СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ФЕРРОЗОНДОВ И УСТРОЙСТВО МОДУЛЯТОРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2022 года по МПК G01V3/00 

Изобретение относится к области измерения магнитных полей при проведении геофизических и космических исследований, разведке полезных ископаемых, поиске объектов техногенного происхождения, например, подземных коммуникаций и сооружений (кабельных электролиний, трубопроводов, линий связи), отдельных скрытых металлических и металлосодержащих объектов (арматуры внутри стен, зарытого металлолома, мин, снарядов) и т.п.

Известен способ возбуждения феррозонда, заключающийся в том, что для изменения магнитного состояния ферромагнитного сердечника его модулятора на этот сердечник воздействуют циркулярным переменным магнитным полем по всей его длине, источником которого является переменный электрический ток проводимости, протекающий непосредственно через всю длину ферромагнитного сердечника (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, с. 7, рис. 1.4, а).

Данный способ является известным гальваническим способом возбуждения феррозондов, использующим, взаимно-перпендикулярные магнитные поля (измеряемое постоянное магнитное поле и вспомогательное переменное магнитное поле), которые обеспечивают развязку цепей питания и выхода феррозонда.

Модулятор для реализации данного способа содержит стержневую ферромагнитную систему конечной длины, дополнительно выполняющую функции излучающего элемента.

Недостатком данных способа возбуждения феррозонда и модулятора для его реализации является наличие двух возмущающих факторов: существенная температурная нестабильность физико-конструктивных параметров феррозонда и динамичные деградационные процессы в самом материале ферромагнитного сердечника. Одновременное воздействие этих факторов на феррозонд вызывает кумулятивный эффект общей временной нестабильности феррозонда, что в итоге сказывается на снижении точности измерения. Данный способ требует организации хорошего электрического соединения выходных зажимов генератора возбуждения непосредственно с ферромагнитным сердечником модулятора и создает тем самым определенные конструктивные и технологические проблемы при реализации данного гальванического способа возбуждения.

Известен способ возбуждения феррозонда, заключающийся в том, что для изменения магнитного состояния ферромагнитного сердечника его модулятора на него воздействуют продольным переменным магнитным полем, источником которого является переменный электрический ток проводимости, обтекающий многовитковую катушку, охватывающую часть ферромагнитного сердечника. Данный способ является способом индуктивного возбуждения феррозондов с использованием параллельных магнитных полей (измеряемое постоянное магнитное поле и вспомогательное переменное магнитное поле) (Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергия, 1978, с. 6, рис. 1-1, а).

Модулятор для реализации данного способа содержит стержневую ферромагнитную систему конечной длины и излучающий дипольный элемент, выполненный в виде первичной многовитковой катушки, охватывающей часть длины ферромагнитной системы.

Недостаток известного способа возбуждения феррозонда и устройства модулятора для его реализации заключается в том, что они не обеспечивают требуемую точность измерения из-за температурного дестабилизирующего фактора, вызванного протеканием тока проводимости через многовитковую катушку, что в итоге и предопределяет значительную общую временную нестабильность физико-конструктивных параметров феррозонда в целом. Наличие в модуляторе многовитковой катушки возбуждения является источником дополнительных помех, существенно усложняет конструкцию и технологичность изготовления феррозонда. Кроме того, феррозонды с многовитковой катушкой возбуждения ориентированы на реализацию режима заданного тока проводимости, т.е. режима заданной напряженности поля возбуждения, при котором неизбежны значительные потери энергии и существенная нестабильность как параметров составляющих элементов, так и нулевых показаний прибора.

Наиболее близкими к изобретению по совокупности осуществленных признаков является способ возбуждения феррозондов и устройство модулятора для его реализации (Патент KG №1873, G01V 3/00, G01R 33/02, 30.06.2016), принятый за прототип.

