Рис. 3.1. Геометрические параметры кольцевого сердечника: D1 – внутренний диаметр (диаметр отверстия), D2 – внешний диаметр, H – высота.

Геометрические параметры кольца определяются обозначением его типоразмера, например, для типоразмера К12х8х3 D1 = 8 мм, D2 = 12 мм, H = 3 мм. За типоразмером может следовать обозначение начальной магнитной проницаемости и состава, например, 3000НМ – марганец-цинковый феррит с начальной магнитной проницаемостью 3000. 

Основными критериями выбора материала сердечника феррозонда являются [10, 11]:

1. Высокая магнитная проницаемость.
2. Низкая коэрцитивная сила.
3. Низкая магнитная индукция насыщения.
4. Гладкая (непрямоугольная) форма петли гистерезиса.
5. Минимальная площадь петли гистерезиса.
6. Низкая магнитострикция.
7. Высокое удельное электрическое сопротивление.
8. Низкий уровень шумов Баркгаузена.
9. Низкое количество структурных дефектов.
10. Низкий уровень внутренних напряжений.
11. Гладкая поверхность.
12. Однородность поперечного сечения.

Наилучшие параметры, особенно в плане соотношения сигнал-шум, имеют феррозонды с сердечниками из термообработанного пермаллоя или аморфных материалов на основе кобальта [4, 8, 11], хотя магнитомягкие ферриты с высоким значением магнитной проницаемости также позволяют достичь неплохих результатов [21]. Поэтому в качестве недорогого и доступного сердечника феррозонда выбрано кольцо из магнитомягкого феррита типоразмера К12х8х3 3000НМ, измеренная магнитная проницаемость которого составила 3000. Кривая намагничивания (петля гистерезиса) на частоте 10 кГц показана на рис. 3.2 [23].

Рис. 3.2. Кривая намагничивания ферритового кольца К12х8х3 3000НМ на частоте 10 кГц. Цена деления по горизонтали 0.5 Э ≈ 39.8 А/м. Цена деления по вертикали 0.1 Тл. Коэрцитивная сила по индукции H_CB ≈ 0.25 Э ≈ 19.9 А/м. Индукция насыщения B_S ≈ 0.425 Тл. Измеренная магнитная проницаемость 3000.

На неизолированное ферритовое кольцо К12х8х3 3000НМ равномерно наматывается в один слой обмотка возбуждения 62 ... 63 витка медного провода в шелковой изоляции (рис. 3.3). Выводы обмотки скручиваются между собой и впоследствии припаиваются к контактным площадкам печатной платы, служащей основанием для сердечника феррозонда.

Рис. 3.3. Сердечник феррозонда с обмоткой возбуждения: примерно 62 ... 63 витка медного провода ПЭЛШО 0.27 мм равномерно намотаны в один полностью заполненный слой на неизолированном ферритовом кольце К12х8х3 3000НМ. Выводы обмотки скручены между собой. Активное сопротивление примерно 0.32 Ом. Индуктивность примерно 2.60 ... 2.80 мГн на частоте 1000 Гц.

Обмотка возбуждения пропитывается эпоксидной смолой, сверху наклеивается юстировочная шайба из стеклотекстолита толщиной 0.5 мм с прорезью (рис. 3.4), позволяющая поворачивать сердечник феррозонда с намотанной на нем обмоткой возбуждения внутри измерительной катушки для настройки нулевого сдвига выходного сигнала в отсутствие магнитного поля.

Рис. 3.4. Сердечник феррозонда с обмоткой возбуждения, пропитанной эпоксидной смолой. Сверху наклеена юстировочная шайба с прорезью.

В качестве основания для установки сердечника феррозонда с обмоткой возбуждения используется печатная плата толщиной 0.5 мм с вклеенным поворотным устройством (осью), на которое надевается сердечник феррозонда. Эскиз основания показан на рис. 3.5, а внешний вид - на рис. 3.6. На рис. 3.7 показано основание с установленным на нем сердечником феррозонда с обмоткой возбуждения и юстировочной шайбой.

Рис. 3.5. Эскиз печатной платы - основания для установки сердечника феррозонда с обмоткой возбуждения. Односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 0.5 мм. Размер платы 30 х 15 мм².

Рис. 3.6. Внешний вид печатной платы - основания для установки сердечника феррозонда с обмоткой возбуждения. По центру вклеено поворотное устройство, на которое надевается сердечник феррозонда с обмоткой возбуждения.

Рис. 3.7. Сердечник феррозонда с обмоткой возбуждения и юстировочной шайбой, смонтированный вместе с поворотным устройством на основании.

Активное сопротивление обмотки возбуждения феррозонда измерено мультиметром APPA-107N и составляет примерно 0.32 Ом. Индуктивность измерена LC-метром VC6243 на частоте 1000 Гц и для разных экземпляров находится в примерном диапазоне 2.60 ... 2.80 мГн.

Внешний вид катушки, предназначенной для измерения сигнала феррозонда, показан на рис. 3.8. Катушка намотана на каркасе из оргстекла и состоит из двух секций по 300 витков медного провода диаметром 0.1 мм каждая, разделенных некоторым промежутком, позволяющем иметь отверстие в центре каркаса для юстировки сердечника феррозонда. Она может служить одновременно в качестве сигнальной и компенсационной катушки. Активное сопротивление катушки измерено мультиметром APPA-107N и составляет примерно 75 Ом. Индуктивность катушки измерена LC-метром VC6243 на частоте 1000 Гц и составляет примерно 4.85 мГн без сердечника феррозонда и 6.37 мГн, когда внутрь катушки вставлен сердечник феррозонда с обмоткой возбуждения.

