазную и квад ратурн ою составляющ ие. П оскол ьк у
при нулевом методе измерения синф азная составляю щ ая вы ход­
ной э. д. с. феррозонда, к ак п равило, служ ит сигналом р ас со гл а­
сован и я, то в момент ком пенсации уравновеш ивается не только
61
п о л е зн а я э. д. с., но и си н ф азн ая составляю щ ая помехи. П ри этом
квад р ату р н ая со ставляю щ ая пом ехи не может быть уравновеш ена
и продолж ает действовать в выходной цепи феррозонда.
Н а наличие квадратурн ой составляю щ ей помехи к а к на п ри ­
зн ак неоднородности м агнитны х потоков в сердечниках ф ерро­
зонда, по-видимому, впервы е указан о в работе [110]. А вторы стол к­
нулись с появлением квадратурн ой составляю щ ей при попытке
уравновесить в объеме ф еррозонда поле, создаваемое соленоидом,
полем магнита, располагаем ого в непосредственной близости от
феррозонда.
В работе [111] п о казан о , что возникновение квадратурной
составляю щ ей помехи следует связы вать с наличием динамической
петли гистерезиса и появляю щ им ся из-за этой петли фазовым
сдвигом между индукцией и полем возбуж дения. Д л я различны х
участков сердечника этот фазовый сдвиг различен, п оскольку как
само поле, создаваемое первичной обмоткой, так и индукция
(см. рис. 8), убывает к концам сердечника. С ледовательно, не
только чувствительность, но и ф аза выходной э. д. с. изменяю тся
вдоль сердечника. И зм енение фазы второй гарм оники э. д. с.
вдоль сердечника подтверж дено экспериментально с помощью
узкой подвижной катуш ки , выполняющей роль вторичной об­
мотки феррозонда [112].
Заметим, что наличие квадратурной составляю щ ей помехи
свидетельствует к ак о смещенном нуле, так и о возмож ны х ф л у к­
т у ац и ях н уля феррозонда. В общем случае ам плитуда и ф аза по­
мехи, разлагаем ой на синфазную и квадратурную составляю щ ие,
не остаются постоянными, а зави сят от величины измеряемого
п оля, амплитуды п оля возбуж дения, механических деформаций
сердечников и т. п. Вследствие этого постоянно изм еняется соот­
нош ение между синфазной и квадратурной составляю щ ими.
А так к ак при нулевом методе измерения синф азная составляю щ ая
когерентна полезному си гн ал у и уравновеш ивается полем ком­
пенсации, то изменение ее величины и воспринимается к а к уход
или ф луктуация н уля.
Н е следует дум ать, что к отрицательным последствиям п риво­
дит только синф азная составляю щ ая помехи. Е сли выходная
э. д. с. феррозонда изм еряется с помощью ан ал и зато р а гармоник
(см. рис. 3), то кв ад р ату р н ая составляю щ ая э. д. с. яв л яется той
реальной помехой, которая ограничивает порог чувствительности
феррозонда. Если ж е полезный сигнал утилизируется в магнито­
метре, содержащем синхронны й детектор (см. рис. 2), то порог
чувствительности мож ет быть снижен. О днако и в этом случае
наличие квадратурной составляю щ ей помехи приводит к н еж ела­
тельной загр у зк е избирательного усилителя и ф луктуациям
н у л я , возникаю щим и з-за изменения фазовых характери сти к
измерительного трак та и ухода частоты генератора.
А налитическая оценка уровня помехи, вы званной неоднород­
ностью постоянного и переменного магнитных потоков в сердеч­
62
н и к ах , достаточно слож на, так к а к требует учета многих ф акторов,
связан ны х с особенностями кон струкци и феррозонда, характером
измеряемого поля, выбранным реж имом работы и условиями и з­
мерений. И тем не менее, м огут быть рекомендованы некоторы е
весьма эффективные приемы, позволяю щ ие уменьшить уровень
этой помехи.
В работах [112, И З ] предлож ено использовать в качестве
вторичной обмотки узкую кату ш ку , имеющую возможность п ере­
м ещ аться вдоль продольной оси феррозонда и закреп ляем ую
в точке, где квад р атурн ая составляю щ ая э. д. с. оказы вается р а в ­
ной нулю . Этот прием успешно использован в переносном м агн и ­
тометре М-17 (см. главу пятую ), в котором компенсация и зм еряе­
мого поля в объеме ф еррозонда осущ ествляется с помощью не­
однородного поля, создаваемого постоянным магнитом.
П рименение коротких вторичных обмоток оказалось полезным
и в тех сл у ч аях , когда неоднородность поля компенсации симме­
трична относительно центра сердечников. Располож ение обмотки
в центре феррозонда задается при этом самой конструкцией
(см. рис. 1).
Д л я подавления квадратурной составляю щ ей помехи мож ет
быть рекомендован такж е перевозбуж денны й режим работы ф ерро­
зонда [111, 114]. Уменьшение квад ратурн ой составляю щ ей помехи
с увеличением амплитуды поля возбуж дения объясняется в ы рав­
ниванием начальны х фаз э. д. с. п о д л и н е феррозонда, обеспечивае­
мым з а счет того, что все участки сердечника начинаю т перемагничиваться по предельной гистерезисной петле.
В ряде работ [115 и д р .] п оказан о, что при измерении одно­
родны х магнитных полей нулевым методом к вад ратурн ая состав­
л яю щ ая помехи может быть уменьш ена, если поле ком пенсации
создается с помощью катуш ек, у которы х отношение длины к д и а ­
метру у й
20, причем дли н а катуш ек 4 превыш ает дли н у сер­
дечников I на 15—20% .
Очевидно, что подобные ж е требования могут быть п ред ъ яв­
лены и к обмоткам возбуж дения феррозондов. О днако, к а к п о к а­
зы ваю т расчеты и эксперим ентальны е данные, неоднородность
переменного потока зависит не столько от неоднородности п оля
обмоток, сколько от формы сердечников. Чем больш е форма сер­
дечников отличается от эллипсоидальной, тем сильнее неоднород­
ность магнитного потока при однородном внешнем поле (§ 2,
рис. 8). Поэтому в качестве приема, приводящ его к сни­
ж ению уровня помехи, мож но рекомендовать такж е и зготов­
ление сердечников в форме, достаточно близкой к элл и п сои ­
дальной.
В работе [10] взамен эллипсоида, трудного в изготовлении,
предлож ено использовать п ласти н ку с равномерной толщ иной,
изготовленную в виде стрелки (рис. 27, а). Опыт показы вает, что
применение сердечников подобной формы полезно; величина к в ад ­
ратурн ой составляющ ей помехи падает примерно на п орядок,
63
тогда как чувствительность феррозондов уменьш ается всего лиш ь
на 15—20% .
В работе [116] вновь предлож ено взамен стерж невы х сердеч­
ников использовать тороидальны е
Если обмотка возбуж дения
нанесена равномерно по всей длине (окружности) сердечника,
изготовленного из тонкой пермаллоевой ленты, то переменный
магнитный поток, возбуж даемы й полем
— Н „ з1п м /, будет
однородным. П остоянны й ж е магнитный поток, обусловленный
внешним полем, будет однородным лиш ь в частях сердечника,
располож енны х симметрично относительно н ап равл ен и я измеряемого внешнего п оля (средней сило­
а)
вой линии), см. рис. 27, б. Кроме
того, тороидальный сердечник, так
ж е к ак и стерж невой, д л я внешнего
магнитного поля п редставляет собой
I
разом кнутую магнитную цепь. Одна­
ко, если учесть, что один из потоков
В)
(переменный) в тороидальном ферро­
зонде все ж е однороден, то в (силу
излож енного выше мож но предпо­
лож ить, что кв ад р ату р н ая составля­
ю щ ая помехи будет меньш е, чем в
обычных феррозондах с сердечниками
Р и с . 2 7 . Р а зн о в и д н ост и с е р д е ч ­
стержневого типа.
ников ф ер р озон да: а — с е р д е ч ­
ник в виде стрелк и ; б — т о р о ­
4.
Д ля
идальны й сер деч н ик .
ства феррозондов порог чувстви­
тельности определяется указанны м и
в пп. 1— 3 причинами или явлениям и, действующими раздельно
или в совокупности. О днако для феррозондов, работаю щ их во
втором режиме (в этом и состоит их основное преимущ ество),
указанны е причины и явл ен и я могут быть устранены или умень­
шены настолько, что в течение хотя бы ограниченного пром еж утка
времени порог чувствительности будет оп ределяться иными ф ак­
торами, к которым и относятся так называемые магнитны е шумы.
М агнитные шумы обусловлены неповторяемостью процессов
перем агничивания сердечников и связаны с дискретной природой
намагничивания отдельны х доменов и микрообластей сердечника,
а именно: со скачкам и Б а р к гау зен а [117— 119]. Н еодинаковость
этих скачков, соответствую щ ая двум соседним ц и клам нам агни­
чивания, и образует н а фоне дискретного сп ектра нечетных и
четных гармоник сплош ной спектр индукции,' назы ваемы й ма­
гнитным шумом.
1 К ак отм еч ал ось в § 4 , ф ер р о зо н д с тороидальны м сер д еч н и к ом впервы е
п р ед л о ж ен и оп р о б о в ан А ш ен бр ен н ер ом и Г убо [46 ], см . р и с. 12. П о зд н е е (1959 г.),
но за д о л г о д о работы [1 1 6 ] к ол ьц ев ой ф ер р о зо н д п р едл агал ся т а к ж е Р . Я- Б ер к маном.
64
К ак справедливо отмечено в работе [15], несмотря на наличие
р яд а интересных работ * до настоящ его времени еще не сущ ествует
достоверны х методов теоретической оценки уровня магнитны х
ш умов. П оэтому мы приведем здесь лиш ь некоторые результаты
эксперим ентальны х оценок, данны х в работах [15, 121].
П реж де всего как д л я м агнитны х усилителей, так и д л я ф ерро­
зондов установлена общ ая законом ерность сниж ения магнитны х
шумов с увеличением ам плитуды поля возбуж дения (это было
отмечено так ж е и в более ран н и х работах.
Д л я магнитных усилителей и феррозондов, работаю щ их во вто­
ром реж им е, минимальный уровень магнитных шумов соответ­
ствует амплитуде возбуж дения, превыш ающей в 2—3 р а за опти­
м альную (для чувствительности по второй гармонике). П рим ени­
тельно к феррозондам с продольны м возбуждением подобная
степень перевозбуж дения совпадает с соотношением [108], гар ан ти ­
рую щ им достижение однозначной зависимости В (Нд). По-видимому,
это совпадение не является случайны м и еще раз свидетельствует
о том, что при неблагоприятны х услови ях работы ф еррозонда м а­
гнитны е шумы будут зам аскирован ы иными факторами.
П ри экспериментальном исследовании кольцевы х (торои даль­
ных) образцов, изготовленных из наиболее употребительны х д л я
сердечников феррозондов сп лавов — 80Н Х С , 79НМ, 79Н М У ,
получен минимальный уровень магнитного ш ума, примерно р а в ­
ный 0,002у (в полосе пропускан и я в 1 гц, частота поля возбуж де­
н ия / = 2000 гц). Д л я стерж невы х сердечников, изготовленны х
из тех ж е материалов, уровень ш ум а о к а зал ся на п орядок выш е,
т. е. около 0,02у. У величение уровн я шума стерж невых сердеч­
ников по сравнению с тороидальны ми может быть объяснено д о­
полнительны м влиянием явлен и й, рассмотренных в п. 3 и с в я ­
зан н ы х с неоднородностью переменного магнитного потока вдоль
стерж невы х сердечников. Зависим ости, полученные в [121],
показы ваю т, что с увеличением объема сердечников магнитны е
шумы уменьш аю тся. П ри этом с увеличением длины сердечников
шумы уменьш аются гораздо зам етнее, чем с увеличением п ло ­
щ ади поперечного сечения.
Заметим, что уровень ш ума п о р яд ка 0,02у может быть получен
и теоретически, если воспользоваться формулой (106) и некото­
рыми предполож ениями, излож енны ми в работе [122].
В целом ряде работ [121 — 125] к а к теоретически, так и э к с­
перим ентально показано, что уровень магнитных шумов ум ень­
ш ается с повышением частоты поля возбуж дения. П оскол ьку
с п ек тр ал ьн ая плотность магнитного шума сердечников растет
п рям о пропорционально частоте поля возбуж дения, а э. д. с.
ш ума в заданной полосе в соответствии с выражением (105) п ро­
п орци он альна корню квадратном у из спектральной плотности
* В есь м а обстоятельн ы й о б зо р по и ссл е д о в а н и ю магнитны х ш ум ов д а й в р а ­
б о т е [1 2 1 ].
^
Ю. в . А ф а н а с ь е в
65
шумов, то, принимая во внимание, что чувствительность ф ерро­
зонда любого типа п ропорциональна частоте п оля возбуж дения
(см. § 5), получаем в соответствии с выражением (106);
Ря = - ^ ,
(109)
т. е. порог чувствительности феррозонда, обусловленны й магнит­
ными шумами сердечников, обратно пропорционален корню квад­
ратному из частоты п оля возбуж дения. К ак показы ваю т эксп ери ­
ментальные данные [15, 121 и д р .[, уменьшение уровня магнитных
шумов с повышением частоты поля возбуж дения прим ерно соот­
ветствует соотношению (109).
Д л я тороидальны х сердечников, изготовленных из упомянуты х
выше сплавов, установлена полная продольная ко р р ел яц и я м а­
гнитных шумов по всей длине сердечников. Это указы вает на коге­
рентность магнитных шумов на различны х у ч астках сердечника
и свидетельствует (по крайн ей мере в плане достиж ения низкого
уровня магнитных шумов) в пользу применения кольцевы х сердеч­
ников (см. п. 3 и рис. 27, б). В работе [1221 показано, что уровень
магнитных шумов д л я сердечников с продольным и поперечным
возбуждением примерно одинаков.
Теоретические исследования магнитных шумов [123, 125, 126],
как отмечено в [15], не обнаруж иваю т каких-либо особенностей
или неравномерностей сп ектра вблизи выбранной рабочей частоты
магнитного усилителя или феррозонда. Однако экспериментальны е
данные свидетельствую т о том, что уровень шумов вблизи рабочей
частоты возрастает [121— 122].
В работе [121] эксперим ентально показано, что уровень ма­
гнитных шумов сердечников феррозонда для частоты 0,5 гц в 2—3
р аза выше, чем для частоты п орядка 30 гц и выше. Там ж е отме­
чается, что увеличение ш ума на низких частотах связан о, по-видимому, с действием ф акторов, имеющих иную физическую природу,
чем «чистый» магнитный шум, и предлагается оценивать общий уро­
вень шума по величине «подошвы» (т. е. по миним альному знач'ению). Установлено, что уровень шумов в диапазоне О—0,1 гц еще
более возрастает, превы ш ая уж е на порядок величину шумов,
оцениваемую по «подошве». Поэтому за истинную величину магнит­
ных шумов в работе принято среднее из трех отсчетов на частотах
10, 20 и 30 гц. Д л я ф еррозонда с длиной сердечников 300 мм и общей
площ адью поперечного сечения 1,2
при частоте поля возбуж ­
дения / = 1000 гц средний уровень магнитных шумов составил ве­
личину порядка 0,012 у (в полосе пропускания в 1 гц).
Можно согласиться с автором работы [121 ] в том, что вблизи
рабочей частоты, в частности, в диапазоне 0—0,1 гц на «чистый» ма­
гнитный шум наклады ваю тся помехи иной физической природы, на
которы х мы останавли вались в п. 1—3. С наличием этих помех,
по-видимому, и св язан а та неравномерность сп ектральной плот­
ности суммарной помехи в выходной з. д. с. феррозонда, которая
66
изображ ен а на рис. 25. О днако нет достаточных оснований к тому,
чтобы не искать дополнительны х источников шума именно вблизи
рабочей частоты.
В этой связи хотелось бы у к а за т ь на почти не исследованное
в плане изучения природы м агнитны х шумов явление, связан ное
с наличием так называемых констант магнитострикции и ан и зотро­
пии м атери ала и формы ферром агнитны х сердечников*. К ак и зве­
стно, эффект магнитострикции относится к четным эффектам, т. е.
относительное удлинение или сж ати е сердечников при их ц и к ли ч е­
ском перемагничивании происходит с удвоенной частотой. Если
рабочей частотой феррозонда сл уж и т вторая гармоника от частоты
возбуж дения, что совсем не исклю чено, что наличие м агнитострик­
ции приводит к резонансным явлен и ям , усиливающ им уровень
магнитного шума именно вблизи рабочей частоты. Эти резонансны е
яв л ен и я, зави сят от константы магнитострикции вещества (м ате­
ри ала) и могут быть дополнительно усилены магнитострикцией
формы (при налож ении поля образец деформируется так, что коэф ­
фициент разм агничивания N уменьш ается) 128, 129]. В работе
105] п оказано, что константы магнитострикции проходят через
нулевы е значения у сплавов, содерж ащ их порядка 80% н и кел я,
в работе ж е [15] экспериментально подтверждено, что именно эти
сплавы имеют минимальный уровен ь магнитного шума, что кос­
венно подтверж дает вы сказанное предположение. Заметим, что
при том ж е содерж ании н икеля в сп л авах (75—85% ) нулевое зн а ­
чение проходит и первая константа анизотропии [105].
Очевидно, что д ля вы явления всех аспектов, связанны х с и зуче­
нием магнитных шумов, необходимы дальнейш ие теоретические
и более тонкие экспериментальны е исследования. Однако у ж е п олу­
ченные данны е свидетельствуют о том, что даж е д ля частот и зм еряе­
мого поля п орядка 0,5 гц порог чувствительности феррозонда может
быть достигнут порядка 0,01— 0,02у. Д л я более высоких частот
(десятки герц и выше) порог чувствительности феррозонда может
быть доведен до тысячных долей гаммы.
5.
Электрические шумы, обусловленны е неупорядоченностью
теплового движ ения электронов в обмотках феррозонда, равно к а к
и в сопротивлении н агрузки , подклю ченной ко вторичной обмотке
феррозонда, представляю т собой типичный белый шум с равн ом ер­
ным спектром.
С редний квадрат помехи, вы званны й электрическими ш умами,
может быть вычислен по формуле Н айкви ста [102]:
4кТ \
р
(110)
где к = 1,37-10“®® вт-сек!град — постоянная Б ольцм ана, Т —
абсолю тная тем пература, Я — действительная составляю щ ая ком ­
* Н а ск о л ь к о и зв естн о а в т о р у , части чн ое и ссл едов ан и е вли яни я э т и х
ст а н т на у р о в е н ь магнитны х ш ум ов п р о в ед ен о лиш ь в р аботе [1 2 7 ].
5*
кон­
67
плексного сопротивления (обмотка, н агр у зка плюс поте зи в сердечниках), Р — полоса частот воспринимаемого шума, ' — текущ ая частота. Отсюда в соответствии с (103) и (105) имеем:
2
=
Я (/) В!
.
( 111 )
В ряде случаев К можно считать величиной, независимой от ча­
стоты. Тогда
(„ 2 )
П одставив в (112) зн ачен ия Я = 1 ком, Т = 300° К, А = 10 гц и
0 = 10 мкв1у (величины, легко достигаемые на практи ке), получаем
порог чувствительности Р„ ~ 0,0004у, т. е. почти на два порядка
ниж е уровня магнитных шумов (см. п. 4).
Таким образом, при оценке общего уровня помех феррозонда,
обусловленных рассмотренными выше факторами, ф актор, с в я за н ­
ный с наличием электрических шумов, по крайней мере в настоящ ее
время может не учиты ваться.
Все перечисленные виды помех носят преимущ ественно случай ­
ный характер. Именно поэтому они долж ны сум мироваться по квад­
ратичному закону. О днако, учиты вая неравномерную сп ек трал ь­
ную плотность суммарной помехи (см. рис. 25), следует определять
порог чувствительности феррозонда для каж дого частотного д иапа­
зона измеряемого поля в отдельности. П риводимая ниж е таблица
дает представление о пороге чувствительности в зависимости от
частотного диапазона.
Т аблица 3
Частотный диапазон
и зм е р я е м о г о п о л я , г ц
1 0 -6 — 1 0 -1
1 0 - 1 — 1 0 -2
1 0 - 2 — 10
10 и выш е
Порог чувствительности
ф е^озонда, у
Единицы
Д еся т ы е доли
Сотые доли
Ты сячны е доли
Очевидно, что наличие более значительных по величине инфранизкочастотных (с периодом от нескольких часов до нескольких
суток) флуктуаций может рассм атриваться к а к «смещение нуля»,
которое, как указы валось в начале этого параграф а, не мож ет войти
в определение порога чувствительности феррозонда. Н апротив,
если речь идет о магнитных измерениях в диапазоне О— Ю"’’ гц, то
упомянутые инфранизкочастотны е флуктуации, безусловно, д о л ж ­
ны быть просуммированы с другими помехами. К орень квадратны й
из суммы дисперсий всех помех, деленный на чувствительность
феррозонда, и даст в этом случае значение порога чувствительности.
68
в заклю чение отметим, что, если по чувствительности, потреб­
ляем ой мощности и некоторым другим параметрам феррозонды ,
работаю щ ие в первом режиме, еще могут конкурировать с ф ерро­
зондами, работающими во втором реж им е (см. § 3, 5), то ан ал и з,
проведенный в данном параграф е, касаю щ ийся оценки порога ч у в ­
ствительности, обусловленного действием различны х ф акторов, не
о ставл яет сомнений в том, что по этому параметру феррозонды ,
работаю щ ие во втором реж име, имеют явные преимущ ества (см.
п. 1 ,2 , 4). Ориентировочные данны е, приведенные в табл. 3, отно­
ся тся к феррозондам именно этого типа. В инфранизкочастотной
области измеряемых полей порог чувствительности феррозондов,
работаю щ их в первом реж име, только из-за ф акторов, рассм отрен­
ных в п. 1 и 2, может оказаться на 1—2 порядка выше, чем у к а зан о
в таблице. О днако при измерении переменных полей разн и ц а в по­
роге чувствительности ф еррозондов обоих типов может о к азаться
не столь значительной.
7. Диаграмма направленности
Н а р я д у с чувствительностью и порогом чувствительности ч р ез­
вычайно важным параметром или характеристикой ф еррозонда
яв л яе тся диаграмма н аправленности. В аж ность этой х а р а к т е р и ­
стики обусловливается тем, что в последние годы феррозонды стали
все чащ е использоваться именно д л я измерения компонент м агн и т­
ного п оля и углов (направляю щ их косинусов) между каким и-либо
осями в пространстве и вектором магнитного поля [15, 18, 19, 21,
130— 133]. И если первоначально феррозонды использовались
главны м образом д л я оценки ск ал яр н о й величины поля (м одуля
полного вектора геомагнитного поля) [61—6 8 ], то это объяснялось
отнюдь не тем, что их диаграм м а направленности о к азал ась н е­
удовлетворительной для оценки векторны х величин, а тем, что
отсутствовали надежные системы ориентации, которые мож но
было бы применить на подвиж ных платформах д ля стабилизации
продольны х осей феррозондов в заданны х направлен иях. О днако
и возможность измерения ск ал яр н о й величины поля б ази ровал ась
на использовании направленны х свойств двух других феррозондов,
сл у ж ащ и х датчиками следящ ей системы магнитометра (см. § 4).
С появлением ядерно-прецессионны х и квантовых магнитометров
[136— 139], датчики которы х непосредственно реагирую т на с к а ­
л яр н у ю величину поля и измеряю т ее с большей точностью, подоб­
ные ж е йзмерения с помощью феррозондов стали менее а к т у а л ь ­
ными. О днако не стало менее актуальн ы м применение ф еррозондов
д л я измерения компонент поля и углов. Больш е того, по ср а в н е­
нию с компонентными ядерно-прецессионными и квантовыми м аг­
нитометрами * феррозондовые отличаю тся простотой, вы сокой
* Эти м агнитометры м огут быть п р ео б р а зо в а н ы в компонентны е п утем с о з д а ­
ния в о б ъ ем е и х датчиков в сп ом огат ел ь н ого п оля за р а н ее и зв естн ого н а п р а в л е ­
ния [ 2 8 ] .
69
надежностью , устойчивостью к помехам, незначительным энерго­
потреблением, малым весом и габаритам и. И змерение компонент
поля и углов, особенно в переменных полях (единицы и десятки
герц), позволяет сравн и вать эти приборы и в метрологическом от­
ношении, что вместе с указанны м и достоинствами феррозондов сви­
детельствует об их перспективности именно как направленны х
индикаторов поля.
Если сердечник прямой и обладает достаточной ж есткостью , то
его продольная ось может быть названа магнитной осью. К ак сле­
дует из вы раж ения (27), основное
свойство магнитной оси состоит в том,
что при ортогональном располож ении
ее по отношению к вектору изм еряе­
мого поля индукция в сердечнике
оказы вается практически
равной
нулю (пренебрежимо малой в ел и ­
чиной). А это означает, что н а п р а ­
вленны е свойства ф еррозонда будут
Я определяться только направлением
магнитных осей его сердечников и не
будут зависеть от углового полож е­
ния измерительной катуш ки (вторич­
ной обмотки), см. рис. 28, а. Однако
ситуация, при которой угловы м по­
ложением измерительной катуш ки
можно пренебречь, яв л яется частным
случаем, распространяем ы м , к ак бу­
г,
дет показано ниже, отнюдь не на все
-о типы феррозондов.
?
г‘-и
П режде всего рассмотрим, что сле­
дует понимать под магнитной осью
Р и с. 28. К вы яснению п онятия
наиболее распространенного диффе­
«м агнитная ось д и ф ф ер ен ц и ал ь ­
ренциального ф еррозонда, содерж а­
н ого ф ер р озон да».
щего два стерж невых сердечника
(рис. 1), продольные оси которы х, в силу ряда причин, связан ны х
с несовершенством конструкции и технологии и зготовления, не
строго параллельны одна другой.
П усть р — угол между продольными осями стерж невы х сердеч­
ников (см. рис. 28, б). Будем считать такж е (для простоты рассуж дений), что вектор измеряемого поля Но леж и т в плоскости
у гл а р. Тогда в соответствии (2), (17) и (27) можно зап и сать .
Епз = Е'пз + Е'пз = Яо [О'п С08 ( а - р') + О, соз ( а + р")], (113)
где
— амплитуда выходной э. д. с. дифф еренциального ф ерро­
зонда; Оп и Оп — чувствительности полуэлементов феррозонда;
а — угол между направлением вектора Но и осью М М , леж ащ ей
в плоскости угла Р; Р' и Р" — углы между осью М М и соответ-
70
ствую щ ими продольными осями сердечников. Если М М — м агн и т­
н ая ось феррозонда, то, ори ен тируя феррозонд таким образом,
чтобы угол а о к азал ся равным 90°, и приравнивая вы раж ение (113)
нулю , получим;
С„ 51П р = 0 „ 51П р .
П оскольку углы Р' и р", к а к п равило, малы (не превыш ают 1—
2°), то синусы могут быть заменены самими углами;
0 ;р ' = 0;р".
(114)
Отсюда, с учетом равенства р = Р' + Р", имеем;
Р' = ^ ^ Р ,
р" = — 1 ^ р .
(115)
1
0.
И з (114) и (115) следует, что при наличии у гл а Р м агн и тн ая
ось дифф еренциального ф еррозонда остается постоянно ори ен тиро­
ванной относительно геометрических осей феррозонда к ак целого,
н априм ер, относительно его внеш него чехла (см. рис. 1, б), лиш ь
в том случае, если соотношение чувствительностей полуэлементов
ф еррозонда остается постоянным. В частности, если чувстви тель­
ности полуэлементов остаются одинаковы ми и продольные оси сер ­
дечников не изменяют своей пространственной ориентации, то м а­
гн итн ая ось феррозонда совпадает с биссектрисой угла р. Н а п р а к ­
ти ке чувствительности полуэлементов феррозонда оказы ваю тся не
т о л ьк о не одинаковыми в момент настройки, но и по разному з а в и ­
сящ ими от изменения амплитуды поля воздуж дения и воздействия
внеш них факторов, поэтому то необходимо оценить степень влияния соотнош ения
на угловое смещение магнитной оси ферро-
зонда.
Д иф ф еренцируя вы раж ение (115) по
, переходя к конеч-
ным приращ ениям и пренебрегая членами второго п орядка м ало­
сти, получаем
I д р ' I = I др" I =
И ли, с учетом того, что отнош ение —^ близко к единице;
1АР'| = - / Р
д
( е' \
( 1 16 )
71
Из (116) видно, что при постоянном значении у гл а Р смещение
магнитной оси равно четверти угл а между продольными осями сер­
дечников, помноженного на абсолютное значение приращ ения от­
нош ения чувствительностей полуэлементов ф еррозонда. Н апри[
мер, если Р = 2°, а п риращ ение
а'
А ~
\
= 3 % , то А р'
Г,
т. е. смещение магнитной оси примерно равно одной угловой ми­
нуте.
Т аким образом, в дифференциальном феррозонде н ап равлен ие
магнитной оси зависит не только от взаимного располож ени я сер­
дечников, но и от соотнош ения чувствительностей полуэлементов
феррозонда.
В ыражение (113) получено в предположении, что разность фаз
э. д. с. е' и е", наводимых во вторичной обмотке ф еррозонда под
воздействием переменных индукций В ’ и В "в сердечниках [см. вы­
раж ение (2)] отсутствует. П ри этом справедливо указы вается,
что учет этой разности фаз практически вносит в вы раж ение (116)
поправку второго п оряд ка малости. Однако эта разность фаз при­
водит к эффектам иного п лан а, которыми не следует пренебрегать
и которые целесообразно рассмотреть в рам ках настоящ его п ар а­
граф а.
Речь идет о том, что при наличии угл а Р между сердечниками
и разностью фаз между э. д. с. е' и е", наводимых во вторичной об­
мотке, дифференциальный феррозонд, кроме основной диаграммы
направленности, связан ной с его продольной осью, приобретает
дополнительную , связан н ую с поперечной осью, леж ащ ей в пло­
скости угла р [141, 142].
Пусть полуэлементы феррозонда имеют одинаковую чувстви­
тельность, т. е. X - = 1, Тогда магнитная ось ф еррозонда совпад ает с биссектрисой угл а Р (так как Р' = Р", см. рис. 28, в). Р а з ­
лож им вектор внешнего поля Но, леж ащ ий в плоскости у гл а Р, на
продольную Н |1 и поперечную Н _1 компоненты. Н етрудно видеть,
что компонента Н |, дает проекции одного и того ж е зн ак а на про­
дольны е оси сердечников:
Я ' ( Я 4 = Я " ( Я „ ) = Яй С 0 5 ^ ,
(117)
компонента ж е Н^. на те ж е оси сердечников даст проекции разны х
знаков:
Н ' { Н х ) = Н х 51п Х .
я '( Я < = - Я |
(118)
Предположим далее, что полезным сигналом диф ф еренциаль­
ного феррозонда сл уж и т вторая гармоника выходной э. д. с^. Если
I С равным правом м о ж н о в зя ть и лю б>ю др ^ г^ ю ч е т н \ю г а р м о н и к у э д .
с . , или о сн о в н у ю ч а ст от у, есл и р ассм атр и вать подобны е ж е эф ф екты п р и м е­
н ительно к ф ер р о зо н дам , р абот аю щ и м в первом р еж и м е (см. § 3 ).
72
э. д. с. е' и е" синфазны, т. е. разность фаз ф между ними равн а
нулю , то сум м арная э. д. с. во вторичной обмотке ф еррозонда
с учетом (117) и (118) будет:
Ф з Ш п )
=
Фз
=
е 2з ( Н ц
Е 23 31П и / +
( н х) =
623
с о 5 -|-) +
4 з ( н „
Ё 2 3 51П 2со/ =
(н±
+ ^ 23
с о з Г )
=
2 Е 23 31П 2со/ ,
(—
(119)
зш ^
= ^25 зШ 2ю/ — Е 2 5 з Ш 2® / = 0 ,
(120)
т. е. компонента поля На, не вы зы вает во вторичной обмотке п о яв ­
лен и я дополнительной э. д. с. Если ж е разности фаз между е' и
е" не равны нулю, ф у= О, то взамен (119) и (120) получим [141]:
^28(Я ||) =
Е25 5 ш ( ^ 2 и / +
- ^ )
= 2^28 соз ^
+5 (Я л.) = Е 25 зш (^2©/ +
+
Е25 з ш
(^2(0/—
зШ 2со/,
=
(121)
— Е 2 3 зШ (^2©/----- =
= 2^25 з Ш -|-С 05 2©/.
(122)
В ы раж ен и я (121) и (122) получены в столь упрощ енном виде
б лагодаря тому, что за действительную ось отсчета на фазовой п ло­
скости п рин ята биссектриса у г л а ф, и в силу равенства ам плитуд
Е 2 3 и Е 2 3 , являю щ ихся ф ункциям и соответствующ их компонент
поля и угл а р между продольными осями сердечников. В екторн ая
д иаграм м а э. д. с. е 25 (Я ц) и 625 (Ял.) дана на рис. 28, г, где 0 0 —
действительная ось и Р Р — мним ая ось отсчета.
И з (121), (122) и векторной диаграм м ы (рис. 28, г) следует, что
при наличии разности фаз ф в измерительной обмотке феррозонда
п о явл яется э. д. с., которая пропорциональна не только п родоль­
ной Н II, но и поперечной Н х, компоненте вектора внеш него поля
Но, действую щ его в плоскости у гл а р. При этом э. д. с. б2 з (Я ц ) и
^2 8 ^И_^) сдвинуты по фазс на угол 90°; 6 2 3 (Я и) назы ваю т си н ф аз­
ной составляю щ ей, а 6 2 3 [Н±) — квадратурной составляю щ ей
выходной э. д. с. феррозонда.
Заметим, что описываемые яв л ен и я присущи не только ф ерро­
зондам, но и другим дифференциальным устройствам индукц и он ­
ного типа, в которых по тем или иным причинам так ж е имеет место
разность фаз между э. д. с. полуэлементов этих устройств (см.,
наприм ер, [143]).
73
в свете полученных вы раж ений оценим чувствительность диф­
ференциального феррозонда к продольной и поперечной компонен­
там поля.
Если учесть, что углы р и ф малы (как правило, угол ф не пре­
выш ает нескольких градусов), то значения соз
в (117) и соз - |-
в (121) отличается от единицы на десятые и сотые доли процента.
Поэтому для продольной компоненты поля остаю тся в силе все те
вы раж ен и я, которые были даны в § 5.
Д л я поперечной компоненты поля с учетом (118) имеем:
I Е 'е з (Нх) I
=
!Е 1з ( Н
х
) \ =
О'гНх 5хп
.
Подставив это вы раж ение в (122) и п олагая, что 20г = Сг, где
Ое — чувствительность ф еррозонда в целом, получаем:
Е ( Я х ) = ^кв = С г Я ^ з т - |- 3 1 П - |- ,
(123)
где Дкв — амплитуда квадратурн ой составляю щ ей выходной э. д. с.
ф еррозонда. Отсюда чувствительность феррозонда к поперечному
полю будет
0\У =
= 51П ^5ш 4 С 2 .
(124)
Е сли учесть, что углы Р и ф малы, то из (124) следует, что чув­
ствительность дифф еренциального феррозонда к поперечной ком­
поненте поля на несколько порядков меньше чувствительности
к продольной компоненте поля. Т ак , например, при р = 2° и ф =
= 3° чувствительность феррозонда к поперечному полю меньше
чувствительности к продольному полю примерно в 4 -1 0 '' раз.
И тем не менее влиянием поперечного поля во многих сл уч аях
н ел ьзя пренебрегать. Эти случаи как раз и имеют место при изме­
рении компонент поля и особенно углов, когда д л я обеспечения
наибольш ей угловой чувствительности в соответствии с вы раж е­
нием (18) феррозонд располагаю т таким образом, что поперечной
компонентой становится сам вектор поля Нр.
Н априм ер, при измерении приращ ений угла магнитного ск л о ­
нения АО феррозонд устанавли ваю т так, чтобы его м агн и тн ая ось
о к азал ась лежащ ей в горизонтальной плоскости и н аправленной
перпендикулярно магнитному меридиану. При этом полный вектор
геомагнитного поля Н,., действую щ ий в поперечном н ап равлении,
может совпасть с плоскостью у гл а р и в соответствии с вы раж ением
(123) привести к возникновению квадратурной составляю щ ей вы ­
ходной э. д. с. Пусть Нт = 5 -10^7, 0^ = Ю мкв/у, то с учетом р а ­
нее сделанных допущ ений о величинах р и ф получаем
=
= 2-10^ мкв, что при регистрации выходного си гн ала с помощью
ан али затора гармоник (см. рис. 3) эквивалентно измеряемому про­
74
дольном у ПОЛЮ напряж енностью в 20у. Конечно, при наличии
в измерительной схеме синхронного детектора (см. рис. 2), н а­
строенного на синфазную составляю щ ую выходной э. д. с., в л и я ­
ние квадратурной составляю щ ей э. д. с. будет сущ ественно ум ень­
шено. О днако наличие квадратурн ой составляю щ ей, к ак было от­
мечено в § 6, приводит к неж елательной (особенно при больш их
коэффициентах усиления) за гр у зк е избирательного уси л и тел я и
дополнительны м погреш ностям измерения.
Т аким образом, наличие у гл а р между продольными осями сер­
дечников и фазового сдвига ф между э. д. с. полуэлементов у сл о ж ­
няет диаграм м у направленности дифферен­
ц иальн ого феррозонда (рис. 29). К роме про­
дольной магнитной оси
цМ ц, такой ф ерро­
зонд имеет еще и поперечную магнитную ось
М хМхП олучение однозначной диаграм м ы н а­
правленности (наличие только одной про­
дольной магнитной оси ф еррозонда) соп ря­
ж ено с подавлением квад ратурн ой состав­
ляю щ ей выходной э. д. с. И з (123) следует,
что к вад р ату р н ая составляю щ ая может быть
ум еньш ена за счет уменьш ения углов Р и ф .
У меньш ение угла Р — чисто кон структор­
с к ая или технологическая зад ача. Очевидно,
что применение более ж естких и более длин­
ных сердечников способствует уменьшению
у гл а р.
Уменьш ение фазового у гл а ф — задача
скорее исследовательская, чем конструктор­ Р и с 29 Д и а г р а м м а
с к а я , так как связан а с особенностями рас­ н ап р ав лен н ости р е а л ь ­
ного ф ер р о зо н д а .
пределения переменных магнитны х потоков
вдоль сердечников (см. § 6) и методикой
н астройки (подбора практически идентичных сердечников) дифф е­
рен ц иальн ого феррозонда. Здесь оказы ваю тся эффективными те
ж е приемы, которые были рассмотрены в п. 3, § 6: применение у зк и х
к ату ш ек , несущ их вторичную обмотку, применение сердечников
в форме стрелок (рис. 27, а), использование перевозбуж денного
реж им а работы. Кроме того, при настройке феррозондов ч резвы ­
чайно важ н о следить, чтобы концы обоих сердечников о казал и сь
на одном и том же расстоянии от центра вторичной обмотки, так
к а к особо сильное влияние на н ачальн ую ф азу э. д. с. полуэлемента оказы вает перемещение сердечника в продольном н а п р а ­
влении [141].
