Пропонований вашій увазі диференціальний магнітометр може бути дуже корисний для пошуку великих залізних предметів. Таким приладом практично неможливо шукати скарби, однак він незамінний при пошуку неглибоко затонулих танків, кораблів та інших зразків військової техніки.
Принцип дії диференціального магнітометра дуже простий. Будь-який предмет з феромагнетика спотворює природне магнітне поле Землі. До таких предметів відноситься все, виготовлений з заліза, чавуну і сталі. В значній мірі вплинути на спотворення магнітного поля може і власна намагніченість предметів, яка часто має місце. Зафіксувавши відхилення напруги магнітного поля від фонового значення, можна зробити висновок про наявність поблизу вимірювального приладу предмета з феромагнітного матеріалу.
Спотворення магнітного поля Землі далеко від мішені мало, і воно оцінюється за різниці сигналів від двох рознесених на деяку відстань датчиків. Тому прилад і названий диференціальним. Кожен датчик вимірює сигнал, пропорційний напруженості магнітного поля. Найбільше поширення отримали феромагнітні датчики та датчики на основі магнетонной прецесії протонів. У цьому приладі використовуються датчики першого типу.
Основою феромагнітного датчика (званого також феррозондовым) є котушка з сердечником з феромагнітного матеріалу. Типова крива намагнічування такого матеріалу добре відома з шкільного курсу фізики та має з урахуванням впливу магнітного поля Землі наступний вигляд, показаний на рис. 29.
Рис. 29. Крива намагнічування
Котушка порушується змінним синусоїдальним сигналом несучої частоти. Як видно з рис. 29, зміщення кривої намагнічування феромагнітного сердечника котушки зовнішнім магнітним полем Землі призводить до того, що індукція поля і пов'язане з ним напруга на котушці починає спотворюватися несиметричним чином. Іншими словами, напруга датчика при синусоїдальній струмі несучої частоти буде відрізнятися від синусоїди більш "плескатими" верхівками півхвиль. І спотворення ці будуть несиметричні. На мові спектрального аналізу це означає поява в спектрі вихідної напруги котушки парних гармонік, амплітуда яких пропорційна напруженості магнітного поля зміщення поля Землі). Ось ці парні гармоніки і треба "виловити".
Рис. 30. Диференціальний датчик феромагнітний
Перш ніж згадати природним чином напрошується для цієї мети синхронний детектор, що працює з опорним сигналом подвоєною несучої частоти, розглянемо конструкцію ускладненого варіанту феромагнітного датчика. Він складається з двох сердечників і трьох котушок (рис. 30). По своїй суті, це диференціальний датчик. Однак для простоти далі в тексті не будемо називати його диференціальним, так як сам магнітометр і без того вже - диференціальний :).
Конструкція складається з двох ідентичних феромагнітних осердь з ідентичними котушками, розташованими паралельно поруч один з одним. По відношенню до возбуждающему електричного сигналу опорної частоти вони включені зустрічно. Третя котушка являє собою обмотку, намотану поверх двох складених разом перших двох котушок з серцевиною. При відсутності зовнішнього смещающего магнітного поля електричні сигнали першої та другої обмоток симетричні і в ідеальному випадку діють так, що вихідний сигнал у третій обмотці відсутня, так як магнітні потоки через неї повністю компенсуються.
При наявності зовнішнього смещающего магнітного поля картина змінюється. То один, то інший сердечник на піку відповідної напівхвилі "залітає" насичення глибше, ніж зазвичай внаслідок додаткового впливу магнітного поля Землі. В результаті на виході третьої обмотки з'являється сигнал неузгодженості подвоєною частоти. Сигнали основної гармоніки в ідеалі там повністю компенсуються.
Зручність розглянутого датчика полягає в тому, що його можна котушки включити для підвищення чутливості в коливальні контури. Першу та другу - у коливальний контур (або контуру), налаштований на несучу частоту. Третю - в коливальний контур, настроєний на другу гармоніку.
Описаний датчик має яскраво виражену діаграмою спрямованості. Його вихідний сигнал максимальний при розташуванні поздовжньої осі датчика уздовж силових ліній зовнішнього постійного магнітного поля. Коли поздовжня вісь перпендикулярна силовим лініям - вихідний сигнал дорівнює нулю.
