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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Magnetometro differenziale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Il magnetometro differenziale portato alla tua attenzione può essere molto utile per la ricerca di oggetti di ferro di grandi dimensioni. È praticamente impossibile cercare tesori con un tale dispositivo, ma è indispensabile quando si cercano carri armati, navi e altri tipi di equipaggiamento militare affondati in profondità. Il principio di funzionamento di un magnetometro differenziale è molto semplice. Qualsiasi oggetto ferromagnetico distorce il campo magnetico naturale della Terra. Questi articoli includono tutto ciò che è fatto di ferro, ghisa e acciaio. In larga misura, la distorsione del campo magnetico può anche essere influenzata dalla stessa magnetizzazione degli oggetti, che si verifica spesso. Dopo aver fissato la deviazione dell'intensità del campo magnetico dal valore di fondo, possiamo concludere che c'è un oggetto di materiale ferromagnetico vicino al dispositivo di misurazione. La distorsione del campo magnetico terrestre lontano dal bersaglio è piccola ed è stimata dalla differenza di segnali provenienti da due sensori separati da una certa distanza. Pertanto, il dispositivo è chiamato differenziale. Ogni sensore misura un segnale proporzionale all'intensità del campo magnetico. I sensori ferromagnetici ei sensori basati sulla precessione magnetonica dei protoni sono i più utilizzati. Il dispositivo in esame utilizza sensori del primo tipo. La base di un sensore ferromagnetico (chiamato anche fluxgate) è una bobina con un nucleo di materiale ferromagnetico. Una tipica curva di magnetizzazione per un tale materiale è ben nota da un corso di fisica scolastica e, tenendo conto dell'influenza del campo magnetico terrestre, ha la seguente forma, mostrata in Fig. 29.
La bobina è eccitata da un segnale sinusoidale alternato della frequenza portante. Come si può vedere dalla figura. 29, lo spostamento della curva di magnetizzazione del nucleo ferromagnetico della bobina da parte del campo magnetico esterno della Terra porta al fatto che l'induzione del campo e la tensione associata sulla bobina iniziano a distorcere in modo asimmetrico. In altre parole, la tensione del sensore con una corrente sinusoidale della frequenza portante differirà dalla sinusoide per i vertici più "appiattiti" delle semionde. E queste distorsioni saranno asimmetriche. Nel linguaggio dell'analisi spettrale, ciò significa l'apparizione nello spettro della tensione di uscita della bobina di armoniche pari, la cui ampiezza è proporzionale all'intensità del campo magnetico di polarizzazione (campo terrestre). Sono queste armoniche uniformi che devono essere "catturate".
Prima di menzionare il rivelatore sincrono che si propone naturalmente a questo scopo, operando con un segnale di riferimento a doppia frequenza portante, consideriamo il progetto di una versione complicata di un sensore ferromagnetico. Consiste di due nuclei e tre bobine (Fig. 30). Al suo interno, è un sensore differenziale. Tuttavia, per semplicità, non lo chiameremo differenziale ulteriormente nel testo, poiché il magnetometro stesso è già differenziale :). Il design è costituito da due nuclei ferromagnetici identici con bobine identiche poste in parallelo l'una accanto all'altra. In relazione al segnale elettrico eccitatorio della frequenza di riferimento, sono inclusi nella direzione opposta. La terza bobina è un avvolgimento avvolto sopra le prime due bobine del nucleo impilate insieme. In assenza di un campo magnetico di polarizzazione esterno, i segnali elettrici del primo e del secondo avvolgimento sono simmetrici e idealmente agiscono in modo che non ci sia segnale di uscita nel terzo avvolgimento, poiché i flussi magnetici che lo attraversano sono completamente annullati. In presenza di un campo magnetico di polarizzazione esterno, l'immagine cambia. L'uno o l'altro nucleo al culmine della corrispondente semionda "vola" in saturazione più profonda del solito a causa dell'ulteriore influenza del campo magnetico terrestre. Di conseguenza, all'uscita del terzo avvolgimento appare un segnale di disadattamento a doppia frequenza. I segnali armonici fondamentali sono idealmente completamente compensati lì. La convenienza del sensore considerato risiede nel fatto che le sue bobine possono essere incluse per aumentare la sensibilità nei circuiti oscillatori. Il primo e il secondo - nel circuito oscillatorio (o circuito), sintonizzato sulla frequenza portante. Il terzo - in un circuito oscillatorio sintonizzato sulla seconda armonica. Il sensore descritto ha un diagramma di radiazione pronunciato. Il suo segnale di uscita è massimo quando l'asse longitudinale