Типы магнитометров

В этом высокоуровневом руководстве представлены распространенные типы магнитометров, включая скалярные, векторные, градиентные и другие.

В предыдущей статье мы познакомились с основами магнитометров и некоторыми из их основных приложений. Сегодня мы сделаем еще один шаг и рассмотрим наиболее распространенные типы магнитометров.

Скалярные магнитометры

Скалярные магнитометры выполняют точное измерение числового значения магнитного поля. Каждый тип основан на разных физических явлениях:

• Эффект Холла . Измерение напряжения, индуцированного на электрическом проводнике при приложении магнитного поля, идеально подходит для измерения магнитных полей.
• Прецессия протона (PPM): Используйте ядерный магнитный резонанс для измерения резонанса протонов в магнитном поле, измерения напряжения, индуцированного в катушке из-за их переориентации.
• Оверхаузер: Подобен магнитометрам с эффектом Холла и прецессии протонов, но использует радиочастотные сигналы для поляризации электронных спинов.

Магнитометр Оверхаузера для геофизических приложений. Изображение предоставлено Gem System

Векторные магнитометры

• Индуктивная: Измерьте дипольный момент некоторых частиц, измерив ток, индуцированный в некоторых катушках обнаружения после воздействия на образец переменного магнитного поля.
• Fluxgate: Состоит из кольцевого магнитного сердечника с как минимум двумя обмотками катушки:обмоткой привода и считывающей обмоткой.

Обмотки магнитометров. Изображение предоставлено Имперским колледжем Лондона

• Эффект Холла . Сгенерировать напряжение, пропорциональное магнитному полю, и предоставить информацию о его модуле и направлении; широко используется для датчиков, а не для определения характеристик магнитных материалов.
• Микроэлектромеханическая система (МЭМС): Обнаружение движения резонансной структуры с помощью оптических средств в микроскопическом масштабе.

Магнитометры MEMS дешевы и доступны. Изображение предоставлено Sparkfun Electronics

Градиентные магнитометры

Хотя каждый градиентный магнитометр немного отличается, каждый имеет примерно одинаковые элементы. Во-первых, им требуется устройство для создания известного магнитного поля, которое может быть переменным или постоянным. Во-вторых, градиентным магнитометрам требуется источник переменного градиентного поля. Наконец, им также требуются электронные или оптические средства для обнаружения и измерения результирующей силы.

Кроме того, все они работают в резонансе, поэтому магнитные образцы движутся вокруг своей резонансной частоты при достижении максимальной амплитуды.

Другой важный аспект магнитометров - ориентация магнитного поля. В некоторых магнитометрах, таких как Zijlstra, переменное и постоянное поле были выровнены и ориентированы вертикально. Напротив, в магнитометре Фонера образец вибрирует перпендикулярно магнитному полю, что упрощает необходимую настройку.

Вибрационный геркон

Zijlstra представила один из первых магнитометров с переменным градиентом в 1970 году. Он был предназначен для преодоления ограничений предыдущих магнитометров и измерения полной кривой гистерезиса магнитных материалов.

Герконовый магнитометр состоит из тонкой проволоки, на конце которой прикреплен довольно маленький образец, который нужно охарактеризовать. Две катушки соединены последовательно напротив друг друга или дифференциально соединены для создания градиента поля. Это поле создает силу на образце и, как следствие, вибрацию язычка. Поскольку движение очень тонкое, частота устанавливается равной механическому резонансу язычка, поэтому движение усиливается и его легче обнаружить. За движением язычка наблюдают с помощью микроскопа и лампы стробоскопа. Когда ток через катушки постоянен, магнитное поле тоже; Измеряемое нами движение пропорционально магнитному моменту образца.

Наиболее заметным отличием магнитометров Zijlstra от предыдущих является чувствительность, а также способность полностью определять характеристики магнитных материалов. Чтобы иметь полную магнитную характеристику, образцы должны быть очень маленькими, чтобы избежать дефектов, проблема в том, что магнитометры, способные характеризовать образцы с размером микрон, могут характеризовать только некоторые магнитные свойства, такие как остаточная магнитная индукция или восприимчивость, но не полный цикл гистерезиса .

Магнитометры с вибрационным образцом (VSM)

Большинство устройств, измеряющих магнитный момент, имеют катушку обнаружения, выровненную по горизонтали с катушками, генерирующими переменное магнитное поле.

Магнитометры с вибрирующим образцом (VSM), изобретенные Фонером в 1959 году, представили новинку, заключающуюся в том, что образец движется перпендикулярно приложенному магнитному полю. Фонер снизил сложность настройки, избегая серьезных изменений магнитов.

VSM имеются во многих лабораториях и коммерчески доступны.

Коммерческий магнитометр с вибрационным образцом (VSM). Изображение предоставлено Microsense

Комбинированные магнитометры переменного поля

Существует третья категория магнитометров, сочетающая в себе характеристики предыдущих; это так называемые комбинированные магнитометры. Они по-прежнему используют два магнитных поля; однако вместо того, чтобы применять только одно переменное поле и другое постоянное, они применяют два переменных поля. Самым большим преимуществом является определение характеристик образцов как в переменном, так и в постоянном токе по сравнению с VSM или другими магнитометрами, которые ограничены полями постоянного тока.

Другие магнитометры создают магнитное поле с частотой, равной частоте механического резонанса образца. Комбинированные магнитометры создают два магнитных поля, разность которых равна резонансной частоте. Поскольку одно из магнитных полей может быть установлено на 0 Гц, он может отлично работать как традиционный градиентный магнитометр. При изменении обеих частот устройство работает как сенсептометр, измеряя высшие гармоники магнитного момента. Этот тип магнитометра был изобретен в 2015 году исследователями из Мадридского технического университета.