Датчик розглянутого типу, особливо спільно з синхронним детектором, може успішно працювати як електронний компас. Його вихідний сигнал після випрямлення пропорційний проекції вектора напруженості магнітного поля Землі на вісь датчика. Синхронне детектування дозволяє дізнатися і знак цієї проекції. Але навіть і без знака - зорієнтувавши датчик сигналу по мінімуму, отримаємо напрямок на захід чи на схід. Зорієнтувавши по максимуму - отримаємо напрямок магнітної силової лінії поля Землі. У середніх широтах (наприклад, в Москві) вона йде похило і "встромляється в землю в напрямку на північ. По куту магнітного відмінювання можна приблизно оцінити географічну широту місцевості.
Диференціальні феромагнітні магнітометри мають свої достоїнства і недоліки. До достоїнств відноситься простота приладу, він не складніше радіоприймача прямого підсилення. До недоліків відноситься трудомісткість виготовлення датчиків - крім акуратності потрібно абсолютно точний збіг кількості витків відповідних обмоток. Похибка один-два витка може сильно знизити можливу чутливість. Іншим недоліком є "компасность" приладу, тобто неможливість повної компенсації поля Землі відніманням сигналів від двох рознесених датчиків. На практиці це призводить до помилковим сигналами при поворотах датчика навколо осі, перпендикулярній поздовжній.
Практична конструкція
Практична конструкція диференціального феромагнітного магнітометра була реалізована і випробувана в макетному варіанті без спеціальної електронної частини для звукової індикації, з використанням тільки мікроамперметра з нулем посередині шкали. Схема звукової індикації може бути взята з опису металошукача за принципом "передача-прийом". Прилад має наступні параметри.
Основні технічні характеристики
- Напруга живлення - 15... 18
- Споживаний струм - не більше 50 мА
Глибина виявлення:
- пістолет - 2 м
- гарматний ствол - 4 м
- танк - 6 м
Структурна схема
Структурна схема показана на рис. 31. Стабілізований кварцом задаючий генератор видає синхроімпульсів тактової частоти для формувача сигналів.
Рис. 31. Структурна схема диференціального феромагнітного магнітометра
На одному його виході присутній меандр першої гармоніки, що надходить на підсилювач потужності, збудливий випромінюють котушки датчиків 1 і 2. Інший вихід формує меандр опорної подвоєною тактової частоти зі зрушенням 90° для синхронного детектора. Різницевий сигнал з вихідних (третє) обмоток датчиків посилюється у приймальному підсилювачі і випрямляється синхронним детектором. Випрямлений постійний сигнал можна реєструвати микроамперметром або наведені в попередніх розділах пристроями звукової індикації.
Принципова схема
Принципова схема диференціального феромагнітного магнітометра зображена на рис. 32 - частина 1: задаючий генератор, формувач сигналів, підсилювач потужності і випромінюючі котушки, рис. 33 - частина 2: приймальні котушки, приймальний підсилювач, синхронний детектор, індикатор і блок живлення.
Рис. 32. Принципова електрична схема - частина 1
Задаючий генератор зібраний на інверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабілізована кварцовим або пьезокерамичним / резонатором Q з резонансною частотою 215 Гц = 32 кГц ("вартовий кварц"). Ланцюг R1C1 перешкоджає порушенню генератора на вищих гармоніках. Через резистор R2 замикається ланцюг ООС, через резонатор Q - ланцюг ПОС. Генератор відрізняється простотою, малим споживаним струмом, надійно працює при напрузі живлення 3...15 В, не містить підстроєних елементів і надто високоомних резисторів. Вихідна частота генератора - близько 32 кГц.
Формувач сигналів (рис. 32)
Формувач сигналів зібраний на двійковий лічильник D2 і D-тригері D3.1. Тип двійкового лічильника непринциповий, головне його завдання - поділити тактову частоту на 2, на 4 і на 8, отримавши таким чином, меандри з частотами 16, 8 і 4 кГц відповідно. Несуча частота для збудження випромінювальних котушок-4 кГц. Сигнали з частотами 16 і 8 кГц, впливаючи на D-тригер D3.1, формують на його вихід меандр подвоєною по відношенню до несучої частоти 8 кГц, зрушений на 90° щодо вихідного сигналу 8 кГц двійкового лічильника. Такий зсув необхідний для нормальної роботи синхронного детектора, так як такий же зсув має корисний сигнал неузгодженості подвоєної частоти на виході датчика. Друга половинка мікросхеми з двох D-тригерів - D3.2 у схемі не використовується, але її незадіяні входи повинні обов'язково бути підключені до логічної 1, або до логічного 0 для нормальної роботи, що і зображено на схемі.
