Зонды с двумя параллельно расположенными
сердечниками
В современных магнитометрах обычно применяются
зонды с двумя параллельно расположенными сердечниками, каждый из которых
имеет свою намагничивающую обмотку [2]. Эти обмотки включены так, что
создают поля противоположных направлений. Измерительная обмотка и
обмотка для компенсации поля Земли охватывает оба сердечника. Зонды с
двумя сердечниками имеют то преимущество, что исключают необходимость
предъявлять высокие требования к форме кривой напряжения источника
питания намагничивающих обмоток. Порог чувствительности рассмотренных
магнитонасыщенных зондов зависит от размеров и материала сердечника,
числа витков обмотки зонда, а также частоты источника питания и может
достигать значений 0,1 — 1 гаммы.
При размещении магнитных систем обнаружения в буксируемых или самоходных
подводных носителях возникает необходимость постоянной ориентации
магнитонасыщенных зондов в строгом положении по отношению к полному
вектору напряженности магнитного поля Земли [2]. Только в этом случае
система обнаружения не будет чувствительна к изменениям курса, крена и
дифферента носителя.
Ориентирующие системы являются достаточно сложными,
в связи с чем в системах подводного поиска находят применение схемы
включения магнитонасыщенных зондов, нечувствительные к изменению
ориентации системы относительно магнитного поля Земли [2]. Такой схемой
является дифференциальная (разностная), которая позволяет обнаружить
магнитное поле объекта поиска не по изменению величины вектора
напряженности внешнего магнитного поля в одной точке, а по изменению
разности напряженностей поля в двух точках, расположенных на некотором
расстоянии друг от друга. В технике приборы, построенные по
дифференциальной схеме, часто называют градиентометрами. Магнитные зонды
в градиентометре разнесены на определенное расстояние друг от друга и
имеют по одному сердечнику с идентичными намагничивающей и измерительной
обмотками. Оси сердечников зондов ориентируются строго параллельно.
Переменные магнитные поля в сердечниках зондов, создаваемые с помощью
намагничивающих обмоток, должны совпадать по направлению, а
измерительные обмотки включаются встречно. При этом, в случае если
внешнее магнитное поле равномерно, напряжение двойной частоты на выходе
градиентометра отсутствует. В окрестностях объекта поиска магнитное поле
Земли теряет свою равномерность и на выходе градиентометра появляется
напряжение двойной частоты. Очевидно, что изменения ориентации
градиентометра в равномерном магнитном поле не приводит к появлению
сигнала, поскольку на оба сердечника в этом случае действуют равные по
величине составляющие поля. Необходимость в ориентирующей системе
отпадает. Недостатком градиентометра является более низкая
чувствительность.
Задача максимального упрощения конструкции магнитной системы обнаружения
при сохранении ее высокой чувствительности нашла свое решение при
использовании устройств, реализующих принцип свободной ядерной
прецессии. Явление прецессии представляет собой реакцию гироскопической
системы на воздействие внешнего момента М, вызванного силой,
перпендикулярной оси вращения гироскопа. Эта реакция выражается в
возникновении дополнительного вращательного движения гироскопа вокруг
оси, параллельной вектору действующей силы.
Ядерная прецессия представляет собой прецессию ядер
атомов парамагнитных веществ как элементарных гироскопов под действием
внешнего магнитного поля. Устройство и принцип действия магнитометра с
использованием явления свободной ядерной прецессии заключаются в
следующем.
На воспринимающем элементе (рис. 3.21) магнитометра, который
представляет собой сосуд, заполненный парамагнитным веществом (обычно
дистиллированной водой), располагаются две обмотки: возбуждающая
и измерительная. С помощью возбуждающей обмотки, питаемой постоянным
током, внутри сосуда создается весьма сильное магнитное поле с
напряженностью Н0 порядка 100 Э. Под действием этого поля элементарные
магнитики, создаваемые вращающимися ядрами и электронами молекул,
находящихся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются
таким образом, что их оси вращения располагаются параллельно вектору
напряженности Но. Очевидно, что чем больше напряженность возбуждающего
поля Н0 и время его действия, тем большее число элементарных магнитиков
ориентируется вдоль поля. После отключения возбуждающего поля
ориентирующая сила исчезает и элементарные магнитики вновь возвращаются
в состояние с хаотичным расположением их осей в пространстве. Однако
этот процесс происходит в присутствии внешнего измеряемого магнитного
тюля, вектор которого Т не совпадает с осями вращения элементарных
магнитиков, ориентированных возбуждающим полем. Таким образом, налицо
условия, вызывающие прецессию ядер, т. е. их вращение вокруг осей,
параллельных вектору внешнего поля Т. Прецессия ядер приводит к
возникновению вращающегося магнитного поля, поток которого сцеплен с
витками измерительной обмотки и наводит в ней переменную ЭДС
Следовательно, по частоте ЭДС, наведенной в измерительной обмотке, можно
определить напряженность внешнего магнитного поля. Присутствие
ферромагнитного объекта поиска искажает магнитное поле Земли, что в свою
очередь приводит к изменению частоты наведенной ЭДС. Возбуждающая
катушка воспринимающего элемента питается импульсами постоянного тока.
Сигнал с измерительной катушки в период пауз возбуждения поступает через
усилитель на измеритель частоты. Цикл измерения, т. е. импульс
возбуждения и замер частоты в паузе, длится несколько секунд. Точность
измерения внешнего магнитного поля достигает сотых долей гаммы.
Изменение ориентации воспринимающего элемента при поиске объектов в
данном географическом районе приводит лишь к изменению величины ЭДС на
выходе измерительной обмотки, однако не влияет на угловую часто-
ту ЭДС.