Предлагаемый вашему вниманию дифференциальный магнитометр может быть очень полезен для поиска крупных железных предметов. Таким прибором практически невозможно искать клады, однако он незаменим при поиске неглубоко затонувших танков, кораблей и других образцов военной техники.

Принцип действия дифференциального магнитометра очень прост. Любой предмет из ферромагнетика искажает естественное магнитное поле Земли. К таким предметам относится все, изготовленное из железа, чугуна и стали. В значительной степени повлиять на искажение магнитного поля может и собственная намагниченность предметов, которая часто имеет место. Зафиксировав отклонение напряженности магнитного поля от фонового значения, можно сделать вывод о наличии вблизи измерительного прибора предмета из ферромагнитного материала.

Искажение магнитного поля Земли вдали от мишени мало, и оно оценивается по разности сигналов от двух разнесенных на некоторое расстояние датчиков. Поэтому прибор и назван дифференциальным. Каждый датчик измеряет сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля. Наибольшее распространение получили ферромагнитные датчики и датчики на основе магнетонной прецессии протонов. В рассматриваемом приборе используются датчики первого типа.

Основой ферромагнитного датчика (называемого также феррозондовым) является катушка с сердечником из ферромагнитного материала. Типовая кривая намагничивания такого материала хорошо известна из школьного курса физики и имеет с учетом влияния магнитного поля Земли следующий вид, показанный на рис. 29.

Рис. 29. Кривая намагничивания

Катушка возбуждается переменным синусоидальным сигналом несущей частоты. Как видно из рис. 29, смещение кривой намагничивания ферромагнитного сердечника катушки внешним магнитным полем Земли приводит к тому, что индукция поля и связанное с ним напряжение на катушке начинают искажаться несимметричным образом. Иными словами, напряжение датчика при синусоидальном токе несущей частоты будет отличаться от синусоиды более "приплюснутыми" верхушками полуволн. И искажения эти будут несимметричны. На языке спектрального анализа это означает появление в спектре выходного напряжения катушки четных гармоник, амплитуда которых пропорциональна напряженности магнитного поля смещения (поля Земли). Вот эти четные гармоники и надо "выловить".

Рис. 30. Дифференциальный ферромагнитный датчик

Прежде чем упомянуть естественным образом напрашивающийся для этой цели синхронный детектор, работающий с опорным сигналом удвоенной несущей частоты, рассмотрим конструкцию усложненного варианта ферромагнитного датчика. Он состоит из двух сердечников и трех катушек (рис. 30). По своей сути, это дифференциальный датчик. Однако для простоты далее в тексте не будем называть его дифференциальным, так как сам магнитометр и без того уже - дифференциальный:).

Конструкция состоит из двух идентичных ферромагнитных сердечников с идентичными катушками, расположенными параллельно рядом друг с другом. По отношению к возбуждающему электрическому сигналу опорной частоты они включены встречно. Третья катушка представляет собой обмотку, намотанную поверх двух сложенных вместе первых двух катушек с сердечниками. При отсутствии внешнего смещающего магнитного поля электрические сигналы первой и второй обмоток симметричны и в идеальном случае действуют так, что выходной сигнал в третьей обмотке отсутствует, так как магнитные потоки через нее полностью компенсируются.

При наличии внешнего смещающего магнитного поля картина меняется. То один, то другой сердечник на пике соответствующей полуволны "залетает" в насыщение глубже, чем обычно вследствие добавочного воздействия магнитного поля Земли. В результате на выходе третьей обмотки появляется сигнал рассогласования удвоенной частоты. Сигналы основной гармоники в идеале там полностью компенсируются.

Удобство рассмотренного датчика заключается в том, что его катушки можно включить для повышения чувствительности в колебательные контура. Первую и вторую - в колебательный контур (или контура), настроенный на несущую частоту. Третью - в колебательный контур, настроенный на вторую гармонику.

Описанный датчик обладает ярко выраженной диаграммой направленности. Его выходной сигнал максимален при расположении продольной оси датчика вдоль силовых линий внешнего постоянного магнитного поля. Когда продольная ось перпендикулярна силовым линиям - выходной сигнал равен нулю.

Датчик рассмотренного типа, особенно совместно с синхронным детектором, может успешно работать как электронный компас. Его выходной сигнал после выпрямления пропорционален проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на ось датчика. Синхронное детектирование позволяет узнать и знак этой проекции. Но даже и без знака - сориентировав датчик по минимуму сигнала, получим направление на запад или на восток. Сориентировав по максимуму - получим направление магнитной силовой линии поля Земли. В средних широтах (например, в Москве) она идет наклонно и "втыкается" в землю в направлении на север. По углу магнитного склонения можно приблизительно оценить географическую широту местности.

Дифференциальные ферромагнитные магнитометры имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится простота прибора, он не сложнее радиоприемника прямого усиления. К недостаткам относится трудоемкость изготовления датчиков - кроме аккуратности требуется абсолютно точное совпадение количества витков соответствующих обмоток. Погрешность один-два витка может сильно снизить возможную чувствительность. Другим недостатком является "компасность" прибора, т. е. невозможность полной компенсации поля Земли вычитанием сигналов от двух разнесенных датчиков. На практике это приводит к ложным сигналам при поворотах датчика вокруг оси, перпендикулярной продольной.

Практическая конструкция

Практическая конструкция дифференциального ферромагнитного магнитометра была реализована и испытана в макетном варианте без специальной электронной части для звуковой индикации, с использованием только микроамперметра с нулем посередине шкалы. Схема звуковой индикации может быть взята из описания металлоискателя по принципу "передача-прием". Прибор имеет следующие параметры.

Основные технические характеристики

• Напряжение питания - 15... 18 В
• Потребляемый ток - не более 50 мА

Глубина обнаружения:

• пистолет - 2 м
• пушечный ствол - 4 м
• танк - 6 м

Структурная схема

Структурная схема показана на рис. 31. Стабилизированный кварцем задающий генератор выдает синхроимпульсы тактовой частоты для формирователя сигналов.