Підсилювач потужності (рис. 32)
Підсилювач потужності з вигляду таким і не здається і є всього лише потужні інвертори D1.4 і D1.5, які в протифазі розгойдують коливальний контур, складається з послідовно-паралельно включених випромінювальних котушок датчика і конденсатора С2. Зірочка біля номіналу конденсатора означає, що його значення вказано орієнтовно і що його треба підібрати при наладці. Незадіяний інвертор D1.6, щоб не залишати його вхід непідключеним, інвертує сигнал D1.5, але практично працює "вхолосту". Резистори R3 і R4 обмежують вихідний струм інверторів на допустимому рівні і разом з коливальним контуром утворюють высокодобротный смуговий фільтр, завдяки чому форма напруги і струму в випромінювальних котушках датчика практично збігається з синусоїдальної.
Приймальний підсилювач (рис. 33)
Приймальний підсилювач підсилює різницевий сигнал, що надходить з приймальних котушок датчика, що утворюють разом з конденсатором СЗ коливальний контур, налаштований на подвійну частоту 8 кГц. Завдяки подстроечному резистору R5 віднімання сигналів приймальних котушок проводиться з деякими ваговими коефіцієнтами, які можуть бути змінені переміщенням движка резистора R5. Цим досягається компенсація неидентичностей параметрів прийомних обмоток датчика і мінімізація його "компасности".
Приймальний підсилювач двухкаскадный. Він зібраний на ОП D4.2 і D6.1 з паралельною ОС по напрузі. Конденсатор С4 зменшує посилення на вищих частотах, запобігаючи тим самим перевантаження підсилювального тракту високочастотними наведеннями від силових мереж та інших джерел. Ланцюги корекції ОУ - стандартні.
Синхронний детектор (рис. 33)
Синхронний детектор виконаний на ОП D6.2 за типовою схемою. В якості аналогових ключів використовується мікросхема D5 КМОП мультиплексора-демультиплексора 8 на 1 (рис. 32). Його цифровий адресний сигнал перебирається тільки в молодшому розряді, забезпечуючи почергову комутацію точок К1 і К2 на загальну шину. Випрямлений сигнал фільтрується конденсатором С8 і посилюється ОУ D6.2 з одночасним додатковим ослабленням неотфильтрованных ВЧ складових ланцюгами R14C11 і R13C9. Ланцюг корекції ОУ - стандартна для використаного типу.
Рис. 33. Принципова електрична схема - частина 2. Приймальний підсилювач
Індикатор (мал. 33)
Індикатор являє собою мікроамперметр з нулем посередині шкали. В індикаторної частини може з успіхом використовуватися схемотехніка описаних раніше металошукачів інших типів. В тому числі, в якості індикатора можна використовувати і конструктив металошукача за принципом електронного частотомера. В цьому випадку його LC-генератор замінюється на RC-генератор, а вихідна вимірювана напруга через резистивний дільник подається на частотозадающую ланцюг таймера. Детальніше про це можна почитати на сайті Юрія Колоколова.
Мікросхема D7 стабілізує однополярної напруги живлення. З допомогою ОУ D4.1 створюється штучна середня точка живлення, що дозволяє використовувати звичайну двуполярную схемотехніку для ОУ. Керамічні блокувальні конденсатори С18-С21 змонтовані в безпосередній близькості від корпусів цифрових мікросхем D1, D2, D3, D5.
Типи деталей і конструкція
Типи використаних мікросхем наведені в табл. 6.
Таблиця 6. Типи використаних мікросхем
Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176 або зарубіжні аналоги серій 40ХХ і 40ХХХ.
Здвоєні операційні підсилювачі (ОП) серії К157 можна замінити будь-якими подібними за параметрами ОП загального призначення (з відповідними змінами в цоколевке і ланцюгах корекції).
До застосовуваним у схемою диференціального магнітометра резисторам не пред'являється особливих вимог. Вони лише повинні мати міцну і мініатюрну конструкцію і бути зручні для монтажу. Номінал потужності, що розсіюється 0,125...0,25 Вт.
