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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Magnetómetro diferencial. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / detector de metales El magnetómetro diferencial que le presentamos puede ser muy útil para buscar grandes objetos de hierro. Es prácticamente imposible buscar tesoros con un dispositivo de este tipo, pero es indispensable cuando se buscan tanques, barcos y otros tipos de equipo militar poco hundidos. El principio de funcionamiento de un magnetómetro diferencial es muy simple. Cualquier objeto ferromagnético distorsiona el campo magnético natural de la Tierra. Estos artículos incluyen todo lo que está hecho de hierro, hierro fundido y acero. En gran medida, la distorsión del campo magnético también puede verse afectada por la propia magnetización de los objetos, que se produce con frecuencia. Habiendo fijado la desviación de la fuerza del campo magnético del valor de fondo, podemos concluir que hay un objeto hecho de material ferromagnético cerca del dispositivo de medición. La distorsión del campo magnético de la Tierra lejos del objetivo es pequeña y se estima a partir de la diferencia en las señales de dos sensores separados por cierta distancia. Por lo tanto, el dispositivo se llama diferencial. Cada sensor mide una señal proporcional a la fuerza del campo magnético. Los sensores ferromagnéticos y los sensores basados en la precesión magnética de protones son los más utilizados. El dispositivo en consideración utiliza sensores del primer tipo. La base de un sensor ferromagnético (también llamado fluxgate) es una bobina con un núcleo de material ferromagnético. Una curva de magnetización típica para tal material es bien conocida por un curso de física escolar y, teniendo en cuenta la influencia del campo magnético de la Tierra, tiene la siguiente forma, que se muestra en la Fig. 29
La bobina es excitada por una señal sinusoidal alterna de la frecuencia portadora. Como puede verse en la fig. 29, el desplazamiento de la curva de magnetización del núcleo ferromagnético de la bobina por el campo magnético externo de la Tierra provoca que la inducción del campo y el voltaje asociado en la bobina comiencen a distorsionarse de manera asimétrica. En otras palabras, el voltaje del sensor con una corriente sinusoidal de la frecuencia portadora diferirá de la sinusoide por cimas más "aplanadas" de las medias ondas. Y estas distorsiones serán asimétricas. En el lenguaje del análisis espectral, esto significa la aparición en el espectro de la tensión de salida de la bobina de armónicos pares, cuya amplitud es proporcional a la fuerza del campo magnético de polarización (campo terrestre). Son estos armónicos pares los que deben ser "atrapados".
Antes de mencionar el detector síncrono que naturalmente se sugiere para este propósito, operando con una señal de referencia de doble frecuencia portadora, consideremos el diseño de una versión complicada de un sensor ferromagnético. Consta de dos núcleos y tres bobinas (Fig. 30). En esencia, es un sensor diferencial. Sin embargo, por simplicidad, no lo llamaremos diferencial más adelante en el texto, ya que el magnetómetro en sí ya es diferencial :). El diseño consta de dos núcleos ferromagnéticos idénticos con bobinas idénticas colocadas en paralelo una al lado de la otra. En relación a la señal eléctrica excitatoria de la frecuencia de referencia, se incluyen en sentido contrario. La tercera bobina es un devanado enrollado encima de las dos primeras bobinas centrales apiladas juntas. En ausencia de un campo magnético de polarización externo, las señales eléctricas del primer y segundo devanado son simétricas e idealmente actúan de modo que no haya señal de salida en el tercer devanado, ya que los flujos magnéticos a través de él se cancelan por completo. En presencia de un campo magnético de polarización externo, la imagen cambia. Uno u otro núcleo en el pico de la media onda correspondiente "vuela" hacia una saturación más profunda de lo habitual debido a la influencia adicional del campo magnético de la Tierra. Como resultado, aparece una señal de desajuste de doble frecuencia en la salida del tercer devanado. Idealmente, las señales armónicas fundamentales se compensan por completo allí. La conveniencia del sensor considerado radica en que se pueden incluir sus bobinas para aumentar la sensibilidad en circuitos oscilatorios. El primero y el segundo: en el circuito oscilatorio (o circuito), sintonizado a la frecuencia portadora. El tercero - en un circuito oscilatorio sintonizado con el segundo armónico. El sensor descrito tiene un patrón de radiación pronunciado. Su señal de salida es máxima cuando el eje longitudinal del sensor se encuentra