2.1.1.7 Электротепловые эффекты

Электротепловыми эффектами называются эффекты, в которых под действием ЭП происходит изменение температуры диэлектрика (электрокалорический эффект) или теплопроводности газов.

Чувствительным элементом датчиков, построенных с использованием электрокалорического эффекта, служат пироэлектрики, изменение температуры в которых пропорционально напряженности ЭП.

Однако такие датчики имеют весьма низкую чувствительность (в частности, для турмалина T=1,410-2 оС на 1 кВ/м).

Что же касается датчиков, основанных на изменении теплопроводности газов в зависимости от изменения напряженности ЭП, то найти их описаний в научно-технической литературе не удалось. Однако это не говорит об отсутствии таких датчиков вообще.

2.1.1.8 Электрооптические эффекты

Электрооптическими эффектами называются эффекты, связанные с изменениями интенсивности оптического излучения, коэффициента преломления, цвета электрооптических материалов, а также возникновением оптического излучения в газах под действием напряженности ЭП.

Эффекты возникновения и изменения интенсивности оптического излучения под действием ЭП, наблюдаемые в люминофорах и сублимированных пленках, обусловлены рекомбинацией электронов с возбужденными центрами люминесценции. Их применение для построения датчиков напряженности ЭП ограничивается целым рядом факторов. Существенным недостатком порошковых люминофоров является их низкая чувствительность S=(0,010,04) НТ/(кВ/м) (для возбуждения свечения нужны поля с напряженностью 5000 кВ/м и более). Сублимированные пленки имеют более высокую чувствительность [до единиц НТ/(кВ/м)]. Для возбуждения их свечения нужны ЭП с напряженностью в десятки и сотни киловольт на метр. Общим недостатком таких датчиков является существенная зависимость яркости от частоты, температуры и влажности. Возможно построение датчиков на основе возникновения и изменения газового разряда. Их характеризует в первую очередь низкая точность =35 % и более.

К эффектам изменения коэффициента преломления под действием ЭП можно отнести линейный и квадратичный электрооптические эффекты Поккельса и Керра - возникновение оптической анизотропии в пьезоэлектрических кристаллах; эффект Штарка, т.е. расщепление спектральных линий, обусловленное изменением движения заряженных частиц и приобретением системой дополнительной энергии, и эффект осцилляции четности в ридберговских состояниях атомов водорода.

Датчики на эффекте Поккельса характеризуются высокой точностью преобразования ( 0,5 %) и могут применяться в диапазоне входных напряженностей от 1 до 1000 кВ/м. Датчики на эффекте Керра имеют погрешности порядка 1 % и характеризуются ограниченным температурным диапазоном. Общим недостатком датчиков на эффектах Поккельса и Керра является сложность их конструкций.

Чувствительным элементом датчиков, построенных на эффекте Штарка, выступают водородоподобные атомы. Такие датчики обладают средней чувствительностью (50 В/см), высокой точностью = 0,51 %, но сложны в конструкции.

Эффекты изменения цвета под действием ЭП, наблюдаемые в жидких кристаллах, обусловлены переориентацией кристаллов. Датчики на основе изменения цвета жидких кристаллов могут работать в диапазоне от сотен до тысяч киловольт на метр. Применение датчиков на нематических жидких кристаллах ограничивается узким температурным диапазоном (2550 оС), а датчиков на нематохолеотерических жидких кристаллах - сложностью измерительных цепей.

2.1.1.9 Электропространственные эффекты

Электропространственными эффектами называются эффекты, связанные с изменением пространственного положения (перемещения) материальных объектов или изменением их геометрических размеров под действием напряженности ЭП.

Здесь можно выделить три физических эффекта, пригодных для построения датчиков напряженности ЭП.

Первый физический эффект связан с отклонением электронного луча и заряженных частиц под действием ЭП. Недостатком датчиков с использованием этого эффекта является низкая точность =23 % и сложность конструкции.

Вторым физическим эффектом является обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в деформации пьезоэлектриков под действием ЭП. Линейность характеристики датчика наблюдается до 250 кВ/м. Погрешность таких датчиков обусловлена влиянием температуры и временной нестабильностью физических свойств пьезоэлектрика и составляет 12 %.

Третьим физическим эффектом является электрострикция - деформация диэлектриков (твердых, жидких и газообразных) под действием ЭП. Датчики, построенные с использованием этого эффекта, имеют квадратичную характеристику и низкую чувствительность.

2.1.2 Измерение параметров магнитного поля

2.1.2.1 Магнитомеханические эффекты

Магнитомеханическими называют такие магнитометрические преобразователи, принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. Как правило, магнитомеханический преобразователь состоит из постоянного магнита и устройства, удерживающего магнит и позволяющего ему вращаться в какой-либо плоскости. Очень часто конструкция магнитомеханического преобразователя содержит демпфирующее устройство, а также зеркальце, являющееся составной частью системы отсчета.

В зависимости от наличия или отсутствия противодействующего момента все магнитомеханические преобразователи можно разделить на две группы. К первой группе относятся такие преобразователи, у которых магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и принимает направление, совпадающее с направлением магнитной индукции B.

