Fluxgate mērītājs

Fluxgate magnetometrs ir vektora magnētiskā lauka magnētiskā lauka sensors. Tā normālais diapazons ir piemērots zemes lauka mērīšanai, un tas spēj izšķirt daudz mazāk par vienu 10,{1}} daļu no tā.
To tradicionāli izmanto navigācijas un kompasa darbam, kā arī metāla noteikšanai un izpētei. Mūsdienu silīcija un MEMS ierīču pasaulē bieži tiek aizmirsts, ka to nav grūti izveidot.
Fluxgate magnetometra konstrukcijas ir sadalītas divos stilos: tajos, kuros izmanto stieņu serdeņus, un tajos, kuros tiek izmantoti gredzenveida serdeņi. Lai gan ir daudz alternatīvu dizainu, kas galvenokārt balstās uz stieņu serdeņiem, neviens nav sasniedzis attīstības un veiktspējas stāvokli, kas saistīts ar diviem stiliem. Šī iemesla dēļ šī lapa ir paredzēta tikai dubultstieņa un gredzenveida fluxgate variantiem.

Visās fluxgates izmanto ļoti caurlaidīgu serdi, kas kalpo, lai koncentrētu mērāmo magnētisko lauku. Kodols ir magnētiski piesātināts alternatīvi pretējos virzienos pa jebkuru piemērotu asi, parasti ar ierosmes spoli, ko darbina sinusa vai kvadrātveida viļņu forma.

Pirms piesātinājuma apkārtējais lauks tiek novirzīts caur serdi, radot lielu plūsmu tā augstās caurlaidības dēļ. Piesātinājuma punktā kodola caurlaidība samazinās līdz vakuuma caurlaidībai, izraisot plūsmas sabrukumu. Nākamajā ierosmes viļņu formas puscikla laikā kodols atjaunojas no piesātinājuma, un apkārtējā lauka radītā plūsma atkal ir augstā līmenī, līdz kodols piesātinās pretējā virzienā; pēc tam cikls atkārtojas. Neskatoties uz magnetizācijas maiņu ierosmes dēļ, plūsma no apkārtējā lauka darbojas vienā virzienā. Ap serdi novietotā sensora spole uztvers šīs plūsmas izmaiņas inducētā sprieguma zīmi, kas norāda uz plūsmas sabrukumu vai atjaunošanos. Nosaukums fluxgate nepārprotami cēlies no kodola stingra plūsmas darbības sensora spolē un no tās.

Šis process ir parādīts attēlā pa kreisi kā idealizētas viļņu formas, un ir skaidri redzams, ka sensora spriegums ir divreiz lielāks par ierosmes frekvenci.
Šī iemesla dēļ demodulācijas shēmās bieži tiek izmantota 2. harmonikas noteikšana. Praksē viena stieņa formas serdeņa gadījumā sensora spole uztvers ierosmes piedziņu, kā arī signāla spriegumu, ko tā augstā līmeņa dēļ var izrādīties apgrūtinoši noņemt elektroniski.

Izplatīts risinājums tam ir izmantot divus paralēlus serdeņus ar ierosmes fāzi, kas ir apgriezta no vienas uz otru. Sajūtas spole uztver signālu, bet inducētais ierosmes spriegums tiek atcelts ar fāzes maiņu, radot viļņu formas, kas līdzīgas šeit parādītajām.

Kā aprakstīts, plūsmas izmaiņu maksimumu spriegums ir no Faradeja likuma proporcionāls magnētiskajam laukam; šādā veidā var izmantot vienkāršu sensoru. Tomēr labākajā dizainā tiks izmantota spole (sajūtas spole bieži dubultojas šim uzdevumam), lai atgrieztos magnētiskajā laukā pretstatā uztvertajam laukam tā, ka abi lauki viens otru novērš. Šajā darbības režīmā, kur fluxgate tiek izmantots kā nulles detektors, strāva atgriezeniskās saites spolē ir proporcionāla uztvertajam laukam. Šī tehnika uzlabo mērījumu linearitāti, ļauj sasniegt daudz lielāku dinamisko diapazonu, un to izmanto lielākā daļa mūsdienu
ierīces.

Plūsmas vārtu magnetometri, kas ir slaveni ar nepārspējamo precizitāti magnētisko lauku mērīšanā, īpaši zemā līdz mērenā magnētiskā lauka intensitātes diapazonā, piedāvā virkni priekšrocību, kas nostiprina to pārākumu pār alternatīviem magnetometru veidiem:

Augsta jutība
Flux-gate magnetometri, ko raksturo to izcilā jutība, uzrāda spēju noteikt pat vājākos magnētiskos laukus. Šī paaugstinātā jutība padara tos nenovērtējamus ģeofizikālajos pētījumos, kosmosa izpētes centienos un novatoriskajos biomedicīnas pētījumos.

