Najpoznatija vrsta opreme za magnetsku prospekciju je magnetometar. Njegova modificirana verzija je gradiometar. Principi mjerenja magnetskog polja u ovim uređajima su isti - mogu biti protonski, fluxgate, kvantni itd., samo su konstrukcijska rješenja različita, što omogućuje rješavanje malo drugačijih problema.

Sl. 1. Trodimenzionalno magnetsko polje drevnog grada.

Razmotrimo najčešće korištene vrste magnetometara. Prije svega, to su, naravno, protonski, fluxgate i kvantni magnetometri. Svi oni imaju određene prednosti i nedostatke. Naravno, postoje i kriogeni magnetometri, magnetometri s Hallovim efektom i indukcijski magnetometri. Ali pješački magnetometri koji su od interesa za arheološka istraživanja su, naravno, protonski, fluxgate i, u manjoj mjeri, kvantni. Razmotrimo njihove usporedne karakteristike.

Čini se da je glavna karakteristika magnetometra osjetljivost. Međutim, to nije sasvim točno. Na primjer, kriogeni magnetometri lako postižu osjetljivost od 0,0001 nT, ali su toliko nezgodni, glomazni i kapriciozni da se ne koriste ni u aero verziji (iako je bilo pokušaja).

Kvantni magnetometri također su prilično sposobni pokazati točnost od 0,01 nT, ali imaju vrlo stroga ograničenja u orijentaciji senzora. Već se godinama uspješno koriste za aeromagnetska istraživanja.

Fluxgate magnetometri, koji imaju vrlo visoku točnost mjerenja i sposobnost proizvodnje ne diskretnih, poput kvantnih i protonskih magnetometra, već kontinuiranog signala, osjetljivi su na promjene temperature, što dizajnerima zadaje probleme s "nultim puzanjem" uređaja.

Protonski magnetometri, kao manje osjetljiv, pokazao se vrlo dobrim u smislu stabilnosti, niske osjetljivosti na promjene temperature i orijentacije prema kardinalnim točkama (iako je potonje još uvijek prisutno). Nedostaci protonskih senzora su diskretnost mjerenja, što zahtijeva zaustavljanje na svakoj točki, glomaznost i velika težina senzora, kao i nemogućnost mjerenja u jakim poljima.

Više o osjetljivosti. Ako u putovnici uređaja vidite osjetljivost od 0,1 nT, to uopće ne znači da ćete moći otkriti anomaliju od najmanje 1 nT! Prvo, ovih 0,1 nT superponira se na temperaturni pomak nule instrumenta (nekoliko nT). Drugo, utjecaj prostorne orijentacije uređaja je još 2-4 nT. Pa, i, naravno, varijacije geomagnetskog polja koje su nam već poznate.

Ukratko, kao što dugogodišnja praksa pokazuje, nemoguće je identificirati anomaliju s amplitudom manjom od 3-7 nT tijekom standardnog istraživanja područja pješaka. Tijekom snimanja rute (kada tražilica slijedi određenu rutu, često preko neravnog terena), pokušavajući identificirati anomaliju na temelju trenutnih očitanja uređaja, vrlo je teško uhvatiti anomaliju čak i od 10-20 nT. Dakle, kada tražite, možete sigurno prebaciti osjetljivost na svom uređaju s 0,1 na 1 nT i baciti se na posao bez umora od gledanja desetinki na zaslonu.

Druga važna karakteristika magnetometra je način snimanja. Ako se podaci prikazuju samo na zaslonu u digitalnom obliku i (ili) na magnetskom mediju, onda se, naravno, radi o uređaju namijenjenom za izmjeru područja. Ovi su radovi prilično složeni, zahtijevaju materijalne i vremenske troškove, a rezultat, predstavljen u obliku karata magnetskog polja mjesta, izdaje se tek nakon određenog vremena.

Uređaj za traženje mora imati svjetlosnu (promjenjivu ljestvicu) i zvučnu indikaciju. To vam omogućuje da brzo, tijekom istraživanja na terenu, vidite anomaliju, pronađete njezino središte i odmah donesete odluku o njezinim izgledima. Najčešći uređaj za pretraživanje je ručni detektor metala, ali njegova dubina ostavlja mnogo da se poželi, iako su druge karakteristike (diskriminacija, točnost otkrivanja cilja itd.) Proizvođači doveli na visoku razinu.

Zahtjevi za snažnijim uređajem za duboku sjetvu su ispunjeni magnetometri-gradientometri. Budući da su zapravo dva magnetometra spojena u jedan uređaj, gradiometar vlasniku daje informaciju ne o numeričkoj vrijednosti polja na točki mjerenja, već o razlici polja između dvije točke u prostoru - o gradijentu. Budući da je gradijent Zemljinog polja, geoloških struktura i vremenskih varijacija nestašno malen, gradiometar ga zanemaruje. Ali gradijent rezultata ljudske aktivnosti, naprotiv, velik je. Polje od malih objekata ljudske aktivnosti je malo, ali slabi tako brzo da se to slabljenje (gradijent) lako bilježi gradiometrom bez prethodne konstrukcije mapa magnetskog polja. Obični magnetometar također će uhvatiti ovu razliku, ali za to će operater morati izvršiti ne jedno, već dva mjerenja u svakoj točki - ispod, na razini tla i 1-2 metra iznad, što je, naravno, nezgodno. Ali da biste pravilno izmjerili polje magnetometrom, potrebno je zaustaviti se na svakoj točki, a to je dvostruko nezgodno.