Магнитомеханические преобразователи, относящиеся к первой группе, применяются главным образом в приборах, предназначенных для измерения угловых величин -- буссолях, инклинаторах и т. д.

Ко второй группе относятся такие магнитомеханические преобразователи, в конструкции которых создается дополнительный момент, противодействующий повороту магнита под действием магнитного поля. Такие преобразователи используются главным образом для измерения модуля и составляющих В. Противодействующий момент может создаваться силой тяжести магнита, моментом кручения нити или посредством другого магнита (отклоняющего), расположенного по отношению к отклоняемому магниту определенным образом.

2.1.2.2 Гальваномагнитные эффекты

Гальваномагнитными называются преобразователи, принцип действия которых основан на использовании физических явлений, возникающих при воздействии магнитного поля на движущийся заряд. Как правило, в большинстве гальваномагнитных преобразователей одновременно в той или иной мере возникают несколько или же все известные гальваномагнитные эффекты: Холла, магнитосопротивления, Нернста и Эттингсгаузена. Вместе с тем специфические особенности преобразователей, способствующие наиболее яркому проявлению того или иного эффекта, позволяют разделить их на преобразователи Холла и преобразователи, основанные на изменении внутреннего сопротивления.

К преобразователям Холла обычно относят те гальваномагнитные преобразователи, выходная величина которых прямо пропорциональна холловской э. д. с., возникающей внутри него. К преобразователям, основанным на изменении внутреннего сопротивления, мы отнесем все те преобразователи, выходная величина которых (обычно ток или напряжение) прямо пропорциональна изменению их внутреннего сопротивления (проводимости).

В зависимости от механизма изменения сопротивления (принципа действия) гальваномагнитные преобразователи, основанные на изменении внутреннего сопротивления, в свою очередь, можно разделить на три группы.

К первой группе относятся преобразователи, приращение внутреннего сопротивления которых вызывается изменением подвижности носителей заряда. Такие преобразователи получили название преобразователей магнитосопротивления (или магниторезисторов). Ко второй группе относятся преобразователи, изменение сопротивления которых связано с изменением средней концентрации носителей заряда (магнитодиоды, биполярные магнитотриоды, гальваномагниторекомбинационные преобразователи). Наконец, к третьей группе следует отнести те преобразователи, изменение внутреннего сопротивления которых обусловлено изменением в магнитном поле отношения s/; при этом под геометрическими размерами проводящего канала преобразователя следует понимать размеры, ограниченные не только конструктивными поверхностями, но иногда (как, например, у полевых магнитотриодов) и р--п-переходами.

В настоящее время известно значительное количество гальваномагнитных преобразователей, различающихся как принципом действия, так и конструктивным исполнением. Однако, учитывая объем и цели, поставленные в данной книге, мы остановимся только на основных их типах, изготавливаемых серийно и нашедших применение при разработке магнитометрической аппаратуры.



Рисунок 2.1 - Гальваномагнитные преобразователи: а -- преобразователь Холла; б -- преобразователь магнитосопротивления в виде диска Корбино; в -- преобразователь магнитосопротивления в виде меандра; г -- гальваномагниторекомбинационный преобразователь

Преобразователи магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.

Суть эффекта поясняется рисунком 2.2. Через полупроводниковую пластину пластину протекает ток от внешнего источника.

Рисунок 2.2 - Эффект Холла

Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока.

Рисунок 2.3 - Выходные характеристики датчика Холла

В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, т.е. возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения - напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля (рисунок 2.3).

Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.

Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.

Магниторезистивные преобразователи магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов.

Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

Рисунок 2.4 - Движение носителей заряда в магниторезисторе

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие преобразователи обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино(рисунок 4-1 б). Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМР-преобразователи), получившие название в соответствии с названием физического эффекта, обнаруженного Сулом и Шокли в 1949 г., относятся ко второй группе гальваномагнитных преобразователей, основанных на изменении внутреннего сопротивления под действием магнитного поля.

Суть ГМР-эффекта заключается в изменении сопротивления полупроводника с током, помещенного в магнитное поле, в результате изменения средней по сечению полупроводника концентрации носителей заряда, возникающего при условии различных скоростей поверхностной рекомбинации на его гранях.

Конструктивно ГМР-преобразователь представляет собой пластинку, выполненную из полупроводника с собственной проводимостью, у которой с целью получения различных скоростей поверхностной рекомбинации грани 1 и 2 (рисунок 4-1, г) обработаны различными способами: например, грань отшлифована или обработана пескоструйным способом, а грань 2 отполирована. Очень часто при изготовлении ГМР-преобразователей из Ge для удаления механических повреждений применяют травление в растворе СР-4 (смесь плавиковой и азотной кислоты с добавлением небольшого количества брома), после чего одну грань подвергают тщательной химической полировке. В результате такой различной обработки скорости поверхностной рекомбинации граней могут различаться иа два порядка и больше.

