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Strumenti

  Magnetometri a induzione

di Paolo Palangio

STRUMENTI
  1. Elettrometro vettoriale
  2. Magnetometri triassiali a induzione
  3. Sistema di calibrazione

Magnetometro triassiale nella banda 0.001 Hz – 20 Hz

Il sensore per le basse frequenze (figura 1) è costituito da un avvolgimento di circa 500.000 spire frazionato in 8 settori per ridurre la capacità distribuita e quindi per massimizzare la frequenza di risonanza.
Un secondo avvolgimento, coassiale al primo, viene utilizzato per la controreazione del segnale.

FIGURA 1 Magnetometro per le basse frequenze: assemblaggio meccanico Magnetometro per le basse frequenze: assemblaggio meccanico

In regime sinusoidale il segnale ai capi dell’avvolgimento primario è rappresentabile mediante la relazione:

in cui K è la funzione di trasferimento dell’avvolgimento.
Questo segnale viene introdotto nell’avvolgimento di controreazione mediante la rete Z e produce la corrente i.

Il segnale di uscita del sistema così controreazionato è:

FIGURA 2 Schema di controreazione impiegato nel magnetometro Schema di controreazione impiegato nel magnetometro

Se è soddisfatta la relazione

Su tutta la banda di interesse:

10-3 < f < 20

il segnale di uscita non dipende più esplicitamente dalla frequenza ma soltanto dalle funzioni di trasferimento K, Z e M:

In realtà questa condizione non è concretamente raggiungibile su tutta la banda ma soltanto per una parte di essa. Per ottenere una risposta uniforme su tutta la banda è stata adottata una soluzione diversa. Questa consiste nel simulare una induttanza negativa e una resistenza negativa mediante una configurazione circuitale GIC in parallelo al sensore. Questi componenti negativi simulati sono tali che rendono le componenti reali del sensore estremamente piccole. Posizionando opportunamente i poli e gli zeri della funzione di controreazione K e del GIC la funzione di trasferimento complessiva del magnetometro nella banda 0.001 Hz - 20 Hz diventa costante ed effettivamente indipendente dalla frequenza.

FIGURA 3 Schema di principio del filtraggio del segnale del magnetometro 0.001 Hz – 20 Hz Schema di principio del filtraggio del segnale del magnetometro 0.001 Hz – 20 Hz

Nella regione inferiore della banda (1 mHz-100 mHz) si presenta il problema della deriva legato a diversi fattori tra questi quello che domina è la deriva termica degli operazionali. Per abbattere il contributo del rumore 1/f è stato adottato un rivelatore sincrono che esegue la cross-correlazione tra il segnale associato alle variazioni del campo magnetico Vsig e un segnale di riferimento Vrif.
Questo processo non elimina il segnale 1/f bensì lo trasla nella banda del segnale di riferimento Vrif, poiché si pone questa frequenza al di fuori della banda utile (>>20 Hz) il rumore viene filtrato agevolmente con un filtro ellittico a otto poli che lo sopprime di un fattore maggiore di 100 dB (figura 3). Il rumore del sensore è di circa RMS. La dinamica di questo sensore è di 400 nT.

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Magnetometro triassiale nella banda 1 Hz – 100 kHz

FIGURA 4 Spaccato del sensore a induzione Spaccato del sensore a induzione

Il secondo magnetometro che opera nella banda 1 Hz - 100 kHz è strutturato allo stesso modo ad eccezione del cross-correlatore che non è presente in quanto il rumore 1/f è trascurabile. Il rumore complessivo associato a questo sensore è dell’ordine di RMS e una dinamica di 200 nT.

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Magnetometro triassiale nella banda DC – 20 Hz

FIGURA 5 Magnetometro triassiale nella banda DC – 20 Hz Magnetometro triassiale nella banda DC – 20 Hz

Il terzo magnetometro è rappresentato nella figura 5 in cui il sensore (figura 6) si trova all’interno di un sistema di bobine di Helmholtz realizzato ad hoc per la calibrazione. Il sensore è costituito da un cubo di fibra di quarzo sulle cui facce giacciono 6 sensori magnetici costituiti da 6 toroidi e 3 bobine di Helmholtz par la captazione dei segnali.
Lo strumento è caratterizzato da un rumore intrinseco dell’ordine di RMS nella banda 0 Hz - 20 Hz con una dinamica di 50.000 nT e una deriva termica di 0.1 nT/°C.

FIGURA 6 Sensore magnetico triassiale a simmetria cubica Sensore magnetico triassiale a simmetria cubica
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