Рис. 3.8. Внешний вид сигнально-компенсационной катушки: 600 витков медного провода ПЭТВ-1 диаметром 0.1 мм равномерно намотаны на каркасе из оргстекла, выполнена пропитка эпоксидной смолой. Активное сопротивление катушки примерно 75 Ом, индуктивность на частоте 1000 Гц примерно 4.85 мГн (без сердечника феррозонда). Размер катушки 22 х 22 х 10 мм³ (без выводов).

Расчет сигнально-компенсационной катушки выполнен с помощью программы Rectangular Coil V1.0 [22]. Результаты расчета для одной секции показаны на рис. 3.9 и 3.10.

Рис. 3.9. Расчет одной секции сигнально-компенсационной катушки с помощью программы Rectangular Coil. Магнитная индукция в центре секции (т. е. на расстоянии 5.5 мм от центра целой катушки) составляет примерно 1580 мкТл при напряжении питания секции 2 В (4 В для целой катушки) и потребляемом токе около 54 мА.

Рис. 3.10. Расчет одной секции сигнально-компенсационной катушки с помощью программы Rectangular Coil. Магнитная индукция на расстоянии 5.5 мм от центра секции (т. е. в центре целой катушки) составляет примерно 650 мкТл при напряжении питания секции 2 В (4 В для целой катушки) и потребляемом токе около 54 мА.

Результаты расчета показывают, что при общем напряжении питания до 5 В можно создать в зоне расположения сердечника феррозонда компенсирующее магнитное поле с достаточно большим значением магнитной индукции (порядка 1000 мкТл) при приемлемом значении потребляемого тока (порядка 50 мА). Соответственно, компенсирующее поле с магнитной индукцией до 200 мкТл (вариант измерительного диапазона магнитометров с анизотропными магниторезистивными датчиками [24, 26], обусловленный применением вольтметра на 3 1/2 разряда) может быть сгенерировано при существенно более низких уровнях потребляемого тока (порядка 10 мА).

На рис. 3.11 показано расчетное распределение осевой (аксиальной) составляющей магнитной индукции внутри сигнально-компенсационной катушки по ее длине при напряжении питания 1 В (0.5 В на секцию) и потребляемом токе примерно 13 мА. Расчеты магнитной индукции сделаны с помощью программы Rectangular Coil для каждой из секций по отдельности для соответствующих координат z (центру целой катушки соответствует координата z = 5.5 мм одной секции и z = -5.5 мм другой секции). Индукция магнитного поля целой катушки в соответствии с принципом суперпозиции [15] рассчитана как сумма магнитных индукций полей составляющих ее секций в расчетной точке.

Рис. 3.11. Распределение аксиальной составляющей магнитной индукции вдоль оси сигнально-компенсационной катушки при разных от нее расстояниях в поперечном направлении (по направлению большего размера поперечного сечения) при напряжении питания 1 В и потребляемом токе 13.38 мА.

Хотя неравномерность осевой составляющей магнитной индукции вдоль оси сигнально-компенсационной катушки в зоне расположения сердечника феррозонда достаточно велика, в принципе, ее можно считать вполне приемлемой для построения компенсационной схемы измерения с использованием только одной катушки, выполняющей две функции одновременно. Среднее значение осевой составляющей магнитной индукции находится на уровне 400 мкТл при токе питания примерно 13 мА (коэффициент преобразования около 30 мкТл/мА), что дает представление о требованиях к построению электронных каскадов измерительной компенсационной схемы на заданный рабочий диапазон (+200 мкТл).

Смонтированный на основании сердечник феррозонда с обмоткой возбуждения вставляется в сигнально-компенсационную катушку и вместе с ней крепится пайкой к основанию феррозонда, эскиз которого приведен на рис. 3.12. Далее вся конструкция (рис. 3.13) устанавливается в выфрезерованный немагнитный дюралюминиевый корпус, служащий электромагнитным экраном, и закрывается крышкой с отверстием для юстировки сердечника феррозонда (рис. 3.14).  Юстировка производится во время процедур налаживания и калибровки, после чего поворотный механизм фиксируется посредством быстросохнущего нитролака.

4. Конструкция электронного преобразователя феррозондового магнитометра

Феррозондовый магнитометр построен по компенсационной схеме в соответствии с рис. 2.4. Феррозонд используется в качестве нуль-детектора, поэтому при стабильной работе он находится в магнитном поле, близком к нулю. Блок-схема прибора приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Блок-схема феррозондового магнитометра с кольцевым сердечником из магнитомягкого феррита.

