Феррозондовые преобразователи слабого магнитного поля на основе стержневых сердечников из аморфных сплавов

Научная статья

Авторы: Н. А. Соколов, А. И. Баяндин - cniii_iv@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск» Министерства обороны Российской Федерации, р. п. Нахабино, Россия

Аннотация: Феррозондовые преобразователи магнитного поля (ПМП) применяются в ходе геофизических и радиофизических исследований, при разработке гражданской и специальной техники. ПМП является основным элементом магнитометрических сенсорных систем. Принцип действия феррозондовых ПМП основан на преобразовании напряженности внешнего постоянного поля в ЭДС, кратную по частоте питающему его переменному току. Преобразование оказывается возможным благодаря нелинейности магнитных характеристик его сердечников.

В работе представлены основные результаты экспериментальных исследований разработанного феррозондового ПМП. Конструкция ПМП реализована на основе применения сердечников из аморфных сплавов с высокой магнитной проницаемостью. Исследованы конструктивно-схемотехнические решения, обеспечивающие повышение передаточной функции феррозондового ПМП при работе на более высокой частоте возбуждения сердечников. Выяснено, что рабочая частота возбуждения сердечников феррозондового ПМП определяется магнитными свойствами материала, из которого они изготовлены. Установлено, что для создания высокочувствительных феррозондовых ПМП целесообразно применять сердечники из аморфных сплавов типа АМАГ-170, обеспечивающих работу в полосе частот до 100 кГц, а значит имеющих возможность потенциального повышения коэффициента преобразования феррозондового ПМП за счет увеличения частоты возбуждения сердечника. Высокочувствительные феррозондовые ПМП перспективны для создания сенсорных систем.

Ключевые слова: магнитометрия, феррозонд, феррозондовые преобразователи магнитного поля, аморфные сплавы, магнитометр.

Keywords: magnetometry, ferroprobe, ferroprobe magnetic field converters, amorphous alloys, magnetometer

 

Введение

В задачах геофизических и радиофизических исследований широко применяются методы измерений магнитных аномалий естественного магнитного поля Земли. Эти физические методы используются средствами обнаружения скрытых объектов. Прецизионные измерения слабых магнитных полей – быстро развивающийся раздел метрологии, они находят множество применений в геофизических, радиофизических, океанологических исследованиях [1, 2]. В настоящее время наибольшее распространение получили преобразователи магнитного поля (ПМП) следующих типов: магнитомеханические, магниторезистивные, индукционные, гальваномагнитные, магнитооптические, на основе ядерно-магнитного резонанса, сверхпроводящие квантовые и феррозондовые [3].

Анализ существующих типов ПМП показал, что наиболее подходящими для построения переносных магнитометрических сенсорных систем по совокупности характеристик являются феррозондовые ПМП. Они характеризуются более высокой надежностью и стойкостью к внешним воздействиям, меньшей себестоимостью (по сравнению с другими типами ПМП) ввиду технических и технологических особенностей производства данных изделий [4]. Информационный сигнал феррозондового ПМП содержит данные о величине и направлении действия вектора измеряемого магнитного поля.

Известны общие технические характеристики переносных феррозондовых магнитометров специального назначения, созданных на основе феррозондовых ПМП: чувствительность (коэффициент преобразования) до 0,055 мВ/нТл; разрешающая способность до 0,1 нTл; диапазон измерений порядка ±100 нТл [5]. При разработке магнитометрических сенсорных систем необходимо обеспечить максимальную дальность действия, которая определяется чувствительностью датчиков. Несмотря на то что в известных феррозондовых ПМП достигнут высокий уровень технических характеристик, еще остаются направления их совершенствования и повышения чувствительности, в частности за счет применения новых магнитных материалов и схемотехнических решений, миниатюризации, снижения энергопотребления и затрат на производство [6].

Цель настоящей работы – исследование разработанного феррозондового ПМП, конструкция которого реализована на основе применения сердечников из аморфных сплавов с высокой магнитной проницаемостью.

 

Принцип построения преобразователя

Одним из типов феррозондовых ПМП является дифференциальный феррозонд, который содержит два идентичных стержневых сердечника из ферромагнетика и охватывающие их катушки возбуждения, питаемые переменным током, а также измерительные катушки. Принцип действия феррозондовых ПМП основан на преобразовании напряженности внешнего постоянного поля в ЭДС, кратную по частоте питающему его переменному току [7].