Известный способ возбуждения феррозондов заключается в том, что на ферромагнитную систему модулятора феррозонда воздействуют перпендикулярно его продольной оси симметрии переменным электрическим полем, которым во всем объеме ферромагнитной системы на резонансной частоте возбуждают модулирующий физический процесс в виде продольной стоячей волны таким образом, чтобы на всей длине ферромагнитной системы укладывалась 3/2 ее длины λ, а средняя пучность этой стоячей волны располагалась по центру ферромагнитной системы. Данный способ возбуждения феррозондов ориентирован на функционирование феррозонда в режиме грандиентометра и основывается на использовании взаимно-перпендикулярных разнородных физических полей (измеряемое постоянное магнитное поле и вспомогательное переменное электрическое поле) и на реализации традиционных электромагнитных эффектов.

Недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности, т.к. он ориентирован только на работу феррозонда в режиме градиентометра, а также относительно невысокая чувствительность в связи с использованием только традиционного электромагнитного резонанса.

Известное устройство модулятора для реализации данного способа содержит стержневую ферромагнитную систему конечной длины и излучающий дипольный элемент, охватывающий часть длины ферромагнитного сердечника и выполненный в виде С-антенны, состоящей из двух отдельных токопроводящих электродов в виде боковых поверхностей тонкостенных полуцилиндров, закрепленных симметрично на внешней поверхности тонкостенной диэлектрической цилиндрической втулки и ориентированных большей своей стороной вдоль ее образующей, и расположенной симметрично относительно поперечной оси симметрии ферромагнитного сердечника, выполняющего одновременно функции элемента настройки режимов работы С-антенны и элемента модуляции измеряемого постоянного магнитного поля.

Недостатком данного устройства модулятора является недостаточная эффективность его работы, связанная с конструктивными особенностями его С-антенны, которая, по сути является излучающей вибраторной антенной, создающей электромагнитные помехи в окружающем пространстве. Это в свою очередь порождает паразитные физические эффекты, существенно влияющих на рабочий режим, как модулятора, так и феррозонда в целом.

Технической задачей изобретения является расширение области функционального назначения, повышение точности измерения, увеличение чувствительности и обеспечение помехоустойчивости.

Технический результат достигается тем, что в известном способе возбуждения феррозонда, заключающемся в том, что на ферромагнитную систему модулятора феррозонда воздействуют перпендикулярно его продольной оси переменным электрическим полем, которым при функционировании феррозонда в режиме грандиентометра во всем объеме ферромагнитной системы на резонансной частоте возбуждают модулирующий физический процесс в виде продольной стоячей волны таким образом, чтобы на всей длине ферромагнитной системы укладывалась 3/2 ее длины λ, а средняя пучность этой стоячей волны располагалась по центру ферромагнитной системы, согласно изобретению, в качестве материала ферромагнитной системы используют неметаллический ферромагнетик (феррит), в центральной части этой ферромагнитной системы создают, например, путем встраивания ферритового постоянного магнита, локальную неоднородность с магнитоупорядоченной структурой с намагниченностью вдоль оси ферромагнитной системы, обеспечивающей максимальное значение магнитной проницаемости материала самой ферромагнитной системы, переменным электрическим полем воздействуют на магнитоупорядоченную область ферромагнитной системы перпендикулярно ее продольной оси таким образом, чтобы данная область стала источником эволюционирующего МЭ-эффекта, посредством которого для обеспечения эффективной работы устройства модулятора при функционировании феррозонда в требуемом режиме (градиентомера или полемера) во всем объеме ферромагнитного сердечника на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов возбуждают модулирующий физический процесс в виде стоячей МЭ-волны, создающей соответствующую магнитную модуляционную структуру во всем объеме ферромагнитной системы, причем для обеспечения эффективной работы устройства модулятора при функционировании феррозонда в режиме полемера резонансный режим устройства модулятора устанавливают таким образом, чтобы на всей длине ферромагнитной системы укладывалась одна длина стоячей МЭ-волны, а средний узел этой волны располагался по центру ферромагнитной системы.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве модулятора для возбуждения феррозонда, содержащем стержневую ферромагнитную систему конечной длины и излучающий дипольный элемент, охватывающий центральную часть длины ферромагнитной системы и выполненный в виде С-антенны, состоящей из двух отдельных электродов в виде боковых поверхностей тонкостенных полуцилиндров, закрепленных симметрично на внешней поверхности тонкостенной диэлектрической цилиндрической втулки, согласно изобретению, стержневая ферромагнитная система выполнена в виде двух идентичных ферритовых стержневых полуэлементов, расположенных соосно и состыкованных между собой соосным ферритовым постоянным магнитом малой длины с намагниченностью вдоль оси, а С-антенна дополнительно снабжена заземленным электродом в виде боковой поверхности тонкостенного металлического цилиндра с разрезом вдоль образующей, размещенной на наружной поверхности дополнительной диэлектрической цилиндрической втулки, которая охватывает электроды С-антенны.