Источник питания феррозондового магнитометра преобразует напряжение литий-ионной батареи +3.7 В в двухполярное напряжение +5 В, используемое для питания остальных узлов. Выключатель S1 предназначен для оперативного включения-выключения прибора. Батарея может заряжаться от стандартного зарядного устройства с выходным напряжением +5 В, которое подается на контакты +ЗАРЯД и -ЗАРЯД. Более детальное описание источника питания приведено в п. 5. Генератор импульсов возбуждения и управления (см. п. 6) служит для получения коротких разнополярных токовых импульсов (OUT A, OUT B), подающихся на обмотку возбуждения феррозонда L1 и позволяющих полностью перемагничивать его сердечник, а также импульсов управления синхродетектором (S1). Выход сигнально-компенсационной обмотки феррозонда L2 подключен ко входу преобразователя ток-напряжение IN, выходной сигнал которого после полосового фильтра поступает на синхродетектор, управляемый импульсами с генератора (S1). Продетектированное напряжение подается на вход INI интегратора, который вырабатывает токовый сигнал обратной связи OUTL, подающийся на сигнально-компенсационную катушку, а также выходной сигнал OUTI, пропорциональный компенсационному току с коэффициентом преобразования 10 мВ/мкТл.

5. Источник питания узлов феррозондового магнитометра

Для обеспечения возможной совместимости с электронными цифровыми схемами (в частности, микроконтроллерами) в качестве стандарта питания выбрано напряжение +5 В относительно общего провода. Источником питания, обеспечивающим возможность автономной работы, служит литий-ионная батарея с выходным напряжением 3.7 В, используемая совместно  с повышающим импульсным преобразователем напряжения до уровня +5 В. Ток, потребляемый от батареи при работе только генератора импульсов возбуждения, который является наиболее энергозатратным узлом магнитометра, составляет около 150 мА. Этот ток вряд ли можно снизить существенно, если не менять тип сердечника феррозонда и обмотку возбуждения. Остальные узлы магнитометра представляются менее энергозатратными, и их энергопотребление может быть снижено за счет применения соответствующей элементной базы и схемных решений. Оценивая общий потребляемый от батареи ток в пределах 200 мА, получаем, что при емкости батареи порядка 2000 мА ∙ часов время работы в автономном режиме без подзарядки может достигать примерно 8 часов (рабочий день).

При использовании однополярного питания могут возникать проблемы создания искусственной средней точки и сопряжения прибора с входами USB компьютера и внешними измерительными приборами. В этих случаях двухполярное питание (например, +5 В относительно общего провода) более предпочтительно. Оно может быть получено по схеме: первичный повышающий преобразователь напряжения аккумуляторной батареи - инвертор [13]. На рис. 5.1 приведена электрическая принципиальная схема повышающего импульсного преобразователя напряжения аккумуляторной батареи до уровня +5 В с выходным током до 500 мА и инвертора (преобразователя постоянного напряжения +5 В в отрицательное -5 В) с выходным током до 200 мА.

Рис. 5.1. Схема электрическая принципиальная автономного источника питания с выходным напряжением -5 В и +5 В.

На рис. 5.2 показан эскиз печатной платы источника питания, а на рис. 5.3 - ее внешний вид.

Рис. 5.2. Эскиз печатной платы автономного источника питания с батареей B1 и с прочими узлами (контроллер заряда аккумуляторной батареи - КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДА - CONT, импульсный повышающий преобразователь с выходным напряжением +5 В - ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ DC-DC, импульсный инвертор с выходным напряжением -5 В - ИНВЕРТОР - INVERTOR). Односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1.5 мм. Размер платы 100 х 75 мм².

Рис. 5.3. Внешний вид печатной платы автономного источника питания с литий-ионной батареей емкостью 2000 мА ∙ часов (7.4 Вт ∙ час) и с прочими узлами (контроллер заряда аккумуляторной батареи, импульсный повышающий преобразователь с выходным напряжением +5 В, импульсный инвертор с выходным напряжением -5 В).

6. Генератор импульсов возбуждения и управления с согласующей цепью

Генератор импульсов возбуждения и управления с кварцевой стабилизацией частоты собран по схеме, приведенной на рис. 6.1. Основой генератора является узел, формирующий две последовательности противофазных импульсов, разделенных временными паузами [20], служащих для управления мостовым инвертором.

Рис. 6.1. Схема электрическая принципиальная генератора импульсов возбуждения и управления с согласующей цепью. Импульсы частотой 16384 Гц (B(S1), C(S2)) предназначены для управления синхродетектором (с разным фазовым сдвигом). Импульсы частотой 8192 Гц через согласующую цепь подаются на обмотку возбуждения феррозонда (OUT A-OUT B).

Узел на микросхемах DD1.1DD1.2 (1/2 К176ЛЕ5) служит задающим генератором импульсов частотой часового кварца XT1 32768 Гц. Триггер DD2.1 (1/2 К176ТМ2) формирует прямоугольные импульсы прямой и инверсной полярности с коэффициентом заполнения 50 % частотой 16384 Гц, которые могут быть использованы для управления синхродетектором с заданным сдвигом по фазе (0 или 90⁰). Узел DD2.2DD1.3DD1.4 (1/2 К176ЛЕ5, 1/2 К176ТМ2) служит для формирования противофазных импульсов частотой 8192 Гц, управляющих мостовым инвертором DD3 (MIC4424). Разнополярные импульсы возбуждения с выхода микросхемы DD3 через согласующую цепь L1L2C5C6C7C8C9C10C11C12 поступают на выходы OUT A и OUT B генератора.