Выражение, характеризующее зависимость параметров дифференциального феррозонда от характеристик магнитопровода [8], имеет вид

E2 = 4 ω S N2 H0 μ0 μ2, (1)

где E2 – амплитуда напряжения в сигнальной обмотке, охватывающей оба сердечника, мВ; ω – циклическая частота возбуждения сердечника ПМП, рад/мс; S – поперечное сечение сердечника, мм2; N2 – количество витков вторичной обмотки; Н0 – внешнее поле, направленное вдоль сердечников, А/м; μ0 – магнитная постоянная, Гн/м; μ2 – относительная магнитная проницаемость материала сердечника.

Из (1) видно, что при прочих равных условиях, например одинаковых конструктивных параметрах феррозонда, всегда имеется резерв повышения его чувствительности (коэффициента преобразования) за счет увеличения частоты возбуждения сердечника. В свою очередь, рабочая частота возбуждения сердечников феррозондового ПМП определяется магнитными свойствами материала, из которого они изготовлены.

 

Для оценки параметров и определения оптимального материала для изготовления сердечника испытаны образцы:

  1. пермаллоевого сплава 80НХС
  2. аморфного сплава 84КХСР,
  3. аморфного сплава 82КЗХСР
  4. аморфного сплава АМАГ 170 (рис. 1).

В процессе измерений проведены парная сортировка и отбор заготовок по два идентичных образца стержневых сердечников с равными значениями относительной магнитной проницаемости. Габаритные размеры образцов миниатюрных стержневых сердечников: длина 20 мм; ширина 2 мм; толщина 25–32 мкм.

 

Рис. 1. Образцы стержневых сердечников
Fig. 1. Samples of rod cores

 

Сравнительная оценка зависимости частоты перемагничивания от относительной магнитной проницаемости μ2 сердечников выполнена методом преобразования параметров LC тестового колебательного контура в период колебаний Т и измерения собственной резонансной частоты (периода) колебаний выходного сигнала измерительного генератора и амплитуды напряжения выходного сигнала с сердечником и без него (феррорезонанса) на различных рабочих частотах в диапазоне 100 Гц–500 кГц [9].

На рис. 2 приведена экспериментально полученная зависимость феррорезонанса (изменение амплитуды напряжения выходного сигнала в тестовом колебательном контуре) от частоты колебаний для стержневых сердечников из различных сплавов. Из рисунка видно, что для создания высокочувствительных феррозондовых ПМП целесообразно применение сердечников из аморфных сплавов типа АМАГ 170, обеспечивающих работу в полосе частот до 100 кГц, а также потенциальную возможность повышения коэффициента преобразования феррозондового ПМП за счет увеличения частоты возбуждения сердечника. Кроме того, применение сплава АМАГ 170 не требует специализированного оборудования и определенных условий для нарезки на полосы требуемого размера (закалка, лазерная резка и т. п.).

 

Рис. 2. Экспериментальная зависимость феррорезонанса колебательного контура от частоты перемагничивания стержневых сердечников из различных сплавов
Fig. 2. Experimental dependences of the vibrational circuit ferroresonance on the frequency of magnetization reversal for rod cores made of various alloys

 

Конструкция феррозондового ПМП

В настоящее время в схемах возбуждения и преобразования сигналов феррозондовых ПМП широко применяются электронные усилители напряжения. Однако применение усилителей сигнала по напряжению в данных электронных схемах имеет недостатки: относительно большое количество витков катушек (от нескольких сотен до тысячи витков), что обусловливает относительно высокое напряжение питания, необходимое для возбуждения феррозонда, а также большую массу и габариты феррозонда. Исключить недостатки, присущие схемам, основанным на усилении напряжения полезного сигнала, и являющиеся существенными при батарейном питании (от 1,5 до 3 В), позволит применение электронных усилителей тока [10]. Функциональная схема разработанного феррозондового ПМП на основе двух стержневых сердечников из аморфного сплава АМАГ 170 приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Функциональная схема разработанного феррозондового ПМП
Fig. 3. Functional diagram of the developed ferroprobe MFC

 

Разработанный феррозондовый ПМП состоит из двух сердечников из аморфного ферромагнитного сплава, усилителя DA1 импульсного тока возбуждения, катушек возбуждения Lв1, Lв2, измерительных катушек L1, L2, конденсаторов С1, С2, образующих измерительный колебательный контур, усилителей тока DA3, DA4, включенных в режиме повторителей напряжения, обмотки отрицательной обратной связи (ООС) LООС, резистора отрицательной обратной связи ROOC и усилителя постоянного тока DA2 в цепи обратной связи.