Предположим теперь, что ГМР-преобразователь (полупроводниковая пластинка с током, имеющая на гранях 1 и 2 скорости поверхностной рекомбинации Sa и S0) помещен в магнитное поле, так как показано на рисунке 4.5

Рисунок 2.5 - ГМР в магнитном поле

Если направление магнитной индукции таково, что электроны и дырки отклоняются в направлении шлифованной грани, то процесс поверхностной рекомбинации преобладает над процессом тепловой генерации и число носителей заряда в объеме пластинки уменьшится, а ее сопротивление возрастет. При противоположном направлении магнитного поля в области полированной грани наблюдается увеличение концентрации носителей тока; при этом происходит также общее увеличение концентрации носителей заряда, приводящее к уменьшению сопротивления ГМР-преобразователя.

2.1.2.3 Индукционные эффекты

Принцип работы индукционных преобразователей базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.

Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.

По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.

Рисунок 2.5 - Индукционный преобразователь

Конструкция преобразователя показана на рисунке 2.5. Он состоит из проводника в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенной на валу электродвигателя. Съем напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.

2.1.2.4 Ферроиндукционные эффекты

Феррозонды являются разновидностью ферроиндукционных преобразователей. Поэтому прежде чем перейти к описанию принципа действия феррозондов и особенностей их применения, надлежит хотя бы кратко остановиться и на других типах преобразователей.

Возможны по крайней мере три типа ферроиндукционных преобразователей: 1) преобразователи с механическим возбуждением; 2) преобразователи с тепловым возбуждением; 3) преобразователи с магнитным возбуждением. К последним как раз и относятся феррозонды.

На рисунке 2.6-а, изображена схема преобразователя первого типа. Преобразователь содержит кварцевую пластинку, на которую нанесено ферромагнитное покрытие, например в виде тонкой пермаллоевой пленки. Поверх пластинки с пленкой надета измерительная катушка (обмотка). При подведении к обкладкам кварцевой пластинки электрического напряжения резонансной частоты последняя периодически удлиняется, механически воздействуя на пленку. В результате этого воздействия магнитные свойства пленки изменяются и ее магнитная проницаемость становится функцией времени. В измерительной катушке при этом возникает э. д. с., пропорциональная компоненте Bi измеряемого поля, совпадающей с продольной осью пластинки и катушки.

Рисунок 2.6 - Ферроиндукционные преобразователи с механическим(а) и тепловым(б) и магнитным (в) возбуждением; 1 -- ферромагнитный сердечник (покрытие); 2 -- измерительная обмотка;3 -- кварцевая пластинка; 4 -- тепловой инжектор; 5 -- обмотка возбуждения

Описанный преобразователь имеет сравнительно низкую чувствительность, поскольку степень воздействия на параметр м оказывается незначительной.

На рис. 2-6, б приведена схема преобразователя второго типа. Преобразователь содержит малоинерционный тепловой инжектор, находящийся в непосредственном контакте с тонкой ферромагнитной пластинкой или пленкой, выполненной из материала с низкой точкой Кюри, например из пермаллоя 72НМДХ (0 = 120° С). Инжектор и пермаллоевую пластинку охватывает измерительная катушка (обмотка). Преобразователь работает следующим образом. Сначала к инжектору подводят постоянный ток, нагревающий сердечник до температуры, близкой к точке Кюри. При этом его магнитная проницаемость аномально возрастает (эффект Гопкинсона). Затем к инжектору подводят также переменный ток, который заставляет пульсировать температуру вблизи точки Кюри с удвоенной частотой (энергия, преобразуемая в тепло, пропорциональна квадрату силы тока). В результате этого магнитная проницаемость сердечника начинает также пульсировать с удвоенной частотой и в измерительной катушке возникает э. д. с., пропорциональная измеряемой компоненте Вi.

Благодаря резкому подъему и еще более резкому спаду магнитной проницаемости вблизи точки Кюри тепловое воздействие на нее оказывается эффективным, вследствие чего преобразователь имеет достаточно высокую чувствительность. Можно предположить, что данный преобразователь будет обладать низким уровнем собственных шумов и поэтому найдет свое место в приборах, предназначенных для измерения слабых магнитных полей.

На рис. 2.6,в приведена схема преобразователя третьего типа-- феррозонда. То обстоятельство, что здесь изображен один пермаллоевый сердечник взамен обычно используемых двух, не имеет принципиального значения. Во-первых, при пропускании по сердечнику переменного тока, т. е. при возбуждении его поперечным магнитным полем, вполне достаточно иметь один сердечник. Во-вторых, даже в случае продольного возбуждения, когда переменный ток подается в специальную обмотку (как показано на рисунке 2.6), одностержневой феррозонд оказывается столь же работоспособным, как и двухстержневой.

Непосредственным параметром, на который воздействует в феррозонде поле возбуждения, является магнитная проницаемость вещества м. Однако если поле возбуждения неоднородно, а также если форма сердечника отличается от эллипсоидальной (и то и другое имеет место на практике), то одновременно с изменением параметра изменяется и параметр N-- коэффициент размагничивания сердечника.

