Merilnik fluxgate

Fluxgate magnetometer je senzor magnetnega polja za vektorsko magnetno polje. Njegovo normalno območje je primerno za merjenje zemeljskega polja in je sposoben ločljivosti precej pod eno 10,000-ino tega.
Tradicionalno so ga uporabljali za navigacijo in delo s kompasi ter za odkrivanje in iskanje kovin. Ni težko zgraditi, na kar se v današnjem svetu silicija in naprav MEMS pogosto pozablja.
Zasnove fluxgate magnetometrov so na splošno razdeljene v dva sloga, tiste, ki uporabljajo paličasta jedra, in tiste, ki uporabljajo obročasta jedra. Čeprav obstaja veliko alternativnih modelov, ki večinoma temeljijo na jedrih palic, nobena ni dosegla stopnje razvoja in zmogljivosti, ki se pripisuje dvema slogoma. Iz tega razloga je ta stran namenjena samo za različice fluxgate z dvojno palico in obročastim jedrom.

Vsi fluxgates uporabljajo visoko prepustno jedro, ki služi za koncentracijo magnetnega polja, ki ga je treba izmeriti. Jedro je magnetno nasičeno izmenično v nasprotnih smereh vzdolž katere koli ustrezne osi, običajno s pomočjo vzbujalne tuljave, ki jo poganja sinusni ali kvadratni val.

Pred nasičenostjo se ambientalno polje kanalizira skozi jedro, ki zaradi svoje visoke prepustnosti proizvaja visok tok. Na točki nasičenja prepustnost jedra pade na prepustnost vakuuma, kar povzroči kolaps toka. Med naslednjim polovičnim ciklom valovne oblike vzbujanja si jedro opomore od nasičenosti in tok zaradi okoljskega polja je spet na visoki ravni, dokler se jedro ne nasiči v nasprotni smeri; cikel se nato ponovi. Kljub obračanju magnetizacije zaradi vzbujanja, tok iz okoljskega polja ves čas deluje v isti smeri. Zaznavna tuljava, ki je nameščena okoli jedra, bo zajela te spremembe toka predznaka inducirane napetosti, kar kaže na kolaps ali obnovitev toka. Ime fluxgate jasno izhaja iz delovanja flux gating jedra v zaznavno tuljavo in iz nje.

Ta proces je prikazan na sliki na levi kot idealizirane valovne oblike in jasno je razvidno, da je zaznavna napetost dvakrat večja od frekvence vzbujanja.
Demodulacijske sheme zaradi tega pogosto uporabljajo zaznavanje 2. harmonika. V praksi za enojno paličasto jedro bo zaznavna tuljava prevzela vzbujevalni pogon in tudi signalno napetost, ki se zaradi njene visoke ravni lahko izkaže za težavno za elektronsko odstranitev.

Običajna rešitev za to je uporaba dveh vzporednih jeder s fazo vzbujanja obrnjeno od enega do drugega. Zaznavna tuljava zajame signal, vendar je inducirana vzbujalna napetost preklicana s faznim obratom, kar povzroči valovne oblike, podobne tistim, prikazanim tukaj.

Kot je opisano, je napetost vrhov spremembe toka po Faradayevem zakonu sorazmerna z magnetnim poljem; na ta način je mogoče uporabiti preprost senzor. Vendar bo vrhunska zasnova uporabila tuljavo (tuljava za zaznavanje se pogosto podvoji za to nalogo) za povratno informacijo magnetnega polja v nasprotju z zaznanim poljem, tako da se polji med seboj izničita. V tem načinu delovanja, kjer se fluxgate uporablja kot ničelni detektor, je tok v povratni tuljavi sorazmeren z zaznanim poljem. Tehnika izboljša linearnost meritev, omogoča doseganje veliko večjega dinamičnega razpona in jo uporablja večina sodobnih
naprave.

Slovi po neprimerljivi natančnosti pri merjenju magnetnih polj, zlasti v nizkih do zmernih območjih jakosti magnetnega polja, flux-gate magnetometri ponujajo vrsto prednosti, ki utrjujejo njihovo superiornost v primerjavi z drugimi vrstami magnetometrov:

Visoka občutljivost
Flux-gate magnetometri, za katere je značilna izjemna občutljivost, kažejo sposobnost zaznavanja tudi najšibkejših magnetnih polj. Zaradi te povečane občutljivosti so neprecenljivi pri geofizikalnih raziskavah, raziskovanju vesolja in pionirskih biomedicinskih raziskavah.