Для создания в объеме сердечников магнитного поля обмотки Lв1, Lв2 возбуждаются переменным током через усилитель DA1. Протекающий в обмотках возбуждения Lв1, Lв2 ток создает в объеме сердечников поля, равные по величине, но противоположные по направленности, которые вызывают возбуждение вторичных измерительных обмоток L1, L2 и генерацию переменного тока в колебательном контуре, образованном обмотками L1, L2 и конденсаторами С1, С2. Наилучшие результаты можно получить, если возбуждать обмотки Lв1, Lв2 знакопеременными прямоугольными импульсами тока с синхронным детектированием четных гармоник и последующим суммированием результатов. При низковольтном питании переносной аппаратуры (от 1,5 до 3 В) включение усилителей тока DA3, DA4 в режиме повторителей напряжения по двухтактной схеме усиления (DA3 усиливает по положительному полупериоду, а DA4 – по отрицательному) позволяет обеспечить снижение потребления мощности за счет повышения коэффициента полезного действия схемы усиления. Внешнее поле в объеме феррозондового ПМП компенсируется внутренним полем, создаваемым в обмотке отрицательной обратной связи LООС, в которой протекает ток через резистор ROOC и усилитель DA2. Основной канал в этом случае выполняет функцию нуль-индикатора, тогда как оценка измеряемого поля проводится по измерению тока в цепи отрицательной обратной связи, а ток компенсации вырабатывается основным каналом с L1, L2. Таким образом, погрешность магнитометрического канала уменьшается за счет замены менее стабильной цепи прямого преобразования более стабильной цепью обратного преобразования [7].

Разработанный феррозондовый ПМП отличается от известных конструкций применением сердечника из аморфного сплава АМАГ 170 с заданными расчетными размерами 40×2×0,02 мм и возбуждением сердечника слабым током с использованием глубокой отрицательной обратной связи. Передаточная характеристика разработанного феррозондового ПМП для различных частот возбуждения сердечников представлена на рис. 4. Видно, что передаточная характеристика феррозондового ПМП возрастает при работе на более высокой частоте возбуждения (f = 25 кГц) сердечника.

 

Рис. 4. Передаточная характеристика разработанного феррозондового ПМП для различных частот возбуждения сердечников
Fig. 4. Transfer characteristic of the developed ferroprobe MFC for various core excitation frequencies

 

При сравнении параметров чувствительности ПМП различных конструкций и принципа действия проблемой является создание идентичных условий для измерений как для серийных полевых изделий, так и для исследуемых макетных образцов дискретных феррозондовых ПМП, которые на данном этапе разработки еще не могут быть испытаны в полевых условиях [11, 12]. Экспериментально чувствительность G (коэффициент преобразования) может быть определена с помощью наложения на феррозонд поля, параметры которого заранее известны [13]. Решение данной проблемы осуществляется созданием в лабораторных условиях калиброванных однородных постоянных и низкочастотных переменных магнитных полей одной пространственной ориентации с помощью системы парных катушек Гельмгольца.

Принцип действия системы основан на создании однородного магнитного поля необходимой величины в определенном внутреннем объеме трубы для постановки физических экспериментов с помощью круглых соосных идентичных (парных) катушек Гельмгольца и компенсации в этом объеме внешнего магнитного поля с помощью квадратных соосных парных катушек Гельмгольца. Конструктивно система выполнена в виде двух групп идентичных круглых и квадратных катушек Гельмгольца из одинакового числа витков, размещенных на крепежной (направляющей) трубе. Однородное магнитное поле создается во внутреннем объеме крепежной трубы. Испытуемый феррозонд устанавливается в центре колец Гельмгольца таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с осью колец.

Известны исследования дальности обнаружения стандартных ферромагнитных объектов феррозондовыми магнитометрами промышленного производства [14, 15]. Экспериментальные оценки чувствительности разработанного феррозондового ПМП на разных частотах возбуждения сердечников представлены на рис. 5. Видно, что отношение полезного сигнала к величине измеряемого магнитного поля феррозондового ПМП пропорционально увеличению рабочей частоты сердечника, т. е. чувствительность феррозонда повышается при работе на более высокой частоте возбуждения сердечников (f = 25 кГц).

 

Рис. 5. Экспериментальная зависимость амплитуды выходного сигнала разработанного феррозондового ПМП от воздействующего магнитного поля
Fig. 5. Experimental dependences of the amplitude of the output signal of the developed ferroprobe MFC on the acting magnetic field

 

Аппроксимация экспериментальных данных зависимости амплитуды выходного сигнала разработанного феррозондового ПМП от воздействующего магнитного поля полиномами 5-й степени для частоты возбуждения сердечников 15 и 25 кГц соответственно показывает удовлетворительную достоверность (R² ≥ 0,99) и сходимость с результатами теоретических расчетов [16]:

E2(B) = –0,0002B5 + 0,0049B4 – 0,044B3 + 0,1484B2 – 0,026B + 0,0988,

E2(B) = –0,0002B5 + 0,0041B4 – 0,0241B3 + 0,0013B2 + 0,394B – 0,1952,

где E2 – амплитуда напряжения в сигнальной обмотке, В;   B – модуль вектора магнитной индукции, нТл, B ϵ (0; 105).