Поэтому в уравнение преобразования феррозонда целесообразно ввести совокупный параметр -- относительную проницаемость тела. Этот же параметр может быть введен и в уравнение преобразования других ферроиндукционных преобразователей.

2.1.2.5 Магнитооптические явления

В 1846 г. Фарадеем было открыто физическое явление, заключающееся в том, что вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации света (потока электромагнитного излучения), приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Фарадей установил, что вращение плоскости поляризации происходит при распространении потока излучения в прозрачном веществе вдоль магнитной силовой линии; при этом угол поворота ц плоскости поляризации пропорционален длине пути l потока излучения в веществе, находящемся в магнитном поле, и магнитной индукции:

где k -- постоянная Верде -- коэффициент, характеризующий способность данного вещества вращать в магнитном поле плоскость поляризации.

Следует отметить, что если вещества обладают естественной оптической активностью (т. е. способностью вращать плоскость поляризации), то их естественная способность складывается со способностью, приобретенной под действием магнитного поля. Различные тела вращают плоскость поляризации в различных направлениях. Правовращающими, или положительными, называются вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо для наблюдателя, смотрящего вдоль направления вектора В. Вещества, вращающие плоскость поляризации в направлении, противоположном указанному, называются левовращающими или отрицательными. Направление вращения для каждого данного вещества определяется только направлением В и не зависит от направления распространения потока излучения. Этим магнитное вращение отличается от естественного, для которого направление зависит от того, наблюдается оно вдоль потока излучения или навстречу ему.

Физическая сущность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в том, что магнитный момент электронов ѓК, входящих в состав атомов и молекул, при помещении вещества в магнитное поле начинает прецессировать вокруг вектора В. В результате такой прецессии вещество приобретает разные значения коэффициентов преломления для потоков излучения, поляризованных по часовой стрелке и против часовой стрелки по кругу. Благодаря этому скорость распространения потоков, поляризованных по кругу в различных направлениях, становится различной, что, в свою очередь, и приводит к повороту плоскости поляризации.

Поворот плоскости поляризации наблюдается и в очень тонких ферромагнитных пленках, при этом значение угла ц оказывается пропорциональным не магнитной индукции В, а намагниченности ферромагнитного вещества J

где -- постоянная Кундта. Характерно, что для тонких ферромагнитных пленок значение угла ц во много раз больше, чем для других твердых тел, жидкостей и газов, и может достигать десятых долей радиана.

Необходимо отметить, что в среде, в которой нет двойного лучепреломления, входящий плоскополяризованный поток излучения остается плоскополяризованным и на выходе. Однако в среде, где одна из поляризованных по кругу компонент поглощается больше, чем другая, выходящий свет эллиптически поляризован. При этом эллиптичность поляризации связана с разницей в поглощении двух поляризованных по кругу компонент. Это явление называется вращательным дихроизмом.

Другим магнитооптическим эффектом, нашедшим применение при построении магнитометрической аппаратуры, является эффект Керра. Суть эффекта состоит в том, что при отражении плоскополяризованного света от ферромагнитной зеркальной поверхности он становится эллиптически поляризованным, при этом главная ось эллипса поворачивается относительно плоскости поляризации падающего света.

Этот эффект связан с эффектом Коттона -- Мутона в неферромагнитных веществах (возникновение двойного лучепреломления при наложении внешнего магнитного поля нормально к направлению распространения потока излучения). Если направление компоненты магнитной индукции совпадает с направлением распространения поляризованного потока излучения, то плоскость поляризации поворачивается, причем из-за вращательного дихроизма может возникнуть эллиптичность.

Эффект Керра, как и эффект Фарадея, пропорционален не внешнему магнитному полю, а полной намагниченности образца, за исключением случая, когда внешнее поле определяет намагниченность в многодоменных образцах. Магнитооптический эффект Керра обнаружен только в ферромагнетиках, и установлено, что кроме особых магнитных свойств необходимое условие его существования -- наличие поглощаемого света, т. е. комплексность показателя преломления вещества.

Можно выделить три различные модификации магнитооптического эффекта Керра: а) полярный эффект, при котором вектор намагниченности перпендикулярен плоскости образца, но параллелен плоскости падения потока излучения; б) меридиональный, при котором вектор намагниченности параллелен поверхности образца и плоскости падения; в) экваториальный, при котором вектор намагниченности параллелен поверхности образца, но перпендикулярен плоскости падения.

2.2 Антенны, используемые в современных средствах контроля параметров электромагнитного поля

2.2.1 Дипольная электрическая антенна

Дипольная антенна состоит из двух одинаковых, симметрично расположенных и изолированных друг от друга металлических тел. Это могут быть, например, два соосных цилиндра (цилиндрическая антенна), два соосных конуса, обращенных вершинами друг к другу (биконическая антенна), две тонкие металлические полоски на диэлектрическом основании, две параллельные пластины (конденсаторная антенна) и т.д. Дипольная антенна имеет ось симметрии, например, общую ось цилиндров у цилиндрической антенны или общую ось конусов у биконической антенны. Эта ось называется осью дипольной антенны.

На рисунке 2.7 представлена дипольная антенна, представляющая собой симметричный вибратор большого диаметра, составленный из проводов. Провода располагаются по образующим цилиндра.

