Диференціальний магнітометр. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Металошукачі

Коментарі до статті

Пропонований до вашої уваги диференціальний магнітометр може бути дуже корисним для пошуку великих залізних предметів. Таким приладом практично неможливо шукати скарби, проте він незамінний при пошуку танків, кораблів та інших зразків військової техніки, що неглибоко затонули.

Принцип дії диференціального магнітометра дуже простий. Будь-який предмет із феромагнетика спотворює природне магнітне поле Землі. До таких предметів відноситься все, виготовлене із заліза, чавуну та сталі. Значною мірою вплинути на спотворення магнітного поля може і власна намагніченість предметів, яка часто має місце. Зафіксувавши відхилення напруженості магнітного поля від фонового значення можна зробити висновок про наявність поблизу вимірювального приладу предмета з феромагнітного матеріалу.

Спотворення магнітного поля Землі далеко від мішені мало, і воно оцінюється по різниці сигналів від двох рознесених на деяку відстань датчиків. Тому прилад названо диференціальним. Кожен датчик вимірює сигнал, пропорційний напруженості магнітного поля. Найбільшого поширення набули феромагнітні датчики та датчики на основі магнетонної прецесії протонів. У приладі, що розглядається, використовуються датчики першого типу.

Основою феромагнітного датчика (званого також феррозондовим) є котушка із сердечником із феромагнітного матеріалу. Типова крива намагнічування такого матеріалу добре відома зі шкільного курсу фізики та має з урахуванням впливу магнітного поля Землі наступний вигляд, показаний на рис. 29.

Рис. 29. Крива намагнічування

Котушка збуджується змінним синусоїдальним сигналом несучої частоти. Як видно із рис. 29 зсув кривої намагнічування феромагнітного сердечника котушки зовнішнім магнітним полем Землі призводить до того, що індукція поля і пов'язане з ним напруга на котушці починають спотворюватися несиметричним чином. Іншими словами, напруга датчика при синусоїдальному струмі несучої частоти відрізнятиметься від синусоїди більш "приплюснутими" верхівками напівхвиль. І ці спотворення будуть несиметричні. На мові спектрального аналізу це поява у спектрі вихідної напруги котушки парних гармонік, амплітуда яких пропорційна напруженості магнітного поля усунення (поля Землі). Ось ці парні гармоніки і треба "виловити".

Рис. 30. Диференціальний феромагнітний датчик

Перш ніж згадати природним чином синхронний детектор, що напрошується для цієї мети, що працює з опорним сигналом подвоєної несучої частоти, розглянемо конструкцію ускладненого варіанту феромагнітного датчика. Він складається з двох сердечників та трьох котушок (рис. 30). По суті, це диференціальний датчик. Однак для простоти далі в тексті не називатимемо його диференціальним, тому що сам магнітометр і без того вже - диференціальний :).

Конструкція складається з двох ідентичних феромагнітних сердечників з ідентичними котушками, які розташовані паралельно поруч один з одним. По відношенню до збудливого електричного сигналу опорної частоти включені зустрічно. Третя котушка є обмоткою, намотаною поверх двох складених разом перших двох котушок із сердечниками. За відсутності зовнішнього зміщуючого магнітного поля електричні сигнали першої та другої обмоток симетричні і в ідеальному випадку діють так, що вихідний сигнал у третій обмотці відсутній, оскільки магнітні потоки через неї повністю компенсуються.

За наявності зовнішнього магнітного поля, що зміщує, картина змінюється. То один, то інший сердечник на піку відповідної напівхвилі "залітає" в насичення глибше, ніж зазвичай внаслідок додаткового впливу магнітного поля Землі. В результаті на виході третьої обмотки з'являється сигнал неузгодженості подвоєної частоти. Сигнали основної гармоніки в ідеалі повністю компенсуються.

Зручність розглянутого датчика полягає в тому, що його котушки можна включити для підвищення чутливості в коливальні контури. Першу і другу - коливальний контур (або контуру), налаштований на несучу частоту. Третю - коливальний контур, налаштований на другу гармоніку.

Описаний датчик має яскраво виражену діаграму спрямованості. Його вихідний сигнал максимальний при розташуванні поздовжньої осі датчика вздовж силових ліній зовнішнього магнітного постійного поля. Коли поздовжня вісь перпендикулярна силовим лініям - вихідний сигнал дорівнює нулю.