Рис. 31. Структурная схема дифференциального ферромагнитного магнитометра

На одном его выходе присутствует меандр первой гармоники, поступающий на усилитель мощности, возбуждающий излучающие катушки датчиков 1 и 2. Другой выход формирует меандр опорной удвоенной тактовой частоты со сдвигом 90° для синхронного детектора. Разностный сигнал с выходных (третьих) обмоток датчиков усиливается в приемном усилителе и выпрямляется синхронным детектором. Выпрямленный постоянный сигнал можно регистрировать микроамперметром или описанными в предыдущих главах устройствами звуковой индикации.

Принципиальная схема

Принципиальная схема дифференциального ферромагнитного магнитометра изображена на рис. 32 - часть 1: задающий генератор, формирователь сигналов, усилитель мощности и излучающие катушки, рис. 33 - часть 2: приемные катушки, приемный усилитель, синхронный детектор, индикатор и блок питания.

Рис. 32. Принципиальная электрическая схема - часть 1

Задающий генератор собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 215 Гц = 32 кГц ("часовой кварц"). Цепь R1C1 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3...15 В, не содержит подстроенных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32 кГц.

Формирователь сигналов (рис. 32)

Формирователь сигналов собран на двоичном счетчике D2 и D-триггере D3.1. Тип двоичного счетчика непринципиален, главная его задача - поделить тактовую частоту на 2, на 4 и на 8, получив таким образом, меандры с частотами 16, 8 и 4 кГц соответственно. Несущая частота для возбуждения излучающих катушек-4 кГц. Сигналы с частотами 16 и 8 кГц, воздействуя на D-триггер D3.1, формируют на его выходе меандр удвоенной по отношению к несущей частоты 8 кГц, сдвинутый на 90° относительно выходного сигнала 8 кГц двоичного счетчика. Такой сдвиг необходим для нормальной работы синхронного детектора, так как такой же сдвиг имеет полезный сигнал рассогласования удвоенной частоты на выходе датчика. Вторая половинка микросхемы из двух D-триггеров - D3.2 в схеме не используется, но ее незадействованные входы должны обязательно быть подключены либо к логической 1, либо к логическому 0 для нормальной работы, что и изображено на схеме.

Усилитель мощности (рис. 32)

Усилитель мощности с виду таким и не кажется и представляет всего лишь мощные инверторы D1.4 и D1.5, которые в противофазе раскачивают колебательный контур, состоящий из последовательно-параллельно включенных излучающих катушек датчика и конденсатора С2. Звездочка около номинала конденсатора означает, что его значение указано ориентировочно и что его надо подобрать при наладке. Незадействованный инвертор D1.6, чтобы не оставлять его вход неподключенным, инвертирует сигнал D1.5, но практически работает "вхолостую". Резисторы R3 и R4 ограничивают выходной ток инверторов на допустимом уровне и вместе с колебательным контуром образуют высокодобротный полосовой фильтр, благодаря чему форма напряжения и тока в излучающих катушках датчика практически совпадает с синусоидальной.

Приемный усилитель (рис. 33)

Приемный усилитель усиливает разностный сигнал, поступающий с приемных катушек датчика, образующих совместно с конденсатором СЗ колебательный контур, настроенный на удвоенную частоту 8 кГц. Благодаря подстроечному резистору R5 вычитание сигналов приемных катушек производится с некоторыми взвешивающими коэффициентами, которые могут изменяться перемещением движка резистора R5. Этим достигается компенсация неидентичностей параметров приемных обмоток датчика и минимизация его "компасности".

Приемный усилитель двухкаскадный. Он собран на ОУ D4.2 и D6.1 с параллельной ОС по напряжению. Конденсатор С4 уменьшает усиление на высших частотах, предотвращая тем самым перегрузку усилительного тракта высокочастотными наводками от силовых сетей и других источников. Цепи коррекции ОУ - стандартные.

Синхронный детектор (рис. 33)

Синхронный детектор выполнен на ОУ D6.2 по типовой схеме. В качестве аналоговых ключей используется микросхема D5 КМОП мультиплексора-демультиплексора 8 на 1 (рис. 32). Его цифровой адресный сигнал перебирается только в младшем разряде, обеспечивая поочередную коммутацию точек К1 и К2 на общую шину. Выпрямленный сигнал фильтруется конденсатором С8 и усиливается ОУ D6.2 с одновременным дополнительным ослаблением неотфильтрованных ВЧ составляющих цепями R14C11 и R13C9. Цепь коррекции ОУ - стандартная для использованного типа.

Рис. 33. Принципиальная электрическая схема - часть 2. Приемный усилитель

Индикатор (рис. 33)

Индикатор представляет собой микроамперметр с нулем посередине шкалы. В индикаторной части может с успехом использоваться схемотехника описанных ранее металлоискателей других типов. В том числе, в качестве индикатора можно использовать и конструктив металлоискателя по принципу электронного частотомера. В этом случае его LC-генератор заменяется на RC-генератор, а измеряемое выходное напряжение через резистивный делитель подается на частотозадающую цепь таймера. Подробнее об этом можно почитать на сайте Юрия Колоколова.

Микросхема D7 стабилизирует однополярное напряжение питания. С помощью ОУ D4.1 создается искусственная средняя точка питания, что позволяет использовать обычную двуполярную схемотехнику для ОУ. Керамические блокирующие конденсаторы С18-С21 смонтированы в непосредственной близости от корпусов цифровых микросхем D1, D2, D3, D5.

Типы деталей и конструкция

Типы использованных микросхем указаны в табл. 6.

Таблица 6. Типы использованных микросхем

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 или зарубежные аналоги серий 40ХХ и 40ХХХ.

Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К157 можно заменить любыми сходными по параметрам ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции).

К применяемым в схеме дифференциального магнитометра резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную и миниатюрную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125...0,25 Вт.

Потенциометры R5, R16 желательны многооборотные для удобства точной настройки прибора. Рукоятка потенциометра R5 должна быть изготовлена из пластика и должна иметь достаточную длину, чтобы прикосновения руки оператора при настройке не вызывали изменения показаний индикатора за счет наводок.

Конденсатор С16 - электролитический любого малогабаритного типа.

Конденсаторы колебательных контуров С2* и СЗ* состоят из нескольких (5-10 шт.) конденсаторов, включенных параллельно. Настройка контура в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43, К71-7 или зарубежные термостабильные аналоги. Можно попытаться использовать обычные керамические или металлопленочные конденсаторы, однако, при колебаниях температуры придется чаще подстраивать прибор.

Микроамперметр - любого типа на ток 100 мкА с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247. Можно использовать практически любой микроамперметр, и даже миллиамперметр - с любым пределом шкалы. Для этого надо соответствующим образом скорректировать номиналы резисторов R15-R17.

Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).

Выключатель S1 - любого типа, малогабаритный.

Катушки датчика выполнены на круглых ферритовых сердечниках диаметром 8 мм (используются в магнитных антеннах радиоприемников СВ- и ДВ-диапазонов) и длиной около 10 см. Каждая обмотка состоит из ровно и плотно намотанных в два слоя 200 витков медного обмоточного провода диаметром 0,31 мм в двойной лаково-шелковой изоляции. Поверх всех обмоток крепится слой фольги экрана. Края экрана изолируются друг от друга для предотвращения образования короткозамкнутого витка. Вывод экрана выполняется медным луженым одножильным проводом. В случае экрана из алюминиевой фольги этот вывод накладывается на экран на всю его длину и плотно приматывается изолентой. В случае экрана из медной или латунной фольги вывод припаивается.

Концы ферритовых сердечников закреплены во фторопластовых центрирующих дисках, благодаря которым каждая из двух половинок датчика удерживается внутри пластиковой трубы из текстолита, служащей корпусом, как это схематически изображено на рис. 34.

Рис. 34. Конструкция датчика-антенны

Длина трубы - около 60 см. Каждая из половинок датчика расположена у конца трубы и дополнительно фиксируется силиконовым герметиком, которым заполняется пространство вокруг обмоток и их сердечников. Заполнение осуществляется через специальные отверстия в корпусе-трубе. Совместно с фторопластовыми шайбами такой герметик придает креплению хрупких ферритовых стержней необходимую упругость, препятствующую их растрескиванию при случайных ударах.

Налаживание прибора

1. Убедиться в правильности монтажа.

2. Проконтролировать потребляемый ток, который не должен превышать 100 мА.

3. Проверить правильность работы задающего генератора и остальных элементов формирования импульсных сигналов.

4. Настроить колебательные контура датчика. Излучающий - на частоту 4 кГц, приемный - на 8 кГц.

5. Убедиться в правильности работы усилительного тракта и синхронного детектора.

Работа с прибором

Методика настройки и работы с прибором следующая. Выходим в место поисков, включаем прибор и начинаем вращать антенну-датчик. Лучше всего в вертикальной плоскости, проходящей через направление север-юг. Если датчик прибора на штанге, то можно не вращать, а раскачивать насколько это позволяет делать штанга. Стрелка индикатора будет отклоняться (компасный эффект). С помощью переменного резистора R5 пытаемся минимизировать амплитуду этих отклонений. При этом будет "съезжать" средняя точка показаний микроамперметра и ее надо будет тоже подстраивать другим переменным резистором R16, который предназначен для установки нуля. Когда "компасный" эффект станет минимальным, прибор считается отбалансированным.

Для малых объектов методика поисков с помощью дифференциального магнитометра не отличается от методики работы с обычным металлоискателем. Возле объекта стрелка может отклониться в любую сторону. Для больших объектов стрелка индикатора будет отклоняться в разные стороны на большом пространстве.

Читайте и пишите полезные

Магнитометр предназначен для измерения индукции магнитного поля. В магнитометре используется опорное магнитное поле, которое позволяет посредством тех или иных физических эффектов преобразовать измеряемое магнитное поле в электрический сигнал .
Прикладное применение магнитометров для обнаружения массивных объектов из ферромагнитных (чаще всего, стальных) материалов основано на локальном искажении этими объектами магнитного поля Земли. Преимуществом использования магнитометров в сравнении с традиционными металлодетекторами состоит в большей дальности обнаружения .

Феррозондовые (векторные) магнитометры

Одним из видов магнитометров являются . Феррозонд был изобретен Фридрихом Фёрстером ()

В 1937 году и служит для определения вектора индукции магнитного поля .

Конструкция феррозонда

одностержневой феррозонд

Простейший феррозонд состоит из пермаллоевого стержня, на котором размещена катушка возбуждения ((drive coil ), питаемая переменным током, и измерительная катушка (detector coil ).

Пермаллой - сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и 45-82 % никеля. Пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью (максимальная относительная магнитная проницаемость ~100 000) и малой коэрцитивной силой. Популярной маркой пермаллоя для изготовления феррозондов является 80НХС - 80 % никеля + хром и кремний с индукцией насыщения 0,65-0,75 Тл, применяется для сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей и реле, работающих в слабых полях магнитных экранов, для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле, для сердечников магнитных головок.
Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности поля для некоторых сортов пермаллоя имеет вид -

Если на сердечник накладывается постоянное магнитное поле, то в измерительной катушке появляется напряжение четных гармоник, величина которого служит мерой напряженности постоянного магнитного поля. Это напряжение отфильтровывается и измеряется.