Рисунок 2.7 - Схема дипольной антенны

Измеряемое напряжение пропорционально величине электрического поля:

U = k*E (2.7)

Коэффициент k зависит от параметров антенны, нагрузки Z и частоты f изменения поля. Упрощенная схема дипольной антенны представлена на рисунке.

Рисунок 2.8 - Дипольная антенна

Для постоянного поля ( f = 0 ) k = 0. Для измерения постоянного поля используют антенны с изменяющейся геометрией. О таком приборе подробно рассказывалось в разделе об электростатическом поле.

2.2.2 Дипольная магнитная антенна

Дипольная магнитная антенна представляет собой катушку с сердечником или без него.

Рисунок 2.9 - Дипольная магнитная антенна

Измеряемое напряжение пропорционально величине магнитного поля:

U = k*В (2.8)

Коэффициент k зависит от параметров антенны (числа витков, наличия сердечника и пр.), нагрузки Z и частоты f изменения поля. Выбирая число витков, сердечник можно сделать компактную, чувствительную антенну.

Для постоянного поля ( f = 0 ) k = 0. Для измерения постоянного поля используют датчики Холла, магниторезисторы и феррозондовые измерители.

2.2.3 Магнитная антенна на основе Датчика Холла

На рисунке 2.9 преобразователь выполнен в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 выполняются по ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней. Выходная величина пропорциональна произведению двух входных величин - тока и магнитной индукции.

Достоинства: простота конструкции, отсутствие трения. Недостатки: остаточное напряжение, погрешность линейности, погрешность от возникновения собственного магнитного поля преобразователя, нестабильность, перепад температур зависит от наличия примесей. Преобразователи применяются для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, для определения характеристик ферромагнитных материалов.

Рисунок 2.9 - Преобразователь Холла

На основе датчика Холла выполняется магнитная антенна. Магнитная антенна представлена на рисунке 2.10

Рисунок 2.10 - Магнитная антенна на основе датчика Холла

В магнитном поле В при приложении напряжения U появляется ток J (направления как на рисунке 2.10).

2.2.4 Магнитная антенна на основе магниторезистора

Магниторезисторы - это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Рисунок 2.11 - принцип работы магниторезистора

Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.

Магниторезисторы представляют собой гальваномагнитные преобразователи, изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного поля траектории носителей искривляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается.

К магниторезистивным преобразователям относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные магниторезисторы, полевые магнитотриоды и гальваномагниторекомбинационные преобразователи.

Достоинства: бесконтактность, высокая чувствительность.

Недостатки: малое начальное сопротивление, нелинейность, чувствительность к температуре, трудность ориентации в магнитном поле.

Рисунок 2.12 - Магнитная антенна на основе магниторезистора

2.2.5 Феррозондовая магнитная антенна

Феррозонд - чувствительный преобразователь градиента или напряженности магнитного поля в электрический сигнал. Он измеряет напряженность магнитного поля или его градиент. Феррозонд состоит из одной либо из двух частей - полузондов. Каждый полузонд имеет пермалоевый или ферритовый сердечник 1(рисунок 2.13) и две обмотки: обмотку возбуждения 2 и сигнальную обмотку 3. Обмотка возбуждения создает переменное магнитное поле, намагничивающее сердечник, а в сигнальной обмотке на выходе генерируется ЭДС, которая пропорциональна напряженности измеряемого магнитного поля или его градиенту.

Взаимодействие собственного магнитного поля феррозонда с магнитным полем контролируемого изделия при наличии полей рассеивания вызывает изменение напряженности и градиента результирующего магнитного поля, и как следствие, изменение ЭДС в сигнальной обмотке( изменение частоты гармоники и т.д.). Контроль можно осуществлять как в приложенном магнитном поле, так и на остаточной индукции. С увеличением Частоты тока возбуждения до 100 кГц и выше чувствительность феррозондов весьма значительна: можно выявлять поверхностные трещины.

Рисунок 2.13 - Схема феррозонда

Рисунок 2.14 - Феррозондовая антенна

Запитка на одной частоте приводит к появлению ее гармоник за счет нелинейности феррита. Относительная амплитуда гармоник тем больше, чем больше величина постоянного магнитного поля, насыщающего ферритовый сердечник.

Достоинства антенны: стабильность, широкая полоса частот.

Недостатки антенны: сложность, разброс параметров ферритов, невысокая чувствительность.

2.3 Перечень доступного на рынке измерительного оборудования

Обязательным условием выбора представленных приборов является, наличие связи с компьютером.

Измеритель СВЧ-излучения П3-41

Рисунок 2.15 - ПЗ-41

Измеритель П3-41 разработан с целью обнаружения и контроля биологически опасных уровней электромагнитных излучений напряженности, плотности потока энергии и экспозиции для обеспечения выполнения требований Общего Технического Регламента об электромагнитной совместимости и безопасности, действующего в странах Европейского Союза и РФ.

Стоимость составляет от 322 907 рублей.