a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético constante externo. Cuando el eje longitudinal es perpendicular a las líneas de fuerza, la señal de salida es cero. El sensor del tipo considerado, especialmente en combinación con un detector síncrono, puede funcionar con éxito como una brújula electrónica. Su señal de salida después de la rectificación es proporcional a la proyección del vector de fuerza del campo magnético de la Tierra sobre el eje del sensor. La detección síncrona también permite conocer el signo de esta proyección. Pero incluso sin una señal, al orientar el sensor al mínimo de la señal, obtenemos la dirección hacia el oeste o el este. Orientándonos al máximo: obtenemos la dirección de la línea del campo magnético del campo terrestre. En latitudes medias (por ejemplo, en Moscú), va oblicuamente y se "pega" en el suelo en dirección al norte. Según el ángulo de declinación magnética, se puede estimar aproximadamente la latitud geográfica del área. Los magnetómetros ferromagnéticos diferenciales tienen sus ventajas y desventajas. Las ventajas incluyen la simplicidad del dispositivo, no es más complicado que un receptor de radio de amplificación directa. Las desventajas incluyen la complejidad de la fabricación de sensores: además de la precisión, se requiere una coincidencia absolutamente exacta del número de vueltas de los devanados correspondientes. Un error de una o dos vueltas puede reducir mucho la posible sensibilidad. Otro inconveniente es la "brújula" del dispositivo, es decir, la imposibilidad de compensar completamente el campo terrestre restando señales de dos sensores separados. En la práctica, esto conduce a señales falsas cuando el sensor gira alrededor de un eje perpendicular al longitudinal. Diseño práctico Se implementó y probó el diseño práctico de un magnetómetro ferromagnético diferencial en una versión prototipo sin una parte electrónica especial para indicación sonora, utilizando únicamente un microamperímetro con cero en el medio de la escala. El esquema de indicación de sonido se puede tomar de la descripción del detector de metales según el principio de "transmisión-recepción". El dispositivo tiene los siguientes parámetros. Principales características técnicas
Profundidad de detección:
esquema estructural El diagrama de bloques se muestra en la fig. 31. Un oscilador maestro estabilizado con cuarzo proporciona una frecuencia de reloj para el acondicionador de señal.
En una de sus salidas, hay una onda cuadrada del primer armónico, que ingresa al amplificador de potencia, que excita las bobinas radiantes de los sensores 1 y 2. La otra salida forma una onda cuadrada de la frecuencia de reloj doble de referencia con un desplazamiento de 90° para el detector síncrono. La señal de diferencia de los devanados de salida (terceros) de los sensores se amplifica en el amplificador receptor y se rectifica mediante un detector síncrono. Una señal constante rectificada se puede registrar con un microamperímetro o dispositivos de indicación de sonido descritos en capítulos anteriores. Diagrama esquemático El diagrama esquemático de un magnetómetro ferromagnético diferencial se muestra en la fig. 32 - parte 1: oscilador maestro, acondicionador de señal, amplificador de potencia y bobinas radiantes, fig. 33 - parte 2: bobinas receptoras, amplificador receptor, detector síncrono, indicador y fuente de alimentación.
El oscilador maestro se ensambla en los inversores D1.1-D1.3. La frecuencia del oscilador está estabilizada por un resonador de cuarzo o piezocerámico Q con una frecuencia de resonancia de 215 Hz = 32 kHz ("reloj de cuarzo"). El circuito R1C1 evita la excitación del generador en armónicos más altos. A través de la resistencia R2 se cierra el circuito OOS, a través del resonador Q se cierra el circuito POS. El generador se caracteriza por su simplicidad, bajo consumo de corriente, operación confiable a una tensión de alimentación de 3 ... 15 V, no contiene elementos sintonizados ni resistencias de resistencia demasiado alta. La frecuencia de salida del generador es de unos 32 kHz. acondicionador de señal (Fig. 32) El acondicionador de señal se ensambla en un contador binario D2 y un D-trigger D3.1. El tipo de contador binario no es fundamental, su tarea principal es dividir la frecuencia del reloj por 2, por 4 y por 8, obteniendo así meandros con frecuencias de 16, 8 y 4 kHz, respectivamente. La frecuencia portadora para la excitación de las bobinas radiantes es de 4 kHz. Las señales con frecuencias de 16 y 8 kHz, que actúan sobre el D-flip-flop D3.1, forman en su salida un meandro duplicado con respecto a la frecuencia portadora de 8 kHz, desplazada 90 ° con respecto a la señal de salida del 8 Contador binario de kHz. Este cambio es necesario para