Магнитометры: что это такое, виды, советы по выбору и эксплуатации

Существует большое количество измерительных приборов. Некоторые из них измеряют то, что невозможно увидеть или потрогать руками. Ярким примером таких устройств как раз и является магнитометр.

Как следует уже из самого названия, магнитометр – это прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств отдельных материалов. В зависимости от того изменения показателей какого рода фиксирует устройство, его могут называть следующими терминами:

• эрстедметр (меряет напряженность поля);
• градиентометр (определяет полевой градиент);
• тесламетр (показывает индукцию);
• веберметр (определяет магнитный поток);
• инклинатор или деклинатор (устанавливает направление поля);
• коэрцитиметр (показывает коэрцитивную силу).

Когда работают мю-метры и каппа-метры, можно выяснить соответственно магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость. А также существуют приборы для фиксации магнитного момента. Но есть и более узкое определение магнитометров – это аппараты, замеряющие напряженность, градиент и направление поля. Определение необходимых параметров производится различными способами.

Схема магнитометра может сильно отличаться, но в любом случае он работает по одной и той же методике. Магнитное поле может быть охарактеризовано следующим:

• вектор напряженности;
• горизонтальная составляющая напряженности;
• магнитное склонение;
• магнитное наклонение.

Но есть еще одна важная характеристика магнитного поля – магнитная индукция. По направлению ее вектора определяется направление силы, воздействующей на северный полюс магнита. Чтобы понять, как все это работает, полезно рассмотреть устройство магнитометрического датчика HMC5883L от Honeywell. Меняющийся коэффициент усиления влияет на восприимчивость датчика. Для считывания данных предусмотрено 12 регистров с разрядностью 8.

Регистр режима задает основной сценарий действия: непрерывное измерение либо разовый замер и переход в режим ожидания. Если запрос идет не программно, а аппаратно, используется дублирование данных через вывод DRDY. Но не все так просто – требуется учитывать не только показания датчиков, но и воздействия на них различных помех.

Предположим, требуется произвести измерения удельной намагниченности насыщения. Образец, который нужно исследовать, и постоянный магнит крепятся на тонком стержне, соединенном с вибрационным узлом. Колебания стержня могут происходить с различной частотой, но в любом случае под углом 90 градусов к полю, создаваемому электромагнитом. Радиотехнические компоненты системы призваны усиливать, очищать и эффективно обрабатывать сигнал. Когда постоянный магнит и образец колеблются, появляется электродвижущая сила в особых катушках. Сами катушки позиционируют по отношению к постоянному магниту так, чтобы на их положение не влияли вибрационные колебания.

Но описанное устройство, как нетрудно понять по некоторым моментам, может применяться преимущественно в лабораторных условиях. Возможности его использования «в поле» существенно ограничены. Для полевых измерений предназначены уже совершенно другие магнитометры, которые не требуют изготовления и выделения образцов. Как именно работает такая техника – коммерческая тайна производителей. В любом случае, нужно ли производить измерения остаточной намагниченности или делать что-то еще, важно знать алгоритм калибровки методом наименьших квадратов.

Максимально упрощенно излагая суть этого метода (основанного на высшей математике), можно указать, что он подразумевает подбор функции, дающей значения, максимально близкие к полученным по итогам эксперимента. Сумма квадратов отклонений во всех критических важных точках должна быть как можно меньшей, в идеале – сведенной к нулю. Обязательным условием для применения такого алгоритма является знание вектора магнитного поля земли. Если же вернуться к математической стороне дела, то можно сказать, что тут нужны линейные преобразования матриц в трехмерном пространстве. А отсюда следует, что придется использовать показания по трем осям сразу.

Немного отстранившись от всей этой зауми, можно разобраться, как действует магнитометр на основе тонкопленочных магниторезисторов. Такая техника выпускается ведущими иностранными фирмами. Магниторезисторы обычно размещают на одной кремниевой подложке и соединяют мостовым способом.

Если отталкиваться от организации работы, нетрудно заметить различие съемочных и поисковых магнитометров. Для съемки применяют приборы, строящие геофизическую карту магнитного поля. Так как величина объекта, который интересует геологов, может составлять от 100 м до нескольких сотен км, шаг измерения тоже сильно отличается. Но в археологии (даже «черной») и в кладоискательстве такие параметры неприемлемы. Сканирование пространства по точкам не дает никакой информации о том, что находится между ними.

Сближение точек (с шагом 0,5 м, к примеру), делает работу излишне утомительной – и все равно остается риск «просмотреть» самые интересные объекты. Съемочные протонные магнитометры не предназначаются для работы на ходу. Между нажатием кнопки и прорисовкой на экране обнаруживающейся картины проходит 2–10 секунд, в зависимости от модификации и условий съемки. Можно, конечно, возвращаться и много раз проходить одни и те же места, но это сильно усложняет работу. Наконец, точность съемки на ходу обязательно упадет, по сравнению со штатным режимом.

Стоит учесть и еще один нюанс: магнитометр протонного типа неспособен указать, в какую сторону рыть яму и нужно ли ее углублять, чтобы вырыть нужный объект. Полноценный прибор для археологических и кладоискательских работ должен действовать так же непрерывно, как миноискатель или металлоискатель. Поэтому подходящим выбором становятся градиентные магнитометры иностранного производства. Их датчики невелики и не подвержены воздействию слишком сильных «сбивающих» полей.

