Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
русский / english
Главная >> Магнитные поля >> Оценочные измерения переменных магнитных полей в окружающей среде
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
Оценочные измерения переменных магнитных полей в окружающей среде
Проблемам измерения магнитных и переменных электромагнитных полей посвящено много работ /1-4/. Анализируя литературу можно сказать, что наиболее часто для измерения магнитных полей используют методы, основанные на явлении электромагнитной индукции и эффекта Холла.
Индукционный метод измерения основан на явлении электромагнитной индукции, заключающемся в том, что в проводящем контуре, помещенном в магнитное поле, при определенных условиях возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая определяется известным выражением:
(1)
где N - количество витков в контуре, Ф - магнитный поток, пронизывающий контур, t - время.
Индукционный способ можно использовать для измерения величин и переменных и постоянных магнитных полей.
Для измерения постоянных магнитных полей необходимо с течением времени изменять один или несколько параметров непосредственно индукционной катушки (контура): угол α между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции, площадь контура S, относительную магнитную проницаемость сердечника μс, коэффициент размагничивания сердечника k. Величину ЭДС индукции для этих условий можно определять выражением
(2)
где - так называемый обобщенный параметр индукционной катушки,
подробности которого для данной работы не важны.
Точность измерения магнитных полей с помощью индукционного датчика зависит как от конструктивных особенностей самого датчика, так и в большой степени от схемы измерения и вторичной аппаратуры определяющей величину выходного сигнала.
Здесь следует отметить, что на практике измеряемый сигнал, как правило, не имеет правильной синусоидальной формы, часто в виде отдельных импульсов и т.д.
Сущность метода измерения с помощью преобразователей (датчиков) Холла состоит в использовании эффекта Холла, заключающегося в возникновении ЭДС в направлении перпендикулярном току I в пластинке проводника, помещенного в магнитное поле В. При постоянной величине тока в пластинке, значение ЭДС определяется выражением
(3)
где А - константа, изменяющаяся в пределах 1…2 в зависимости от механизмов рассеяния носителей тока, n - концентрация носителей тока в материале пластинки, e - заряд електрона, d - толщина пластинки.
Для изготовления преобразователей Холла применяют полупроводниковые материалы, так как в них рассматриваемый эффект имеет наибольшее значение. Причем в последнее время используются полупроводники в виде пленок на изолирующих подложках, что упрощает технологию изготовления, дает возможность миниатюризации и т.д.
Наибольшей чувствительностью обладают преобразователи Холла на основе InSb, GaAs. Кроме того, для увеличения чувствительности используют различные технологические приемы: интегральное исполнение, использование ферромагнитных концентраторов и др. /1,2,4/.
Нами экспериментальная оценка величин переменных магнитных полей в окружающей среде, возникающих при работе различной бытовой и промышленной техники проводилась с помощью изготовленной нами индукционной катушки и в некоторых случаях преобразователем Холла на основе InSb.
Измерения с помощью индукционной катушки проводились после ее градуировки по упрощенной схеме подключения. При градуировке катушка размещалась в переменное магнитное поле, создаваемое синусоидальным током I в проводнике. Для этого использовался генератор переменного тока. Выходной сигнал с катушки измерялся с помощью вольтметра переменного напряжения.
Величина магнитного поля на определенном расстоянии r от проводника рассчитывалась на основании закона Био-Савара-Лапласа
, (4)
где μ - относительная магнитная проницаемость среды, μо = 4π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.
Расстояние от проводника, величина тока и частота его при градуировке изменялись. Затем результаты были усреднены и составлен график.
На рис.1 показана зависимость возникающей электродвижущей силы в катушке (измеряемого вольтметром напряжения) от частоты переменного магнитного поля (тока в проводнике).
Рис.1. Зависимость чувствительности k =ΔU/ΔB изготовленной индукционной катушки от частоты магнитного поля f
При последующем практическом применении катушки измерялся выходной сигнал и его частота. Для проведения градуировок и практических измерений использовался один и тот же вольтметр, так как его технические характеристики могут влиять на полученные результаты. По полученным данным и градуировочной кривой определялась величина переменного магнитного поля.
При измерениях с помощью преобразователя Холла на основе InSb применялся ферромагнитный концентратор. В результате чувствительность составила примерно 1·10^4 мВ/Т и может быть увеличена при усовершенствовании конструкции. Данные, полученные с помощью преобразователей Холла, с точностью до 20% совпадали с результатами измерений индукционной катушкой.
Определенные нами величины переменных магнитных полей, излучаемых различными электротехническими устройствами, приведены в таблице:
Таблица. Результаты измерений полей различных источников
Существующие санитарные нормы по допустимым уровням магнитных полей, взятые из различных источников, составляют величины 0.2-0.5 мкТ. Здесь можно отметить, что в известной нам литературе не приводятся частоты излучения, хотя с физической точки зрения они не одинаково могут влиять на биологические объекты.
Несмотря на достаточно упрощенный подход, полученные результаты не плохо согласуются с известными литературными данными, приведенными, например в /2/. Это позволяет говорить о возможности применения описанных методов для индикации и оценки уровней электромагнитных излучений, создания недорогих (бытовых) индикаторов электромагнитного излучения, а также создания высокоточных измерительных приборов на основе преобразователей Холла.
Литература
1. В.В.Панин, Б.М.Степанов. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 120 с.
2. І.А.Большакова, М.Р.Гладун, Р.Л.Голяка та ін. Мікроелектронні сенсорні пристрої магнітного поля: Монографія / За редакцією З.Ю. Готри. - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2001. - 412 с.
3. И.М.Викулин, В.И.Стафеев. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Радио и связь, 1990.- 264 с.
4. О.К.Хомерики. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. -М.: Энергоатомиздат. 1986. -136 с.
Н.Т. Горбачук, П.И. Диденко. Материалы конференции "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2010"". Сборник научных трудов, Одесса, 2010
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