Kako sami napraviti variometar (magnetometar) Je li moguće sami pratiti poremećaje u Zemljinom magnetskom polju? Odgovor je očit - da, moguće je, a najlakši način za to je redovito pregledavanje podataka najbližeg magnetskog opservatorija na internetu. Pa, ako nemate računalo ili internet u blizini, a živite u regiji Rusije gdje u blizini nema magnetskog opservatorija, možete sami napraviti uređaj koji će vam pomoći u procjeni stanja Zemljinog magnetskog polja. Osim kućnog termometra i barometra, kompas može biti jednako jednostavan i koristan uređaj za bilježenje poremećaja u Zemljinom magnetskom polju. Ne pokušavajte vidjeti kako igla kompasa pomiče tijekom magnetske oluje - ova slika je na savjesti autora umjetničkih djela. Jedna od najvećih magnetskih oluja u posljednjih 100 godina na geografskoj širini Moskve primijećena je u listopadu 2003. - maksimalno odstupanje horizontalne komponente dosegnulo je vrijednost od oko 2000 nT, što uz vrijednost same H komponente od 17 000 nT , iznosi samo 10%. Uzimajući u obzir činjenicu da takva promjena traje jedinice i desetke minuta – tj. Sam proces promjene magnetskog polja dosta je spor – potrebno je držati pogled na igli kompasa barem 15 minuta da biste primijetili takvo odstupanje. Jasno je da je gotovo nemoguće uhvatiti takav trenutak bez sustava za kontinuirano bilježenje varijacija magnetskog polja. Treba imati na umu da je redovita solarno-dnevna varijacija u mirnom polju u rasponu od 30-40 nT, tj. 0,05%, kod prosječnih magnetskih oluja odstupanje je 200-300 nT, tj. oko 0,5%. Iz toga je jasno da uređaj za praćenje poremećaja magnetskog polja mora biti dovoljno osjetljiv senzor s elektroničkim snimanjem. Kao primjer, možete vidjeti razvoj jednostavnih uređaja za samostalno promatranje varijacija magnetskog polja na web stranici Laboratorija za ionosfersku fiziku Sveučilišta Lancaster http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/aurorawatch/detectors/ results.html ili na web stranici projekta POETRY (PublicOutreach, Education, Teaching andReaching Youth), pogledajte http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/. Za početak možete pokušati sastaviti najjednostavniji detektor smetnji - viseći magnet u plastičnoj boci. Za očitavanje se koriste ogledalo i iluminator, tako da se reflektirani zeko fiksira na list papira na određenoj udaljenosti od detektora. Redovitim bilježenjem kretanja zečića na papiru možete uočiti poremećaje u magnetskom polju. Na stranicama Sveučilišta Lancaster i projekta POETRY cijela je struktura predstavljena tako jasno da ne bi trebalo biti problema s njezinim ponavljanjem, detalji dizajna su vrlo jednostavni. Ali morate imati na umu da je osjetljivost takvog detektora niska, te ćete moći detektirati samo velike oluje, a takve se oluje događaju samo nekoliko puta godišnje. Na temelju dobrog kompasa može se izgraditi osjetljiviji detektor. Ovaj dizajn će zahtijevati znanje i sposobnost sastavljanja elektroničkih sklopova. Detalji dizajna prikazani su na istoj web stranici Sveučilišta Lancaster, pogledajte http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/aurorawatch/detectors/compass.html Dijagram magnetometra i preporuke za njegovu montažu prikazani su na web stranica http://www.sam-europe.de/en/index_en.html. Iz iznesenih podataka možemo zaključiti da se informacije o poremećajima u Zemljinom magnetskom polju mogu dobiti iz mnogih izvora, čak i do te mjere da sami vršite opažanja. Jasno je da će takva promatranja biti inferiorna u odnosu na profesionalne magnetske zvjezdarnice, ali za potrebe amaterskih ili obrazovnih projekata ovaj pristup je sasvim opravdan. Klub "Helios"

Magnetometar je uređaj koji se koristi za istraživanje Zemljinog magnetskog polja ili traženje skrivenih objekata. Po principu rada uređaj je nešto poput detektora metala koji reagira na metalne površine, s tim da je osjetljiv na prirodno magnetsko polje Zemlje, kao i velike nemetalne predmete koji imaju svoje rezidualno polje. Uređaj je svoju primjenu našao u raznim granama industrije i znanosti jer omogućuje snimanje prirodnih anomalija, a također ubrzava traženje objekata.

Zašto se koristi magnetometar?

Magnetometri reagiraju na magnetsko polje i izražavaju njegovu snagu u različitim fizičkim mjernim jedinicama. S tim u vezi, postoje mnoge vrste ovih uređaja, od kojih je svaki prilagođen za određenu svrhu pretraživanja. Modifikacije ovih uređaja koriste se u desecima grana znanosti i industrije:

• Geologija.
• Arheologija.
• Navigacija.
• Seizmologija.
• Vojna obavještajna služba.
• Geokronologija.

