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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Magnétomètre différentiel. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / détecteurs de métaux Le magnétomètre différentiel porté à votre attention peut être très utile pour rechercher de gros objets en fer. Il est pratiquement impossible de rechercher des trésors avec un tel appareil, mais il est indispensable lors de la recherche de chars, de navires et d'autres types d'équipements militaires peu profonds. Le principe de fonctionnement d'un magnétomètre différentiel est très simple. Tout objet ferromagnétique déforme le champ magnétique naturel de la Terre. Ces articles comprennent tout ce qui est en fer, en fonte et en acier. Dans une large mesure, la distorsion du champ magnétique peut également être influencée par la propre magnétisation des objets, ce qui se produit souvent. Après avoir fixé l'écart de l'intensité du champ magnétique par rapport à la valeur de fond, nous pouvons conclure qu'il y a un objet en matériau ferromagnétique à proximité de l'appareil de mesure. La distorsion du champ magnétique terrestre loin de la cible est faible et elle est estimée à partir de la différence des signaux provenant de deux capteurs séparés d'une certaine distance. Par conséquent, l'appareil est appelé différentiel. Chaque capteur mesure un signal proportionnel à la force du champ magnétique. Les capteurs ferromagnétiques et les capteurs basés sur la précession magnétonique des protons sont les plus largement utilisés. Le dispositif considéré utilise des capteurs du premier type. La base d'un capteur ferromagnétique (également appelé fluxgate) est une bobine avec un noyau en matériau ferromagnétique. Une courbe de magnétisation typique pour un tel matériau est bien connue dans un cours de physique scolaire et, compte tenu de l'influence du champ magnétique terrestre, a la forme suivante, représentée sur la Fig. 29.
La bobine est excitée par un signal sinusoïdal alternatif de la fréquence porteuse. Comme on peut le voir sur la fig. 29, le déplacement de la courbe de magnétisation du noyau ferromagnétique de la bobine par le champ magnétique externe de la Terre conduit au fait que l'induction du champ et la tension associée sur la bobine commencent à se déformer de manière asymétrique. En d'autres termes, la tension du capteur avec un courant sinusoïdal de fréquence porteuse différera de la sinusoïde par des sommets d'alternances plus "aplatis". Et ces distorsions seront asymétriques. Dans le langage de l'analyse spectrale, cela signifie l'apparition dans le spectre de la tension de sortie de la bobine d'harmoniques paires dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique de polarisation (champ terrestre). Ce sont ces harmoniques paires qu'il faut « capter ».
Avant d'évoquer le détecteur synchrone qui s'impose naturellement à cet effet, fonctionnant avec un signal de référence à double fréquence porteuse, considérons la conception d'une version compliquée d'un capteur ferromagnétique. Il se compose de deux noyaux et de trois bobines (Fig. 30). À la base, il s’agit d’un capteur différentiel. Cependant, par souci de simplicité, nous ne l'appellerons pas différentiel plus loin dans le texte, puisque le magnétomètre lui-même est déjà différentiel :). La conception se compose de deux noyaux ferromagnétiques identiques avec des bobines identiques placées en parallèle l'une à côté de l'autre. Par rapport au signal électrique excitateur de la fréquence de référence, ils sont inclus dans le sens opposé. La troisième bobine est un enroulement enroulé au-dessus des deux premières bobines centrales empilées ensemble. En l'absence de champ magnétique de polarisation externe, les signaux électriques des premier et deuxième enroulements sont symétriques et agissent idéalement de telle sorte qu'il n'y a pas de signal de sortie dans le troisième enroulement, puisque les flux magnétiques qui le traversent sont complètement annulés. En présence d’un champ magnétique externe de polarisation, l’image change. L'un ou l'autre noyau au sommet de la demi-onde correspondante « vole » dans une saturation plus profonde que d'habitude en raison de l'influence supplémentaire du champ magnétique terrestre. En conséquence, un signal de désadaptation de fréquence double apparaît à la sortie du troisième enroulement. Idéalement, les signaux harmoniques fondamentaux y sont entièrement compensés. La commodité du capteur considéré réside dans le fait que ses bobines peuvent être incluses pour augmenter la sensibilité des circuits oscillants. Le premier et le second - dans le circuit (ou circuit) oscillatoire, accordé sur la fréquence porteuse. Le troisième - dans un circuit oscillatoire accordé sur la deuxième harmonique. Le capteur décrit présente un diagramme de rayonnement prononcé. Son signal de sortie est maximum lorsque