Назначение

Измеритель предназначен для выполнения измерений в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Госкомэпиднадзора РФ: ГОСТ 12.1.006-84, СанПин 2.1.8/2.2.4.1383-03, СанПин 2.1.8/2.2.4.1190-03, СанПин 2.2.2.2/2.4.1340-03, СанПин 2.1.2.1002-00,СанПин 2.2.4.1191-03.

Удовлетворяет требованиям национальных и международных стандартов ANSI/IEEE C95. 1, FCC, ICNIRP, Buwal, O-Norm S-1120. Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.35.002.A №40558 Прибор зарегистрирован в Государственном реестре под №27826-10 от 29.09.10. Технические решения защищены патентом РФ №31860

Особенности:

Изотропное измерение сигналов

Широкая полоса частот от 10 кГц до 40 ГГц

Широкий динамический диапазон от 0,26 мкВт/см2 до 1 Вт/см2 и от 0,5 до 1500 В/м (до 2000 В/м по требованию Заказчика)

Высокая точность и стабильность измерений

Автоматизация измерений при подключении к ПЭВМ через оптический кабель.

Рабочие условия применения и транспортирования по 4 группе ГОСТ 22261 Структура поставки определяется заказчиком.

Совместим с портативным компьютером (ноутбуком), что позволяет проводить на расстояниях до 100м мониторинг окружающей среды.

Измеритель электромагнитных излучений «П3-31»

Рисунок 2.16 - П3-31

Назначение

Обнаружение и контроль биологически опасных электромагнитных излучений с целью принятия мер по защите от них населения.
Измерение параметров электромагнитных полей: напряженности, плотности потока энергии и экспозиции в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Госстандарта и Роспотребнадзора: ГОСТ 12.1.006-84, ГОСТ 22261-94, ГОСТ Р 51350 - 99, ГОСТ Р 51070-97, ГН 2.1.8./2.2.4.019-90, ГОСТ Р51317.4.2-99, СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03, СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96.

Особенности:

· Диапазон измерений от 0.01 МГц до 40 ГГц.

· Стоимость от 203 580 руб

· Изотропные антенны

· Портативен, экономичен и удобен в работе

· Цифровая обработка результатов и автоматизация управления, измерений и установки параметров при подключении к ПЭВМ через RS-232S

· Запись в энергонезависимую память текущих, средних и максимальных значений (по 880 точек) плотности потока энергии (ППЭ), напряженности электрического (магнитного) поля с интервалом 1 секунда, при интервале усреднения и периоде считывания информации от 10 сек до 15 мин с привязкой к реальному времени и указанием частоты электромагнитного поля (ЭМП) и типа используемого антенного преобразователя (А i)

· Измерение экспозиции облучения

· Ввод ПДУ напряженности электрического (магнитного) поля, ППЭ и экспозиции

· Визуальное и звуковое оповещение пользователя при превышении ПДУ

· Индикация результатов измерения в единицах В/м, А/м, мкВт/см2, В2/м2·час, А2/м2·час, мкВт/см2·час или в процентах от установленных ПДУ

· Длительное время непрерывной работы

· Пользователь может ввести в прибор с помощью клавиатуры пороговые значения ППЭ, напряженности и экспозиции. При достижении порогов прибор осуществляет визуальное оповещение оператора.

· Высокая точность измерений и стабильность характеристик

· Самодиагностика и контроль разряда элементов питания.

Измеритель электромагнитного поля П3-70/1

Рисунок 2.17 - ПЗ-70/1

Универсальный прибор для изотропных измерений электромагнитных полей и излучений.

Стоимость от 55 224 руб.

Назначение

П3-70/1 - прибор, удовлетворяющий требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, так как имеет в своем составе изотропные антенны-преобразователи по всем типам электромагнитных полей.

Измеритель П3-70/1 предназначен для оперативного контроля переменных низкочастотных электрических и магнитных полей от ПЭВМ, промчастоты 50 Гц, переменных электромагнитных полей в диапазоне частот 5 Гц ... 2 кГц, 10... 30 кГц, 2 ... 400 кГц на рабочем месте , электростатических полей на любых рабочих местах, в том числе с ПЭВМ , постоянных магнитных и геомагнитных полей в помещениях и на рабочих местах при аттестации рабочих мест по условиям труда, проведении производственного контроля и электромагнитного мониторинга.

Сфера использования:

1) рабочие места с компьютерной и офисной техникой;

2) технологическое оборудование;

3) системы энергоснабжения;

4) рабочие места с иными техническими средствами, являющимися;

5) источниками низкочастотных электрических и магнитных полей;

6) производственные зоны и производственные помещения.

Изотропный измеритель электромагнитных полей П3-60

Рисунок 2.18 - ПЗ-60

Изотропный измеритель электромагнитных полей П3-60 предназначен для одновременного измерения среднеквадратических значений вектора напряженности переменного электрического поля и напряженности (индукции) переменного магнитного поля и применяется для измерения биологически опасных уровней низкочастотных электрических и магнитных полей в области низких частот независимо от природы его возникновения.
Прибор удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 51070-97, САНПИН 2.2.4.1191-03, САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03, ГОСТ Р 50946-01. В пределах своих технических характеристик прибор может использоваться для измерения указанных выше параметров электромагнитного поля независимо от природы его возникновения.