U geologija Pomoću magnetometra minerali se mogu pronaći bez potrebe za probnim bušenjem radi uzimanja uzoraka. Uređaj omogućuje snimanje žile bogate mineralima i donošenje odluke o svrhovitosti početka rudarenja na tom području. Također, pomoću ove opreme možete odrediti gdje se nalaze podzemni izvori pitke vode, kako su smješteni i koliki je volumen. Zahvaljujući tome, možete unaprijed odlučiti gdje izgraditi bunar ili bušotinu kako biste došli do vode bez potrebe za maksimalnim produbljivanjem.

Magnetometri se koriste u arheologija tijekom iskapanja. Omogućuju vam da reagirate na temelje zgrada, kipove i druge predmete skrivene duboko pod zemljom koji imaju zaostalu magnetizaciju. Prije svega, to je spaljena cigla ili kamen. Uređaj reagira na drevna ognjišta i peći skrivene duboko pod zemljom. Može se koristiti za traženje predmeta u ledu ili snijegu.

Magnetometar se također koristi u navigacija. Uz njegovu pomoć utvrđuje se Zemljino magnetsko polje, uslijed čega je moguće dobiti podatke o smjeru kretanja u slučaju dezorijentacije. Takvi se uređaji koriste u zrakoplovstvu i pomorskom prometu. Magnetometri su obavezna oprema na svemirskim postajama i šatlovima.

U seizmologija Magnetometri koji reagiraju na Zemljino magnetsko polje omogućuju predviđanje potresa, budući da se kod promjene karakteristika tektonskih ploča poremete uobičajeni pokazatelji polja. Na taj način moguće je identificirati svježe podzemne pukotine kroz koje bi mogla započeti erupcija.

U vojne obavještajne službe Ova oprema vam omogućuje traženje vojnih ciljeva skrivenih od konvencionalnih radara. Pomoću magnetometra možete identificirati podmornicu koja leži na morskom ili oceanskom dnu.

U geokronologija Starost stijena može se odrediti prema jakosti zaostale magnetizacije. Postoje preciznije metode, ali s magnetometrom to se može učiniti u nekoliko sekundi, bez potrebe za skupim analizama.

Vrste magnetometara prema principu rada

Magnetometri se prema principu rada dijele u 3 tipa:

• Magnetostatski.
• Indukcija.
• Kvantni.

Svaka vrsta reagira na vanjsko magnetsko polje pomoću specifičnog fizičkog principa. Na temelju ove tri varijante stvoreni su različiti visokospecijalizirani tipovi magnetometara koji su točniji za mjerenja pod određenim uvjetima.

Magnetostatski

Unatoč vanjskoj složenosti ovog uređaja, on radi prema sasvim razumljivom fizičkom principu. Unutar magnetometra nalazi se mali trajni magnet koji reagira na magnetsko polje s kojim dolazi u kontakt. Magnet je obješen na elastičnom ovjesu, što mu omogućuje rotaciju. Praktično nema krutosti, pa ga ne drži i dopušta mu da se pomiče bez otpora. Kada permanentni magnet reagira sa stranim poljem čiji smjer ili jakost nisu isti kao njegovi, dolazi do reakcije privlačenja ili odbijanja. Kao rezultat toga, suspendirani trajni magnet počinje se okretati, što otkriva osjetljivi senzor. Na taj način se mjeri jakost i smjer vanjskog magnetskog polja.

Osjetljivost magnetostatičkog uređaja ovisi o referentnom magnetu koji je ugrađen u njega. Elastičnost ovjesa također utječe na točnost mjerenja.

Indukcija

Indukcijski magnetometri imaju unutarnju zavojnicu sa žičanim namotajem od vodljivog materijala. Napaja se iz baterije. Zavojnica stvara vlastito magnetsko polje, koje počinje dolaziti u kontakt s poljima trećih strana koja prolaze kroz njegov krug. Osjetljivi senzori reagiraju na promjene koje se prikazuju na zavojnici kao rezultat ove interakcije. Mogu reagirati na rotaciju ili vibraciju. U složenijim uređajima senzori reagiraju na promjene u magnetskoj permeabilnosti jezgre zavojnice. Bez obzira na način bilježenja promjene, uređaj prikazuje indikatore vanjskih magnetskih polja i omogućuje određivanje položaja objekata, njihove veličine i udaljenosti.

Kvantni

Kvantni magnetometar reagira na magnetski moment elektrona koji se kreću pod utjecajem vanjskih magnetskih polja. Riječ je o skupoj opremi koja se koristi za laboratorijska istraživanja, ali i složene pretrage. Uređaj bilježi magnetski moment mikročestica i jakost izmjerenog polja. Ova oprema vam omogućuje mjerenje jačine slabih polja, uključujući i ona koja se nalaze u svemiru. Upravo se ova oprema koristi u geoistraživanjima za traženje dubokih mineralnih naslaga.

Razlika između modela

Magnetometar je visoko tehnička oprema koja se može razlikovati od drugih sličnih uređaja ne samo u fizičkom principu reakcije na promjene u magnetskom polju ili osjetljivosti, već iu drugim karakteristikama. Uređaji se mogu međusobno razlikovati prema sljedećim kriterijima:

• Dostupnost zaslona.
• Broj senzora.
• Prisutnost zvučnog indikatora.
• Pogreške mjerenja.
• Metoda indikacije.
• Trajanje kontinuiranog rada.
• Dimenzije i težina.