И з (118) и (122) следует, что квад ратурн ая составляю щ ая вы ­
ходной э. д. с. обусловлена действием на продольные оси сердечни­
ков проекций поперечного п оля, имеющих разны е зн аки . С учетом
этого был предложен способ автоматической компенсации к в а д р а ­
турн ой составляю щ ей э. д. с. [144], заклю чаю щ ийся в том, что
75
эту э. д. с. выделяют с помощью дополнительного синхронного
детектора и в возбуж даю щ ую обмотку феррозонда с целью у р ав н о ­
веш ивания упомянуты х проекций поля разводят вы прям ленны й
ток. Эксперименты п оказали, что этот способ достаточно эффекти­
вен и практически п озволяет получить однозначную диаграм м у
направленности феррозонда.
Все сказанное о диаграм м е н ап р а­
вленности дифф еренциальных ф ерро­
т ,)
зондов целиком относится и к недиф­
ференциальным,
одностержневы м
феррозондам, если сердечники по­
следних имеют изгиб или излом. Оче­
видно, что подобные сердечники мо­
гут быть представлены в виде двух
и более самостоятельны х частей, про­
дольны е оси которых оказы ваю тся
непараллельны ми. К взаимному рас­
полож ению этих частей будут приме­
нимы те ж е рассуж дения, что и к
сердечникам
дифф еренциального
феррозонда.
Именно поэтому вопрос о п рям о­
линейности и жесткости сердечников
важ ен для любого типа ф еррозонда.
Н есколько слов о диаграм м е на­
правленности кольцевы х ф еррозондов
[46, 116].
Кольцевой (тороидальный) сер­
дечник (рис. 27, б) нам агничивается
во внешнем поле под действием век­
тора Но, леж ащ его в плоскости ко л ь­
ца. Если сердечник имеет геометри­
т )
чески правильную форму к р у га,
одинаковое поперечное сечение и
внутренню ю текстуру по своей длине,
Р и с . 3 0 . К вы яснению п онятия
то намагниченность его во внешнем
«м агнитная ось к ольц ев ого ф е р ­
розонда».
поле не будет зависеть от изменения
н аправления вектора Нд. Поэтому
в отличие от стерж невых феррозондов в феррозондах кольцевого
ти п а необходимая диаграм м а направленности (речь идет о н ап р ав ­
ленности, действующей в плоскости кольца), достигается не за счет
самого сердечника, а б лагодаря специальному размещ ению на нем
измерительны х (вторичных) обмоток.
Н а рис. 30, а изображ ен кольцевой феррозонд с двум я одина­
ковыми диаметрально располож енны ми узкими измерительны ми
обмотками 1 и 2, вклю ченными последовательно таким образом,
чтобы наводимые в них э. д. с. под воздействием поля возбуж дения
вычитались (обмотка возбуж дени я, обычно равномерно распреде­
76
л ен н ая по всей длине кольцевого сердечника на рисунке не п о ка­
зан а), а э. д. с., вызываемые внеш ним полем, сум мировались.
Очевидно, что магнитной осью ф еррозонда в этом случае будет
ось УИ IIМ ]|. Ф еррозонд будет и зм ерять компоненту поля Я р, совп а­
даю щ ую с направлением оси МрУИц. П оперечная компонента
поля Н х , совпадаю щ ая с осью УИдУИд, не вызовет появления п олез­
ной э. д. с., так как обусловленны й этой компонентой магнитный
поток в центре обмотки 1 будет разв етв л яться , а в центре обмотки 2
сходиться, о б разуя по отношению к симметричным частям обеих
обмоток встречно направленны е потоки.
Н а рис. 30, б изображ ен кольцевой феррозонд, в котором одна из
измерительны х обмоток о к азал ась смещенной от диам етрального
н ап р авл ен и я 0 0 на угол р. В этом случае магнитная ось МцУИц
займ ет некоторое новое полож ение, примерно совпадаю щ ее с н а ­
правлением биссектрисы у гл а, равного 180° — р. О примерном
совпадении приходится говорить потому, что полож ение м агн и т­
ной оси М IIУИ II будет зависеть ещ е и от соотношения парам етров
обмоток У и 2 (числа витков, длины намотки и т. п.). Ф еррозонд
с асимметрично расположенными обмотками будет так ж е изм ерять
продольную компоненту поля Я ц . О днако при наличии фазового
сдвига ф между э. д. с., наводимых в обмотках У и 2, вы ходная
э. д. с. так о го феррозонда будет содерж ать квадратурную состав­
ляю щ ую , пропорциональную поперечной компоненте поля Н х Н а рис. 30, в изображен кольцевой феррозонд, содерж ащ ий две
ортогонально расположенны е системы обмоток. Обмотки У и 2 обе­
спечиваю т информацию о продольной компоненте поля, обмотки 3 и
4 — о поперечной компоненте поля. Очевидно, что степень неортогональности магнитных осей М цМ\\ и М х М х будет целиком за в и ­
сеть от ошибок углового располож ения обмоток, а так ж е от попе­
речной идентичности их парам етров.
С равни вая в плане получения однозначной диаграммы н ап р ав ­
ленности кольцевы е феррозонды со стержневыми, нельзя усмотреть
каки х -л и б о преимуществ первых по сравнению со вторыми. Н а п р о ­
тив, то обстоятельство, что намагниченность кольцевого сердеч­
н ика зависит от двух компонент поля, есть явны й недостаток, так
к а к при измерении углов наличие значительного по величине по­
перечного поля предъявляет чрезвы чайно ж есткие требования не
только к геометрической форме и внутренней структуре сердеч­
н ика, но и к параметрам обмоток, а так ж е сохранению этих п а р а ­
метров во времени. Однако следует отметить, что в тех сл у ч аях ,
когда кольцевой феррозонд с двум я ортогонально расположенны ми
системами обмоток (рис. 30, е) используется в системе следящ его
привода так, что плоскость кол ьц а оказы вается перпендикулярной
вектору внешнего поля Н.^, измерения углов могут производиться
с достаточно высокой чувствительностью и точностью. Это о б ъ яс­
н яется тем, что компонента поля, действую щ ая по нормали к п ло­
скости кольцевого сердечника, практически не вызывает его н ам а­
гн ичи вани я (из-за значительного коэффициента разм агничивания
77
в этом направлении, см. § 2). Таким образом, мы снова приходим
к тому заключению , что анизотропия формы сердечников явл яется
важнейш им средством достиж ения диаграммы направленности ф ер­
розонда, столь необходимым для измерения компонент поля и углов.
В заклю чение отметим, что правильны е круговы е диаграммы
направленности (рис. 4, 29) имеют место, когда градуи ровочн ая
характери сти ка Е^з (Яц) ф еррозонда любого типа обладает необ­
ходимым диапазоном линейности. В § 3 отмечалось, что ферро­
зонды, работающие в первом режиме, имеют меньший диапазон
линейности. С ледовательно, диаграм м а направленности так и х ф ер­
розондов может иметь значительны е отклонения от идеальной к р у ­
говой диаграммы, что и было замечено на практике [71]. Ф ерро­
зонды, работающ ие во втором реж име, обладают значительно боль­
шим диапазоном линейности и, к ак показы вает опыт, почти и деаль­
ной круговой диаграммой направленности.
С помощью дифф еренциальных феррозондов, работаю щ их во
втором режиме, возможно измерение углов с точностью до 20— 30
угловы х секунд. Эти данны е подтверждены в результате многочис­
ленных экспериментов, проведенных при измерениях приращ ений
магнитного склонения Д Я , и вклю чаю т в себя не только ош ибки,
обусловленные непостоянством пространственной ориентации м а­
гнитной оси относительно геометрических осей ф еррозонда как
целого, но и ошибки, связан ны е с наличием длиннопериодных
ф луктуационны х помех (см. § 6), носящ их аддитивный характер
и потому сказы ваю щ ихся на общей суммарной погреш ности изме­
рения.
Таким образом, будучи достаточно простым устройством, ф ерро­
зонд позволяет проводить прецизионные измерения векторны х ве­
личин магнитного поля, а так ж е малых угловы х перемещений к а ­
ких-либо тел, находящ ихся в геомагнитном или искусственно соз­
данном поле. Б л аго д ар я высокой надежности, малым габаритам ,
весу и энергопотреблению феррозонды могут с успехом использо­
ваться в качестве датчиков у гл а рассогласования в различного
рода следящ их системах начин ая с простейших курсоуказателей
и кончая системами ориентации космических аппаратов.
ГЛАВА Т РЕ ТЬЯ
К О Н С Т Р У К Т И В Н О Е ВЫ П О Л Н Е Н И Е
ФЕРРОЗОНДОВ
8 . Выбор материала и технология
изготовления сердечников
Сердечники феррозондов изготавливаю тся, к а к правило, из
ж елезоникелевы х сплавов, характеризую щ ихся наибольш ими зн а ­
чениями магнитной проницаемости р и малыми значениям и коэрц и ­
78
ти вн ой силы Нт К ак указы валось в § 6, наиболее приемлемыми
сплавам и являю тся 80Н Х С , 79НМ и 79НМ -У. Эти сплавы обладаю т
низким уровнем магнитных ш умов [15] и имеют малые константы
анизотропии [105], что позволяет и зготавливать из них сердеч­
ники различной формы, в том числе и применяемые в ф еррозондах
с поперечным возбуждением. К роме того, эти сплавы обладаю т хо­
рошей температурной стабильностью и достаточно высоким у д ел ь ­
ным электрическим сопротивлением, что делает их пригодными не
то л ьк о д л я работы на звуковы х, но и на более высоких частотах.
К достоинствам сплава 80Н Х С мож но отнести отсутствие в нем
дорогостоящ его и дефицитного молибдена, сравнительно простую
и деш евую технологию получения сплава.
М агнитные свойства у казан н ы х сплавов приведены в табл. 4
[15, 145] *. Н а практике, к ак п равило, имеет место производствен­
ный разброс магнитных свойств материалов, вызванный наличием
Таблица 4
О т н о с и т е л ь н а я проницаемость
материала
М арка
сплава
80Н Х С
Толщина
(^нач
•^ыакс
С'Д макс
2 -3
22 ООО
120 ООО
240 ООО
0 ,0 5
3 - 3 ,5
2 0 00 0
80 ООО
—
3 ,5
4
—
—
110 ООО
0,1
1— 2
20 ООО
120 ООО
4 5 0 ООО
0 ,0 5
2 -3
16 ООО
9 0 000
—
0,01
2— 3
—
—
190 ООО
0 ,5 — 1
22 ООО
150 ООО
525 ООО
0 ,0 5
1— 2
20 ООО
120 ООО
—
0,01
2 -3
—
—
310 ООО
0,1
7 9 Н М -У
тл
0,1
0,01
79 Н М
а!м
чм
Точка
Кюри,
"С
0 ,7
330
0 ,8 5
45 0
0 ,7 5
400
содерж ан ия в нем примесей и неизбежными колебаниями его хим и­
ческого состава, а так ж е возможными изменениями в степени о б ж а­
ти я при прокатке и термической обработке. Поэтому в табл. 4 даны
минимальны е значения нормальной начальной и м аксим альной
проницаемости. К ак отмечено в [15], для сплавов 80Н Х С и
79Н М -У величины максимальной проницаемости могут в ряде с л у ­
чаев иметь гораздо большие значения.
* См. т а к ж е ГОСТ 10160— 62.
79
Из табл. 4 следует, что магнитные свойства материалов зави сят
от их толщины. С уменьшением толщ ины эти свойства ухудш аю тся.
О днако, если учесть, что на магнитные свойства сердечников ф ерро­
зонда, к ак правило, сильно вл и яет их форма (см. § 2), то у казан н о е
ухудш ение свойств с уменьшением толщины сердечников, равно как
и производственный разброс параметров м атериала, не оказы вает
сущ ественного влияни я на величины рмакс и Рдмакс- Д ействительно,
из вы раж ения (30) видно, что при выполнении условия Л/р > 1 про­
ницаемость сердечника (тела) практически не зависит от изменения
проницаемости вещества (м атериала).
Поэтому при выборе толщ ины материала для сердечников ф ер­
розонда обычно исходят не из стремления использовать наибольш ие
зн ачен ия проницаемости вещ ества, а из д ругих соображ ений.
К ним относятся;
а) обеспечение конструктивной жесткости сердечников;
б) обеспечение наиболее простой технологии их изготовления;
в) исключение поверхностного эффекта (скин-эффекта) д л я вы ­
бранной частоты поля возбуж дения.
Ж есткость сердечников необходима для защ иты их от м ехани­
ческих воздействий. М еханические воздействия п риводят к у х у д ­
шению характеристик сердечников, в частности, к увеличению
коэрцитивной силы Ну [146]. У величение ж е коэрцитивной силы
сопряж ено с увеличением потерь на гистерезис, а та к ж е с возм ож ­
ным увеличением уровня магнитны х шумов [122], см. § 6. Кроме
того, к ак было показано в § 7, механические воздействия, п ри вод я­
щ ие к искривлению или излому сердечников, отрицательно ск азы ­
ваю тся на диаграмме направленности феррозондов.
Наибольш ие механические воздействия сердечники испыты­
ваю т в момент настройки ф еррозонда, когда производят подбор их
в пары с целью получения миним ального уровня помехи (так н а ­
зываемой 3. д. с. небаланса), см. § 1, 6. Поэтому толщ ину стерж ­
невых сердечников дифф еренциальны х феррозондов, к а к правило,
выбираю т не менее 0,1 мм.
Выбор толщины стерж невы х сердечников не менее 0,1 мм вы го­
ден и в технологическом отнош ении. Подобные сердечники могут
и зготавливаться с помощью ш тампа. Ш тамповка — наиболее про­
стой и дешевый способ изготовления сердечников. В то ж е время
этот способ обеспечивает идентичность геометрических разм еров
сердечников, что чрезвы чайно важ но, так как именно эти размеры
и определяю т величину м аксим альной проницаемости тела. Ш там­
повка позволяет такж е и зготавливать идентичные по разм ерам сер­
дечники не только прям оугольной формы, но и иной, более слож ной,
формы, например, в виде стрелок (рис. 27, а) и т. п.
Н а опыте установлено, что при толщ ине материала 0,1 мм с по­
мощью штампа вполне возм ож на вы рубка сердечников, х ар а к тер и ­
зую щ ихся отношением длины к ш ирине порядка 50. В таб л . 5 при­
ведены основные типоразм еры стерж невы х плоских сердечников,
изготовление которых из м атериалов толщиной 0,1 м м освоено
80
Т аблица 5
ф о р м а сердечника
(контур вырубки)
Д л и н а , мм
Ш и р и н а , мм
П р я м о у го л ь н и к
100
2,0
»
70
145
70
50
30
1.5
3 .0
3 .0
2 .5
С тр елк а
»
»
, . ,
.
.
.
.
.
.
П римечание
Концы стр ел ок имею т р а д и у с
за к р у гл ен и я п ор я д к а 0 ,5 м м
2.0
способом ш тамповки. В ы рубка сердечников производится таким
образом, чтобы их продольные оси оказал и сь направленны ми вдоль
п рокатки материала. В ы рубку партии сердечников ж елательн о
производить из одного и того ж е листа или полосы м атери ала.
П осле вы рубки сердечники освобождаю тся от заусениц и р и х ­
тую тся. Освобождение от заусен иц может производиться р азл и ч ­
ными методами, в том числе электрополировкой на переменном токе
[1451. Затем сердечники обезж ириваю тся (протираются бензином
или растворителем) и суш атся в терм остате при тем пературе по­
р яд к а 50° С в течение 30—40 м и н . Во время суш ки сердечники
долж ны быть расположены так , чтобы обеспечивался свободный
доступ воздуха к их поверхностям.
С целью максимальной очистки м атериала сердечников от вред­
ных примесей, наиболее полной рекристаллизаци и сплава и обеспе­
чения в нем благоприятной д л я магнитных свойств структуры
производится отж иг сердечников. Д л я этого сердечники ак куратн о,
рядам и заклады ваю тся в контейнер из ж ароупорного неокисляю щ егося м атериала и пересыпаю тся порошком чистой окиси алю м и­
н и я во избеж ание возможного сп ек ан и я их друг с другом. П р е д в а­
рительно порош ок окиси алю миния прокаливается н а чистом
противне при тем пература + 8 0 0 ° С в течение 3 ч, охлаж дается на
воздухе и просеивается через мелкое сито с диаметром ячеек 0,5 мм.
П орош ок не долж ен содерж ать угольн ой пыли, окалины и д руги х
загр я зн ен и й . Один или несколько контейнеров с уложенными в них
сердечниками помещаются в кам еру печи для отж ига.
О тж иг производится в энергично рафинирую щ их средах (сухой
очищ енный водород или вакуум с остаточным давлением п о ряд ка
1 -1 0 “® м м рт. ст.). Опыт п о казал , что наиболее простым и д е­
шевым явл яется вакуумны й отж иг. П осле обеспечения необходи­
мого у ровн я остаточного давлен ия вклю чается обогрев печи и в те­
чение 2 — 3 ч тем пература внутри печи доводится до 1100° С.
П ри этой тем пературе дается вы д ерж ка в продолжение 3 —4 ч,
после чего обогрев печи отклю чается. Д о температуры п оряд ка
600° С охлаж дение производится со скоростью 200° С в час. Затем
д вер ц а печи откры вается, и охлаж ден и е до комнатной тем пе­
р атуры + 2 0 ° С идет более интенсивно. К онтроль тем пературы
внутри печи на протяж ении н агрева, вы держ ки и охл аж д ен и я
6
Ю.
в.
Афанасьев
81
осущ ествляется с помощью терм опары и пишущего гальваном етра.
Р езу л ьтаты контроля ф иксирую тся на специальны х круговы х
д иаграм м ах, утверж денны х Комитетом стандартов, реестр № 36.
О тож женны е сердечники ак куратн о вынимаются из контей­
н ера (при этом спекш иеся д руг с другом сердечники ср азу ж е
бракую тся), путем обдува освобождаю тся от окиси алю миния
и уклады ваю тся в тару, обеспечивающ ую их хранение при отсут­
ствии механических воздействий. Иногда отожженные сердечники
ср азу ж е подклеиваются к предохраняю щ им их гетинаксовы м
пластинкам (см. § 9) и у ж е в таком , окончательно подготовленном
д л я настройки феррозонда виде поступают на хранение.
Обеспечение жесткости сердечников и наиболее простой техн о­
логии их изготовления за счет использования м атериалов то л ­
щ иной не менее 0,1 мм находится, однако, в известном противоре­
чии с исключением эффекта поверхностного экр ан и рован и я, если
частота поля возбуж дения вы бирается достаточно высокой. Эффект
поверхностного экр ан и рован и я состоит в том, что при наличии
электропроводны х свойств упом януты х сплавов (удельное эл е к ­
трическое сопротивление их соответствует примерно 60 мком-см)
проникновение переменного магнитного потока в глубь м атери ала
зави си т от частоты намагничиваю щ его поля [91]. Очевидно, что
безгистерезисная зависимость В , (Яо), о которой говорилось
в § 6, п. 2, может быть достигнута лиш ь при условии проникнове­
ния переменного магнитного потока на глубину не менее половины
толщ ины сердечника. Вопрос о глубине проникновения перемен­
ного потока в зависимости от электропроводности м атери ала, его
магнитной проницаемости и частоты намагничиваю щ его поля под­
робно рассмотрен в работе [91 ]. Н а основании полученных в этой
работе формул в [13] д л я упомянуты х сплавов дано простое
соотношение;
//^(2... 4 ) ^ ,
(125)
где к — толщ ина сердечника в мм, / — частота поля нам агни чи ­
в ан и я (возбуждения) в гц. Отсю да предельные значения частот д л я
соответствующ их толщин сердечников будут
н , мм
1, щ
1 ,0
0,1
1 ,6 -Ю
1,6-Ю-*
0,0 1
0,0 01
1,6 - 10 ®
1 , 6 - 10 ^
Стремление повысить частоту возбуж дения феррозондов б ази ­
руется, с одной стороны, на расш ирении информационных возм ож ­
* Н ео б х о д и м о за м ети ть, что чи слен н ы й коэф ф ициент в ф о р м у л е (1 2 5 ), пов и д и м о м у , н у ж д а ет ся в ут оч н ен и и В о всяк ом сл у ч а е для р а зо м к н у т ы х с ер д еч ­
н иков эк сп ер и м ен тальн о у ст а н о в л ен о , что при толщ ин е 0,1 м м б е зг и с т е р е зи с н а я
за в и си м о ст ь Б ц (Я д ) н а б л ю д а л а сь и на частоте, в четыре р а за п ревы ш аю щ ей
п р ед е л ь н у ю (см
82
гл ав у ч етв ер тую , а т а к ж е
[1 5 9 ]).
ностей феррозоидовых устройств, с другой — на миниатю ризации
и повышении надежности этих устройств. Расш ирение информа­
ционных возможностей состоит в том, что при повышении частоты
поля возбуж дения, в соответствии с известной теоремой К отель­
никова [147], повышается и в ер х н яя граничная частота сп ектра
измеряемоего поля. Это приводит к возможности создания бы стро­
действую щ их магнитометров, магнитометров переменных м агнит­
ных полей, магнитометров для одновременного измерения постоян­
ных и переменных полей и т. п. М иниатю ризация феррозоидовых
устройств основывается на том, что с повышением рабочей частоты
резко уменьш аю тся габариты и вес так и х радиотехнических э л е ­
ментов, входящ их в схему разли чн ы х измерительных устройств,
к ак трансформаторы , дроссели, конденсаторы и т. п. Это п озво­
л яет использовать в феррозоидовых устройствах узлы в микром одульном исполнении, шире прим енять печатный монтаж , тв ер ­
дые интегральны е схемы и т. п. М иниатю ризация — реальны й
ш аг к внедрению дублированны х или квадрированны х м агнито­
метрических систем, резко повышаю щий их надежность. М иниатю ризированны е магнитометры и градиентометры могут найти
применение при проведении назем ны х поисковых работ, ск в а ж и н ­
ных исследований и т. д. М иниатю ризированны е и вместе с тем
вы соконадеж ны е магнитометрические системы и устройства край н е
необходимы для проведения разли чн ы х экспериментов в косм и­
ческом пространстве.
К ак у ж е отмечалось, из соображ ений обеспечения к о н ­
структивн ой жесткости и технологичности изготовления стерж ­
невые сердечники для ф еррозондов выш тамповываются из
м атери ала толщиной не менее 0,1 мм. Поэтому, если речь
идет о резком повышении рабочих частот феррозонда (п оряд ка
сотен килогерц), что возможно лиш ь при толщ инах сердеч­
ников, измеряемых микронами, вопросы обеспечения ж естк о ­
сти и технологичности так и х сердечников долж ны реш аться
иными путями.
В этом плане могут о казаться перспективными кольцевы е ф ер­
розонды [116], сердечники которы х представляю т собой виты е
тороиды по типу применяемых в магнитных усилителях и вы п ол­
няем ы х из пермаллоевых лент толщ иной 0,01—0,05 мм (10—50 мк).
Н есм отря на сложность н арезки подобных лент, их обработки
(снятие заусениц и обезж иривание), электроизоляции и самой
н авивки , технологию изготовления подобных сердечников мож но
считать хорош о освоенной [145]. Д л я придания сердечнику н е­
обходимой жесткости н авивка ленты может производиться на
стеатитовы й керамический к а р к ас , вместе с которым осущ ествляю т
отж и г сердечника и который сохран яется в дальнейш ем к а к ме­
хан и ческая основа сердечника.
По-видимому, следует считать перспективным и применение
в феррозондах трубчатых сердечников, выполненных в виде то н ­
ких ферромагнитны х покрытий, путем осаж дения м атериала на
6*
83
ж есткое керамическое, стеклян н ое или пластмассовое основание.
Технология производства подобных покрытий бурно разви вается
в последние годы в связи с изучением особенностей и свойств тон ­
ки х магнитных пленок [15, 148], а так ж е их практическим и сп оль­
зованием в различны х устройствах вычислительной техники
[149]. Из многочисленных методов осаждения ферромагнитны х
покры тий [148, 150] д л я изготовления сердечников феррозонда
мож ет быть рекомендован метод электрохимического осаж дения
металлов из солей на катод (электролиз). Д л я этого вся п оверх­
ность трубчатой или какой-либо иной изоляционной основы либо
части этой поверхности покры ваю тся тончайшей м еталлизи рован ­
ной подложкой. П одлож ку н ан осят химическим путем или спо­
собом катодного распы ления. П ермаллоевы е покры тия получаю т,
к а к правило, благодаря использованию сернокислы х электрол и ­
тов, содерж ащ их
и Р е304 [150].
Метод электроосаж дения позволяет:
1) без особых трудностей получать покрытия толщ иной 5— 10 мк
(т а к а я толщ ина необходима д л я того, чтобы избавиться от неко­
торы х отрицательны х свойств, присущ их собственно магнитным
пленкам значительно меньшей толщ ины, а такж е д л я обеспече­
ния необходимой анизотропии формы сердечников по отношению
к измеряемому полю, см. § 2, 7, 9);
2) наносить покрытие на основу любой формы, в том числе
и на наиболее устойчивую к механическим воздействиям тр у б ч а­
ту ю основу;
3) достигать высокой воспроизводимости магнитных свойств
покрытий от образца к образцу;
4) получать изотропные покры тия с высокими значениями
магнитной проницаемости [151], что крайне ж елательно при ис­
пользовании трубчатых сердечников в феррозондах с поперечным
возбуж дением (см. § 9).
Кроме того, необходимо отметить, что метод эл е к тр о ­
осаж дения является сравнительно дешевым методом, не требую ­
щим каких-либо специальны х тем пературны х и д р у ги х усл о ­
вий, могущим быть освоенным на любом промыш ленном пред­
приятии.
Изготовленные методом электроосаж дения трубчаты е сердеч­
н ики различной длины и диам етра с толщиной ферром агнитного
слоя 3 — 10 мкм испытаны автором совместно с Л . Г. К адинской
в ф еррозондах, работаю щ их на частотах возбуж дения п оряд ка
сотен килогерц (особенности конструктивного вы полнения так и х
феррозондов описываются в следующем параграфе). И спы тания
п о казал и , что при сохранении в покры тиях процентного содер­
ж ан и я никеля и ж елеза, примерно равного соотношению этих
элементов в ранее указан н ы х сп лавах (см. табл. 4), трубчаты е
сердечники, изготовленные методом электроосаж дения, могут
использоваться в феррозондах н аравн е со стержневыми и кол ьц е­
выми сердечниками.
84
П ри этом очевидно, что трубчаты е сердечники толщ иной 5—
10 н к м целесообразнее всего использовать в высокочастотных
феррозондах.
9. Особенности конструкти вн ого выполнения
феррозондов
Рассмотренны е в § 3 специфические особенности, присущ ие
двум основным режимам работы ф еррозонда и являю щ иеся к л а с ­
сификационными признаками по п р и н ц и п у д е й с т в и я ,
естественно, не могут быть полож ены в основу классификации или
перечисления к о н с т р у к ц и й
феррозондов. Очевидно, что,
коль скоро упомянутые режимы определяю тся через соотношение
напряж енностей измеряемого и вспомогательных полей, то к а ­
кую бы конструкцию не имел ф еррозонд, принципиально он может
работать к ак в первом, так и во втором режиме.
Значительно большее влияниее на особенности кон структив­
ного выполнения феррозондов оказы вает способ налож ения вспо­
м огательного переменного поля. Ф еррозонды с поперечным в о з­
буждением, к а к правило, заметно отличаю тся по конструкции
от феррозондов с продольным возбуж дением.
Ещ е больш ее и, по-видимому, главенствую щ ее влияние на
конструкцию феррозонда оказы вает сама форма примененных
в нем сердечников, а так ж е их м еханические и другие свойства,
определяемы е технологией изготовления (см. § 8).
У читы вая это, а так ж е приним ая во внимание, что осущ еств­
ление способа поперечного возбуж дени я, как правило, предпо­
лагает использование трубчаты х сердечников, сущ ествую щ ие
конструкции можно разделить на три основные группы:
1) стерж невы е феррозонды;
2) кольцевы е феррозонды;
3) трубчаты е феррозонды.
Рассмотрим особенности конструктивного выполнения ф ерро­
зондов, входящ их в каж дую группу.
1.
К ак уж е отмечалось, наиболее распространенным типом
стерж невого феррозонда явл яется дифференциальный феррозонд,
кон струкц и я которого в общих чертах п оказана на рис. 1, б.
Кроме дифференциальных феррозондов, содерж ащ их по крайн ей
мере д ва стерж невых сердечника *, известны и находят прим ене­
ние так ж е и одностержневые феррозонды . По своему кон структив­
ному выполнению одностержневые феррозонды, несомненно, прощ е
дифф еренциальны х. Однако в свете излож енного в § 7 это вовсе
не означает, что к конструкциям одностержневых феррозондов
п ред ъявляю тся менее ж есткие требован ия, чем к конструкциям
диф ф еренциальны х феррозондов. Поэтому, ознакомивш ись с треЩ
1 И н о гд а п олуэлем ен ты ди ф ф ер ен ц и ал ь н ого ф ер р озон да со д ер ж а т не по о д ­
н о м у , а по н еск ол ьк о сер деч н ик ов , соб и р а ем ы х в пакет.
85
бованиям и, предъявляемыми к конструкциям дифф еренциальных
феррозондов, можно составить представление и о треб ован и ях
к одностержневым феррозондам.
К онструкция дифференциального феррозонда долж на обеспе­
чивать:
а) сохранность магнитных свойств сердечников к ак в процессе
настройки феррозонда, так и в процессе его эксплуатации;
б) прямолинейность ук л ад к и сердечников
в пазы полуэле­
ментов феррозонда;
в) высокую степень параллельности продольных осей сердеч­
ников, уложенных в пазы полуэлементов феррозонда;
г) неизменность полож ения обмоток относительно сердечников;
д) необходимую однородность переменных и постоянных по­
лей, создаваемых с помощью обмоток;
е) высокую жесткость всей конструкции в целом и защ итного
чехла в частности, предохраняю щ его сердечники и обмотки от
внеш них механических воздействий.
Обеспечение сохранности магнитных свойств сердечников во
время настройки феррозонда обычно достигается за счет под­
клей ки к ним предохраняю щ их гетинаксовых пластинок. П л а ­
стинки могут подклеиваться к ак с одной, так и с д вух сторон
сердечника. Ш ирина пластинок обычно равна ширине сердечника,
дли н а ж е превышает дли н у сердечника на 5— 10 мм, а иногда
и более в зависимости от того, на сколько длина сердечника
меньше длины обмотки возбуж дения, а следовательно, и длины
к а р к ас а полуэлемента феррозонда. П одклейка осущ ествляется на
небольшой части поверхности сердечника, в центре или с одного
из его концов, во избеж ание возможных стягиваю щ их усилий
при удлинении или укорочении сердечника под воздействием ко­
лебаний температуры окруж аю щ ей среды. П одклейку производят
клеем БФ -4.
В некоторых, особенно ответственных случ аях, когда н аряду
с низким порогом чувствительности феррозонда необходимо обес­
печить и высокое постоянство его диаграммы направленности
и когда габариты феррозонда не имеют сущ ественного значения,
может быть рекомендован способ укладки сердечников в сп ец и ал ь­
ные пластмассовые или керамические пеналы, обладаю щ ие повы­
шенной жесткостью. У к л ад к а в пеналы так ж е предусм атривает
подклейку небольшой части поверхности сердечника к дну пе­
н ал а, из которого сердечник никогда не вынимается. П ри настройке
подбор и замена сердечников производятся вместе с пеналам и.
Требования по п. б, б и г обеспечиваются в нуж ной степени,
если детали феррозонда изготовлены из плотного и тем пературо­
устойчивого материала, если они обработаны и пригнаны д р у г
к д р у гу с надлеж ащ ей точностью , если правильно учтены воз­
можные механические н агр у зк и на каж дую деталь в отдельности,
а так ж е если хорошо продум ана последовательность операций всей
сборки феррозонда.
86
Совершенно неподходящим м атериалом для изготовления д е­
талей ф еррозонда является органическое стекло, неолейкорит
и т. п. Х орош ие результаты были получены при использовании
радиотекстолита (рис. 31) и п рессм атериала АГ-4С (рис. 32).
Б езусловн о желательны ми м атериалами являю тся к ерам и ка,рад и о­
фарфор и т. п., хотя изготовление из них фигурны х деталей встре­
чает определенные технические трудности. Иногда отдельные д ета­
ли ф еррозонда, например, каркасы полуэлементов, несущие на себе
обмотки возбуж дения, изготавливаю т из металлов (латуни, дюр-
Р и с . 3 1 . Э лем енты
к онстр ук ци и
ди ф ф ер ен ц и ал ь н ого
ти п а.
ф ер р озон да
ст ер ж н ев о го
1 — п о л у э л е м е н т с обм от ко й: 2 — дв а с к л е е н н ы х п о л у э л о м е н т а , 3 — к о н ц е в ы е в т у л к и ,
4 — с к л е е н н ы е п о л у э л е м е н т ы с в т у л к а м и , 5 — с е р д е ч н и к и , п о д к л е е н н ы е к ге т и н а к с о в ы м
п л а с т и н к а м , 6 — к о н с т р у к ц и я с н а н е се н н о й и з м е р и т е л ь н о й о бм от кой (с обс т ве нн о ф е р р о ­
зо нд) ; 7 — к а т у ш к а к о м п е н с а ц и и ; 8 ~ з а щ и т н ы й че хол .
алю миния и д р.). Такие детали долж ны быть разрезны ми во
избеж ание образования короткозам кнуты х витков. По той ж е
йричине вставляемы й в паз м еталлического каркаса ф ерром агнит­
ный сердечник долж ен быть электрически изолирован от внутрен ­
ней поверхности паза.
М атериалы , из которых изготавливаю тся детали ф еррозонда
(исклю чая, конечно, сами сердечники), долж ны быть нем агнит­
ными. Недопустимо и загрязн ен и е деталей магнитными м атер и а­
лами (стальной струж кой, опилками и т. п.) в процессе и зготовле­
ния. О бъемная магнитная восприимчивость отдельных д еталей
ф еррозонда не долж на превыш ать 10"®— 10"* единиц СИ. О ц ен ка
объемной восприимчивости, как п равило, производится с помощью
астатических магнитометров [28, 152].
Д ополн ительн ая обработка и подгонка деталей производятся
в соответствии с указаниям и в чертеж ах и утвержденным техн о­
логическим процессом. При этом поверхности деталей, п ред н азн а­
ченные д л я склеивания,- зачищ аю тся наж дачной бумагой, проти­
87
раю тся спиртом или ацетоном, просуш иваю тся на воздухе, после
чего на них наносится тонкий слой кл ея БФ -4. Слой подсуш ивается
в термостате до полного вы сы хания. Затем на охлаж денны е по­
верхности наносится второй слой, который вновь подсуш ивается.
Д етал и со склеиваемыми поверхностями заж им аю тся в сп ец и ал ь­
ных приспособлениях и суш атся в течение 2—3 ч при тем пературе
около 60° С. При склеивании и суш ке каркасов полуэлементов
феррозонда в пазы, предназначенны е для сердечников, вставляю тся
специальны е оправки (вклады ш и). Эти ж е оправки вставляю тся
и при нанесении обмоток на каркасы .
Нанесение обмоток производится, как правило, станочным
способом. Провод уклады вается виток к витку, каж ды й слой об­
мотки пропитывается ш еллаком. Во время намотки производится
счет витков. К аркасы с нанесенными на них обмотками возбуж де­
н ия, образую щ ие полуэлементы феррозонда, ком плектую тся по­
парно по наибольшей сходимости омических и индуктивны х со­
противлений (допустимое расхож дение обычно составляет десяты е
доли процента от номинальных значений). И зм ерительная (вторич­
ная) обмотка в некоторых сл у ч аях наматывается одновременно
с д ву х катуш ек с последующим соединением конца одной половины
обмотки с началом другой. В случае заземления одного из концов
обмотки подобное соединение ее половин позволяет уменьш ить
влияни е электромагнитных наводок на контур выходной цепи.
К ак указы валось в § 6, изм ерительная обмотка д олж н а быть
короткой и размещ аться в центральной части сердечников. Очень
часто в каркасе, предназначенном д л я нескольких обмоток (изме­
рительной, компенсационной, калибровочной и т. д .), д л я изме­
рительной обмотки предусматривается специальное углублени е
(рис. 32). По мере нанесения обмоток их концы подпаиваю тся
к соответствующим выводным контактам штыревого типа.
П осле проверки всех обмоток на отсутствие короткозам кнуты х
витков можно приступить к сборке феррозонда. П реж де всего
осущ ествляю тся вы верка, подгонка и склеивание уком плектован ­
ных в пару полуэлементов феррозонда. Необходимо зам етить, что
от качества проведения этих операций зависит степень дости ж и ­
мой параллельности пазов, а следовательно, и продольны х осей
сердечников, о необходимости которой говорилось в § 7. Процесс
склеивани я описан выше. Затем склеенны е полуэлементы, обра­
зую щ ие сердцевину ф еррозонда, аккуратн о вставляю тся внутрь
ка р к ас а измерительной обмотки. Соприкасаю щ иеся поверхности
при этом предварительно покры ваю тся клеем. Клеем п окры ­
ваю тся так ж е и торцевые части поверхностей. С обранный таким
образом феррозонд просуш ивается, после чего он считается под­
готовленным для настройки.
Во время настройки сердечники вместе с подклеенными к ним
гетинаксовыми пластинками долж ны свободно, хотя и с неболь­
шим трением, проходить в пазы полуэлементов ф еррозонда.
У гловы е перемещения сердечников при этом соверш енно недо­
88
пустимы, долж на быть обеспечена возмож ность лиш ь поступатель­
ного движ ения сердечника в направлен ии продольной оси. П ри
перемещении усилия прилагаю тся не к самому сердечнику,
а к подклеенным к нему гетинаксовы м пластинкам.
С ущ ность настройки сводится к тому, что за счет подбора
идентичных в магнитном отношении сердечников добиваю тся
необходимого для выбранного реж им а работы минимального
у ровн я э. д. с помехи (см. § 1 , 6 ) при одновременном обеспечении
заданной чувствительности. Ф еррозонд считается достаточно хо-
Р и с . 3 2 . Э лементы
к онстр ук ци и
ди ф ф ер ен ц и ал ь н ого
т и п а.
ф ер р озон да
ст ер ж н ев о го
/ — к а р к а с д л я и зм е р и т е л ь н о й и к о м п е н с а ц и о н н о й обм от ок, 2 — з а щ и т н ы й ч е х о л , 3 —
ф е р р о з о н д в с о б р а н н о м ви де без ч е х л а ; 4 —| с е р д е ч н и к и , п о д к л е е н н ы е к г е т и н а к с о в ы м
п л а с т и н к а м , 5 — п о л у э л е м е н т ы ф е р р о зо н д а .
рош о настроенным (отбалансированным), если величина д, вы ­
числяем ая по формуле (16) и соответствую щ ая напряж енности
н екоего фиктивного поля, не превы ш ает Ю®7 (для второго реж им а
работы)*. П ри настройке, к ак отмечалось в § 7, необходимо сл е­
дить, чтобы концы сердечников не оказал и сь смещенными относи­
тельно д р у г друга. Смещения не будет, если выступающие из п а­
зов части гетинаксовы х пластинок окаж утся одинаковыми по
длине. Эти ж е выступающие части сл у ж ат и д ля зак р еп л ен и я
сердечников в нужном полож ении; по достижении минимального
уровня помехи они заливаю тся радиоголоваксом или каким-либо
1 В р а б о т е [1 1 4 ] качество н астрой к и д и ф ф ер ен ц и ал ьн ого ф ер р озон да п р е д ­
л о ж е н о оц ен и в а ть коэф ф ициентом
С =
Нт
7^2
где Н т — н а п р я ж е н и е в о зб у ж д е н и я , Уд, — н а п р я ж е н и е п ом ехи ,
— чи сло
витков перви ч н ой и вторичной обм о т о к соотв етств ен н о Ф ер р о зо н д счи тается
до ст а то ч н о х о р о ш о о тбал ан си р ован н ы м , есл и С л еж и т в п р ед ел а х 150— 5 0 0 .
