Fluxgate Magnetometer

Du betrittst die faszinierende Welt des Fluxgate Magnetometers, einer Schlüsselkomponente in der Ingenieurwissenschaft. In diesem Artikel hast du die Möglichkeit, tief in die Definition, Theorie und Funktionsweise dieses Instruments einzutauchen. Es wird dir mehr über seine vielfältigen Anwendungsbereiche, von 3-Achsen-Messungen bis zu speziellen Sensoren, vermittelt. Abschließend bekommst du das Fluxgate Magnetometer auf einfache Weise erklärt und es wird der Zusammenhang zwischen dieser Technologie und den Ingenieurwissenschaften erläutert.

Was ist ein Fluxgate Magnetometer?

Ein Fluxgate Magnetometer ist ein empfindliches Instrument, das zur Messung des Magnetfelds oder seiner Komponenten verwendet wird. Es basiert auf dem Prinzip der Sättigung der Magnetisierung von Eisen oder anderen magnetischen Metallen. Du wirst es in verschiedenen Branchen wie der Geophysik, Archäologie und in der Satellitennavigation finden. Es ist insbesondere für seine hohe Genauigkeit und Sensitivität im Vergleich zu anderen Magnetfeldsensoren bekannt.

Die Fluxgate-Magnetometer Definition

Ein Fluxgate Magnetometer besteht im Wesentlichen aus einer Ringspule aus zwei identischen ferromagnetischen Kernen und Spulenwicklungen, die als Primär- und Sekundärwicklungen bekannt sind.

1. Primärwicklung	Ist zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfelds und befindet sich um die beiden Kerne gewickelt.
2. Sekundärwicklung	Erzeugt eine induzierte Spannung, die proportional zum gemessenen Magnetfeld ist. Sie sitzt meistens auf einem der Kerne.

Fluxgate-Magnetometer-Theorie

Die Theorie hinter dem Fluxgate Magnetometer basiert auf dem Prinzip der nichtlinearen Magnetisierung. Wenn du ein wechselndes Magnetfeld auf einen ferromagnetischen Kern aufträgst, wirst du feststellen, dass die Magnetisierung nicht linear mit dem angelegten Feld ansteigt. Sie erreicht einen Sättigungspunkt, an dem weitere Zunahmen des Magnetfelds keine weitere Magnetisierung verursachen. Denke daran, dass diese Sättigungseigenschaften stark von den Eigenschaften des verwendeten ferromagnetischen Materials abhängen. \[ S_{\text{magnet}}=\frac{\Delta M } {\Delta H}\] Wobei dabei \( S_{\text{magnet}} \) die Sättigungsmagnetisierungssteigung, \( \Delta M \) die Änderung der Magnetisierung und \( \Delta H \) die Änderung des Magnetfelds darstellt.

Beispiele von Fluxgate-Magnetometern

Es gibt viele Variationen von Fluxgate-Magnetometern, die auf dem Markt erhältlich sind, hier sind einige davon:

• Bartington Mag648
• Stefan Mayer FG5X
• MM 100 Fluxgate Magnetometer

Diese unterschiedlichen Geräte ähneln sich in der Grundfunktionalität, variieren jedoch in Bezug auf die Sensibilität, den messbaren Bereich und die Verwendungszwecke. Zum Beispiel wird das Bartington Mag648 Magnetometer oft in der Geophysik und Archäologie zur Untersuchung von magnetischen Anomalien im Untergrund verwendet. Auf der anderen Seite ist der Stefan Mayer FG5X ein hochempfindlicher Sensor, der in der Forschung und Entwicklung für die präzise Messung von Magnetfeldern eingesetzt wird. Die Wahl des geeigneten Modells hängt daher stark von deinem spezifischen Anwendungsbereich ab.

Wie funktioniert ein Fluxgate Magnetometer?

Ein Fluxgate Magnetometer arbeitet auf der Basis von magnetischen Sättigungseffekten in weichmagnetischen Materialien, um magnetische Felder zu messen. Dabei wird ein Wechselstrom durch eine Primärspule gesendet, die um zwei ferromagnetische Kerne gewickelt wird. Diese Spule erzeugt ein Magnetfeld, das periodisch die Kerne sättigt und wieder entsättigt. Das Magnetfeld der Kerne wird durch eine zweite Spule gemessen, die als Sekundärspule bekannt ist und auf einem der Kerne gewickelt ist. Im abwesenden externen Magnetfeld sind die Magnetisierungszyklen in beiden Kernen symmetrisch und gleichen die induzierten Spannungen in der Sekundärspule aus. Wenn jedoch ein externes Magnetfeld vorhanden ist, werden die Sättigungszeiten der Kerne unterschiedlich, was zu einer netto induzierten Spannung in der Sekundärspule führt. Diese Spannung ist proportional zum externen Magnetfeld und kann daher zur Messung des Magnetfelds verwendet werden.

Prinzip des Fluxgate-Magnetometers

Das Prinzip des Fluxgate-Magnetometers basiert auf dem Phänomen der magnetischen Sättigung. Hierbei handelt es sich um einen Zustand, bei dem ein Material nach Erreichen einer bestimmten Feindmagnetisierungsstärke (H_feld) keine weitere Zunahme der Magnetisierung (M) aufweist. Dieses Phänomen wird durch die sogenannte BH-Kurve ausgedrückt: \[ M = S_{\text{magnet}} \times (H_{\text{feld}} - H_i) \] wo gerade \(S_{\text{magnet}}\) der Sättigungsgrad der Magnetisierung und \(H_i\) das innere Feld des Materials ist. Während des Betriebs erzeugt die Primärwicklung eine sinusförmige Sättigungsmagnetisierung in den ferromagnetischen Kernen. Wenn jetzt ein äußeres Magnetfeld auf die Kerne trifft, führt das zu einer Verschiebung in den Magnetisierungszyklen von einem Kern zum anderen. Diese Verschiebung zeigt sich in der Sekundärwicklung als Spannungsänderung. Nachdem diese Spannung gemessen und verstärkt wurde, wird sie als ein Maß für das externe Magnetfeld genommen.