Датчик розглянутого типу, особливо разом із синхронним детектором, може успішно працювати як електронний компас. Його вихідний сигнал після випрямлення пропорційний проекції вектора напруженості магнітного поля Землі на вісь датчика. Синхронне детектування дозволяє дізнатись і знак цієї проекції. Але навіть і без знака - зорієнтувавши датчик за мінімумом сигналу, отримаємо напрямок на захід або на схід. Зорієнтувавши по максимуму - отримаємо напрямок магнітної силової лінії поля Землі. У середніх широтах (наприклад, у Москві) вона йде похило і "встромляється" в землю у напрямку на північ. По кутку магнітного відмінювання можна оцінити географічну широту місцевості.

Диференціальні феромагнітні магнітометри мають свої переваги та недоліки. До переваг відноситься простота приладу, він не складніше радіоприймача прямого посилення. До недоліків відноситься трудомісткість виготовлення датчиків - крім акуратності потрібно абсолютно точне збіг кількості витків відповідних обмоток. Похибка один-два витки може сильно знизити можливу чутливість. Іншим недоліком є ​​"компасність" приладу, тобто неможливість повної компенсації поля Землі відніманням сигналів від двох рознесених датчиків. Насправді це призводить до помилкових сигналів при поворотах датчика навколо осі, перпендикулярної поздовжньої.

Практична конструкція

Практична конструкція диференціального феромагнітного магнітометра була реалізована і випробувана в макетному варіанті без спеціальної електронної частини для звукової індикації, з використанням мікроамперметра з нулем посередині шкали. Схема звукової індикації може бути взята з опису металошукача за принципом "передача-прийом". Прилад має такі параметри.

Основні технічні характеристики

• Напруга живлення - 15... 18 В
• Споживаний струм - не більше 50 мА

Глибина виявлення:

• пістолет - 2 м
• гарматний ствол - 4 м
• танк - 6 м

Структурна схема

Структурна схема показано на рис. 31. Стабілізований кварцом генератор, що задає, видає синхроімпульси тактової частоти для формувача сигналів.

Рис. 31. Структурна схема диференціального феромагнітного магнітометра

На одному його виході присутній меандр першої гармоніки, що надходить на підсилювач потужності, збуджує випромінюючі котушки датчиків 1 і 2. Інший вихід формує опорний меандр подвійної тактової частоти зі зсувом 90° для синхронного детектора. Різнивний сигнал з вихідних (третіх) обмоток датчиків посилюється у приймальному підсилювачі та випрямляється синхронним детектором. Постійний випрямлений сигнал можна реєструвати мікроамперметром або описаними в попередніх розділах пристроями звукової індикації.

Принципова схема

Принципова схема диференціального феромагнітного магнітометра зображено на рис. 32 - частина 1: генератор, що задає, формувач сигналів, підсилювач потужності і випромінюючі котушки, рис. 33 - частина 2: приймальні котушки, приймальний підсилювач, синхронний детектор, індикатор та блок живлення.

Рис. 32. Принципова електрична схема – частина 1

генератор, Що Задає, зібраний на інверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабілізована кварцовим або п'єзокерамічним резонатором Q з резонансною частотою 215 Гц = 32 кГц ("годинний кварц"). Ланцюг R1C1 перешкоджає збудженню генератора на вищих гармоніках. Через резистор R2 замикається ланцюг ООС, через резонатор Q - ланцюг ПОС. Генератор відрізняється простотою, малим споживаним струмом, надійно працює при напрузі живлення 3...15 В, не містить підстроєних елементів та надто високоомних резисторів. Вихідна частота генератора – близько 32 кГц.

Формувач сигналів (Рис. 32)

Формувач сигналів зібраний на двійковому лічильнику D2 та D-тригері D3.1. Тип двійкового лічильника непринциповий, головне його завдання - поділити тактову частоту на 2, 4 і 8, отримавши таким чином, меандри з частотами 16, 8 і 4 кГц відповідно. Несуча частота для збудження випромінюючих котушок-4 кГц. Сигнали з частотами 16 і 8 кГц, впливаючи на D-тригер D3.1, формують на його виході меандр подвоєної відносно несучої частоти 8 кГц, зрушений на 90° щодо вихідного сигналу 8 кГц двійкового лічильника. Такий зсув необхідний для нормальної роботи синхронного детектора, так як такий зсув має корисний сигнал неузгодженості подвоєної частоти на виході датчика. Друга половинка мікросхеми з двох D-тригерів - D3.2 у схемі не використовується, але її незадіяні входи повинні обов'язково бути підключені до логічної 1, або до логічного 0 для нормальної роботи, що і зображено на схемі.