Заявленные особенности конструктивного исполнения устройства модулятора обеспечивают необходимый уровень эффективности его работы и способствуют достижению поставленной задачи в целом.

Предлагаемые способ возбуждения феррозондов и устройство для его осуществления поясняются чертежами, где:

на фиг. 1 - схема реализации заявляемого способа для функционирования феррозонда в режиме градиентометра;

на фиг. 2 - схема реализации заявляемого способа для функционирования феррозонда в режиме полемера;

на фиг. 3 - устройство модулятора в составе феррозонда.

Предлагаемый способ возбуждения феррозондов осуществляется следующим образом.

Для более полного понимания сути предлагаемого способа возбуждения феррозондов рассмотрим особенности физических эффектов, на которых он основывается, на примере ферромагнитной системы модулятора феррозонда, состоящей из неметаллических ферромагнетиков из композиционного материала, т.е. ферритов.

Известно, что ферритовые элементы обладают поликристаллическими доменными структурами, представляющими собой скорреллированные системы, в которых ориентация магнитных моментов доменов одного кристалла воздействует на ориентацию магнитных моментов доменов соседних кристаллов, превращая весь объем образца в самоорганизующуюся систему.

Кроме того, если ферритовые элементы обладают локальной неоднородностью в виде магнитоупорядоченной структуры, то при определенных условиях в этих локальных неоднородностях могут возникать магнитоупругие взаимодействия, в которых переменными величинами будут являться как компоненты напряжения (или деформации), так и компоненты намагниченности.

Иными словами, при наличии подобной магнитоупругой связи упругие колебания в локальной неоднородности будут вызывать соответствующие колебания векторов M_s доменов и доменных границ, фактически являющихся областями, в которых вектор намагниченности плавно разворачивается при переходе от одного домена к другому. В этом процессе доменные границы, по сути, будут представлять собой магнитные спирали-солитоны, что в итоге и предопределит наличие некоторой ассоциированной электрической поляризации этих доменных границ, а значит и соответствующую возможность управления ими с помощью электрического поля. В этом случае доменные стенки выступают в роли пьезоэлектрических структурных компонент, а сами домены соответственно можно считать магнитострикционными структурными компонентами. При этом внутри каждого домена подобной многодоменной структуры существует анизотропная магнитострикционной деформации, т.е. спонтанная магнитострикция.

Обобщая, можно констатировать, что воздействие электрического поля на подобные скоррелированные системы в структуре локальной неоднородности могут привести к соответствующим изменениям модулей упругости, диэлектрической и магнитной проницаемости, а также пьезоэлектрических и магнитоупругих модулей этой локальной неоднородности с магнитоуопоря-доченной структурой, которая в итоге может выступать в качестве источника магнитоэлектрических взаимодействий.