Роль согласующей цепи заключается в следующем. При непосредственном подключении обмотки возбуждения феррозонда к выходам микросхемы DD3 генератора величина возбуждающего тока может оказаться недостаточной для полного перемагничивания сердечника вследствие невысокого напряжения питания генератора (+5 В). Так как индуктивность обмотки возбуждения феррозонда достаточно большая, а активное сопротивление невелико, то для получения достаточной величины возбуждающего тока при невысокой амплитуде переменного напряжения необходимо использовать настраиваемую на частоту феррорезонанса согласующую цепь с тюнинговыми конденсаторами и дросселями, включенными последовательно и параллельно с обмоткой возбуждения [4].

Емкость тюнинговых конденсаторов C5 - C12 подбирается такой, чтобы настроить полученный контур в резонанс с входным сигналом (с учетом того, что при изменении тока в обмотке возбуждения ее индуктивность также изменяется вследствие изменения магнитной проницаемости сердечника) и получить максимальную амплитуду тока в цепи возбуждения. Кроме того, подбор емкостей необходим для того, чтобы обеспечить стабильную генерацию импульсов возбуждающего тока при заданной амплитуде напряжения источника возбуждения. Для улучшения стабильности в схему согласующей цепи добавлены последовательно подключенные дроссели L1 и L2. Считается, что согласующая цепь должна быть настроена на частоту несколько ниже (примерно на 5 %) частоты возбуждения феррозонда [2]. Дополнительным полезным свойством согласующей цепи является функция полосового фильтра, подавляющего четные гармоники возбуждающего сигнала, форма которого отличается от синусоидальной (например, при использовании возбуждающего генератора прямоугольных импульсов напряжения по схеме мостового инвертора - рис. 6.1). При правильно настроенной согласующей цепи возбуждающий ток приобретает форму коротких разнополярных импульсов с низким коэффициентом заполнения (рис. 6.3.), что позволяет существенно снизить энергопотребление.

Конденсаторы C8 и C9 включены последовательно с обмоткой возбуждения феррозонда и совместно с проходными конденсаторами C5, C7, C11, C12 обеспечивают симметрию схемы относительно общего провода при запитывании обмотки возбуждения по двухпроводному экранированному кабелю.

Внешний вид печатной платы с генератором импульсов возбуждения и управления с согласующей цепью показан на рис. 6.2. Плата также включает в себя входной преобразователь ток-напряжение на операционном усилителе (ОУ) OP284, подключаемый к сигнально-компенсационной обмотке феррозонда и синхродетектор на микросхеме К561КТ3 (CD4066A).

Рис. 6.2. Внешний вид печатной платы с генератором импульсов возбуждения и управления и согласующей цепью. Размер платы 100 х 75 мм². Генератор импульсов возбуждения и управления с согласующей цепью находится на левой половине печатной платы. На правой половине платы расположены преобразователь ток-напряжение и синхродетектор.

Для получения осциллограммы токовых импульсов возбуждения последовательно с обмоткой возбуждения устанавливался балластный резистор сопротивлением 0.1 Ом, к выводам которого был подключен осциллограф Instrustar ISDS2062B, соединенный с компьютером через интерфейс USB. Токовые импульсы возбуждения показаны на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Токовые импульсы возбуждения феррозонда: чувствительность по вертикали 0.5 А/дел., амплитуда тока более 1 А, цена деления по горизонтали 20 мкс/дел., длительность импульса тока около 4 мкс.

Амплитуда токовых импульсов достигает 1.4 А, что при количестве витков обмотки возбуждения 62 ... 63 соответствует магнитодвижущей силе (МДС) не менее 80 А ∙ витков. Таким образом, при среднем диаметре кольцевого сердечника типоразмера К12х8х3, равном 10 мм, амплитуда напряженности магнитного поля достигает 2500 А/м (более 30 Э). Этого вполне достаточно для полного перемагничивания сердечника феррозонда, в том числе и после возможных магнитных шоков.

7. Результаты испытаний феррозондового магнитометра

Феррозондовый магнитометр был откалиброван в однородном магнитном поле калибровочного соленоида [16] с известным коэффициентом преобразования по току. Схема установки для калибровки и ее поверки показана на рис. 7.1, а ее внешний вид - на рис. 7.2. Феррозонд устанавливается в центре калибровочного соленоида в зоне однородного магнитного поля таким образом, чтобы измерительная ось феррозонда совпадала с осью соленоида, а их ориентация была в примерном направлении восток-запад (минимум магнитного поля Земли). Обмотка калибровочного соленоида через переключатель полярности S1 подключается к источнику питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением [17]. Контроль тока обмотки осуществляется амперметром PA1 (мультиметр MY-65 с измерительным диапазоном 10 А). Переменный резистор R1 предназначен для обеспечения плавности регулировки тока обмотки в заданных пределах. Выходное напряжение магнитометра измеряется с помощью мультиметра PV1 (APPA-107N, диапазон 2 В). Перед началом испытаний производится коррекция ориентации калибровочного соленоида с феррозондом, чтобы при отсутствии тока в обмотке выходное напряжение магнитометра было близко к нулю.

Рис. 7.2. Внешний вид установки для снятия зависимости выходного напряжения феррозондового магнитометра от магнитной индукции калибровочного поля.

График зависимости выходного сигнала откалиброванного магнитометра от индукции магнитного поля калибровочного соленоида показан на рис. 7.3.