двухстержневой феррозонд

В качестве примера можно привести устройство, описанное в книге Каралиса В.Н. "Электронные схемы в промышленности" -



Прибор предназначен для измерения постоянных магнитных полей в диапазоне 0,001 ... 0,5 эрстед.
Обмотки возбуждения датчика L1 и L3 включены встречно. Измерительная обмотка L2 намотана поверх обмоток возбуждения. Обмотки возбуждения питаются током частоты 2 кГц от двухтактного генератора с индуктивной обратной связью. Режим генератора стабилизируется по постоянному току делителем на резисторах R8 и R9 .

феррозонд с тороидальным сердечником
Одним из популярных вариантов конструкции феррозондового магнитометра является феррозонд с тороидальным сердечником (ring core fluxgate ) -

По сравнению со стержневыми феррозондами такая конструкция имеет меньшие шумы и требует создания намного меньшей магнитодвижущей силы .

Этот датчик представляет собой обмотку возбуждения , намотанную на тороидальном сердечнике, по которой протекает переменный ток с амплитудой, достаточной для ввода сердечника в насыщение, и измерительную обмотку , с которой снимается переменное напряжение, которое и анализируется для измерения внешнего магнитного поля.
Измерительная обмотка наматывается поверх тороидального сердечника, охватывая его целиком (например, на специальном каркасе) -


Эта конструкция аналогична первоначальной конструкции феррозондов (конденсатор добавлен для достижения резонанса на второй гармонике) -

Применение протонных магнитометров
Протонные магнитометры широко используются в археологических исследованиях.
Протонный магнитометр упоминается в научно-фантастической новелле Майкла Крайтона "В ловушке времени" ("Timeline ") -
He pointed down past his feet. Three heavy yellow housings were clamped to the front struts of the helicopter. "Right now we’re carrying stereo terrain mappers, infrared, UV, and side-scan radar.” Kramer pointed out the rear window, toward a six-foot-long silver tube that dangled beneath the helicopter at the rear. “And what’s that?” “Proton magnetometer.” “Uh-huh. And it does what?” “Looks for magnetic anomalies in the ground below us that could indicate buried walls, or ceramics, or metal.”

Цезиевые магнитометры

Разновидностью квантовых магнитометров являются атомные магнитометры на щелочных металлах с оптической накачкой.

цезиевый магнитометр G-858

Магнитометры Оверхаузера

Твердотельные магнитометры

Наиболее доступными являются магнитометры, встроенные в смартфоны. Для Android хорошим приложением, использующим магнитометр, является . Страничка этого приложения - http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/ .

Настройка магнитометров

Для тестирования феррозонда можно использовать . Катушки Гельмгольца используются для получения практически однородного магнитного поля. В идеальном случае они представляют собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой последовательно и расположенных на расстоянии радиуса витка друг от друга. Обычно катушки Гельмгольца состоят из двух катушек, на которых намотано некоторое количество витков, причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса. В реальных системах толщина катушек может быть сравнима с их радиусом. Таким образом, можно считать системой колец Гельмгольца две соосно расположенных одинаковых катушки, расстояние между центрами которых приблизительно равно их среднему радиусу. Такую систему катушек называют также расщепленный соленоид (split solenoid).

В центре системы имеется зона однородного магнитного поля (магнитное поле в центре системы в объеме 1/3 радиуса колец однородно в пределах 1% ), что может быть использовано для измерительных целей, для калибровки датчиков магнитной индукции и т. д.

Магнитная индукция в центре системы определяется как $B = \mu _0\,{\left({4\over 5}\right) }^{3/2} \, {IN\over R}$,
где $N$ – число витков в каждой катушке, $I$ – ток через катушки, $R$ – средний радиус катушки.

Также катушки Гельмгольца могут быть использованы для экранирования магнитного поля Земли. Для этого лучше всего использовать три взаимно перпендикулярные пары колец, тогда не имеет значения их ориентация.

Как самому сделать вариометр (магнитометр) Можно ли самому следить за возмущениями магнитного поля Земли? Ответ очевиден - да, можно, и проще всего для этого регулярно просматривать данные ближайшей магнитной обсерватории в сети Интернет. Ну а если у Вас нет рядом компьютера и сети Интернет, и Вы живете в том регионе России, где рядом нет магнитной обсерватории, Вы можете сами сделать устройство, которое поможет Вам судить о состоянии магнитного поля Земли. Вдобавок к бытовому термометру и барометру, компас может быть таким же простым и полезным устройством для фиксации возмущений магнитного поля Земли. Не пытайтесь увидеть, как стрелка компаса мечется во время магнитной бури – эта картина на совести авторов художественных произведений. Одна из самых больших магнитных бурь за последние 100 лет на широте Москвы наблюдалась в октябре 2003 года – максимальное отклонение в горизонтальной составляющей достигало величины около 2000 нТл, что при величине самой компоненты Н в 17000 нТл составляет всего 10 %. С учетом того, что такое изменение длится единицы и десятки минут – т.е. сам процесс изменения магнитного поля достаточно медленный – Вам нужно не отводить взгляд от стрелки компаса не менее 15 минут, чтобы заметить такое отклонение. Понятно, что поймать такой момент практически невозможно, не имея системы непрерывной регистрации вариаций магнитного поля. Следует иметь ввиду, что регулярная солнечно-суточная вариация при спокойном поле составляет величину в пределах 30-40 нТл, т.е. 0,05 %, при средних магнитных бурях отклонение составляет 200-300 нТл, т.е. около 0,5 %. Отсюда ясно, что прибор для наблюдения за возмущениями магнитного поля должен представлять собой достаточно чувствительный датчик с электронной регистрацией. В качестве примера можно посмотреть разработку простых устройств для наблюдения вариаций магнитного поля своими силами на сайте лаборатории физики ионосферы Ланкастерского Университета http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/aurorawatch/detectors/results.html или на сайте проекта POETRY (PublicOutreach, Education, Teaching andReaching Youth), см. http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/. Для начала можно попробовать собрать самый простой детектор возмущений – магнит на подвесе в пластиковой бутылке. Для отсчета показаний используют зеркало и осветитель, так что отраженный зайчик фиксируют на листе бумаги на некотором удалении от детектора. Регулярно отмечая движения зайчика на бумаге, можно заметить возмущения магнитного поля. На сайтах Ланкастерского Университета и проекта POETRY вся конструкция представлена настолько наглядно, что проблем с её повторением не должно быть, детали конструкции самые простые. Но нужно иметь ввиду, что чувствительность такого детектора низкая, и вы сможете фиксировать только большие бури, а такие бури бывают всего несколько раз в году. Более чувствительный детектор можно собрать на базе хорошего компаса. Такая конструкция потребует знания и умения собирать электронные схемы. Детали конструкции представлены на том же сайте Ланкастерского Университета, см. http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/aurorawatch/detectors/compass.htmlСхема магнитометра и рекомендации по его сборке представлены на сайте http://www.sam-europe.de/en/index_en.html . Из приведенных сведений можно прийти к заключению, что информация о возмущениях магнитного поля Земли можно получить их многих источников, вплоть до того, что самому вести наблюдения. Понятно, что такие наблюдения будут уступать профессиональным магнитным обсерваториям, но для целей любительских или для образовательных проектов такой подход вполне оправдан. Клуб «Гелиос»