 

Заключение

Феррозондовый ПМП, разработанный на основе сердечников из аморфного сплава АМАГ 170, с возбуждением сердечников слабым током с использованием глубокой отрицательной обратной связи имеет следующие преимущества перед известными аналогами: работает на более высокой частоте возбуждения сердечников, что, в свою очередь, обеспечивает повышение передаточной функции (чувствительности) до уровня приблизительно 0,023 и 0,029 B/нТл для частоты возбуждения сердечников 15 и 25 кГц соответственно при сохранении разрешающей способности не хуже 0,1 нТл.

Новизна разработанного феррозондового ПМП подтверждается патентом РФ на изобретение № 2757650 [17].

 

Литература

  1. Амеличев В. В., Резнев А. А., Сауров А. Н. Микросистемы с высоким коэффициентом преобразования слабого магнитного поля на основе магниторезистивных наноструктур // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 5. С. 432–439. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2020-25-5-432-439
  2. Буслов И., Бауткин В., Драпезо А., Ярмолович В. Датчики слабых магнитных полей на эффекте Холла // Современная электроника. 2011. № 1. С. 12–17.
  3. Развитие технологий магнитополупроводниковых микросистем / В. В. Амеличев, И. Е. Абанин, В. В. Аравин и др. // Изв. вузов. Электроника. 2015. Т. 20. № 5. С. 505–510.
  4. Звежинский С. С., Парфенцев И. В. Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов // Спецтехника и связь. 2008. № 2. С. 8–17.
  5. Власкин К. И. Разработка электромагнитных систем малогабаритных первичных преобразователей феррозондового типа: дисс. … канд. техн. наук. Уфа, 2016. 155 с.
  6. Ferex 4.032: Technical description. Ed. 09/2000. Reutlingen: Institut Dr. Foerster, 2000. 16 p.
  7. Афанасьев Ю. В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 187 с.
  8. Никольский В. В. Теория электромагнитного поля. 4-е изд. М.: Едиториал УРСС, 2020. 400 с.
  9. Valverde V., Mazón A. J., Zamora I., Buigues G. Ferroresonance in voltage transformers: analysis and simulations // International Conference on Renewable Energy and Power Quality Journal (ICREPQ’13). 2007. Vol. 1. No. 5. P. 465–471. doi: https://doi.org/10.24084/repqj05.317
  10. Соколов Н. А., Рычков А. В., Щербаков Г. Н., Ефремов И. А. Многоканальная магнитометрическая система для повышения поисковых возможностей автономных необитаемых подводных аппаратов //Электричество. 2021. № 7. С. 51–60. doi: https://doi.org/10.24160/0013-5380-2021-7-51-60
  11. Звежинский С. С., Парфёнцев И. В., Соколов Н. А. Новые модели сигналообразования в пассивном распределенном магнитометрическом преобразователе // Радиотехника. 2019. № 2. С. 17–20.doi: https://doi.org/10.18127/j00338486-201902-03
  12. Магнитометрический бомбоискатель МБИ-П: техническое описание и инструкция по эксплуатации БИВР.411172.001 ТО. М., [б. и.]. 71 с.
  13. Афанасьев Ю. В. Феррозонды. Л.: Энергия, 1969. 168 с.
  14. Щербаков Г. Н., Анцелевич М. А. Новые методы обнаружения скрытых объектов: борьба с терроризмом, гуманитарное разминирование, защита информации, контроль подземных коммуникаций, археология, экология. М.: Эльф ИПР, 2011. 503 с.
  15. The International Mine Action Standards (IMAS): [web]. URL: https://www.mineactionstandards.org/(дата обращения: 05.08.2021).
  16. Mathcad: математическое ПО для инженерных расчетов: [электронный ресурс]. URL: https://www.mathcad.com/ (дата обращения: 25.08.2021).
  17. Пат. 2757650 РФ. Феррозондовый магнитометрический датчик / Н. А. Соколов. Заявл. 13.04.2021; опубл. 19.10.2021, Бюл. № 29. 9 с.

 

Информация об авторах

  • Соколов Николай Александрович – старший научный сотрудник ФГБУ «Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск» Министерства обороны Российской Федерации (Россия, 143432, Московская обл., Нахабино, ул. Карбышева, 2), cniii_iv@mail.ru
  • Баяндин Алексей Иванович – старший научный сотрудник ФГБУ «Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск» Министерства обороны Российской Федерации (Россия, 143432, Московская обл., Нахабино, ул. Карбышева, 2), cniii_iv@mail.ru

 

​ Скачать статью.pdf

Ресурс: Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 2022 27(1) С. 80–88.