89
ИНЫМ составом, связывающим их с торцевыми поверхностями
полуэлементов и общего к а р к а с а феррозонда.
П осле настройки на ф еррозонд надевается защ итны й чехол.
С целью обеспечения влагоустойчивости, а такж е д л я п ридания
дополнительной жесткости всей конструкции в целом торцевы е
части феррозонда, содерж ащ ие выводные концы из м ягкого много­
ж и льн ого провода, часто зали ваю тся эпоксидным компаундом.
Процентный состав ком паунда: смола эпоксидная ЭД -6 (В ТУ
М Х П М-646-55) — 77% ; п л а сти ф и к ато р — дибутилф талат (ГОСТ
8728— 58-10) — 15,3% ; отвердитель — полиэтиленполиамин (В ТУ
М ХП-10-55) — 7,7% . З а л и в к а долж на быть произведена в про­
межуток
времени
30—
40 мин с момента образо. вания ком паунда. По исте­
чении этого времени н ачи ­
нается переход ком паунда
в твердое состояние. П о л ­
ное отвердение ком паунда
наступает через 6— 8 ч.
Готовые
феррозонды
проходят контроль на со­
Р и с 3 3 К он стр ук ц и я к ар к асов к ольц ев ы х
хранность
достигнуты х
ф ер р о зо н д о в (вид св ер х у ; ш триховы м и л и ­
при настройке парам етров,
ниям и п ок а за н о п о л о ж ен и е сер д еч н и к ов ).
маркирую тся, после чего
подвергаю тся производственным испытаниям на соответствие
требованиям
технических
условий.
Успешно прошедшие цикл испытаний феррозонды могут сразу
ж е быть использованными д л я производства магнитных измерений.
2.
К ак отмечалось в § 8, техн ология изготовления сердечников
кольцевы х феррозондов во многом схож а с применяемой при
изготовлении сердечников м агнитны х усилителей. То ж е самое
следует сказать и о конструктивном выполнении этих устройств.
Поэтому, отсылая читателей к более обстоятельным руководствам
[14, 15, 108, 145[, мы акцентируем внимание лиш ь на наиболее
сущ ественных моментах кон струи рован ия, в частности, вы текаю ­
щ их из изложенного в § 7.
П реж де всего, сердечник со стеатитовым керамическим к а р к а ­
сом, или без этого кар каса, ак куратн о уклады вается в торои дал ь­
ный защ итный каркас. В этом защ итном каркасе сердечник не
долж ен перемещаться в каком -либо направлении.
Защ итны й кар кас обычно состоит из двух частей: собственно
ка р к ас а и крыш ки, которая плотно скрепляется с каркасом ,
например склеивается, после укл ад ки в него сердечника. В неш няя
поверхность каркаса может иметь специальные углублен и я д л я
измерительны х обмоток (рис. 33). У глубления долж ны быть вы пол­
нены заранее в строгом соответствии с разметкой. Если к а р к ас
изготавливается способом прессовки, то соответствующ ая разм етка
д елается при проектировании и изготовлении пресс-формы.
90
в у глублен и я наматываю тся строго одинаковые количества
витков провода. Обмотки попарно балансирую тся. Д л я этого
каж д ая п ар а обмоток соединяется так, чтобы при подаче п ере­
менного тока в одну из обмоток д ругой, перпендикулярной, пары
э. д. с., наводимые в балансируемы х обмотках, вычитались. Путем
добавления одного-двух витков к одной из балансируемы х обмо­
ток добиваю тся минимального зн ачен ия э. д. с. разб аланса.
А налогичны м образом балансируется и д р у гая пара обмоток.
П осле балансировки обмоток последние могут быть залиты
связую щ им компаундом. Ц ель зал и в к и — закрепить витки изме­
рительны х обмоток и подготовить к а р к ас для нанесения обмотки
возбуж дения. Обмотка возбуж дения наносится равномерно по
всей окруж ности каркаса. Обмотка может быть как однослойной,
так и многослойной, в зависимости от выходного сопротивления
ген ератора, к которому будет подклю чен феррозонд. Витки об­
мотки возбуж дения могут быть та к ж е закреплены связую щ им
компаундом. Изготовленный таки м образом феррозонд поме­
щ ается в защ итны й чехол, имеющий выводные контакты.
Р азу м еется, могут быть предлож ены и иные варианты ко н ­
структивного выполнения кольцевы х феррозондов.
Кольцевы е феррозонды не получили ш ирокого распростран е­
ния в п ракти ке магнитных измерений. Кроме работы [153],
в которой описан прибор, содерж ащ ий кольцевы е феррозонды
и предназначенны й для измерения остаточной намагниченности
и магнитной восприимчивости вещ еств, автору не удалось об н а­
руж и ть каки х-либо дополнительны х сведений об использовании
феррозондов этого типа.
К ак отмечалось в § 7, кольцевой феррозонд с двумя ортого­
нально расположенными системами обмоток (см. рис. 30, в и 33, а)
может найти применение в системах следящ его привода. Очевидна
целесообразность применения кольцевы х феррозондов и в систе­
мах магнесинной синхронной передачи угловы х перемещений
[15, 154]. В этом случае изм ерительная цепь образует не две,
а ' три системы обмоток. Ф орма к а р к а с а для такого ф еррозонда
и зображ ена на рис. 33, б. Ф еррозонд с трем я парами изм еритель­
ных обмоток может быть использован, например, в качестве
датчика дистанционного компаса.
3.
В отличие от стержневых сердечников, практически н ам аг­
ничиваемы х под действием одной, продольной компоненты поля,
и кольцевы х сердечников, намагничиваем ы х под действием двух
компонент, располож енны х в плоскости кольца, намагниченность
трубчаты х сердечников, в общем случае, может оказаться ф у н к ­
цией трех компонент поля. Д ействительно, при значительном
диаметре трубки она сочетает в себе свойства кольцевого и стер ж ­
невого сердечников.
П усть, например, ф ерром агнитная трубка, изготовленная
методом электроосаж дения (см. § 8) имеет размеры: длина /ц =
= 30 мм, диаметр О = 2Ц = 10 мм и толщ ина Н = 10“® мм =
91
= 1 мкм. Найдем продольную и поперечную проницаем ость
такого сердечника. В оспользовавш ись упрощенной формулой (35),
счи тая материал изотропным и п олагая, что для обоих случаев
справедливо соотношение А р > 1, с учетом (31) имеем:
р ;^ 0 ,1 8 ^ ;
р; 1 ^ 0 ,1 8 - ^ ,
(126)
где 8 II = 2яРН и 8х = /||/г — площ ади поперечного сечения сер­
дечника в продольном и поперечном направлениях соответственно.
П одставив числовые зн ачен ия, получаем р* =^5,4-10® и р'^
1,5-10®, т. е. продольная и поперечная проницаемость тела
имеет один и тот ж е порядок.
В § 7 отмечалось, что и зотропия формы сердечников явл яется
неж елательны м явлением в п лан е достиж ения однозначной д и а­
граммы направленности ф еррозонда. Н апротив, анизотропия
формы крайне ж елательна. Очевидно, это обстоятельство долж но
учиты ваться при проектировании феррозондов с трубчатыми
сердечниками.
П рактически необходимая анизотропия формы может быть без
особых трудностей достигнута за счет уменьш ения диам етра тр у б ­
чаты х сердечников. Из (126) следует, что, если уменьш ить диаметр
трубчатого сердечника на п орядок при сохранении его длины
и толщ ины, то продольная проницаемость тела увеличится на
п орядок, тогда как поперечная — уменьш ится на два п орядка.
П ри таком соотношении проницаемостей последней практически
мож но пренебречь. Трубчатый сердечник малого диам етра будет
обладать такой ж е анизотропией формы, к ак и стерж невой.
Т рубчатые сердечники могут быть использованы в ф еррозон ­
д ах к ак с продольным, так и с поперечным возбуж дением.
В феррозондах с поперечным возбуждением применение тр у б ­
чаты х сердечников по сравнению с проволочными [55, 60] более
выгодно, так как трубчатый сердечник:
а) не разогревается током возбуж дения, ибо последний про­
текает не по сердечнику, а по осевому проводу (рис. 22);
б) равномерно промагничивается ц иркулярны м полем в о зб у ж ­
д ен ия во всем объеме (из-за м алы х толщин трубок, получаемы х
методом электроосаж дения, отнош ение внешнего диам етра к вну­
треннему близко к единице);
в) обладает необходимой жесткостью (в силу специфики изго­
товления, см. § 8).
Н а рис. 34 схематически изображ ены три типа возмож ны х
конструкций феррозондов с поперечным возбуждением.
В конструкции первого ти па (рис. 34, а) [155] поперечное поле
возбуж дения создается с помощью тороидальной обмотки, витки
которой охватываю т внутренню ю и внешнюю поверхность тр у б ч а­
того сердечника от торца к торц у. И зм ерительная обмотка н ал о­
ж ен а поверх возбуж даю щ ей обмотки обычным способом. П о­
ск о л ьку витки обмоток взаим но перпендикулярны , достигается
92
электром агни тн ая р азв язк а между измерительной цепью и цепью
возбуж дения.
Опыт показы вает, что в подобных феррозондах м алейш ая
неравномерность намотки или перекос витков обмоток приводят
к сущ ественному ухудшению соотнош ения сигнал/пом еха. П равда,
в работе [155] предложено балан си ровать такие феррозонды
за счет правого или левого зак р у ч и в ан и я системы витков торои ­
дальн ой обмотки вокруг продольной оси сердечника, д л я чего
в торцевой части феррозонда предусм атривается специальное
поворотное устройство (на рис. 34, а не показано). О днако на
п р акти ке подобный способ балан си ровки оказал ся не очень
а)
О
Фо)
Но
к
г
Т
..у
Ег(Но)
ф
Р и с . 3 4 . С хем ати ч еск ое и зо б р а ж е н и е т р е х в о зм о ж н ы х типов к онстр ук ц и й
тр убч аты х ф ер р озон дов с п оперечн ы м в озб у ж д ен и ем .
эффективным. Поворотное устройство услож няет конструкцию
феррозонда и вовсе не гаран ти рует сохранность достигнутой
б алансировки при механических и д р у ги х воздействиях.
В работе [155] трубчатый сердечник предложено изготавли ­
вать из листового пермаллоя. С целью устранения анизотропии
перм аллоя, обусловленной его текстурой , а так ж е исклю чения
эффектов остаточной продольной намагниченности предлож ено
наносить на листовой пермаллой специальны е насечки, и скри в­
ляю щ ие н ап равлен ия переменного и постоянного магнитных по­
токов таким образом, что на отдельны х м икроучастках сердечника
потоки становятся параллельны м и.
П рименение листового перм аллоя не позволяет сущ ественно
повысить рабочую частоту феррозонда. Поэтому в работе [156]
ф еррозонд рассматриваемого типа выполнен на ферритовом тр у б ­
чатом сердечнике. С той ж е целью автором совместно с Л . Г. К,адинской испытан феррозонд подобного типа с пермаллоевым сер­
дечником толщ иной 6 мкм, изготовленны м методом электроосаж ­
дения (см. § 8). Н а частоте / = 100 кгц феррозонд имел чувстви ­
тельность по второй гармонике п о р яд ка 10 мкв!у и потреблял
мощность около 100 мет. Ч то касается постоянства соотнош ения
сигнал/пом еха, то феррозонду о к азал и сь присущи все те недо­
статки, о которы х говорилось выше.
93
Д р уго й тип конструкции ф еррозонда с поперечным возбуж де­
нием [157] изображен на рис. 34, б. В этой конструкции обмотка
возбуж дения образована осевым проводом и внешним м еталличе­
ским чехлом (показан ш триховыми линиями). По сущ еству это
та ж е тороидальная обмотка, но с множеством п арал л ел ьн ы х
витков. Р азн иц а состоит лиш ь в том, что так ая «обмотка» может
быть выполнена достаточно ж есткой и строго коакси альн ой по
отношению к трубчатому сердечнику. Д ействительно, нетрудно
представить себе конструкцию феррозонда, состоящую из осевого
провода, двух керамических трубок разного диаметра, входящ их
одна в другую , несущ их ф ерромагнитное покрытие и изм еритель­
ную обмотку, поверх которы х одета металлическая тр у б к а *.
Д но трубки электрически соединяется с осевым проводом, с д р у ­
гой торцевой стороны провод и м еталлическая труб ка непосред­
ственно сопрягаю тся с коаксиальны м кабелем. М еталлическая
тр у б к а одновременно служ и т чехлом для феррозонда.
Очевидно, что подобная конструкция обладает необходимой
ж есткостью , благодаря чему обеспечивается высокое постоянство
соотнош ения сигнал/помеха. Ф еррозонды этого типа просты в и зго­
товлении и не нуж даю тся в настройке или юстировке.
К недостаткам феррозондов этого типа можно отнести лиш ь
сравнительно низкий импеданс цепи возбуж дения, что при со гл а­
совании с транзисторными генераторами требует применения
пониж аю щ их трансформаторов с соотношением витков порядка
50 ; 1 и более. Однако этот недостаток не является п рин ц ип и аль­
ным. Кроме того, с повышением частоты поля возбуж дения импе­
данс цепи возбуж дения возрастает.
Ф еррозонд данной конструкции с сердечниками, полученными
методом электроосаж дения, может быть рекомендован д л я работы
на радиочастотах, вплоть до нескольких мегагерц. П ри этом ш ун ­
тирую щ ее действие внешней металлической трубки (чехла) будет
сказы ваться тем меньше, чем д альш е она отстоит от измерительной
обм отки.
Ещ е одна разновидность конструкции феррозонда с попереч­
ным возбуждением изображ ена на рис. 34, в. В этой конструкции
использую тся два трубчатых сердечника, продольные оси которы х,
т а к ж е к ак и в дифференциальном феррозонде, располагаю тся
параллельно. Осевой провод последовательно проходит через
оба сердечника, о б разуя цепь возбуж дения. И зм ери тельн ая
обмотка наматывается поверх обоих сердечников.
Р азр аб о тка этой последней конструкции может быть оп равдана
лиш ь в том случае, если в ней использовать готовый ком бинирован­
ный провод (ферромагнитный м атериал осажден непосредственно
на поверхность медной проволоки). Изогнутый в виде петли и
улож енны й в какой-либо к а р к ас так, чтобы образовались п а р а л ­
* З а м ет и м , что в р я д е сл уч аев м о ж ет о к а за т ь ся ц ел есообр азн ы м р азм ещ ен и е
и зм ер и т ел ь н о й обм отки п ов ер х м етал л и ч еск ой т р убк и [ 1 5 7 ].
94
лельны е участки длиной 10— 15 мм, такой провод сразу ж е об ра­
зует и цепь возбуж дения, и магнитную цепь. Достаточно намотать
поверх этого провода в перпендикулярном направлении 100—
200 витков обычного медного провода, чтобы получить простей­
ший ф еррозонд, обладающий на частотах п орядка 100 кгц вполне
приемлемой чувствительностью (1— 3 мкв!у).
С ледует заметить, что проектирование феррозонда последнего
типа в прецизионном исполнении в р яд ли целесообразно, по­
ск о льку по чувствительности, порогу чувствительности и потреб­
ляемой мощности он уступает аналогичном у по сложности диффе­
ренциальном у феррозонду с продольны м возбуждением.
I
I
Р и с 3 5 . Д е т а л и и общ и й в ид к о н ст р у к ц и и ди ф ф ер ен ц и ал ьн ого ф е р ­
р о зо н д а с трубчаты ми сер деч н и к ам и , работаю щ и м и на вы соких частотах
К онструкц ия (общий вид и детали) дифференциального ф ерро­
зонда с продольным возбуждением и трубчатыми сердечниками,
изготовленны ми методом электроосаж ден ия, показана на рис. 35.
С ердечник 1 имеет длину 30 м м и диаметр 0,15 мм. Его м еха­
нической основой служ ит медная проволока, на остеклованную
поверхность которой нанесена сереб рян ая подлож ка толщ иной
0;5 мкм, а на нее методом электроосаж дения — слой перм аллоя
(N1 = 79% , Р е = 21% ) толщ иной 10 мкм. При указан ны х р а з ­
м ерах трубчатого ферромагнитного сердечника поперечной ком ­
понентной проницаемости тела, в соответствии с выражением
(126), мож но пренебречь. Сердечник 1 помещается внутрь
кварцевой трубки 2 (каркас полуэлемента). П олуэлемент ф ерро­
зонда — кв ар ц ев ая трубка с обмоткой возбуж дения — поз, 3,
поз. 4 — текстолитовая основа с двум я углублениям и д л я п олу­
элементов феррозонда, 5 — текстолитовы й кар кас для изм еритель­
ной обмотки, 6 — собранный ф еррозонд без внешнего ч ехла;
7 — ф еррозонд в жестком дю ралю миниевом чехле, одновременно
являю щ ем ся экраном. При измерении переменных полей взамен
дю ралю миниевого чехла можно использовать неметаллический.
Н астр о й ка такого феррозонда ан алоги чн а настройке обычного
дифф еренциального феррозонда со стержневыми сердечниками.
95
Р о л ь гетинаксовы х пластинок, подключаемых к стержневым
сердечникам, в данном случае вы полняет медная проволока, длина
которой выбирается больш е длины рабочей части ф ерром агнит­
ного покры тия. Это п озволяет зак реп л ять сердечники в нужном
полож ении путем подпайки по крайней мере одного из его концов,
свободных от ферромагнитного покры тия, к специально преду­
смотренным металлическим держ ателям .
Н ебольш ая партия опытных образцов феррозондов данной
конструкции разработана в О К Б МГ СССР и испы тана автором
совместно с Л . Г. К адинской, А. Ф. Яковлевым и Е. Н . Гусевым.
И спы тания показали, что при числе витков измерительной об­
мотки Шг = 150 и наличии дю ралю миниевого чехла чувствитель­
ность феррозонда по второй гарм онике (2/ = 500 кгц) в перевоз­
бужденном режиме работы {Н^ ^ 4Нз, см. § 5, 6) составила
около 3 мкв1у. После кратковрем енного налож ения на феррозонд
сильного магнитного поля (Я
800 а/м) явлений остаточной
намагниченности и магнитного последействия обнаруж ено не
было (ош ибка измерения за счет погрешностей ап п аратуры и
в л и я н и я внешних помех не превы ш ала нескольких гамм). Мощ­
ность, потребляемая феррозондом, в выбранном реж им е работы
составл ял а около 80 мет.
П олученны е данные, разум еется, не являю тся исчерпы ваю ­
щими.
О днако уж е сейчас эти феррозонды могут найти применение
в измерительны х устройствах и системах, требую щ их миниатюризированного исполнения. Выбор высокой рабочей частоты
способствует такому исполнению. Эти ж е феррозонды могут быть
использованы и д л я измерения слабы х переменных полей в д и а п а­
зоне частот от нескольких герц до нескольких десятков ки логерц
(см. главу пятую).
Т аким образом, стерж невы е, кольцевы е и трубчаты е ф ерро­
зонды , обладая различны ми специфическими особенностями, не
конкурирую т, а скорее дополняю т д руг друга, р асш и ряя инфор­
мационные возможности феррозондов, а следовательно, и сферу
их применимости.
10. Пример расчета феррозонда
на заданные параметры
Произведем расчет наиболее распространенного диф ф еренциаль­
ного феррозонда со стерж невыми плоскими сердечниками, рабо­
таю щ его во втором реж име. П ри этом под заданными парам етрам и
будем понимать габаритны е разм еры (главным образом длину
феррозонда), чувствительность по второй гармонике в реж име
холостого хода (амплитудное или эффективное значение), а так ж е
условия обеспечения устойчивости н уля и низкого порога чув­
ствительности (см. § 6). П ри этом нас будут интересовать так ж е
96
полное выходное сопротивление, полное сопротивление цепи
возбуж дени я, потребляемая феррозондом мощность
П усть дли н а проектируемого феррозонда будет не более 80—
85 мм, а чувствительность на холостом ходу в рабочем реж им е
п орядка 10—20 мкв!у (амплитудное значение).
У читы вая возможно большее сокращ ение поперечных разм е­
ров ф еррозонда, а так ж е ж елательность изготовления сердечников
способом ш тамповки (см. § 8), останавливаем ся на разм ерах
сердечника 7 0 X 1 ,5 X 0 ,1 жж®. В качестве материала выбираем
сплав 80Н Х С .
Д л я толщ ины сердечника /г = 0 ,1 мм предельная частота поля
в о з ^ ж д е н и я в соответствии с вы раж ением (125) равна 1,6-10® гц\
принимаем / = 1,5-10® гц.
У читы вая рекомендации, данны е в § 6 и 7, принимаем длину
измерительной обмотки Т "= 80 мм. П редполагаем так ж е, что
обмотка будет располож ена симметрично относительно центра
сердечника. Отсюда, в соответствии с формулой (40) и табл. 2,
находим
д/
—
45 ( щ
V
Ьф к
- Л
' - - Х е о
4-0, 15 (
щ
Л
_______V___ 1, 5- г 0,1
)
“
3 ,1 4 (7 0 =
)
. 6 5 - 1 0 '^
« ^ .3 0 .'
В зяв из табл. 4 значение м аксим альной проницаемости и умно­
ж а я его на полученный коэффициент, убеж даемся, что соотно­
шение Мр > 1 вы полняется. В соответствии с (30) это позволяет
не учиты вать возможные изменения проницаемости м атери ала
и с учетом (31) полагать, что проницаем ость сердечника (тела)
целиком определяется его формой:
р* = -1\у
4 - = т — 6-10® .
Д ал ее можно воспользоваться форм улой (94) и написать вы ра­
жение д л я количества витков измерительной (вторичной) обмотки:
32/51^0^44 ’
(127)
где
Епг У
1 - - ^ .
Н1т
(128)
Коэффициент А находим с учетом вы раж ения (108); прин и ­
маем
Н,п = З Н з .
(129)
Отсюда А = 0 ,3 1 5 .
1 Очевидно, что в зависимости от назначения проектируемой аппаратуры
и условий ее эксплуатации перечень задаваемых параметров может быть пополнен.
7
Ю. в , А ф а н а с ь е в
97
Теперь необходимо найти коэффициент I. Этот коэффициент
зави си т от конструктивны х парам етров и в общем сл уч ае может
быть представлен как произведение по крайней мере трех сомно­
ж ителей
1 = 11^3,
(130)
где
— коэффициент, зави сящ ий от близости сердечников,
—
коэффициент, зависящ ий от среднего диаметра измерительной
обмотки, | з — коэффициент, зависящ ий от ш унтирую щ его дей ­
стви я сердечников или каки х-л и б о металлических частей, об ра­
зую щ их короткозам кнуты е витки по отношению к измерительной
обмотке.
Ф изический смысл коэффициента
очевиден. Д ействительно,
при соприкосновении д вух сердечников площ адь поперечного
сечения удваивается, что в соответствии с (40) приводит к удвое­
нию значения коэффициента разм агничивания Ау и в соответ­
ствии с (31)— уменьшению в д ва р аза проницаемости сердечника.
Н апроти в, при разнесении сердечников на расстояние, равное
или большее их длины, взаимодействием сердечников мож но
пренебречь. П оскольку на п ракти ке сердечники диф ф еренциаль­
ного феррозонда, как п равило, располагаю тся на очень близком
расстоянии друг от д р у га, во всяком случае на расстоянии, зн а ­
чительно меньшем их длины , указан н ое взаимодействие долж но
бы ть учтено. Исследованию этого вопроса посвящены работы [13,
158— 160]. Н а основании теоретического ан али за и опытных
д ан н ы х , приведенных в работе [160], для соотношений ЬИ + 0,05,
где Е — расстояние между средними плоскостями сердечников
и I — длина сердечников, коэффициент
можно вычислить по
ф орм уле [131:
^
51—
т
_
—
2 - е
о
>
(1 3 1 )
здесь гПд — проницаемость ^формы системы из двух сердечников и
П р едп о л агая, что в проектируемом феррозонде расстоян и е между
сердечниками будет Е = 2 = 3 мм, подставляя соответствую щ ие
зн ач ен и я в (131), находим
II = 0 ,5 8 - ^ 0 ,6 1 ::^ 0,6.
Коэффициент |. 2, к ак п равило, близок к единице. Он может
быть вычислен по формуле [159]:
(132)
52 —
V
98
где
_ средний диаметр измерительной обмотки. П р ед п ол агая,
что в проектируемом феррозонде 4 = 1 0 = 1 2 мм, находим
1а = 0,98.
Коэффициент | з для проектируем ого феррозонда может быть
приравнен единице, поскольку в нем использую тся плоские се р ­
дечники и остальны е детали будут изготовлены из непроводящ их
м атериалов
В соответствии с выражением (130) получаем;
| = 0 ,6 -0 ,9 8 -1 ,0 % 0,59.
П одставив значения величин Л и | в (127) и вы раж ая зад ан н ую
чувствительность феррозонда в в - м / а , находим:
, __________________ ^-5-10-2______________________^ 24ЧП
3 , 2 - 1 0 - 1 . 5 . 103-1,5 -1 0 - '- 0 .5 9 - 1 ,2 0 .1 0 - 6 - 6 .10».0,315
И ндуктивное сопротивление измерительной обмотки ф ерро­
зонда определим по формуле
X, = 2оШ,фф =
,
(133)
где Фэфф и Рд эфф — эффективные зн ачен ия индуктивности и диф ­
ф еренциальной проницаемости сердечника соответственно, 5 —
площ адь поперечного сечения одного сердечника. С учетом ап п р о к ­
симации р* (Я ) ломаной линией, см. рис. И и вы раж ение (87),
имеем;
^
эфф
=
У I
=
Ж
о
(134)
Отсюда, принимая во внимание вы раж ение (58), получаем
взамен (133):
л / 2атЫп-^1т/
/И
(135)
Я
П о д ставл яя в (135) численные зн ачен ия, находим:
-
2,52-10-1,5-103-6-106.1,5-10-'. 1 ,2 6-10-«-0.6-6-103
----------------------------------------------X
4
У
X
= 2,38 ком.
В ы брав д л я измерительной обмотки медный провод диаметром
= 0,0 6 мм и считая средний диаметр витка //с» = 11 мм,
^ В сл у ч а е и сп ол ьзов ан и я тр убч аты х сер д еч н и к ов и вн еш н и х м ета л л и ч е­
ск и х ч ех л о в (см. § 9 , рис. 35) к оэф ф и ци ен т Е , б у д е т , ест ест в ен н о, от л и ч ат ь ся
о т еди н и ц ы .
9“
.
99
находим активное сопротивление обмотки;
р/ср
4рйсра-'2
4-1,75-10-8.1,1-Ш-2-2,45.103
" =
^
= 0 > 5 3 КОМ .
Е
‘^пр
Здесь р — удельное сопротивление, /„р — длина провода, 8„р —
площ адь поперечного сечения провода.
П ренебрегая емкостным сопротивлением изм ерительной об­
мотки, полное сопротивление вычисляем по формуле
г = У г ^ + х \ = У ~ 0,53^ + 2,38^ = 2,44 ком.
Зн ан и е полного сопротивления, а такж е его реактивной и ак ти в­
ной компонент позволит в дальнейш ем правильно согласовать
ф еррозонд с измерительной схемой.
Перейдем теперь к расчету цепи возбуж дения ф еррозонда.
И сходя из выбранной аппроксимации:
= ЦдтНз, а так ж е
с учето.м (129) имеем
Отсю да эффективное значение то ка возбуж дения мож но вычис­
лить по формуле
I
эфф
_
Н
/1471
Д л я обмотки возбуж дения выбираем провод диаметром 0,2 мм.
Н а каж дом каркасе полуэлем ента длиной 76 мм разм ещ ается
315 витков (один слой). П олучаем;
г
3.0,7.7,6.10-3
.у с
Пфф—
Ц 4 1 . з ,1 .5 .ш з - 1 ,2 6 -1 0 -3 - 6 .1 0 3
—
•****•
Р ассм атри вая цепь возбуж дени я к а к две последовательно
вклю ченны е индуктивности полуэлементов феррозонда, найдем
индуктивное сопротивление обмотки возбуж дения *
2 агсзш
К =
= Х Ф р Ф
V
.
„38)
где^буквенные обозначения со ш трихам и соответствуют величинам,
относящ имся к цепи возбуж дени я. П оскольку обмотки полу* О пы т показы вает, что при р асч ет е ц епи в о зб у ж д ен и я д и ф ф ер ен ц и ал ь н ого
ф ер р о зо н д а д а ж е при столь б л и зк о м р а сп о л о ж ен и и сер дечн ик ов (2 — 3 м м ] и х
взаи м н ы м вли яни ем м ож н о п р ен ебр еч ь . П о этой причине в ф о р м у л у (138) не введен
к а к о й -л и б о коэф ф ициент [ср . ф о р м у л у (1 3 5 )1 . К ром е т о г о , в ( ^ р м у л у (138) п р а ­
в и л ь н ее бы ло бы ввести не р*'эфф, а п р осто р*фф = Вдфф
П
при 0 ^ - ^ -
100
численны е зн ач ен и я
О дн ак о
у к а за н н ы х величин п р и м ер н о сов п ад аю т .
элементов имеют длину, равную или несколько большую длины
сердечников, проницаемость т' вы числяем по формуле
С
4 .0 ,.5 ( 1 п = щ ,;г - '
С равн и вая значения т я т ' , видим, что они сущ ественно о тл и ­
чаю тся д руг от друга. П од ставляя в (138) численные зн ач ен и я,
находим
Хь— -
1 ,2 6 .1 0 .1 ,5 .1 0 3 - 3 ,1 5 ^ .1 0 « - 1 ,5 .1 0 - ’ -1 .2 6 -1 0 -'* -4 ,7 -1 0 3
,
7.10^2
X
т /
X
2 - 0 ,3 4
, ,
.
А ктивное сопротивление обмотки возбуж дения при диам етре
витка й' = 4,2 мм будет
8 . 1 , 7 5 - 1 0 - « - 4 , 2 - Ш - Х З , 15-102
П олное сопротивление обмотки возбуж дения вычисляем по
формуле
У = У ( г ' / + (х^® =■ 1 /4 ,6 ® + 11, П = 12 ом.
Т еперь можно найти эффективное значение рабочего н а п р я ж е ­
н ия, подводимого к обмотке возбуж дения:
Яэфф = +фф/ = 0,0475 -12 = 0,57 в.
П о л н ая мощность, расходуем ая на возбуж дение ф еррозонда,
. будет
Р = /эффПэфф = г'/эфф = 1 2 - 4 , 7 5 / Ю""* = 27 мва.
П ри этом акти вн ая мощность
I
г 7 эф ф
= 4 ,6 - 4 ,7 5 /1 0 “- ^ = 10,2 мет.
и реакти вн ая
Р,, = х / х ф = 1 1 ,1 - 4 ,7 5 / 1 0 “ '* = 25 метр.
Н а основании приведенных расчетны х данны х был сп роекти ­
рован ф еррозонд, конструкция которого изображ ена на рис. 32
и оп исан а в § 9. Технология и зготовлени я примененных в ф ерро­
зонде сердечников описана в § 8.
Н и ж е приводится табл. 6, по данны м которой можно судить
о степени соответствия расчетны х парам етров экспериментальны м ,
149
101
Таблица 6
Наименование парам етра
Ч увств и тел ь н ость (а м п л и тудн ое зн а ч ен и е), м ке1у
П о л н о е в ы ходное соп р о ти в л ен и е, к о м .........................
А к ти в н ое соп р оти в лен и е вы ходной (изм ер и тел ьн ой)
обм о т к и , ом ..........................................................................
Т о к в о зб у ж д ен и я с учетом у сл о в и я Н т = 3 7 / 5 (эф ­
ф ек ти в н о е зн ач ен и е), м а .............................................
Н а п р я ж е н и е в о зб у ж д ен и я (эф ф ек ти в н ое зн ач ен и е),
П о л н о е соп р оти в лен и е цепи в о з б у ж д е н и я , ом .
А к т и в н о е соп р оти в лен и е обм отк и в о зб у ж д е н и я , ом
П о л н а я м ощ ность, п о тр ебл я ем ая в цепи в о з б у ж д е ­
н и я , м ва
..........................................................................
Расчетное
значение
Измеренное
значение
20
13.2
2 ,4 4
2.2
530
50 0
4 7 ,5
0 ,5 7
4 ,6
47.1
0 ,5 3
11,3
4 ,9
27
25
12
У казанны е в табл. 6 измеренны е значения получены при работе
ф еррозонда в реж име задан н ого тока (синусоидальной н ап р я ж е н ­
ности поля). И змерения проводились с помощью кон трол ьн о­
испытательного ком плекса, изображ енного на рис. 3. Т ок в о зб у ж ­
ден и я подавался от ген ератора с внутренним сопротивлением
600 0 А1 и добавочным внеш ним сопротивлением 100 ом. Рабочий
ток устанавли вался путем предварительного определения тока,
соответствующ его наибольш ей чувствительности, и ум нож ения
этого значения на коэффициент З/ф'^2 = 2,13, величина которого
бы ла найдена из соотношений (93) и (129). Выходное соп роти в­
ление феррозонда определялось путем подключения п ар ал л ел ьн о
входу ан али затора гарм оник м агази на сопротивлений и подбора
так о й величины н агрузки , при которой выходное н ап р яж ен и е
уменьш алось вдвое.
, Б ы л а произведена так ж е оценка чувствительности ф еррозонда
в реж им е заданного н ап р яж ен и я (синусоидальной индукции).
П ри этом чувствительность ф еррозонда оказал ась равной 18 мкв1у,
а рабочий ток — 51,1 ма.
В заклю чение отметим, что заниж енны е эксперим ентальны е
дан ны е по чувствительности, по сравнению с расчетными, вполне
естественны и объясняю тся тем, что реальн ая зависимость р* (©/)
отличается от аппроксимируемой (см. рис. 11), тогда к а к именно
последняя и полож ена в основу вывода формулы (94), и сп ол ьзуе­
мой в расчете. И з-за плавного х ар актер а реальной зависимости
(X* (со/) амплитуды четных гарм оник проницаемости будут всегда
меньш е по сравнению с вычисляемыми по формуле (89). П ри
синусоидальном поле возбуж дения расхож дение между вы числен­
ными и измеренными значениям и будет более значительны м с рос­
том величины т. Однако при иной форме поля возбуж дения [100,
160] это расхож дение будет минимальным, независимо от вел и ­
чины т.
102
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
СОПРЯЖ ЕНИЕ Ф ЕРРО ЗО Н ДО В
С Э ЛЕМ ЕН ТАМ И И З М Е Р И Т Е Л Ь Н О Й С Х Е М Ы
11. Согласование с генератором
В § 3 отмечалось, что по отношению к измеряемому полю
ф еррозонды , работающ ие в первом реж име (Я„, < Я а + Я д),
п р о явл яю т себя к ак типичные нелинейны е устройства, тогда
к а к ф еррозонды , работаю щ ие во втором режиме Я д С Я„„
Н е = 0), могут рассм атриваться к а к парам етрические устройства,
к которы м в известной мере применим принцип суперпозиции.
И наче обстоит дело, если речь идет о цепи возбуж дения. П ри
Я д = сопз! феррозонды, работаю щ ие в первом реж име, м огут
рассм атриваться по отношению к полю возбуж дения к ак линейны е
устройства (амплитуда поля возбуж дени я настолько м ала, что
ее изменения не приводят к изменению среднего значения п рони ­
цаемости), феррозонды же, работаю щ ие во втором реж им е, я в ­
ляю тся по отношению к полю возбуж дени я типичными н ели ней ­
ными устройствами (как было п оказан о в предыдущем параграф е,
эффективное значение проницаемости зависит от амплитуды п оля
возбуж дения). Именно поэтому в вы раж ен и ях (66), (68), (70)
и д р ., относящ ихся к феррозондам, работаю щ им в первом реж им е,
чувствительность прямо п ропорциональна ам плитуде Я „ , а в вы ­
р аж ен и я х (84), (94), (101) и д р ., относящ ихся к феррозондам,
работаю щ им во втором реж име, чувствительность яв л яется н е­
линейной функцией от Нт (см. рис. 21 и 24).
Зам етим , что феррозонды диф ф еренциального типа, работаю ­
щие в первом режиме, практически не меняют своего полного
сопротивления по цепи возбуж дения и при изменении поля Я д,
поскольку уменьш ение индуктивного сопротивления в одном полуэлем енте компенсируется увеличением индуктивного сопротивле­
ния в другом полуэлементе ф ер р о зо н д а’-.
По указан ны м причинам не возни кает каких-либо трудностей
при согласовании дифф еренциальны х феррозондов, работаю щ их
в первом режиме, с генераторами. Д л я этого достаточно вы чис­
лить полное сопротивление цепи возбуж дения
Т = у ( г Г + (х[)\
’’ — омическое сопротивление обмотки возбуж дения я х х —
индуктивное. П ри выполнении услови я Мр > 1 индуктивное
1 Постоянство полного сопротивления цепи возбуждения, разумеется, имеет
место лишь в пределах рабочего диапазона измеряемых полей, на участке О Е ,
а также зависит от установки рабочей точки, задаваемой полем Я » (см. § 3 ,
рис. 10),
103
сопротивление с учетом (71)
муле
мож ет быть вычислено
по
фор­
2л/ й)?5и т '
Хр =
2 Е д ном ® =
--------- ^-----------•
(199)
Здесь буквенны е обозначения со ш трихами, так ж е к а к и в ф ор­
м у л ах § 10, указы ваю т на то, что речь идет о величинах, отн ося­
щ ихся к цепи возбуж дения ф еррозонда. По полному сопротивле­
нию г' и производится согласовани е с генератором. П оскольку
величина г' практически не зави си т от измеряемого п оля, то
с учетом выраж ений (66), (68), (70) и д р., принимая во внимание,
что
I
Нт
Н т1т
‘т имеем:
Ог
Нт
(140)
т. е. относительные п риращ ен и я чувствительности ф еррозонда
при любом значении поля Нд прям о пропорциональны приращ ению
н ап р яж ен и я П,„.
Н есколько иначе обстоит дело с одностержневыми ф еррозон­
дам и, работающими в первом реж име. Очевидно, что в ф ерро­
зон дах этого типа величина г' зависит от напряж енности изм е­
ряем ого поля Нд (эта зависим ость к а к раз и полож ена в основу
магнитометров, схемы которы х изображ ены на рис. 19 и 20).
Поэтому при согласовании так и х феррозондов с генераторам и
предпочтителен режим задан н ого тока, что практически всегда
и вы полняется на практике.
Ф еррозонды, работаю щ ие во втором режиме, независимо от
величины измеряемого поля яв л яю тся по отношению к полю в о з­
буж ден ия нелинейными устройствам и. К ак следует из и злож ен ­
ного в § 10, при синусоидальном поле возбуж дения величина р*’эфф
зави си т от Нт, а следовательно, и г' зависит от Ё - С увеличением
то ка возбуж дения величина г' уменьш ается, причем степень
ум еньш ения не зависит от того, какое значение выходной э. д. с.
феррозонда — среднее, пиковое или амплитудное одной из четных
гарм оник (см. § 5) — при этом изм еряется. В § 10 показано, к а к
рассчитать величину г' д л я лю бого заданного соотнош ения НзШтЗ н а я величину г' и Ё , мож но произвести согласование ф ерро­
зонда с генератором.
О днако данная задача не столь три ви ал ьн а к а к в случае со гл а­
сования с генератором ф еррозонда, работающ его в первом реж име.
