Магнитные сенсоры. Сенсоры на сквидах. Индуктивные сенсоры

Цель лекции: напомнить необходимые для понимания материала сведения из физики магнитных и электромагнитных явлений. Разъяснить принципы магнитодиагностики, магнитной дефектоскопии, работы магнитных и индуктивных сенсоров, сверхпроводящих квантовых интерферометров (сквидов), привести примеры интеллектуальных сенсоров на их основе.

12.1. Необходимые сведения из физики

К классу электромагнитных мы относим сенсоры, в которых первичные сигналы об исследуемом объекте или явлении возникают в виде изменения магнитного поля или в виде сигналов электромагнитной индукции, и именно эти изменения или сигналы воспринимаются, анализируются и используются для получения информации.

Напомним коротко физическую суть лишь тех известных понятий, которые будут использованы в данном разделе.

Магнитное поле – это силовое поле, которое действует на физические тела, имеющие собственный магнитный момент, на подвижные электрические заряды и на проводники с током. Магнитное поле в каждой его точке характеризуют вектором магнитной индукции , величину которого выражают в системе СИ в "теслах" ( Тл ). Из-за того, что атомы, ионы и электроны, из которых составлено вещество, имеют собственные магнитные моменты, то при взаимодействии с магнитным полем они стремятся повернуться в направлении этого поля и, как правило, усиливают его. Коэффициент усиления магнитного поля в веществе называют "магнитной проницаемостью вещества". Она является безразмерной величиной и обычно обозначается греческой буквой .

Ряд веществ, которые называют "ферромагнетиками", имеют большую магнитную проницаемость ( и больше) из-за того, что магнитные моменты атомов, из которых они составляются, относительно велики. И если они имеют возможность поворачиваться в пространстве, то все спонтанно (сами по себе, поскольку это выгодно энергетически) ориентируются в одном направлении. При температурах ниже так называемой "точки Кюри" такая спонтанная намагниченность "замораживается". Образуются так называемые "домены" – области однородной намагниченности, которые под влиянием внешнего магнитного поля перемагничиваются как единое целое.

Типичная "кривая намагничивания" ферромагнитных материалов типа железа показана на рис. 12.1. Это – зависимость магнитной индукции внутри ферромагнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля, создаваемого, например, внутри соленоида. Штрихами выделена так называемая "кривая первого намагничивания". Сначала почти линейно возрастает с увеличением . Угол наклона этого участка тем больший, чем больше магнитная проницаемость материала . Однако затем скорость роста с увеличением уменьшается, и в конце концов магнитная индукция практически перестает зависеть от . Это происходит потому, что при таких значениях уже все магнитные домены сориентированы в направлении внешнего магнитного поля. Соответствующее значение называют магнитной индукцией насыщения.

Рис. 12.1.

В дальнейшем ход кривой перемагничивания становится зависимым от предыстории и направления изменения внешнего магнитного поля. Когда последнее уменьшается и спадает до нуля, ферромагнитный материал остается еще намагниченным в прежнем направлении. Величину называют остаточной намагниченностью. Под действием возрастающего внешнего магнитного поля противоположного направления величина намагниченности уменьшается до нуля, а затем ферромагнетик перемагничивается уже в новом направлении. Напряженность внешнего магнитного поля , при которой индукция магнитного поля в ферромагнетике становится равной нулю, называют коэрцитивной силой. В целом кривая медленного перемагничивания ферромагнетика имеет вид симметричной относительно начала координат замкнутой линии, которую называют "петлей гистерезиса".

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов и другие их свойства зависят не только от состава, но и от их микроструктуры, технологии обработки, температуры. Кривая гистерезиса зависит еще и от частоты перемагничивания и от характера изменения внешнего магнитного поля.

Магнитное поле тесно связано с электрическим. Источниками магнитного поля являются не только объекты с собственным магнитным моментом, но и движущиеся электрические заряды, и электрический ток.

Переменное магнитное поле порождает электрическое. В частности, в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, который его пронизывает, возникает электродвижущая сила (ЭДС) и протекает электрический ток. Это явление называют электромагнитной индукцией. Направление индукционного тока таково, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока сквозь площадь контура.

Из-за тесной связи магнитного поля с электрическим их рассматривают как единое "электромагнитное" поле, поведение которого в классическом приближении описывается известными уравнениями Максвелла.