Следует отметить, что сами ферриты, как композиционные материалы, по своим свойствам относятся в определенном смысле к магнитоэлектрическим материалам, основным эффектом в которых является магнитоэлектрический эффект (МЭЭ), заключающийся в индуцировании электрической поляризации в материале во внешнем магнитном поле или в появлении намагниченности во внешнем электрическом поле. Иными словами, особенность МЭЭ заключается в том, что он связывает полярный вектор (поляризация) с аксиальным вектором (напряженность магнитного поля) и, наоборот, аксиальный вектор (намагниченность) с полярным вектором (напряженность электрического поля), вследствие чего МЭЭ можно отнести к перекрестным эффектам.

Исходя из этого, следует, что существует реальная возможность инициировать в ферритовых элементах возникновение МЭЭ, который относится к перекрестным эффектам и обусловлен механическим взаимодействием электрической, магнитной и упругой подсистем этих ферритовых элементах. При этом на частоте электромеханического резонанса возможно увеличение МЭЭ, а его дальнейшее усиление может иметь место при совпадении электромеханического и магнитного резонансов.

Таким образом, возникновение МЭЭ в ферритовом элементе связано, прежде всего, с механическим взаимодействием их магнитострикционной (пьезомагнитной) и пьезоэлектрической подсистем и заключается в возникновении поляризации вещества под действием магнитного поля (прямой МЭЭ)

и в возникновении намагниченности вещества под действием электрического поля (обратный МЭЭ)

где P_i - электрическая поляризация; H_j - магнитное поле; α,_ij=α_ji - МЭ восприимчивость; M_i - намагниченность; E_j - электрическое поле.

В этом случае, для материала, помещенного в однородные магнитное и электрическое поля, изменение объемной плотности свободной энергии может быть выражено следующим образом:

Подобный перенос энергии МЭ возбуждения в твердых телах составляет одну из наиболее фундаментальных проблем современной физики конденсированного состояния. Проблема эта весьма универсальна, поскольку перенос энергии МЭ возбуждения является промежуточным процессом, который осуществляется между первичным актом возбуждения МЭ процесса и теми конечными процессами, в которых эта энергия используется. Исходя из этого, можно элементарный акт «индуктивно-резонансного» переноса энергии рассматривать как результат перекрестного взаимодействия двух элементарных разнородных подсистем (элементарных ячеек) - донора и акцептора энергии. В этом случае можно считать, что вся структура материала фактически состоит из таких элементарных ячеек, образованных соответствующими элементарными подсистемами. Если структура подобного материала композита возбуждена каким-либо образом, то возбуждение может быть локализовано в любой из этих элементарных ячеек.

Следует отметить, что такое локализованное возбуждение не отвечает стационарному состоянию. Поэтому существующая связь между элементарными подсистемами и резонанс, обусловленный идентичностью соответствующих элементарных ячеек, приведут к тому, что энергия возбуждения будет мигрировать от одной ячейки к другой, образуя эволюционирующую, самоорганизующуюся систему.

Так как подсистемы в композитной структуре механически связаны, то в пьезомагнитной подсистеме возникнут соответственно уже магнитоупругие деформации, порождающие, в свою очередь, намагниченность данной подсистемы, которая вызывает механические напряжения в пьезоэлектрической подсистеме, что приводит уже к ее электрической поляризации, т.е. к возникновению внутреннего электрического поля. Подобная взаимообусловленность двух эффектов (обратного и прямого МЭЭ) порождает непрерывный процесс их пространственно-временного взаимодействия, который в условиях совпадения электромеханического и магнитного резонансов приведет к существенному усилению индукции переменной намагниченности, а значит и к повышению чувствительности феррозондового магнитометра.