Т рудность состоит в том, чтобы установить, насколько устойчиво
достигнутое согласование при возмож ны х отклонениях парам етров
феррозондов (например, при их серийном изготовлении) и к каки м
104
изменениям чувствительности феррозондов приведет возм ож ное
изменение выходного н ап ряж ен и я генератора. Очевидно, что,
интересуясь этой последней зависимостью , необходимо зн ать ,
какое из перечисленных выше значений выходной э. д. с. и зм е­
р яется.
Р ассм отрим особенности согласовани я дифференциального ф ер­
розонда с выходом на удвоенной частоте при синусоидальной
нап ряж енн ости поля возбуж дения. Д л я ан али за воспользуем ся
аппроксим ацией
и вы раж ением (94).
Заметим т ак ж е, что реж им синусоидальной напряж енности
поля возбуж дения может быть достигнут двумя различны ми
способами. П ервы й способ состоит
=
в том, что последовательно с обмот­
кой во зб у ж д ен и я,_ полное сопроти­
вление которой г' явл яется ф ун к­
цией ам плитуды 1,п тока возбуж де­
н ия, вклю чается активное сопроти­
вление Я такой величины, чтобы
5)
в пределах возможного изменения
выходного н ап ряж ени я
ген ера­
а
д
то р а
вы полнялось
соотношение
__ 1
ц ©
Р > г' (рис. 36, а). Второй способ
состоит в том, что последовательно
с той ж е обмоткой возбуж дения
Р и с . 3 6 . К вы явлению о с о б е н вклю чается фильтр ниж них частот,
н остей согл асов ан и я ф е р р о зо н д а
пропускаю щ ий только первую г а р ­
с ген ератор ом .
монику то к а, причем внутреннее со­
противление генератора г; вы бирается примерно равным сопроти­
влению г '(р и с . 36,6). Первый способ эквивалентен осущ ествле­
нию реж им а заданного тока. В этом реж име ток, протекаю щ ий
в цепи возбуж дения, определяется главны м образом величиной
сопротивления Я я ж зависит от возм ож ны х отклонений сопро'ти влен и я г ' . Очевидно такж е, что в этом режиме зависимость
6^2 (6'^та) будет повторять зависимость 0 ^ ( Н /) . Второй способ не
эквивалентен о ^ щ еств л ен и ю реж им а заданного тока. П оскольку
сопротивление г' феррозонда соизмеримо с внутренним соп роти ­
влением г,- генератора, то с изменением г' ток / „ в цепи т ак ж е
изм енится. Поэтому и зависимость 0 ^ (Пт§) в данном случае
будет сущ ественно отличаться от зависимости 0 ^ {Н„).
П редставим выраж ение (94) в виде:
О е= К М Н т ),
(141)
где К г ~ 32/5Ща^ро т — постоянный коэффициент и
(Нт) =
Нз -I [ .
Н%
—
у 1 — -^^2
коэффициент, зави сящ ий от амплитуды Я,„
поля возбуж дени я. Д иф ф еренцируя (141) по Я ^ , находим св я зь
105
между относительными приращ ениям и амплитуды поля возбуж ­
дения и чувствительностью феррозонда:
О.,
-л
аНт
■ КфНт)
/
е;
=
АЛ„, ^
НАНпг)
] /
Щ -В щ
1АНт
Н1~Н\
Нт •
Очевидно, что на основании изложенного выше д л я реж им а
заданного тока (см. рис. 36, а) вы раж ение (142) п озволяет зап и ­
сать
2Я^ —
а2
В частности, для
(см. § 6 , 10) имеем
н1 - н1
рабочего
АО2
нт
поля
возбуж дения
п 0 -7 А Е ш й
- 0 ,8 7 ^ .
иФщ
п'~
( 143)
= ЗЯ 5
(144)
З н а к минус в правой части равенства показы вает, что с у в ел и ­
чением амплитуды выходного н ап ряж ени я генератора чувстви­
тельность феррозонда ум еньш ается.
Очевидно такж е, что д л я схемы, изображ енной на рис. 36, б,
соотношение (143) неприменимо, поскольку в этом сл уч ае из-за
нелинейного характера ф ункции 1т (Е„Ц
А Я „,
--
Нпг
^
.
•
Найдем связь между Я,„ и Утр предполагая для упрощ ения
вы кладок, что г ах хь и Г ф 2,-. П оскольку
Н,пё ~ Хр (Нт) 1т\
Нт1
то с учетом (138) получаем
Ут, = ^!и>гЩ,т'НтУ
Ю6
2 агс81п Нз
-----------------------------------(145)
По ан алоги и со (141) вы раж ение (145) можно представить в виде
ННоК^(Н,„),
— постоянны й коэффициент, К ^ { Н ^ =
где /Сз = 4/ш 15ро"г' ] /
= Я„, | /
(146)
а г с з 1 п ^ / — коэффициент,
зависящ ий
от
амплитуды
поля возбуж дени я. Д иф ф еренцируя (146) по Я„г. найдем св язь
между относительными изменениями амплитуды н ап ряж ен и я
ген ератора и поля возбуж дения:
Вбтё ^
с1К, (Н М _
АН,п
ЛН„I
К^(Нп^)
Нтц
(147)
н„
4Нз^ 1V/
н1
Дп /
или
2
I/
Нз V
11
<) Н , п л /
- : ^ аГ—
г с<351 ш
Нт
\и
(148)
77
Щ
т
П одставив (148) в (142), получаем
2Я | —
9
2 =7"
Нз
1/
V
1/
У
Я^
огс<т
Ет
Ш„
(149)
1 --------= агс 81П
Я^
в частности, для поля возбуж дения Я „ = З Я 5
+
= _ 0 ,8 7 .Т § .4 +
= -1 ,8 2 2 + .
(150)
С равн и вая численные коэффициенты в вы раж ениях (144) и
(150), видим, что для схемы, изображ енной на рис. 36, б, зав и си ­
мость чувствительности феррозонда от колебаний выходного
н ап р яж ен и я генератора более р е зк а я , чем для схемы, и зображ ен ­
ной на рис. 36, а. И тем не менее схем а рис. 36, б находит прим е­
нение н а п р акти ке к ак наиболее эконом ичная в энергетическом
отнош ении.
В некоторых сл у ч ая х нелинейная зависимость
Ещ {Нт§), присущ ая этой схеме, мож ет быть использована д л я
стаби ли зац ии выходного н ап ряж ен и я генератора.
В заклю чение отметим, что д л я возбуж дения ф еррозондов
могут и спользоваться генераторы самого различного типа. Д л я пи-
107
тан и я феррозондов, работаю щ их в первом режиме, можно и споль­
зовать маломощные генераторы РС- или ЕС-типа, выполненны е
на одном транзисторе. К ак правило, в цепи возбуж дения этих
феррозондов отсутствуют и какие-либо фильтры. Д л я питания
феррозондов, работаю щ их во втором режиме, использую тся более
мощные транзисторны е или ламповые генераторы, выполненны е
преимущ ественно по двухтактн ы м схемам. П рименение д в у х ­
тактн ы х схем сниж ает уровен ь четных гарм оник в выходном
н ап ряж ени и генераторов [16, 82, 161]. Д л я этой ж е цели в цепи
возбуж дения феррозондов, особенно в устройствах, п редназначен ­
ных д л я измерения слабы х магнитных полей, устанавли ваю тся
ф ильтры ниж них частот (на рис. 36, б фильтр обведен ш триховой
линией), имеющие наибольш ее затухан и е на частоте второй г а р ­
моники и значительное зату х ан и е на частотах высших гарм оник
тока. Если фильтр используется д л я обеспечения реж им а си н у­
соидальной напряж енности п оля возбуж дения или не используется
вообще и согласование с генератором осущ ествляется при условии,
что г '
2,, то между генератором (собственно генератором) и
феррозондом предусм атривается буферный каскад, наприм ер,
транзисторны й, собранный по схеме с общим эмиттером или с об­
щим коллектором. Н али чие буферного каскада устраняет реакцию
ф еррозонда на колебательны й контур генератора, б лагодаря чему
гаранти руется стабильность рабочей частоты последнего н еза­
висимо от возможных изменений тока возбуж дения, а следова­
тельно, и индуктивного сопротивления Хь феррозонда.
Заметим такж е, что весьма перспективными устройствам и д ля
п итания феррозондов, работаю щ ими во втором реж име, являю тся
генераторы прямоугольны х импульсов [99, 100, 160, 162]. При
их использовании достигается не только м аксим альная чувстви ­
тельность феррозонда, но и постоянство ее индуктивного соп ро­
тивления Хь (разум еется, при условии Н,„ > Нз) . О днако прим е­
нение таких генераторов, собранны х по известным схемам, в высо­
кочувствительны х магнитом етрах встречает определенные тр у д ­
ности в части фильтрации четных гармоник тока в цепи возбуж де­
ния феррозонда.
12. О собенности работы феррозондов под
нагрузкой
П ри работе феррозонда под н агрузкой на его сердечники, кроме
измеряемого Нд я вспомогательны х полей Н^ и Н^, начинает дей ­
ствовать дополнительное поле Нд, образуемое током, протекаю щ им
по измерительной обмотке. Д ействие этого поля в целом ряде
случаев, особенно при работе ф еррозонда на емкостную н агр у зк у ,
д олж но быть учтено, так к а к в противном случае реж им работы
становится неустойчивым.
С казанное прежде всего относится к феррозондам, работаю щ им
во втором режиме, п оскольку устойчивость или неустойчивость
108
работы ф еррозонда в этом реж име соп ряж ен а с эффектом м агнит­
ного вы п рям лен ия [15, 108, 163]. Эффект заклю чается в следующем.
П усть диф ф еренциальная м агн и тн ая проницаемость р* сердеч­
ников ф еррозонда под воздействием поля возбуж дения
и зм е­
няется т ак , к а к это показано на рис. 37 (сравним рис. И ). Е сл и
ток второй гармоники, протекаю щ ий по измерительной обмотке
и создаю щ ий поле Нд, совпадает по ф азе с полезной э. д. с., его
вызываю щ ей, то дополнительная и ндукц и я В ( Нд) в сердечниках
не будет содерж ать постоянной составляю щ ей (рис. 37, а). О днако
на п р акти ке в связи с комплексным характером выходного сопро-
ловленного током нагрузки.
ти влени я ф еррозонда (см. § 10) и комплексным характером
н агр у зк и н ач альн ая ф аза тока, протекаю щ его по обмотке, к а к
п равило, не совпадает с начальной ф азой выходной э. д. с. О б о­
значим разность фаз между э. д. с. и током через ф. Тогда, если
Ф >■ О (рис. 37, б), то в составе индукции В ( Нд) появляется по'с т о я н н а я составляю щ ая, зн ак которой отрицателен. Если ж е
Ф < О (рис. 37, в), то в составе индукции В ( Нд) появляется по­
сто ян н ая составляю щ ая, зн ак которой полож ителен. Эффект
возни кн овен и я постоянной составляю щ ей индукции при налож ении
на сердечники переменного п оля, кратного по частоте полю
возбуж дени я, и называю т магнитным выпрямлением. Этот эффект
аналогичен синхронному вы прям лению (детектированию), о су ­
щ ествляемом у в электрических ц еп ях [16, 22, 93, 164].
Н а рис. 38 изображ ена экв и в ал ен тн ая схема выходной цепи
ф еррозонда, работающ его на ком плексную н агр у зку 2^. Здесь
2 — внутреннее выходное сопротивление феррозонда для вы б ран ­
ной ам плитуды и частоты поля возбуж дения, 2^ — ком плексное
внеш нее сопротивление, в частности представляю щ ее собой цепь
с п араллельны м соединением сопротивления Р , индуктивности Ь
и емкости С. Формулы для вы числения
приведены в § 10.
109
К омплексное сопротивление
нисляется по формуле
2 —
■•
Для второй гармоники то ка вы*
Чтобы не услож нять дело, рассмотрим работу ф еррозонда на
активную , индуктивную и емкостную нагрузки в отдельности.
П ри активном х арактере н агрузки и соотношении Я > 2
имеем режим, близкий к холостому ходу. По сущ еству этот реж им
и имеет место при определении чувствительности ф еррозонда
с помощью ан ализатора гарм оник или лампового вольтм етра,
^___________ ,
имеющих высокое входное сопроти] ДД
I
вление (см. рис. 3). Е сли ж е 7? % г,
-----1 то получаем реж им, близкий к оптиI
г--- \ \1н м альному согласованию ф еррозонда
Х)Ег(Но)
1^ у \ " С \
по мощности. Пусть Хх=2а}1^ффф
I т I 1 > г (см. § 10), тогда угол ф в выI------------ 1 бранном масштабе (рис. 37) будет
Р и с . 3 8 . Э к ви вал ен тная схем а
и зм ер и т ел ы ю й цепи ф ер р о зо н д а .
ф =
агс1§~-------------------------------------(151)
С ледовательно, ток + , протекаю щ ий по измерительной обмотке,
будет отставать по фазе от э. д. с. е^, что соответствует случаю ,
когда магнитное выпрям ление приводит к возникновению постоян­
ной составляю щ ей индукции, имеющей отрицательны й зн ак и
потому ослабляю щ ей индукцию , вызываемую измеряемым полем
(рис. 37, б). У казанное ослабление индукции в сердечниках э к в и ­
валентно введению отрицательной обратной связи, что, безусловно,
гаранти рует устойчивую работу феррозонда.
П ри индуктивном х ар актер е н агрузки (хх % Хх,
> г) д о­
стигается еще больш ая устойчивость работы феррозонда, п оскольку
угол ф при этом не только полож ителен, но и п риближ ается
к своему максимальному значению
Ф =
---------------------------------------- (152)
Е сли ф = я/4 , то эффект магнитного вы прям ления м акси м а­
лен, а следовательно, при прочих равны х условиях (оптимальном
согласовании феррозонда с н агрузкой по мощности) в систему
вводится наиболее гл убокая отри цательная обратн ая св язь .
И наче обстоит дело, если н а гр у зк а носит емкостной х арактер.
В этом случае полное сопротивление, подключенное к экв и в ал ен т­
ному генератору, будет
2 = У н + {хх-ХсГ
110
и разность фаз между э. д. с.
и током
V,
(полем Яд)
------
а г с1 д -
Ф =
------- >
(154)
где Хс == 1/2©С — емкостное сопротивление н агрузки .
И з (153) следует, что при емкостном характере н агр у зки
величина и зн ак угла ф зави сят от величины и зн ака разности
XI — Хс- _
Е сли Х ь > Х с , т. е. 2©Еэфф > 1/2©С, то ф > О и, к ак у к а зы ­
валось выше, в систему вводится отри цательная обратная св язь,
вследствие чего режим работы ф еррозонда оказы вается устой ­
чивым.
Е сли Хь = Хг, то ф = 0. Этот случай соответствует р езо ­
нансу н ап ряж ени й , и вся цепь, подклю ченная к эквивалентном у
генератору, ведет себя как активное сопротивление. П ри Хь =
= Хс ф г ток второй гармоники, ограничиваемы й лиш ь сопротив­
лением г, д ости гает наибольш его зн ач ен и я. Это позволяет путем
вклю чения в схему сопротивления Р = г выделить на нем м акси ­
м альную полезную мощность, отдаваемую феррозондом. Р а зл и ч ­
ные варианты схем подобного согласовани я феррозонда с активной
н агр у зко й рассмотрены в работе [165].
Е сли Хь < Хс, то ф < 0. Этот случай эквивалентен введению
в систему полож ительной обратной связи (знак постоянной со­
ставляю щ ей индукции В (Яд) совпадает со знаком индукции,
вызываемой измеряемым полем Нд, см. рис. 37, в). П ри наличии
п олож ительной обратной связи работа феррозонда становится
неустойчивой. Х арактерны е п ризн аки этого реж има работы:
а) резкое увеличение чувствительности;
б) неустойчивость н уля при смене зн ак а измеряемого поля
(так назы ваемое явление «затягивания», заклю чаю щ ееся в том, что
изменение фазы выходного си гн ал а на 180° сопряж ено с необхо­
дим остью налож ения на феррозонд поля противоположного зн ак а
значительно большей величины, чем это требуется при работе
в обычном режиме);
в) возмож ное возникновение устойчивой генерации на частоте
первой гарм оники, когда выходное н ап ряж ени е уж е не яв л яется
функцией измеряемого поля.*
В озмож ность увеличения чувствительности феррозонда за счет
использован и я хотя бы частичной емкостной н агрузки , безусловно,
зам ан чи ва. И соверш енно не случайно этому вопросу было п освя­
щ ена весьма обстоятельная работа [18]. Однако, как п оказали
* В о зн и к н о в ен и е устой чивой ген ер ац и и ф е р р о зо н д а при ем костн ой н а г р у зк е
на ч атоте п ер вой гарм оники есть не что и н о е, к ак я вл ен и е п ар ам етр и ч еск ого
р езо н а н са [1 6 , 2 2 , 2 7 ] . И м енно эт о я в л ен и е со всей очевидн остью д о к а зы в а ет
п р а в о м ер н о ст ь п ар ам етр ической тр актовки при оп и сан и и п ринципа дей стви я ф е р ­
р о зо н д о в , р а б о т а ю щ и х во втором р еж и м е (см . § 3).
111
дальнейш ие исследования [166, 167] и главным образом экспери­
м ентальны е данные, подобный способ увеличения чувствитель­
ности, во всяком случае д л я устройств, измеряю щ их слабы е маг­
нитные поля, не может быть рекомендован.
Д л я обеспечения устойчивости н уля феррозонда, работаю щ его
на емкостную н агр у зку в [18] предлож ено увеличивать активное
сопротивление измерительной обмотки, ш унтировать емкость
активны м сопротивлением, а так ж е использовать реж им в о зб у ж ­
дения, характеризую щ ийся соотношением
< У2Нз,
Р и с. 3 9 . К в ы явлению о со б ен н о ст ей работы ф ер р озон да п од-ем к остн ой н а гр у зк о й
Очевидно, что по целому ряд у причин, излож енны х в § 6,
данны й режим возбуж дения не может обеспечивать устойчивости
н у л я и низкого порога чувствительности. Э кспериментально под­
тверж дено такж е, что ем костная н агр у зка, при прочих равны х усло­
ви ях , усугубляет неустойчивость н уля даж е и в том случае, если
активное сопротивление измерительной обмотки велико, а реж им
возбуж дения соответствует соотношению (108). О днако повыш е­
ние активного сопротивления измерительной обмотки все ж е
следует считать полезным, так к а к оно вносит необходимое за т у ­
хан и е в колебательную систему, гарантирую щ ее усл ови я, при
которы х в достаточно ш ироком диапазоне изменения рабочих
частот (в 1,5—2 раза), ам плитуды поля возбуж дения и подклю ­
чаемого емкостного сопротивления параметрической генерации
не возникает. Это обстоятельство имеет практическую ценность,
поскольку позволяет один и тот ж е феррозонд использовать в сх е­
м ах, работаю щ их на разн ы х рабочих частотах, при разли чн ой
ам плитуде поля возбуж дения и различны х н агрузках, в том числе
носящ их и емкостной х арактер.
Н а рис. 39 приведены кри вы е изменения чувствительности
в зависимости от величины емкости, подключаемой к выходным
клеммам феррозонда, расчет которого дан в § 10. Кривые, и зобра­
ж енны е на рис. 39, а, получены н а частоте поля возбуж дения
112
/ = 1,5 кгц] кр и вая 1 соответствует оптимальному реж иму в о з­
буж дения {Нт = У ‘4 Нз), кр и в ая 2 — перевозбужденному р е ­
жиму {Нт = ОНз). Кривые, изображ енны е на рис. 39, б, п о л у ­
чены на частоте поля возбуж дения / = 5 кгц, причем к р и в ая 1
так ж е соответствует оптимальному реж им у возбуж дения, а к р и ­
вая 2 — перевозбужденному. Н а обоих рисун ках чувствительность
феррозонда дана в относительных единицах.
И з приведенных кривы х видно, что при одном и том ж е ак ти в ­
ном сопротивлении измерительной обмотки (порядка 500 ом,
см. § 10) влияни е емкостной н агр у зк и на частоте / = 5 кгц п ро­
яв л яе тся сильнее (наблю дается относительное увеличение ч у в ­
ствительности в 5— 10 раз), чем н а частоте / = 1,5 кгц, где в
оптим альном режиме возбуж дения наблю дается относительное у в е­
личение чувствительности примерно в 2 раза, а в перевозбуж ден­
ном реж им е изменения чувствительности крайне незначительны .
Заметим, что этот ж е ф еррозонд на частоте / = 10-ь 15 кгц
и при наличии емкостной н агр у зк и обладал чувствительностью
п оряд ка 0 ,3 —2 мв!у. П ри этом наблю далась к р ай н яя неустой­
чивость н у л я (явление «затягивания», о котором говорилось выше).
П ри определенной амплитуде поля возбуж дения феррозонд н а ­
чинал генерировать на частоте первой гармоники, причем ф аза
генерации при отключении и подклю чении емкостной н агр у зк и
случай но зан и м ала два значения, отличаю щ ихся на 180° (кон ­
троль осущ ествлялся с помощью осциллограф а по фигурам Л иссаж у ), что свидетельствовало об идентичности наблю даемых
процессов с имеющими место в разли чн ого типа парам етрических
ген ераторах и парам етронах [168].
Эти ж е явлен и я могут наблю даться и на более низких частотах,
в том числе и на частоте / = 1,5 кгц, если измерительную обмотку
ф еррозонда выполнить из провода больш его диаметра, т. е. при
пониж ении ее активного сопротивления. Н адеж ное исклю чение
этих явлен и й при необходимости работы феррозонда на ем кост­
ную н агр у зк у достигается при выполнении соотношения *:
x ^ ./^ ^ 8.
(154)
Е сли при проектировании ф еррозонда выдвигается требование
его универсальности в части устойчивой работы под н агрузкой
лю бого х ар актер а, то соотношение (154) может быть добавлено
к расчетны м формулам, приведенным в § 10.
П оды тож ивая сказанное, отметим, что несмотря на ряд мер,
повыш аю щ их устойчивость ф еррозонда при работе на емкостную
н агр у зк у , этот режим согласования не может быть рекомендован
д л я магнитометров с низким порогом чувствительности. Э ксп е­
рим ентально установлено, что д аж е частичная ем костная н а ­
гр у зк а приводит к увеличению у ровн я ф луктуаций нуля (см. § 6 ).
* Э м п и р и ч еск о е вы р аж ен и е (154) м о ж ет бы ть зам ен ен о б о л ее точны ми, хот я
и б о л е е сл о ж н ы м и ф ор м ул ам и , п р и в еден н ы м и , н ап р и м ер , в р аботе [ 2 2 ].
0
Ю . в . А ф а н а с ье в
113
в то ж е время, безусловно, мож ет быть рекомендован реж им
работы на согласованны е индуктивную и активную н агр у зк и ,
а так ж е режим холостого хода, преимущ ества которого очевидны
(Я з = 0) и были отмечены еще в работе В урма [481.
13. Способы выделения полезного сигнала
Согласование феррозонда с той или иной н агрузкой тесно
связан о с выбранным способом выделения полезного си гн ал а на
фоне помехи, обусловленной главны м образом проникновением
энергии поля возбуж дения в измерительную (выходную) цепь.
В § 1, 5 и 6 было показано, что применительно к феррозондам,
работаю щ им в первом реж име, т. е. с выходом на основной частоте,
мы встречаемся с принципиальны ми трудностями, так к а к методы
частотной фильтрации оказы ваю тся здесь практически н еп ри ­
годными. Н екоторое улучш ение соотнош ения сигнал/пом еха мо­
ж ет дать лиш ь ф азовая ф и л ьтрац и я, поскольку н ап ряж ен и е
помехи содерж ит не только синфазную , но и квадратурн ую со­
ставляю щ ие (см. § 6). Поэтому целесообразно применение син­
хронны х детекторов в м агнитометрах с феррозондами, работаю ­
щими в первом режиме (см. рис. 2). И з вы раж ения (107) следует
так ж е, что одна из составляю щ их помехи пропорциональна к в а ­
д р ату амплитуды поля возбуж дения. В то ж е время из в ы р аж е­
ний (8), (66) и др. следует, что чувствительность феррозондов
этого ти па пропорциональна первой степени амплитуды поля
возбуж дения. С ледовательно, улучш ение соотношения си гн ал /п о­
меха может быть получено та к ж е и за счет разум ного выбора
амплитуды поля возбуж дения.
С целью дальнейш его улучш ен ия соотношения си гн ал/пом еха
в ф еррозондах, работаю щ их в первом режиме, резонен переход
к схемам магнитометров с частотным или фазовым выходом (см.
§ 5, рис. 19). В этом случае вл и ян и е помехи, создаваемой полем
возбуж дения, исключено, т а к к а к измеряемое поле преобразуется
в сигналы , соответствующ ие приращ ению частоты, или фазы,
а не амплитуды выходного н ап р яж ен и я. Непосредственное со п р я­
ж ение феррозонда с емкостной н агр у зко й (см., например, рис. 19, а)
не приводит к каким-либо неж елательны м явлениям , п оскольку,
к а к отмечалось в § И , феррозонды, работающ ие в первом реж име,
по отношению к полю возбуж дени я ведут себя к ак линейны е
устройства, в которых не могут иметь место ни эффект м агн и т­
ного вы прям ления, ни п арам етри ческая генерация, рассм отрен­
ные в предыдущем параграф е. Отметим, что при увеличении ам пли ­
туды поля возбуж дения и емкостном характере н агр у зки эти
эффекты, разум еется, возникаю т. В этом случае феррозонд с по­
стоянны м подмагничиванием
Ф 0) может генерировать на
половинной частоте [271, т. е. становится прямым аналогом парам етрона [168]. О днако, к а к отмечалось в § 3, режим работы
>■ Н з {Но < Я ^), Н е Ф О д л я феррозондов нецелесообразен.
114
В ыделение полезного си гн ала из выходного н ап ряж ени я ф ерро­
зондов, работаю щ их во втором реж им е, позволяет прежде всего
и спользовать частотную ф ильтрацию , т а к к ак сигналом в этом
случае явл яю тся четные, а помехой — нечетные гармоники н а п р я ­
ж ен и я. О днако кроме частотной ф ильтрации возможны и иные
способы выделения четных гарм оник из выходного н ап ряж ен и я
ф еррозонда.
В) /
Мп
Р и с . 4 0 . П р остей ш и е схем ы в ы дел ен и я четны х гарм они к и з в ы х о д ­
н о го н а п р я ж ен и я ф ер р о зо н д о в , р аб о т а ю щ и х во втором р еж и м е.
Н а рис. 40 изображены простейш ие схемы магнитометров,
в которы х выделение четных гарм оник осущ ествляется б лагодаря
использованию симметричных нелинейны х сопротивлений или их
эквивалентов.
Схема рис. 40, а предлож ена сотрудникам и ИФМ АН СССР
[10]. Схема состоит из дифф еренциального феррозонда 1, д вух
встречно вклю ченных диодов 2 и изм ерительного прибора 3 (м икро­
амперметра) с большой постоянной времени.
В ольтам перная х арактери сти ка д ву х встречно вклю ченны х
диодов, образую щ их нелинейное симметричное сопротивление,
и зображ ен а на рис. 40, б. Если к таком у сопротивлению подвести
н ап р яж ен и е нечетных гармоник, явл яю щ и хся помехой, то в ы п р ям ­
лен и я то ка не произойдет и стр ел к а измерительного прибора 3
останется на нулевой отметке. То ж е самое произойдет, если
к встречно включенным диодам подвести н ап ряж ени е только вто­
рой гарм оники. Однако полож ение изменится, если в выходной
цепи ф еррозонда будет действовать сумма четных гарм он и к.
8*
115
в этом случае результатом суперпозиции четных гарм оник н а п р я ­
ж ен и я может оказаться (и практически почти всегда оказы вается)
асимметричная форма н ап р яж ен и я. Д л я примера, на рис. 40, б
на фазовой оси показан р езул ьтат суперпозиции второй и четвер­
той гармоник н ап ряж ени я (гармоники показаны пунктиром ).
П ри подаче н ап ряж ени я асимметричной формы на д ва встречно
вклю ченны х диода происходит вы прям ление тока, вследствие чего
измерительны й прибор 3 с больш ой постоянной времени зар е ги ­
стри рует среднее значение то ка /д. ‘Величина этого тока будет
пропорциональна измеряемой напряж енности поля Я д.
Д р у г а я схема, опробованная автором совместно с 3 . Н . Тим ­
ченко, изображ ена на рис. 40, в. В этой схеме применен одностерж ­
невой феррозонд 1. В качестве симметричного нелинейного соп ро­
ти влени я 2 используется полупроводниковое сопротивление, вы ­
полненное на основе карбида крем ния [169]. П оследовательно
с этим сопротивлением вклю чены микроамперметр 3, ш ун ти рован ­
ный конденсатором больш ой емкости 4, и трансформатор 5, с по­
мощью которого осущ ествляется согласование схемы с ген ера­
тором (на рис. 40, а и б генераторы не показаны). Э кви вален тн ая
схема этого простейшего магнитометра дана на рис. 40, г. В цепь
вклю чены два эквивалентны х генератора: генератор с э. д. с
(генератор питания) и генератор с э. д. с. Е^п — ф еррозонд, вы ра­
батываю щ ий при наличии п оля Яд э. д. с. четных гарм оник.
В нутреннее активное сопротивление обоих генераторов плюс
сопротивление рамки микроам перм етра обозначим через г, Едфф —
индуктивность феррозонда (см. § 12), Я — эффективное значение
величины полупроводникового сопротивления в рабочем реж име
я Е — индуктивность трансф орм атора. Если Е^ > Е^п и д оста­
точна д л я того, чтобы не только обеспечить второй реж им работы
ф еррозонда (Я„, > Я Д , но и воздействовать на нелинейное сим­
метричное сопротивление так , что величина последнего начинает
пульсировать с удвоенной частотой, то в цепи появляется постоян­
н ая составляю щ ая тока, п ропорц и ональн ая измеряемому полю Я д.
П оявление постоянной составляю щ ей тока и в этой схеме
мож ет быть объяснено с помощью построений, изображ енны х на
рис. 40, б. Р азн иц а состоит лиш ь в том, что для получения ассимметричной формы н ап ряж ен и я достаточно одной четной гарм о­
ники, например второй, которая и суммируется с основной ч а­
стотой. П ри этом наиболее асимметричная форма н ап ряж ен и я
п олучается в том случае, когда вторая гармоника сдвинута отно­
сительно основной частоты на угол ф = я /4 [163]. П ри опреде­
ленном соотношении активны х и реактивны х компонент э к в и ­
валентной схемы рис. 40, г у казан н ы й фазовый сдвиг мож ет быть
достигнут.
В озмож на и парам етрическая трактовка возникновения по­
стоянной составляю щ ей тока. Д ействительно, поскольку п рово­
димость нелинейного симметричного сопротивления под воздей­
ствием н ап р яж ен и я основной частоты пульсирует с удвоенной
116
частотой, то при определенных ф азовы х соотнош ениях четные
гарм оники тока будут сихронно вы п рям ляться [1701.
И з последней трактовки следует, что подобные схемы весьма
помехоустойчивы, так к ак синхронны е выпрямители (детекторы),
будучи взаимно корреляционны ми фильтрую щ ими устройствами,
при наличии интегрирую щ его звен а, например Р С — цепи или
изм ерительного прибора с больш ой постоянной времени, обеспе­
чиваю т не только фазовую, но и частотную избирательность [ 101,
102, 170, 171].
С другой стороны, наличие интегрирую щ его звена при вы п рям ­
лении суммы четных гармоник то к а свидетельствует о н езави си ­
мости подобных измерительных схем от целого ряда внеш них и
внутренних ф акторов, что следует из вы раж ений (56) и (83),
а так ж е подтверж дается экспериментом [10, 172].
К основным недостаткам подобных схем магнитометров с л е ­
дует отнести малую выходную мощ ность, обусловленную отсу т­
ствием в них электронны х усилителей, и недостаточную стаб и л ь ­
ность н у л я , вызываемую асимметрией вольтамперны х х а р а к т е ­
ристик применяемых нелинейных сопротивлений и особенно их
диодных эквивалентов.
П опы тка устранения этих недостатков, основанная на п ри ­
менении д вухтактн ы х ш ирокополосных усилителей, вклю чаемы х
между феррозондом и синхронным детектором, вы прям ляю щ им
сумму четных гармоник си гн ала, предпринята в работах [172,
173]. О днако несмотря на ряд преимущ еств подобных схем, они
могут быть рекомендованы лиш ь д л я построения магнитометров
средней чувствительности.
О сновная трудность в применении этих схем для построения
высокочувствительных магнитометров состоит в том, что ш и роко­
полосный усилитель, п ерегруж аясь нечетными гарм оникам и,
начинает вы рабаты вать лож ные четные гармоники и становится
менее чувствительным к полезному сигналу — сумме четных
_гарм оник, вырабатываемых феррозондом. В этом отношении луч’ шие р езультаты могут быть получены при использовании у си л и ­
телей с отрицательны ми обратными связям и на частотах п о­
мехи [174].
Д р у го й способ выделения полезного сигнала, получивш ий
наибольш ее распространение в 50-е годы [44, 45, 61—68], основан
на реали зац и и пикового значения выходного нап ряж ени я ф ерро­
зонда.
С ледует сразу же отметить, что здесь, так ж е как и в п р е­
дыдущем способе, предполагается использование симметричного
нелинейного сопротивления и образован ие асимметрии выходного
н ап р яж е н и я феррозонда за счет слож ени я четных и нечетных
гарм оник. В качестве симметричного нелинейного сопротивления
обычно использую тся диодные или триодны е эквиваленты , сод ер­
ж ащ ие естественные или автоматические источники запираю щ его
н ап р яж ен и я [90, 163, 175]. Д л я достиж ения необходимых ф азовы х
117
соотношений между четными и нечетными гармоникам и, п риво­
дящ и х к резкой пиковой асимметрии выходного н ап р яж е н и я,
использую т сильно перевозбуж денны й режим работы феррозонда,
а так ж е ш унтирую т один из полуэлементов дифф еренциального
ф еррозонда активным сопротивлением.
П роцесс образования пиков выходного н ап р яж ен и я, зн ак
которы х зависит от зн ака измеряемого поля Я д, может быть о б ъ яс­
нен не только на сп ектральном , но и временном язы ке [44, 45,
82, 90, 163]. Ш унтирование одного из полуэлементов ф еррозонда
приводит к его начальной пиковой разбалансировке. П ри наличии
поля Я о один из пиков увели чи вается по своей величине, а вто­
рой уменьш ается.
Один из способов дальнейш его преобразования пикового
н ап р яж ен и я заклю чается в том, что после отсечки подошвы пиков
с помощью симметричного нелинейного сопротивления и уси л е­
ния знакопеременны х импульсов последние подают на экви вал ен т
нелинейного сопротивления с четной вольтамперной х а р а к т е ­
ристикой, например, диодный двухполупериодны й вы прям итель.
Е сли Я д = О, то с вы прям ителя снимается напряж ение удвоенной
частоты , если ж е Яд + О, то на выходе вы прям ителя п оявл яется
н ап р яж ен и е основной частоты. Это напряж ение, несущ ее п олез­
ную информацию, может быть затем выделено с помощью ф и л ьтра,
синхронного детектора или автоматического регистратора, и сп оль­
зую щ его для перемещения кар етк и перопиш ущего устройства
реверсивны е двигатели типа моторов Ф еррариса [45, 9 0 ].
И з вы раж ений (84) и (85) следует, что чувствительность ф ер­
розонда по пиковому значению выходной э. д. с. в отличие от
чувствительности по среднему значению э. д. с. [см. вы раж ен и я
(83) и рис. 40] зависит от ам плитуды поля возбуж дения, а так ж е
от характерн ы х особенностей кривой намагничивания сердеч­
ников. Это приводит к м ультипликативной неустойчивости ф ер­
розонда, а следовательно, и рассматриваемого способа вы деления
полезного сигнала в целом.
О днако основным недостатком способа следует считать его
аддитивную неустойчивость (наличие смещений и ф лю ктуаций
н у л я ), обусловленную тем, что вольтамерны е характери сти ки п ри ­
меняемых нелинейных сопротивлений (диодные и триодные эк в и ­
валенты) не обладают строгой симметрией, причем степень асим­
метрии этих характеристик зави си т от старения самих соп роти вле­
ний, температуры окруж аю щ ей среды , изменения н ап р яж ен и я
зап и р ан и я и т. д. [ 19,90 ]. П о этой'причине способ не может быть'рекомендован д л я построения вы сокочувствительны х магнитометров.
В связи с развитием вычислительной техники все больш ий
интерес начинает п роявляться к построению феррозондовых м а­
гнитометров не с ”аналоговым, а с дискретным выходом. Д и с к р ет­
ный выход "позволяет регистрировать информацию на перфоленте
и затем быстро обработать полученные данные в вычислительной
машине.
118
П р я м ая возможность преобразования аналоговой информации
об измеряемом поле в дискретную заклю чается в использовании
так назы ваемого фазоимпульсного эффекта в работе феррозонда
[163, 176, 177]. Эффект состоит в следующем.
П усть • одностержневой феррозонд, содерж ащ ий первичную
и вторичную обмотки возбуж дается синусоидальным током,
поступающим в первичную обмотку. Е сли этот ток создает поле,
ам плитуда которого
> Я 5, то при отсутствии измеряемого
поля (Нд = 0) э. д. с., возникаю ­
щ ая во вторичной обмотке, будет я] °
иметь вид чередую щ ихся импульсов
разного зн а к а , причем расстояния
г
?п ЧпшЬ
между импульсами будут строго оди­
наковы ми (рис. 41, а). П ри наличии
измеряемого поля, например при
ф I
Нд <2 О, длительность насыщ ения
сердечника в положительный полупериод поля возбуж дения будет
^^'шЬ
меньше, чем в отрицательный. П о­
лож ительны е импульсы э. д. с., воз­
никаю щ ие во вторичной обмотке,
при этом сдвинутся по фазовой оси
вправо, а отрицательны е — влево.
В результате этого расстояния между
импульсами окаж утся неодинако­
выми (рис. 41, б).
Эффект смещения импульсов, опи­
санный н а временном язы ке, есть не
что иное, к а к результат появления
четных гарм оник, описанный ранее Р и с . 4 1 . К п ояснен и ю ф а зо и м ­
п у л ь сн о го эф ф ек та, н а б л ю д а е ­
на спектральном язы ке [1 3 ,6 3 , 163].
И тем не менее, именно временной м ого в од н остер ж н ев ы х ф е р р о ­
зо н д а х .
язы к позволяет увидеть еще один
•способ вы деления полезного сигн ала.
Способ заклю чается в том, что непосредственному измерению
подлеж ит не амплитуда выходной э. д. с. одностержневого ф ер­
розонда, а время между полож ительны м и отрицательным им­
пульсам и, а так ж е между отрицательны.м и следующим п олож и ­
тельным импульсом. Д л я реализации способа вторичную обмотку
феррозонда нагруж аю т на реверсивный триггер, управляем ы й
электронны ми ключами, к которым мож ет быть подключен в ы ­
сокочастотный генератор либо источник постоянного тока. Спо­
соб предполагает вычитание времени нахож дения триггера в
одном состоянии из времени нахож дения в другом. Если к электрон ­
ным клю чам подключен высокочастотный генератор (дискрет­
ный выход), то при наличии поля Нд число периодов высокой
частоты, прошедших через один клю ч, не совпадет с числом перио­
дов, прошедших через другой клю ч. Ч исло, соответствующее
о
о
119
разности периодов высокой частоты, и будет пропорционально
напряж енности поля Я д. Если к электронным ключам подключен
источник постоянного тока (аналоговый выход), то разность
токов такж е будет пропорциональна полю Яд и может быть изме­
рена с помощью обычного измерительного прибора с нулем по
середине ш калы [177].
