Förster Sonde - Universität Ulm

Institut für Mikro- und Nanomaterialien
Praktikum
“Materialien für elektrische und
magnetische Bauelemente”
VERSUCH E: FÖRSTER-SONDE
Version 10-02-2012
Benjamin Riedmüller
1
1.)
Einleitung ....................................................................................................................... 3
2.)
Funktionsweise der Förstersonde ................................................................................... 4
Grundlegender Aufbau und Aussteuerungsverhalten ............................................................ 4
Auswirkung des Streufelds der Probe auf die Förstersonde .................................................. 6
3.)
Versuchsaufbau .............................................................................................................. 8
4.)
Versuchsdurchführung ................................................................................................. 10
5.)
Fragen zur Vorbereitung .............................................................................................. 11
6.) Empfohlene Literatur .......................................................................................................... 12
2
1.) Einleitung
Die Förstersonde stellt ein hochempfindliches Messgerät zur Detektion kleinster
magnetischer Felder dar. Sie erlaubt durch ihren Aufbau und ihre besondere
Verschaltung die Messung von Feldern im Bereich von wenigen nT, was
ansonsten nur mit enorm hohem Messaufwand zu erreichen ist (SQUID).
Weiterhin können durch die spezielle Signalerzeugung die durch externe
Störquellen eingeprägten Gleich- und Wechselfeldern effektiv unterdrückt
werden, was einen robusten Betrieb ermöglicht. Ursprünglich wurde die Sonde
im zweiten Weltkrieg zum Aufspüren von feindlichen U-Booten konstruiert. Sie
hat jedoch durch die oben genannten Vorteile auch für wissenschaftliche
Anwendungen etabliert.
In diesem Praktikumsversuch sollen mittels einer Förstersonde die magnetischen
Eigenschaften von mehreren Proben untersucht werden.
Dabei soll zunächst die Eignung der Sonde zur quantitativen Messung des
absoluten magnetischen Moments an einer Referenzprobe (Fe) verifiziert
werden. Hierzu soll eine einfache Dipolnäherung der Probe zur Vorhersage des
Signals der Sonde herangezogen werden.
Anschließend werden sowohl die Koerzitivfeldstärke als auch komplette
Hystereseschleifen von zwei magnetischen Bändern aus einer kommerziellen
Warendiebstahlsicherung mit der Förstersonde vermessen.
Im letzten Teilversuch soll mit Hilfe der Förstersonde eine solche
Diebstahlsicherung in ihrer prinzipiellen Funktion simuliert werden.
3
2.) Funktionsweise der Förstersonde
Grundlegender Aufbau und Aussteuerungsverhalten
Die Förstersonde besteht im Wesentlichen aus zwei hochpermeablen
magnetischen Kernen, die von einem gemeinsamen harmonischen Signal
ausgesteuert werden. Der grundlegende Aufbau ist hierbei in Abbildung 1
dargestellt.
Abbildung 1: Grundlegender Aufbau und Verschaltung einer Förstersonde, wie sie im
Praktikumsversuch verwendet wird. [1]
Die beiden hochpermeablen Kerne werden jeweils von einem magnetischen
Wechselfeld ständig auf- und entmagnetisiert. Dabei verlässt man, wie in
Abbildung 2 zu sehen ist, bei jedem Feldzyklus den schmalen, linearen Bereich
und steuert bis in die Sättigung aus. Diese spezielle Aussteuerung wird benötigt,
um das Feld der zu messenden Probe aus dem Signal herauszuextrahieren.
Abbildung 2: Beispiel für Magnetisierungskurve eines Sondenkerns,
wie er in der Förstersonde ausgesteuert wird [4]
4
Durch die stetige Änderung der magnetischen Induktion wird in einer
zweiten, jeweils um den Kern gewickelten Spule ein harmonisches
Spannungssignal induziert, welches letztendlich zur Signalerzeugung dient.
Abbildung 3 zeigt im oberen Ausschnitt die harmonische Anregung des
hochpermeablen Kerns (blau) sowie die im Kern erzeugte Induktion B (rot).
Hierbei ist gut zu sehen, dass sich der Kern während der Aussteuerung
immer teilweise in Sättigung befindet.
Aus dieser Aussteuerung resultiert entsprechend das Induktionssignal, das in
unteren Ausschnitt von Abbildung 2 zu sehen ist.