el funcionamiento normal de un detector síncrono, ya que el mismo cambio tiene una señal útil de desajuste de doble frecuencia en la salida del sensor. La segunda mitad del microcircuito de dos D-flip-flops - D3.2 no se usa en el circuito, pero sus entradas no utilizadas deben conectarse a la lógica 1 o la lógica 0 para el funcionamiento normal, como se muestra en el diagrama. Amplificador (Fig. 32) El amplificador de potencia no se ve así y son solo los potentes inversores D1.4 y D1.5, que en antifase giran un circuito oscilatorio que consiste en bobinas radiantes conectadas en serie-paralelo del sensor y el condensador C2. Un asterisco cerca del valor del condensador significa que su valor se indica aproximadamente y que debe seleccionarse durante la puesta en marcha. Un inversor D1.6 no utilizado, para no dejar desconectada su entrada, invierte la señal D1.5, pero prácticamente funciona "inactivo". Las resistencias R3 y R4 limitan la corriente de salida de los inversores a un nivel aceptable y, junto con el circuito oscilatorio, forman un filtro de paso de banda de alta calidad, por lo que la forma del voltaje y la corriente en las bobinas radiantes del sensor casi coincide con una sinusoidal. Amplificador receptor (Fig. 33) El amplificador receptor amplifica la señal diferencial procedente de las bobinas receptoras del sensor, que junto con el condensador C3 forman un circuito oscilatorio sintonizado al doble de la frecuencia de 8 kHz. Gracias a la resistencia de sintonización R5, las señales de las bobinas receptoras se restan con algunos coeficientes de ponderación, que se pueden cambiar moviendo el control deslizante de la resistencia R5. Esto logra la compensación de parámetros no idénticos de los devanados receptores del sensor y la minimización de su "brújula". El amplificador receptor es de dos etapas. Se ensambla en los amplificadores operacionales D4.2 y D6.1 con un sistema operativo de voltaje paralelo. El condensador C4 reduce la ganancia a frecuencias más altas, evitando así la sobrecarga de la ruta de amplificación con captaciones de alta frecuencia de las redes eléctricas y otras fuentes. Los circuitos de corrección del amplificador operacional son estándar. detector síncrono (Fig. 33) El detector síncrono está hecho en OS D6.2 de acuerdo con un esquema típico. El chip multiplexor-demultiplexor D5 CMOS 8 por 1 se utiliza como teclas analógicas (Fig. 32). Su señal de dirección digital se mueve solo en el bit menos significativo, proporcionando una conmutación alternativa de los puntos K1 y K2 a un bus común. La señal rectificada es filtrada por el condensador C8 y amplificada por el amplificador operacional D6.2 con atenuación adicional simultánea de los componentes de RF sin filtrar por los circuitos R14C11 y R13C9. El circuito de corrección del amplificador operacional es estándar para el tipo utilizado.
Indicador (Fig. 33) El indicador es un microamperímetro con cero en el medio de la escala. En la parte del indicador, se pueden utilizar con éxito los circuitos de otros tipos de detectores de metales descritos anteriormente. En particular, como indicador, puede utilizar el diseño de un detector de metales basado en el principio de un medidor de frecuencia electrónico. En este caso, su oscilador LC se reemplaza por un oscilador RC, y el voltaje de salida medido se alimenta a través de un divisor resistivo al circuito de ajuste de frecuencia del temporizador. Puede leer más sobre esto en el sitio web de Yuri Kolokolov. El chip D7 estabiliza la tensión de alimentación unipolar. El amplificador operacional D4.1 crea un punto de alimentación medio artificial, lo que permite el uso de circuitos de amplificadores operacionales bipolares convencionales. Los condensadores de bloqueo de cerámica C18-C21 se montan muy cerca de las carcasas de los circuitos digitales D1, D2, D3, D5. Tipos de piezas y diseño. Los tipos de microcircuitos utilizados se indican en la Tabla. 6. Tabla 6. Tipos de microcircuitos utilizados
En lugar de microcircuitos de la serie K561, es posible utilizar microcircuitos de la serie K1561. Puede intentar usar algunos chips de la serie K176 o análogos extranjeros de las series 40XX y 40XXX. Los amplificadores operacionales duales (amplificadores operacionales) de la serie K157 se pueden reemplazar por cualquier amplificador operacional de uso general de parámetros similares (con los cambios correspondientes en el pinout y los circuitos de corrección). No existen requisitos especiales para las resistencias utilizadas en el circuito del magnetómetro diferencial. Solo necesitan ser robustos y de diseño en miniatura y fáciles de instalar. El índice de disipación de potencia es de 0,125 ... 