В работе [177], [178] описаны довольно простые схемы м агн и ­
тометров, в основу которы х полож ен данный способ вы деления
полезного сигнала.
Временной способ вы деления полезного сигнала получил
дальнейш ее развитие в работе [179]. О писанная в этой работе
схема магнитометра предполагает применение диф ф еренциаль­
ного феррозонда, ф ильтра ниж них частот, пропускаю щ его пер­
вую и вторую гармоники, и три ггера Ш митта. В работе у к а зы ­
вается, что схема обладает достаточно высокой чувстви тель­
ностью. Д анны е по стабильности н уля приведены лиш ь за 4 ч\
за этот промежуток времени ф луктуации н уля не превыш али
1,5 7 . Схема представляет несомненный интерес, однако н уж дается
в более тщ ательных испы таниях.
В заклю чение отметим, что, несмотря на наличие перечислен­
ных способов выделения полезного сигнала, претендую щ их на
известные упрощ ения по сравнению с широко распространенны м
в настоящ ее время способом вы деления второй гарм оники, по­
следний был и остается весьма перспективным д л я построения
высокочувствительных ф еррозондовых магнитометров и д руги х
измерительны х устройств (см. гл аву пятую ). Подобное утверж де­
ние бази руется на анализе, показываю щ ем, что использование
избирательны х усилителей в сочетании с синхронными детекто­
рами с нужной постоянной времени, обеспечивает оптим альную
фильтрацию полезного си гн ала, а следовательно, и наибольш ую
защ ищ енность магнитометрических устройств от внешних помех.
И з теории следует, что оп ерац и я синхронного д етекти рова­
н и я описы вается функционалом [102, 1701;
(155)
о
где II (/) = Н з Н ) + 6/х (О — н ап ряж ени е на входе детектора,
Ьз {1 ) — напряж ение полезного си гн ала, Пдг (О — н ап ряж ен и е
помехи, V (/) — некоторая весовая ф ункция, характери зую щ ая
проводимость детектора во времени.
Ф ункции Из (/) и У (/) оказы ваю тся взаимно кор р ели р о ­
ванны ми и строго когерентными (феррозонд и детектор питаю тся
о т одного и того ж е генератора), а помеха 11^ {!) в общем случае
яв л яется случайной величиной
н икак не связанной по фазе
1 В д ан н ом сл у ч а е под п ом ехой п они м аю тся внеш ние в о зм у щ ен и я , д е й с т в у ю ­
щ и е на ф ер р о зо н д в в и д е п ер ем ен н ы х п о л ей и на у си л и т ел ь в в и д е эл ек т р и ч еск и х
наводок
120
с функцией V (/), поэтому за врем я усреднения Т выходной ток
детектора будет практически пропорционален лиш ь полезному
си гн ал ;) .
Н аконец, из опыта известно, что выделение второй гармоники
э. д с. феррозонда позволило обеспечить достижение наиболее
н изких порогов чувствительности магнитометрических устройств.
14. Пример построения схемы
высокочувствительного ф еррозондового
магнитометра
В настоящ ем параграфе описы вается принципиальная схема
высокочувствительного магнитометра, в основу которого поло­
ж ен способ выделения второй гарм оники выходного н ап ряж ен и я
феррозонда.
П ри н ци п иальн ая схема магнитометра изображ ена на рис. 42.
В магнитометре использован дифференциальный феррозонд
стерж невого типа, конструкция которого описана в § 9 (рис. 32),
а обмоточные и другие данные приведены в § 10. Кроме обмоток
возбуж деция и измерительной, феррозонд имеет такж е обмотку
обратной связи и компенсационную обмотку.
Р абота феррозонда по цепи возбуж дения бли зка к режиму
синусоидальной напряж енности п оля, что обеспечивается за
счет н али чи я в цепи фильтра ниж них частот. Амплитуда тока
вы брана в 2— 3 р аза больше ее оптимального (для второй г а р ­
моники выходной э. д. с.) зн ач ен и я. Экспериментально под­
тверж дено, что так ая величина тока вполне достаточна д л я ис­
клю чения эффектов остаточной намагниченности и магнитного
последействия (см. § 6). У становлено такж е, что вы бранная
частота то ка возбуж дения / = 5 кгц при толщине стержней 0,1 мм
так ж е вполне допустима. П рименение более тонких стерж ней
с целью устранения возможного скин-эффекта не приводило
к сколько-нибудь заметному повышению стабильности н у ля
ф еррозонда.
Р абота феррозонда по измерительной цепи близка к реж им у
согласованной по полному внутреннем у сопротивлению активной
н агр у зки . Д л я измерения слабы х магнитных полей такой реж им
о к а зал ся наиболее приемлемым, так к а к при этом достигаю тся
вы сокая устойчивость нущя феррозонда и м аксим альная отдача
его выходной мощности. В нагруж енном режиме чувствительность
феррозонда, оцениваемая по второй гармонике выходного н а п р я ­
ж ен и я, составляет около 30 мкв/у.
В магнитометре применен генератор ЕС-типа, выполненный
на кремниевы х транзисторах М П-102. Генератор состоит из з а ­
даю щ его и двух буферных каскадов. Буферны е каскады необ­
ходимы д л я развязки задаю щ его каскад а (собственно ген ера­
тора) от нелинейной н агрузки (цепь возбуж дения феррозонда)
и д л я независимого управления фазой н ап ряж ени я коммутации
детектора.
121
I
122
Задаю щ ий каскад выполнен по схеме с общей базой на т р а н ­
зисторах Т , и То, /С -к о н ту р образован коллекторной обмоткой
трансф орм атора Тр^ и конденсатором
П олож ительная об­
ратн ая св язь — индуктивная; реж им работы каскада — класс А .
К аскад термостабилизирован делителем н ап ряж ени я, состоящим
из стабилитрона
и сопротивления Я ц . Автоматическая б ал ан ­
си ровка коллекторны х токов транзисторов осущ ествляется за
счет сопротивления ЯцБуф ерны й каскад, питающий ф еррозонд, выполнен по схеме
с общим эмиттером на транзисторах Гд и Тц. К аскад явл яется
усилителем мощности и работает в реж им е класса АВ. АС-контур,
образованны й коллекторной обмоткой трансформатора Т р ^ и
конденсатором С^д, настроен на частоту задаю щ его каскада. Д л я
лучш его согласования с фильтром н иж ни х частот и феррозондом
каскад охвачен отрицательной индуктивной обратной связью ,
фильтр содерж ит два параллельны х контура, образованны х
дросселями Д р 1 , Д р е и конденсаторами Сд, Сд, настроенными на
частоту второй гармоники, а так ж е конденсатор С4, емкость кото­
рого вы брана с учетом индуктивности обмотки возбуж дения
ф еррозонда. Н аличие фильтра и д вухтактность схем задаю щ его
и буферного каскадов генератора исклю чаю т смещения н уля ф ер­
розонда за счет четных гармоник в цепи возбуж дения.
Буф ерны й каскад, питающий синхронны й детектор и вы пол­
няю щ ий функцию ф азовращ ателя, собран так ж е по схеме с общим
эмиттером на транзисторах Т и и Т ц . Ф азовращ ательны м элемен­
том сл у ж и т конденсатор С ц, образую щ ий с коллекторной обмот­
кой трансф орм атора Тр^ колебательны й контур, примерно н а ­
строенный на частоту задающ его каскад а. К аскад работает в р е ­
жиме к л асса АВ. Д вухтактность схемы генератора необходима
не только д л я подавления (уравновеш ивания) четных гармоник
тока, возникаю щ их из-за нелинейности искаж ений в транзисто­
рах, но и д л я исключения подм агничивания сердечников транс_форматоров коллекторными токам и. Кроме того, двухтактность
схемы п озволяет получить наибольш ий к. п. д. генератора.
Генератор подключен к источнику питания через ф ильтрую ­
щую цепочку ЯзеСц, основное назначение которой препятство­
вать прохож дению четных гарм оник тока, в частности, второй
гарм оники в цепь питания избирательного усилителя, настроен­
ного на ту ж е частоту.
И збирательны й усилитель настроен н а частоту 2/ == 10 кгц.
Коэффициент усиления на этой частоте имеет величину п о ряд ка
10®. П олоса пропускания на уровне 0,7 находится в пределах
0,3 —0,5 кгц. Затухан ие на ч астотах первой и третьей гармоник
не х у ж е б ОТ б.
В ысокие требования, предъявляемы е к избирательности у си л и ­
тел я, обусловлены главным образом необходимостью подавления
первой и третьей гармоник выходного н ап ряж ени я феррозонда.
К ак отмечалось (см. § 1), н ап ряж ени е этих гармоник не яв л яется
123
ф ункцией измеряемого поля, а зависит лиш ь от степени б ал ан си ­
ровки полуэлементов (стержней и обмоток) феррозонда. О днако
д аж е в хорошо отбалансированны х феррозондах уровень н а п р я ­
ж ений по первой и третьей гармоникам составляет 20—30 мв,
что в сотни и тысячи раз больш е минимальных сигналов второй
гарм оники, подлежащ их регистрации. Это соотношение усугуб ­
л яется тем, что по полезному сигналу магнитометр охвачен отри-'
цательной обратной связью . Очевидно, что при недостаточной
избирательности усилителей последние были бы загруж ен ы поме­
хой и не могли бы обеспечить необходимую чувствительность
к слабым сигналам (см. § 13).
Т ак ж е как и генераторы, усилитель выполнен по двухтактной
схеме. Выбор двухтактной схемы обусловлен не только необхо­
димостью подавления лож ны х четных гармоник н ап р яж ен и я,
возникаю щ их из-за нелинейных искаж ений при наличии н а п р я ­
ж ен и я нечетных гармоник, но и защ итой усилителей от воздей­
стви я других помех, а так ж е повышением устойчивости и обеспе­
чением наибольшего амплитудного раствора в оконечных каскад ах.
Поэтому несмотря на увеличение числа транзисторов прим ене­
ние двухтактны х схем оправдано, что подтверж дается много­
летним положительным опытом их эксплуатации в ранее р а з р а ­
ботанны х моделях феррозоидовых магнитометров [19, 180].
У силитель содержит пять каскадов, выполненных н а тр ан зи ­
сторах М П -102 и связанны х меж ду собой либо с помощью тр ан с­
ф орматоров, являю щ ихся одновременно элементами резонансны х
контуров, либо гальванически.
Входным каскадом, на которы й непосредственно нагруж ен
феррозонд, является эмиттерный повторитель, собранный на тр ан ­
зи сторах
и Га- К аскад (работает в режиме класса А) сопряж ен
с дифференциальным полосовым фильтром, состоящим из двух
последовательны х звеньев ДрдСд, Др^С^ и одного п араллельного,
образованного частью обмотки автотрансф орматора Тр^ и конден­
сатором Сд. Ф ильтр настроен н а частоту второй гарм оники.
Конденсатор
устраняет паразитны е обратные связи , могущ ие
возни кн уть в диагонали дифференциальной схемы из-за неиден­
тичности ее активных и реактивны х элементов.
Второй каскад (работает в реж име класса А) собран н а тр ан ­
зи сторах
и 7,5 по схеме с общим эмиттером. Д л я стабилизации
рабочих точек транзисторов введена отрицательная обратн ая
св я зь по постоянному току (цепочки Рх Гх х и А и С ц ). С огласова­
ние с последующим каскадом осущ ествлено с помощью трансф ор­
м атора 7 р 4, первичная обмотка которого с помощью конденса­
тора С 14 настроена в резонанс на частоту второй гарм оники.
П ервы е два каскада, образую щ ие как бы селективны й п ред­
усилитель, развязан ы по питанию от остальной части схемы
цепочкой Д 17С15.
Последующие три каскада связан ы между собой гал ьван и ч е­
ски. Третий каскад собран на транзисторах 7»,
по схеме
124
с общим эмиттером, четвертый — на транзисторах Т ц , Т ц по
схеме с общим коллектором и пяты й — на транзисторах Т 45,
Т ц по схеме с общим эмиттером. Т акое чередование каскадов
позволяет наилучш им образом согласовать их между собой. Все
три каск ад а охвачены отрицательной обратной связью по посто­
янному току, которая осущ ествляется б лагодаря падению н а п р я ­
ж ения на сопротивлении ш унтированном конденсатором С^х,
и подаче этого нап ряж ени я через сопротивление Т?26 на базы тр ан ­
зисторов То, Тго- Подобные обратные связи , вводимые в д и а го ­
нали д вухтактн ы х схем, не только стабилизирую т рабочие точки
транзисторов, но и обеспечивают автоматическую балансировку
схемы. Реж им работы трех последних каскадов близок к классу АВ.
Выходной каскад усилителя яв л яе тся резонансным, н астроен ­
ным на частоту второй гармоники. К онтуром служ ат кол л ек тор­
н ая обмотка трансформатора Тре и конденсатор С^еК источнику питания усилитель подключен через ф ильтрую ­
щую цепочку ЯЖеоСинхронный детектор предназначен д л я фазочувствительной
демодуляции сигнала, когерентного периодической функции его
проводимостей. По сущ еству это не что иное, к ак взаимно ко р р е­
ляционны й ф ильтр, содерж ащ ий параметрическое и и нтегриру­
ющее звен ья [170], см. вы раж ение (155).
П араметрическое звено детектора состоит из двух симмет­
ричных ячеек, выполненных на германиевых транзисторах
типа М П-16В {Тхт, Т^о и
Те/)- Я чейки включены п араллельно
в цепь вторичной обмотки трансф орм атора Трд и коммутирую тся
поочередно переменным напряж ением основной частоты, в ы р а ­
батываемым генератором. В цепь коммутации включены за п и р а ­
ющие цепочки
и ЯохС^о, которы е в совокупности с соп ро­
тивлениям и ЯзъЯза и ЯззЯзз обеспечиваю т время откры того
состояния ячеек, равное полупериоду удвоенной частоты. С ле­
довательно, наличие этих цепочек исклю чает надобность в уд вои ­
теле частоты, широко применявш емся ранее в феррозондовых
магнитометрах [19, 170, 181].
Интегрирую щ ее звено детектора образовано сопротивлениям и
■^40— -^44 и конденсаторами
— Сев- Сопротивление Я 4 0 одновре­
менно вы полняет функцию ограничителя переменной со став л я­
ющей тока, протекающего через транзисторны е ячейки. У ровень
пульсаций на выходе магнитометра д аж е при наличии внеш них
переменных полей с амплитудой в десятки гамм не превыш ает
10—20 мв.
Н аибольш ий коэффициент преобразования детектора по вто­
рой гарм онике достигается при сдвиге фаз между н апряж ениям и
си гн ала и коммутации, равном п /4 (по отношению к начальной
фазе основной частоты). Необходимый фазовый сдвиг осущ еств­
л яется за счет подбора емкости конденсатора С ц , установленного
в буферном каскаде генератора. Эпюры, поясняющ ие процесс
образован ия периодической функции проводимости детектора,
125
а так ж е процесс демодуляции си гн ал а второй гармоники, и зобра­
ж ены на рис. 43.
Синхронный детектор необходим не только д л я обеспечения
оптим альной фильтрации. Б удучи фазочувствительным устрой­
ством, он придает магнитометру свойства нуль-индикатора, поз в о л я я охватить весь к ан ал отриО
цательной обратной связью , либо
//5,
использовать компенсационный метод измерения, обеспечивающий н аи ­
/ I
\
больш ую точность измерения.
\ ! '
П ри подключении магнитометра
г I
I Лг
к униполярны м регистраторам пре­
дусмотрен знакоразделитель, вы п ол­
д ^ ' г И 1/ и п б
ненный по схеме автокорреляцион­
\| I/
I ' ( 1/1 I
ного вы прям ителя на германиевы х
тран зи сторах. Разделитель содерж ит
д ва транзистора МП-16Б
П ри наличии измеряемого поля один
из транзисторов находится в откры ­
том состоянии, ш унтируя одно из
н агрузочны х сопротивлений (Е 45 или
Нхв), другой — в запертом со сто ян и и .П оскольку очередность откры того и
закры того состояния транзисторов
зави си т от изменения полярности
Чых
н ап р яж ен и я, поступающего с син­
хронного детектора, выходной си г­
нал поступает либо на клеммы 1— 2,
Р и с . 4 3 . Э пю ры , поясняю щ и е
либо н а клеммы 1—3. По наличию
п р и н ц и п дей стви я си н хр он н ого
си гн ала на тех или иных клем м ах и
д ет ек т о р а ,
р аботаю щ его
при
суд ят о зн аке измеряемой компоненты
соо тн о ш ен и и частот 2 : 1 .
п оля.
Биполярны й
регистратор
**К1’
~ напряжения коммута­
мож ет непосредственно подклю чаться
ц и и , подводи м ы е к с о о т в е тс т в у ю ­
щ и м т р а н з и с т о р н ы м я ч е й к а м ; 1^^,
к клеммам 2—3.
т о к и ^ б а з т р а н з и с т о р н ы х я че е к;
Д л я загрубления чувствительно­
С/д — н а п р я ж е н и е з а п и р а н и я ; У —
сти магнитометра (в 4—5 раз) в схеме
п р о в о д и м о с т ь де т е к т о р а ;
— на­
п р я ж е н и е с и г н а л а второ й га р м о н и предусмотрено реле типа РПС-20,
ки; ф ц х — демодулированный (вы ­
управляем ое импульсами н ап р я ж е­
п р я м л е н н ы й ) т о к.
ния питания (клеммы 7— 4 или 7—5).
К онтактн ая группа реле вклю чена в схему кан ала таким обра­
зом, что при переключении постоянно включенные в цепь
обратной связи сопротивления А 44 и Нха ш унтирую тся сопро­
тивлениям и Д 43 и Яхт При этом глубина обратной св язи , о х в а­
тывающей канал в целом, увеличивается, что и приводит к загр у б ­
лению чувствительности кан ала.
Генератор и избирательны й усилитель питаются через стабили­
затор н ап р яж ен и я. С табилизатор выполнен по автокомпенсационной схеме и содерж ит мощный транзистор П213 ( Т 23), б ал л аст­
126
ное сопротивление Я ц и два встречно вклю ченных стаби ли ­
трона Д 814В {Де, Д з), один из которы х является опорным, а
второй предназначен для термокомпенсации первого. У ровень
стабилизируем ого н апряж ения — п оряд ка 10 в.
С внешней стороны последовательно с одной из шин питания
вклю чен диод Д^, предохраняю щ ий магнитометр от выхода из
строя при случайной подаче н ап ряж ен и я питания обратной
полярности.
Основные параметры магнитометра приведены ниже:
±50у
П р ед ел ы и з м е р е н и я .......................................................................
Ч у в ст в и тел ь н о ст ь
...........................................................................
0 ,1 2 е /у
П о р о г чувстви тельн ости (ср ед н ее к вад р ат и ч н ое зн а ­
ч ение):
п р и кратк оврем ен ны х н а б л ю д е н и я х ....................
0 ,1 у
» м н огосуточн ы х н а б л ю д е н и я х .........................
1— 2 у
П о п р а в к а за см ещ енны й н ул ь
........................................
=^5у
Т ем п ер а ту р н ы й к о э ф ф и ц и е н т
^ 0 , 1 % на 1° С
П о т р еб л я ем а я м о щ н о с т ь ......................................................
0 ,8 е т
Н а п р я ж е н и е п и т а н и я ................................................................
12— 17 в
В ес
..........................................................................................................
I кг
По сущ еству описанный магнитометр является прецизионным
нуль-индикатором , с помощью которого, применяя ком пенсаци­
онный метод, можно измерять компоненты геомагнитного п оля,
проводить работы, связанны е с определением магнитной д ев и а­
ции, создаваемой различными подвижными объектами, и обеспе­
чивать компенсацию геомагнитного поля в заданном объеме
с больш ой точностью. О бладая высокой чувствительностью и
острой диаграммой направленности, магнитометр может быть
использован так ж е в следящ их системах, обеспечивающих о р и ­
ентацию тех или иных объектов по магнитному полю.
В ы пуск магнитометра (в трехкан альн ом варианте) освоен про­
мышленностью [182].
ГЛАВА ПЯТАЯ
Ф Е Р Р О З О Н Д О В Ы Е И ЗМ ЕРИ ТЕЛЬН Ы Е
УСТРО ЙСТВА
15. Измерители постоянных полей
К ак отмечалось в § 4 и 7, первоначально, особенно при изме­
рениях в движ ении, феррозонды использовались преимущ е­
ственно д л я оценки скалярной величины поля или, к ак говорят,
модуля полного вектора геомагнитного поля. Из вы раж ения (18)
следует, что угловая чувствительность феррозонда м аксим альна,
когда м агнитная ось феррозонда 1 перпендикулярна вектору
геомагнитного поля Нт, и м иним альна, когда ось 1 совпадает
с направлением
Н апример, при измерении вертикальной
Ш7
составляю щ ей отклонение магнитной оси I в плоскости м агн и т­
ного меридиана на небольшой угол а приводит к погреш ности
АЯг = бд — Яг = Я г соз а ± Я ^ зШ а — Яг^^к ± Я я з ш а , (156)
где Н — измеренное значение вертикальной составляю щ ей,
—
истинное значение вертикальной составляю щ ей, Я^^ — истинное
значение горизонтальной составляю щ ей. Если Я^^ = 1,5-10*у
и а = 1°, то А Я г ^ 2 6 0 у .
При измерении ж е модуля
полного вектора и о ткл о ­
нении магнитной оси на
тот ж е угол а погреш ­
ность будет
А Я , = й, — Я , =
= Я , (соз а — 1) =
= —2 Я , з ш ® ^ . (157)
Если
= Ъ - 10*7 и
а = Г , то
— 7,57.
Отсюда следует, что при
прочих равных усл ови ях
от В/с 27В
(при
равных
ош ибках
ориентации магнитной оси
феррозонда в заданном
Б л о к -с х ем а
аэр ом агн и том етр а
направлении)
измерение
А М -13.
модуля
вектора
геом
агнит­
I ~ магниточувствительный блок, I I — э л е к т р о н ­
ный б л о к ; / / / — р е г и с т р а т о р , / 1/ — с т а б и л и з а ­
ного поля может п роиз­
т ор н а п р я ж е н и я , V — п р е о б р а з о в а т е л ь , 1 — и з м е ­
водиться с гораздо боль­
р и т е л ь н ы й ф е р р о зо н д , 2, 4 — о р и е н т и р у ю щ и е фер
р о з о н д ы ; 3, 5, 11 — р е в е р с и в н ы е
двигатели,
шей точностью, чем изме­
6, 8, 9 — у с и л и т е л ь н о - п р е о б р а з о в а т е л ь н ы е схем ы ,
7 — а т т е н ю а т о р н а ч а л ь н о й ко м п е н с а ц и и , 1 0 — б л о к
рение составляю щ их этого
п и т а н и я ; 12 — б л о к а вт о м а т и ч е с к о г о р а с ш и р е н и я
вектора.
пределов
измерения,
13 — б у ф е р н а я б а т а р е я ,
п о м е щ е н н а я в терм ост а т , 14 — у м ф ор м ер со с т а б и ­
К настоящему времени
л и з а т о р о м ча с т оты , 15 — ре о х о р д ,
->• — э л е к т р и ­
ческая связь;
— ----- > — к и н е м а т и ч е с к а я с в я з ь
известно достаточно боль­
шое количество моделей
феррозоидовых магнитометров, измеряю щ их полную величину
или приращ ения модуля вектора геомагнитного поля, исполь­
зуемых главным образом на подвижных платформах — само­
л етах , ко раблях, искусственных спутниках Земли [87, 131].
И звестны такж е и наземные феррозондовые магнитометры, изме­
ряю щ ие модуль геомагнитного поля [18, 183]*. Н иж е дается
кр атко е описание феррозондового магнитометра высокой точности,
разработанного О К Б М инистерства геологии и используемого д л я
аэромагнитной съемки в Советском Союзе.
Блок-схем а аэромагнитометра изображ ена на рис. 44. М агни­
тометр состоит из трех независимы х каналов: измерительного
* В отли ч и е о т п р едл ож ен и я [1 8 3 ] в р абот е [1 8 ] оп исан б о л ее совер ш ен ны й
п р и б о р , п озволяю щ и й и зм ер я ть н е т ол ь к о м од ул ь геом агнитного п о л я , но и два
у г л а — м агн итн ое ск л он ен и е и н а к л о н ен и е (см . § 18).
128
и двух ориентирую щ их. Феррозонды ориентирую щ их каналов,
вы полняю щ ие роль датчиков углового рассогласования, устано­
влены вместе с феррозондом измерительного кан ала на общей
площ адке, имеющей две степени свободы и кинематически с в я ­
занной с соответствующими реверсивными двигателями. М агнит­
ные оси всех трех феррозондов образую т трехгранник с прямыми
углам и. С игналы , вырабатываемые ориентирующ ими ф еррозон­
дами, после прохож дения через усилительно-преобразовательны е
схемы поступаю т на реверсивные дви гатели, которые уп равляю т
угловым полож ением площ адки таким образом, чтобы независимо
от эволю ций самолета магнитные оси ориентирую щ их ф еррозон­
дов о казал и сь расположенными в плоскости, перпендикулярной
вектору геомагнитного поля. Очевидно, что при таком располо­
жении в соответствии с (18) ориентирую щ ие феррозонды обладаю т
наибольш ей угловой чувствительностью , а магнитная ось изме­
рительного феррозонда оказы вается ориентированной по н ап р а­
влению вектора геомагнитного поля.
Во всех трех каналах реализован способ выделения второй
гарм он и ки 'вы ходн ого н ап ряж ени я феррозондов. С целью обеспе­
чения необходимых метрологических парам етров при одновре­
менном упрощ ении блок-схемы в магнитометре применен один
общий генератор (умформер типа 8Л 012-1Д С со стабилизатором
8Л 012-2Д С ), предназначенный д л я питания измерительных и
силовых цепей, а усилительно-преобразовательны е блоки вы пол­
нены по двухтактны м схемам [180]. К аж ды й усилительно-преоб­
разовательны й блок состоит из избирательного усилителя, н а ­
строенного на частоту 2/ = 1000 гц, синхронного детектора,
корректирую щ ей цепи (для исклю чения автоколебаний), б ал ан с­
ного м одулятора, вырабатывающ его н ап ряж ен и е частоты /, и
реверсивного д ви гателя. Последний в измерительном кан але
кинематически связан с перопиш ущим устройством регистратора
и движ ком реохорда, включенного в цепь компенсации изм еряе­
мого п оля. Т аким образом, не только ориентирующ ие ф ерро­
зонды* но и измерительный феррозонд работаю т в режиме нульиндикаторов.
В магнитометре предусмотрены автоматическое расш ирение
пределов измерения и н ачальн ая ком пенсация поля. Д л я питания
цепей компенсации использован стабилизатор параметрического
типа, в котором в качестве нелинейного элемента применена
буф ерная б атарея [19, 92, 131]. Б уф ерн ая батарея помещена
в специальны й термостат.
В магнитометре осущ ествлена автоматическая запись изме­
ряемых значений. Запись производится чернилами на диаграм м ­
ной ленте в прямоугольны х коорди натах. Ш ирина рабочей части
ленты 220 мм. Запись может производиться при двух ч у в ­
ствительностях: 0,5 и 0,1 мм!у. П ри подходе перопиш ущего
устройства к краю ленты срабаты вает система автоматического
расш ирения пределов измерения. П ри сохранении указан ной
9
Ю.
в. А ф ан асьев
129
чувствительности эта система п озволяет производить измерение
в д иапазоне ± 11 ОООу. Скорость записи при соответствующ их
чувствительностях — 100 и 500 у!сек. Скорость протяж ки ленты
мож ет быть 1,6; 3,2; 8 м1ч. П орог чувствительности аэром агнито­
метра — 2у. Смещение н уля не превыш ает 5 у/ч. Температурный
коэффициент не более 3 уГС. Кроме записи напряж енности поля,
на ленте штампуются номера поддиапазонов, записы вается высота
полета, отмечаются марки времени, сигналы о прохож дении
ориентиров и моментах фотосъемки.
щ
Р и с. 4 5 . М агни точувстви тельн ы й б л о к аэр ом агн и том етр а.
1 , 6 — ф е ррозон ды о р и е н т и р у ю щ и х к а н а л о в : 3 — ф е р р о з о н д и з м е ­
р и т е л ь н о г о к а н а л а ; 2,
д и с к и н е п о с р е д с т в е н н о го п р ив ода п л о щ а д к и
и в и л к и ; 5 — п л о щ а д к а ; 7 — в и л к а : 8. 9 —у д л и н е н н ы е в а л и к и , с в я ­
з а н н ы е с р е д у к т о р а м и р е в е р с и в н ы х дв ига т е л ей .
Автоматически ориентируем ая площ адка с тремя ф еррозон­
дами п оказана на рис. 45. Вместе с системой привода и реверсив­
ными двигателями она помещ ается в гондолу, буксируем ую
за самолетом на тросе с кабелем. Вес гондолы с помещенным
в ней блоком — 32 кг, вес аппаратуры , устанавливаемой в само­
лете (вклю чая лебедку с кабелем , выпускное устройство и про­
чее), — около 230 кг.
Кроме выпускного вари ан та магнитометра АМ-13 разработан
так ж е жесткий вариант АМ.К-13, позволяю щий у креп л ять гон­
д олу на верхней кромке к и л я самолета. Во втором вари ан те
магнитометр снабж ается компенсатором магнитных помех [184—
186]. В обоих вариантах магнитометр серийно вы пускается зав о ­
дом «Геологоразведка».
В связи с появлением ядерно-прецессионных и квантовы х
магнитометров [136— 139], датчики которых непосредственно
реагирую т на скалярн ую величину поля и измеряют ее с больш ей
точностью , чем феррозондовые, проектирование последних д л я
130
измерения тех ж е величин резко сократи лось. Однако в некоторых
сл у ч аях применение феррозондовых магнитометров, измеряющих
ск ал яр н у ю величину, и при наличии новых магнитометров о к а ­
зы вается вполне обоснованным.
Д ело в том, что ск ал яр н ая величина поля может быть изме­
рена с помощью простейших ф еррозондовых магнитометров, не
содерж ащ их ориентирую щ их систем. Основой для создания
подобных магнитометров служ ит способ измерения модуля в ек ­
тора магнитного поля, предусматриваю щ ий вычисление корн я
квадратного из суммы квадратов трех составляю щ их поля, совп а­
даю щ их с осями прямоугольной системы координат, жестко с в я ­
занной с подвижной платформой:
Н1+Н1+Н1.
(158)
Очевидно, что использование подобных магнитометров д л я
измерения модуля вектора геомагнитного поля взамен описанного
выше встречает серьезные трудности из-за отсутствия счетно­
реш аю щ их устройств, производящ их квадратирование, сумми­
рование и извлечение корня с необходимой д л я этого точностью.
Однако д л я измерения слабых полей, например для измерения
магнитного поля на расстоянии н ескольки х земных радиусов от
планеты , в районе Л уны и меж планетном космическом простран­
стве, магнитометры этого типа ок азал и сь вполне пригодными
[134, 187— 189].
М агниточувствительный блок подобных магнитометров содер­
ж ит три ф еррозонда, магнитные оси которы х образую т тр ех ­
гран н ик, ж естко связанны й с космическим аппаратом (обычно
блок устанавли вается на специальной ш танге с целью уменьш ения
в л и ян и я помех, создаваемых аппаратом [134]). Электронный
блок содерж ит три идентичных к а н а л а , схемы которых ан ал о­
гичны описанной в § 14. К ак правило, электронны й блок со п р я­
гается с радиотелеметрической системой ап п арата, и вся после­
дую щ ая обработка информации производится в наземных усл о­
ви ях. Внеш ний вид магнитометра п оказан на рис. 46. Прибор
весит около 3 кг я потребляет мощ ность менее 3 вт [182].
Очевидно, что в тех сл уч аях, когда ориентация строительных
осей космического аппарата известна, с помощью таких м агн и то­
метров определяется не только величина, но и направление изме­
ряемого п оля. Это позволяет иметь более полные сведения о п ро­
странственном распределении и стр у к ту р е исследуемого магнит­
ного поля.
П оскольку конечной целью назем ны х геомагнитных наблю ­
дений яв л яется геологическая интерпретация, предусматрива­
ю щ ая определение глубины и н ап равл ен и я залегани я рудны х
образований, то и здесь наиболее целесообразно было бы изме­
рять не ск ал яр н у ю , а векторную величину поля.
9*
131
в работе [1301 описан трехкомпонентный аэромагнитометр,
предназначенный для измерения составляю щ их
и
и м а­
гнитного склонения В . П лощ адка с феррозондами стаби ли зи ­
руется с помощью гироскопа. Непосредственно измеряю тся со­
ставляю щ ие Яг, Яа- и Ну. С учетом значений Н^ и Ну, а так ж е
показаний курсового гироскопа счетно-решающее устройство
Р ис. 46
Внеш ний в и д^тр ехк ом п он ентн ого ф ер р озон дов ого м агн итом етр а.
обеспечивает вычисление горизонтальной составляющей Я^^ и
угол склонения В . И нформация выдается в виде средних зн ач е­
ний измеряемых величин за 5 м и н полета. М аксимальные погреш ­
ности магнитометра: АЯ^ = 120у, А Я ^ = 140у и АЯ = 1,2°.
В работе [190] описан аэромагнитометр, измеряющий модуль
полного вектора геомагнитного поля, а такж е углы склонения В
и н аклон ен и я I. В приборе использованы феррозондовые ориен­
тирую щ ие каналы и демпфированный маятник д л я ориентации
магниточувствительного блока в горизонтальной плоскости. П ри
определении углов вводятся поправки за счет изменения курса
сам олета. Усредненные зн ачен ия углов позволяю т вычислить по
величине [
] величины Я^ и Н ^ . Вычисление производится
132
счетно-решающим устройством. П огреш ность измерения у к а ­
занны х составляю щ их не превыш ает 120у.
С пециально разработанны е магнитометры д л я шхуны «Заря»
измеряли составляю щ ие Н^,
и угол О . Величина О опреде­
лял ась к а к угловая разность ги рокурса и магнитного курса.
Н а этой ж е ш хуне устанавливался магнитометр с маятниковой
стабилизацией феррозонда по верти кали , измеряющий соста­
вляю щ ую Я г, а такж е магнитометр содерж ащ ий гировертикаль
и систему автоматической ориентации в плоскости меридиана,
измеряю щ ий составляю щ ие Яг и Я ^ - Погреш ность измерения
составляю щ их не превыш ала ЮОу [19].
При проведении наземной геомагнитной съемки с остановками
на пунктах наблю дения измерение компонент поля, естественно,
может производиться с гораздо больш ей точностью. Н аиболее
точным прибором, используемым д л я этих целей, по-видимому,
следует считать магнитометр, описанны й в работе [18] (см. § 18).
Однако н а практике наибольшее распространение получили одно­
компонентные магнитометры, измеряю щ ие составляю щ ую
]28, 45, 8 7 ]. Подобные приборы не требую т какой-либо ориенти­
ровки на местности и потому сокращ аю т время наблюдения.
В Советском Союзе подобный прибор под индексом М-17 р а з ­
работан О К Б М инистерства геологии совместно с ИМА А Н
УССР. П ер вая серия приборов была изготовлена в 1960 г. за в о ­
дом «Геологоразведка»
М агнитометр состоит из двух блоков: магниточувствительного
и электронного, электрически соединяемых д руг с другом посред­
ством гибкого кабеля. М агнитометр переносится одним оп ерато­
ром. В пункте наблюдения оператор устанавливает магниточув­
ствительны й блок на поверхности земли и, отойдя от него на р ас­
стояние 2— 3 м (для того, чтобы исклю чить магнитное влияни е
электронного блока на магниточувствительны й), производит о т­
счет измеряемой величины по стрелочному прибору, располож ен­
ному на лицевой панели электронного блока (рис 47).
М агниточувствительный блок магнитометра содерж ит ф ерро­
зонд, м агнитная ось которого постоянно ориентируется по в ер ­
тикали с помощью м аятника, укрепленного в системе карданова
подвеса. Н а маятнике укреплены так ж е компенсационный м а­
гнит и система демпфирующих магнитов, перемещающ ихся при
колебаниях м аятника в непосредственной близости от неподвижно
закрепленной проводящей поверхности (тарелка из отож ж енной
меди).
К вадр ату р н ая составляю щ ая выходной э д с феррозонда,
возникаю щ ая из-за наличия неоднородного поля, создаваемого
компенсационным магнитом, устран яется за счет применения
узкой кату ш ки , несущей измерительную обмотку и перемещ ае­
мой вдоль продольной оси феррозонда [112, П'З]
Э лектронная схема магнитометра изображ ена на рис. 48.
Несмотря на то, что в схеме использовано всего б транзисторов,
133
Р и с. 4 7 . Р абочи й мом ент и зм ер ен и я приращ ений в ер ти к ал ьн ой
состав ля ю щ ей геом агни тного п ол я с помощ ью ф ер р о зо н д о в о го
м агн итом етр а М -17.
Р и с . 4 8 . П р ин ц ип и альн ая сх ем а ф ер р о зо н д о в о г о м агнитом етра М -17.
магнитометр обладает достаточно высокой чувствительностью
и точностью. Ш кала прибора имеет ± 5 0 делений, причем за счет
переклю чения сопротивлений, изменяю щ их глубину обратной
связи (в качестве обмотки обратной св язи используется измери­
тельная обмотка), цена деления м ож ет быть установлена 10,
50 и 200у. Предусмотрено расш ирение пределов измерения за
счет ступенчатой компенсации поля, осущ ествляемой вручную
с помощью аттеню атора, подключенного к общему источнику
питания. П ри этом в качестве обмотки компенсации использована
обмотка возбуж дения.
Погреш ность магнитометра при неизменной температуре не
превыш ает одного деления. В лияни е температуры (главным об­
разом на магниточувствительный блок) приводит к смещению
н уля не более 2у на 1°С .
По сравнению с механическими магнитометрами (см. § 4)
прибор обеспечивает высокую производительность и позволяет
работать на зы бких почвах (песках, болотах, снежных по­
кровах).
Н а базе магнитометра М-17 У ральским территориальны м гео­
логическим управлением создан трехкомпонентный шахтный м а­
гнитометр. И змерение компонент производится последовательно
с помощью одного феррозонда. О порная площ адка связан а с м а­
ятником, укрепленным в кардановом подвесе. Н а площ адке
имеются специальны е ограничители, фиксирующ ие вер ти кал ь­
ные и горизонтальны е полож ения феррозонда. В силу того что
м агнитная ось феррозонда, к ак п равило, не совпадает с его
геометрической осью (ошибка может достигать десятков у гл о­
вых минут), погрешность измерения компонент геомагнитного
поля с помощью такого прибора, по-видимому, весьма зн ачи ­
тельна.
Трехкомпонентный феррозондовый магнитометр для ск важ и н ­
ных исследований разработан во Всесоюзном институте техники
разведки М инистерства геологии. В приборе использованы одно­
стерж невы е феррозонды, установленные на специальной п ло­
щ адке, имеющей одну степень свободы (вращ ение вокруг п ро­
дольной оси скваж инного снаряда). Б л аго д ар я смещению центра
тяж ести ориентация площ адки постоянна относительно плоско­
сти н акл о н а скваж ины , причем м агнитная ось одного из ф ерро­
зондов зан и м ает горизонтальное полож ение. Измерения п роиз­
водятся компенсационным методом путем
последовательного
подклю чения измерительной цепи к каж дому из феррозондов (в
скваж инном сн аряде предусмотрено специальное коммутирующее
устройство). П орог чувствительности магнитометра составляет
п орядка ЗОу.