Abbildung 3: Induktion des hochpermeablen Kerns und die in der Spule
Erzeugte Induktionsspannung (~ dB/dt) im Verlauf mehrerer Aussteuerungszyklen [4]
Bringt man nun eine magnetische Probe zwischen die beiden Sonden, so
durchflutet das Streufeld der Probe die beiden Spulenpaare jeweils in
entgegen gesetzter Richtung. Aus der daraus resultierenden, zeitlichen
Änderung des Induktionssignals kann im Umkehrschluss durch eine Eichung
der Sonde auf die Magnetisierung der Probe rückgeschlossen werden.
5
Auswirkung des Streufelds der Probe auf die Förstersonde
Abbildung 4: Aussteuerung der Sonde bei Streufeldeinfluss der Probe [4]
Wird eine magnetische Probe in die Nähe der Sonde gebracht, wird der
hochpermeable Kern sowohl von der harmonischen Anregung als auch von der
Probe selbst ausgesteuert. Da das Probenfeld zeitlich konstant ist, ergibt sich
nach Abbildung 4 eine Offsetverschiebung des anregenden Magnetfeldes (blau).
Dies bewirkt letztlich, dass die Probeninduktion in einer Halbwelle länger in
Sättigung gehalten wird, als in der anderen Halbwelle. Abbildung 5 zeigt die
Induktionsspannung in der Aufnehmerspule nach Einbringen einer Probe.
Abbildung 5: Induktion und in Aufnehmerspule induzierte Spannung bei
Einfluss eines Probenstreufelds. [4]
6
Die gestrichelten Linien veranschaulichen dabei die Zeitspanne, in der sich die
Probe im Vergleich zur reinen harmonischen Anregung in Sättigung befindet.
Es lässt sich zeigen, dass die unsymmetrische Aussteuerung durch das Streufeld
der Probe letztendlich ein Signal bei der doppelten Anregungsfrequenz
hervorruft. Dieses durch die Probe hervorgerufene Signal ist direkt proportional
zum Streufeld der Probe und kann somit nach Herausfiltern der zweiten
Harmonischen direkt als Maß für die zu messenden Probenmagnetisierung
herangezogen werden.
7
3.) Versuchsaufbau
Abbildung 6 zeigt sowohl die Sensorspulen, die um den hochpermeablen Kern
gewickelt sind und mittig eine lange Luftspule, die benötigt wird um die Probe
selbst zu magnetisieren. Bei diesem Aufbau muss beachtet werden, dass die
Aufnehmerspulen möglichst nicht auf das Feld der Luftspule reagieren, was
sowohl durch eine bestmögliche Positionierung der Elemente zueinander als
auch durch die gute Homogenität des Feldes der Luftspule erreicht wird.
Sonden
Abbildung 6: Förster Sonden und Spulenaufbau zur Messung der
Magnetisierungscharakteristik der Proben
Single Mode
Ausgänge
Differenzausgang
Empfindlichkeit
Abbildung 7: Steuereinheit des verwendeten Förster Magnetometers
8
Abbildung 7 zeigt die Steuer- und Messeinheit, die sowohl zur Ansteuerung der
Erregerspulen als auch zur Signalgenerierung genutzt wird. Hierbei hat man die
Wahl im sogenannten Single Mode das Messsignal aus einer Spule auszulesen,
während man im Differenzmodus die Differenz aus beiden Sonden bildet. Dies
bewirkt, dass von außen eingeprägte Felder effizient unterdrückt werden
können, da diese beide Sonden gleichmäßig aussteuern und somit nach der
Differenzbildung verschwinden.
Weiterhin kann durch die Wahl der Vorverstärkerstufe die Empfindlichkeit des
Instruments geändert werden. Hierbei kann entweder mit einem Signalpegel von
10 nT/V oder mit 100 nT/V gearbeitet werden.
9
4.) Versuchsdurchführung
a) Einstellung der optimalen Arbeitsposition
Um später einen möglichst geringen Einfluss des Magnetfelds der Luftspule auf die
eigentliche Messung zu haben, müssen die Sonden optimal bezüglich der Luftspule
ausgerichtet werden. Überlegen Sie sich dazu im Voraus eine mögliche Messroutine,
wie die Sondenposition schrittweise optimiert werden kann.