0,25 W. Los potenciómetros R5, R16 son deseables de varias vueltas por la conveniencia de ajustar el dispositivo. El mango del potenciómetro R5 debe ser de plástico y debe tener la longitud suficiente para que el toque de la mano del operador durante el ajuste no provoque cambios en las lecturas del indicador debido a las captaciones. Condensador C16 - electrolítico de cualquier tipo de tamaño pequeño. Los condensadores de los circuitos oscilatorios C2* y C3* constan de varios (5-10 uds.) Condensadores conectados en paralelo. La sintonización del circuito en resonancia se lleva a cabo seleccionando la cantidad de capacitores y su clasificación. El tipo recomendado de condensadores es K10-43, K71-7 o análogos termoestables extranjeros. Puede intentar usar condensadores de película de metal o cerámica convencionales; sin embargo, con las fluctuaciones de temperatura, tendrá que ajustar el dispositivo con más frecuencia. Microamperímetro: cualquier tipo para una corriente de 100 μA con cero en el medio de la escala. Los microamperímetros de tamaño pequeño, por ejemplo, tipo M4247, son convenientes. Puede usar casi cualquier microamperímetro, e incluso un miliamperímetro, con cualquier límite de escala. Para hacer esto, debe ajustar los valores de las resistencias R15-R17 en consecuencia. Resonador de cuarzo Q: cualquier reloj de cuarzo de tamaño pequeño (también se usan similares en juegos electrónicos portátiles). Interruptor S1: cualquier tipo, compacto. Las bobinas del sensor están hechas de núcleos de ferrita redondos con un diámetro de 8 mm (utilizados en antenas magnéticas de receptores de radio MW y LW) y una longitud de aproximadamente 10 cm Cada bobinado consta de 200 vueltas de alambre de bobinado de cobre con un diámetro de 0,31 mm, enrollado de manera uniforme y apretada en dos capas con aislamiento doble de laca y seda. Se adjunta una capa de lámina de pantalla sobre todos los devanados. Los bordes de la pantalla están aislados entre sí para evitar la formación de una bobina en cortocircuito. La salida de la pantalla se realiza con un hilo unipolar de cobre estañado. En el caso de una pantalla de papel de aluminio, este cable se superpone a la pantalla en toda su longitud y se enrolla firmemente con cinta aislante. En el caso de una pantalla de lámina de cobre o latón, el plomo está soldado. Los extremos de los núcleos de ferrita están fijados en discos de centrado de fluoroplástico, gracias a los cuales cada una de las dos mitades del sensor se sujeta dentro de un tubo de plástico de textolita, que sirve como carcasa, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 34.
La longitud del tubo es de aproximadamente 60 cm Cada una de las mitades del sensor se encuentra en el extremo del tubo y, además, se fija con sellador de silicona, que llena el espacio alrededor de los devanados y sus núcleos. El llenado se realiza a través de orificios especiales en el cuerpo del tubo. Junto con las arandelas de fluoroplástico, dicho sellador le da a la fijación de las frágiles varillas de ferrita la elasticidad necesaria, lo que evita que se agrieten durante impactos accidentales. Configuración del dispositivo 1. Asegúrese de que la instalación sea correcta. 2. Compruebe el consumo de corriente, que no debe superar los 100 mA. 3. Verifique el correcto funcionamiento del oscilador maestro y otros elementos de la formación de señales de pulso. 4. Ajuste el circuito oscilatorio del sensor. Radiando - a una frecuencia de 4 kHz, recibiendo - a 8 kHz. 5. Asegúrese de que la ruta de amplificación y el detector síncrono funcionen correctamente. Trabajando con el dispositivo El procedimiento para configurar y trabajar con el dispositivo es el siguiente. Vamos al lugar de búsqueda, encendemos el dispositivo y comenzamos a girar la antena-sensor. Mejor en un plano vertical que pase por la dirección norte-sur. Si el sensor del dispositivo está en la varilla, entonces no puede girarlo, sino girarlo tanto como lo permita la varilla. La aguja indicadora se desviará (efecto de brújula). Usando una resistencia variable R5, estamos tratando de minimizar la amplitud de estas desviaciones. En este caso, el punto medio de las lecturas del microamperímetro se "desplazará" y también deberá ajustarse con otra resistencia variable R16, que está diseñada para establecerse en cero. Cuando el efecto de "brújula" se vuelve mínimo, el dispositivo se considera equilibrado. Para objetos pequeños, el método de búsqueda con un magnetómetro diferencial no difiere del método de trabajo con un detector de metales convencional. Cerca del objeto, la flecha puede desviarse en cualquier dirección. Para objetos grandes, la flecha indicadora se desviará en diferentes direcciones sobre un área grande. Autor: Shchedrin A.I.
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