Цена: 76 700 руб.

Назначение

П3-60 - первый отечественный прибор, имеющий изотропную характеристику антенны с отклонением от изотропности не более 2%, среднеквадратические детекторы, позволяющие детектировать сигналы в полосе частот от 5Гц до 1МГц с погрешностью не более 1%, что обеспечивает возможность измерения полей с амплитудной, импульсной и частотной модуляцией с коэффициентом амплитуды Ка не менее 4, набор фильтров верхних и нижних частот 5 Гц, 2 кГц, полосовой фильтр 50 Гц.
Развитое программное обеспечение прибора позволяет проводить измерения как в ручном режиме в реальном времени, так и в автоматическом с сохранением результатов в памяти и последующим их считыванием в компьютер через USB порт. Прибор комплектуется программой, позволяющей автоматизировать процесс обработки информации и формирование протоколов измерения.

Питание прибора П3-60 осуществляется автономно от блока аккумуляторов или внешнего блока питания.

Измеритель П3-60 допускает непрерывную работу без подзарядки не менее 8 час. Потребляемая мощность - не более 2 Вт.

Измеритель электромагнитного поля промышленной частоты «ВЕ-50»

Рисунок 2.19 - BE-50

Измеритель электромагнитного поля промышленной частоты «ВЕ-50» совмещает свойства высокоточных профессиональных измерителей с компактностью и простотой обслуживания бытовых приборов. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» принадлежит к поколению новых приборов, которые отличает портативность и универсальность. Это переносной аппарат с возможностями стационарного. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» прост в управлении за счет малого числа функциональных клавиш и развитого меню. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» снабжен встроенными часами и общераспространенным портом RS-232, для анализа данных на персональном компьютере. Применение прогрессивных технических решений, конструктивных элементов, в частности быстродействующего микроконтроллера, пленочной клавиатуры, обуславливает высокую надежность Измерителя «ВЕ-50». Никакая другая марка аналогичных отечественных приборов не приближается по комплексу рабочих параметров и функциональных возможностей к Измерителю «ВЕ-50».

Назначение измерителя электромагнитного поля «ВЕ-50» - проведение мероприятий по охране труда, производственный контроль и контроль требований коммунальной гигиены.

Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» предназначен для проведения измерений пригигиенической оценке всех видов производственных и жилых помещений. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» используется в работе ЦГСЭН, лабораторий по аттестации рабочих мест и контроля соблюдения нормативных требований (СанПиН 2.2.4.1191-03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002-84 Электрические поля промышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях.) на электрических станциях и подстанциях, а также на предприятиях с силовым и высоковольтным оборудованием.

Цена с НДС: 48000 руб

Таблица 2.1 Технические характеристики измерителя параметров электрического и магнитного поля «ВЕ-50»

Диапазон частот, Гц	от 49 до 51
Диапазон измеряемых индукции магнитного поля, мТл	от 0,01 до 5,0
напряженности электрического поля, кВ/м	от 0,05 до 50
Предел допускаемой относительной погрешности, %
индукции магнитного поля	20
напряженности электрического поля	20

Использование измерителя параметров электрического и магнитного поля для контроля санитарно-гигиенических норм (СанПиН 2.2.4.1191-03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002-84 Электрические поляпромышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) при проведении производственного контроля, аттестации рабочих мест.

Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» отвечает ряду требований, соблюдение которых необходимо при контроле санитарно-гигиенических норм (СанПиН 2.2.4.1191-03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002-84 Электрические поляпромышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) при проведении мероприятий по охране труда, производственного контроля, аттестации рабочих мест:

Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» не искажает измеряемое электрическое поле. Это обусловлено электрической развязкой антенны (посредством волоконно-оптической линии связи) от блока индикации. Такая конструкция одновременно повышает безопасность процесса измерений, что немаловажно для условий работы с высоковольтным электротехническим оборудованием.

Датчиком электромагнитного поля в Измерителе «ВЕ-50» служит трехкомпонентная антенна, обеспечивающая измерение действующих значений уровней электрического и магнитного поля при любой ориентации датчика в пространстве. Это убирает ориентационную погрешность измерения, присущей приборам с однокоординатным (дипольным) датчикам электрического и магнитного поля.

Использование приборов с трехкоординатными датчиками становится безусловно необходимым при измерении электромагнитного поля, генерируемого трехфазным силовым электрооборудованием. В этом случае поле может быть эллиптически поляризованным и его действующее (эффективное) значение в v2 ? 1,42 раза отличается от действующего значения линейно поляризованного поля. «Распознавание» эллиптически поляризованного поля принципиально невозможно без использования приборов с трехкоординатными датчиками и со специальной программой анализа фазовых сдвигов между составляющими вектора поля.

Соответствующие требованиям нормативных документов (СанПиН 2.2.4.1191-03 Электромагнитные поля в производственных условиях, ГОСТ 12.1.002-84 Электрические поля промышленной частоты, ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях) динамические диапазоны измерения, погрешности не превышающие требуемых.