Исходя из рассмотренных особенностей процесса возникновения МЭЭ, можно констатировать, что под воздействием источника магнитоэлектрических взаимодействий в зоне локальной неоднородности структуры ферритового элемента возможно инициирование соответствующих изменений магнитных свойств объемных магнитострикционно-пьезоэлектрических структур самого ферритового элемента, т.е. возможна реализация эволюционирующего процесса пространственной модуляции намагниченности. Иными словами, воздействие подобного источника магнитоэлектрических взаимодействий приведет к изменениям распределения намагниченности, а сама величина этого эффекта будет достигать наибольшего значения в области максимальной неоднородности намагниченности.

Таким образом, на основе МЭЭ можно предложить способ возбуждения феррозондов посредством переменного электрического поля, воздействующего на локальную неоднородность в виде магнитоупорядоченной структуры ферритового элемента. В результате этого воздействия данная структура вводится в состояние генерации магнитоэлектрического взаимодействия, которое и инициирует эволюционирующий МЭЭ в остальной структуре ферромагнитной системы феррозонда. Кроме того, данная локальная неоднородность своей продольной намагниченностью дополнительно обеспечивает максимальное значение магнитной проницаемости материала всей ферромагнитный системы, что в свою очередь способствует существенному повышению коэффициента преобразования феррозонда.

Исходя из вышеизложенных особенностей функционирования феррозонда и обеспечения его рабочих режимов предлагается следующий способ возбуждения феррозондов.

В сущности, любой феррозонд содержит две основные части: модулятор, состоящий из структурированной ферромагнитной системы и излучающего (возбуждающего) элемента, и приемную катушку.

В центре ферромагнитной системы 1 модулятора феррозонда, в качестве материала которой выбран феррит, создают локальную неоднородность в виде магнитоупорядоченный структуры путем добавления в ферромагнитную систему 1, ферритового постоянного магнита 2 с намагниченностью вдоль оси ферромагнитной системы, который выбирают таким образом, чтобы создаваемая им напряженность магнитного поля обеспечивала максимальную магнитную проницаемость материала ферромагнитной системы 1 модулятора. Затем воздействуют внешним переменным электрическим полем на магнитоупорядоченную структуру постоянного магнита 2 (фиг. 1 и фиг. 2) перпендикулярно его продольной оси. После чего на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов создают в магнитоупорядоченной структуре постоянного магнита 2 режим генерации МЭ взаимодействий, посредством которых возбуждают в волноводных элементах ферромагнитной системы 1 стоячую МЭ волну 3 таким образом, чтобы для работы феррозонда в режима градиентомера на всей длине ферромагнитной системы укладывалось 3/2 длины λ стоячей МЭ-волны с расположением ее средней пучности 4 по геометрическому центру ферромагнитной системы 1 (фиг. 1), а для функционирования феррозонда в режиме полемера на всей длине ферромагнитной системы 1 укладывалась одна длина А, стоячей МЭ-волны 3 с расположением ее среднего узла 5 по геометрическому центру ферромагнитной системы 1 (фиг. 2).

Устройство модулятора для возбуждения феррозондов (фиг. 3) состоит из ферромагнитной системы 1, содержащей два ферромагнитных ферритовых стержневых полуэлемента конечной длины 1' и 1'', соосно состыкованных между собой коротким стержневым ферритовым постоянным магнитом 2 с намагниченностью вдоль оси стержней, электродов 6 и 7, расположенных между внутренней поверхностью внешней диэлектрической цилиндрической втулки 8 и внешней поверхностью внутренней диэлектрическую цилиндрической втулки 9, и охватывающих часть длины центральной части ферромагнитной системы 1, и заземленный электрод 10 в виде боковой поверхности разрезного тонкостенного металлического цилиндра, расположенного снаружи внешней диэлектрической цилиндрической втулки 8. Совокупность элементов 6÷10 образуют вариант излучающей С-антенны.

В составе феррозонда периферийный конец ферромагнитного стержневого полуэлемента 1' одулятора размещен внутри приемной катушки 11', а периферийный конец ферромагнитного стержневого полуэлемента 1'' модулятора размещен внутри приемной катушки 11''.