Возвращаясь к протонным устройствам, нужно указать, что они работают за счет измерения частоты прецессии ядер протонов (зависящей исключительно от внешнего магнетизма). Квантовые приспособления действуют иначе – они основаны на эффекте Зеемана. Этот эффект состоит в том, что атомы испаренных частиц металла, оказавшись в магнитном поле, особым образом реагируют на поляризованный монохроматический луч света. При таком освещении атомы переходят на более высокий энергетический уровень. Феррозондовый магнитометр имеет в качестве основного узла электрическую катушку, сердечник которой изготовлен из магнитомягкого материала. Катушка, получающая электрический ток, и есть искомый феррозонд.

Индукционный магнитометр, как нетрудно понять, работает за счет электромагнитной индукции. Пассивный индукционный прибор отличается тем, что ЭДС в катушке появляется под действием внешнего магнетизма. Активное же устройство работает иначе: на возбуждающую обмотку подается импульс переменного тока. Переменная катушка насыщается наведенной ЭДС. Четные гармоники образующегося поля пропорциональны продольной составляющей внешнего поля.

Кварцевый тип магнитометров появился еще в 1940-е годы. Основной особенностью устройства является то, что магнитный блок подвешивается на кварцевой нити. Это надежная и совершенная техника, которую продолжают применять даже при геомагнитных исследованиях и в наши дни. Иначе устроен вибрационный цифровой магнитометр, который способен учесть влияние на магнитные свойства исследуемых объектов не только изменений внешнего магнетизма, но и колебаний температуры.

Рассмотрим подробнее известные модели магнитометров.

• Внимания заслуживает трехкомпонентный малогабаритный МТМ-01. Это устройство не поможет особо кладоискателям, зато способно определить опасные для человека природные магнитные поля. А также он позиционируется как средство определения эффективности магнитных экранов и других средств защиты.

• МФ-24 ФМ относится к другой категории — это микротесламетр-градиентометр. Он определяет, каково качество размагничивания различных деталей и элементов после сварочных работ. Может быть дана характеристика деталям, подвергнутым магнитным методам неразрушающего контроля.

• ИМАГ 400-Ц – магнитометр, предназначенный для контроля намагниченности металла в ходе магнитопорошковой дефектоскопии. Производитель гарантирует наработку на отказ не менее 5000 часов.

• Очень хорошие позиции занимает и магнитометр дефектоскопический 23-ИМ. Этот аппарат используется в дефектоскопии ферромагнитных изделий. Дополнительной областью его применения является определение уровня промышленных магнитных помех. Вместе с батареей масса устройства не превышает 0,15 кг.

• А вот магнитометр-градиентометр «Магнум» – как раз тот аппарат, который нужен поисковикам, кладоискателям. Он сумеет обнаружить и мелкие вещи, и большую военную технику. Гарантируется работа при суровом морозе. В последних версиях повышена надежность кабеля.

• Если нужно использовать магнитометр сразу в нескольких делах, подойдет универсальный «Техномаг». Он измеряет остаточную намагниченность и находит локальные полюса, контролирует намагничивание.

Магнитометры на практике применяются для поиска металла, в том числе и кладов в полевых условиях. Никакие георадары, не говоря уже о более простых приборах электроразведки, с ними не сравнятся. Все дело в том, что испускаемый теми же георадарами сигнал гаснет на три порядка быстрее. Именно поэтому как раз магнитометры используют в поиске следующих элементов:

• затонувшие корабли и подводные лодки;
• боевая техника на полях былых сражений;
• старинные железные предметы.

Но магнитометр ищет не только металл. Он способен определять остаточные части фундаментов и стены, другие части построек. Кирпич, глина, камень тоже имеют намагниченность, хотя и меньшую, чем сталь. Кроме того, преград для магнитного сканирования нет. Оно «игнорирует» почву и растительность, твердый камень и рыхлый лед, воду и посторонние предметы.

Единственным минусом можно считать избирательность сканирования. Кладоискатели, а отчасти и археологи (хоть и по разным причинам), особо интересуются цветными, драгоценными металлами, ювелирными украшениями – а как раз эти предметы магнитометр не отыщет. Многие люди изготавливают магнитное поисковое оборудование сами на базе микроконтроллера. И оно работает не хуже, чем промышленные образцы. Для обсерватории магнитометры важны способностью определять начинающиеся магнитные бури и измерять их интенсивность.

Но магнитные измерения нужны не только в металлоискателе и вообще на земле. Они требуются и авиационному транспорту. Вернее, не всем воздушным судам, а силам противолодочной обороны. Помимо чувствительности самого аппарата, на эффективность его применения влияют свойства субмарин и условия работы.

Необходимую точность прибора каждый конкретный пользователь определяет «под себя». Когда появится необходимый опыт, можно будет уже заранее подбирать аппарат для определенной задачи или экспедиции. В любом случае рядовым кладоискателям нет смысла приобретать устройства, которые выводят информацию только на дисплей и на магнитный носитель данных. Так устроены аппараты для съемки больших площадей при серьезных экспедиционных изысканиях. Пользоваться ими «в поле» невозможно – собрать и проанализировать данные получится только при помощи специалистов с дополнительной аппаратурой. Поэтому такой техникой пользуются преимущественно геологи и геофизики.

Очень хорошо, если есть световая и звуковая индикация. Они позволяют прямо на месте определять аномалии, их структуру, оценивать перспективность каждой находки. Простые ручные металлодетекторы удовлетворяют этому требованию, но для поиска на большей глубине надо применять градиентометры.

Еще больше информации о протонном магнитометре смотрите в следующем видео.