Підсилювач потужності (Рис. 32)

Підсилювач потужності на вигляд таким і не здається і представляє лише потужні інвертори D1.4 і D1.5, які в протифазі розгойдують коливальний контур, що складається з послідовно-паралельно включених випромінюючих котушок датчика і конденсатора С2. Зірочка біля номіналу конденсатора означає, що його значення вказано орієнтовно і його треба підібрати при налагодженні. Незадіяний інвертор D1.6, щоб не залишати вхід його непідключеним, інвертує сигнал D1.5, але практично працює "вхолосту". Резистори R3 і R4 обмежують вихідний струм інверторів на допустимому рівні і разом з коливальним контуром утворюють високодобротний смуговий фільтр, завдяки чому форма напруги та струму у випромінюючих котушках датчика практично збігається з синусоїдальною.

Приймальний підсилювач (Рис. 33)

Приймальний підсилювач посилює різницевий сигнал, що надходить з приймальних котушок датчика, що утворюють спільно з конденсатором C3 коливальний контур, налаштований подвоєну частоту 8 кГц. Завдяки підстроювальному резистору R5 віднімання сигналів приймальних котушок проводиться з деякими коефіцієнтами, що зважують, які можуть змінюватися переміщенням двигуна резистора R5. Цим досягається компенсація неідентичностей параметрів приймальних обмоток датчика та мінімізація його "компасності".

Приймальний підсилювач двокаскадний. Він зібраний на ОУ D4.2 та D6.1 з паралельною ОС по напрузі. Конденсатор С4 зменшує посилення на вищих частотах, запобігаючи цим перевантаження підсилювального тракту високочастотними наведеннями від силових мереж та інших джерел. Ланцюги корекції ОУ - стандартні.

Синхронний детектор (Рис. 33)

Синхронний детектор виконаний на ОП D6.2 за типовою схемою. Як аналогові ключі використовується мікросхема D5 КМОП мультиплексора-демультиплексора 8 на 1 (рис. 32). Його цифровий адресний сигнал перебирається лише у молодшому розряді, забезпечуючи почергову комутацію точок К1 і К2 загальну шину. Випрямлений сигнал фільтрується конденсатором С8 та посилюється ОУ D6.2 з одночасним додатковим ослабленням невідфільтрованих ВЧ складових ланцюгами R14C11 та R13C9. Ланцюг корекції ОУ - стандартний для використаного типу.

Рис. 33. Принципова електрична схема – частина 2. Приймальний підсилювач

Індикатор (Рис. 33)

Індикатор є мікроамперметром з нулем посередині шкали. В індикаторній частині може успішно використовуватися схемотехніка описаних раніше металошукачів інших типів. У тому числі, як індикатор можна використовувати і конструктив металошукача за принципом електронного частотоміра. У цьому випадку його LC-генератор замінюється на RC-генератор, а вихідна напруга, що вимірюється через резистивний дільник подається на частотозадаючу ланцюг таймера. Докладніше про це можна почитати на сайті Юрія Колоколова.

Мікросхема D7 стабілізує однополярну напругу живлення. За допомогою ОП D4.1 створюється штучна середня точка живлення, що дозволяє використовувати звичайну двополярну схемотехніку для ОП. Керамічні блокуючі конденсатори С18-С21 змонтовані у безпосередній близькості від корпусів цифрових мікросхем D1, D2, D3, D5.

Типи деталей та конструкція

Типи використаних мікросхем зазначені у табл. 6.

Таблиця 6. Типи використаних мікросхем

Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176 чи зарубіжні аналоги серій 40ХХ та 40ХХХ.

Здвоєні операційні підсилювачі (ОУ) серії К157 можна замінити будь-якими подібними за параметрами ОУ загального призначення (з відповідними змінами у цоколівці та ланцюгах корекції).

До застосовуваних у схемі диференціального магнітометра резисторам не пред'являється особливих вимог. Вони лише повинні мати міцну та мініатюрну конструкцію та бути зручними для монтажу. Номінал розсіюваної потужності 0,125...0,25 Вт.

