Fluxgate Meter

Fluxgate magnetometr je snímač magnetického pole pro vektorové magnetické pole. Jeho normální rozsah je vhodný pro měření zemského pole a je schopen rozlišit hluboko pod 10,{1}} tohoto.
Tradičně se používá pro navigaci a práci s kompasem, stejně jako pro detekci a vyhledávání kovů. Nenáročná na konstrukci je v dnešním světě křemíkových a MEMS zařízení často zapomenuta.
Konstrukce magnetometrů Fluxgate spadají do zhruba dvou stylů, ty využívající tyčová jádra a ty, které používají prstencová jádra. I když existuje mnoho alternativních návrhů většinou založených na jádrech prutů, žádný nedosáhl stavu vývoje a výkonu připisovaného dvěma stylům. Z tohoto důvodu je tato stránka určena pouze pro varianty tavidla s dvojitou tyčí a prstencovým jádrem.

Všechny fluxgate používají vysoce propustné jádro, které slouží ke koncentraci měřeného magnetického pole. Jádro je magneticky nasyceno alternativně v opačných směrech podél jakékoli vhodné osy, normálně pomocí budicí cívky poháněné sinusovým nebo čtvercovým průběhem.

Před nasycením je okolní pole vedeno jádrem a vytváří vysoký tok díky své vysoké permeabilitě. V bodě nasycení propustnost jádra klesá na propustnost vakua, což způsobuje kolaps toku. Během dalšího půlcyklu budícího průběhu se jádro zotaví ze saturace a tok v důsledku okolního pole je opět na vysoké úrovni, dokud se jádro nenasytí v opačném směru; cyklus se pak opakuje. Navzdory reverzaci magnetizace v důsledku buzení působí tok z okolního pole po celou dobu ve stejném směru. Snímací cívka umístěná kolem jádra zachytí tyto změny toku znaménko indukovaného napětí indikující kolaps nebo zotavení toku. Název fluxgate je jasně odvozen od působení toku jádra hradlového toku dovnitř a ven ze snímací cívky.

Tento proces je znázorněn na obrázku vlevo jako idealizované průběhy a je jasně vidět, že snímané napětí je dvojnásobkem frekvence buzení.
Z tohoto důvodu demodulační schémata často využívají detekci 2. harmonické. V praxi u jádra ve tvaru jedné tyče snímací cívka zachytí budicí pohon a také signální napětí, které může být kvůli jeho vysoké úrovni obtížné elektronicky odstranit.

Běžným řešením je použití dvou paralelních jader s obrácenou fází buzení z jednoho na druhé. Snímací cívka zachytí signál, ale indukované budicí napětí je zrušeno přepólováním fáze, čímž se vytvoří průběhy podobné těm, které jsou zde znázorněny.

Jak bylo popsáno, napětí vrcholů změny toku je z Faradayova zákona úměrné magnetickému poli; lze tímto způsobem použít jednoduchý senzor. Nicméně lepší design bude používat cívku (snímací cívka se pro tento úkol často zdvojnásobuje) pro zpětnou vazbu magnetického pole v opozici vůči snímanému poli tak, že se tato dvě pole navzájem ruší. V tomto provozním režimu, kde se fluxgate používá jako nulový detektor, je proud ve zpětnovazební cívce úměrný snímanému poli. Tato technika zlepšuje linearitu měření, umožňuje dosáhnout mnohem většího dynamického rozsahu a používá ji většina moderních
zařízení.

Magnetometry s hradlovým tokem, známé pro svou bezkonkurenční přesnost při měření magnetických polí, zejména v rozsahu nízké až střední intenzity magnetického pole, nabízejí řadu výhod, které utvrzují jejich převahu nad alternativními typy magnetometrů:

Vysoká citlivost
Flux-gate magnetometry, charakteristické svou mimořádnou citlivostí, vykazují schopnost detekovat i ta nejslabší magnetická pole. Tato zvýšená citlivost je činí neocenitelnými při geofyzikálních průzkumech, úsilí o průzkum vesmíru a průkopnickém biomedicínském výzkumu.