Выходное напряжение феррозондового магнитометра U линейно зависит от индукции магнитного поля калибровочного соленоида B в пределах -200 ... 200 мкТл в соответствии с формулой U = 10.0367 ∙ B - 2.2219 (среднеквадратичное отклонение - 8.97986). Таким образом, чувствительность магнитометра составляет 10 мВ/мкТл в рабочем диапазоне -200 ... 200 мкТл. Рабочий диапазон при данной чувствительности определяется двухполярным напряжением питания +5 В интегратора электронного преобразователя и характеристиками примененных в нем операционных усилителей OP07.

Форма и спектр выходного сигнала феррозондового магнитометра в переменном магнитном поле изучались на установке, собранной по схеме рис. 7.4. Феррозонд также был установлен в центре калибровочного соленоида в зоне однородного поля, чтобы измерительная ось феррозонда совпадала с осью соленоида. Направление осей примерно соответствовало направлению восток-запад и немного корректировалось, чтобы выходной сигнал магнитометра был как можно ближе к нулю при отсутствии тока в обмотке соленоида. Питание обмотки соленоида осуществлялось от встроенного генератора осциллографа Instrustar ISDS2062B, соединенного с компьютером интерфейсом USB, через добавочный резистор R1 сопротивлением 100 кОм. Это сопротивление было выбрано с учетом коэффициента преобразования калибровочного соленоида таким образом, что при запитывании обмотки соленоида током через резистор R1 магнитной индукции 10 нТл соответствует падение напряжения на резисторе R1 примерно 2 В (2.04 В). Контроль магнитной индукции производился по каналу CH2 осциллографа, на вход которого подавался сигнал с резистора R1. Канал CH1 при этом был подключен к выходу магнитометра с коэффициентом преобразования 10 мВ/мкТл. Внешний вид установки для снятия формы и спектра выходного сигнала магнитометра изображен на рис. 7.5.

Рис. 7.4. Схема установки для снятия формы и спектра выходного сигнала феррозондового магнитометра.

Рис. 7.5. Схема установки для снятия формы и спектра выходного сигнала феррозондового магнитометра.

Выходной сигнал магнитометра для случая близкого к нулю магнитного поля показан на рис. 7.6, а его спектрограмма - на рис. 7.7. На выходе присутствуют шумы с двойным размахом от пика до пика порядка 10 мВ, что для чувствительности 10 мВ/мкТл соответствует магнитной индукции 1 мкТл. Сигнал частотой 50 Гц, обычно всегда присутствующий в зоне сетей переменного тока, практически незаметен на шумовом фоне.

Рис. 7.6. Выходной сигнал феррозондового магнитометра при близком к нулю магнитном поле в зоне расположения феррозонда (ориентация восток-запад). Двойной размах от пика до пика 8.679 мВ соответствует 0.8679 мкТл.

Рис. 7.7. Спектрограмма выходного сигнала феррозондового магнитометра при близком к нулю магнитном поле в зоне расположения феррозонда (ориентация восток-запад). Фильтр Blackman_Harris.

На рис. 7.8 - 7.10 показан спектр выходного сигнала магнитометра для низкочастотных синусоидальных переменных магнитных полей разных частот с амплитудой индукции примерно 20 нТл (двойной размах - 40 нТл). В выходном спектре отчетливо виден сигнал соответствующей частоты на уровне -20 дБмВ. Сигнал частотой 50 Гц также практически незаметен на шумовом фоне.

Рис. 7.8. Спектрограмма выходного сигнала феррозондового магнитометра в переменном синусоидальном магнитном поле частотой 10 Гц амплитудой примерно 20 нТл (ориентация восток-запад, постоянная составляющая магнитной индукции близка к нулю). Фильтр Blackman_Harris.

Рис. 7.9. Спектрограмма выходного сигнала феррозондового магнитометра в переменном синусоидальном магнитном поле частотой 20 Гц амплитудой примерно 20 нТл (ориентация восток-запад, постоянная составляющая магнитной индукции близка к нулю). Фильтр Blackman_Harris.

Рис. 7.10. Спектрограмма выходного сигнала феррозондового магнитометра в переменном синусоидальном магнитном поле частотой 30 Гц амплитудой примерно 20 нТл (ориентация восток-запад, постоянная составляющая магнитной индукции близка к нулю). Фильтр Blackman_Harris.

Для оценки разрешающей способности и порога чувствительности была собрана измерительная установка по схеме, показанной на рис. 7.11. Установка аналогична представленной выше (рис. 7.4) за исключением того, что к выходу магнитометра с коэффициентом преобразования 10 мВ/мкТл подключается мулитиметр APPA-107N в режиме записи. Встроенный генератор USB-осциллографа Instrustar ISDS2062B генерирует прямоугольный сигнал частотой 0.1 Гц, соответственно в калибровочном соленоиде создается знакопеременное магнитное поле с заданной амплитудой (двойной размах 20 нТл, 10 нТл, 5 нТл). Внешний вид установки показан на рис. 7.12.

Рис. 7.11. Схема установки для оценки разрешающей способности и порога чувствительности феррорезонансного магнитометра.

Рис. 7.12. Внешний вид установки для оценки разрешающей способности и порога чувствительности феррорезонансного магнитометра.