Весьма малогабаритны е феррозондовые магнитометры д л я
измерения приращ ений вертикальной составляю щ ей геомагнит­
ного п о ля, применяемые для пешеходной геомагнитной съемки
и скваж и нн ы х исследований, описаны в работе [191].
135
16. Измерители переменных полей
С помощью феррозондов можно измерять не только постоян­
ные, но и переменные магнитные поля.
Д опустим, что измеряемое внешнее поле изменяется во вре­
мени по синусоидальному зак о н у , т. е. Нд (/) = Н ^ а зШ й /,
где Нтп — амплитуда и О — частота этого поля.
В этом случае применительно к дифференциальным ф ерро­
зондам, работающим во второАг режиме (см. § 3), взамен (54)
можно записать:
В {/) + В
(/) =
2роЦд (/)
Нта
81П
(159)
Отсюда в соответствии с (2) получаем [18, 20 [:
е = ~
25 и .2Ро
= — 25*^21*0 X
X
=
X
Нта 51п О/
— 28Ш 2Р0 X
+ РдВНтаСОЗ О/
(160)
С равнивая выраж ение (55) с полученным, видим, что послед­
нее отличается наличием дополнительного члена, величина кото­
рого тем больше, чем выше частота О. При й = О вы раж ение (160)
переходит в (55).
С учетом вы раж ения (61) имеем:
с1 *
- Г =
—
2п(о
X I Р ап
п=1
2 л ю /.
(161)
П одставляя (61) и (161) в (160) и пренебрегая всеми со став л я­
ющими э. д. с., кроме второй гармоники, получаем:
Сд = 25щцдР2Нта [2© з1п О/ з1п 2©/ — О соз Й/ соз 2©/].
(162)
Очевидно, что при выполнении условия ю > й вторым членом
в ы раж ен и я (162) можно пренебречь. Выполнение этого условия
имеет место при измерении квазипостоянны х и медленно и з а г с няю щ ихся магнитных полей. П ри измерении быстро и з а ю н я ю щ ихся магнитных полей второй член вы раж ения (162) долж ен
приниматься во внимание.
П осле несложных тригонометрических преобразований вы ра­
ж ение (162) Аюжет быть приведено к виду:
Сз = ХШзРоЦзД тй [(2© — й ) соз (2© — й ) / —
(163)
— (2© + й ) соз (2© + й ) /].
И з этого вы раж ения следует, что амплитуды боковых частот
2ю — й и 2 © - ф й выходной э. д. с. феррозонда не равны одна
136
другой (рис. 49, а), что, однако, присущ е не только феррозондам,
но и другим индукционным п реобразователям [22, 162, 192].
В работе [162] справедливо отмечено, что информацию о пере­
менном поле несут именно эти боковые частоты. Следовательно,
при выделении полезной э. д. с. с помощью избирательного уси­
лителя полоса пропускания последнего долж на захваты вать
боковые частоты. Следствием неравенства амплитуд боковых
частот э. д. с. следует считать и появление квадратурной соста­
вляю щ ей
в суммарном колебании. с.)
П оявление квадратурной составляю щ ей
э. д. с. м ож ет быть иллю стрировано е
векторной диаграммой, изображ енной
на рис. 49, б. Н а этой диаграмме в ек ­
2ш
торы 2 и 5 суть векторы боковых час­
_1_
тот, вращ аю щ иеся с одинаковой у гл о­
вой скоростью й в противоположные
стороны относительно некоторого н а­
правления ОЫ, называемого синф аз­
ным. Т ак к а к модули векторов 2 я 5
не одинаковы , результирую щ ий в ек ­
тор 5 не совпадает с направлением О Н .
П роекция вектора 3 на ОН дает век­
тор 4, назы ваемы й синфазной составля- (2и)*Я)Ь О2(оЬ (/ш-Я)Ь
ющей выходной э. д. с.; проекция ж е
Р и с. 4 9. К вы явлению о с о ­
вектора 3 на направление, перпенди­ бен н остей и зм ер ен и я п е р е ­
к улярное О Н , дает вектор 1 назы вае­ менны х п о л е й т е ^помощ ью
мый квадратурн ой составляющей выход­ ф е р р о зо н д о в .-^ — сп ек тр вы ­
ход н ой э . д . с.; б — в ек т о р ­
ной э. д. с.
ная диагр ам м а, п оясн я ю щ ая
П ри измерении напряж енности пере­ в о зн и к н ов ен и е к вадр атур н ой
менных полей следует пользоваться
состав ля ю щ ей
вы ходной
э . д. с.
синфазной
составляющ ей
выходной
Э-. д. с., п оскольку квад ратурн ая со­
ставляю щ ая, к а к это следует из вы раж ений](160) и (162),’^(несет
информацию о первой производной от напряж енности |Измеряемого п оля по времени [18, 2 0 ] — см. § 17. П оскольку первы й’член
вы раж ен и я (160) по сущ еству совпадает с выражением (55), а
первый член (162) — с выраж ением (62), [то при выделении
синфазной составляю щ ей (осущ ествляемом, например, с помощью
синхронного детектора), чувствительность феррозонда будет оди­
накова к а к д л я постоянного, так и переменных магнитных полей,
что и подтверж дается на практике
’ В о т л и ч и е о т р ассм отр ен н ы х в § 6 и 7 к в ад р ат ур н ы х состав л я ю щ и х, о б у с ­
л о в л ен н ы х статич ески м и причинам и, д а н н а я к в а д р а т у р н а я составляю щ ая э. д. с.
н о си т ди н а м и ч еск и й х ар ак тер .
^ Н еи зм ен н о ст ь чувствительности ф ер р о зо н д а в д и а п а зо н е частот О— 4 0 0 гц
п р овер ен а А . П . Л ы сен к о и д р . [192]. П ри р а б о т е с вы сокочастотны м и ф ер р озон дам и
(2 / = 5 0 0 к г ц , см . § 9) автором совм естно с А . Ф . Я ковлевы м устан овл ен а н е и з­
м енн ость ч ув стви тельн ости ф ер р озон дов ого м агн итом етр а с п олосой Р = 15 к гц
149
137
в работе [192], исходя из реально достижимых порогов чув­
ствительности различного типа датчиков магнитного п оля, о р и ­
ентировочно очерчены границы применимости феррозондов д л я
измерения переменных полей. В этой работе, как и в более р ан ­
них работах [193— 195], справедливо отмечается, что по сравн е­
нию с пассивными индукционными датчиками применение ф ерро­
зондов наиболее эффективно в области низких частот (1 0 ” ®—
10® гц). Однако, учиты вая неизменность чувствительности ф ер­
розонда к переменным полям различны х частот, по нашему мнению,
верхний частотный предел мож ет быть увеличен до н ескольки х
килогерц, причем магнитометры с таким частотным диапазоном
будут продолж ать конкури ровать с пассивными индукционными
магнитометрами.
М ожно указать на следую щ ие полож ительные особенности
феррозоидовых магнитометров, предназначенны х д л я измерения
переменных полей:
1. И зм еряется напряж енность поля, а не первая п роизводная
от напряж енности по времени (пассивные индукционные датчики
измеряю т производную от напряж енности по времени, вследствие
чего их чувствительность яв л яется функцией от частоты изме­
ряемого поля).
2. З а счет модуляции, осущ ествляемой в феррозонде, усиление
си гн ала производится на значительно более высокой частоте,
чем частота измеряемого поля. Это приводит к упрощ ению схем
и конструкций избирательны х усилителей (фильтров), а так ж е
способствует минимизации фазовы х искажений при усилении
полезного сигнала.
3. М инимальные фазовые искаж ен и я повышают устойчивость
магнитометров и позволяю т, во всяком случае на низких частотах,
вводить отрицательную обратную связь по измеряемому полю
и, тем самым, стабилизировать чувствительность Агагнитометра
(в пассивных индукционных магнитометрах ввести отри ц ател ь­
ную обратную связь по полю, к а к правило, не удается).
4. Имеется р еальн ая возмож ность одновременного изм ере­
ния переменных полей на н ескольки х частотах, в том числе и на
нулевой частоте.
В первые схемы магнитометров переменных полей были пред­
лож ены д л я устройств, измеряю щ их магнитную восприимчи­
вость веществ [196— 198]. Ч увствительной системой этих устройств
сл у ж и т феррозонд, находящ ийся в непосредственной близости
и ж естко связанны й с катуш кой — источником переменного
п оля низкой частоты й . М еж ду катуш кой, питаемой от ген ера­
то р а низкой частоты, и феррозондоАц возбуждаемым переменным
полсАг более высокой частоты ©, устанавливалась определенная
в д и а п а зо н е О— 4 ,5 к гц . О ч ев и дн о, что д и а п а зо н частот и зм ер я ем ого п ол я м ож ет
бы ть р а сш и р ен за счет повы ш ения частоты / п оля в о зб у ж д е н и я , а т а к ж е з а счет
р а зр а б о т к и и зби рател ьн ы х уси л и т ел ей или ф ильтров с отн оси тел ьн о б о л е е ш и р о­
кой п ол осой п р оп уск ан и я .
138
электром агни тн ая связь, которая и зм енялась под воздействием
ферромагнитной или проводящ ей среды, окруж аю щ ей катуш ку.
По изменению этой электромагнитной связи и предлагалось
судить о свойствах вещества.
Н а рис. 50, а изображ ена некоторая обобщ енная схема подоб­
ных устройств. Х арактерны ми особенностями схемы являю тся:
наличие цепи обратной связи по постоянной составляющей н а п р я ­
женности измеряемого поля (элементы 7, 3, 1), что исклю чает
загр у зк у к а н а л а немодулированным сигналом второй гармоники,
и наличие дополнительного низкочастотного синхронного детек-
{Х Н Х
Т
т
НоН)
1Г
Р и с . 5 0 . Ф ер р о зо н д о в ы е и зм ери тели п ер ем ен н ы х п олей с синхронны м (а) и а с и н ­
хрон ны м (б) детек ти р ован и ем п о л езн о г о си гн ал а.
I — ф е р р о з о н д ; 2 — к а т у ш к а (и с то ч н и к п е р е м е н н о г о п о л я ) ; 3 — ф и л ь т р н и ж н и х ча стот )
4 — и з б и р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь (с поло со й п р о п у с к а н и я П > 2 й ) ; 5 — ге н е р а т о р ча стот ы со;
6 — г е н е р а т о р н и з к о й час тот ы й ; 7 — м и к р о а м п е р м е т р ; 8 — с и н х р о н н ы й де т ек то р; 9 —
ф и л ь т р в е р х н и х ча стот ; 10 — н и з к о ч а с т о т н ы й с и н х р о н н ы й де т ек тор: ! 1 — в о л ь т м е т р
( р е г и с т р и р у ю щ и й п р и б о р ) ; 12 — п е р е с т р а и в а е м ы й г е н е р а т о р н и з к о й час тот ы (г ет е роди н);
13 — а с и н х р о н н ы й детек то р.
тора, обеспечиваю щего оптимальную фильтрацию по полезному
си гн алу низкой частоты (элемент 10).
С различны м и дополнениями эта схема может быть использо­
вана д л я частотного зондирования при геофизической разведке,
д л я исследования магнитной восприимчивости и электропровод­
ности пород в скваж и нах и ш урф ах, д л я обнаруж ения м еталли­
ческих предметов негеологического происхож дения, для контроля
углового полож ения некоторых тел относительно векторов по­
стоянного и переменного поля (см. § 18), для измерения оста­
точной намагниченности горных пород в устройствах типа
рок-генераторов, где переменное магнитное возмущение обуславли ­
вается вращ ением образца [199], д л я измерения быстрых м еха­
нических колебаний, например, в сейсморазведке, когда важ н о
определить не только скорость или ускорение, но и ам плитуду
колебаний [200, 201], для счета, кон троля и разбраковки п ро­
мыш ленных деталей и т. д.
П о ско л ьк у в описанной схеме (рис. 50, а) использую тся д ва
синхронны х (когерентных) детектора, она обладает высокой
помехоустойчивостью. В то ж е врем я в соответствии с и злож ен ­
ным в § 6 (см. табл. 3) для переменных полей схема имеет порог
139
чувствительности на 2—3 п о р яд ка ниж е, чем для постоянных
или медленно изменяю щ ихся полей. Одновременное измерение
последних при необходимости мож ет быть осущ ествлено за счет
микроамперметра (элемент 7), вклю ченного в цепь обратной связи .
Н а рис. 50, б изображ ена схема магнитометра, п ред н азн а­
ченного д л я измерения переменных полей, создаваемых внеш ­
ними источниками электромагнитного возмущ ения. Эта схема
отличается от рассмотренной выше наличием асинхронного детек­
тора 13 и перестраиваемого по частоте низкочастотного ген ера­
тора-гетеродина 12. П ри совпадении частоты измеряемого поля
с частотой гетеродина асинхронны й детектор выдает м акси ­
мальное выходное нап ряж ени е, которое и подлежит регистрации.
Н есм отря на отсутствие когерентности между источником внеш ­
него электромагнитного возмущ ения и гетеродином, при больш ой
постоянной времени интегрирую щ его звена асинхронного д етек­
то р а в подобных схемах так ж е достигается вы сокая и зби ратель­
ность [16, 202]. Если частоты измерясАшх полей заранее известны
(такой случай имеет место, наприм ер, при проведении электроразведочны х работ), то гетеродин может переклю чаться на ф икси­
рованны е частоты. Если ж е составляю щ ие спектра измеряемого
п оля носят случайный х ар ак тер , выделение их производится
путем плавной перестройки гетеродина (процесс мож ет быть
автоматизирован). Очевидно, что магнитометр в этом случае
вы полняет функцию ан ал и затора спектра измеряемого поля.
М агнитометры подобного ти п а м огут быть использованы д л я
изучения электро.магнитных возмущ ений самой разнообразной
природы, например, обусловленны х ионосферными явлен и ям и .
В заклю чение отметим, что в рассмотренных схемах могут
быть применены феррозонды, работаю щ ие не только во втором,
но и в первом режиме. П ричем недостатки последних, отмечен­
ные в § 1, 3, 6, в случае изм ерения переменных полей о к азы ­
ваю тся несущественными, п оскол ьку напряж ение помехи легко
отфильтровы вается (с помощью элементов 3 и 9) от полезного
си гн ал а. Подставив
(/) =
з]п й / в вы раж ение (51),
получим:
в '{/) + в" (/) =
ро ^
[соз (© -
Й) / - соз (© + Й ) /] . (164)
Отсюда полезная вы ходная э. д. с. феррозонда, работаю щ его
в первом режиме, в соответствии с (2) будет
е = ЗЩРо
НтшНта [М — й ] 31П (0 — й ) / —
— (ю + й ) з1п (ш + й ) /],
(165)
т. е. амплитуды боковых частот не равны одна другой, сравним
с выраж ением (163). В ряде случаев ввиду экономичности ф ерро­
зондов этого типа применение их д л я целей измерения перемен­
ны х полей может оказаться весьм а целесообразным.
140
П ри измерении переменных полей с помощью магнитометров
с частотным выходом (рис. 19, а) последние долж ны быть снаб­
жены частотными дискриминаторами [203— 205] и дополнитель­
ными низкочастотными синхронными или асинхронными детек­
торами.
17. Измерители первой производной
от напряженности поля по времени
Н а первый в згл яд постановка задачи об измерении первой про­
изводной от напряж енности магнитного поля по времени с по­
мощью ф еррозондов может п оказаться излиш ней, поскольку д л я
этой цели могут быть использованы обычные пассивные и ндук­
ционные датчики.
Д ействительно, в работе [206] описана установка д л я изм е­
рения д ву х ортогональны х компонент вариаций геомагнитного
поля, в которой использованы пассивны е индукционные датчики.
О днако трудность в этом случае заклю чается не только в дости­
ж ении необходимой чувствительности датчиков, но и в д ал ьн ей ­
шем усилении вырабатываемых ими сигналов. Очевидно, что
усилители с гальванической связью (усилители постоянного тока)
д л я этой цели непригодны, так к а к собственный дрейф и ф л у к ­
туации н у л я таких усилителей могут значительно превысить
уровень полезного сигнала, вы рабаты ваемого датчиком. Поэтому
пассивные датчики целесообразно соп рягать с усилительными
устройствами, собранными по схеме: модулятор — усилитель
переменного т о к а — демодулятор [207].
Если учесть, что феррозонды лю бого типа являю тся м одуля­
торами (см. § 16), то целесообразность их использования д л я
измерения первой производной от напряж енности магнитного
поля по времени, во всяком случае в инфранизкочастотном д и а ­
пазоне, становится очевидной.
Т ахогенераторн ая п риставка к феррозондовому магнитоме­
тру, позволяю щ ая получить информацию о первой производной
по времени, описана в работе [208].
В озможно так ж е построение специальны х операционных ’
феррозондовых магнитометров, пригодных д л я измерения первой
производной по времени. Ф ун кц и он ал ьн ая схема подобного
магнитометра изображ ена на рис. 51, а. Е е отличие от ранее
описанных схем состоит в том, что в цепь отрицательной обратной
связи введено инерционное звено 2. В качестве инерционного звена
в ряде случаев может быть использована интегрирую щ ая 7?С-цепь.
П ри этом в определенном частотном диапазоне благодаря конеч­
ности коэффициента прямого п реобразован ия в цепи обратного
’ Т ерм и н «операционны й м агнитометр» в в ед ен по ан алогии с « оп ер ац и он ­
ными уси л и т ел я м и » , р еал изую щ им и тот или иной о п ер атор п р еоб р а зо в а н и я
141
преобразования вместо оп ератора интегрирования практически
реали зуется оператор инерционного звена [209]. Эпюры, и зобра­
женны е на рис. 51, б, поясняю т принцип работы подобного изме­
рительного устройства. В момент вклю чения им пульса поля
прям оугольной формы цепь обратной связи закорочена конденса­
тором С, поэтому выходное н ап ряж ен и е полностью поступает на
регистрирую щ ий прибор. По мере зар я д а конденсатора ток об­
ратной связи попадает в обмотку феррозонда, и выходное н а п р я ­
жение падает до нуля (этому способствует такж е фильтр верхн их
частот, задерж иваю щ ий постоянную составляющ ую, которая
благодаря статизму системы присутствует на выходе синхронного
5)
Нп
ш
и.ш
I
Р и с . 5 1 . Ф ер р озон довы й и зм ер и т ел ь п ер в ой п роизв одн ой (а) и эп ю р ы , п о я с н я ю ­
щ ие его п р ин ц ип дей стви я (б).
1 — ф е р р о зо н д ; 2 — и н е р ц и о н н о е зв ен о, в к л ю ч е н н о е в ц е п ь обра т ной с в я з и ; 3 — и з б и ­
р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь ; 4 — ге н е р а т о р ча с т о ты со; 5 — с и н х р о н н ы й де т е к т о р ; 6 — в о л ь т ­
метр ( р е г и с т р и р у ю щ и й п р и б о р ) ; 7 — ф и л ь т р в е р х н и х частот.
детектора, и наличие достаточно глубокой обратной связи).
В момент выклю чения поля на выходе измерителя п о яв л яется
им пульс нап ряж ени я противополож ной полярности. Он обусло­
влен зарядом конденсатора С. По мере разряда конденсатора ток
в цепи обмотки обратной связи убывает и выходное н ап ряж ени е
вновь падает до н уля. Очевидно, что реализуем ая на выходе изме­
р и тел я ф ункция Пвых (/) в первом приближении соответствует
функции ^
(/).
Д р у г а я схема измерителя первой производной от н ап р я ж е н ­
ности поля по времени может быть построена на базе вы деления
квадратурной составляющ ей выходной э. д. с. ф еррозонда, о воз­
никновении которой говорилось в § 16, см. вы раж ения (160),
(162) и рис. 49, б.
Д ействительно, вы раж ение (162) можно представить в виде
[192]:
02 = Есин 81П Й/ з1п 2а>/ — Екв соз й / соз 2ю/,
где
Есин =
Екв
142
4сО Ш 2Р оР2Н та,
== 2Й5Ш2Р„РзЯшй,
(166)
— амплитуды синфазной и квадратурной составляю щ их э. д. с.
соответственно.
Из (166) следует, что амплитуда синфазной составляю щ ей
пропорциональна частоте ю поля возбуж дения, тогда как ам пли­
туда к в а д р а т у р н о й — частоте Й измеряемого поля. Если ( о > й , то
и Е с и н > ■Ё'кв. что приводит К извсстным трудностям выделения слабого
сигнала (несущего информацию о ^
г Ш
первой производной по времени) на
фоне значительно большей по вели ­
чине помехи (в данном случае н есу­
щей информацию о величине самого
—[А
поля). О днако, поскольку амплитуда
А в не зави си т от частоты со поля
Р и с . 52.
И зм ер и тел ь первой
п р о и зв од н ой по врем ен и, о с н о ­
возбуж дения, последняя может быть
на вы делении к в а д р а т у р ­
вы брана достаточно низкой. Н а п р и ­ ванный
ной состав ля ю щ ей второй г а р ­
мер, при измерении первой производ­ м оники в ы ходного н а п р я ж е н и я
ной по времени в диапазоне частот
ф ер р озон да.
Ра = 0 ,01.= 0 ,5 гц частоту / ± ш/2л,
I — ф е р р о зо н д ,
2 — избиратель­
ны й у с и л и т е л ь , 3 — ге н е р а т о р ч а с ­
поля возбуж дения можно взять р а в ­ тоты
;
4 — син ф а зн ы й
д е т ек то р ;
5 — квадратурны й фазочувствительной 5 гц (создание избирательного
иы й ус и л и т е л ь , или к в а д р а т у р н ы й
/?С -усилителя на частоту 2/ = 10 гц де т е к т о р ;
6 — фазовращательная
ц е п ь , 7 — во л ь тм ет р ( р е г и с т р и р у ю ­
не представляет особых технических
щи й прибор).
трудностей). Одновременно в связи
с понижением рабочей частоты мож но резко увеличить количе­
ство витков вторичной обмотки феррозонда. В измерителе
целесообразно использовать ф азочувствительное усиление, а
так ж е ввести отрицательную обратную связь по нап ряж енн о­
сти поля, см. функциональную схему, изображ енную на рис. 52.
В работе [210] предложено использовать обе описанные схемы
(рис. 51 и 52) одновременно и, с целью повыш ения точности изме­
рения, перемнож ить выходные сигналы между собой.
18. Измерители угловых величин
К ак отмечалось в § 1 и 7, свойство направленности ф еррозон­
дов позволяет использовать их д л я измерения угловых величин.
Почти ср азу ж е после изобретения феррозондов имели место
попытки использования феррозондов д л я построения дистанцион­
ных магнитны х компасов.
П ри построении дистанционных феррозондовых компасов воз­
никаю т две основные задачи; стаби ли зац ия горизонтальной
площ адки, н а которой устанавливаю тся один или несколько
феррозондов (иначе при кренах платформы, на которой устан а­
вливается ком пас, появляется ош ибка, обусловленная действием
вертикальной составляю щ ей геомагнитного поля), и обеспечение
дистанционной передачи информации об измеряемых угловы х
величинах.
143
П ер вая задача обычно реш ается путем использования демп­
ф ированны х маятников и гиросистем [32, 72, 74, 82, 211],
т. е. с помощью тех ж е средств, которые применяются при изме­
рении компонент геомагнитного поля в движении 1130, 190].
В торая задача может быть реш ена различными способами.
В работе [72] предлож ено на горизонтальной площ адке, стаби ли ­
зированной маятником, разм ещ ать два феррозонда так , чтобы их
магнитные оси оказали сь взаимно перпендикулярны ми. П ри
этом непосредственно изм еряю тся компоненты Я^. и Ну, ж естко
связан ны е с платформой. С феррозондов информация передается
по кабелю на измерительный пульт. В результате измерений
м огут быть вычислены н ап равляю щ и е косинусы:
ун1+ н1
(167)
СОЗ 6 =
-ту- =
^
где а и р — углы между соответствующими магнитными осями
феррозондов и горизонтальной составляющ ей Н я геомагнитного
п оля. З н а я направляю щ ие косинусы , можно определить угловое
п олож ение платформы относительно н аправления вектора НяВ работах [74, 154, 211] описана система, состоящ ая из трех
феррозондов, магнитные оси которы х располож ены тр еу го л ь ­
ником с внутренними углами в 60°. Такое располож ение ф ерро­
зондов так ж е позволяет передавать информацию по кабелю .
Н едостаток системы заклю чается в применении трех феррозондов,
требую щ их весьма точной взаимной ориентировки и строгой иден­
тичности их параметров. В подобного рода системах мож ет о к а ­
зать ся целесообразнее применение кольцевы х феррозондов (см.
§ 9, рис. 33, б). Н аиболее точной системой дистанционного ком­
п аса, по-видимому, следует считать следящ ую, в которой в каче­
стве датчика утла рассогласован и я используется один феррозонд.
П одобные системы описаны в работах [211, 212]. Заметим, что
в работе [211] приведена схема феррозонда, диаграм м а н а п р а ­
вленности которого имеет слож ны й характер и в свете излож ен ­
ного в § 7 не может быть рекомендована д л я высокоточных
измерений. В этом отношении применение дифф еренциальных
стерж невы х феррозондов [212] более перспективно. В следящ их си ­
стемах передача информации об угловы х величинах обычно обеспе­
чивается с помощью сельсинной или потенциометрической связи .
Преимущ ество следящ их феррозоидовых систем д л я измерения
угловы х величин заклю чается в том, что к феррозондам и уси ли ­
тельно-преобразовательны м схемам в этом случае не п ред ъяв­
л яется ж естких требований в части постоянства чувствительности
и коэффициента передачи. К ак отмечалось, следящ ие системы
были использованы в аэромагнитом етрах. Однако в магнитоме­
144
трической ап п аратуре, установленной на третьем советском
искусственном спутнике Земли, феррозондовые следящ ие системы
были использованы не только д л я ориентации измерительного
феррозонда по вектору геомагнитного поля (с целью измерения
скал яр н о й величины), но и д л я кон троля углового полож ения
самого сп утн ика относительно этого вектора. Д л я снятия инфор­
мации об угловом положении спутника в ап п аратуре были исполь­
зованы потенциометры, подвижные контакты которых через
редуктор связы вали сь с системой следящ его привода [131].
Проведенным экспериментом было полож ено начало определению
углового полож ения космических ап п аратов относительно в ек ­
тора геомагнитного поля, величина и нап равлен ие которого в к а ж ­
дой точке орбиты могут быть заран ее рассчитаны [28, 132, 133,
135, 213].
Бы ли предлож ены такж е феррозондовые системы ориентации
платформ по направлению вектора магнитного поля. О тличие
их от систем ориентации, используемы х в аэромагнитометрах
(см. § 15), заклю чается в том, что исполнительны е двигатели
устанавливаю тся на той же платформе, что и феррозонды, так ,
что взаимное располож ение ф еррозондов и двигателей остается
неизменным [214, 215]. В системе ориентации, описанной в р а ­
боте [215], использую тся одностержневы е феррозонды и способ
временного выделения полезного си гн ал а (см. § 13) [177, 216].
В качестве исполнительных двигателей в системе применены
контуры с током, взаимодействую щ ие с геомагнитным полем.
Во избеж ание влияни я магнитного поля контуров на феррозонды
последние вклю чаю тся в измерительную цепь в моменты, когда
ток в упом януты х контурах отсутствует (способ временного р а з ­
деления процесса измерения и отработки).
К ак известно, магнитные системы кон троля углового полож е­
ния платформ не дают полных сведений об их ориентации в какойлибо заданной точке п ростран ства’ . Д л я получения таких све­
дений необходимо опираться не на один, а на два ф изических
вектора, пространственное располож ени е которы х в заданной
системе координат заранее известно. Н и ж е описывается одна
из возмож ны х систем контроля подобного типа — феррозондовый
инклинометр.
Прибор предназначен для измерения зенитного и ази м уталь­
ного углов, характеризую щ их искривление пробуриваемых с к в а ­
жин (геологоразведочного или иного назначения), куда он о п у ­
скается на специальном кабеле-тросе.
К онструкц ия чувствительной системы прибора ® схематически
и зображ ен а на рис. 53, а, а его ф ун кц ион альн ая схема — на
рис. 53, б.
’ П ри п о л у ч ен и и непреры вной ин(|ю рм ации с д атчик ов магнитной си стем ы
к о н т р о л я , у ст а н о в л ен н о й на д в и ж у щ ей ся п л атф ор м е, м ож н о получи ть п олн ы е
или б л и зк и е к полны м св еден ия о б и зм ен ен и я х ор и ен тац и и платформы [ 1 3 2 ] .
® П р и б о р р а зр а б о т а н автором сов м естн о с Л . И . Ч ебан ом .
10
ю . в . Афа н а с ь е в
145
Ч увствительная система состоит из двух феррозондов, уста­
новленных на площ адке взаимно перпендикулярно д руг к д ругу.
П лощ адка располож ена в центре колец Гельмгольца на кардановом подвесе. С табилизация площ адки в горизонтальном поло­
ж ении осущ ествляется с помощью кгаятника (с площ адкой ж естко
связан вертикальны й штырь с грузом). К ольца Гельм гольца
ж естко связаны с корпусом чувствительной системы прибора.
К огда продольная ось ММ. корп уса совпадает с вертикалью .
Р и с . 5 3 . Ч увстви тел ьн ая систем а (а) и ф ун к ц и он ал ьн ая схем а (б) ф е р р о зо н д о ­
в ого и н к л и н ом етр а.
I — к о л ь ц а Г е л ь м г о л ь ц а : 2, 3 — ф е р р о з о н д ы : 4, 16, 18 ~ во л ь тм ет р ы ; 5 — г е н е р а т о р
н и з к о й ча стоты
6, 9 — ф и л ь т р ы н и ж н и х часто т; 7, 10 ~ и з б и р а т е л ь н ы е у с и л и т е л и ,
н а с т р о е н н ы е на ч а с т о т у 2о), 8, П — г е н е р а т о р ча с т оты со; 12, 13 — м и к р о а м п е р м е т р ы ;
14, 15 — с и н х р о н н ы е д е т ек тор ы ; 17, 19 — н и зк о ч а с т о т н ы е с и н х р о н н ы е д е т е к т о р ы .
ось колец Гельмгольца оказы вается перпендикулярной м агнит­
ным осям феррозондов, установленны х на площ адке.
К кольцам Гельмгольца (клеммы сд) подводится переменный
ток низкой частоты й , создающ ий переменное поле, вектор кото­
рого Н~ направлен вдоль оси колец. Если ось М М корп уса от­
клонена от вертикали, то на феррозонды действует не только
постоянное геомагнитное поле Н^, но и упомянутое переменное
поле Н~. Ф ункциональная схема (рис. 53, б) предусм атривает
раздельное измерение постоянных и переменных составляю щ их
этих полей (см. § 16), а именно: Н / , Н / и Н / , Щ , где индексы х
и у относятся к соответствующим феррозондам, а так ж е изм ере­
ние модуля ] Н~ I переменного поля (например, путем кон троля
выходного нап ряж ени я ген ератора, питающего кол ьц а Г ельм ­
гольца). По измереннььм значениям вычисляются зенитны й 0
и азимутальны й а углы, характеризую щ ие искривление ск в а ­
ж ины в месте нахож дения чувствительной системы приборов.
146
Н а рис. 54 приведена векторная диаграм м а, поясняю щ ая вы ­
вод расчетны х формул. Н а этой диаграм м е оси х и у совпадаю т
с магнитными осями феррозондов, ось 2 н ап равлен а по вертикали.
Вектор Н я — горизонтальная составляю щ ая геомагнитного поля,
составляю щ ие Н / и Н / — проекции этого вектора на соответ­
ствующие оси. Вектор Н я — гори зон тальн ая составляю щ ая п оля,
создаваемого кольцами Гельмгольца; составляю щ ие Нх ^ Ну —
проекции вектора на те ж е оси. У гол 0 есть угол между векто­
ром Н~ и осью 2 . Угол а есть угол меж ду векторами Н я и Нй2
Из векторной диаграммы следует;
/{ « :? + { « 7 ?
н~
0 = а г с з ш -^
а = агс1д
Н/Н--Н/Н'
------Н/Н~ + Н/Ну
(168)
(169)
У гол а явл яется магнитным ази м у­
том. Это означает, что инклинометрическим работам в скваж ине долж ны
предш ествовать наземные наблю дения,
Р и с . 54.
В ек тор н ая д и а ­
связанны е с определением н ап равлен ия
грам ма.
вектора Н я (магнитного меридиана).
Эти наблю дения могут быть выполнены, например, с помощью
буссо,ли или самой чувствительной системы прибора, если на
внешней поверхности корпуса нанесены риски, соответствующ ие
направлению магнитной оси хотя бы одного из феррозондов.
П олучение полных сведений об ориентации чувствительной
системы прибора достигнуто в д ан н ом случае за счет привязки
к двум физическим векторам — вектору геомагнитного поля
й вектору гравитационного поля §. У гловы е перемещения к о р ­
пуса прибора относительно вектора д (вертикали) преобразовы ­
ваю тся в нем в сигналы переменного поля, которые и у л ав л и ­
ваю тся феррозондами одновременно с сигналам и, вызываемыми
вращ ательны ми перемещениями в постоянном геомагнитном поле.
Очевидно, что способ п реоб разован и я угловы х перемещений
в дополнительное переменное поле может быть использован
и в тех сл у ч ая х , когда вторым опорны м направлением служ и т
не вектор §, а какой-либо иной физический вектор или орт, н а­
пример, нап равлен ие на Солнце.
Необходимым общим условием работоспособности и обеспе­
чения заданной точности подобных систем кон троля углового
полож ения платформ является отсутствие коллинеарности о п о р ­
ных векторов, т. е. направления опорны х векторов не долж ны
быть п араллельны м и . Н аиболее вы сокая точность контроля
углового полож ения платформ достигается, когд а опорные в ек ­
торы ортогональны .
10*
147
Ф еррозондовые измерители угловы х величин могут с успехом
использоваться и при наземной геомагнитной съемке.
О ригинальны й прибор для измерения двух углов — м агнит­
ного склонения В и н аклонения I, а такж е для измерения модуля
вектора Н.^ геомагнитного п оля описан в работе [18].
Напомним определения. Элементы земного магнетизма п ри ­
нято вы раж ать в прямоугольной системе координат х, у, г, где
ось X горизонтальна и н ап равл ен а в сторону северного географ и­
ческого полюса, ось у так ж е горизонтальна и н ап равл ен а на
восток и, наконец, ось 2 верти кал ьн а и направлена вниз (рис. 55).
X
Если составляю щ ие Н^, Ну и
определены, то
тем самым однозначно определен и вектор НтОчевидно так ж е, что вектор Нт может быть одно­
значно определен, если известны углы О и I,
а такж е измерен модуль этого вектора. И зм ере­
ние углов О и 1, а такж е модуля геомагнитного
поля можно произвести с помощью одного ф ер­
розонда путе.м последовательных операций, п ре­
дусматриваю щ их повороты его магнитной оси
в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Прибор состоит из теодолитного стола с укреп ­
ленным на нем телескопом, способным изменять
направление своей продольной оси на 360° в
Р и с . 55. К о п р е д ел ен и ю эл ем ен ­
горизонтальной и вертикальной плоскостях. Стол
тов зем н о г о м а г ­
и телескоп изготовлены из немагнитных м атериа­
н ети зм а.
лов. Н епосредственно на телескопе установлен
феррозонд стерж невого типа. М агнитная ось ф ер­
розонда параллельна оптической оси телескопа. С феррозондом
посредством кабеля связан п у л ьт управления (в момент наблю ­
дений п ульт относится на расстояние около 9 л от теодолит­
ного стола), содержащий усилительно-преобразовательную схему
(выделение полезного си гн ала производится по способу второй
гарм оники), микроамперметр, выполняю щ ий роль н у ль-и н д и ка­
тора, и портативный потенциометр с нормальным элементом,
используемый для измерения силы тока, протекающего в катуш ке
(обмотке) компенсации феррозонда, при определении величины
геомагнитного поля [18 .
Д л я измерения угла В стол выравниваю т по уровням и теле­
скоп вращ аю т в горизонтальной плоскости до тех пор, пока
стр ел ка микроамперметра не установится на нуле. В момент у ста­
новки стрелки на нуль производят отсчет по измерительному
к р у гу . Затем телескоп вращ аю т в обратном направлении, и в мо­
мент установки стрелки м икроамперметра на н уль вновь п р о и з­
водят отсчет по горизонтальному к р у гу . Затем телескоп п овора­
чиваю т на 180° вокруг горизонтальной оси и повторяю т те ж е
операции. Среднее из четырех отсчетов по горизонтальном у
к р у гу позволяет определить направление магнитного м еридиана
(вектора Н„). Очевидно, что при такой методике измерения устр а­
148
няю тся погреш ности на неточную установку феррозонда отно­
сительно осей теодолита, а так ж е на смещенный нуль феррозонда
или усилительно-преобразовательной схемы. Н аправление н а
географический север получаю т при помощи астрономических
наблю дений с тем ж е теодолитом и телескопом. У гол меж ду
магнитным и географическим меридианом и есть угол О.
Д л я измерения угла / телескоп устанавливается в н ап р ав л е­
нии магнитного меридиана и затем поворачиваю т вокруг горизон­
тальной оси до тех пор, пока стрелка микроамперметра не у ста­
новится н а нуле.
Среднее из четырех отсчетов ^по вертикальном у к ругу п о лу ­
чают, вр ащ ая телескоп в обратном н ап равлении, а такж е пово­
р ачи вая теодолит на 180° в азимуте.
П осле того к ак углы П и / определены, т. е. известно н ап р а­
вление вектора Нт, телескоп устанавли ваю т вдоль этого н ап р а­
вления. П ри этом, как было показано в § 15, не требуется высо­
кой точности установки. С помощью потенциометра изм еряется
ток, протекаю щ ий в катуш ке (обмотке) компенсации феррозонда.
Момент компенсации поля в объеме ф еррозонда устанавливается
так ж е по микроамперметру.
П огреш ность за смещенный н у ль устраняется повторением
наблю дений с перевернутым (на 180° вокруг горизонтальной
оси) телескопом [18, 183].
Д л я наземной магнитной съемки приборы подобного типа,
по-видимому, являю тся наиболее перспективными. По сравн е­
нию с приборам и, измеряющими приращ ения вертикальной соста­
вляю щ ей геомагнитного поля (см. § 15), они обеспечивают п олу­
чение больш ей информации о хар актер е магнитного рельефа,
услож ненного локальными аномалиям и геологического или иного
происхож дения. С метрологической точки зрен и я подобные п ри ­
боры так ж е выгодно отличаю тся от компонентных. Феррозондовые
'изм ерители угловы х величин явл яю тся абсолютными прибо­
рами 128], вследствие чего они не н уж даю тся в градуировке и
их П оказания не отягощ ены м ультипликативны м и погрешностями.
Ч то касается измерения модуля вектора Н,, то в этом случае
прибор становится относительным. О днако при наличии ядернопрецессионных магнитометров [136, 137], которые являю тся
абсолютными измерителями м одуля | Н, |, феррозондовые м агн и ­
тометры у казан ного типа могут еж едневно поверяться на кон троль­
ной точке, вследствие чего систематические погрешности за д л и ­
тельный период времени, указан ны е в [18], могут быть у стр а­
нены.
П арам етры высокочувствительного магнитометра, описанного
в § 14, вполне позволяю т использовать его д л я измерения углов О
и / с погрешностью, не превыш ающей 20— 30 угловых секунд.
С пециально сконструированный ф еррозонд, в свете излож енного
в § 7 и 9, позволит уменьшить эту погреш ность до нескольких
угловы х секунд.
