Навигация
Способы приема слабых электромагнитных
29793
знака
0
таблиц
0
изображений
1.2. Способы приема слабых электромагнитных
низкочастотных полей
Для приема слабых низкочастотных злектромагнитных полей применяется множество методов. Одни из них рассчитаны на регистрацию электрической составляющей электромагнитного поля, другие - магнитной. В данном случае нас интересуют методы регистрации магнитного поля.
Одним из главных компонентов в системе регистрации магнитного поля являются датчики. Они во многом определяют параметры системы, самый главный из которых - чувствительность. Методы создания магнитных датчиков базируются на многих аспектах физики и электроники. Существует 11 наиболее применяемых методов обнаружения магнитного поля. Это следующие методы:
1) индукционный;
2) с насыщенным сердечником;
3) ядерной прецессии;
4) оптической накачки;
5) СКВИД;
6) на основе эффекта Холла;
7) магниторезистивный;
8) магнитодиодный;
9) магнитотранзисторный;
10) с использованием волоконных световодов;
11) магнитооптические.
Рассмотрим конструкцию каждого датчика.
1.2.1. Индукционные датчики.
Наиболее распространенным преобразователем напряженности магнитного поля является индукционный датчик, типичным примером которого служит приемная рамка, работающая на принципе электромагнитной индукции. Конструктивно выполняется два типа рамок:
1) без сердечника - один или множество витков провода имеющих форму круга или прямоугольника (рис. 1.3а);
2) с сердечником - провод наматываеся на материал с высокой магнитной проницаемостью (рис. 1.3б).
Использование сердечников значительно увеличивает магнитный поток, пронизывающий рамку, и обеспечивает тем самым более высокую чувствительность преобразователя. При одинаковой чувствительности по напряженности магнитного поля рамки с сердечником обычно существенно меньше, чем рамки без сердечника.
Как известно, ЭДС индуцируемая магнитным полем в катушке равна
e = - -- cos (1)
где Ф= SH sin( t+ ) - магнитный поток, пронизывающий витки
рамки;
- магнитная проницаемость сердечника;
S - площадь поперечного сечения сердечника или витка воз душной рамки.
При приеме высокочастотных полей обычно пользуются понятием действующей высоты рамки h , определяющей по существу ее чувствительность в режиме холостого хода к электрической составляющей электромагнитного поля.
Как и любая катушка индукционная рамка имеет распределенную межвитковую емкость обмотки С . Величина ее зависит от многих факторов и не поддается расчету. Экспериментально С можно найти определяя резонансные частоты рамки f при нескольких значениях внешней емкости Свн и используя формулу Томпсона
Индукционные датчики магнитного поля являются одними из наиболее чувствительных датчиков. С их помощью можно регистрировать поля напряженностью от 10Е-14 А/м в диапазоне до нескольких МГц.
1.2.2. Датчики с насыщенным сердечником.
Датчики этого типа также называют магнитомодуляционными и феррозондами. В основном они применяются для измерения постоянных магнитных полей, но эти же датчики можно использовать и для измерения напряженности переменных магнитных полей низких частот (Fmax=10 КГц).
Датчик с насыщенным сердечником представляет собой устройство состоящее из одного или двух сердечников из высокопроницаемого магнитомягкого материала с распределенными по длине обмотками.
Принцип действия основан на периодическом изменении проницаемости сердечников с помощью вспомогательного переменного магнитного поля. Обмотка возбуждения питается от специального источника переменного тока. Величина тока выбирается такой, что создаваемое им поле в определенную часть периода обеспечивает в сердечнике состояние насыщения. При этом магнитные линии измеряемого поля "выталкиваются" из сердечника, пересекая при этом выходную катушку и в ней индуцируется Э.Д.С., которая зависит от величины измеряемого поля. Обычно на выходе стоит фильтр, выделяющий вторую гармонику частоты возбуждения. Так как при напряженности поля равном нулю она также равна нулю, то по ее амплитуде судят о величине измеряемого магнитного поля. Нижний предел измеряемых магнитных полей датчика с насыщенным сердечником равен 10Е-12 А/м.
1.2.3. Магнитометр с оптической накачкой.
Магнитометр с оптической накачкой основан на эффекте Зеемана. В 1896 году голландский физик П.Зееман показал,что некоторые из характеристических спектральных линий атомов расщепляются, когда атомы помещены в магнитное поле; одна спектральная линия расщепляется в группу линий с несколькими различающимися длинами волн. Особенно этот эффект выражен в щелочных элементах, например, в цезии.