На рис. 7.13 и 7.14 показаны графики временной зависимости выходного сигнала магнитометра. С учетом того, что на рис. 7.14 отчетливо различим сигнал от переменного магнитного поля, индукция которого изменяется от -5 нТл до +5 нТл, можно сделать вывод, что разрешающая способность прибора находится на уровне 10 нТл (с учетом весьма вероятного присутствия переменной составляющей магнитного поля частотой 50 Гц с амплитудой порядка 10 ... 20 нТл).

Рис. 7.13. Выходной сигнал феррозондового магнитометра в переменном прямоугольном магнитном поле с размахом 20 нТл. До 10 и после 90 отсчета поле отсутствует, между 10 и 90 отсчетом двойная амплитуда магнитной индукции составляет 20 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 0.5 с.

Рис. 7.14. Выходной сигнал феррозондового магнитометра в переменном прямоугольном магнитном поле с размахом 10 нТл. До 10 и после 90 отсчета поле отсутствует, между 10 и 90 отсчетом двойная амплитуда магнитной индукции составляет 10 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 0.5 с.

Далее к выходу 10 мВ/мкТл магнитометра был подключен RC-ФНЧ первого порядка с частотой среза 13 Гц. Схема ФНЧ приведена на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Схема RC-ФНЧ первого порядка с частотой среза 13 Гц, подключаемого к выходу феррозондового магнитометра.

Осциллограмма выходного сигнала магнитометра после ФНЧ приведена на рис. 7.16. По сравнению с выходным сигналом без фильтра (рис. 7.6) улучшение примерно на порядок.

Рис. 7.16. Выходной сигнал феррозондового магнитометра с подключенным ФНЧ первого порядка с частотой среза 13 Гц при близком к нулю магнитном поле в зоне расположения феррозонда. Двойной размах от пика до пика 0.543 мВ соответствует 0.0543 мкТл.

Спектрограмма выходного сигнала магнитометра после ФНЧ приведена на рис. 7.17. Заметно, что на уровне помех стал выделяться сигнал частотой 50 Гц, который ранее (рис. 7.7) был не виден..

Рис. 7.17. Спектрограмма выходного сигнала феррозондового магнитометра с подключенным ФНЧ первого порядка с частотой среза 13 Гц при близком к нулю магнитном поле в зоне расположения феррозонда (ориентация восток-запад). Фильтр Blackman_Harris. Явно выделяется пик сигнала частотой 50 Гц высотой -45 дБмВ.

На рис. 7.18 показана зависимость выходного сигнала магнитометра с ФНЧ во времени, когда индукция магнитного поля в зоне датчика изменяется от -2.5 нТл до +2.5 нТл. Сигнал можно считать более-менее различимым, так что использование ФНЧ, в принципе, увеличивает разрешающую способность прибора до 5 нТл.

Рис. 7.18. Выходной сигнал феррозондового магнитометра с дополнительным ФНЧ первого порядка с частотой среза 13 Гц в переменном прямоугольном магнитном поле с размахом 5 нТл. До 10 и после 90 отсчета поле отсутствует, между 10 и 90 отсчетом двойная амплитуда магнитной индукции составляет 5 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 0.5 с.

Чтобы понять, можно ли еще больше повысить разрешающую способность магнитометра за счет дальнейшего снижения уровня шума, на его выход 10 мВ/мкТл был подключен 3-х звенный RC-ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц, схема которого приведена на рис. 7.19.

Рис. 7.19. Схема RC-ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц, подключаемого к выходу феррозондового магнитометра.

Осциллограмма выходного сигнала магнитометра после ФНЧ третьего порядка приведена на рис. 7.20. По сравнению с предыдущим ФНЧ (рис. 7.16) ситуация улучшилась немного, хотя и не существенно.

Рис. 7.20. Выходной сигнал феррорезонансного магнитометра с подключенным ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц при близком к нулю магнитном поле в зоне расположения феррозонда. Двойной размах от пика до пика 0.400 мВ соответствует 0.040 мкТл.

Спектрограмма выходного сигнала магнитометра после ФНЧ третьего порядка показана на рис. 7.21. По сравнению с предыдущим ФНЧ (рис. 7.17) существенных улучшений почти не заметно.

Рис. 7.21. Спектрограмма выходного сигнала феррорезонансного магнитометра с подключенным ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц при близком к нулю магнитном поле в зоне расположения феррозонда (ориентация восток-запад). Фильтр Blackman_Harris. Явно выделяется пик сигнала частотой 50 Гц высотой -45 дБмВ.

На рис. 7.22 показан выходной сигнал магнитометра с ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц, когда индукция магнитного поля в зоне датчика изменяется от -2.5 нТл до +2.5 нТл. Качество сигнала по сравнению с предыдущим ФНЧ (рис. 7.18) лучше практически не стало. Таким образом, можно сделать вывод, что для достижения разрешающей способности 5 нТл вполне достаточно простого RC-ФНЧ первого порядка.

Рис. 7.22. Выходной сигнал феррозондового магнитометра с дополнительным ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц в переменном прямоугольном магнитном поле с размахом 5 нТл. До 10 и после 90 отсчета поле отсутствует, между 10 и 90 отсчетом двойная амплитуда магнитной индукции составляет 5 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 0.5 с.