Потенціометри R5, R16 бажані багатооборотні для зручності точного налаштування приладу. Рукоятка потенціометра R5 повинна бути виготовлена ​​з пластику і повинна мати достатню довжину, щоб дотик руки оператора при налаштуванні не викликав зміни показань індикатора за рахунок наведень.

Конденсатор С16 – електролітичний будь-якого малогабаритного типу.

Конденсатори коливальних контурів С2 і С3 складаються з декількох (5-10 шт.) конденсаторів, включених паралельно. Налаштування контуру в резонанс здійснюється підбором кількості конденсаторів та їхнього номіналу. Рекомендований тип конденсаторів К10-43, К71-7 або зарубіжні термостабільні аналоги. Можна спробувати використовувати звичайні керамічні або металопленочні конденсатори, однак, коливання температури доведеться частіше підлаштовувати прилад.

Мікроамперметр – будь-якого типу на струм 100 мкА з нулем посередині шкали. Зручні малогабаритні мікроамперметри, наприклад типу М4247. Можна використовувати практично будь-який мікроамперметр, і навіть міліамперметр – з будь-якою межею шкали. Для цього треба належним чином скоригувати номінали резисторів R15-R17.

Кварцовий резонатор Q – будь-який малогабаритний часовий кварц (аналогічні використовуються також у портативних електронних іграх).

Вимикач S1 – будь-якого типу, малогабаритний.

Котушки датчика виконані на круглих феритових сердечниках діаметром 8 мм (використовуються в магнітних антенах радіоприймачів СВ- і ДВ-діапазонів) і довжиною близько 10 см. Кожна обмотка складається з рівно і щільно намотаних у два шари 200 витків мідного обмотувального дроту0,31 у подвійній лаково-шовковій ізоляції. Поверх усіх обмоток кріпиться шар фольги екрана. Краї екрану ізолюються один від одного для запобігання утворенню короткозамкнутого витка. Виведення екрану виконується мідним лудженим одножильним дротом. У разі екрана з алюмінієвої фольги цей висновок накладається на екран на всю його довжину і щільно примотується ізолентою. У разі екрану з мідної або латунної фольги виведення припаюється.

Кінці феритових сердечників закріплені у фторопластових центруючих дисках, завдяки яким кожна з двох половинок датчика утримується всередині пластикової труби з текстоліту, що є корпусом, як це схематично зображено на рис. 34.

Рис. 34. Конструкція датчика-антени

Довжина труби - близько 60 см. Кожна половина датчика розташована біля кінця труби і додатково фіксується силіконовим герметиком, яким заповнюється простір навколо обмоток і їх сердечників. Заповнення здійснюється через спеціальні отвори у корпусі-трубі. Спільно з фторопластовими шайбами ​​такий герметик надає кріпленню крихких феритових стрижнів необхідну пружність, що перешкоджає їх розтріскування при випадкових ударах.

Налагодження приладу

1. Перевірити правильність монтажу.

2. Проконтролювати струм, що споживається, який не повинен перевищувати 100 мА.

3. Перевірити правильність роботи генератора, що задає, та інших елементів формування імпульсних сигналів.

4. Налаштувати коливальні контури датчика. Випромінює - на частоту 4 кГц, приймальний - на 8 кГц.

5. Переконатися у правильності роботи підсилювального тракту та синхронного детектора.

Робота з приладом

Методика налаштування та роботи з приладом наступна. Виходимо в місце пошуків, вмикаємо прилад і починаємо обертати антену-датчик. Найкраще у вертикальній площині, що проходить через напрямок північ-південь. Якщо датчик приладу на штанзі, можна не обертати, а розгойдувати наскільки це дозволяє робити штанга. Стрілка індикатора відхилятиметься (компасний ефект). За допомогою змінного резистора R5 намагаємося мінімізувати амплітуду цих відхилень. При цьому "з'їжджатиме" середня точка показань мікроамперметра і її треба буде також підлаштовувати іншим змінним резистором R16, який призначений для встановлення нуля. Коли "компасний" ефект стане мінімальним, пристрій вважається відбалансованим.

Для малих об'єктів методика пошуків за допомогою диференціального магнітометра не відрізняється від методики роботи зі звичайним металошукачем. Біля об'єкта стрілка може відхилитись у будь-який бік. Для великих об'єктів стрілка індикатора відхилятиметься в різні боки на великому просторі.

Автор: Щедрін А.І.

