Магнитометр, иногда называемый также гауссметром, измеряет силу магнитного поля. Это важный инструмент для проверки постоянных магнитов и электромагнитов и для понимания формы поля конфигураций нестандартных магнитов. При достаточной чувствительности, он также может обнаружить, намагниченные железные объекты. Изменяющиеся во времени поля от двигателей и трансформаторов могут быть обнаружены, если зонд достаточно чувствительный.
В этой статье мастер-самодельщик расскажет, как сделать простой портативный магнитометр с общими компонентами: линейным датчиком Холла, Arduino, дисплеем и кнопкой. Общая стоимость составляет менее 5 евро, а чувствительность
1 Гаусс = 0,1 мТл. Расположение сенсора на телефоне не известно, и невозможно разместить сенсор внутри узких отверстий, таких как отверстие электромагнита.
Эффект Холла является распространенным способом измерения магнитных полей. Когда электроны протекают через проводник в магнитном поле, они отклоняются вбок и, таким образом, создают разность потенциалов на сторонах проводника. При правильном выборе материала и геометрии полупроводника получается измеримый сигнал, который можно усилить и обеспечить измерение одного компонента магнитного поля.
Мастер использует дешевый и широкодоступный датчик SS49E.
Шаг второй: макетная плата Сначала мастер собирает схему на макетной плате. Подключает датчик Холла, дисплей и кнопку: датчик Холла должен быть подключен к + 5В, GND, A1 (слева направо). Дисплей должен быть подключен к GND, + 5V, A5, A4 (слева направо). При нажатии кнопки необходимо установить соединение с землей на A0.
Мастер не был поклонником 9 В аккумуляторов, они дорогие и имеют небольшую емкость. Но местный супермаркет внезапно продал перезаряжаемую версию NiMH по 1 евро каждая. Их можно легко зарядить, если подать на них питание 11 В через резистор 100 Ом в течении ночи. Для подключения батареи мастер использует контакты от старой 9 В батареи. 9 В батарея компактна. От батареи + подается на Vin Arduino, минус на GND. На выходе +5 В будет иметься регулируемое напряжение 5 В для дисплея и для датчика Холла.
Шаг пятый: калибровка Калибровочная константа в коде соответствует числу, указанному в техническом описании (1,4 мВ / гаусс), но техническое описание допускает большой диапазон (1,0-1,75 мВ / гаусс). Чтобы получить точные результаты, нам нужно откалибровать зонд.
1%). Приведенная формула в данном случае работает если отношение длины к диаметру L / D> 10.
Далее подает питание на катушку и измеряет ток с помощью мультиметра. Для контроля тока использует источник переменного напряжения или резистор переменной нагрузки. Измеряет магнитное поле для нескольких текущих настроек и сравнивает его с показаниями.
До калибровки датчик показывал 6,04 мТл, в то время как по теории 3,50 мТл. Поэтому мастер умножил калибровочную константу в строке 18 кода на 0,58. Магнитометр теперь откалиброван.
Предлагаемый вашему вниманию дифференциальный магнитометр может быть очень полезен для поиска крупных железных предметов. Таким прибором практически невозможно искать клады, однако он незаменим при поиске неглубоко затонувших танков, кораблей и других образцов военной техники.
Принцип действия дифференциального магнитометра очень прост. Любой предмет из ферромагнетика искажает естественное магнитное поле Земли. К таким предметам относится все, изготовленное из железа, чугуна и стали. В значительной степени повлиять на искажение магнитного поля может и собственная намагниченность предметов, которая часто имеет место. Зафиксировав отклонение напряженности магнитного поля от фонового значения, можно сделать вывод о наличии вблизи измерительного прибора предмета из ферромагнитного материала.
Искажение магнитного поля Земли вдали от мишени мало, и оно оценивается по разности сигналов от двух разнесенных на некоторое расстояние датчиков. Поэтому прибор и назван дифференциальным. Каждый датчик измеряет сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля. Наибольшее распространение получили ферромагнитные датчики и датчики на основе магнетонной прецессии протонов. В рассматриваемом приборе используются датчики первого типа.
Основой ферромагнитного датчика (называемого также феррозондовым) является катушка с сердечником из ферромагнитного материала. Типовая кривая намагничивания такого материала хорошо известна из школьного курса физики и имеет с учетом влияния магнитного поля Земли следующий вид, показанный на рис. 29.
Рис. 29. Кривая намагничивания
Катушка возбуждается переменным синусоидальным сигналом несущей частоты. Как видно из рис. 29, смещение кривой намагничивания ферромагнитного сердечника катушки внешним магнитным полем Земли приводит к тому, что индукция поля и связанное с ним напряжение на катушке начинают искажаться несимметричным образом. Иными словами, напряжение датчика при синусоидальном токе несущей частоты будет отличаться от синусоиды более «приплюснутыми» верхушками полуволн. И искажения эти будут несимметричны. На языке спектрального анализа это означает появление в спектре выходного напряжения катушки четных гармоник, амплитуда которых пропорциональна напряженности магнитного поля смещения (поля Земли). Вот эти четные гармоники и надо «выловить».
Рис. 30. Дифференциальный ферромагнитный датчик
Конструкция состоит из двух идентичных ферромагнитных сердечников с идентичными катушками, расположенными параллельно рядом друг с другом. По отношению к возбуждающему электрическому сигналу опорной частоты они включены встречно. Третья катушка представляет собой обмотку, намотанную поверх двух сложенных вместе первых двух катушек с сердечниками. При отсутствии внешнего смещающего магнитного поля электрические сигналы первой и второй обмоток симметричны и в идеальном случае действуют так, что выходной сигнал в третьей обмотке отсутствует, так как магнитные потоки через нее полностью компенсируются.
При наличии внешнего смещающего магнитного поля картина меняется. То один, то другой сердечник на пике соответствующей полуволны «залетает» в насыщение глубже, чем обычно вследствие добавочного воздействия магнитного поля Земли. В результате на выходе третьей обмотки появляется сигнал рассогласования удвоенной частоты. Сигналы основной гармоники в идеале там полностью компенсируются.
Практическая конструкция
Практическая конструкция дифференциального ферромагнитного магнитометра была реализована и испытана в макетном варианте без специальной электронной части для звуковой индикации, с использованием только микроамперметра с нулем посередине шкалы. Схема звуковой индикации может быть взята из описания металлоискателя по принципу «передача-прием». Прибор имеет следующие параметры.
Структурная схема показана на рис. 31. Стабилизированный кварцем задающий генератор выдает синхроимпульсы тактовой частоты для формирователя сигналов.
На одном его выходе присутствует меандр первой гармоники, поступающий на усилитель мощности, возбуждающий излучающие катушки датчиков 1 и 2. Другой выход формирует меандр опорной удвоенной тактовой частоты со сдвигом 90° для синхронного детектора. Разностный сигнал с выходных (третьих) обмоток датчиков усиливается в приемном усилителе и выпрямляется синхронным детектором. Выпрямленный постоянный сигнал можно регистрировать микроамперметром или описанными в предыдущих главах устройствами звуковой индикации.
Принципиальная схема
ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР (РИС. 32)
ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ (РИС. 32)
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (РИС. 32)
Усилитель мощности с виду таким и не кажется и представляет всего лишь мощные инверторы D1.4 и D1.5, которые в противофазе раскачивают колебательный контур, состоящий из последовательно-параллельно включенных излучающих катушек датчика и конденсатора С2. Звездочка около номинала конденсатора означает, что его значение указано ориентировочно и что его надо подобрать при наладке. Незадействованный инвертор D1.6, чтобы не оставлять его вход неподключенным, инвертирует сигнал D1.5, но практически работает «вхолостую». Резисторы R3 и R4 ограничивают выходной ток инверторов на допустимом уровне и вместе с колебательным контуром образуют высокодобротный полосовой фильтр, благодаря чему форма напряжения и тока в излучающих катушках датчика практически совпадает с синусоидальной.
ПРИЕМНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (РИС 33)
СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР (РИС. 33)
ИНДИКАТОР (РИС. 33)
Индикатор представляет собой микроамперметр с нулем посередине шкалы. В индикаторной части может с успехом использоваться схемотехника описанных ранее металлоискателей других типов. В том числе, в качестве индикатора можно использовать и конструктив металлоискателя по принципу электронного частотомера. В этом случае его LC-генератор заменяется на RC-генератор, а измеряемое выходное напряжение через резистивный делитель подается на частотозадающую цепь таймера. Подробнее об этом можно почитать на сайте Юрия Колоколова.
Микросхема D7 стабилизирует однополярное напряжение питания. С помощью ОУ D4.1 создается искусственная средняя точка питания, что позволяет использовать обычную двуполярную схемотехнику для ОУ. Керамические блокирующие конденсаторы С18-С21 смонтированы в непосредственной близости от корпусов цифровых микросхем D1, D2, D3, D5.
Типы деталей и конструкция
Типы использованных микросхем указаны в табл. 6.
Таблица 6. Типы использованных микросхем
D1
К561ЛН2
6 инверторов
D2
К561ИЕ11
Двоичный счетчик
D3
К561ТМ2
2 D-триггера
D4, D6
К157УД2
2 0У
D5
К561КП2
Мультиплексор 8 на 1
D7
7812
Стабилизатор напряжения
Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 или зарубежные аналоги серий 40ХХ и 40ХХХ.
Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К157 можно заменить любыми сходными по параметрам ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции).
К применяемым в схеме дифференциального магнитометра резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную и миниатюрную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125. 0,25 Вт.
Конденсаторы колебательных контуров С2* и СЗ* состоят из нескольких (5-10 шт.) конденсаторов, включенных параллельно. Настройка контура в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43, К71-7 или зарубежные термостабильные аналоги. Можно попытаться использовать обычные керамические или металлопленоч-ные конденсаторы, однако, при колебаниях температуры придется чаще подстраивать прибор.
Рис. 34. Конструкция датчика-антенны
Катушки датчика выполнены на круглых ферритовых сердечниках диаметром 8 мм (используются в магнитных антеннах радиоприемников СВ- и ДВ-диапазонов) и длиной около 10 см. Каждая обмотка состоит из ровно и плотно намотанных в два слоя 200 витков медного обмоточного провода диаметром 0,31 мм в двойной лаково-шелковой изоляции. Поверх всех обмоток крепится слой фольги экрана. Края экрана изолируются друг от друга для предотвращения образования короткозамкнутого витка. Вывод экрана выполняется медным луженым одножильным проводом. В случае экрана из алюминиевой фольги этот вывод накладывается на экран на всю его длину и плотно приматывается изолентой. В случае экрана из медной или латунной фольги вывод припаивается.
Налаживание прибора
1. Убедиться в правильности монтажа.
2. Проконтролировать потребляемый ток, который не должен превышать 100 мА.
3. Проверить правильность работы задающего генератора и остальных элементов формирования импульсных сигналов.
5. Убедиться в правильности работы усилительного тракта и синхронного детектора.
Работа с прибором
Методика настройки и работы с прибором следующая. Выходим в место поисков, включаем прибор и начинаем вращать антенну-датчик. Лучше всего в вертикальной плоскости, проходящей через направление север-юг. Если датчик прибора на штанге, то можно не вращать, а раскачивать насколько это позволяет делать штанга. Стрелка индикатора будет отклоняться (компасный эффект). С помощью переменного резистора R5 пытаемся минимизировать амплитуду этих отклонений. При этом будет «съезжать» средняя точка показаний микроамперметра и ее надо будет тоже подстраивать другим переменным резистором R16, который предназначен для установки нуля. Когда «компасный» эффект станет минимальным, прибор считается отбалансированным.
Для малых объектов методика поисков с помощью дифференциального магнитометра не отличается от методики работы с обычным металлоискателем. Возле объекта стрелка может отклониться в любую сторону. Для больших объектов стрелка индикатора будет отклоняться в разные стороны на большом пространстве.