В магнитных сенсорах часто используют уже упомянутый выше соленоид – свёрнутый в спираль проводник, через который протекает электрический ток ( рис. 12.2). Магнитное поле, которое создается внутри соленоида с током, является практически однородным, а векторы магнитной индукции направлены параллельно оси. Магнитная индукция пропорциональна силе тока и числу витков. Извне соленоида конфигурация магнитного поля подобна конфигурации поля постоянного стержневого магнита.

Рис. 12.2. Изображение соленоида и конфигурации его магнитного поля

Соленоид с размещенным внутри него ферромагнитным сердечником становится электромагнитом, сила притяжения которого пропорциональна силе тока.

Если электрический ток через соленоид быстро изменяется, то быстро изменяется и магнитный поток, который его пронизывает. Поэтому в соленоиде возникает дополнительная ЭДС ("ЭДС самоиндукции"), пропорциональная скорости изменения тока. Коэффициент пропорциональности называют индуктивностью, а сам соленоид – "катушкой индуктивности". Индуктивность соленоида довольно велика и пропорциональна числу витков в нем. ЭДС самоиндукции направлена так, что противодействует изменению тока в катушке. И этим явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. Из-за этого в цепях переменного электрического тока сила тока в катушке индуктивности отстает от изменений напряжения на четверть периода.

Если две катушки индуктивности пронизывает общий магнитный поток, то образуется "трансформатор". Изменение тока в одной из катушек приводит к возникновению ЭДС индукции в другой катушке – и тем большей, чем больше в ней число витков. Катушки могут быть гальванически развязаны (электрически изолированы одна от другой), а передача электроэнергии между ними происходит через общее переменное магнитное поле. Чтобы уменьшить потери энергии, обусловленные рассеянием магнитного поля (т.е. тем, что некоторая часть магнитных силовых линий проходит мимо другой катушки), катушки индуктивности в трансформаторах соединяют замкнутым магнитным сердечником – "магнитопроводом", в котором и сосредоточены практически все силовые линии (весь магнитный поток).

Если катушку индуктивности электрически соединить с конденсатором, то образуется электрический колебательный контур, в котором могут происходить свободные электромагнитные колебания. Во время таких колебаний энергия, накопленная в конденсаторе в виде энергии электрического поля, периодически перекачивается в энергию магнитного поля тока в катушке индуктивности, а потом – наоборот. Такой контур может играть роль эффективного частотного фильтра, который "откликается" в основном на электромагнитные колебания с "резонансной" частотой, т.е. с частотой собственных колебаний контура. Это широко используют в электротехнике и радиотехнике, в том числе и при построении сенсоров.

Если электрические силовые линии внутри конденсатора или магнитные силовые линии внутри соленоида не замыкаются, а выходят наружу, то часть энергии колебаний излучается в пространство в виде "электромагнитных волн". Последние со скоростью света могут распространяться в пространстве на очень большие расстояния. Напомним, что между скоростью распространения , частотой и длиной волны электромагнитных волн существует известное соотношение:

( 12.1)

В зависимости от частоты колебаний электромагнитные волны называют радиоволнами (при частотах 10³...10¹² Гц), инфракрасным излучением (при частотах 10¹²...3,75x10¹⁴ Гц), видимым светом (при частотах 3,8...7,5)x10¹⁴ Гц, ультрафиолетовым (при частотах 7,5x10¹⁴...10¹⁶ Гц), рентгеновским (при частотах 10¹⁶...10²⁰ Гц) и гамма-излучением (при частотах >10²⁰ Гц).

Радиоволны, в свою очередь, разделяют по длине волны на диапазоны:

• длинных волн (ДВ, длина волны 1...10 км, соответственно частота 300...30 кГц);
• средних волн (СВ, длина волны 100...1000 м, частота 3...0,3 МГц);
• коротких волн (КВ, длина волны 10...100 м, частота 30...3 МГц);
• ультракоротких или метровых волн (УКВ, длина волны 1...10 м, частота 300...30 МГц, англ. VHF - Very High Frequecy);
• дециметровых волн (англ. UHF - Ultra High Frequecy, длина волны 1...10 дм, частота 3000...300 МГц);
• сантиметровых волн (длина волны 1...10 см, частота 30...3 ГГц);
• миллиметровых волн (длина волны 1...10 мм, частота 300...30 ГГц).

Характер распространения радиоволн в атмосфере Земли существенно зависит от диапазона. Если длинные и средние волны легко огибают поверхность Земли и поэтому принимаются радиоприемниками практически в любой точке земного шара, то распространение коротких и особенно ультракоротких волн существенно зависит от состояния тропосферы. Дециметровые и сантиметровые волны принимаются в основном лишь в пределах прямой видимости.