2.4.4.Феррозондовый компас

Конструкция простейшего феррозондового навигатора (компаса), приведена на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Феррозондовый компас.

Если на обмотку возбуждения подать переменное напряжение, то магнитный поток в сердечнике будет изменяться и за счет возникновения электромагнитной индукции на выходе измерительных обмоток появится «наведенное» напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на измерительных обмотках будет тоже отсутствовать, поскольку изменение магнитного потока в этом случае вызывает появление в точках S₁, S₂ сердечника напряжений противоположной полярности, которые компенсируют друг друга.    Если внешнее магнитное поле прикладывается под углом , то на измерительных обмотках X и Y появляются напряжения, равные соответственно:

и ,

где -конструкционный коэффициент.

Следовательно, угол курса можно определить по формуле

.

2.4.5.Чувствительность и порог чувствительности феррозонда

Чувствительность феррозонда определяется по гармоникам ЭДС. Чувствительность по n-й гармонике, находится как отношение приращения соответствующей гармоники ЭДС полезного сигнала к приращению измеряемого поля. При измерении постоянного магнитного поля

,

Если подставить сюда выражение для амплитуды по второй гармонике, то

.

Порог чувствительности – это то наименьшее значение измеряемой величины, которое способно вызвать заметное изменение выходного сигнала. В феррозонде это наименьшее значение определяется уровнем помехи. Соответственно

,

где -амплитуда -й гармоники ЭДС помехи.

Наилучшие образцы магнитометров имеют погрешность менее 0.03% и дрейф показаний 1нТл.

2.5.Квантовые преобразователи

Основными достоинствами квантовых магнитометров являются:

-высокая точность измерений (0.001-0.01 нТл);

-быстродействие (до 100 отсчетом в секунду);

-отсутствие дрейфа нуля;

-абсолютный характер измерений.

Основным недостатком является невозможность компонентного измерения (измеряется только модуль индукции магнитного поля).

П ростейшие протонно-ядерные магнитометры основаны на наблюдении свободной прецессии ядер водорода – протонов. Как любая вращающаяся материальная частица протон обладает свойством гироскопа, т.е. стремится сохранить неизменным в пространстве положение оси своего вращения. Но так как протон это еще и вращающийся электрический заряд (положительный), то он обладает и собственным магнитным моментом (рис.2.28).

Рис.2.28.

При помещении системы, показанной на рис.2.26. во внешнее магнитное поле, магнитный момент протона стремится установиться по направлению действия вектора индукции магнитного поля. А свойство гироскопа препятствует этому. Это приводит к тому, что ось вращения протона начинает описывать конические поверхности вокруг направления вектора индукции внешнего магнитного поля. Это явление называется свободной прецессией (Рис.2.29).

Скорость изменения магнитного момента макроскопической намагниченности под действием магнитного поля описывается уравнением

,

Гиромагнитное отношение является мировой константой, т.е. не зависит от внешних факторов (температуры, давления и т.д.)

,

где и e –масса и заряд протона, с – скорость света в вакууме.

Частота прецессии связана с модулем индукции внешнего поля соотношением

,

где - гиромагнитное отношение протона.

Рис.2.29.

Таким образом, модуль индукции измеряемого магнитного поля однозначно связан с частотой прецессии протонов

.

Поэтому принцип действия протонного магнитометра заключается в возможности измерения частоты прецессии протонов относительно направления внешнего магнитного поля.

Упрощенная конструкция протонного магнитометра представлена на рис.2.30.

Если через катушку пропустить постоянный ток, создающий сильное магнитное поле В_Н , а ось катушки расположена перпендикулярно к внешнему измеряемому полю, то в рабочей области будет действовать суммарное поле В_=В₀+В_Н. Параллельно данному вектору возникнет вектор суммарной ядерной намагниченности (поляризации)

,

где _M- ядерная магнитная восприимчивость рабочего вещества; t₁ – время продольной релаксации, обусловленное взаимодействием протонов с окружающей средой, t – время поляризации.

Рис.2.30. Принципиальная схема протонного магнитометра

Если катушка является частью колебательного контура, то после снятия поля В_Н вектор J начнет свободно прецессировать вокруг измеряемого поля В₀ наводя в катушке затухающую со временем ЭДС с частотой f

,

где С – безразмерный коэффициент, зависящий от добротности контура;  - угол между В₀ и В_Н ; t₂ - время поперечной релаксации (t₂t₁); -текущее время, отсчитываемое от момента выключения тока.

Начальная амплитуда ЭДС составляет несколько мкВ, время затухания - доли секунды.