Što se tiče broja osjetljivih senzora, što ih je više, oprema će biti preciznija. Magnetometar može prikazati svoja mjerenja numerički ili grafički. Teško je reći što je bolje, jer sve ovisi o karakteristikama uvjeta u kojima se mjerenje provodi. U određenim slučajevima potrebno je samo dobiti prikaz pokazatelja magnetskog polja u brojkama, dok je ponekad potrebno više vizualno određivanje vektora njegovih vrtloga. Najbolja opcija su kombinirani uređaji koji vam omogućuju vizualizaciju pokazatelja u digitalnom i grafičkom prikazu.

Magnetometar dizajniran za mjerenje indukcije magnetskog polja. Magnetometar koristi referentno magnetsko polje, koje omogućuje određenim fizičkim učincima pretvaraju izmjereno magnetsko polje u električni signal.
Primijenjena uporaba magnetometra za detekciju masivnih objekata izrađenih od feromagnetskih (najčešće čelika) materijala temelji se na lokalnom izobličenju Zemljinog magnetskog polja tim objektima. Prednost korištenja magnetometara u odnosu na tradicionalne detektore metala je ta veći domet detekcije.

Fluxgate (vektorski) magnetometri

Jedna vrsta magnetometra je . Fluxgate je izumio Friedrich Förster ( )

Godine 1937. a služi za utvrđivanje vektor indukcije magnetskog polja.

Dizajn fluksgatea

single rod fluxgate

Najjednostavniji fluxgate sastoji se od permalojske šipke na koju je postavljena pobudna zavojnica (( pogonska zavojnica), napajan izmjeničnom strujom, i mjerni svitak ( detektorska zavojnica).

Permalloy- legura s mekim magnetskim svojstvima, koja se sastoji od željeza i 45-82% nikla. Permalloy ima visoku magnetsku permeabilnost (maksimalna relativna magnetska permeabilnost ~100 000) i nisku koercitivnost. Popularna marka permaloja za proizvodnju fluxgateova je 80NHS - 80% nikal + krom i silicij s indukcijom zasićenja od 0,65-0,75 T, koji se koristi za jezgre malih transformatora, prigušnice i releje koji rade u slabim poljima magnetskih zaslona, za jezgre impulsnih transformatora, magnetskih pojačala i beskontaktnih releja, za jezgre magnetskih glava.
Ovisnost relativne magnetske propusnosti o jakosti polja za neke vrste permaloja ima oblik -

Ako se na jezgru primijeni konstantno magnetsko polje, tada se u mjernom svitku pojavljuje napon čak harmonici, čija veličina služi kao mjera jakosti konstantnog magnetskog polja. Ovaj napon se filtrira i mjeri.

dvostruka šipka fluxgate

Primjer je uređaj opisan u knjizi Karalisa V.N."Elektronički sklopovi u industriji" -



Uređaj je dizajniran za mjerenje konstantnih magnetskih polja u rasponu od 0,001 ... 0,5 oersteda.
Namoti polja senzora L1 I L3 uključen brojač. Mjerni namot L2 namotan preko namota polja. Namoti polja se napajaju strujom od 2 kHz iz push-pull generatora s induktivnom povratnom spregom. Način rada generatora stabilizira se istosmjernom strujom otporničkim razdjelnikom R8 I R9.

fluxgate s toroidalnom jezgrom
Jedna od popularnih opcija dizajna za fluxgate magnetometar je fluxgate s toroidalnom jezgrom ( prstenasta jezgra fluxgate) -

U usporedbi sa šipkastim fluxgateima, ovaj dizajn ima manje buke i zahtijeva stvaranje mnogo niža magnetomotorna sila.

Ovaj senzor je namota polja, namotan na toroidalnu jezgru, kroz koju teče izmjenična struja s dovoljnom amplitudom da dovede jezgru u zasićenje, i mjerni namot, iz kojeg se uklanja izmjenični napon, koji se analizira za mjerenje vanjskog magnetskog polja.
Mjerni namot je namotan preko toroidalne jezgre, pokrivajući ga u cijelosti (na primjer, na posebnom okviru) -


Ovaj dizajn je sličan izvornom dizajnu fluxgatea (dodan je kondenzator za postizanje rezonancije na drugom harmoniku) -

Primjena protonskih magnetometara
Protonski magnetometri naširoko se koriste u arheološkim istraživanjima.
Protonski magnetometar spominje se u znanstvenofantastičnom romanu "Zarobljen u vremenu" Michaela Crichtona. Vremenska Crta") -
Pokazao je dolje pored svojih stopala. Tri teška žuta kućišta bila su pričvršćena za prednje nosače helikoptera. "Upravo sada imamo stereo mapere terena, infracrveni, UV i radar za bočno skeniranje." Kramer je pokazao kroz stražnji prozor, prema šest stopa dugoj srebrnoj cijevi koja je visjela ispod helikoptera na stražnjoj strani. "Protonski magnetometar." "Uh-huh. I što radi?" "Traži magnetske anomalije u tlu ispod nas koje bi mogle ukazivati ​​na ukopane zidove, ili keramiku, ili metal."