Дивіться інші статті розділу Металошукачі.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Штучна шкіра для емуляції дотиків 15.04.2024

У світі сучасних технологій, де віддаленість стає дедалі більш повсякденною, збереження зв'язку й почуття близькості грають значної ролі. Нещодавні розробки німецьких учених із Саарського університету в галузі штучної шкіри становлять нову еру у віртуальних взаємодіях. Німецькі дослідники з університету Саарського розробили ультратонкі плівки, які можуть передавати відчуття дотику на відстані. Ця передова технологія надає нові можливості для віртуального спілкування, особливо для тих, хто виявився далеко від своїх близьких. Ультратонкі плівки, розроблені дослідниками, товщиною всього 50 мікрометрів, можуть бути інтегровані в текстильні вироби та носитися як друга шкіра. Ці плівки діють як датчики, що розпізнають тактильні сигнали від мами чи тата, і як виконавчі механізми, що передають ці рухи дитині. Дотики батьків до тканини активують датчики, які реагують на тиск та деформують ультратонку плівку. Ця ...>>

Котячий унітаз Petgugu Global 15.04.2024

Турбота про домашніх тварин часто може бути викликом, особливо коли йдеться про підтримку чистоти в будинку. Представлено нове цікаве рішення стартапу Petgugu Global, яке полегшить життя власникам кішок та допоможе їм тримати свій будинок в ідеальній чистоті та порядку. Стартап Petgugu Global представив унікальний котячий унітаз, здатний автоматично змивати фекалії, забезпечуючи чистоту та свіжість у вашому будинку. Цей інноваційний пристрій оснащений різними розумними датчиками, які стежать за активністю вашого вихованця в туалеті та активуються для автоматичного очищення після його використання. Пристрій підключається до каналізаційної системи та забезпечує ефективне видалення відходів без необхідності втручання з боку власника. Крім того, унітаз має великий обсяг сховища, що змивається, що робить його ідеальним для домашніх, де живуть кілька кішок. Котячий унітаз Petgugu розроблений для використання з водорозчинними наповнювачами та пропонує ряд додаткових матеріалів. ...>>

Привабливість дбайливих чоловіків 14.04.2024

Стереотип про те, що жінки віддають перевагу "поганим хлопцям", довгий час був широко поширений. Однак нещодавні дослідження, проведені британськими вченими з Університету Монаша, пропонують новий погляд на це питання. Вони розглянули, як жінки реагують на емоційну відповідальність та готовність допомагати іншим у чоловіків. Результати дослідження можуть змінити наше уявлення, що робить чоловіків привабливими в очах жінок. Дослідження, проведене вченими з Університету Монаша, призводить до нових висновків щодо привабливості чоловіків для жінок. В рамках експерименту жінкам показували фотографії чоловіків з короткими історіями про їхню поведінку в різних ситуаціях, включаючи їхню реакцію на зіткнення з бездомною людиною. Деякі з чоловіків ігнорували безпритульного, тоді як інші надавали йому допомогу, наприклад, купуючи їжу. Дослідження показало, що чоловіки, які виявляють співчуття і доброту, виявилися більш привабливими для жінок порівняно з т ...>>

Випадкова новина з Архіву Паперовий літачок з лазерним двигуном 06.10.2002 У лабораторії японського фізика Такасі Ябе випробували вирізаний з алюмінієвої фольги літачок, що літає на енергії лазера. На хвості літачка поміщають капсулу з водою або спеціальним полімером і наводять на неї промінь. Випаровуючись, речовина створює реактивну тягу. Досягнуто швидкість 1,4 метра в секунду. Поки що це іграшка, але професор Ябе вважає, що надалі на тому ж принципі зможуть літати й більші апарати, наприклад, для забору проб повітря на великих висотах.

Інші цікаві новини:

▪ Інтернет-кабелі стають джерелами електроенергії

▪ Драйвера для комутації світлодіодів білого кольору EL7513

▪ Мікрохвиль по серцю

▪ Нова серія PMEG діодів Шотки

▪ Найшвидший мобільний Інтернет

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Перетворювачі напруги, випрямлячі, інвертори. Добірка статей

▪ стаття Гоночний автомобіль Лотус-56В. Поради моделісту

▪ стаття Скільки повітря потрібно нам для дихання? Детальна відповідь

▪ стаття Слива розчепірена. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Прості автомати керування освітленням. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Прості широкосмугові антени. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024