Предложенный модулятор для возбуждения феррозондов работает следующим образом.

Постоянный магнит 2 создает в ферромагнитных стержневых полуэлементах 1'и 1'' ферромагнитной системы 1 подмагничивающее продольное постоянное магнитное поле напряженностью Н_ПМ, обеспечивающее максимальную величину начальной магнитной проницаемости μ=F(Н_ПМ) материала ФС 1:

При подаче напряжения высокой частоты u_Г(t)=U_m⋅cosωt на электроды 6 и 7 излучающей С-антенны в магнитоупорядоченной структуре ферритового постоянного магнита 2, находящегося в ее межэлектродном пространстве, создается поперечное переменное электрическое поле (ПЭП):

где - амплитудное значение напряженности электрического поля; β - конструктивный коэффициент С-антенны; δ - средний зазор между электродами С-антенны.

При этом заземленный электрод 10 излучающей С-антенны выполняет функции электростатического и электромагнитного экранов, что существенно уменьшает влияние различных физических факторов на устойчивость рабочего режима феррозонда в целом. Кроме того, особенности конструктивного исполнения электрода 10 обеспечивают необходимые уровни локализации и интенсивности ПЭП, что значительно повышает эффективность работы устройства модулятора.

Поперечное ПЭП, взаимодействуя с продольно-магнитоупорядоченной структурой постоянного магнита 2, переводит данную структуру в состояние режима генерации МЭ колебаний, которые в свою очередь через контактные поверхности в структурах ферромагнитных стержневых полуэлементов 1' и 1'' на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов возбуждают эволюционирующий неоднородный МЭЭ в виде соответствующего потока МЭ индукции Ф_МЭ, описываемый с учетом (2) волновым уравнением вида:

где Ф_МЭ - описывает некоторое свойство волноводов, связанное с волной; с² - константа, характеризующая свойства среды (например, скорость распространения волны в среде).

Общее решение уравнения (3) можно записать в виде:

где ƒ и g - произвольные функции.

Конкретизируем функции/и g следующими выражениями:

где с=ω/k, k=2π/λ - волновое число; ω - циклическая частота волны; λ - длина волны; а - амплитудное значение потока МЭ индукции.

В этом случае получим решение уравнения (3) в виде стоячей волны:

где ω=ω₀ - циклическая частота стоячей МЭ-волны на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов; a=γ⋅α⋅E_m=Ф_m; γ - коэффициент эволюции МЭ-волны; α=dP/dH - коэффициент МЭ-восприимчивости; dP и dH - соответственно изменения поляризации и приращения магнитного поля.

Точки х=n⋅π/k, в которых все время Ф_МЭ=0, являются узлами волны, а точки х=(2n+1)⋅π/2k, в которых Ф_МЭ достигает максимальных значений, образуют пучности волны.

При х=λ₀/4 для выражения (4) можем записать

Фактически данный волновой процесс можно рассматривать как пространственно-временную эволюцию некоторого состояния материала ферромагнитных стержневых полуэлементов 1' и 1'', инициирующий возникновение периодичной магнитной модуляционной структуры (ММС) с периодом Т=2π/ω₀ и с распределенной вдоль продольной оси ферромагнитной системы осциллирующей магнитной проницаемостью:

где η - коэффициент преобразования энергии электрического поля в энергию МЭ-волны; β - коэффициент инверсного магнитоэлектрического преобразования; ω=ω₀ - циклическая частота стоячей МЭ-волны на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов, х - координата вдоль распространения волны.

При этом сами ферромагнитные стержневые полуэлементы 1' и 1'' выполняют функцию МЭ волноводов, канализирующих эволюционирующий процесс магнитоэлектрического взаимодействия.

С учетом того, что рассматриваемый резонансный режим предполагает расположение пучности МЭ-волны на координате х=λ₀/4 (фиг. 3), выражение (6) можно представить в виде:

где μ_m=η⋅β⋅E_m - амплитудное значение магнитной проницаемости ФС.