Cezijevi magnetometri

Vrsta kvantnih magnetometara su atomski magnetometri alkalnih metala s optičkim pumpanjem.

cezijev magnetometar G-858

Overhauserovi magnetometri

Magnetometri u čvrstom stanju

Najpristupačniji su magnetometri ugrađeni u pametne telefone. Za Android dobra primjena pomoću magnetometra je . Stranica za ovu aplikaciju je http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Postavljanje magnetometara

Za testiranje fluxgatea možete koristiti. Helmholtzove zavojnice koriste se za stvaranje gotovo jednolikog magnetskog polja. Idealno, oni predstavljaju dva identična prstenasta zavoja povezana jedan s drugim u nizu i smještena na udaljenosti polumjera zavoja jedan od drugog. Tipično, Helmholtzove zavojnice sastoje se od dvije zavojnice na koje je namotan određeni broj zavoja, a debljina zavojnice treba biti mnogo manja od njihovog radijusa. U stvarnim sustavima, debljina zavojnica može se usporediti s njihovim polumjerom. Dakle, sustav Helmholtzovih prstenova možemo smatrati dvama koaksijalno smještenim identičnim svicima, čiji je razmak između središta približno jednak njihovom prosječnom polumjeru. Ovaj sustav zavojnice naziva se i razdvojeni solenoid ( razdvojeni solenoid).

U središtu sustava nalazi se zona jednolikog magnetskog polja (magnetsko polje u središtu sustava u volumenu 1/3 polumjera prstenova homogen unutar 1%), koji se može koristiti za potrebe mjerenja, za kalibraciju senzora magnetske indukcije itd.

Magnetska indukcija u središtu sustava definirana je kao $B = \mu _0\,(\lijevo((4\preko 5)\desno) )^(3/2) \, (IN\preko R)$,
gdje je $N$ broj zavoja u svakoj zavojnici, $I$ je struja kroz zavojnice, $R$ je prosječni radijus zavojnice.

Helmholtzove zavojnice također se mogu koristiti za zaštitu Zemljinog magnetskog polja. Da biste to učinili, najbolje je koristiti tri međusobno okomita para prstenova, tada njihova orijentacija nije bitna.

Diferencijalni magnetometar koji vam predstavljamo može biti vrlo koristan za traženje velikih željeznih predmeta. Ovakvim uređajem gotovo je nemoguće tragati za blagom, ali je nezaobilazan pri traženju plitko potopljenih tenkova, brodova i druge vrste vojne opreme.

Princip rada diferencijalnog magnetometra je vrlo jednostavan. Svaki feromagnetski objekt iskrivljuje prirodno magnetsko polje Zemlje. Ovi predmeti uključuju sve što je izrađeno od željeza, lijevanog željeza i čelika. Na izobličenje magnetskog polja može značajno utjecati i vlastita magnetizacija objekata, što se često događa. Snimljenim odstupanjem jakosti magnetskog polja od pozadinske vrijednosti možemo zaključiti da se u blizini mjernog uređaja nalazi predmet od feromagnetskog materijala.

Izobličenje Zemljinog magnetskog polja daleko od mete je malo, a procjenjuje se razlikom u signalima dvaju senzora udaljenih na određenoj udaljenosti. Zato se uređaj naziva diferencijalnim. Svaki senzor mjeri signal proporcionalan jakosti magnetskog polja. Najviše se koriste feromagnetski senzori i senzori temeljeni na magnetskoj precesiji protona. Predmetni uređaj koristi senzore prve vrste.

Osnova feromagnetskog senzora (koji se naziva i fluxgate) je zavojnica s jezgrom od feromagnetskog materijala. Tipična krivulja magnetizacije za takav materijal dobro je poznata iz školskog tečaja fizike i, uzimajući u obzir utjecaj Zemljinog magnetskog polja, ima sljedeći oblik, prikazan na Sl. 29.

Riža. 29. Krivulja magnetiziranja

Zavojnicu pobuđuje izmjenični sinusoidalni nosivi signal. Kao što se može vidjeti sa Sl. 29, pomicanje krivulje magnetizacije feromagnetske jezgre zavojnice vanjskim magnetskim poljem Zemlje dovodi do činjenice da se indukcija polja i pridruženi napon na zavojnici počinju iskrivljavati na asimetričan način. Drugim riječima, napon senzora sa sinusoidnom strujom nosive frekvencije razlikovat će se od sinusoide po više "spljoštenih" vrhova poluvalova. I ta će iskrivljenja biti asimetrična. U jeziku spektralne analize to znači pojavu u spektru izlaznog napona zavojnice parnih harmonika, čija je amplituda proporcionalna jakosti prednaponskog magnetskog polja (Zemljino polje). Upravo te parne harmonike treba “uhvatiti”.

Riža. 30. Diferencijalni feromagnetski senzor

Prije nego spomenemo sinkroni detektor koji se prirodno predlaže za ovu svrhu, radeći s referentnim signalom dvostruke nosive frekvencije, razmotrimo dizajn komplicirane verzije feromagnetskog senzora. Sastoji se od dvije jezgre i tri svitka (slika 30). U svojoj srži, ovo je diferencijalni senzor. No, jednostavnosti radi, dalje u tekstu ga nećemo zvati diferencijalnim, jer je sam magnetometar već diferencijalni :).

Dizajn se sastoji od dvije identične feromagnetske jezgre s identičnim zavojnicama koje su postavljene paralelno jedna do druge. U odnosu na pobudni električni signal referentne frekvencije spojeni su protustrujno. Treća zavojnica je namotana na vrhu prva dva jezgrena zavojnica presavijena zajedno. U nedostatku vanjskog prednaponskog magnetskog polja, električni signali prvog i drugog namota su simetrični i, idealno, djeluju na takav način da nema izlaznog signala u trećem namotu, budući da su magnetski tokovi kroz njega potpuno kompenzirani .