Zems trokšņa līmenis
Plūsmas vārtu magnetometru spēja sasniegt zemu trokšņa līmeni ļauj tiem saskatīt smalkas magnētiskā lauka izmaiņas ar ievērojamu precizitātes pakāpi. Šī īpašība izrādās neaizstājama lietojumos, kuros nepieciešami precīzi mērījumi, piemēram, magnētisko anomāliju noteikšana vai arheoloģiskie pētījumi.

Plašs dinamiskais diapazons
Izceļoties ar plašu dinamisko diapazonu, plūsmas vārtu magnetometri ir gatavi mērīt magnētiskos laukus, kas aptver plašu intensitātes spektru. Šī daudzpusība tos labvēlīgi novieto kontekstā, sākot no Zemes magnētiskā lauka noteikšanas līdz visaptverošai magnētisko anomāliju izpētei kosmosā.

Frekvences reakcija
To raksturo relatīvi vienmērīga frekvences reakcija, plūsmas vārtu magnetometri precīzi uztver gan statiskos, gan dinamiskos magnētiskos laukus. Šī funkcija iegūst kritisku nozīmi situācijās, kas saistītas ar strauji mainīgiem magnētiskajiem laukiem, kā tas novērots magnētiskajās navigācijas sistēmās.

Linearitāte
Apbrīnojamā linearitāte, ko demonstrē plūsmas vārtu magnetometri, nosaka tiešu korelāciju starp magnētiskā lauka stiprumu un iegūto izvadi, radot pamatu vienkāršai kalibrēšanai un precīzai datu interpretācijai.

Magnetometri ir ierīces, ko izmanto magnētisko lauku mērīšanai. Magnetometra galvenais mērķis ir precīzi noteikt magnētiskās variācijas, un to izvadi izmanto, cita starpā, navigācijā, objektu noteikšanā un pozīcijas izsekošanā. Mūsdienās ir pieejami vairāki magnetometru veidi, tostarp Fluxgate, optiski sūknēta, supravadoša kvantu traucējumu ierīce (SQUID), Hola efekta sensori, magnētiskās pretestības sensori, Lorentz Force un magnetoinduktīvie sensori.

Fluxgate magnetometri:Fluxgate tehnoloģija izmanto magnētiskos materiālus, kas piedzīvo histerēzi, ļaujot tiem viegli izmērīt pat mazākās izmaiņas magnētiskajos laukos. Lai gan fluxgate magnetometri piedāvā labu jutību, tie mēdz būt apjomīgi un patērē ievērojamu jaudu, ierobežojot to pielietojamību kompaktās ierīcēs.

Optiski sūknēti magnetometri:Šajos magnetometros magnētisko lauku mērīšanai tiek izmantota atomu tvaika šūna un lāzeri. Optiski sūknētie magnetometri ir pazīstami ar savu augsto jutību un precizitāti, padarot tos piemērotus zinātniskiem pētījumiem. Tomēr to sarežģītais dizains un salīdzinoši augstās izmaksas ierobežo to plašo ieviešanu komerciālos lietojumos.

SQUID magnetometri:SQUID magnetometri ir slaveni ar savu ārkārtējo jutību. Šie sensori izmanto supravadošus materiālus un mēra izmaiņas magnētiskajos laukos, nosakot kvantu traucējumus supravadošās ķēdēs. Tomēr to atkarība no kriogēnām temperatūrām un nepieciešamība pēc rūpīgas apstrādes padara tos ļoti grūti izmantot lielākajā daļā lietojumu.

Hallas efekta magnetometri:Hallas efekta sensori nosaka magnētiskā lauka stiprumu, izmantojot Hallas efektu. Elektrisko potenciālu starpības ģenerēšanu pāri vadītājam sauc par sprieguma veidošanos. Atrodas perpendikulāri magnētiskajam laukam. Lai gan Hall efekta magnetometri piedāvā kompaktus izmērus un zemu enerģijas patēriņu, tie nodrošina ierobežotu jutību un galvenokārt tiek izmantoti, lai noteiktu ieslēgtu vai izslēgtu lietojumu veidus.

Magnētiski rezistīvie (MR) sensori:Visi magnētiskās pretestības sensori darbojas pēc principa, ka daži magnētiskie materiāli, kas nogulsnēti uz pusvadītāju substrāta, maina to spēju pretoties strāvas plūsmai proporcionāli pielietotajam magnētiskajam laukam. Galvenās magnētisko pretestības sensoru formas ir anizotropais magnētiskais pretestības (AMR), tunelēšanas magnētiskais pretestības (TMR) un milzīgs magnētiskais rezistīvs (GMR). Visām šīm trim tehnoloģijām ir izmaiņas vadītspējā, pamatojoties uz pielietoto magnētisko lauku, lai gan tās sasniedz nedaudz atšķirīgi. Visiem trim ir līdzīgas magnētiskās mērīšanas iespējas, un iemesls izvēlēties vienu pār citiem parasti ir saistīts ar ražojamības problēmām konkrētam piegādātājam. AMR ir visizplatītākā izmantotā magnētiskā rezistīvā magnētiskā sensora forma.