Для возможности инструментального анализа вредных условий труда, когда требуется уменьшение времени воздействия этих условий (защита временем), необходимо измерение среднесменных значений параметров, т.е. проведение длительных (многочасовых) измерений. Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» снабжен достаточно емкой встроенной памятью, допускающей возможность многочасовой автономной работы с записью результатов и последующим считыванием их.

Измеритель электромагнитного поля «ВЕ-50» позволяет использовать эффективные средства для сбора, анализа и хранения данных измерения. Применение цифровых носителей в сравнении с обычными системами хранения данных обеспечивает ряд преимуществ: возможность количественного анализа и коррекции результатов измерений, повышение их информативности, удобство архивирования и доступа.

Программное обеспечение мероприятий по охране труда (производственный контроль, аттестация рабочих мест). Методика проведения контроля: планирование измерений, анализ результатов измерений.

2.4 Выбор оборудования необходимого для проведения многочастотного контроля параметров электромагнитного поля

Для комплексного проведения измерений параметров ЭМП одного прибора недостаточно, поскольку один прибор не покрывает всего диапазона частот регламентирующими существующими нормами. Технологическая платформа способна получать данные от нескольких приборов измерения. В связи с этим возникает необходимость выбора оборудования, которое покроет требуемый нормами диапазон измеряемых частот. Выбор осуществим из приборов представленных в разделе 2.3.

Критерии выбора:

a) Наибольший диапазон измеряемых частот в сумме от всех приборов;

b) Невысокая стоимость;

c) Измеряемые параметры;

d) Наличие внешнего интерфейса взаимодействия.

На основании этих критериев были выбраны следующие приборы:

1) ПЗ-41.

a) Технические характеристики:

b) Полоса частот от 10кГц до 40 ГГц;

c) Стоимость от 322 907 рублей;

d) Напряженность электрического, магнитного поля, ППЭ;

e) Передача данных через COM порт.

2) ПЗ-70/1.

Технические характеристики:

a) Полоса частот от 0 Гц до 400 кГц;

b) Стоимость от 55 224 рублей;

c) Напряженность электрического поля, магнитного поля

d) Передача данных через COM порт.;

Рисунок 2.20 - Диаграмма частот

3. Разработка системы автоматизированного многочастотного контроля электромагнитных излучений для оценки опасности электромагнитной обстановки

3.1 Обоснование необходимости разработки системы автоматизированного многочастотного контроля электромагнитных излучений для оценки опасности электромагнитной обстановки

На основании материалов предоставленных выше, можно сделать вывод о необходимости наличия автоматизированного аппарата интегрированного контроля параметров электромагнитного поля. Необходимость создания прибора обусловлена следующими условиями:

1. Существующие нормативные документы регламентируют уровни электромагнитных излучений в достаточно широком диапазоне частот - от постоянного излучения до десятков гигагерц.

2. Имеющиеся приборы позволяют единовременно проводить измерения параметров электромагнитного поля только для одной частоты. Автоматический обход диапазона частот отсутствует. Более того, для анализа различных диапазонов зачастую используются различные приборы, различные схемные решения, различные антенны для одного прибора. Это осложняет автоматизацию процесса измерений и существенно влияет на их точность (три измерения с временным интервалом порядка одной секунды не могут дать полного представления о картине электромагнитной обстановки в помещении).

3. необходимость повышенного внимания исследователя; как следствие - повышенная вероятность ошибки;

4. невозможность одновременного измерения сразу нескольких параметров.

Сложности автоматизации сбора данных обусловлены несколькими факторами:

1. часть современных приборов вообще не позволяют автоматизировать сбор данных и выводят их только на цифровой дисплей;

2. те приборы, которые имеют внешний интерфейс взаимодействия (обычно это порт RS-232), работают по своим собственным, не унифицированным протоколам, что затрудняет централизованный сбор информации с них.

Таким образом, разрабатываемый прибор должен служить своеобразной технологической платформой, позволяющей подключать другие измерительные приборы и датчики в качестве модулей, которые могут разрабатываться отдельно от основной платформы.

3.2 Разработка технических требований к технологической платформе

3.2.1 Общие требования

Ввиду изложенных выше недостатков сочтено целесообразным создание интегрирующей технологической платформы, к которому предъявляются следующие требования:

· возможность интеграции в платформу любых аппаратов для измерения параметров электромагнитного поля, имеющих внешний интерфейс (например, RS-232, USB);

· автоматизированная передача данных на обработку в единообразном виде;

· возможность соединения с ПЭВМ;

· возможность управлять параметрами измерения (частоты и виды измеряемых полей) для тех приборов, для которых это актуально (например, П3-41), в автоматическом режиме (в соответствии с требованиями методик измерения).

3.2.2 Требования к области применения

Измерительный прибор должен применяться при измерении уровней напряженности электрического и магнитного полей в широком диапазоне частот для персонала, находящегося в зоне влияния электромагнитного излучения на производстве и для населения, находящегося под воздействием электромагнитного поля.