U prisutnosti vanjskog magnetskog polja, slika se mijenja. Prvo jedna ili druga jezgra na vrhu odgovarajućeg poluvala "odleti" u zasićenje dublje nego inače zbog dodatnog utjecaja Zemljinog magnetskog polja. Kao rezultat toga, na izlazu trećeg namota pojavljuje se dvostruki signal neusklađenosti frekvencije. Osnovni harmonijski signali idealno su tamo potpuno kompenzirani.

Pogodnost razmatranog senzora leži u činjenici da se njegove zavojnice mogu uključiti u oscilirajuće krugove kako bi se povećala osjetljivost. Prvi i drugi - u oscilatorni krug (ili krugove) podešen na frekvenciju nosača. Treći - u titrajni krug podešen na drugi harmonik.

Opisani senzor ima izražen uzorak zračenja. Njegov izlazni signal je maksimalan kada se uzdužna os senzora nalazi duž linija sile vanjskog konstantnog magnetskog polja. Kada je uzdužna os okomita na linije sile, izlazni signal je nula.

Senzor ovog tipa, posebno u kombinaciji sa sinkronim detektorom, može uspješno raditi kao elektronički kompas. Njegov izlazni signal nakon ispravljanja proporcionalan je projekciji vektora jakosti magnetskog polja Zemlje na os senzora. Sinkrona detekcija omogućuje otkrivanje predznaka ove projekcije. Ali i bez znaka - orijentacijom senzora prema minimalnom signalu dobivamo smjer prema zapadu ili istoku. Orijentirajući se na maksimum, dobivamo smjer linije magnetskog polja Zemlje. U srednjim geografskim širinama (na primjer, u Moskvi), ide koso i "zalijepi" se u zemlju u smjeru sjevera. Kut magnetske deklinacije može se koristiti za približnu procjenu geografske širine nekog područja.

Diferencijalni feromagnetski magnetometri imaju svoje prednosti i nedostatke. Prednosti uključuju jednostavnost uređaja; nije ništa kompliciraniji od radio prijemnika s izravnim pojačanjem. Nedostaci uključuju zahtjevnost proizvodnje senzora - osim točnosti, potrebno je apsolutno točno podudaranje broja zavoja odgovarajućih namota. Pogreška od jednog ili dva okreta može uvelike smanjiti moguću osjetljivost. Još jedan nedostatak je "kompasna" priroda uređaja, tj. nemogućnost potpune kompenzacije Zemljinog polja oduzimanjem signala s dva razmaknuta senzora. U praksi to dovodi do lažnih signala kada se senzor rotira oko osi koja je okomita na uzdužnu.

Praktičan dizajn

Praktični dizajn diferencijalnog feromagnetskog magnetometra implementiran je i ispitan u prototipskoj verziji bez posebnog elektroničkog dijela za zvučnu indikaciju, samo pomoću mikroampermetra s nulom u sredini ljestvice. Krug zvučne indikacije može se uzeti iz opisa detektora metala koji se temelji na principu "prijem-prijem". Uređaj ima sljedeće parametre.

Glavne tehničke karakteristike

• Napon napajanja - 15... 18 V
• Potrošnja struje - ne više od 50 mA

Dubina detekcije:

• pištolj - 2 m
• topovska cijev - 4 m
• spremnik - 6 m

Strukturna shema

Blok dijagram je prikazan na sl. 31. Glavni oscilator stabiliziran kvarcom proizvodi taktne impulse za kondicioner signala.

Riža. 31. Blok shema diferencijalnog feromagnetskog magnetometra

Na jednom od njegovih izlaza nalazi se kvadratni val prvog harmonika, koji ide do pojačala snage, koje pobuđuje zračeće zavojnice senzora 1 i 2. Drugi izlaz generira kvadratni val referentne dvostruke taktne frekvencije s 90° pomak za sinkroni detektor. Signal razlike iz izlaznih (trećih) namota senzora pojačava se u prijemnom pojačalu i ispravlja sinkronim detektorom. Ispravljeni konstantni signal može se zabilježiti mikroampermetrom ili uređajima za zvučnu indikaciju opisanim u prethodnim poglavljima.

Shematski dijagram

Shematski dijagram diferencijalnog feromagnetskog magnetometra prikazan je na sl. 32 - dio 1: glavni oscilator, kondicioner signala, pojačalo snage i zavojnice za zračenje, sl. 33 - dio 2: prijemne zavojnice, prijemno pojačalo, sinkroni detektor, indikator i napajanje.

Riža. 32. Električna shema - 1. dio

Glavni oscilator je sastavljen na pretvaračima D1.1-D1.3. Frekvencija generatora stabilizirana je kvarcnim ili piezokeramičkim rezonatorom Q s rezonantnom frekvencijom od 215 Hz = 32 kHz ("sat kvarc"). Krug R1C1 sprječava pobuđivanje generatora na višim harmonicima. OOS krug je zatvoren preko otpornika R2, a POS krug je zatvoren preko rezonatora Q. Generator je jednostavan, ima malu potrošnju struje, pouzdano radi na naponu napajanja od 3...15 V, ne sadrži ugođene elemente ili otpornike s pretjeranim otporom. Izlazna frekvencija generatora je oko 32 kHz.