Фактически образующаяся в ферромагнитных стержневых полуэлементах 1' и 1'' стоячая МЭ-волна 3 «навязывает» ферромагнитной системе ММС с соответствующим периодом Т.

Наличие подобной ММС, возникающей за счет движения и трансформации доменных границ в структурах ферромагнитных стержневых полуэлементов 1' и 1'', приводит к периодическому изменению в каждом из них соответствующей средней намагниченности:

где и M_j - соответственно относительный объем и намагниченность j-й группы доменов.

При наличии медленно изменяющегося измеряемого магнитного поля H₀(t) выражение для намагниченности М можем записать:

где - магнитная восприимчивость.

Из выражения (9) следует, что измеряемое постоянное магнитное поле Н₀(t), направленное вдоль продольных осей симметрии ферромагнитных стержневых полуэлементов 1' и 1'', выполняющих функции волноводов, трансформируется в стоячую волну магнитного поля за счет параметрической модуляции осциллирующей магнитной проницаемостью материала ферромагнитного волновода.

Если периферийный конец ферромагнитного стержневого полуэлемента 1' данного модулятора поместить внутрь приемной катушки 11' (см. фиг. 3), то на нее будут воздействовать поток МЭ индукции Ф_МЭ и осциллирующая составляющая измеряемого магнитного поля, полученная в результате модуляции этого поля волной индукции переменной намагниченности. В результате этих воздействий в приемной катушке соответственно возникнут магнитоэлектрическая э.д.с.(е_МЭ), пропорциональная dФ_МЭ/dt и магнитомодуляционная э.д.с.(е_ММ), пропорциональная dM/dt.

Исходя из вышесказанного и с учетом (5), можем записать выражения для магнитоэлектрической э.д.с:

где θ= - 4⋅π⋅w⋅s - соответствующая константа связи, w и s- соответственно, количество витков катушки и площадь сечения ФС; K_МЭ=8⋅π⋅s⋅w - коэффициент магнитоэлектрического преобразования.

Аналогично можно представить выражение для магнитомодуляционной э.д.с.

где - коэффициент магнитомодуляционного преобразования.

Если периферийный конец второго ферромагнитного стержневого полуэлемента 1'' ферромагнитной системы рассматриваемого модулятора поместить внутрь другой приемной катушки 11'', то на нее будут воздействовать все процессы, рассмотренные ранее, в результате чего в ней будут индуцироваться соответственно е''_ММ и е''_МЭ, имеющие аналитические представления аналогичные соответственно е'_ММ и е'_МЭ.

Следует отметить, что использование рассмотренных физических процессов позволяет получить в ферромагнитной системе 1 модулятора два варианта распределения стоячей МЭ-волны на всей длине этой системы:

- на всей длине ферромагнитной системы укладывается 3/2 длины λ стоячей МЭ-волны 3, а ее средняя пучность 4 располагается по центру ферромагнитной системы 1 (фиг. 1);

- на всей длине ферромагнитной системы 1 укладывается одна длина А, стоячей МЭ-волны 3, а средний узел этой волны 5 располагался на поперечной оси симметрии ферромагнитной системы 1 (фиг. 2).

Первый вариант распределения МЭ-волны соответствует функционированию модулятора для работы феррозонда в режиме градиентомера, при котором измерительными катушками будут регистрироваться соответственно (+е'_ММ), (+е'_МЭ) и (+е''_ММ), (+е''_МЭ), а второй вариант распределения обеспечивает функционирование модулятора для работы феррозонда в режиме полемера, при котором измерительными катушками будут регистрироваться соответственно (+е'_ММ), (+е'_МЭ) и (+е''_ММ), (- е''_МЭ).

Тогда, для работы феррозонда в режиме градиентомера можем записать:

где .