149
19. Измерители неоднородности поля
Почти сразу ж е после изобретения феррозондов они были
использованы и д л я измерения неоднородностей магнитного
поля [4, 10, 48].
Обычный дифференциальный феррозонд (см. рис. 1) мож ет
быть использован для измерения неоднородности поля, если
в измерительную обмотку подать переменный ток возбуж дения,
а обмотку возбуж дения использовать
как выходную. Очевидно, что когда
поле однородно, на два п арал л ел ьн о
располож енны х сердечника действую т
одинаковы е значения напряж енности
поля и вы ходная э. д. с., снимаемая с
двух последовательно и встречно в к л ю ­
ченных обмоток, равн а нулю. Геомаг­
нитное поле на протяж ении определен­
ного расстоян и я, в частности на р а с ­
стоянии Р между двумя сердечниками
ф еррозонда, практически однородно.
О днако, если в непосредственной бли­
зости от феррозонда с указанны м вкл ю ­
чением обмоток располож ить какое-либо
ферром агнитное тело, то однородность
сум марного поля наруш ается. В этом
случае на два п араллельно расп ол о­
ж енны х сердечника будут действовать
неодинаковы е значения напряж енности
п оля, вследствие чего в выходной об­
мотке появится э. д. с., пропорц и о­
н ал ьн ая разности указанны х значений
Р и с . 56. Ф ер р озон ды д л я и з ­
(рис. 56, а).
м ер ен и я н еод н ор од н ости м аг­
Д л я измерения (обнаруж ения) ло­
нитн ого поля.
кальн ы х неоднородностей поля, вызы ­
ваемых трещ инами и другими и зъянам и в изделиях из ферром аг­
нитны х м атериалов, н аравн е с обычной конструкцией (рис. 56,а)
могут быть использованы феррозонды специального типа (рис. 56,6)
[15, 154, 217, 218]. Феррозонды типа изображенного на рис. 56, б
могут быть использованы так ж е в качестве воспроизводящ их
головок магнитной записи. О тличие таких головок от ш ироко
применяемых индукционных головок заклю чается в том, что
чувствительность первых не зави си т от скорости движ ения м агнит­
ной ленты и позволяет воспроизводить сигналы инфранизкочастотного диапазона [219, 220].
В работах [201, 221] неоднородность поля в заданном н а п р а ­
влении предлож ено измерять с помощью одностержневых ф ерро­
зондов (рис. 56, в).
150
Ф еррозонды, измеряющие неоднородность поля, назы ваю т
градиентометрическими феррозондами, а приборы с подобными
чувствительными системами — феррозондовыми градиентометрами.
П оскольку э. д. с. на выходе чувствительной системы градиен­
тометра пропорциональна разности полей
= О2 (Яо — Но)
в двух точках пространства, находящ егося на расстоянии Ь
друг от д р у га (база градиентометра), то при значительном у д а­
лении искомого источника магнитного возмущ ения выгодно выби­
рать базу Ь возможно большей. Подобный случай имеет место
ю
а)
У
Д ______
X
Р и с . 5 7 . К оц енк е вли яни я о д н о р о д н о го геом агни тного п оля на
ч у в ств и тел ьн ую си стем у ф е р р о зо н д о в о г о гради ен том етр а.
1 , 2 — с ерд еч ни ки ( м а г н и т н ы е оси) ф е р р о зо н д о в .
"при проведении наземных и скваж и нн ы х магниторазведочных
работ, а так ж е при поиске объектов негеологического п роисхо­
ж дения. Н аиболее простой чувствительной системой при этом
явл яется изображ енная на рис. 57, а.
Система содерж ит два одностерж невы х феррозонда, р азн е­
сенных д руг от друга на расстояние Е, причем так , чтобы их
магнитные оси оказались по возможности параллельны ми д р у г
другу. Обмотки возбуж дения при этом вклю чаю тся так, что
переменные магнитные потоки в сердечниках в каждый момент
времени совпадаю т по направлению . Измерительные (вторичные)
обмотки вклю чаю тся встречно.* Е сли магнитное поле, действу­
* В с т р еч н о е в клю чен ие и зм ер и тельн ы х обм о т о к не является обя зател ьн ы м
у сл о в и ем . В р а б о т е [2 2 2 ] п о к азан о, что при н али чии сдв ига фаз м еж д у токам и
в о з б у ж д е н и я , п ротекаю щ им и в к аж д ом ф е р р о зо н д е , м ож н о и спол ьзов ать и с о ­
гл а сн о е в к л ю ч ен и е изм ери тельн ы х обм от ок . П р и этом бл агод ар я ф азовой р асф и л ьтр овк е в ы х о д н о й э . д. с. п ояв л яется в о зм о ж н о с т ь одн ов р ем ен н ого и зм е р е ­
ния ср ед н ей н а п р я ж ен н ост и п оля и его н ео д н о р о д н о ст и в направлен и и Е.
Ш1
ющее в направлении базы I , неоднородно, то в выходной цепи
системы появляется э. д. с , п ропорциональная разности полей,
измеряемы х каждым феррозондом в отдельности. И зм еняя поло­
ж ение самих феррозондов и всей системы в пространстве, мож но
найти направление наибольш ей неоднородности поля и в ряде
случаев по результатам наблю дений в нескольких точках п ро­
странства определить пеленг н а источник магнитного возм ущ е­
ния [223].
Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при
проектировании градиентометров подобного типа, явл яется про­
блема соосности магнитных осей феррозондов.
Д ел о в том, что при проведении измерений в геомагнитном
поле несоосность (непараллельность) магнитных осей ф еррозонда
градиентометра приводит к возникновению лож ного выходного
си гн ала, имитирующего наличие неоднородности поля, когда
в действительности поле однородно.
Обычно феррозонды располагаю т на концах ш танги. П ри
этом несоосность магнитных осей феррозондов может быть обу­
словлена к ак неточностью их установки, так и прогибом самой
ш танги.
Рассмотрим влияние однородного поля на чувствительную
систему градиентометра при наличии несоосности м агнитны х
осей феррозондов Д л я этого мысленно перенесем феррозонды
п ар ал л ел ьн о самим себе так, чтобы их магнитные оси пересеклись
и располож ились в одной плоскости (рис. 57, б). В однородном
поле такой перенос правомерен. Будем назы вать указан н ую
плоскость магнитной плоскостью градиентометра, а биссектрису
у гл а несоосности р — магнитной осью градиентометра. Выберем
систему координат х я у, ж естко связанную с магнитными осями
феррозондов, так, чтобы м агн и тн ая плоскость градиентометра
совп ала с плоскостью уог, а м агн и тн ая ось градиентометра —
с осью г.
П оскольку вектор внеш него однородного поля, например
вектор Нт геомагнитного поля при любой ориентации тр ех гр а н ­
н и к а х у г (чувствительной системы градиентометра) может быть
р азлож ен на соответствующие составляю щ ие Н^, Ну и Н ^ р ас­
смотрим влияние каждой из этих составляю щ их в отдель­
ности.
С оставляю щ ая
Н^
ортогон альн а
магнитной
плоскости
градиентометра, а следовательно, и магнитным осям ф ерро­
зондов. По этой причине она не мож ет оказать и не оказы вает
какого-либо влияния на чувствительную систему градиенто­
метра.
С оставляю щ ая А такж е не оказы вает влияни я на чувстви тель­
ную систему градиентометра, п оскольку проекции этой соста­
вляю щ ей на магнитные оси феррозондов равны по величине
и одинаковы по зн аку. А так к а к измерительные обмотки
вклю чены встречно (рис. 5 7 ,+ ), то э. д. с., наводимые [в них
152
под действием указанны х проекций, взаимно уравновеш ива­
ются.*
С оставляю щ ая Ну (поперечная составляю щ ая, действую щ ая
в плоскости угл а Р) оказы вает вл и ян и е на чувствительную си ­
стему градиентометра. П роекции этой составляю щ ей на магнит­
ные оси феррозондов будут так ж е равны по величине, но иметь
разны е зн ак и . П риним ая во внимание, что в данном случае
Яо = Я,1) = Я,с о5 (эо° + 4 ) = Яо = Я (2) = Ну соз (90° —
^ = Я ^ зш
и что угол р, к а к правило, не превы ш ает 1— 2°, получаем:
Ез = Ог (Яо -
я ;) = -
2
О2 НУ 5ш
- СгЯ^^р,
(170)
т. е величина ложного сигнала имитирую щ его неоднородность
поля, пропорциональна напряж енности составляющей Ну и
величине у гл а р.
У странение или сущ ественное уменьш ение погрешности г р а ­
диентометра, вызываемой влиянием поперечной составляю щ ей
Н х = Ну, мож ет быть обеспечено к а к методическими, так и тех ­
ническими средствами.
М етодическое средство заклю чается в том, что во время изме­
рений м агнитную ось градиентометра постоянно ориентирую т по
н аправлению вектора геомагнитного поля. В этом случае Н^ =
= Ят, а Нх и Ну равны нулю , вследствие чего погреш ность,
описы ваемая выражением (170) т ак ж е равн а нулю. Подобный
'прием, однако, не только усл ож н яет методику измерений, но
во многих сл у ч аях , например при проведении скваж инны х иссле­
дований, просто не может быть реали зован .
В работах [224, 225] погреш ность, описываемую вы раж енисАг (170), предлож ено устранять с помощью автоАЩтически вво­
димых поправок, вырабатываемых дополнительны м магнитоме­
тром. Ф ун кц ион альн ая схема устройства п оказана на рис. 58, а.
Автоматический ввод поправок осущ ествляется за счет сигнала,
вырабатывасАюго поперечным феррозондом, магнитная ось кото­
рого совпадает с направлением составляю щ ей Н± = Ну гео­
магнитного п оля. Автоматический ввод поправок позволяет р а с ­
п олагать магнитную ось М М градиентометра в любом направле* П р ед п о л а г а ет с я , что чувстви тельн ости ф ер р о зо н д о в , равно как и н ач ал ь ­
ные ф азы в ы х о д н ы х э д с , при этом ст р о го оди н ак овы П оск ол ь к у на п р ак ти к е
это не в ы п о л н я ется (см § 1 , 6 , 7 ), п о гр еш н о ст и , обусл ов л ен н ы е н еоди н ак овой
чув ств и тел ь н ость ю и р азн остью ф аз э д с , обы чно уст р ан я ю т с пом ощ ью д о ­
п олн и тел ьн ы х б а л а н си р о в о к и ком п енсаци и сост ав л я ю щ ей Н г в объ ем е к а ж д о го
ф ер р о зо н д а .
153
независимо от н ап равлен ия вектора Н,, геомагнитного
поля.
В устройстве (рис. 58, а) могут быть использованы к ак одно­
стерж невые, так и дифференциальные феррозонды. Введение
поправок может производиться к ак по постоянному, так и пере­
менному (с частотой второй гармоники) току [225]. К ак п оказали
эксперименты , проведенные Ю. В. Алексеевым и В. П. Л ю ликом ,
более точная компенсация погреш ностей достигается при работе
на постоянном токе (т. е. путем использования тока обратной
связи дополнительного магнитометра).
НИИ,
хг
-'пит
Ь — г4-
тМ
Р и с. 58. Ф ер р озон д ов ы е градиентом етры .
1 , 3 — ф е р р о з о н д ы ч у в ст в и т е л ьн о й сис т ем ы г р а д и е н т о м е т р а , 2
феррозонд д о п о л н и ­
т е л ь н о г о м а гн и т о м е т р а , 4 — у с и л и т е л ь н о п р е о б р а з о в а т е л ь н а я с хем а м а г н и т о м е т р а , 5 —
усили тельн о преобразовательная схема градиентометра, 6 — реги стри рую щ ий прибор;
7 — д в и г а т е л ь , 8 — по ло совой ф и л ьт р , н а с т р о е н н ы й на ч а с т о ту в р а щ е н и я ч у в с т в и т е л ь н о й
с и с т ем ы гр а д и е н т о м е т р а , 9 — и з б и р а т е л ь н ы й у с и л и т е л ь , н ас т роен н ы й на ч а с т о т у 2о);
10 — г е н е р а т о р п ер емен ного тока час тоты (О, И — б л о к п и т а н и я , 12 — с и н х р о н н ы й д е т е к ­
тор, 13 — ф и л ь т р н и ж н и х частот
д р у г а я возможность компенсации погрешности, описываемой
выраж ением (170), заклю чается в модуляции лож ного си гн ала.
М одуляция достигается за счет вращ ения чувствительной системы
градиентометра вокруг его магнитной оси. Б л агод аря м одуляции
удается не только отделить полезный сигнал от лож ного, но и за
счет введения отрицательной обратной связи на частоте м одуляции
устранить загр у зк у измерительного кан ала помехой. Ф ун кц ио­
н ал ьн ая схема устройства ’ п оказан а на рис. 58, б.
В работе [226] показано, что в случае измерения неоднород­
ности переменного поля лож ны й си гн ал, обусловленный попереч­
ной составляю щ ей геомагнитного поля, может быть устранен за
счет введения отрицательной обратной связи по инфранизким
частотам. Такой градиентометр можно использовать для изм ере­
ний в движ ении, если частотный спектр угловых перемещений
1 У стр о й ств о п р едл ож ен о автор ом сов м естн о с Ю. В . А л ексеевы м . А в т. св и д .
№ 2 3 2 5 3 3 , «Б ю лл етень и зобр етен и й », 1969, X» 1.
154
платформы располож ен значительно ниж е частотного спектра
измеряемого переменного поля.
О писанные феррозондовые градиентометры с компенсацией
погрешности от поперечной составляю щ ей геомагнитного поля
могут найти применение при проведении наземных магнитюразведочных работ, скваж инны х исследований, поиска объектов негео­
логического происхож дения, в том числе в морских условиях при
тралении фарватеров от мин, а так ж е д л я глубоководного поиска
затонувш их судов и других объектов. П ри проведении наземных
наблю дений с помощью подобных устройств кюжно в ряде случаев
определить пеленг на источник магнитного возмущ ения.
Более грубы е градиентометры, не содерж ащ ие систем компен­
сации погреш ностей, обусловленных влиянием однородного гео­
магнитного поля, могут быть использованы д л я отыскания место­
р асполож ения трубопроводов, стволов аварийны х скваж ин, обса­
ж енны х стальными трубзАШ [154, 227, 228], а такж е д ля счета
и определения скорости движ ения транспортны х единиц [229].
Очевидно так ж е, что простейшие градиентометры найдут п ри ­
менение при автоматизации производственных процессов, в устрой­
ствах техники безопасности, а так ж е в качестве спасательного
поискового оборудования.
В стационарны х условиях феррозондовые градиентометры
могут быть использованы д л я определения магнитных свойств
горных пород [230, 81]. В 1961 г. И нститутом маш иноведения
и автоматики АН УССР по предлож ению М инистерства геологии
СССР р азработан прибор ИМ А-ИН, предназначенны й для оп ре­
деления намагниченности образцов горных пород в полевых
условиях. Н аиболее чувствительная ш к ал а прибора, отградуиро­
ванная в единицах поля, соответствует ± 5 у . С редняя квадрати ч­
ная погреш ность измерений не превы ш ает ± 0 ,2 у . Прибор позво­
л яет проводить раздельное определение остаточной и и ндуктив­
ной намагниченности образцов [120].
П ри работе с феррозондовыми градиентометрами в стаци он ар­
ных* услови ях нет необходимости услож н ять их системы автом а­
тической компенсации погрешностей, обусловленны х влиянием
однородного геомагнитного поля, п оскольку необходимая б ал ан ­
сировка с помощью постоянных токов и д ругих средств мож ет
быть произведена вручную. Именно т а к а я балансировка, к а к
правило, и используется при измерении намагниченности о б р аз­
цов горных пород.
В есьма миниатюрные градиентометрические феррозонды одно­
стерж невого типа (рис. 56, в), заклю ченны е в специальную обо­
лочку, снабж енны е гибким тонким кабелем , могут быть и сп оль­
зованы в медицине для обнаруж ения в теле человека инородных
м еталлических предметов. Подобные зонды могут либо за г л а ­
ты ваться пострадавш им, либо вводиться в разрез для уточнения
м естонахож дения инородного предмета во время операции. П р о ­
веденные операции (извлекались пули, швейные и инъекционные
155
иглы и т. п. предметы) свидетельствую т о перспективности спо­
соба [140].
Н ет сомнений в том, что феррозондовые градиентометры будут
использованы и при изучении лунной поверхности. Н а п р я ж ен ­
ность однородного магнитного п оля на поверхности Л ун ы в ты ­
сячи р аз меньше напряж енности геомагнитного поля [189]. П ри
такой напряж енности поля влиянием поперечной составляю щ ей
мож но просто пренебречь. В то ж е время магнитные возм ущ ения,
создаваемы е, например, упавш ими метеоритами, содерж ащ ими
ж елезо, могут оказаться весьма значительными. Поэтому д оста­
точно простые феррозондовые градиентометры с чувствительной
системой, выполняемой в виде тонкой трости — щ упа, м огут
быть с успехом использованы космонавтами, впервые вступаю щ ими
на поверхность Л уны.
Литература
1. А р к а д ь е в
В . К -, М агнитны е к оэф ф и ци ен ты , ф ормы , вещ ества и
т ел а . И з б р а н , т р ., И зд . А Н СССР, 1961.
2. А р к а д ь е в
В . К ., Э лектр ом агн итн ы е пр оцессы в м е т а л л а х , ч. 1,
О Н Т И , 1934.
3 . N е и м а п Н ., \У а г т и 1 Ь К -, \У1зз. У егбИ й. 5 1 е т . К о п г . 11, 2 5 ,
№ 2 , 1932.
4. Р е I й 1 к е 1 1 е г К ., 5{иК§аг1;ег А г Ь е В з д е т е ш с Ь а В , Н 2 , 1943.
5. О з Ь о г п
Р . А ., Р Ь уз. К е у . Ь Х У П , № И , 12, 1945.
6. 8 о п й Ь е 1 т е г
Е . Н ., Р гоз. С атЬ г1Й 2е РЬ111 4 3, р1. 11, 2 5 4 , 1947.
7 . Я .н у с
Р . И ., О к оэф ф и ци ен те р азм агн и ч и в ан и я ф ер р ом агни тны х
ст ер ж н ей . С б ., посвящ енны й 70-лети ю ак адем и к а А . Ф . И оф ф е, и зд . А Н С С С Р,
1950.
8 . Р о з е н б л а т М. А ., Б ал л и ст и ч еск и й к оэф ф ициент разм агн и ч и в ан и я
ст ер ж н ей п р я м о у го л ь н о г о сеч ен и я , Ж Т Ф , т . 2 0 , вып. 9 , 1950.
9. Р о з е н б л а т
М . А ., К оэф ф иц и ен ты р азм агн ичи в ани я ст ер ж н ей
вы сокой п р о н и ц а ем о ст и , Ж Т Ф , т. 2 4 , вып. 4 , 1954.
10.
Я н у с Р. И. , Ф р и д м а н Л. X. , Д р о ж ж и н а В . И ., К т еор и и
ди ф ф ер ен ц и ал ьн ы х ф ер р озон дов с п родол ьн ы м в о зб у ж д ен и ем . С б. п р о и зв о д ­
ст в ен н о -тех н и ч еск о й инф ормации п о геоф и зи ч еск ом у п р и + р о с т р о е н и ю , вып. 3 ,
Л ., О Б К М Г и О Н СССР, 1959.
И . М и 3 ю к Л . Я ., О р асчете к оэф ф и ц и ен тов разм агн и чи в ан и я с т е р ж н е ­
вых сер д еч н и к о в , С б. «Г еоф изическое п р и б о р о ст р о ен и е» , вып. 7 , Л ., О К Б М Г
и О Н С С С Р , 1963.
12. Н и ч о г а В . А ., К расч ету к оэф ф и ц и ен тов р азм агн ичи в ани я п р и зм а ­
ти ч еск и х ст ер ж н ев ы х сер дечн и к ов . С б. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор остр оен и е», вып. 2 4 ,
Л ., О К Б М Г и О Н СССР, 1965.
13. Р о 3 е н б л а т М . А ., К р асч ет у м агн и том од ул я ц и он н ы х датч и к ов
н а п р я ж ен н о ст и м агн итн ого п ол я , «Э лектричество», 1957, № 7.
14. Р о 3 е н б л а т М. А ., М агнитны е у си л и т ел и и м од ул ятор ы , Г о сэн ер го и зд а т , 1963.
15. Р о 3 е н б л а т М . А ., М агнитны е эл ем енты автом атики и в ы чи сли ­
тельн ой т е х н и к и , «Н аук а», 1966.
16. X а р к е в и ч А . А ., Н ел и н ей н ы е и п ар ам етр и ч еск и е явлен ия в р а д и о ­
тех н и к е, Г о с т е х и зд а т , 1956.
17. А г е е в М . Д ., П р и б л и ж ен н а я т ео р и я м агн и том одул я ц и он н ы х д а т ч и ­
к ов, «А втом атика и телем ехан и к а», т . 17, № 8 , 1956.
18. 8 е г 8 о п Р . Н ., Н а п п а 1 о г й Г . \У ., Сапай1ап йоигпа! о1 Т есЬ п о1о§у, 1 9 5 6 , Йи1у, 3 4 , № 4.
19. А ф а н а с ь е в Ю. В. , Г о л ь д р е е р И . Г ., Д о л г и н о в С . Ш .,
В о п р о сы п р о ек т и р о в ан и я ф ер р озои дов ы х м агн и том етр ов , С б. «Г еоф и зи ческ ое
п р и б о р о ст р о ен и е» , вып. 5 , Л ., О К Б М Г и О Н С С С Р , 1960.
2 0 . Л ы с е н к о А . П ., О вы сш их четны х гар м о н и к ах э . д . с . ф ер р о зо н д о в
и м агн итн ы х м о д у л я т о р о в , С б. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор ост р оен и е», вып. 9 , Г ост о п т ех и зд а т , 1961.
2 1 . М и з ю к Л . Я ., В ход н ы е п р ео б р а зо в а т ел и д л я и зм ер ен и я н а п р я ж е н ­
ности н и зк оч астотн ы х магнитны х п о л ей , « Н а у к о в а д ум к а», 1964.
157
2 2 . 3 а е 3 д н ы й А , М ., К у ш н и р В . Ф ., П ар ам етр и ч ески е си стем ы ,
И зд . Л Э И С , 1962.
2 3 . Б е с с о н о в Л . А ., Н ел и н ей н ы е эл ек т р и ч еск и е ц епи . «Вы сш ая ш к ола»,
1964.
2 4 . 3 е р н о в Н . В ., К а р п о в В . Г ., Т ео р и я р а д и от ехн и ч еск и х ц еп е й ,
«Э н ерги я», 1965.
25. П о н о м а р е в
Ю . Ф ., К теор и и магнитны х м од ул я тор ов ти п а чет­
ных г а р м о н и к . М одуляторы с п оперечн ы м в о зб у ж д ен и ем , «Ф изика м етал л ов
и м етал л ов еден и е», т. 12, вып. 5 , М ет а л л у р г и зд а т , 1961.
26. П о н о м а р е в Ю . Ф ., К т еор и и магнитны х м од ул я тор ов тип а четных
г а р м о н и к . М одул ятор ы с п родольны м в о зб у ж д е н и е м , «Ф изика м етал лов и м е т а л ­
л о в ед ен и е» , т. 13, вып. 6 , М ет а л л у р г и зд а т , 1962.
27. А ф а н а с ь е в Ю . В ., М агни тны е д ел и тел и частоты и их п р и м ен ен и е
в со в р ем ен н о й м агнитом етрической а п п а р а т у р е. Б ю лл етень техн и ч еск ой и н ф ор ­
м ац и и по геоф и зи ч еск ом у п р и бор ост р оен и ю , и ю ль. Л ., О К Б МГ и О Н С С С Р, 1958.
28. Я н о в с к и й
Б . М ., З ем н о й м а гн ет и зм , т. 1 и 2, и зд . Л Г У , 1963.
2 9 . Г а у с с е К- Ф -, И збр ан н ы е тр уды по зем ном у м агн ети зм у. П ер ев о д
ак а д . А . Н . К ры лова, И зд . А Н СС С Р, 1952.
3 0 . 8 с Ь т 1 й I А й ., Е1п Г ок аК 'аг1оте1ег {иг Й1е Уег11ка11п1еп8Иа1, В ег1сЫ е йЬег Й1е Та1, Р геи зз. М еГ ТпзГ, Р о { з й а т , 1914.
3 1 . Га С оиг, Ге р и а г /г — М а § п ё1 о т ё1 ге р Н М , О е! О апзЬе М е{еого1о§1зке
1п з{й и1 СорепЬа{геп, С огптип1са11опз т а ^ п ё П ^ и е з, 15, 1936.
3 2 . П о ч т а р е в В . П ., З ем л я — бол ьш ой м агнит, Г и д р ом ет еои зд ат, Л .,
1958.
3 3 . Д е К о л о н г, Н овы й п р и бор К о л о н га и Б р а у э р а для у н и ч т о ж ен и я
и и зм ер ен и я дев и ац и и , «М орской сбор н и к », Я» И , 1880.
3 4 . П а в л и н о в В . Я -, Д еф л ек тор н ы й магнитом етр. Г ос. н а у ч .-т е х н .
г е о л .-р а зв . и з д ., 1932.
3 5 . В ) й 1 1 п § т е 1 е г Р г ., Пег В о р р е 1 к о т р а з8 , зе1пе ТЬеог1е ипй Ргях13,
П е и к Ь е 5ййро1аг — Е х р ей Ш о п , 1901— 1903, В егИ п , 1907.
3 6 . Р а п 8 е 1 а и О ., 21. {. О еор Ы з, 13, 1937.
3 7 . К а ш 8 а и е г К -, П1е А п й еги п § т а ^ п еП зсЬ еп 8{бг§еЫ е1е ш Л йег Н осЬ е
ипй 1Ьг Е1п(1из8 аи ! й1е Р1иг2и§па\у1га11оп, В е И г а ее гиг апце\мапй1еп О еорЫ з1к,
I X , 1941.
3 8 . У л ь я н и н В . А ., О п р ед ел ен и е у г л а н ак л он ен и я на и н дук ц и он н ом
и н к л и н о м ет р е, И зв . ф и з.-м ат. общ . при К а за н ск о м у н и в ., 1923.
3 9 . У л ь я н и н В . А ., И н дук ц и он н ы й магнитометр д л я о п р ед ел ен и я силы
зем н о го м агн и тн ого п о л я , Т р. Р у с с к о г о ф и з.-х и м . о б щ ., 1926.
4 0 . П а у А ., М а § п е1 о т е{ег Гогп1е М еа5игегпеп1з о{ Ф е Еаг1Ы с У егИ са!
М а§пе11с, Р госеей1п §з о! 1Ье Р о у а ! 5ос1е1у о{ Г оп й оп , У С Х У И , 1928.
41. Г 1 8 1 п
М айпеН с т е а з и г е т е п 1 8 оп 1Ье к о т р а з з 1п В аШ с 8 е а , 1940.
4 2 . 3 о п 8 о п Е . А ., А р р И саП оп о{ А11егпа11оп-Сиггеп1 М е1Ьойз о{ В е1есК оп 1о Еаг111-]пйис1огз 1ог Маг1пе апй Ог1ипйо аЬ зегуаП оп з, Тегг. М а^пеП згп,
Х П . 1936.
4 3 . Л о г а ч е в А . А ., В о зд у ш н а я м агн и тн ая съемка и опыт ее п р и м ен ен и я
в геол о го -п о и ск о вы х р а б о т а х , Г о сг ео л и зд а т , 1947.
4 4 . Л о г а ч е в А . А ., К у р с м а гн и т о р а зв ед к и , Г осгеол и зд ат , 1951.
4 5 . Л о г а ч е в А . А ., К у р с м а гн и т о р а зв ед к и , Г ост оп техи зд ат , 1962.
46. А з с Ь е п Ь г е п п е г
Н. , О о и Ь е а и
С ., А г га п § ет еп 1 {от К есогй 1п§ о{ Р а з! М а^пеН с П1с1игЬапсез (1п Оеггпап) Н осЬ{ге§иеп21есЬп1к Т е1е§гарЫ с
(ЗаЬгЬисЬ йег йгакИ азеп Т е1е§гарЫ с ипй Те1ер1юп1е), Ге1рг1§, С е г т а п у , Х У У П ,
Яо 6 , 1936.
4 7 . К о и 8 1 е р е г, А Т М , 2 6, 1933.
4 8 . \У и г т
М ., 2 8 . {. ап §еч/. Р Ь у з. И , Я» 5 , 2 1 0 , 1950.
4 9 . 3 е п 8 е п Н ., ТЬе А Г Ь огп е М а т е 1 о т е 1 е г , «8с1епШ 1с А т ег 1 са п » , З и п е,
1961.
5 0 . Г о р е л и к Г . С ., О н ек отор ы х н ели н ейн ы х я в л ен и я х, п р о и сх о д я щ и х
п ри су п ер п о зи ц и и взаим но п ер п ен д и к ул я р н ы х м агнитны х п ол ей , И зв . А Н С С С Р,
сер . ф и з ., 8 , Яо 4 , 1944.
5 1 . Н а г т 1 8 о п Е . Р . апй о{Ь егз, Р г о с .
К оу.
8ос,
157, 1936.
158
5 2 . Н а г г 1 8 о п Е . Р . апй К о \у е Н ., А п ! т р е й а п с е т а § п е 1 ;о т е1 ег ,
Р го с. Р Ь у з. 8 о с о{ Е оп й оп , Е ., 176, 1938.
5 3 . Н а г г 1 5 о п Е . Р . апй 8 т 1 1; Ь Н . А ., А пе-да- т еШ о й о1 т е а х и г ш
1Ье ш сИ п аИ оп о{ Иге еаг1Ь’з т а § п е 1 1 с 11е1й, Р го с. Р Ь у з. 8 о с , 1944.
5 4 . Б о г о м о л о в В . Н . У стр ой ств о с датчик ам и Х ол л а и датчикам и
м а гн и т о со п р о ти в л ен и я , Г осэн ер го и зд а т, 1961.
' 5 5 . Б е р ш т е й н И . Л . О б одном новом ти п е м агн итом етра, И зв . А Н
СССР, сер и я ф и з ., 8 , № 4.
5 6 . Б е р ш т е й н И . Л . О б одном и н д ук ц и он н ом я вл ен ии , вы званном
в заи м одей ств и ем п ер п ен д и к ул я р н ы х м агн итн ы х п о л ей , Д А Н СС С Р, 4 3 , № 9 ,
1944.
5 7 . Б е р ш т е й н И . Л . и д р ., Э к сп ер и м ен т ал ь н ое и ссл едов ан и е и м п еданса
ф ер р ом агн и тн ы х п р о в ол ок , Ж Т Ф , т. 15, № 8 , 1945.
5 8 . Ж у к о в а И . С. О сп ек тр е э . д . с. п оп ер еч н ой и н дук ц и и , Д А Н С С С Р,
6 5 , № 2, 1 949.
59. Р а 1 т е г
5 4 5 , 1953.
Т . М ., А з т а П зеп зЩ у е т а § п е ! о т е 1 е г , Р Й Е Е , С (раг1 11),
6 0 . Р а 1 т е г Т . М ., А . Ь а11егу-орега1ей т а § т е 1 о т е 1 е г , «Е опйоп Х а И о п а !
ЕаЬ ога1огу Ргес1з1оп Е1ес1г1са1 М е а 5 и г е т е п (з» , 1955.
61. М и ! 1 1 у
О ., ТЬе ап Ь огп е та§пе1огпе1;ег, О еор Ь уз, 11, 3 2 1 , 1946.
6 2 . V а с ^ и 1 е г апй о1Ьегз, М а§пе11с а п Ь о г п е йе1ес1ог е т р 1 о у 1 п 8 т а § п е И саИ у соп1го11ей § у г о зсо р е зЩ Ы И заН оп, Р 8 1 , X V I I I , № 7, 4 8 3 , 1947.
6 3 . Р ' е 1 с Ь Е . Р . а о1., А 1г-В огпе М а § п е1 о т е1 ег з {ог ЗеагсЬ апй 8 и г у е у ,
Тг. А 1 А А , Е Х У 1 , 6 4 1 , 1947.
6 4 . Е с к Ь а г й I Е . А ., А1гЬогпе т а г Ь о г п е гп а§п е1оте1ег, 011 апй О аз
й о и гп а !, Х Е У , № 5 , 1946.
6 5 . К п о е г г А . \У ., ТЬе А1гЬогпе г п а § п е1 о т е1 ег , а пе\у а!й 1о §еор Ь уз 1с 8, — Е п§1пеег1п§ апй М1п1п§ й ои гп а!, 1 946, № 6.
6 6 . N 1 с Ь о 1 3 о п О. В ,, А1гЬогпе т а § п е 1 ;о т е { е г ех р ей И ез, СеорЬуз1са1
зи ги еу з, 011 м'еек1у, 122, № 1, 1946.
е 67. Д ю к о в
А . Н ., А эр ом агн и том ет р и я в С Ш А ,— «Р азведк а н едр»,
1947, № 2.
« 6 8 . Д о л г и н о в С. Ш ., О б ам ер и к ан ск ом а эр о м а г н и т о м е т р е ,— « Р а з ­
ведка н едр», 1 9 4 7 , № 3.
6 9 . Р о 3 е н б л а т М. А ., Ж ел езон асы щ ен н ы е м агнитны е зон ды , «А втом а­
тика и т ел ем ех а н и к а » , № 10, 1949.
7 0 . \У 1 1 1 1 а гп 3 Р. С ., N о Ь 1 е 8 . \У ., ТЬе {и п й а т еп {а 1 И т Й а И о п з о{
1Ье з е с о п й -Ь а г т о п к 1уре о{ т а § п е 1 1 с т о й и 1 а 1 о г аз аррИ ей о! з т а И й. с. з1§па1з,
Р 1 Е Е , № 5 8 , 1950.
^ 7 1 . Ш у м я л о в с к и й
Н. Н. , Б л а ж к е в и ч Б . И ., К теор ии с л а б о ­
насы щ енны х м агн и том одул я ц и он н ы х д атч и к ов н ап р я ж ен н ост и м агн итн ого п о л я .
«А втом атика и тел ем ехан и к а», 11 , № 6 , 1950.
72. Ш у м я л о в с к и й
Н. Н. , Б л а ж к е в и ч Б . И ., П ути и с п о л ь зо ­
вани я м а гн и то м о д у л я ц и он н ы х датчик ов при к он т р ол е н ап р ав лен и я п р о б у р и в а е ­
мых с к в а ж и н , «А втом атика и т ел ем ехан и к а», 11, № 6 , 1950.
73. Ш у м я л о в с к и й
Н, Н. , Б л а ж к е в и ч
Б . И ., Т еор ети ч еск и е
основы н а ст р о й к и м агн итом одул я ци онн ы х дат ч и к ов . «Автоматика и т е л е м е х а ­
ника», 11 , № 6 , 1950.
7 4 . Ч и с т я к о в Н . И ., Э лек тр и ческ и е ав и ац и он н ы е приборы , О б о р о н г и з,
1950.
75. В и Н е г \у о г 1 Ь А ., Н еуе1оргпеп1 апй Н зе о! М а§пе{1с А р р агаШ з
{ог М1пе Е о с о И о п , Лоигп. 1Е Е , Х С У , р1. 2 , 1948.
7 6 . К и Ь п е К ., А Т М , 1952.
7 7 . Я н у с Р . И . К теории и н д ук тивн ы х восп р и н и м аю щ и х эл ем ен тов с ф ер ронасы щ енны м и сердечн ик ам и д л я к оэр ц и т и м ет р ов , Т р . института ф и зик и м е т а л ­
л ов А Н С С С Р , вып. 15, 1954.
7 8 . Ш л я н д и н В . М ., Э лементы автом атик и и т ел ем ехан и к и . О б о р о н ­
г и з, 1954.
79. Р о г з 1 е г
Р ., 2 . 5 . {. М е1а11кипйе, Х Е У , № 4, 1954.
159
8 0 . Р б г 3 { е г Р ., Е ш УегГаЬгеп гиг М еззи п д у о п М адпеЛ зсЬ еп С1е!сЬ{е1йегп ипй 01е1сЫ е1йй1{{егеп2еп ипй зе1пе А п \уеп й и п § 1 П М еЫ И о гзс Ь и п е ипй
Т есЬ п 1 к, 2 . М е{а11кипйе, Н . 5 , 1955.
8 1 . С п е к т о р Ю . И ., С п особ р а зд е л ь н о г о и зм ер ен и я остаточной и и н ­
д у к т и в н о й намагниченности обр азц ов гор н ы х п ор од с помощ ью д в у х оди н ак ов ы х
м агн и т о м о д у л я ц и о н н ы х датчик ов, А в т. св . Яд 123637, Б ю л л . и з о б р ., 1959, Я» 2 1.
8 2 . Б е р к м а н Р. Я- , М и х а й л о в с к и й В. Н. , С п е к т о р Ю . И .,
М етоди ка и н ж ен ер н о г о расчета м агн и т ом од ул я ц и он н ы х датчик ов тип а второй
га р м о н и к и , С б. «Э лектрические цепи д л я п р ео б р а зо в а н и я и зм ер и тельн ой и н ф ор ­
м ац и и», И зд . А Н У С С Р, К и ев , 1965.
8 3 . В а г п е 1; I 5 , О ., Т егг. М а ^ п е И з т е1ес1, 51, Я» 2 , 1946.
84. Б р а у д е
Г. В ., У ст р ой ст в о д л я к освен н ого и зм ер ен и я м агн и тн ой
и н д у к ц и и , А в т. свид. Я “ 9 7 6 0 6 , Б ю л л . и з о б р ., Я» 5 1954.
8 5 . П о н о м а р е в В . Н ., А в т. св и д . № 11762, 1950.
8 6 . П о н о м а р е в В . Н ., П ор тати вны й м агнитометр н асы щ ен и я , Т р .
го р н о -гео л о ги ч еск о го института У Ф .4 Н С С С Р , вып. 3 0 , 1957.
8 7 . Л а т и к а й н е н В . И ., О б зо р з а р у б е ж н о й м агн и тор азв едоч н ой а п п а ­
р а т у р ы . С б. «Г еоф изическая ап п а р а т у р а » , вып. 3 2 , «Н едра», 1967.
8 8 . А р о н о в Р . Л ., А п п р ок си м ац и я к ривой н а м а г н и ч и в а н и я .— «Э лек ­
тр ич еств о», 1948, Яд 4.
8 9 . Л и т к е н с Е . С ., А п п р ок си м ац и я кривы х н ам агничивания ст ер ж н ей
вы сокой п р он и ц аем ости , Сб. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор остр оен и е», Яд 14, Г о ст о п ­
т е х и зд а т , 1962.
9 0 . Р о з е н б л а т М . А . М агнитны е у си л и т ел и , ч. I и П . «С оветское р ад и о»,
1960.
91. Н е й м а н
Л . Р ., П ов ер хн ост н ы й эф ф ект в ф ерром агни тны х т е л а х .
Г о сэ н е р г о и зд а т , 1949.
9 2 . Г о л ь д р е е р И . Г ., С т аби л и затор ы н а п р я ж е н и я , Г о сэ н е р г о и зд а т ,
1957.
9 3 . Г о н о р о в с к и й И . С ., Р ад и о т ех н и ч еск и е цепи и си гн ал ы . «С овет­
ск о е р а д и о » , 1963,
9 4 . А с е е в Б . П . Ф азовы е со от н ош ен и я в р ад и от ехн и к е. С в я зь и зд а т , 1959.