del sensore si trova lungo le linee di forza del campo magnetico costante esterno. Quando l'asse longitudinale è perpendicolare alle linee di forza, il segnale di uscita è zero. Il sensore del tipo considerato, soprattutto in combinazione con un rilevatore sincrono, può funzionare con successo come bussola elettronica. Il suo segnale di uscita dopo la rettifica è proporzionale alla proiezione del vettore dell'intensità del campo magnetico terrestre sull'asse del sensore. Il rilevamento sincrono consente anche di scoprire il segno di questa proiezione. Ma anche senza segnale, orientando il sensore al minimo del segnale, otteniamo la direzione ovest o est. Orientando al massimo: otteniamo la direzione della linea del campo magnetico del campo terrestre. Alle medie latitudini (ad esempio a Mosca), va obliquamente e "si attacca" al terreno in direzione nord. In base all'angolo di declinazione magnetica, si può stimare approssimativamente la latitudine geografica dell'area. I magnetometri ferromagnetici differenziali hanno i loro vantaggi e svantaggi. I vantaggi includono la semplicità del dispositivo, non è più complicato di un ricevitore radio ad amplificazione diretta. Gli svantaggi includono la complessità della produzione di sensori: oltre alla precisione, è richiesta una corrispondenza assolutamente esatta del numero di giri degli avvolgimenti corrispondenti. Un errore di uno o due giri può ridurre notevolmente la possibile sensibilità. Un altro inconveniente è la "bussola" del dispositivo, ovvero l'impossibilità di una completa compensazione del campo terrestre sottraendo segnali da due sensori distanziati. In pratica, ciò porta a falsi segnali quando il sensore viene fatto ruotare attorno ad un asse perpendicolare a quello longitudinale. Design pratico Il progetto pratico di un magnetometro ferromagnetico differenziale è stato implementato e testato in una versione prototipo senza una parte elettronica speciale per l'indicazione sonora, utilizzando solo un microamperometro con zero al centro della scala. Lo schema di indicazione sonora può essere preso dalla descrizione del metal detector secondo il principio "trasmissione-ricezione". Il dispositivo ha i seguenti parametri. Principali caratteristiche tecniche
Profondità di rilevamento:
Schema strutturale Lo schema a blocchi è mostrato in fig. 31. Un oscillatore master stabilizzato al quarzo fornisce una frequenza di clock per il condizionatore di segnale.
Ad una delle sue uscite, c'è un'onda quadra della prima armonica, che entra nell'amplificatore di potenza, che eccita le bobine radianti dei sensori 1 e 2. L'altra uscita forma un'onda quadra della frequenza del doppio clock di riferimento con uno spostamento di 90° per il rivelatore sincrono. Il segnale di differenza dagli avvolgimenti di uscita (terzi) dei sensori viene amplificato nell'amplificatore ricevente e rettificato da un rivelatore sincrono. Un segnale costante rettificato può essere registrato con un microamperometro o dispositivi di indicazione sonora descritti nei capitoli precedenti. Schema schematico Il diagramma schematico di un magnetometro ferromagnetico differenziale è mostrato in fig. 32 - parte 1: oscillatore principale, condizionatore di segnale, amplificatore di potenza e bobine radianti, fig. 33 - parte 2: bobine riceventi, amplificatore ricevente, rilevatore sincrono, indicatore e alimentatore.
L'oscillatore master è montato sugli inverter D1.1-D1.3. La frequenza dell'oscillatore è stabilizzata da un risonatore al quarzo o piezoceramico Q con una frequenza di risonanza di 215 Hz = 32 kHz ("orologio al quarzo"). Il circuito R1C1 impedisce l'eccitazione del generatore alle armoniche superiori. Attraverso il resistore R2, il circuito OOS è chiuso, attraverso il risonatore Q, il circuito POS è chiuso. Il generatore è caratterizzato da semplicità, basso consumo di corrente, funzionamento affidabile con una tensione di alimentazione di 3 ... 15 V, non contiene elementi sintonizzati e resistori ad alta resistenza. La frequenza di uscita del generatore è di circa 32 kHz. Condizionatore di segnale (Fig. 32) Il condizionatore di segnale è montato su un contatore binario D2 e un D-trigger D3.1. Il tipo di contatore binario non è fondamentale, il suo compito principale è quello di dividere la frequenza di clock per 2, per 4 e per 8, ottenendo così meandri con frequenze rispettivamente di 16, 8 e 4 kHz. La frequenza portante per l'eccitazione delle bobine radianti è di 4 kHz. Segnali con frequenze di 16 e 8 kHz, agendo sul D-flip-flop D3.1, formano alla sua uscita un meandro raddoppiato rispetto alla frequenza portante di 8 kHz, spostato di 90° rispetto al segnale di uscita dell'8 contatore binario kHz. Tale spostamento è necessario per il normale funzionamento