Kondicioner signala(Sl. 32)

Kondicioner signala je sastavljen na binarnom brojaču D2 i D-flip-flopu D3.1. Tip binarnog brojača nije bitan, njegova glavna zadaća je podijeliti taktnu frekvenciju s 2, 4 i 8, čime se dobivaju meandri s frekvencijama od 16, 8 odnosno 4 kHz. Noseća frekvencija za pobudu emitirajućih zavojnica je 4 kHz. Signali s frekvencijama od 16 i 8 kHz, djelujući na D-flip-flop D3.1, tvore na svom izlazu kvadratni val udvostručen u odnosu na frekvenciju nosača od 8 kHz, pomaknut za 90° u odnosu na izlazni signal od 8 kHz binarnog brojača. Takav pomak je neophodan za normalan rad sinkronog detektora, budući da isti pomak ima koristan signal dvostruke frekvencije neusklađenosti na izlazu senzora. Druga polovica mikrosklopa od dva D-flip-flopa - D3.2 se ne koristi u krugu, ali njegovi neiskorišteni ulazi moraju biti spojeni ili na logičku 1 ili na logičku 0 za normalan rad, što je prikazano na dijagramu.

Pojačalo(Sl. 32)

Pojačalo snage na prvi pogled ne izgleda tako i predstavlja samo snažne pretvarače D1.4 i D1.5, koji u protufazi njišu oscilatorni krug koji se sastoji od serijski paralelno spojenih zračećih zavojnica senzora i kondenzatora C2. Zvjezdica pored nazivne vrijednosti kondenzatora znači da je njegova vrijednost naznačena približno i da se mora odabrati tijekom podešavanja. Neiskorišteni inverter D1.6, da ne bi ostavio svoj ulaz nepovezan, invertira signal D1.5, ali praktički radi “idle”. Otpornici R3 i R4 ograničavaju izlaznu struju pretvarača na prihvatljivu razinu i zajedno s oscilirajućim krugom tvore visokokvalitetni pojasni filtar, zbog čega se oblik napona i struje u emitirajućim zavojnicama senzora gotovo podudara sa sinusoidnim.

Prijemno pojačalo(Sl. 33)

Prijemno pojačalo pojačava razliku signala koji dolazi od prijamnih zavojnica senzora, koji zajedno s kondenzatorom SZ čine oscilatorni krug podešen na dvostruku frekvenciju od 8 kHz. Zahvaljujući otporniku za ugađanje R5, signali s prijamnih zavojnica oduzimaju se s određenim težinskim koeficijentima, koji se mogu mijenjati pomicanjem klizača otpornika R5. Time se postiže kompenzacija za neidentične parametre prijemnih namota senzora i minimiziranje njegove "kompasnosti".

Prijemno pojačalo je dvostupanjsko. Sastavljen je pomoću op-pojačala D4.2 i D6.1 s paralelnom povratnom spregom napona. Kondenzator C4 smanjuje pojačanje na višim frekvencijama, čime se sprječava preopterećenje staze pojačanja visokofrekventnim smetnjama iz energetskih mreža i drugih izvora. Korekcijski krugovi op-amp su standardni.

Sinkroni detektor(Sl. 33)

Sinkroni detektor izrađen je pomoću op-amp D6.2 prema standardnom krugu. D5 CMOS multipleksor-demultiplekser čip 8 x 1 koristi se kao analogni prekidači (slika 32). Njegov signal digitalne adrese pomiče se samo u najmanje značajnom bitu, osiguravajući naizmjenično prebacivanje točaka K1 i K2 na zajedničku sabirnicu. Ispravljeni signal se filtrira pomoću kondenzatora C8 i pojačava operacijskim pojačalom D6.2 uz istovremeno dodatno prigušenje nefiltriranih RF komponenti pomoću krugova R14C11 i R13C9. Korekcijski krug op-amp je standardan za tip koji se koristi.

Riža. 33. Shema spoja - dio 2. Prijemno pojačalo

Indikator(Sl. 33)

Indikator je mikroampermetar s nulom u sredini ljestvice. Indikatorski dio može uspješno koristiti strujni krug drugih tipova detektora metala opisanih ranije. Konkretno, dizajn detektora metala koji se temelji na principu elektroničkog mjerača frekvencije može se koristiti kao indikator. U ovom slučaju, njegov LC oscilator zamjenjuje se RC oscilatorom, a izmjereni izlazni napon dovodi se kroz otporni razdjelnik u krug za podešavanje frekvencije mjerača vremena. Više o tome možete pročitati na web stranici Yurija Kolokolova.

D7 čip stabilizira unipolarni napon napajanja. D4.1 operacijsko pojačalo stvara umjetno napajanje središnje točke, dopuštajući korištenje konvencionalnog bipolarnog sklopa operacijskog pojačala. Keramički blokirajući kondenzatori C18-C21 montirani su u neposrednoj blizini kućišta digitalnih mikro krugova D1, D2, D3, D5.

Vrste dijelova i dizajn

Vrste korištenih mikro krugova navedene su u tablici. 6.

Tablica 6. Vrste korištenih čipova

Umjesto mikrosklopova serije K561 moguće je koristiti mikrosklopove serije K1561. Možete pokušati koristiti neke mikro krugove serije K176 ili strane analoge serije 40HH i 40HHH.