Sensibilität des Fluxgate-Magnetometers

Die Sensibilität eines Fluxgate-Magnetometers ist ein wichtiger Parameter, der seine Fähigkeit zur genauen Messung von Magnetfeldern definiert. Sie wird normalerweise in Nanotesla (nT) pro Volt (V) ausgedrückt und gibt an, wie viel Änderung der Ausgangsspannung pro Änderung des magnetischen Flusses stattfindet. Die Sensibilität hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Eigenschaften des ferromagnetischen Materials, die Art der Wicklungen, die Frequenz des angelegten Wechselstroms und die Charakteristik der verwendeten elektronischen Komponenten. Eine hohe Sensibilität ist wünschenswert, da sie zu einer besseren Genauigkeit und kleineren Messfehlern führt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine hohe Sensibilität auch zu einer höheren Anfälligkeit für Temperaturänderungen und Rauschen führen kann. Magnetische Sättigung, Magnetisierung und Sensibilitätsind Schlüsselbegriffe im Verständnis der Funktionsweise eines Fluxgate-Magnetometers und spielen eine wesentliche Rolle in der Entwurfs- und Betriebsprinzipien dieser Geräte.

3-Achsen-Fluxgate-Magnetometer

Ein 3-Achsen-Fluxgate-Magnetometerist eine spezialisierte Version eines Fluxgate-Magnetometers, die in der Lage ist, Magnetfelder in drei orthogonalen Ausrichtungen zu messen. Diese Magnetometer sind besonders nützlich in Anwendungen, wo eine vollständige dreidimensionale Kartierung des Magnetfelds notwendig ist. Ein 3-Achsen-Fluxgate-Magnetometer besteht typischerweise aus drei einzelnen Fluxgate-Sensoren, die in orthogonalen Achsen ausgerichtet sind, also in Richtung x, y und z. Jeder Sensor ist in der Lage, die magnetische Feldstärke entlang seiner Achse zu messen. Durch Kombinieren der Ausgänge der drei Sensoren kann das Gesamtmagnetfeld in der Ebene in Bezug auf die Achsen des Magnetometers ermittelt werden. Dies erlaubt es, auch die Richtung des Magnetfelds zu bestimmen. Diese Art von Magnetometer wird häufig in Navigationssystemen und magnetischen Kompassen verwendet, da es den Benutzer über Änderungen der magnetischen Nordsüdausrichtung informiert und so eine präzise Navigation ermöglicht.

Fluxgate-Magnetometersensor

Ein Fluxgate-Magnetometersensorist ein spezieller Entwurf innerhalb der Familie der Fluxgate-Magnetometer, der darauf abzielt, die physikalischen Abmessungen, den Energieverbrauch und möglicherweise auch die Kosten des Geräts zu reduzieren, während gleichzeitig die Leistung und Genauigkeit der Messung aufrechterhalten oder sogar verbessert wird. Der Sensor besteht aus einer oder mehreren Fluxgate-Sensoreinheiten, die aus einer Primärwicklung zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfelds und einer Sekundärwicklung zur Messung der induzierten Spannung bestehen. Diese Spulen sind um einen gemeinsamen Ferromagnetkern gewickelt, die Anregung erfolgt sinusförmig durch die Primärspulen und die Induktivität wird durch die Sekundärspule gemessen. Der Sensor nutzt integrierte Schaltkreise und fortschrittliche Materialien, um die Größe und den Energieverbrauch zu reduzieren. Dieses Design ermöglicht es dem Sensor, auch in rauen Umgebungen zuverlässig zu arbeiten und bietet eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit. Diese Sensoren finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Navigationssysteme, Industrieautomatisierung und in der Forschung. Die aus diesen Sensoren gewonnenen Daten trägt wesentlich zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Systeme bei.

Fluxgate-Magnetometer-Anwendungen

Für Fluxgate-Magnetometergibt es eine Vielzahl von Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen. Einige dieser Anwendungen sind:

• Geophysikalische Exploration: Sie werden bei der Suche nach Mineralien und Erzen eingesetzt, indem sie magnetische Anomalien im Untergrund detektieren.
• Archäologie: Sie können verwendet werden, um verborgene Strukturen zu identifizieren, indem sie Veränderungen im lokalen Magnetfeld aufzeichnen, die durch unterirdische Strukturen verursacht wurden.
• Satellitennavigation: Sie sind wichtige Komponenten in Satelliten zur Messung des Erdmagnetfelds, was für die genaue Positionsbestimmung und Orientierung wichtig ist.

Fluxgate-Magnetometer sind leistungsstark und vielseitig und können auf verschiedene Weisen an die spezifischen Anforderungen einer bestimmten Anwendung angepasst werden. Mit ihrer hohen Genauigkeit und Empfindlichkeit sind sie ein wertvolles Werkzeug in vielen Bereichen, von der industriellen Automatisierung bis hin zur wissenschaftlichen Forschung.