Предлагаемый вашему вниманию дифференциальный магнитометр может быть очень полезен для поиска крупных железных предметов. Таким прибором практически невозможно искать клады, однако он незаменим при поиске неглубоко затонувших танков, кораблей и других образцов военной техники.

Принцип действия дифференциального магнитометра очень прост. Любой предмет из ферромагнетика искажает естественное магнитное поле Земли. К таким предметам относится все, изготовленное из железа, чугуна и стали. В значительной степени повлиять на искажение магнитного поля может и собственная намагниченность предметов, которая часто имеет место. Зафиксировав отклонение напряженности магнитного поля от фонового значения, можно сделать вывод о наличии вблизи измерительного прибора предмета из ферромагнитного материала.

Искажение магнитного поля Земли вдали от мишени мало, и оно оценивается по разности сигналов от двух разнесенных на некоторое расстояние датчиков. Поэтому прибор и назван дифференциальным. Каждый датчик измеряет сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля. Наибольшее распространение получили ферромагнитные датчики и датчики на основе магнетонной прецессии протонов. В рассматриваемом приборе используются датчики первого типа.

Основой ферромагнитного датчика (называемого также феррозондовым) является катушка с сердечником из ферромагнитного материала. Типовая кривая намагничивания такого материала хорошо известна из школьного курса физики и имеет с учетом влияния магнитного поля Земли следующий вид, показанный на рис. 29.

Рис. 29. Кривая намагничивания

Катушка возбуждается переменным синусоидальным сигналом несущей частоты. Как видно из рис. 29, смещение кривой намагничивания ферромагнитного сердечника катушки внешним магнитным полем Земли приводит к тому, что индукция поля и связанное с ним напряжение на катушке начинают искажаться несимметричным образом. Иными словами, напряжение датчика при синусоидальном токе несущей частоты будет отличаться от синусоиды более "приплюснутыми" верхушками полуволн. И искажения эти будут несимметричны. На языке спектрального анализа это означает появление в спектре выходного напряжения катушки четных гармоник, амплитуда которых пропорциональна напряженности магнитного поля смещения (поля Земли). Вот эти четные гармоники и надо "выловить".

Рис. 30. Дифференциальный ферромагнитный датчик

Прежде чем упомянуть естественным образом напрашивающийся для этой цели синхронный детектор, работающий с опорным сигналом удвоенной несущей частоты, рассмотрим конструкцию усложненного варианта ферромагнитного датчика. Он состоит из двух сердечников и трех катушек (рис. 30). По своей сути, это дифференциальный датчик. Однако для простоты далее в тексте не будем называть его дифференциальным, так как сам магнитометр и без того уже - дифференциальный (©).

Конструкция состоит из двух идентичных ферромагнитных сердечников с идентичными катушками, расположенными параллельно рядом друг с другом. По отношению к возбуждающему электрическому сигналу опорной частоты они включены встречно. Третья катушка представляет собой обмотку, намотанную поверх двух сложенных вместе первых двух катушек с сердечниками. При отсутствии внешнего смещающего магнитного поля электрические сигналы первой и второй обмоток симметричны и в идеальном случае действуют так, что выходной сигнал в третьей обмотке отсутствует, так как магнитные потоки через нее полностью компенсируются.

При наличии внешнего смещающего магнитного поля картина меняется. То один, то другой сердечник на пике соответствующей полуволны "залетает" в насыщение глубже, чем обычно вследствие добавочного воздействия магнитного поля Земли. В результате на выходе третьей обмотки появляется сигнал рассогласования удвоенной частоты. Сигналы основной гармоники в идеале там полностью компенсируются.

Удобство рассмотренного датчика заключается в том, что его катушки можно включить для повышения чувствительности в колебательные контура. Первую и вторую -в колебательный контур (или контура), настроенный на несущую частоту. Третью - в колебательный контур, настроенный на вторую гармонику.

Описанный датчик обладает ярко выраженной диаграммой направленности. Его выходной сигнал максимален при расположении продольной оси датчика вдоль силовых линий внешнего постоянного магнитного поля. Когда продольная ось перпендикулярна силовым линиям - выходной сигнал равен нулю.