 Nehmen Sie geeignete Messkurven auf, die die schrittweise Optimierung
dokumentieren.
b) Quantitative Messung der Sättigungsinduktions eines Eisenblechs
Messen Sie das Ausgansgsignal eines Eisenblechs in Sättigung bei bekannter
Geometrie bei verschiedenen Abständen zu den Sonden. Vergleichen Sie das Ergebnis
mit den Signalen, die für das Eisenblech aus einer einfachen Dipolnäherung zu
erwarten wären. Stimmen die Ergebnisse mit den erwarteten Signalstärken überein?
c) Bestimmung der Koerzitivfeldstärke zweier magnetischer Bleche aus einer EMDiebstahlsicherung
Überlegen Sie sich ein Messverfahren, mit dem die die Koerzitivfeldstärke einer
magnetischen Probe bestimmen können. Überlegen Sie sich anhand der gewonnen
Werte, welches Blech welche Aufgabe in der Diebstahlsicherung übernimmt (siehe
auch Fragen zum Versuch)
d) Qualitative Messung der Hysterseschleife der vorher vermessenen Elektrobleche
Vermessen Sie von beiden magnetischen Blechen jeweils die Hystereseschleife.
Überlegen Sie sich aus diesen Messungen einen späteren geeigneten Aussteuerbereich
für die Diebstahlsicherung.
e) Nachweis der Funktion der Diebstahlsicherung
Überlegen Sie sich aus den bisher getätigten Messungen, ein Verfahren zum
Aktivieren und Deaktivieren der Diebstahlsicherung innerhalb des Messaufbaus.
Vermessen und vergleichen Sie die aktivierte und deaktivierte Diebstahlsicherung
im vorher gewählte Arbeitsbereich. Betrachten Sie das Ergebnis zunächst mit Hilfe
eines Oszilloskops und bestimmen Sie quantitativ die Oberwellenanteile mit Hilfe
eines Lock-In Verstärkers
10
5.) Fragen zur Vorbereitung
1.) Wie kann der Einfluss des in der Luftspule erzeugten Feldes auf die Messung
berücksichtigt werden?
2.) Warum wird die Nichtlinearität in der Aussteuerung der Erregerspulen
benötigt, um das zeitlich konstante Streufeld der Probe zu detektieren?
(Hinweis: Nähern Sie die B(H) Charakteristik der weichmagnetischen Kerne mit
Hilfe einer geeigneten Potenzreihe an und errechnen Sie daraus die resultierende
Induktionsspannung bei Anwesenheit einer Probe)
3.) Zeigen Sie, dass das von der Probe eingeprägte Streufeld Hprobe direkt aus
Messung der zweiten Harmonischen des Anregungssignals gewonnen werden
kann. (siehe hierzu [4])
4.) Schätzen Sie die absolute Sättigungsmagnetisierung in Am² eines
Eisenblechs mit einem Gewicht von 23 mg ab.
5.) Welches Signal kann man bei Einbringen dieser Probe in die Förster Sonde
bei einem Abstand von x = 12.5 cm, 11.5 cm, … 6.5 cm; y = 4 cm bei einer
Empfindlichkeit von 1 V / 100 nT erwarten? (siehe Abbildung 8)
(Hinweis: Benutzen Sie für die Abschätzung des Streufeldes das Modell eines
magnetischen Dipols)
6.) Erklären Sie die Funktion einer handelsüblichen, elektromagnetischen
Warendiebstahlsicherung. Welche Funktion übernehmen hierbei jeweils das
Hart- bzw. das weichmagnetische Material?
7.) Wie könnte das Aktivieren und Deaktivieren einer solchen Diebstahlsicherung
mit dem Praktikumsaufbau simuliert und getestet werden?
(Hinweis: Überlegen Sie sich dazu einen geeigneten Bereich für die Aussteuerung
des weichmagnetischen Materials und betrachten Sie das Ergebnis auf dem
Oszilloskop. Wie können die Oberwellen zum Deaktivieren der Diebstahlsicherung
effektiv unterdrückt werden?)
Probe
y
Aufnehmerspulen
x
Luftspule
Abbildung 8: Skizze zum Messaufbau aus Aufnehmerspulen und Luftspule
11
6.) Empfohlene Literatur
[1] Appelt, Frank: Aufbau eines Praktikumsversuchs zur magnetischen Untersuchung
der Aushärtung einer Kupfer-Kobalt-Legierung, Staatsexamensarbeit, Universität
Augsburg (1997)
[2] Jiles, David: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Chapman and
Hall, London (1997)
[3] O'Handley, Robert: Modern magnetic materials - principles and applications
Wiley, New York (2000)
[4] http://www.univie.ac.at/img-wien/lectures/magugeoel06/fluxgate.pdf
12