Dvostruka operacijska pojačala (op-pojačala) serije K157 mogu se zamijeniti bilo kojim op-pojačalima opće namjene sličnih parametara (uz odgovarajuće promjene u pinoutu i korekcijskim krugovima).

Ne postoje posebni zahtjevi za otpornike koji se koriste u krugu diferencijalnog magnetometra. Samo trebaju imati izdržljiv i minijaturan dizajn i jednostavno se instalirati. Nazivna disipacija snage 0,125...0,25 W.

Potenciometri R5, R16 po mogućnosti su višeokretni radi lakšeg preciznog podešavanja uređaja. Drška potenciometra R5 mora biti izrađena od plastike i mora biti dovoljne duljine da dodir ruke operatera tijekom podešavanja ne uzrokuje promjene u očitanju indikatora zbog smetnji.

Kondenzator C16 - elektrolitički bilo kojeg tipa male veličine.

Kondenzatori oscilatornih krugova C2* i SZ* sastoje se od više (5-10 kom.) paralelno spojenih kondenzatora. Ugađanje kruga na rezonanciju provodi se odabirom broja kondenzatora i njihove snage. Preporučeni tip kondenzatora K10-43, K71-7 ili stranih termostabilnih analoga. Možete pokušati koristiti konvencionalne keramičke ili metalne kondenzatore, međutim, ako temperatura varira, morat ćete češće podešavati uređaj.

Mikroampermetar - bilo koji tip za struju od 100 μA s nulom u sredini ljestvice. Prikladni su mikroampermetri male veličine, na primjer, tipa M4247. Možete koristiti gotovo svaki mikroampermetar, pa čak i miliampermetar - s bilo kojim ograničenjem ljestvice. Da biste to učinili, trebate prilagoditi vrijednosti otpornika R15-R17 u skladu s tim.

Kvarcni rezonator Q - bilo koji kvarcni sat male veličine (slični se također koriste u prijenosnim elektroničkim igrama).

Prekidač S1 - bilo koji tip, male veličine.

Zavojnice senzora izrađene su na okruglim feritnim jezgrama promjera 8 mm (koriste se u magnetskim antenama radioprijemnika u rasponima CB i DV) i duljine oko 10 cm. Svaki namot sastoji se od 200 zavoja bakrene žice za namotavanje promjera 0,31 mm, ravnomjerno i čvrsto omotano u dva sloja u dvostruku lak-svilenu izolaciju. Preko svih namotaja pričvršćen je sloj ekranske folije. Rubovi zaslona međusobno su izolirani kako bi se spriječilo stvaranje kratkog spoja. Izlaz na ekranu je napravljen od pokositrene bakrene žice. U slučaju zaslona od aluminijske folije, ovaj terminal se postavlja na zaslon cijelom dužinom i čvrsto omotan električnom trakom. U slučaju zaslona izrađenog od bakrene ili mesingane folije, terminal je zalemljen.

Krajevi feritnih jezgri fiksirani su u fluoroplastične diskove za centriranje, zahvaljujući kojima se svaka od dvije polovice senzora drži unutar plastične cijevi izrađene od tekstolita, koja služi kao kućište, kao što je shematski prikazano na sl. 34.

Riža. 34. Dizajn senzor-antene

Duljina cijevi je oko 60 cm. Svaka od polovica senzora nalazi se na kraju cijevi i dodatno je pričvršćena silikonskom brtvom koja ispunjava prostor oko namota i njihovih jezgri. Punjenje se vrši kroz posebne rupe u tijelu cijevi. Zajedno s fluoroplastičnim podloškama, takvo brtvilo daje pričvršćivanju lomljivih feritnih šipki potrebnu elastičnost, što sprječava njihovo pucanje tijekom slučajnih udaraca.

Postavljanje uređaja

1. Provjerite je li instalacija ispravna.

2. Provjerite potrošnju struje koja ne smije biti veća od 100 mA.

3. Provjerite ispravan rad glavnog oscilatora i ostalih elemenata generiranja impulsnog signala.

4. Postavite oscilatorni krug senzora. Emitiranje - na frekvenciji od 4 kHz, primanje - na 8 kHz.

5. Provjerite rade li staza pojačanja i sinkroni detektor ispravno.

Rad s uređajem

Postupak postavljanja i rada uređaja je sljedeći. Izlazimo na mjesto pretraživanja, uključujemo uređaj i počinjemo okretati antenu senzora. Najbolje je u okomitoj ravnini koja prolazi smjerom sjever-jug. Ako je senzor uređaja na šipki, tada ga ne možete okretati, već zanjihati koliko god šipka dopušta. Indikatorska igla će skrenuti (efekt kompasa). Pomoću promjenjivog otpornika R5 pokušavamo minimizirati amplitudu ovih odstupanja. U tom slučaju, srednja točka očitanja mikroampermetra će se "pomaknuti", a također će se morati prilagoditi drugim promjenjivim otpornikom R16, koji je dizajniran za postavljanje nule. Kada učinak "kompasa" postane minimalan, uređaj se smatra uravnoteženim.

Za male objekte metoda traženja pomoću diferencijalnog magnetometra ne razlikuje se od metode rada s konvencionalnim detektorom metala. U blizini objekta, strelica može odstupiti u bilo kojem smjeru. Za velike objekte, indikatorska igla će odstupati u različitim smjerovima na velikom području.

Čitati i pisati koristan