Соответственно для работы феррозонда в режиме полемера будет справедливо выражение вида:

где

Приведенные аналитические выражения (10)÷(13) убедительно доказывают состоятельность предложенных решений, реализуемых в форматах заявляемого способа и конструктивных особенностей устройства его реализации.

Экспериментальные исследования предлагаемого способа возбуждения феррозондов и устройства модулятора для его осуществления в составе феррозондов показали повышение точности измерения на 50%, увеличение чувствительности на 100% и достаточно высокую помехозащищенность.

На основе предлагаемого способа возбуждения феррозондов и устройстве его осуществления открываются широкие возможности для исследований в области нового направления в науке - спинтроники, в частности прикладного использования МЭ-взаимодействия, которое разработчики магнитометрической аппаратуры могут эффективно использовать при создании различных вариантов феррозондов на новых физических принципах функционирования.

Группа изобретений относится к области измерения магнитных полей. Суть способа возбуждения феррозондов основывается на ферромагнитной системе модулятора феррозонда, состоящей из неметаллических ферромагнетиков из композиционного материала, т.е. ферритов. Технический результат – расширение области функционального назначения, повышение точности измерения, увеличение чувствительности и обеспечение помехоустойчивости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ возбуждения феррозондов, заключающийся в том, что на ферромагнитную систему модулятора феррозонда воздействуют перпендикулярно его продольной оси переменным электрическим полем, которым при функционировании феррозонда в режиме грандиентометра во всем объеме ферромагнитной системы на резонансной частоте возбуждают модулирующий физический процесс в виде продольной стоячей волны таким образом, чтобы на всей длине ферромагнитной системы укладывалось 3/2 ее длины λ, а средняя пучность этой стоячей волны располагалась по центру ферромагнитной системы, отличающийся тем, что в качестве материала ферромагнитной системы используют неметаллический ферромагнетик, в центральной части этой ферромагнитной системы создают путем встраивания ферритового постоянного магнита локальную неоднородность с магнитоупорядоченной структурой с намагниченностью вдоль оси ферромагнитной системы, обеспечивающей максимальное значение магнитной проницаемости материала самой ферромагнитной системы, переменным электрическим полем воздействуют на магнитоупорядоченную область ферромагнитной системы перпендикулярно ее продольной оси таким образом, чтобы данная область стала источником эволюционирующего МЭ-эффекта, посредством которого для обеспечения эффективной работы устройства модулятора при функционировании феррозонда в требуемом режиме во всем объеме ферромагнитного сердечника на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов возбуждают модулирующий физический процесс в виде стоячей МЭ-волны, создающей соответствующую магнитную модуляционную структуру во всем объеме ферромагнитной системы, причем для обеспечения эффективной работы устройства модулятора при функционировании феррозонда в режиме полемера резонансный режим устройства модулятора устанавливают таким образом, чтобы на всей длине ферромагнитной системы укладывалась одна длина стоячей МЭ-волны, а средний узел этой волны располагался по центру ферромагнитной системы.

2. Устройство модулятора для возбуждения феррозондов, содержащее стержневую ферромагнитную систему конечной длины и излучающий дипольный элемент, охватывающий центральную часть длины ферромагнитной системы и выполненный в виде С-антенны, состоящей из двух отдельных электродов в виде боковых поверхностей тонкостенных полуцилиндров, закрепленных симметрично на внешней поверхности тонкостенной диэлектрической цилиндрической втулки, отличающееся тем, что стержневая ферромагнитная система выполнена в виде двух идентичных ферритовых стержневых полуэлементов, расположенных соосно и состыкованных между собой соосным ферритовым постоянным магнитом малой длины с намагниченностью вдоль оси стержней, а С-антенна дополнительно снабжена заземленным электродом в виде боковой поверхности тонкостенного металлического цилиндра с разрезом вдоль образующей, размещенной на наружной поверхности дополнительной диэлектрической цилиндрической втулки, которая охватывает электроды С-антенны.