Датчик рассмотренного типа, особенно совместно с синхронным детектором, может успешно работать как электронный компас. Его выходной сигнал после выпрямления пропорционален проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на ось датчика. Синхронное детектирование позволяет узнать и знак этой проекции. Но даже и без знака - сориентировав датчик по минимуму сигнала, получим направление на запад или на восток. Сориентировав по максимуму - получим направление магнитной силовой линии поля Земли. В средних широтах (например, в Москве) она идет наклонно и "втыкается" в землю в направлении на север. По углу магнитного склонения можно приблизительно оценить географическую широту местности.

Дифференциальные ферромагнитные магнитометры имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится простота прибора, он не сложнее радиоприемника прямого усиления. К недостаткам относится трудоемкость изготовления датчиков - кроме аккуратности требуется абсолютно точное совпадение количества витков соответствующих обмоток. Погрешность один-два витка может сильно снизить возможную чувствительность. Другим недостатком является "компасность" прибора, т. е. невозможность полной компенсации поля Земли вычитанием сигналов от двух разнесенных датчиков. На практике это приводит к ложным сигналам при поворотах датчика вокруг оси, перпендикулярной продольной.

Практическая конструкция

Практическая конструкция дифференциального ферромагнитного магнитометра была реализована и испытана в макетном варианте без специальной электронной части для звуковой индикации, с использованием только микроамперметра с нулем посередине шкалы. Схема звуковой индикации может быть взята из описания металлоискателя по принципу "передача-прием". Прибор имеет следующие параметры.

Основные технические характеристики
Напряжение питания 15... 18 В
Потребляемый ток не более 50 мА
Глубина обнаружения:
пистолет 2 м
пушечный ствол 4 м
танк 6 м

Структурная схема

Рис. 31. Структурная схема дифференциального ферромагнитного магнитометра

Структурная схема показана на рис. 31. Стабилизированный кварцем задающий генератор выдает синхроимпульсы тактовой частоты для формирователя сигналов.

На одном его выходе присутствует меандр первой гармоники, поступающий на усилитель мощности, возбуждающий излучающие катушки датчиков 1 и 2. Другой выход формирует меандр опорной удвоенной тактовой частоты со сдвигом 90° для синхронного детектора. Разностный сигнал с выходных (третьих) обмоток датчиков усиливается в приемном усилителе и выпрямляется синхронным детектором. Выпрямленный постоянный сигнал можно регистрировать микроамперметром или описанными в предыдущих главах устройствами звуковой индикации.

Принципиальная схема

Принципиальная схема дифференциального ферромагнитного магнитометра изображена на рис. 32 - часть 1; задающий генератор, формирователь сигналов, усилитель мощности и излучающие катушки, рис. 33 - часть 2: приемные катушки, приемный усилитель, синхронный детектор, индикатор и блок питания.

Рис. 32. Принципиальная электрическая схема - часть I

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР (РИС. 32)

Задающий генератор собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пье-зокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 215 Гц = 32 кГц ("часовой кварц"). Цепь R1C1 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q -цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3...15 В, не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32 кГц.

ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ (РИС. 32)

Формирователь сигналов собран на двоичном счетчике D2 и D-триггере D3.1. Тип двоичного счетчика непринципиален, главная его задача - поделить тактовую частоту на 2, на 4 и на 8, получив таким образом, меандры с частотами 16, 8 и 4 кГц соответственно. Несущая частота для возбуждения излучающих катушек-4 кГц. Сигналы с частотами 16 и 8 кГц, воздействуя на D-триггер D3.1, формируют на его выходе меандр удвоенной по отношению к несущей частоты 8 кГц, сдвинутый на 90° относительно выходного сигнала 8 кГц двоичного счетчика. Такой сдвиг необходим для нормальной работы синхронного детектора, так как такой же сдвиг имеет полезный сигнал рассогласования удвоенной частоты на выходе датчика. Вторая половинка микросхемы из двух D-триггеров - D3.2 в схеме не используется, но ее незадействованные входы должны обязательно быть подключены либо к логической 1, либо к логическому 0 для нормальной работы, что и изображено на схеме.

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (РИС. 32)

Усилитель мощности с виду таким и не кажется и представляет всего лишь мощные инверторы D1.4 и D1.5, которые в противофазе раскачивают колебательный контур, состоящий из последовательно-параллельно включенных излучающих катушек датчика и конденсатора С2. Звездочка около номинала конденсатора означает, что его значение указано ориентировочно и что его надо подобрать при наладке. Незадействованный инвертор D1.6, чтобы не оставлять его вход неподключенным, инвертирует сигнал D1.5, но практически работает "вхолостую". Резисторы R3 и R4 ограничивают выходной ток инверторов на допустимом уровне и вместе с колебательным контуром образуют высокодобротный полосовой фильтр, благодаря чему форма напряжения и тока в излучающих катушках датчика практически совпадает с синусоидальной.

Рис. 33. Принципиальная электрическая схема - часть II. Приемный усилитель

ПРИЕМНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (РИС 33)

Приемный усилитель усиливает разностный сигнал, поступающий с приемных катушек датчика, образующих совместно с конденсатором СЗ колебательный контур, настроенный на удвоенную частоту 8 кГц. Благодаря подстроечно-му резистору R5 вычитание сигналов приемных катушек производится с некоторыми взвешивающими коэффициентами, которые могут изменяться перемещением движка резистора R5. Этим достигается компенсация неидентичностей параметров приемных обмоток датчика и минимизация его "компасности". Приемный усилитель двухкаскадный. Он собран на ОУ D4.2 и D6.1 с параллельной ОС по напряжению. Конденсатор С4 уменьшает усиление на высших частотах, предотвращая тем самым перегрузку усилительного тракта высокочастотными наводками от силовых сетей и других источников. Цепи коррекции ОУ - стандартные.

СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР (РИС. 33)

Синхронный детектор выполнен на ОУ D6.2 по типовой схеме. В качестве аналоговых ключей используется микросхема D5 КМОП мультиплексора-демультиплексора 8 на 1 (рис. 32). Его цифровой адресный сигнал перебирается только в младшем разряде, обеспечивая поочередную коммутацию точек К1 и К2 на общую шину. Выпрямленный сигнал фильтруется конденсатором С8 и усиливается ОУ D6.2 с одновременным дополнительным ослаблением не-отфильтрованных ВЧ составляющих цепями R14C11 и R13C9. Цепь коррекции ОУ - стандартная для использованного типа.

ИНДИКАТОР (РИС. 33)

Индикатор представляет собой микроамперметр с нулем посередине шкалы. В индикаторной части может с успехом использоваться схемотехника описанных ранее металлоискателей других типов. В том числе, в качестве индикатора можно использовать и конструктив металлоискателя по принципу электронного частотомера. В этом случае его LC-генератор заменяется на RC-генератор, а измеряемое выходное напряжение через резистивный делитель подается на частотозадающую цепь таймера. Подробнее об этом можно почитать на сайте Юрия Колоколова.

Микросхема D7 стабилизирует однополярное напряжение питания. С помощью ОУ D4.1 создается искусственная средняя точка питания, что позволяет использовать обычную двуполярную схемотехнику для ОУ. Керамические блокирующие конденсаторы С18-С21 смонтированы в непосредственной близости от корпусов цифровых микросхем D1, D2, D3, D5.

Типы деталей и конструкция

Типы использованных микросхем указаны в табл. 6.

Таблица 6. Типы использованных микросхем

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 или зарубежные аналоги серий 40ХХ и 40ХХХ.

Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К157 можно заменить любыми сходными по параметрам ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции).

К применяемым в схеме дифференциального магнитометра резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную и миниатюрную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125...0,25 Вт.

Потенциометры R5, R16 желательны многооборотные для удобства точной настройки прибора. Рукоятка потенциометра R5 должна быть изготовлена из пластика и должна иметь достаточную длину, чтобы прикосновения руки оператора при настройке не вызывали изменения показаний индикатора за счет наводок. Конденсатор С16 - электролитический любого малогабаритного типа.

Конденсаторы колебательных контуров С2* и СЗ* состоят из нескольких (5-10 шт.) конденсаторов, включенных параллельно. Настройка контура в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43, К71-7 или зарубежные термостабильные аналоги. Можно попытаться использовать обычные керамические или металлопленоч-ные конденсаторы, однако, при колебаниях температуры придется чаще подстраивать прибор.

Микроамперметр - любого типа на ток 100 мкА с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247. Можно использовать практически любой микроамперметр, и даже миллиамперметр - с любым пределом шкалы. Для этого надо соответствующим образом скорректировать номиналы резисторов R15-R17. Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).

Выключатель S1 - любого типа, малогабаритный.

Рис. 34. Конструкция датчика-антенны

Катушки датчика выполнены на круглых ферритовых сердечниках диаметром 8 мм (используются в магнитных антеннах радиоприемников СВ- и ДВ-диапазонов) и длиной около 10 см. Каждая обмотка состоит из ровно и плотно намотанных в два слоя 200 витков медного обмоточного провода диаметром 0,31 мм в двойной лаково-шелковой изоляции. Поверх всех обмоток крепится слой фольги экрана. Края экрана изолируются друг от друга для предотвращения образования короткозамкнутого витка. Вывод экрана выполняется медным луженым одножильным проводом. В случае экрана из алюминиевой фольги этот вывод накладывается на экран на всю его длину и плотно приматывается изолентой. В случае экрана из медной или латунной фольги вывод припаивается.

Концы ферритовых сердечников закреплены во фторопластовых центрирующих дисках, благодаря которым каждая из двух половинок датчика удерживается внутри пластиковой трубы из текстолита, служащей корпусом, как это схематически изображено на рис. 34. Длина трубы - около 60 см. Каждая из половинок датчика расположена у конца трубы и дополнительно фиксируется силиконовым гермети-ком, которым заполняется пространство вокруг обмоток и их сердечников. Заполнение осуществляется через специальные отверстия в корпусе-трубе. Совместно с фторопластовыми шайбами такой герметик придает креплению хрупких ферритовых стержней необходимую упругость, препятствующую их растрескиванию при случайных ударах.

Налаживание прибора

1. Убедиться в правильности монтажа.

2. Проконтролировать потребляемый ток, который не должен превышать 100 мА.

3. Проверить правильность работы задающего генератора и остальных элементов формирования импульсных сигналов.

4. Настроить колебательные контура датчика. Излучающий - на частоту 4 кГц, приемный - на 8 кГц.

5. Убедиться в правильности работы усилительного тракта и синхронного детектора.

Работа с прибором

Методика настройки и работы с прибором следующая. Выходим в место поисков, включаем прибор и начинаем вращать антенну-датчик. Лучше всего в вертикальной плоскости, проходящей через направление север-юг. Если датчик прибора на штанге, то можно не вращать, а раскачивать насколько это позволяет делать штанга. Стрелка индикатора будет отклоняться (компасный эффект). С помощью переменного резистора R5 пытаемся минимизировать амплитуду этих отклонений. При этом будет "съезжать" средняя точка показаний микроамперметра и ее надо будет тоже подстраивать другим переменным резистором R16, который предназначен для установки нуля. Когда "компасный" эффект станет минимальным, прибор считается отбалансированным.

Для малых объектов методика поисков с помощью дифференциального магнитометра не отличается от методики работы с обычным металлоискателем. Возле объекта стрелка может отклониться в любую сторону. Для больших объектов стрелка индикатора будет отклоняться в разные стороны на большом пространстве.

Магнитометр – это прибор, который применяется для разведки магнитного поля Земли или поиска скрытых предметов. По принципу действия прибор немного напоминает металлоискатель, который реагирует на металлические поверхности, за тем исключением, что он чувствителен к естественному магнитному полю Земли, а также крупным неметаллическим предметам, имеющим собственное остаточное поле. Устройство нашло свое применение в различных отраслях промышленности и науки, поскольку позволяет фиксировать природные аномалии, а также ускоряет поиски объектов.

Зачем используется магнитометр

Магнитометры реагируют на магнитное поле и выражают показатели его силы в различных физических единицах измерения. В связи с этим существует много типов данных приборов, каждый из которых адаптирован под определенную поисковую цель. Модификации этих устройств применяются в десятках отраслях науки и промышленности:

• Геология.
• Археология.
• Навигация.
• Сейсмология.
• Военная разведка.
• Геохронология.

В геологии с помощью магнитометра осуществляется поиск полезных ископаемых без необходимости проводить пробное бурение для взятия образцов. Прибор позволяет зафиксировать богатую ископаемыми жилу и принять решение о целесообразности начала добычи в данном районе. Также с помощью данного оборудования можно определить, где находятся подземные источники питьевой воды, как они располагаются и их объем. Благодаря этому можно заблаговременно решить, где осуществить строительство колодца или скважины, чтобы добраться к воде без необходимости максимального углубления.

Магнитометры используются в археологии при раскопках. Они позволяют реагировать на скрытые глубоко под землей фундаменты зданий, статуи и прочие объекты, которые имеют остаточную намагниченность. В первую очередь это обожженный кирпич или камень. Устройство реагирует на скрытые глубоко под землей старинные очаги и печи. С его помощью можно искать объекты во льду или снегу.

Магнитометр также используется в навигации . С его помощью осуществляется определение магнитного поля Земли, в результате чего можно получить данные о направлении движения в случае дезориентации. Такие приборы используют в авиации и морском транспорте. Магнитометры являются обязательным оборудованием на космических станциях и шаттлах.

В сейсмологии магнитометры, которые реагируют на магнитное поле Земли, позволяют предсказывать землетрясение, поскольку при изменении характеристик тектонических плит происходит нарушение привычных показателей поля. Таким способом можно определить свежие подземные трещины, сквозь которые может начаться извержение.

В военной разведке данное оборудование позволяет искать военные объекты, скрытые от обычных радаров. С помощью магнитометра можно выявить лежащую на морском или океанском дне подводную лодку.

В геохронологии по силе остаточной намагниченности можно определить возраст горных пород. Существуют и более точные методы, но с помощью магнитометра это можно сделать за считанные секунды, без необходимости осуществления дорогостоящего анализа.

Разновидности магнитометров по принципу действия

По принципу действия магнитометры разделяют на 3 вида:

• Магнитостатические.
• Индукционные.
• Квантовые.

Каждая разновидность реагирует на стороннее магнитное поле, используя определенный физический принцип. На базе этих трех разновидностей созданы различные узкоспециализированные виды магнитометров, которые являются более точными для измерений в определенных условиях.

Магнитостатические

Несмотря на внешнюю сложность данного прибора, он работает по вполне понятному физическому принципу. Внутри магнитометра находится небольшой постоянный магнит, реагирующий на магнитное поле, с которым контактирует. Магнит находится в подвешенном состоянии на упругой подвеске, позволяющей ему прокручиваться. Она практически не обладает своей жесткостью, поэтому не удерживает его и позволяет прокручиваться без сопротивления. Когда постоянный магнит реагирует с чужеродным полем направление которого или сила не совпадают с его собственным, происходит реакция притяжение или отторжения. В результате подвешенный постоянный магнит начинает проворачиваться, что фиксирует чувствительный датчик. Таким образом осуществляется измерение силы и направления стороннего магнитного поля.

Чувствительность магнитостатического прибора зависит от эталонного магнита, который в него установлен. Также на точность измерения влияет упругость подвески.

Индукционные

Индукционные магнитометры имеют внутри катушку с проволочной обмоткой из токопроводящего материала. Она находится под напряжением от аккумуляторного источника питания. Катушка создает собственное магнитное поле, которое начинает контактировать со сторонними полями, проходящими через ее контур. Чувствительные датчики реагируют на изменения, которые отображаются на катушке в результате такого взаимодействия. Они могут реагировать на вращение или колебания. У более сложных устройств датчики реагируют на изменение магнитной проницаемости сердечника катушки. Независимо от того каким образом фиксируется изменение, прибор отображает показатели внешних магнитных полей и позволяет определять местонахождение объектов, их размер и отдаленность.

Квантовые

Квантовый магнитометр реагирует на магнитный момент электронов, которые двигаются под действием внешних магнитных полей. Это дорогостоящее оборудование, которое применяется для лабораторных исследований, а также сложных поисков. Устройство фиксирует магнитный момент микрочастиц и напряженность измеряемого поля. Данное оборудование позволяет измерить напряженность слабых полей, в том числе тех которые находятся в космическом пространстве. Именно это оборудование применяется в георазведке для поиска глубоких залежей полезных ископаемых.

Отличие между моделями

Магнитометр представляет собой высокотехническое оборудование, которое может отличаться от других подобных приборов не только по физическому принципу реакции на изменение магнитного поля или чувствительности, но и по прочим характеристикам. Устройства могут отличаться друг от друга по следующим критериям:

• Наличию дисплея.
• Количеству датчиков.
• Наличию звукового индикатора.
• Погрешности измерения.
• Способу индикации.
• Продолжительности непрерывной работы.
• Габаритам и весу.

Что касается количества чувствительных датчиков, то чем их больше, тем более точным будет оборудование. Магнитометр может отображать свои измерения в числовом или графическом выражении. Сказать что лучше сложно, поскольку все зависит от особенностей условий, в которых проводится измерение. В определенных случаях нужно просто получить отображение показателей магнитного поля в цифрах, в то время как иногда больше нужно визуальное определение вектора его завихрений. Оптимальным вариантом являются комбинированные устройства, которые позволяют визуализировать показатели в цифровом и графическом отображении.