На рис. 7.23 показан выходной сигнал магнитометра с ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц в магнитном поле, близком к нулю (ориентация оси феррозонда в направлении восток-запад). В течение примерно одной минуты (50 с) дрейф выходного сигнала прибора находится в пределах +2 нТл, двойной размах от пика до пика не превышает 4 нТл. Следует заметить, что феррозонд использовался без магнитного экрана, магнитное поле в зоне его расположения вполне могло существенно изменяться во времени, а также содержать низкочастотные составляющие с частотами, кратными 50 Гц.

Рис. 7.23. Выходной сигнал феррозондового магнитометра с дополнительным ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц в магнитном поле, близком к нулю (от 1 до 100 отсчета). Минимальное значение -2.4 нТл, максимальное значение +1.4 нТл, интервал от минимума до максимума 3.8 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 0.5 с.

На рис. 7.24 и 7.25 приведены результаты часового мониторинга близкого к нулю магнитного поля, проведенного с помощью феррозондового магнитометра. В первом случае (рис. 7.24) магнитометр был испытан в полевых условиях вдали от искусственных источников магнитных полей и объектов, способных вносить искажения в топологию магнитного поля. Горизонтально установленный феррозонд ориентировался в примерном направлении восток-запад. Во втором случае (рис. 7.25) феррозонд располагался в предварительно размагниченном однослойном магнитном экране, сделанном из оцинкованного железа толщиной 0.7 мм. К сожалению, во время испытаний не было возможности отличить возможные изменения магнитного поля от дрейфа выходного сигнала самого прибора, была проведена лишь качественная оценка шумовых характеристик.

Рис. 7.24. Выходной сигнал феррозондового магнитометра с дополнительным ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц в магнитном поле, близком к нулю (в полевых условиях вдали от источников магнитных полей, ориентация феррозонда восток-запад). Минимальное значение -48.9 нТл, максимальное значение +41.7 нТл, интервал от минимума до максимума 90.6 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 10 с.

Рис. 7.25. Выходной сигнал феррозондового магнитометра с дополнительным ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц в магнитном поле, близком к нулю (в предварительно размагниченном магнитном однослойном экране из оцинкованного железа). Минимальное значение -25.1 нТл, максимальное значение +20.7 нТл, интервал от минимума до максимума 45.8 нТл. Промежуток времени между соседними отсчетами 10 с.

8. Конструкция и технические характеристики

Феррозондовый магнитометр состоит из датчика - феррозонда и электронного преобразователя, соединенных парой гибких экранированных двухжильных кабелей. Электронный преобразователь собран в виде этажерки из трех печатных плат, разделенных межплатными стойками. На нижней плате смонтирован источник питания - аккумуляторная батарея с контроллером заряда и преобразователями напряжения. Средняя плата представляет из себя генератор импульсов возбуждения и управления, входной преобразователь ток-напряжение и синхродетектор. Верхняя плата - интегратор и цепи сдвига и калибровки выходного сигнала. Внешний вид феррозондового магнитометра показан на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Внешний вид феррозондового магнитометра. Датчик с гибким кабелем подключается к электронному преобразователю через разъем. Электронный преобразователь собран из трех печатных плат размером 100 х 75 мм² каждая. К выходу электронного преобразователя подключена печатная плата RC-ФНЧ третьего порядка с частотой среза 10 Гц.

Технические характеристики феррозондового магнитометра:

• Рабочий диапазон -200 ... +200 мкТл
• Чувствительность 10 мВ/мкТл
• Разрешающая способность примерно 10 нТл
• Диапазон рабочих частот без выходного ФНЧ примерно 0 ... 100 Гц
• Питание автономное - литий-ионная батарея напряжением 3.7 В, емкостью 2000 мА ∙ часов
• Ток, потребляемый от литий-ионной батареи напряжением 3.7 В, не превышает 170 мА
• Предполагаемая продолжительность автономной работы без подзарядки батареи не менее 8 часов

9. Заключение

На основе ранее проведенной разработки [21] был собран феррозондовый магнитометр с достаточно хорошими характеристиками, который может быть принят в качестве основы для конструирования недорогих приборов для измерения индукции магнитного поля [19], сопоставимого с полем Земли, в диапазоне +200 мкТл. Чувствительность магнитометра увеличена на порядок по сравнению с приборами на основе AMR-датчиков [24, 26]. Стабильность и разрешающая способность магнитометра не являются выдающимися, но потенциал их улучшения есть в наличии. Кроме того, получен опыт построения схемы феррозондового магнитометра для практического применения. Также предполагается данную разработку использовать в качестве основы для изучения возможности применения новых магнитных материалов для сердечника феррозонда и внедрения других схемных и программных решений.

10. Соотношения между единицами измерения магнитной индукции (Тл - Тесла, Гс - Гаусс):

• 1 Тл = 10000 Гс
• 1 мТл = 10 Гс
• 1 мкТл = 10 мГс
• 1 нТл = 10 мкГс
• 1 пТл = 0.01 мкГс
• 1 Гс = 0.1 мТл = 100 мкТл
• 1 мГс = 100 нТл

Ссылки:

1. Auster H. U., Glassmeier K. H., Magnes W., Aydogar O., Baumjohann W., Constantinescu D., Fischer D., Fornacon K. H., Georgescu E., Harvey P., Hillenmaier O., Kroth R., Ludlam M., Narita Y., Nakamura R., Okrafka K., Plaschke F., Richter I., Schwarzl H., Stoll B., Valavanoglou A., Wiedemann M. The THEMIS Fluxgate Magnetometer. Space Science Reviews, 2008, v. 141, i. 1 - 4.
2. Berkman R., Korepanov V., Bondaruk B. Advanced flux-gate magnetometers with low drift. – Proceedings of XIV IMEKO World Congress, Tampere, Finland.V.IVA.- 1997.
3. Gordon D. and Brown R. Recent advances in fluxgate magnetometry. – IEEE Transactions on Magnetics, v. 8, 1972.
4. Nielsen O. V., Petersen J. R., Primdahl F., Brauer P., Hernando B., Fernandez A., Merayo J. M. G., Ripka P. Development, construction and analysis of the «Ørsted» fluxgate magnetometer. – Meas. Sci. Technol, 6 (1995).
5. Primdahl F., Petersen J. R., Olini C. and K. Harbo Andersen. The short-circuited fluxgate output current. – J. Phys. E: Sci. Instrum. 22 (1989).
6. Primdahl F. The fluxgate magnetometer. – J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 12, 1979.
7. Primdahl F. The fluxgate mechanism, Part I: The gating curves of parallel and orthogonal fluxgates. – IEEE Transactions on Magnetics, v. Mag-6, N 2, June 1970.
8. Ripka P. Advances in fluxgate sensors. – Sensors and Actuators A, 106 (2003).
9. Ripka P. Fluxgate: Tuned vs. untuned output. – IEEE Transactions on Magnetics, v. 34, N 4, July 1998.
10. Ripka P. New directions in fluxgate sensors. – Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 215 – 216 (2000).
11. Ripka P. Review of fluxgate sensors. – Sensors and Actuators A, 33 (1992).
12. Weitao Ye, Wanhua Zhu, Le Zhang and Guangyou Fang. A quantitative model for the sensitivity of untuned voltage output fluxgate sensors. – IEEE Sensor Journal, Vol. 16 (22), 2016.
13. Автономный двухполярный импульсный источник питания с выходным напряжением -5 В и +5 В
14. Достижимая неэксклюзивными средствами разрешающая способность (порог чувствительности) магнитометров с анизотропными магниторезистивными датчиками
15. Законы и уравнения магнитного поля
16. Калибровочный цилиндрический соленоид длиной 500 мм для генерации однородного магнитного поля в цилиндрической зоне диаметром до 90 мм высотой до 100 мм
17. Линейный регулируемый блок питания с постоянным выходным напряжением +1.25 ... +19 В и выходным током до 1.5 А
18. Магнитометр с магниторезистивным датчиком QMC5883 (HMC5883) для мониторинга слабых постоянных полей и передачи данных по радиоканалу 2.4 ГГц
19. Приборы для измерения магнитных полей
20. Принципиальные электрические схемы генераторов импульсов на транзисторах и интегральных микросхемах
21. Разработка узлов феррозондового магнитометра
22. Расчет параметров и индукции магнитного поля систем соосных прямоугольных катушек. Программы Rectangular Coil и Rectangular 3-Coils System
23. Сравнительные исследования кривых намагничивания (петель гистерезиса) ряда типоразмеров кольцевых сердечников из различных магнитомягких материалов
24. Цифровой микротесламетр с магниторезистивным датчиком HMC1022 для измерения индукции слабых магнитных полей
25. Цифровой микротесламетр с магниторезистивным датчиком HMC5983 (HMC5883, QMC5883) для измерения индукции слабых постоянных магнитных полей
26. Цифровой пешеходный двухкоординатный магнитометр-градиентометр с магниторезистивными датчиками HMC1022
27. Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев. – 8-е изд., перераб. и испр. – М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2006. – 1056 с.: ил.

Словарь терминов:

• Магнитная индукция - вектор, численно равный пределу отношения силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с электрическим током, к произведению тока и длины элемента проводника, если длина этого элемента стремится к нулю, а элемент так расположен в поле, что этот предел имеет наибольшее значение, и направленный перпендикулярно к направлению элемента проводника и к направлению силы, действующей на этот элемент со стороны магнитного поля, причем из его конца вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению тока в элементе проводника должно быть видно происходящим против часовой стрелки.
• Магнитное поле - разновидность электромагнитного поля, создаваемая движущимися электрическими зарядами или токами и оказывающая силовое воздействие на движущиеся электрические заряды или токи.
• Магнитометр - прибор для магнитных измерений.
• Магниторезистивный преобразователь (датчик) - устройство для получения зависящего от магнитной индукции электрического сигнала, принцип работы которого основан на магниторезистивном эффекте.
• Магниторезистивный эффект - изменение электрического сопротивления проводника или полупроводника при помещении его в магнитное поле.
• Порог чувствительности - минимальное измеряемое значение входной величины.
• Разрешающая способность - минимальное измеряемое изменение входной величины.
• Тесламетр (гауссметр) - прибор для измерения магнитной индукции.
• Феррозонд - активный индукционный преобразователь, содержащий ферромагнитные сердечники, катушки возбуждения переменного тока и сигнальные катушки.
• Электродвижущая сила (ЭДС) - работа создающих электрический ток сил по перемещению единичного положительного электрического заряда вдоль рассматриваемого участка электрической цепи.

18.07.2021

Альтернативные источники энергии
Компьютеры и Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные разработки
Электроника и технология

Главная страница