l'axe longitudinal du capteur est situé le long des lignes de force du champ magnétique constant externe. Lorsque l'axe longitudinal est perpendiculaire aux lignes de force, le signal de sortie est nul. Le capteur du type considéré, notamment en combinaison avec un détecteur synchrone, peut fonctionner avec succès comme une boussole électronique. Son signal de sortie après rectification est proportionnel à la projection du vecteur intensité du champ magnétique terrestre sur l'axe du capteur. La détection synchrone permet également de connaître le signe de cette projection. Mais même sans signe - en orientant le capteur au minimum du signal, on obtient la direction vers l'ouest ou l'est. En s'orientant au maximum, nous obtenons la direction de la ligne de champ magnétique du champ terrestre. Aux latitudes moyennes (par exemple à Moscou), il va obliquement et « s'enfonce » dans le sol en direction du nord. Selon l'angle de déclinaison magnétique, on peut estimer approximativement la latitude géographique de la zone. Les magnétomètres ferromagnétiques différentiels ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les avantages incluent la simplicité de l'appareil, ce n'est pas plus compliqué qu'un récepteur radio à amplification directe. Les inconvénients incluent la complexité de la fabrication des capteurs - en plus de la précision, une correspondance absolument exacte du nombre de tours des enroulements correspondants est requise. Une erreur d’un ou deux tours peut réduire considérablement la sensibilité possible. Un autre inconvénient est la "boussole" de l'appareil, c'est-à-dire l'impossibilité de compenser complètement le champ terrestre en soustrayant les signaux de deux capteurs espacés. En pratique, cela conduit à de faux signaux lorsque le capteur tourne autour d'un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal. Conception pratique La conception pratique d'un magnétomètre ferromagnétique différentiel a été mise en œuvre et testée dans une version prototype sans pièce électronique spéciale pour l'indication sonore, en utilisant uniquement un microampèremètre avec zéro au milieu de l'échelle. Le schéma d'indication sonore peut être tiré de la description du détecteur de métaux selon le principe « émission-réception ». L'appareil a les paramètres suivants. Principales caractéristiques techniques
Profondeur de détection :
Schéma structurel Le schéma fonctionnel est présenté sur la fig. 31. Un oscillateur maître stabilisé au quartz fournit une fréquence d'horloge pour le conditionneur de signal.
Sur l'une de ses sorties, il y a une onde carrée de la première harmonique, qui entre dans l'amplificateur de puissance, qui excite les bobines rayonnantes des capteurs 1 et 2. L'autre sortie forme une onde carrée de la fréquence d'horloge double de référence avec un décalage de 90° pour le détecteur synchrone. Le signal de différence provenant des (troisièmes) enroulements de sortie des capteurs est amplifié dans l'amplificateur de réception et redressé par un détecteur synchrone. Un signal constant redressé peut être enregistré avec un microampèremètre ou des dispositifs d'indication sonore décrits dans les chapitres précédents. Diagramme schématique Le diagramme schématique d'un magnétomètre ferromagnétique différentiel est représenté sur la fig. 32 - partie 1 : oscillateur maître, conditionneur de signal, amplificateur de puissance et bobines rayonnantes, fig. 33 - partie 2 : bobines réceptrices, amplificateur récepteur, détecteur synchrone, indicateur et alimentation.
L'oscillateur maître est monté sur les inverseurs D1.1-D1.3. La fréquence de l'oscillateur est stabilisée par un résonateur à quartz ou piézocéramique Q avec une fréquence de résonance de 215 Hz = 32 kHz (« quartz d'horloge »). Le circuit R1C1 empêche l'excitation du générateur aux harmoniques supérieures. Grâce à la résistance R2, le circuit OOS est fermé, à travers le résonateur Q, le circuit POS est fermé. Le générateur se caractérise par sa simplicité, sa faible consommation de courant, son fonctionnement fiable à une tension d'alimentation de 3 ... 15 V, ne contient pas d'éléments accordés ni de résistances à résistance trop élevée. La fréquence de sortie du générateur est d'environ 32 kHz. Conditionneur de signal (Fig. 32) Le conditionneur de signal est monté sur un compteur binaire D2 et un déclencheur D D3.1. Le type de compteur binaire n'est pas fondamental, sa tâche principale est de diviser la fréquence d'horloge par 2, par 4 et par 8, obtenant ainsi des méandres avec des fréquences de 16, 8 et 4 kHz, respectivement. La fréquence porteuse d'excitation des bobines rayonnantes est de 4 kHz. Les signaux aux fréquences de 16 et 8 kHz, agissant sur la bascule D D3.1, forment à sa sortie un méandre doublé par rapport à la fréquence porteuse de 8 kHz, décalé de 90° par rapport au signal de sortie du 8 kHz. compteur binaire kHz. Un tel décalage est nécessaire au fonctionnement normal d'un détecteur synchrone, car le même décalage présente un signal de désadaptation de fréquence double utile à la sortie du capteur. La seconde moitié du microcircuit de deux bascules D - D3.2 n'est pas utilisée dans le circuit, mais ses entrées inutilisées doivent être connectées soit au logique 1, soit au logique 0 pour un fonctionnement normal, comme le montre le schéma. Amplificateur (Fig. 32) L'amplificateur de puissance ne ressemble pas à ceci et n'est constitué que de puissants onduleurs D1.4 et D1.5, qui font osciller en antiphase un circuit oscillant constitué de bobines rayonnantes connectées en série et en parallèle du capteur et du condensateur C2. Un astérisque à côté de la valeur du condensateur signifie que sa valeur est indiquée approximativement et qu'elle doit être sélectionnée lors de la mise en service. Un inverseur D1.6 inutilisé, afin de ne pas laisser son entrée non connectée, inverse le signal D1.5, mais fonctionne pratiquement "au repos". Les résistances R3 et R4 limitent le courant de sortie des onduleurs à un niveau acceptable et forment, avec le circuit oscillatoire, un filtre passe-bande de haute qualité, grâce auquel la forme de la tension et du courant dans les bobines rayonnantes du capteur coïncide presque avec une sinusoïdale. Amplificateur de réception (Fig. 33) L'amplificateur de réception amplifie le signal de différence provenant des bobines de réception du capteur qui, avec le condensateur C3, forment un circuit oscillatoire accordé à deux fois la fréquence de 8 kHz. Grâce à la résistance d'accord R5, les signaux des bobines réceptrices sont soustraits avec certains coefficients de pondération, qui peuvent être modifiés en déplaçant le curseur de la résistance R5. Cela permet de compenser les paramètres non identiques des enroulements de réception du capteur et de minimiser sa « boussole ». L'amplificateur de réception est à deux étages. Il est assemblé sur les amplis opérationnels D4.2 et D6.1 avec un système d'exploitation à tension parallèle. Le condensateur C4 réduit le gain aux fréquences plus élevées, empêchant ainsi la surcharge du chemin d'amplification avec des capteurs haute fréquence provenant des réseaux électriques et d'autres sources. Les circuits de correction d'ampli-op sont standard. Détecteur synchrone (Fig. 33) Le détecteur synchrone est réalisé sur l'OS D6.2 selon un schéma typique. La puce multiplexeur-démultiplexeur D5 CMOS 8 par 1 est utilisée comme clés analogiques (Fig. 32). Son signal d'adresse numérique est déplacé uniquement dans le bit le moins significatif, permettant une commutation alternée des points K1 et K2 vers un bus commun. Le signal redressé est filtré par le condensateur C8 et amplifié par l'amplificateur opérationnel D6.2 avec atténuation supplémentaire simultanée des composants RF non filtrés par les circuits R14C11 et R13C9. Le circuit de correction de l'ampli opérationnel est standard pour le type utilisé.
Indicateur (Fig. 33) L'indicateur est un microampèremètre avec zéro au milieu de l'échelle. Dans la partie indicateur, les circuits d'autres types de détecteurs de métaux décrits précédemment peuvent être utilisés avec succès. En particulier, comme indicateur, vous pouvez utiliser la conception d'un détecteur de métaux basée sur le principe d'un fréquencemètre électronique. Dans ce cas, son oscillateur LC est remplacé par un oscillateur RC et la tension de sortie mesurée est transmise via un diviseur résistif au circuit de réglage de fréquence de la minuterie. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet sur le site Web de Yuri Kolokolov. La puce D7 stabilise la tension d'alimentation unipolaire. L'ampli opérationnel D4.1 crée un point d'alimentation central artificiel, permettant l'utilisation de circuits d'ampli opérationnel bipolaire conventionnels. Les condensateurs de blocage en céramique C18-C21 sont montés à proximité immédiate des boîtiers des circuits numériques D1, D2, D3, D5. Types de pièces et conception Les types de microcircuits utilisés sont indiqués dans le tableau. 6. Tableau 6. Types de microcircuits utilisés
Au lieu des microcircuits de la série K561, il est possible d'utiliser des microcircuits de la série K1561. Vous pouvez essayer d'utiliser des puces de la série K176 ou des analogues étrangers des séries 40XX et 40XXX. Les amplificateurs opérationnels doubles (amplis opérationnels) de la série K157 peuvent être remplacés par n'importe quel amplificateur opérationnel à usage général présentant des paramètres similaires (avec des modifications correspondantes dans le brochage et les circuits de correction). Il n'y a pas d'exigences particulières pour les résistances utilisées dans le circuit du magnétomètre différentiel. Ils doivent seulement être robustes, de conception miniature et faciles à installer. La puissance nominale dissipée est de 0,125 à 0,25 W. Les potentiomètres R5, R16 sont souhaitables multitours pour faciliter le réglage fin de l'appareil. La poignée du potentiomètre R5 doit être en plastique et doit être d'une longueur suffisante pour que le contact de la main de l'opérateur lors du réglage n'entraîne pas de modifications des lectures de l'indicateur dues aux micros. Condensateur C16 - électrolytique de tout type de petite taille. Les condensateurs des circuits oscillants C2* et C3* sont constitués de plusieurs (5 à 10 pièces) condensateurs connectés en parallèle. La mise en résonance du circuit s'effectue en sélectionnant le nombre de condensateurs et leur valeur nominale. Le type de condensateurs recommandé est le K10-43, le K71-7 ou des analogues thermostables étrangers. Vous pouvez essayer d'utiliser des condensateurs à film céramique ou métallique conventionnels, cependant, avec les fluctuations de température, vous devrez ajuster l'appareil plus souvent. Microampèremètre - tout type pour un courant de 100 μA avec zéro au milieu de l'échelle. Les microampèremètres de petite taille, par exemple le type M4247, sont pratiques. Vous pouvez utiliser presque n'importe quel microampèremètre, et même un milliampèremètre, avec n'importe quelle limite d'échelle. Pour ce faire, vous devez ajuster les valeurs des résistances R15-R17 en conséquence. Résonateur à quartz Q - tout quartz de montre de petite taille (des modèles similaires sont également utilisés dans les jeux électroniques portables). Commutateur S1 - tout type, compact. Les bobines du capteur sont constituées de noyaux de ferrite ronds d'un diamètre de 8 mm (utilisés dans les antennes magnétiques des récepteurs radio MW et LW) et d'une longueur d'environ 10 cm. Chaque enroulement est constitué de 200 tours de fil d'enroulement en cuivre d'un diamètre de 0,31. mm, enroulé uniformément et étroitement en deux couches dans une double isolation laque-soie. Une couche de film d'écran est fixée sur tous les enroulements. Les bords de l'écran sont isolés les uns des autres pour éviter la formation d'une bobine en court-circuit. La sortie de l'écran est réalisée avec un fil monoconducteur en cuivre étamé. Dans le cas d'un écran en feuille d'aluminium, ce fil est superposé à l'écran sur toute sa longueur et est étroitement enroulé avec du ruban isolant. Dans le cas d'un blindage en feuille de cuivre ou de laiton, le fil est soudé. Les extrémités des noyaux de ferrite sont fixées dans des disques de centrage en plastique fluoré, grâce auxquels chacune des deux moitiés du capteur est maintenue à l'intérieur d'un tube en plastique en textolite, qui sert de boîtier, comme le montre schématiquement la Fig. 34.
La longueur du tuyau est d'environ 60 cm.Chacune des moitiés du capteur est située à l'extrémité du tuyau et est en outre fixée avec du mastic silicone, qui remplit l'espace autour des enroulements et de leurs noyaux. Le remplissage s'effectue à travers des trous spéciaux dans le corps-tuyau. Associé aux rondelles fluoroplastiques, un tel mastic confère à la fixation des tiges de ferrite fragiles l'élasticité nécessaire, ce qui les empêche de se fissurer lors d'impacts accidentels. Configuration de l'appareil 1. Assurez-vous que l'installation est correcte. 2. Vérifiez la consommation de courant, qui ne doit pas dépasser 100 mA. 3. Vérifiez le bon fonctionnement de l'oscillateur maître et des autres éléments de formation des signaux d'impulsion. 4. Ajustez le circuit oscillatoire du capteur. Rayonnant - à une fréquence de 4 kHz, réception - à 8 kHz. 5. Assurez-vous que le chemin d'amplification et le détecteur synchrone fonctionnent correctement. Travailler avec l'appareil La procédure de configuration et d'utilisation de l'appareil est la suivante. Nous nous rendons sur le lieu de recherche, allumons l'appareil et commençons à faire tourner l'antenne-capteur. Meilleur dans un plan vertical passant par la direction nord-sud. Si le capteur de l'appareil est sur la tige, vous ne pouvez pas le faire pivoter, mais le faire pivoter aussi loin que la tige le permet. L’aiguille indicatrice déviera (effet boussole). A l'aide d'une résistance variable R5, on cherche à minimiser l'amplitude de ces écarts. Dans ce cas, le point médian des lectures du microampèremètre "s'éloignera" et devra également être ajusté avec une autre résistance variable R16, conçue pour mettre à zéro. Lorsque l’effet « boussole » devient minime, l’appareil est considéré comme équilibré. Pour les petits objets, la méthode de recherche avec un magnétomètre différentiel ne diffère pas de la méthode de travail avec un détecteur de métaux conventionnel. Près de l'objet, la flèche peut dévier dans n'importe quelle direction. Pour les gros objets, la flèche indicatrice s’écartera dans différentes directions sur une grande surface. Auteur : Shchedrin A.I.
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