9 5 . В о с т р о к н у т о в Н . Г ., Т е х н и к а и зм ер ен и я эл ек тр и ч еск и х и м а г ­
нитн ы х в ел и ч и н , Г о сэн ер го и зд а т, 1958.
9 6 . Т у р и ч и н А . М. Э л ек тр и ч еск и е и зм ер ен и я п еэл ек тр и ческ и х в ел и ч и н ,
Г о сэ н е р г о и зд а т , 1959.
9 7 . 3 а е 3 д н ы й А . М ., Л и н ей н ы е систем ы п од воздействи ем п ер и о д и ч е­
ск и х к о л еб а н и й сл о ж н о й формы. И зд . Л Э И С , 1962.
9 8 . Т о л е т о в Г. П ., Р яды Ф у р ь е , Ф и зм а тги з, 1960.
9 9 . Р о 3 е н б л а т М . А ., М агни тны е м одул ятор ы с си н усои дал ьн ы м
вы ходны м н ап р я ж ен и ем уд в оен н ой частоты . «А втом атика и т ел ем ехан и к а»,
2 2 , 1961.
100. Б е р к м а н Р . Я -, С и н и ц к и й Л . А ., О м ак си м ал ьно в озм ож н ом
к о эф ф и ц и ен те у си л ен и я м агн и тн ого м о д у л я т о р а с вы ходом на уд в оен н ой частоте
и сп о с о б а х его р еа л и за ц и и , «Авто.чатика и т ел ем ехан и к а», 23, Яд 10, 1962.
101. Г о л д м а н С ., Т ео р и я и н ф ор м ац и и , И зд . и ностр . л и т е р ., 1957.
102. Х а р к е в и ч А . А ., Б о р ь б а с п ом ехам и , «Н аук а», 1965.
103. К о н е в с к и й 3. М. , Ф и н к е л ь ш т е й н М . И ., Ф л у к т у а ц и о н н ая по.меха и о б н а р у ж ен и е и м п ульсн ы х р ад и о си гн а л о в , Г о сэн ер г о и зд а т , 1963.
104. Х а р к е в и ч А . А ., С п ек тры и а н а л и з, Г ост ехи зд ат , 1957.
105. В о н с о в с к и й
С. В .,
Ш у р
Я- С ., Ф ер р ом агн ети зм , Г о с т е х ­
и зд а т , 1948.
1 0 6 . Д р о ж ж и н а В. И. , Я н у с Р. И. , Ф р и д м а н Л . X ., О н ест а ­
би л ь н о ст и н у л ь -си гн а л а диф ф ер ен ц и ал ьн ы х ф ер р озон дов с продольны м в о з б у ­
ж д е н и е м , С б . «Г еоф изическое п р и б о р о ст р о ен и е» , вып. 4 , О К Б МГ и О Н С С С Р, 1959.
107. 8 т 1 (1 1 Н ., Н1е Ми11рипк{з51аЫШ;а1 у о п Р огз1егзоп беп , Рге1Ьег§ег
Р огзеЬ ип^Н еН е, ОеорЬу51каИ5с11е А Ы еН и п б, 1956.
108. С т о р м
Г. Ф ., М агнитны е у си л и т ел и , И зд . иностр. л и т е р ., 1957.
109. К и ф е р
И . И ., И спы тания ф ер р ом агн и тн ы х м атер и ал ов , Г о с э н е р г о ­
и зд а т , 1962.
160
1 10. Р е 1 с Ь
Е. Р. , Р о Н е г
О . Е ., Р ге11т1п агу В е у е 1 о р т е п { о1 М а§п еИ ог С и ггеп Е Т гап з. А Ш Е , рЕ I, Е Х Х П , М оу. 1953.
111. М и х а й л о в с к и й В . Н . , С п е к т о р Ю . И ., Н ек отор ы е вопросы
т еор и и м агн итн ы х уси л и тел ей и м агн и т ом од ул я ц и он н ы х датчиков тип а второй
гар м о н и к и , «А втом атика и т ел ем ехан и к а», т. 18, № 6 , 1957.
112. М и X а й л о в с к и й В . Н ., С п е к т о р Ю . И ., Э к сп ери м ен тал ьн ое
и зу ч ен и е о со б ен н о ст ей работы м агн и т ом од ул я ц и он н ы х датч ик ов, н а х о д я щ и х ся
п о д в оздей ств и ем встречн о н апр ав лен н ы х м агн и тн ы х п ол ей , одн о и з которы х
)езк о н ео д н о р о д н о . «А втом атический к он тр ол ь и и зм ер и тел ьн ая техн и к а», вып. 3 ,
4М А А Н У С С Р , 1959.
113. М и х а й л о в с к и й
В. Н. С п е к т о р
Ю . И ., С п особ к о м п ен са ­
ции н ач а л ьн о й и остаточной э . д . с . си гн ал а в м агн и том одул я ц и он н ом датч и к е
д л я и зм ер ен и я н еодн ор одн ы х м агнитны х п о л е й . А в т. св и д . № 123250, Б ю л л .
и з о б р ., 1 9 5 9 , № 2 0 .
.1 4 . Ч е б л о к о в И . В ., О статочны е н а п р я ж е н и я в д в ухстер ж н ев ом ф е р ­
р о зо н д е и м етоды и х ум ен ьш ен и я , С б. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор остр оен и е», вып. 7 ,
Л ., О К Б М Г и О Н С ССР, 1960.
115. В и н о г р а д о в а Л. Д. , Ч е б л о к о в И . В . К в оп р осу о н ест а ­
би л ьн ости н у л я ф ер р о зо н д о в , Сб. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор ост р оен и е», вып. 18,
«Н едр а», 1964.
116. О е у й е г
\У. А ., Р1их-да1е т а § п е 1 о ш е 1 е г и зез 1ого1(1а1 соге, Е1ес1гоп1сз, № 2 2 , 1 962.
117. В а г к Ь а и з е п
Н ., Р Ь уз. 2 . 8 . 0 2 . 4 0 1 , 1919.
118. Г р а ч е в А . А ., О ди ск р ет н о-сп л ош н ом сп ек тр е и ндук ци и ф ер р о м а г ­
нетика п р и ц ик л ич н ом н ам агни чи ван ии , Д А Н С С С Р , 7 1 , 2 6 9 , 1950.
119. Г о р е л и к Г. С ., О некоторы х м агн итн ы х сп ек тр ах п р ео б р а зо в а н и я ,
И зв . А Н С С С Р , с ер . ф и з., 14, 1950.
120. С п е к т о р Ю . И ., П р им ен ени е м агн и т ом од ул я ц и он н ы х датчиков д л я
о п р е д е л е н и я н ам агниченности об р а зц о в г о р н ы х п о р о д . А втореф ерат к а н д и д а т ­
ск ой д и с с е р т а ц и и , 1961.
121. Б е р к м а н
Р . Я ., С обственн ы е ш ум ы ф ер р озон дов и м етоди ка их
и ссл ед о в а н и я . С б . «Г еоф и зи ческ ое п р и б о р о ст р о ен и е» . Л ., О К Б МГ и О Н С С С Р,
1960.
122. Г р а ч е в А . А ., Ш умы при п ер и од и ч еск ом п ер ем агничивании ф е р р о ­
м агн ет и к о в , р еф ер а т к анди датской д и с сер т а ц и и , Н И Р Ф И , Г ор ьк и й , 1960.
123. Б у н к и н Ф . В ., Ш умы ц и к л и ч еск ого п ер ем агни ч и ван и я ф ер р о м а г ­
н ети к ов , Ж Т Ф , 2 6 , 1956.
124. Г р а ч е в А. А . , О сплош ном сп ек т р е э . д . с. ц и к л ическ ого п ер ем а г ­
н и ч и в ан и я , И зв . В У З о в , р ад и оф и зи к а, 1, № 2 , 1958.
125. К о л а ч е в с к и й
Н . Н ., Ф ер р ом агн итн ы й сердечн ик с бол ьш им и
скачкам и Б о р к г а у зе н а в перем енном м агн итн ом п о л е, Т р . М Ф Т И . М ., О б о р о н г и з,
выгГ. 4 , 1 9 5 9 .
126. К г и т Ь а п 3 1 4 . А ., В е у е г Р . Т ., В агк Ь аи зеп , К о1зе апй М а§пеН с А т р И П е г з , 11, Апа1уз1з о1 1Ье Х о1зе, 4 . , А р р Е Р Ь у з, 2 0, 1949.
127. К о л а ч е в с к и й
Н . Н ., Э к сп ер и м ен т ал ь н ое и ссл едов ан и е в л и я н и я
у п р у г и х н а п р я ж е н и й , тер м ообр абот к и , к р и ст ал л и ч еск ой стр ук тур ы ф ер р о ­
м агн и тн ого о б р а зц а на и нтенсивность м агн итн ы х ш ум ов, ФМ М , X I , № 2 ,
1961.
128. В е с к е г , 2 з . Р Ь у з., Х П 1 С , 5 4 7 , 1933.
129. К о г п е 1 2 к 1, 2 з . 1. Е Ь уз, Х 1 Н С , 5 6 0 , 1933.
130 . 8 е г 8 о п Р . Н ., М а е к 8 . 2 . , А Ь 1 I Ь а т
К . А . ТЬгее с о т р о пеп1 А 1гЬогпе М а ^ п е к т е к г , Р иЬ И саЧ опз о1 Ш е О от 1п 1оп О Ьзегуа1огу, X I X ,
N 2 , С а п а й а , 1 957.
13 1 . Д о л г и н о в С . Ш ., Ж у з г о в Л . Н ., С е л ю т и н В . А ., М агн и ­
том етр и ч еск ая а п п а р а т ур а тр етьего со в ет ск о г о и ск усст в ен н ого сп утн и к а З ем л и
С б . « И ск у сст в ен н ы е сп утни к и Зем л и », вып. 4 , И з д . А Н СССР, 1960.
132. 4 з г а е 1
О. е! У а з з у
А ., Р ези И а 1 з соп сегп ап ! ГаИ И ийе й ’ц пе
{и зёе уего п 1 я и е о Ы еп и з аи т а у е п й е сар 1еи гз та§пё^^^ ие8, Р госеей1п §з о1 Цщ
ТЫ гй, 4п1;егпа11опа1 З р а се 8 у т р о з 1 и т , \У азЫ п §1оп , 1962.
11
Ю. В . А ф а н а с ь е в
161
133. Р е 1 е п 3 ,, Н п п о и уец и е т а § п ё 1 о т ё 1 г е йе гезШ иН оп й ’аИ И и б е, X V I ,
Зп1;егпа11опа1 А зЦ оп аи И са! С оп^гезз. А Ш еп з, 1965.
134. Ж у з г о в
Л. Н. , Д о л г и н о в
С. Ш. ,
Е р о ш е н ко
Е . Г .,
И ссл ед о в а н и е м агн итн ого п оля со сп у т н и к а «Л ун а-10», «К осм и ческ ие и с с л е д о ­
вани я », IV , вып. 6 , 1966.
13 5 . Б е л е ц к и й В . В . и д р ., О п р е д е л ен и е ори ентац ии и вращ ен и я и с к у с ­
ственн ы х сп у т н и к о в по данны м и зм ер ен и й , «К осм и ческ ие и ссл едов ан и я », V ,
вып. 5 , 1967.
136. Р а с к а г б М. , V а ^ ^ а п К ., Р гее пис1еаг 1п(1исиоп 1п 1Ье Е а г {Ь ’з
гпа§пе11с В еЫ , ВиИ А т е г . Р Ь уз. С о е ., 2 8 , № 7 , 1953; Р Ь уз. К е у . V И С , № 4 , 1954.
137. Р о т ш т е й н А. Я- , Ц и р е л ь В . С ., П ротонны е геом агни том етр ы ,
Г о сг ео л т ех и зд а т , 1963.
138. В е 1 1 XV., В 1 о о т А ., О рИ са1 с1е1ес11оп о! т а § п е1 1 с гезоп ап зе 1п
а1ка11 гпе1а1 у а р о г, Р Ь у з. Р е у ., 107, 1957.
139. К е и з е г А. К- , К 1 с е 3 . А ., 5 с Ь е а г е г Ь. О ., А т е1 а з1 а Ы е
Ь е И и т т а § п е 1 о т е ! е г з т а И § е о т а § п е 1 1 с П ис1иа11опз, 3 . ееор Ь уз. т ез., ^ X V 1 ,
№ 12, 1961.
140. Я н у с Р . И . и д р ., О прим енен и и ф ер р озон дов ой ап п ар атур ы в м е д и ­
ц и н е. В с б ., посвящ енном памяти Р . И . Я н у с а , И Ф М А Н СС С Р, вы п. 26,
С в ер д л о в ск , 1967.
141. А ф а н а с ь е в Ю. В ., О к в а д р а т у р н о й составляю щ ей вы ходной э . д . с.
ф е р р о зо н д а , С б. «Г еоф изическое п р и б о р о ст р о ен и е» , Л ., О К Б МГ и О Н С С С Р,
вып. 7 , 1960.
142. А ф а н а с ь е в
Ю. В. , Б е р к м а н
Р. Я. , С п е к т о р
Ю . И .,
О п о н и ж ен и и п ор ога чувстви тельн ости ф ер р озон дов ы х м агн и том етр и ческ и х
у ст р о й с т в . С б. «Г еоф изическое п р и б о р о ст р о ен и е, Г ост оп техи зд ат , вып. И , 1962.
143. Ш и д л о в и ч
Л . X ., Д и ф ф ер ен ц и ал ьн ы е трансф орм аторы и их п р и ­
м ен ен и е, «Э нергия», 1966.
144. Б е р к м а н
Р. Я- , А ф а н а с ь е в
Ю. В. , С п е к т о р
Ю . И .,
С п о со б уста н о в к и н ул ь -п ун к та в м агн и том етр и ч еск и х уст ан ов к ах с м а г н и т о ­
м о дул яц и он н ы м и датчик ам и , А в т. св . № 1 39090, Б ю л л . и з о б р ., 1961, № 12.
145. В а с и л ь е в а
И. П. , С е д ы х
О. А, , Б о я р ч е н к о в
М . А .,
П р о ек ти р о в а н и е м агнитны х уси л и т ел е й , Г о сэн е р г о и зд а т , 1959.
146. Т и щ е н к о И . М ., С таби льн ость магнитны х у си л и т ел ей , «Э нергия»,
1964.
147. К о т е л ь н и к о в В . А ., Т е о р и я п отенц и альн ой п о м ехоуст ой ч и в ост и ,
Г Э И , 1956.
148. А н д р е В . и д р .. Т он к и е ф ер р ом агн и тн ы е п лен к и , п ер . с н ем ец к ого
о б щ . р ед . Т ел есн и н а Р . В ., «М ир», 1964.
149. А п о к и н И. А. , К и п а р е н к о Г. Ф ., Т он к ие магнитны е п л ен к и
в вы числительной т ех н и к е, «Э нергия», 1964.
150. А п о к и н И . А ., Т е х н о л о ги я и згот ов л ен и я ф ер р ом агн и тн ы х п л е н о к ,
«Э н ер ги я», 1966.
1 51. М е 1 е г В . А ., А Р1уе М е§асус1е О К О ТЫ п-РЦгп К о б М е т о г у , Р г о с.
1 п 1 е г т а § . С оп {егепсе, 1963.
152. Р е з н и к Э. Е ., А стати ч еск и й м агнитом етр М А -21, С б. «Г еоф и зи ч е­
ск о е п р и бо р о ст р о ен и е» , вып. 2 9 , «Н едр а», 1966.
153. К а р а л и с В . И ., Э лектр он ны е схем ы в п ром ы ш ленности, «Э н ерги я»,
1966.
1 54. Р о з е н б л а т М. А ., М агн етон и к а, «Н аук а», 1967.
155. 5 с Ь о п 8 I е (1 I Е . О ., АЗ]и81аЫе та^ пеН с соге, патент С Ш А ,
№ 3 0 7 6 9 3 0 , к л. 3 2 4 -4 3 , 1962.
• 156. К а н у н н и к о в
В. И. , В о р о н и н
В . С ., Б ы стр одей ств ую щ и й
магн итом етр на т р а н зи ст о р а х , — «П риборы и т ехн и к а эк сп ери м ен та», 1965, № 2.
157. А ф а н а с ь е в Ю. В . и д р ., Ф ер р о зо н д с поперечным в о зб у ж д е н и е м ,
А в т. св . № 2 0 6 7 1 0 , Б ю л л . и з о б р ., 1 968, № 1.
158. Д м и т р и е в
Ф . С ., Т р . В Н И И Э П , № 2 , Л ., О Н Т И , 1960.
159. В е д е н е в М. А. , Д р о ж ж и н а
В. И. ,
Ф р и д м а н Л . X .,
К в о п р о су о расч ете ф ер р о зо н д о в , Т р . И Ф М А Н СССР, вып. 2 4, С в ер д л о в ск ,
1965.
162
160. П о н о м а р е в Ю. Ф. , Ф р и д м а н Л . X ., К р асчету ч ув ств и тел ь­
ности д в у х эл е м ен т н ы х ф ер р о зо н д о в , В с б ., п освя щ ен н ом памяти Р . И . Я н у с а ,
Т р . И Ф М А Н С С С Р , вып. 2 6, С в ер д л ов ск , 1967.
161. М а р т и н Т . Л . , Э лектрон ны е ц еп и , В о е н и зд а т (пер . с а н г л .), 1958.
162. П о н о м а р е в
Ю. Ф ., И ссл ед о в а н и е элек тром агн и тны х явлен ий
в м агнитны х м о д у л я т о р а х , к ан ди датск ая д и с с е р т а ц и я , С вер дл ов ск , 1966.
163. Г о л ь д р е е р
И. Г. , А ф а н а с ь е в Ю . В ., Ч етн огар м он и ч еск и е
м агнитны е у си л и т ел и , Б ю л л етен ь техн и ч еск ой и нф ор м ац и и по геоф и зи ч еск ом у
п р и б о р о ст р о ен и ю , ию нь, Л ., О К Б МГ и О Н С С С Р , 1958.
164. Р о з е н б л а т М. А ., О сновы т еор и и и р асчета селективны х вы п ря ­
м ителей на н ел и н ей н ы х симметричны х с о п р о т и в л ен и я х . «Автоматика и т е л е м е ­
х ан и к а», 15, № 4 , 1954.
165. Б а л ь с о н М. Р ., П р и м ен ен и е т ео р и и ф и льтров д л я со гл асов ан и я
вы хода м агн н точ ув стви тел ьн ого эл ем ента со в ходом изм ер и тельн ой ап п ар ат ур ы ,
Б ю л л етен ь тех н и ч еск о й инф ормации по геоф и зи ч еск ом у п р и бор ост р оен и ю ,
ию ль, Л ., О К Б М Г и О Н СССР, 1958.
166. М и х а й л о в с к и й
В. Н. , С п е к т о р
Ю . И . К в оп р осу с о г л а ­
сов ан и я м агн и тн ы х уси л и тел ей типа «второй гарм они к и» с н а гр у зк о й , «А втом а­
тика и т ел ем ех а н и к а » , 18, № 6 , 1957.
167. Л ы с е н к о А . П ., Р абота четно г ар м он и ч еск и х ф ер р озон дов и м а г ­
нитных у си л и т ел е й п од н а гр у зк о й , «Э лектричество», 1 963, № 12.
168. Г о т о
и д р ., П ар ам етр он ы , С б. ст а т ей , И зд -в о
и ностр. л и т .,
1962.
169. П -а с ы н к о в
В. В. , С а в е л ь е в
Г. А ., Ч и р к и н Л . К -,
Н ел и н ей н ы е п о л уп р оводн и к ов ы е со п р о т и в л ен и я , С у д п р о м ги з, 1962.
170. А ф а н а с ь е в Ю . В ., С и н хр он н ы е детек тор ы , прим еняем ы е в ф ер р озон довы х
м а гн и т о м етр ах, С б. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор остр оен и е», вып. 18,
«Н едр а», 1 964.
171. X а р т л и Р . и д р ., Т еор и я и нф ор м ац и и и ее п р и л о ж ен и я , С б. п е р е ­
водов п о д р ед . А . А . Х ар к ев и ч а, Ф и зм атги з, 1959.
172. А ф а н а с ь е в
Ю . В ., О в озм о ж н о сти п остроен и я ф ер р о зо н д о в о го
м агн и том етр а, работаю щ его на сум м е четны х гар м он и к . С б. Г еоф и зи ческ ое п р и ­
б о р о ст р о ен и е, вып. 3 , О К Б М Г и О Н С С С Р, 1959.
173. А ф а н а с ь е в
Ю. В. , С е л ю т и н
В. А. , Е ф р е м о в
В . Ф .,
У стр о й ств о д л я и зм ер ен и я м агнитны х п о л ей , А в т. св. № 124986, Б ю л л . и з о б р .,
№ 2 4 , 1959.
174. А р т а м о н о в В . Е ., Ф азочув ств и тел ьн ы й уси л и т ел ь . А в т. св.
№ 199 198, Б ю л л . и зо бр . № 15, 1964.
175. Б е р к м а н О . Я -, Ф азовы й д ет ек тор на кратны е частоты, «А втом а­
тика и 'т е л е м е х а н и к а » , 19, № 4, 1958.
» 176. З а ц е п и н
Н . Н ., С п особ и зм ер ен и я магнитны х п ол ей , А в т. св.
№ Г40230, Б ю л л . и зо б р ., 1961, № 16.
177. 8 1 г 1 с к е г 8 .,
и 1 к а п А ., А р п Н е-р озШ оп тос1и1а1ог-1уре
т а 8 п е 1 о т е 1 е г , « С о т т и п 1 са 1 1 о п апй Е1ес1гоп1с5», Йи1у, № 5 5 , 1961.
1 78. Л у з и н
В. Н. , Р а д к е в и ч И. А. , С о к о л о в с к и й
В . В .,
П р и бор д л я н еп р ер ы вн ого и зм ер ен и я и за п и си м едл ен н о м ен я ю щ и хся м агн и т ­
ных п о л ей , П Т Э , № 4 , 1962.
» 179. Я к о в л е в Н . И . , Ц иф ровой ф ер р озон дов ы й магнитометр с ш и ротной
м о д у л я ц и ей , С б. «Г еоф и зи ческ ая а п п ар ат ур а», вып. 3 3 , «Н едра», 1967.
180. А ф а н а с ь е в
Ю . В ., и д р ., Ф ер р озон д ов ы й м агнитом етр, авт. св.
№ 1 3 5 5 3 5 , Б ю л л . и зо б р ., 1961, № 3.
181. А ф а н а с ь е в Ю . В ., П р и щ е п о В . А ., У стр ой ств о д л я и зм е ­
рен и я м агн итн ы х п о л ей , А вт. св. № 1 5 0 9 1 9 , Б ю л л . и з о б р ., 1962, № 2 0.
182. А ф а н а с ь е в Ю. В. , Л ю л и к
В . П ., Т р ехк ом п он ен тн ы й ф е р р о ­
зондовы й м а гн и то м етр , С б. «Геоф и зи ч еск ая а п п а р а т у р а » , вып. 3 6 , «Н едра», 1968.
183. П о н о м а р е в
В . Н ., С п особ и зм ер ен и я зем н ого м агн итн ого п о л я .
А вт. св . № 1 0 8 4 4 0 , Б ю л л . и з о б р ., 1 9 57, № 9 .
* 184. Х в о с т о в
О . П ., К ом п ен сац и я п остоян н ы х и индуктивны х пом ех
в ек то р -м а гн и то м етр а . Сб.
н ауч н о-т ехн .
р а б о т . Л ., О К Б МГ и О Н С С С Р,
№ 1, 1 957.
11*
163
X 185. Л ы с е н к о А . П ., Т е о р и я и м етоды к ом пенсации м агнитны х п о л ей .
С б. «Г еоф и зи ч еск ое п р и бор остр оен и е», Л . , О К Б МГ и О Н СССР, вып. 7 , 1960.
1 86. Х в о с т о в О . П ., Т еор ети ч еск и е и эк сп ери м ен тальн ы е и ссл едов ан и я
м етодов к ом п енсаци и м агнитны х п ом ех аэр ом агн и том етр а, А в тор еф ер ат к а н д и ­
д а т ск о й д и ссер т а ц и и , Л ., 1964.
187. Д о л г и н о в
С. Ш. ,
П у ш к о в Н . В ., Р езул ьтаты и зм ер ен и я
м а гн и тн о го п оля З ем л и на косм и ч еск ой р а к ет е , Д А Н СССР, т. С Ь Х Х , № 1, 1959.
1 88. Д о л г и н о в
С. Ш . и д р . И ссл ед о в а н и я м агн итн ого п о л я Л у н ы ,
«Г еом агн етизм и аэрон ом и я», 1, № 1, 1961.
18 9 . Д о л г и н о в С. Ш . и д р ., И зм ер ен и я м агнитного п оля в ок р естн ости
Л у н ы на и скусствен н ом сп ут н и к е « Л у н а — 10», Д А Н СССР, т ., № 3 , 1966.
190. Т а г т а п С. А ., 5 . апй Т . М е т о . Т Р А З , ТесЬп1са1 1п{. В и г еа и ,
М1п1з1гу о{ 5 и р р 1 у , Н о у ., 1949.
191. Н о о б
Р ., ТЬе д гои п б {1их§а1е т а § п е 1 о т е ! е г - а п е\у у ег за Ш е рго5рес11п§. С а п а б . т 1 п ., Х У Г , № 6 , 1964.
1 9 2 . Л ы с е н к о А. П. , С о к о л о в Н. Ф. , М и х л й н
Б . 3 ., О м е­
т о д а х и зм ер ен и й слабы х магнитны х п ол ей в ш ироком сп ек тр е ч астот, С б. «Г ео­
ф и зи ч еск о е п р и бор остр оен и е», вып. 9 , Л ., 1961.
193. Б е р к м а н Р. Я. , М и х а й л о в с к и й В . Н ., И зм ер ен и е сл абы х
п ер ем ен н ы х м агнитны х п олей н и зк ой частоты при геоф изич еск ой р а зв ед к е,
И зв . А Н С С С Р, сер . гео ф и з., Я» 6 , 1959.
• 194. Б е р к м а н
Р. Я- , М и х а й л о в с к и й
В . Н ., М етод и зм ер ен и я
сл абы х пер ем ен н ы х магнитны х п олей н и зк о й частоты и его п р и м ен ен и е в т е х ­
н ик е и п р и к л адн ой ф и зи к е, «А втом атический к онтр ол ь и и зм ер и тельн ая т ехн и к а»,
вып. 3 , 1 959.
195. Б е р к м а н Р . Я -, И зм ер ен и е н ап р я ж ен н ост и перем енны х м агн итн ы х
п олей н и зк о й частоты м етодом д в о й н о го п р ео б р а зо в а н и я си гн ал а, А в тор еф ер ат
д и с сер т а ц и и , Л ьв ов , 1960.
196. Б е р к м а н
Р . Я -, У ст р о й ст в о д л я и зм ер ен и я м агн итн ой в о сп р и и м ­
чивости в ещ еств , А вт. св . Яд 1 2 6 5 4 8 , Б ю л л . и з о б р ., 1960, Я° 5.
19 7. А ф а н а с ь е в Ю . В ., У ст р о й ст в о д л я и зм ер ен и я м агнитной в осп р и и м ­
чивости в ещ еств . А в т. св. Я» 1 0 6425. Б ю л л ет ен ь и зобр ет ен и й , Яд 3 , 1960.
1 98. А ф а н а с ь е в Ю . В . О б а п п а р а т у р е д л я м агн и тн ого к а р о т а ж а ,
С б. н а у ч н о -т ех н . р а б о т О К Б и О Н , Я» 1, 1957.
199. Б е р к м а н
Р . Я -, И зм ер и тел ьн ы й ген ер атор д л я о п р ед е л ен и я м а г -'
нитны х св ой ств м атер и алов , А в т. св . Яд 1 2 3 6 0 6 , Б ю л л . и зобр . 1959, Яд 2 1.
2 0 0 . А ф а н а с ь е в Ю. В. , Г о л ь д р е е р И. Г. , К о р о л е в В . Д . ,
Н е й м а р к Г . С ., С ей см оп ри ем н ик и н д у к ц и о н н о го т и п а , А вт. св . Яд 1 1 9 6 2 0 .
Б ю л л . и з о б р ., 1959, Яд 6.
2 0 1 . А ф а н а с ь е в Ю. В. , Г о л ь д р е е р И. Г. , Н е й м а р к Г . С .,
Ф ер р о зо н д о в ы й сей см оп р и ем н ик , С б . п р о и зв .-т е х н . инф ормации по гео ф и зи ч е­
ск о м у п р и б о р о ст р о ен и ю , вып. 5 , Г о ст о п т е х и зд а т , 1960.
2 0 2 . А б р а м я н А . А ., А с и н х р о н н о е детек ти р ован и е и прием и м п ул ьсн ы х
р а д и о си г н а л о в , «С оветское р адио», 1966.
203. Н о в а к о в с к и й
С . В . , Ч а ст о т н а я м о д у л я ц и я , С в я зь и зд а т , 1946.
2 0 4 . Д ж о н с Д . , П рием н ик и частотн ом одул и р ован н ы х си гн а л о в , п ер .
с а н г л ., Г о сэн ер г о и зд а т, 1959.
205. А г е е в
Д. В. , Р о д и о н о в
Я . Г ., Ч М — р адиоп р и ем со с л е д я ­
щ ей н а ст р о й к о й , Г о сэн ер го и зд а т, 1958.
2 0 6 . Р о и г п 1 е г Н ., Е)е5Сг1р11оп б е з 1п51а11а11опз б ’ипе 51а11оп б ’епге§1з Д е ш е п ! б е з уаг1а11опз Д ёз гар1без би с Ь а т р т а ^ п ё Ч ц и е 1еггез1ге, С. К ., 1. 2 5 1 ,
1960.
2 0 7 . С и н и ц к и й Л . А . (р е д .), И зм ер и т ел ь н ы е п р еобр азов ат ел и п о ст о я н ­
н о го т о к а , « Н а у к о в а дум к а», 1965.
2 0 8 . \У 1 с к е г Ь а т
V/. Е ., Т Ь е Е и Ч А1гЬогпе М а§пе11с С г а б 1 о т е 1 е г ,
О еор Ь уз1сз, уо1. X I X , Я» 1, 1954.
209. К р а с о в с к и й
А. А. , П о с п е л о в
Г. С ., О сновы автом атик и
и т ех н и ч еск о й к и бер н ети к и , Г о сэ н е р г о и зд а т , 1962.
210. А ф а н а с ь е в
Ю . В . и д р .. С п особ к ор рекц и и ф ер р озон дов ы х с л е ­
д я щ и х си ст ем , А в т. св . Яд 2 0 2 2 7 6 , Б ю л л . и з о б р ., 1967, Яд 19.
164
211. Ф р и д л е н д е р
Г. О. , С е л е з н е в
В . П ., П и лотаж н ы е м а н о ­
м етр и ч еск ие п р и б о р ы , компасы и ав тош тур м аны , О б о р о н г и з, 1953.
2 1 2 . Б р а с л а в с к и й Д . А. , Л о г у н о в С. С. , П е л ь п о р Д . С .,
А в и ац и он н ы е п р и б о р ы , «М аш иностроение», 1964.
213. Б е л е ц к и й
В . В ., Д в и ж е н и е и ск у с ст в ен н о го сп утн и к а о т н о с и ­
тель н о ц ен тр а м а с с, «Н аук а», 1965.
♦ 214. М и X л и н Б . 3 .,
Е ф и м о в П. А. ,
Л и п и н
X . Ш ., М агн и то­
м етр , А в т. св . № 1 1 8547. Б ю л л . и з о б р ., 1 959, Ай 6.
215. А л е к с е е в
К. Б. , Б е б е н и н
Г. Г ., У п р ав л ен и е косм ическим
летательны м а п п а р а т о м , «М аш иностроение», 1 964.
2 1 6 . К а т т Е . 4 . , Ма§пе^о^^ие^ а 8а1е1111;е Ог1еп1а11оп В еу1се, А Р 8 4ои гпа1, X X X I , № 6 , 1961.
217. Л ы с е н к о
И. М. , М а т в е е в
М . А ., Опыт пр им енен и я ф е р р о ­
зо н д о в д л я и ск ател ьн ой системы м агн итн ого р ел ь со в о г о д еф ек тоск оп а, Т р . И Ф М
А Н СС С Р, вып. 21,. 1959.
2 1 8 . Ц е п л я е в а М . С ., Р асч ет и п р и м ен ен и е ф ер р озон дов д л я м агнитной
деф ек то ск о п и и , А в тор еф ер ат к анди датской д и с сер т а ц и и , М Э И , 1963.
21 9 . 8 с Ь и г .с Ь Е . С ., 8 е Ь И {
р . К ., А М адп еЦ с Т а р е О зсШ о^гарЬ
1ог Ромгег З у з к т А ра1уз1з, Т гап з. А Ш Е , Е Х Х , 1951.
220. Р о з е н б л а т
М . А ., М агн и т оы од ул я ц и он н ая голов ка д л я в о сп р о ­
и зв еден и я м агн и тн ой зап и си и м п ульсов при зам ед л ен н ом д в и ж ен и и н оси т ел я ,
Т р . ин-та зв у к о за п и с и , Я» 5 , 1959.
221. Б е р к м а н
Р . Я ., Г р ади ен том етр и ч еск и й м агнитны й зо н д на одном
сер д еч н и к е, -А втоматический к онтр ол ь и и зм ер и т ел ь н а я т ех н и к а , вып. 4, 1960.
2 2 2 . А ф а н а с ь е в Ю. В. , Г о л ь д р е е р
И . Г ., Ф ер р озон довы й м а г ­
нитометр — гр а д и ен то м ет р , А в т. св . № 1 3 5 6 5 6 , Б ю л л . и зо б р . 1964, № 3.
2 23. Х в о с т о в О . П ., М агнитны й п ел ен г а т о р , С б. геоф и з. п р и б о р о ст р .,
вып. 15, Л ., Г о ст о п т е х и зд а т , 1963.
Ф224. А ф а н а с ь е в
Ю. В. , А л е к с е е в Ю . В ., У стр ой ств о д л я и зм е­
р ен и я г р а д и ен т а м агн и тн ого п о л я . А в т. св . № 1 6 0 5 9 6 , Б ю л л . и з о б р ., 1964, № 4.
2 2 5 . Г р и н ь к о в Э. Д. и д р . . К о м п ен са ц и я п огр еш н остей ф ер р о зо н д о ­
вого г р а д и ен то м ет р а . С б. «Г еоф и зи ческ ая а п п а р а т у р а » , вып. 2 6, «Н едр а», 1965.
* 22 6 . А ф а н а с ь е в Ю. В. , К а т к о в В . П ., У стр ой ств о д л я и зм ер ен и я
гради ен та м а гн и т н о го п ол я , А вт. св. № 1 4 6 9 7 0 , Б ю л л . и з о б р ., 1962, № 9.
227. Ш в а р ц
М . Э . и д р .. У стр ой ств о д л я о б н а р у ж е н и я р а зд ел и т ел ей
или ск р еб к о в в н еф теп р ов од ах, А вт. св. № 1 7 4 9 1 4 , Б ю л л . и зо б р ., 1965, № 18.
228. К а т к о в
В . П . и д р ., С п особ п ои ск а ст в ол а ск в а ж и н . А в т. св .
№ 1 9 7 2 0 2 , Б ю л л . и з о б р ., 1967, № 12.
229. А ф а н а с ь е в
Ю. В. , Л ю л и к В .
П ., С п особ счета и о п р е д е л е ­
н ия ск о р о ст и д в и ж ен и я транспортны х ед и н и ц . А в т. св . Лй 2 1 8 7 0 8 , Б ю л л . и з о б р .,
1968, № 17.
230. С п е к т о р
Ю . И ., С п особ р а зд ел ь н о г о и зм ер ен и я остаточной и и н ­
д у к ти в н ой н ам агн и ч ен н ости об р а зц о в горн ы х п о р о д , А в т. св. № 121875, Б ю л л .
и зо б р ., 1 9 5 9 , Яд 16.
Оглавление
П р е д и с л о в и е ...........................................................................................................................................
Г л а в а п ер ва я . Ф изические основы и прин ц ип д ей стви я ф ер р озон дов . . .
......................................................
1. Ф ен ом енол оги ч еск и е св ой ств а
2 . П роницаем ость с е р д е ч н и к о в .................................................................
14
3 . Д в а основны х р еж им а р а б о т ы ............................................................... .....
4 . И сторическая с п р а в к а ................................................................................
34
Г л а в а вт о р а я . П араметры и харак тери сти ки ф ер р озон дов
..............................
5 . Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ..................................
6 . П ор ог ч у в с т в и т е л ь н о с т и .............................................................................. .....
7 . Диаграм.ма н ап р ав лен н ости
..........................................................................
Г л а в а т р е т ь я . К онструк ти вное в ы п ол н ен и е ф е р р о з о н д о в .................................,
8 . Вы бор м атериала и т ех н о л о г и я и зготов лени я сер дечн ик ов . ,
9 . О собен н ости к он стр ук ти в н ого вы полнения ф ер р озон дов
. . .
10. П рим ер расчета ф ер р о зо н д а на задан ны е параметры
. . . .
Г л а в а ч ет вер т а я . С опряж ение ф ер р озон дов с элем ентами и зм ерительной
с х е м ы ...................................................................................................
103
11. С огласован ие с г е н е р а т о р о м .................................................................
—
12. О собенности работы ф ер р о зо н д о в п од н агр узк ой
.........................
119
13. Способы вы деления п о л е з н о г о с и г н а л а ........................................
14. П рим ер п остроени я схем ы вы сок оч увствител ьн ого ф е р р о зо н д о ­
вого м агнитометра
..............................................................................................
Г л а в а п я т а я . Ф еррозон довы е и зм ер и тельн ы е устр ой ств а
...................................
15. И зм ерители п остоян н ы х п о л е й .....................................................................
16. И зм ерители п ерем енны х п о л е й ................................................................. • .
17. И зм ерители первой п р о и зв о д н о й от н апр я ж енн ости п оля п о
в р е м е н и .....................................................................
18. И зм ерители угл ов ы х в ел и ч и н
. . . . . . . . . . . . . . .
19. И зм ерители н еодн ор одн ости п оля
.......................................
Л и т ер а т у р а
......................................................................................
3
5
—
.
22
41
—
55
69
78
—
85
96
108
'
121 ;
127
—
136
141
143
А Ф А Н А С Ь Е В ЮРИИ ВАСИЛЬЕВИЧ
Ф Е Р Р О З О Н Д Ы
Р е д а к т о р N1. Н . С у р о в ц е в а
Х у д о ж е с т в е н н ы й р е д а к т о р Г. А . Г у д к о в
Т е х н и ч е с к и й р е д а к т о р О. С. Ж и т н и к о в а
К о р р е к т о р В. А. К и п р у ш е в
С д а н о в п р о и з в о д с т в о 9 / \ У 1969 г.
П о д п и с а н о к п е ч а ти
5/1Х 1969 г .
М-13147.
Печ. л. 10,5. У ч - и з д . л. 11. Бум . л. 525.
Б у м а г а т и п о г р а ф с к а я № 2, 6 0 х 9 0 ‘ /1вт и р а ж 7500. Ц е н а 70 к оп . З а к а з 149.
Л е ни нгр ад ское отделение издательства
„ Э н е р г и я ” , М а р с о в о поле, 1.
Л е н и н гр а д с к а я типограф ия № 6
Г л а в п о л и г р а ф п р о м а К о м и т е т а по пе чати
при С о в е т е М и н и с т р о в С С С Р
Л е н и н г р а д , ул. М о и с е е н к о , 10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
19
Размер файла
5 318 Кб
Теги
ferrozondy, 1afanas
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа