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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Magnetômetro diferencial. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / detectores de metal O magnetômetro diferencial que chamamos a sua atenção pode ser muito útil para a busca de grandes objetos de ferro. É quase impossível procurar tesouros com tal dispositivo, mas é indispensável na busca por tanques, navios e outros tipos de equipamento militar pouco afundados. O princípio de funcionamento de um magnetômetro diferencial é muito simples. Qualquer objeto ferromagnético distorce o campo magnético natural da Terra. Esses itens incluem qualquer coisa feita de ferro, ferro fundido e aço. A distorção do campo magnético também pode ser significativamente influenciada pela própria magnetização dos objetos, o que ocorre frequentemente. Tendo registrado o desvio da intensidade do campo magnético em relação ao valor de fundo, podemos concluir que existe um objeto feito de material ferromagnético próximo ao dispositivo de medição. A distorção do campo magnético da Terra longe do alvo é pequena e é estimada pela diferença nos sinais de dois sensores separados por alguma distância. É por isso que o dispositivo é chamado de diferencial. Cada sensor mede um sinal proporcional à intensidade do campo magnético. Os mais utilizados são sensores ferromagnéticos e sensores baseados na precessão magnetônica de prótons. O dispositivo em questão utiliza sensores do primeiro tipo. A base de um sensor ferromagnético (também chamado de fluxgate) é uma bobina com núcleo feito de material ferromagnético. Uma curva de magnetização típica para tal material é bem conhecida em um curso escolar de física e, levando em consideração a influência do campo magnético da Terra, tem a seguinte forma, mostrada na Fig. 29.
A bobina é excitada por um sinal portador senoidal alternado. Como pode ser visto a partir da fig. 29, o deslocamento da curva de magnetização do núcleo ferromagnético da bobina pelo campo magnético externo da Terra faz com que a indução do campo e a tensão associada na bobina comecem a ser distorcidas de forma assimétrica. Em outras palavras, a tensão do sensor com uma corrente senoidal de frequência portadora diferirá da senoidal em topos de meia onda mais “achatados”. E essas distorções serão assimétricas. Na linguagem da análise espectral, isso significa o aparecimento de harmônicos pares no espectro da tensão de saída da bobina, cuja amplitude é proporcional à força do campo magnético de polarização (campo da Terra). São esses harmônicos pares que precisam ser “capturados”.
Antes de mencionar um detector síncrono que naturalmente se sugere para este fim, operando com um sinal de referência com o dobro da frequência portadora, consideremos o projeto de uma versão complicada de um sensor ferromagnético. Consiste em dois núcleos e três bobinas (Fig. 30). Em sua essência, este é um sensor diferencial. Porém, para simplificar, mais adiante no texto não o chamaremos de diferencial, pois o próprio magnetômetro já é diferencial :). O projeto consiste em dois núcleos ferromagnéticos idênticos com bobinas idênticas dispostas em paralelo uma ao lado da outra. Em relação ao sinal elétrico de excitação da frequência de referência, eles são conectados em contracorrente. A terceira bobina é um enrolamento enrolado no topo das duas primeiras bobinas centrais dobradas juntas. Na ausência de um campo magnético de polarização externo, os sinais elétricos do primeiro e segundo enrolamentos são simétricos e, idealmente, atuam de tal forma que não há sinal de saída no terceiro enrolamento, uma vez que os fluxos magnéticos através dele são completamente compensados . Na presença de um campo magnético polarizado externo, a imagem muda. Primeiro, um ou outro núcleo no pico da meia onda correspondente “voa” para uma saturação mais profunda do que o normal devido à influência adicional do campo magnético da Terra. Como resultado, um sinal de incompatibilidade de frequência dupla aparece na saída do terceiro enrolamento. Sinais harmônicos fundamentais são idealmente totalmente compensados ali. A comodidade do sensor considerado reside no fato de que suas bobinas podem ser incluídas em circuitos oscilantes para aumentar a sensibilidade. O primeiro e o segundo - em um circuito (ou circuitos) oscilatório sintonizado na frequência portadora. O terceiro - em um circuito oscilante sintonizado no segundo harmônico. O sensor descrito possui um padrão de radiação pronunciado. Seu sinal de saída é máximo quando o eixo longitudinal do sensor está localizado ao longo das linhas de força do campo magnético externo constante. Quando o eixo longitudinal é perpendicular às linhas de força, o sinal de saída é zero. Um sensor do tipo considerado, especialmente em conjunto com um detector síncrono, pode funcionar com sucesso como uma bússola eletrônica. Seu sinal de saída após a retificação é proporcional à projeção do vetor de intensidade do campo magnético da Terra no eixo do sensor. A detecção síncrona permite descobrir o sinal desta projeção. Mas mesmo sem sinal - orientando o sensor de acordo com o sinal mínimo, obtemos uma direção para oeste ou leste. Orientando ao máximo, obtemos a direção da linha do campo magnético da Terra. Em latitudes médias (por exemplo, em Moscou), ele vai obliquamente e “gruda” no solo em direção ao norte. O ângulo de declinação magnética pode ser usado para estimar aproximadamente a latitude geográfica de uma área. Os magnetômetros ferromagnéticos diferenciais têm suas vantagens e desvantagens. As vantagens incluem a simplicidade do dispositivo: não é mais complicado do que um receptor de rádio de amplificação direta. As desvantagens incluem a laboriosidade na fabricação de sensores - além da precisão, é necessária uma correspondência absolutamente exata do número de voltas dos enrolamentos correspondentes. Um erro de uma ou duas voltas pode reduzir bastante a possível sensibilidade. Outra desvantagem é a natureza de “bússola” do dispositivo, ou seja, a incapacidade de compensar totalmente o campo terrestre subtraindo sinais de dois sensores espaçados. Na prática, isso leva a sinais falsos quando o sensor gira em torno de um eixo perpendicular ao longitudinal. Projeto prático O projeto prático de um magnetômetro ferromagnético diferencial foi implementado e testado em versão protótipo sem peça eletrônica especial para indicação sonora, utilizando apenas um microamperímetro com zero no meio da escala. O circuito de indicação sonora pode ser retirado da descrição do detector de metais com base no princípio de “transmissão-recepção”. O dispositivo possui os seguintes parâmetros. Principais características técnicas
Profundidade de detecção:
Esquema estrutural O diagrama de blocos é mostrado na Fig. 31. Um oscilador mestre estabilizado por quartzo produz pulsos de clock para o condicionador de sinal.
Em uma de suas saídas há uma onda quadrada do primeiro harmônico, que vai para o amplificador de potência, que excita as bobinas radiantes dos sensores 1 e 2. A outra saída gera uma onda quadrada da frequência de clock dupla de referência com ângulo de 90°. mudança para um detector síncrono. O sinal diferencial dos enrolamentos de saída (terceiro) dos sensores é amplificado no amplificador receptor e retificado por um detector síncrono. O sinal constante retificado pode ser registrado com um microamperímetro ou com dispositivos de indicação sonora descritos nos capítulos anteriores. Diagrama esquemático O diagrama esquemático de um magnetômetro ferromagnético diferencial é mostrado na Fig. 32 - parte 1: oscilador mestre, condicionador de sinal, amplificador de potência e bobinas radiantes, fig. 33 - parte 2: bobinas receptoras, amplificador receptor, detector síncrono, indicador e fonte de alimentação.
O oscilador mestre é montado nos inversores D1.1-D1.3. A frequência do gerador é estabilizada por um ressonador de quartzo ou piezocerâmico Q com frequência de ressonância de 215 Hz = 32 kHz (“quartzo de relógio”). O circuito R1C1 evita que o gerador seja excitado com harmônicos mais altos. O circuito OOS é fechado através do resistor R2, e o circuito POS é fechado através do ressonador Q. O gerador é simples, tem baixo consumo de corrente, opera de forma confiável com uma tensão de alimentação de 3...15 V e não contém elementos sintonizados ou resistores de resistência excessivamente alta. A frequência de saída do gerador é de cerca de 32 kHz. Condicionador de sinal (fig. 32) O condicionador de sinal é montado em um contador binário D2 e um D-flip-flop D3.1. O tipo de contador binário não é importante, sua principal tarefa é dividir a frequência do clock por 2, 4 e 8, obtendo assim meandros com frequências de 16, 8 e 4 kHz, respectivamente. A frequência portadora para excitação das bobinas emissoras é de 4 kHz. Sinais com frequências de 16 e 8 kHz, atuando no D-flip-flop D3.1, formam em sua saída uma onda quadrada duplicada em relação à frequência portadora de 8 kHz, deslocada 90° em relação ao sinal de saída de 8 kHz do contador binário. Tal mudança é necessária para a operação normal de um detector síncrono, uma vez que a mesma mudança tem um sinal útil de incompatibilidade de frequência dupla na saída do sensor. A segunda metade do microcircuito de dois flip-flops D - D3.2 não é usada no circuito, mas suas entradas não utilizadas devem ser conectadas ao 1 lógico ou ao 0 lógico para operação normal, o que é mostrado no diagrama. Amplificador (fig. 32) O amplificador de potência não parece assim à primeira vista e representa apenas os potentes inversores D1.4 e D1.5, que em antifase balançam um circuito oscilatório que consiste em bobinas radiantes conectadas em série e paralelo do sensor e do capacitor C2. Um asterisco próximo à classificação do capacitor significa que seu valor é indicado aproximadamente e que deve ser selecionado durante a configuração. O inversor D1.6 não utilizado, para não deixar sua entrada desconectada, inverte o sinal D1.5, mas funciona praticamente “ocioso”. Os resistores R3 e R4 limitam a corrente de saída dos inversores a um nível aceitável e, juntamente com o circuito oscilante, formam um filtro passa-banda de alta qualidade, devido ao qual o formato da tensão e da corrente nas bobinas emissoras do sensor quase coincide com o sinusoidal. Amplificador de recepção (fig. 33) O amplificador receptor amplifica o sinal diferencial proveniente das bobinas receptoras do sensor, que juntamente com o capacitor C3 formam um circuito oscilatório sintonizado em dupla frequência de 8 kHz. Graças ao resistor de sintonia R5, os sinais das bobinas receptoras são subtraídos com certos coeficientes de ponderação, que podem ser alterados movendo o controle deslizante do resistor R5. Isto consegue compensar parâmetros não idênticos dos enrolamentos de recepção do sensor e minimizar sua "bússola". O amplificador receptor é de dois estágios. Ele é montado usando amplificadores operacionais D4.2 e D6.1 com realimentação de tensão paralela. O capacitor C4 reduz o ganho em frequências mais altas, evitando assim a sobrecarga do caminho de amplificação com interferência de alta frequência de redes de energia e outras fontes. Os circuitos de correção do amplificador operacional são padrão. Detector síncrono (fig. 33) O detector síncrono é feito usando amplificador operacional D6.2 de acordo com um circuito padrão. O chip multiplexador-desmultiplexador D5 CMOS 8 por 1 é usado como comutadores analógicos (Fig. 32). Seu sinal de endereço digital é movido apenas no bit menos significativo, proporcionando comutação alternada dos pontos K1 e K2 para um barramento comum. O sinal retificado é filtrado pelo capacitor C8 e amplificado pelo amplificador operacional D6.2 com atenuação adicional simultânea de componentes de RF não filtrados pelos circuitos R14C11 e R13C9. O circuito de correção do amplificador operacional é padrão para o tipo usado.
indicador (fig. 33) O indicador é um microamperímetro com zero no meio da escala. A parte indicadora pode usar com sucesso os circuitos de outros tipos de detectores de metal descritos anteriormente. Em particular, o projeto de um detector de metais baseado no princípio de um medidor de frequência eletrônico pode ser usado como indicador. Neste caso, seu oscilador LC é substituído por um oscilador RC, e a tensão de saída medida é alimentada através de um divisor resistivo ao circuito de ajuste de frequência do temporizador. Você pode ler mais sobre isso no site de Yuri Kolokolov. O chip D7 estabiliza a tensão de alimentação unipolar. O amplificador operacional D4.1 cria uma fonte de alimentação de ponto médio artificial, permitindo o uso de circuitos convencionais de amplificador operacional bipolar. Os capacitores de bloqueio cerâmicos C18-C21 são montados próximos aos invólucros dos microcircuitos digitais D1, D2, D3, D5. Tipos de peças e design Os tipos de microcircuitos utilizados estão indicados na Tabela. 6. Tabela 6. Tipos de microcircuitos usados
Em vez dos microcircuitos da série K561, é possível usar microcircuitos da série K1561. Você pode tentar usar alguns microcircuitos da série K176 ou análogos estrangeiros das séries 40ХХ e 40ХХХ. Os amplificadores operacionais duplos (amplificadores operacionais) da série K157 podem ser substituídos por qualquer amplificador operacional de uso geral de parâmetros semelhantes (com alterações apropriadas na pinagem e nos circuitos de correção). Não há requisitos especiais para os resistores usados no circuito do magnetômetro diferencial. Eles só precisam ter um design durável e em miniatura e ser fáceis de instalar. Dissipação de potência nominal 0,125...0,25 W. Os potenciômetros R5, R16 são preferencialmente multivoltas para facilitar o ajuste preciso do dispositivo. A alça do potenciômetro R5 deve ser de plástico e deve ter comprimento suficiente para que o toque da mão do operador durante o ajuste não provoque alterações nas leituras do indicador por interferência. Capacitor C16 - eletrolítico de qualquer tipo de pequeno porte. Os capacitores dos circuitos oscilatórios C2* e C3* consistem em vários capacitores (5-10 unidades) conectados em paralelo. O ajuste do circuito para ressonância é realizado selecionando o número de capacitores e sua classificação. Tipo recomendado de capacitores K10-43, K71-7 ou análogos termoestáveis estrangeiros. Você pode tentar usar capacitores convencionais de cerâmica ou filme metálico, porém, se a temperatura oscilar, será necessário ajustar o dispositivo com mais frequência. Microamperímetro - qualquer tipo para corrente de 100 μA com zero no meio da escala. Microamperímetros de pequeno porte, por exemplo, tipo M4247, são convenientes. Você pode usar quase qualquer microamperímetro e até mesmo um miliamperímetro - com qualquer limite de escala. Para fazer isso, você precisa ajustar os valores dos resistores R15-R17 de acordo. Ressonador de quartzo Q - qualquer relógio de quartzo de pequeno porte (semelhantes também são usados em jogos eletrônicos portáteis). Switch S1 - qualquer tipo, compacto. As bobinas dos sensores são feitas em núcleos redondos de ferrite com diâmetro de 8 mm (utilizados em antenas magnéticas de receptores de rádio nas faixas CB e DV) e comprimento de cerca de 10 cm. Cada enrolamento é composto por 200 voltas de fio de cobre com um diâmetro de 0,31 mm, enrolado de maneira uniforme e firme em duas camadas em isolamento duplo de laca-seda. Uma camada de tela é fixada sobre todos os enrolamentos. As bordas da tela são isoladas umas das outras para evitar a formação de curto-circuito. A saída da tela é feita com fio de cobre estanhado de núcleo único. No caso de uma tela de papel alumínio, este terminal é colocado na tela em todo o seu comprimento e bem enrolado com fita isolante. No caso de tela de cobre ou latão, o terminal é soldado. As extremidades dos núcleos de ferrite são fixadas em discos centralizadores fluoroplásticos, graças aos quais cada uma das duas metades do sensor é mantida dentro de um tubo plástico feito de textolite, que serve de alojamento, como é mostrado esquematicamente na Fig. 34.
O comprimento do tubo é de cerca de 60 cm, cada uma das metades do sensor está localizada na extremidade do tubo e é adicionalmente fixada com selante de silicone, que preenche o espaço ao redor dos enrolamentos e seus núcleos. O enchimento é feito através de furos especiais no corpo do tubo. Juntamente com as arruelas fluoroplásticas, esse selante confere à fixação de frágeis hastes de ferrite a elasticidade necessária, evitando que quebrem durante impactos acidentais. Configurando o dispositivo 1. Certifique-se de que a instalação esteja correta. 2. Verifique o consumo de corrente, que não deve ultrapassar 100 mA. 3. Verifique o correto funcionamento do oscilador mestre e demais elementos de geração de sinal de pulso. 4. Configure o circuito oscilatório do sensor. Emissão - a uma frequência de 4 kHz, recepção - a 8 kHz. 5. Certifique-se de que o caminho de amplificação e o detector síncrono funcionem corretamente. Trabalhando com o dispositivo O procedimento para configurar e operar o dispositivo é o seguinte. Saímos para o site de busca, ligamos o aparelho e começamos a girar a antena do sensor. É melhor em um plano vertical passando na direção norte-sul. Se o sensor do dispositivo estiver em uma haste, você não poderá girá-lo, mas sim balançá-lo até onde a haste permitir. A agulha do indicador irá desviar (efeito de bússola). Usando o resistor variável R5 tentamos minimizar a amplitude desses desvios. Neste caso, o ponto médio das leituras do microamperímetro “se moverá” e também precisará ser ajustado com outro resistor variável R16, que é projetado para definir zero. Quando o efeito “bússola” torna-se mínimo, o dispositivo é considerado equilibrado. Para objetos pequenos, o método de busca usando um magnetômetro diferencial não difere do método de trabalhar com um detector de metais convencional. Perto de um objeto, a seta pode desviar-se em qualquer direção. Para objetos grandes, a agulha do indicador se desviará em direções diferentes em uma área grande. Autor: Shchedrin A.I.
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