В магнитометре с оптической накачкой используются 3 энергетических состояния, возможных для единственного валентного электрона цезия: 2 низких близкорасположенных состояния и одно состояние с более высокой энергией. Разница энергий между более низкими состояниями соответствует радиочастотным спектральным линиям, а переход между одним из более низких состояний и более высоким состоянием соответствует спектральной линии в оптической области.
Рассмотрим пары цезия при оптической накачке света с круговой поляризацией. Количество света, поглощаемое парами, измеряется при помощи фотодетектора. Первоначально некоторые электроны в парах будут находиться в одном из низких энергетических состояний и некоторые - в другом. Когда атомы поглощают фотоны света с круговой поляризацией, их угловой момент обязательно меняется на единицу. Таким образом, электроны, находящиеся в энергетическом состоянии, отличающемся от более высокого состояния на единицу углового момента, будут поглощать фотоны и переходить в более высокое состояние, а находящиеся в энергетическом состоянии с таким же угловым моментом, как и в более высоком состоянии, - не будут. Поскольку некоторые фотоны поглощаются, сила света уменьшится. Электрон, находящийся в более высоком состоянии, почти немедленно переходит в одно из более низких состояний. Каждый раз, когда электрон совершает этот переход, существует некоторая вероятность того,что он перейдет в состояние, в котором невозможно поглощение света. При достаточном времени почти все электроны перейдут в такое состояние. Пар, про который тогда говорят, что произошла его полная накачка, относительно прозрачен для света.
Если затем параллельно лучу света наложить ВЧ-поле, то оно перебросит электроны, изменяя при этом их спиновый угловой момент. Фактически РЧ-поле заставляет электроны перебрасываться из одного более низкого состояния в другое, "расстраивая" оптическую накачку. Как следствие, пар вновь начинает поглощать свет. Радиочастотные и оптические эффекты объединяются, давая особенно острый резонанс, и именно на этом резонансном явлении работает магнитометр с оптической накачкой.
Энергия, требуемая для опрокидывания спина электрона, и, следовательно, частота ВЧ-поля, зависят от силы магнитного поля. В магнитометре контур обратной связи управляет радиочастотой для поддержания минимального пропускания света. Таким образом, частота как бы служит мерой магнитного поля. Магнитометр с оптической накачкой измеряет общее магнитное поле любой ориентации в отличие от большинства магнитометров, которые измеряют только составляющую магнитного поля, лежащую вдоль чувствительной оси.
Чувствительность и динамический диапазон этого магнитометра подобно большинству магнитометров определяется регистрирующей электроникой. Типичные значения чувствительности прибора имеют предел от 10Е-14 до 10Е-6 А/м.
Датчик имеет большие габариты и высокое потребление мощности (несколько ватт). Конструкция оптического магнитометра показана на рис. 1.5.
Похожие работы
... выходного сигнала от температуры и напряжения питания при одинаковых значениях полосы пропускания. Датчик, обладающий лучшими параметрами, в дальнейшем будет применяться в макете системы персонального вызова. Данные измерений приведены в таблицах 2.1 и 2.2. Зависимость Uвых от напряжения питания при Q = 500 Таблица 2.1 ----------------------------------------------------- Uпит | 5 | 7 ...
... указания. 1 Цель: 1.1 Изучить наиболее распространенные стандарты систем персонального радиовызова общего пользования. 2 Литература: 2.1 Соловьёв А. А., Смирнов С. И. Техническая энциклопедия пейджинговой связи. Эко-Трендс М:, 1998 стр. 18-50. 2.2 Громов Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. Эко-Трендс М:, 1998 стр. 39-52 2.3 Приложение к ...
... процессорной станции осуществлять высоконадежную защиту и эффективный контроль доступа на объект защиты. 2.Выбор и обоснование технических требований Структура технических средств системы защиты и контроля доступа в помещения (СЗКДП) должна представлять собой двухуровневую централизованную систему, работающую в реальном времени. На верхнем уровне — пульт управления (ЭВМ, совместимая с IBM ...
... предлагает пейджинговую связь на аппаратуре нового поколения фирмы “Glenayre”, использующей высокоскоростные методы передачи информации (в этом заключается инновационность проекта по развертыванию системы персонального радиовызова по сравнению с компаниями - конкурентами, предоставляющими подобные услуги). Самый мощный в Москве пейджинговый передатчик (450 Вт) имеет зону обслуживания в ...
0 комментариев