Nizka raven hrupa
Zmožnost magnetometrov s pretočnimi zapornicami, da dosežejo nizke ravni hrupa, jim omogoča, da zaznajo subtilne spremembe magnetnega polja z izjemno stopnjo natančnosti. Ta lastnost se izkaže za nepogrešljivo pri aplikacijah, ki zahtevajo natančne meritve, kot je odkrivanje magnetnih anomalij ali arheološke preiskave.

Širok dinamični razpon
Pretočni magnetometri, ki se odlikujejo po obsežnem dinamičnem razponu, so pripravljeni za merjenje magnetnih polj, ki zajemajo širok spekter intenzitet. Ta vsestranskost jih uvršča v ugoden položaj v različnih kontekstih, od zaznavanja zemeljskega magnetnega polja do celovitega raziskovanja magnetnih anomalij v vesolju.

Frekvenčni odziv
Magnetometri s pretočnimi zapornicami, za katere je značilen razmeroma enoten frekvenčni odziv, natančno zajamejo statična in dinamična magnetna polja. Ta funkcija je kritičnega pomena v situacijah, ki vključujejo hitro spreminjanje magnetnih polj, kot je opaženo v magnetnih navigacijskih sistemih.

Linearnost
Hvalevredna linearnost, ki jo izkazujejo magnetometri s pretočnimi zapornicami, vzpostavlja neposredno korelacijo med jakostjo magnetnega polja in posledično izhodno vrednostjo, kar ustvarja osnovo za enostavno kalibracijo in natančno interpretacijo podatkov.

Magnetometri so naprave, ki se uporabljajo za merjenje magnetnih polj. Glavni namen magnetometra je natančno zaznavanje magnetnih variacij, njihov izhod pa se med drugim uporablja pri navigaciji, zaznavanju objektov in sledenju položaja. Danes je na voljo več vrst magnetometrov, vključno s Fluxgate, optično črpano, superprevodno kvantno interferenčno napravo (SQUID), senzorji Hallovega učinka, magnetno-uporovnimi senzorji, senzorji Lorentzove sile in magnetno-induktivnimi senzorji.

Magnetometri s pretočnim pretokom:Tehnologija fluxgate uporablja magnetne materiale, ki doživljajo histerezo, kar jim omogoča enostavno merjenje tudi najmanjših sprememb v magnetnih poljih. Čeprav ponujajo dobro občutljivost, so fluxgate magnetometri ponavadi zajetni in porabijo precej energije, kar omejuje njihovo uporabnost v kompaktnih napravah.

Magnetometri z optično črpalko:Ti magnetometri uporabljajo celico z atomsko paro in laserje za merjenje magnetnih polj. Magnetometri z optično črpalko so znani po svoji visoki občutljivosti in natančnosti, zaradi česar so primerni za znanstvene raziskave. Vendar pa njihova zapletena zasnova in razmeroma visoki stroški omejujejo njihovo široko uporabo v komercialne namene.

Magnetometri SQUID:Magnetometri SQUID so znani po svoji izjemni občutljivosti. Ti senzorji uporabljajo superprevodne materiale in merijo spremembe magnetnih polj z zaznavanjem kvantnih motenj v superprevodnih vezjih. Vendar pa jih je zaradi odvisnosti od kriogenih temperatur in potrebe po skrbnem ravnanju zelo težko uporabiti v večini aplikacij.

Magnetometri na Hallov učinek:Hallovi senzorji zaznavajo moč magnetnega polja s pomočjo Hallovega učinka. Generiranje razlike električnega potenciala na prevodniku je znano kot proizvodnja napetosti. Nahaja se pravokotno na magnetno polje. Čeprav imajo magnetometri s Hallovim učinkom kompaktne velikosti in nizko porabo energije, zagotavljajo omejeno občutljivost in se večinoma uporabljajo za zaznavanje vklopljenih ali izključenih vrst aplikacij.

Magnetno-uporovni (MR) senzorji:Vsi magnetno-uporovni senzorji delujejo na principu, da nekateri magnetni materiali, naneseni na polprevodniško podlago, spremenijo svojo sposobnost upora tokovnemu toku sorazmerno z uporabljenim magnetnim poljem. Glavne oblike magnetno-uporovnih senzorjev so anizotropni magnetno-uporovni (AMR), tunelski magnetno-uporni (TMR) in velikanski magnetno-uporni (GMR). Vse te tri tehnologije kažejo spremembe v prevodnosti na podlagi uporabljenega magnetnega polja, čeprav jih dosežejo na nekoliko različne načine. Vsi trije kažejo podobno zmogljivost magnetnega merjenja in razlog za izbiro enega pred drugimi se običajno vrti okoli težav z možnostjo izdelave za določenega dobavitelja. AMR je daleč najpogostejša oblika magnetno-uporovnega magnetnega senzorja, ki se uporablja.