di un rivelatore sincrono, poiché lo stesso spostamento ha un utile segnale di disadattamento a doppia frequenza all'uscita del sensore. La seconda metà del microcircuito di due D-flip-flop - D3.2 non viene utilizzata nel circuito, ma i suoi ingressi inutilizzati devono essere collegati a 1 logico o 0 logico per il normale funzionamento, come mostrato nel diagramma. Amplificatore (Fig. 32) L'amplificatore di potenza non ha questo aspetto ed è solo potenti inverter D1.4 e D1.5, che in antifase fanno oscillare un circuito oscillatorio costituito da bobine radianti collegate in serie-parallelo del sensore e del condensatore C2. Un asterisco vicino al valore del condensatore significa che il suo valore è indicato approssimativamente e che deve essere selezionato durante la messa in servizio. Un invertitore D1.6 non utilizzato, per non lasciare scollegato il suo ingresso, inverte il segnale D1.5, ma gira praticamente "a vuoto". I resistori R3 e R4 limitano la corrente di uscita degli inverter a un livello accettabile e, insieme al circuito oscillatorio, formano un filtro passa-banda di alta qualità, grazie al quale la forma della tensione e della corrente nelle bobine radianti del sensore coincide quasi con una sinusoidale. Amplificatore ricevente (Fig. 33) L'amplificatore ricevente amplifica il segnale differenziale proveniente dalle bobine riceventi del sensore, che insieme al condensatore C3 formano un circuito oscillatorio sintonizzato al doppio della frequenza di 8 kHz. Grazie al resistore di sintonia R5, i segnali delle bobine riceventi vengono sottratti con alcuni coefficienti di ponderazione, che possono essere modificati spostando lo slider del resistore R5. In questo modo si ottiene la compensazione dei parametri non identici degli avvolgimenti riceventi del sensore e la minimizzazione della sua "bussola". L'amplificatore ricevente è a due stadi. È assemblato sugli amplificatori operazionali D4.2 e D6.1 con un sistema operativo a tensione parallela. Il condensatore C4 riduce il guadagno alle frequenze più alte, prevenendo così il sovraccarico del percorso di amplificazione con pickup ad alta frequenza da reti di alimentazione e altre fonti. I circuiti di correzione dell'amplificatore operazionale sono standard. Rivelatore sincrono (Fig. 33) Il rilevatore sincrono è realizzato sull'OS D6.2 secondo uno schema tipico. Il chip multiplexer-demultiplexer D5 CMOS 8 per 1 viene utilizzato come chiavi analogiche (Fig. 32). Il suo segnale di indirizzo digitale viene spostato solo nel bit meno significativo, fornendo la commutazione alternata dei punti K1 e K2 a un bus comune. Il segnale rettificato viene filtrato dal condensatore C8 e amplificato dall'amplificatore operazionale D6.2 con attenuazione aggiuntiva simultanea dei componenti RF non filtrati dai circuiti R14C11 e R13C9. Il circuito di correzione dell'amplificatore operazionale è standard per il tipo utilizzato.
indicatore (Fig. 33) L'indicatore è un microamperometro con zero al centro della scala. Nella parte dell'indicatore, è possibile utilizzare con successo i circuiti di altri tipi di metal detector descritti in precedenza. In particolare, come indicatore, è possibile utilizzare il design di un metal detector basato sul principio di un frequenzimetro elettronico. In questo caso, il suo oscillatore LC viene sostituito da un oscillatore RC e la tensione di uscita misurata viene alimentata attraverso un partitore resistivo al circuito di impostazione della frequenza del timer. Puoi leggere di più su questo sul sito web di Yuri Kolokolov. Il chip D7 stabilizza la tensione di alimentazione unipolare. L'amplificatore operazionale D4.1 crea un punto di alimentazione centrale artificiale, consentendo l'uso di circuiti di amplificatori operazionali bipolari convenzionali. I condensatori di blocco ceramici C18-C21 sono montati in prossimità degli alloggiamenti dei circuiti digitali D1, D2, D3, D5. Tipi di parti e design I tipi di microcircuiti utilizzati sono indicati in Tabella. 6. Tabella 6. Tipi di microcircuiti utilizzati
Invece dei microcircuiti della serie K561, è possibile utilizzare i microcircuiti della serie K1561. Puoi provare a utilizzare alcuni chip della serie K176 o analoghi stranieri delle serie 40XX e 40XXX. I doppi amplificatori operazionali (amplificatori operazionali) della serie K157 possono essere sostituiti da qualsiasi amplificatore operazionale generico con parametri simili (con modifiche corrispondenti nei circuiti di piedinatura e correzione). Non ci sono requisiti speciali per i resistori utilizzati nel circuito del magnetometro differenziale. Devono solo essere robusti e in miniatura nel design e facili da installare. Il valore nominale della dissipazione di potenza è 0,125 ... 