Nízká hlučnost
Schopnost indukčních magnetometrů dosahovat nízké hladiny hluku jim umožňuje rozeznat jemné změny magnetického pole s pozoruhodným stupněm přesnosti. Tato vlastnost se ukazuje jako nepostradatelná v aplikacích vyžadujících přesná měření, jako je detekce magnetických anomálií nebo archeologické výzkumy.

Široký dynamický rozsah
Flux-gate magnetometry se vyznačují širokým dynamickým rozsahem a jsou připraveny měřit magnetická pole v širokém spektru intenzit. Tato všestrannost je příznivě umisťuje v kontextech od detekce magnetického pole Země až po komplexní průzkum magnetických anomálií v kosmu.

Frekvenční odezva
Magnetometry s hradlovým tokem, charakterizované relativně jednotnou frekvenční odezvou, přesně zachycují jak statická, tak dynamická magnetická pole. Tato vlastnost nabývá kritického významu v situacích, které zahrnují rychle se měnící magnetická pole, jak je pozorováno v systémech magnetické navigace.

Linearita
Chvályhodná linearita demonstrovaná tok-gate magnetometry vytváří přímou korelaci mezi intenzitou magnetického pole a výsledným výstupem, čímž vytváří základ pro snadnou kalibraci a přesnou interpretaci dat.

Magnetometry jsou přístroje používané k měření magnetických polí. Hlavním účelem magnetometru je přesně detekovat magnetické odchylky a jejich výstup se využívá mimo jiné při navigaci, detekci objektů a sledování polohy. Dnes je k dispozici několik typů magnetometrů, včetně Fluxgate, opticky čerpaného, ​​supravodivého kvantového interferenčního zařízení (SQUID), senzorů Hallova efektu, magneto-odporových senzorů, Lorentzovy síly a magneto-indukčních senzorů.

Fluxgate magnetometry:Technologie fluxgate využívá magnetické materiály, které zažívají hysterezi, což jim umožňuje snadno měřit i ty nejmenší změny v magnetických polích. Fluxgate magnetometry nabízejí dobrou citlivost a mají tendenci být objemné a spotřebovávají značnou energii, což omezuje jejich použitelnost v kompaktních zařízeních.

Opticky čerpané magnetometry:Tyto magnetometry využívají atomový parní článek a lasery k měření magnetických polí. Opticky čerpané magnetometry jsou známé svou vysokou citlivostí a přesností, díky čemuž jsou vhodné pro vědecký výzkum. Jejich složitý design a relativně vysoké náklady však omezují jejich široké přijetí pro komerční aplikace.

Magnetometry SQUID:Magnetometry SQUID jsou známé svou extrémní citlivostí. Tyto senzory využívají supravodivé materiály a měří změny v magnetických polích detekcí kvantové interference v supravodivých obvodech. Avšak jejich závislost na kryogenních teplotách a potřeba pečlivého zacházení je velmi znesnadňuje použití ve většině aplikací.

Magnetometry s Hallovým efektem:Senzory Hallova jevu detekují sílu magnetického pole pomocí Hallova jevu. Generování rozdílu elektrického potenciálu na vodiči je známé jako produkce napětí. Nachází se kolmo k magnetickému poli. Přestože magnetometry s Hallovým efektem nabízejí kompaktní rozměry a nízkou spotřebu energie, poskytují omezenou citlivost a používají se hlavně k detekci zapnutých nebo vypnutých typů aplikací.

Magneto-odporové (MR) senzory:Všechny magnetorezistentní senzory pracují na principu, že určité magnetické materiály nanesené na polovodičovém substrátu mění svou schopnost odolávat toku proudu úměrně aplikovanému magnetickému poli. Hlavní formy magnetorezistivních senzorů jsou anizotropní magnetorezistivní (AMR), tunelovací magneticko-rezistivní (TMR) a obří magnetorezistivní (GMR). Všechny tři tyto technologie vykazují změny ve vodivosti založené na aplikovaném magnetickém poli, i když jich dosahují mírně odlišnými způsoby. Všechny tři vykazují podobnou schopnost magnetického měření a důvod, proč vybrat jeden před ostatními, se obvykle točí kolem otázek vyrobitelnosti pro konkrétního dodavatele. AMR je zdaleka nejběžnější formou magneto-odporového magnetického senzoru, který se používá.