Потенціометри R5, R16 бажані багатооборотні для зручності точної настройки приладу. Ручка потенціометра R5 повинна бути виготовлена з пластику і має мати достатню довжину, щоб дотику руки оператора при налаштуванні не викликали зміни показань індикатора за рахунок наведень.
Конденсатор С16 - електролітичний будь-якого малогабаритного типу.
Конденсатори коливальних контурів С2* і СЗ* складаються з декількох (5-10 шт.) конденсаторів, включених паралельно. Настройка контуру в резонанс здійснюється підбором кількості конденсаторів і їх номіналу. Рекомендований тип конденсаторів К10-43, К71-7 або зарубіжні термостабільні аналоги. Можна спробувати використовувати звичайні керамічні або металлопленочные конденсатори, однак, при коливаннях температури доведеться частіше підлаштовувати прилад.
Мікроамперметр - будь-якого типу на струм 100 мкА з нулем посередині шкали. Зручні малогабаритні микроамперметры, наприклад, типу М4247. Можна використовувати практично будь-мікроамперметр, і навіть міліамперметр - з будь-якою межею шкали. Для цього треба відповідним чином скорегувати номінали резисторів R15-R17.
Кварцовий резонатор Q - будь-який малогабаритний часовий кварц (аналогічні використовуються також в портативних електронних іграх).
Вимикач S1 - будь-якого типу, малогабаритний.
Котушки датчика виконані на круглих феритових сердечниках діаметром 8 мм (використовуються в магнітних антенах радіоприймачів СВ і ДВ-діапазонів) і довжиною близько 10 див. Кожна обмотка складається з рівно і щільно намотаних у два шари 200 витків мідного обмотувального дроту діаметром 0,31 мм подвійний лаково-шовкової ізоляції. Поверх всіх обмоток кріпиться шар фольги екрану. Краю екрана ізолюються один від одного для запобігання утворення короткозамкненого витка. Висновок екрану виконується мідним лудженим одножильним дротом. У разі екрану з алюмінієвої фольги цей висновок накладається на екран на всю його довжину і щільно приматывается ізолентою. У разі екрану з мідної або латунної фольги висновок припаюється.
Кінці феритових сердечників закріплені у фторопластовых центруючих дисках, завдяки яким кожна з двох половинок датчика утримується всередині пластикової труби з текстоліту, що служить корпусом, як це схематично зображено на рис. 34.
Рис. 34. Конструкція датчика-антени
Довжина труби - близько 60 см. Кожна з половинок датчика розташована біля кінця труби і додатково фіксується силіконовим герметиком, яким заповнюється простір навколо обмоток і їх сердечників. Заповнення здійснюється через спеціальні отвори в корпусі-трубі. Спільно з фторопластова шайбами такий герметик надає кріпленню тендітних феритових стрижнів необхідну пружність, що перешкоджає їх розтріскування при випадкових ударах.
Налагодження приладу
1. Переконатися в правильності монтажу.
2. Проконтролювати споживаний струм, який не повинен перевищувати 100 мА.
3. Перевірити правильність роботи задаючого генератора і інших елементів формування імпульсних сигналів.
4. Налаштувати коливальні контури датчика. Випромінюючий - на частоту 4 кГц, приймальний - на 8 кГц.
5. Переконатися в правильності роботи підсилювального тракту і синхронного детектора.
Робота з приладом
Методика налаштування і роботи з приладом наступна. Виходимо в місце пошуків, включаємо прилад і починаємо обертати антену-датчик. Найкраще у вертикальній площини, що проходить через напрям північ-південь. Якщо датчик приладу на штанзі, то можна не обертати, а розгойдувати наскільки це дозволяє робити штанга. Стрілка індикатора буде відхилятися (компасний ефект). З допомогою змінного резистора R5 намагаємося мінімізувати амплітуду цих відхилень. При цьому буде "з'їжджати" середня точка показань мікроамперметра і її треба буде теж підлаштовувати іншим змінним резистором R16, який призначений для установки нуля. Коли "компасний" ефект буде мінімальним, прилад вважається отбалансированным.
Для малих об'єктів методика пошуків за допомогою диференціального магнітометра не відрізняється від методики роботи з звичайним металошукачем. Біля об'єкта стрілка може відхилятися в будь-яку сторону. Для великих об'єктів стрілка індикатора буде відхилятися в різні сторони на великому просторі.
Автор: Щедрін А. В.