0,25 W. I potenziometri R5, R16 sono desiderabili multigiro per la comodità di mettere a punto il dispositivo. L'impugnatura del potenziometro R5 deve essere di plastica e deve essere di lunghezza sufficiente in modo che il tocco della mano dell'operatore durante la regolazione non provochi cambiamenti nelle letture dell'indicatore dovute ai pickup. Condensatore C16 - elettrolitico di qualsiasi tipo di piccole dimensioni. I condensatori dei circuiti oscillatori C2* e C3* sono costituiti da diversi condensatori (5-10 pezzi) collegati in parallelo. La messa a punto del circuito in risonanza viene eseguita selezionando il numero di condensatori e il loro valore nominale. Il tipo consigliato di condensatori è K10-43, K71-7 o analoghi termostabili stranieri. Puoi provare a utilizzare condensatori convenzionali in ceramica o film metallico, tuttavia, con fluttuazioni di temperatura, dovrai regolare il dispositivo più spesso. Microamperometro: qualsiasi tipo per una corrente di 100 μA con zero al centro della scala. I microamperometri di piccole dimensioni, ad esempio, tipo M4247, sono convenienti. Puoi usare quasi tutti i microamperometri e persino un milliamperometro, con qualsiasi limite di scala. Per fare ciò, è necessario regolare di conseguenza i valori delle resistenze R15-R17. Risonatore al quarzo Q - qualsiasi quarzo da orologio di piccole dimensioni (quelli simili sono usati anche nei giochi elettronici portatili). Switch S1 - qualsiasi tipo, compatto. Le bobine dei sensori sono realizzate su nuclei tondi di ferrite del diametro di 8 mm (utilizzati nelle antenne magnetiche dei ricevitori radio MW e LW) e della lunghezza di circa 10 cm Ogni avvolgimento è costituito da 200 spire di filo di rame del diametro di 0,31 mm, avvolto uniformemente e strettamente in due strati in doppio isolamento lacca-seta. Uno strato di pellicola schermante è applicato su tutti gli avvolgimenti. I bordi dello schermo sono isolati tra loro per evitare la formazione di una bobina in cortocircuito. L'uscita dello schermo è realizzata con un filo unipolare in rame stagnato. Nel caso di uno schermo in foglio di alluminio, questo cavo è sovrapposto allo schermo per tutta la sua lunghezza ed è strettamente avvolto con del nastro isolante. Nel caso di uno schermo in lamina di rame o ottone, il piombo viene saldato. Le estremità dei nuclei di ferrite sono fissate in dischi di centraggio in fluoroplastica, grazie ai quali ciascuna delle due metà del sensore è trattenuta all'interno di un tubo di plastica in textolite, che funge da alloggiamento, come è schematicamente mostrato in Fig. 34.
La lunghezza del tubo è di circa 60 cm Ciascuna delle metà del sensore si trova all'estremità del tubo ed è inoltre fissata con sigillante siliconico, che riempie lo spazio attorno agli avvolgimenti e ai loro nuclei. Il riempimento viene effettuato attraverso appositi fori nel tubo del corpo. Insieme alle rondelle fluoroplastiche, un tale sigillante conferisce al fissaggio di fragili aste di ferrite l'elasticità necessaria, che impedisce loro di rompersi durante gli urti accidentali. Configurazione del dispositivo 1. Assicurarsi che l'installazione sia corretta. 2. Verificare il consumo di corrente, che non deve superare i 100 mA. 3. Verificare il corretto funzionamento dell'oscillatore principale e di altri elementi della formazione dei segnali di impulso. 4. Regolare il circuito oscillatorio del sensore. Radiante - a una frequenza di 4 kHz, ricevente - a 8 kHz. 5. Assicurarsi che il percorso di amplificazione e il rilevatore sincrono funzionino correttamente. Lavorare con il dispositivo La procedura per configurare e lavorare con il dispositivo è la seguente. Andiamo nel luogo di ricerca, accendiamo il dispositivo e iniziamo a ruotare il sensore dell'antenna. Meglio su un piano verticale che passa per la direzione nord-sud. Se il sensore del dispositivo si trova sull'asta, non è possibile ruotarlo, ma farlo oscillare fino a quando l'asta lo consente. L'ago dell'indicatore devierà (effetto bussola). Utilizzando un resistore variabile R5, stiamo cercando di ridurre al minimo l'ampiezza di queste deviazioni. In questo caso, il punto medio delle letture del microamperometro "si sposterà" e dovrà anche essere regolato con un altro resistore variabile R16, progettato per impostare lo zero. Quando l'effetto "bussola" diventa minimo, il dispositivo è considerato bilanciato. Per piccoli oggetti, il metodo di ricerca con un magnetometro differenziale non differisce dal metodo di lavoro con un metal detector convenzionale. Vicino all'oggetto, la freccia può deviare in qualsiasi direzione. Per oggetti di grandi dimensioni, la freccia dell'indicatore devierà in diverse direzioni su una vasta area. Autore: Shchedrin AI
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