El tipo más famoso de equipo de prospección magnética es magnetómetro. Su versión modificada es gradiómetro. Los principios para medir el campo magnético en estos dispositivos son los mismos: pueden ser protones, fluxgate, cuánticos, etc., solo que las soluciones de diseño son diferentes, lo que permite resolver problemas ligeramente diferentes.

Figura 1. Campo magnético tridimensional de una ciudad antigua.

Consideremos los tipos de magnetómetros más utilizados. En primer lugar, se trata, por supuesto, de protones, de fluxgate y de magnetómetros cuánticos. Todos ellos tienen ciertas ventajas y desventajas. Por supuesto, también existen magnetómetros criogénicos, magnetómetros de efecto Hall y magnetómetros de inducción. Pero los magnetómetros peatonales que son de interés para la investigación arqueológica son, por supuesto, los de protones, los de flujo y, en menor medida, los cuánticos. Consideremos sus características comparativas.

Parecería que la principal característica de un magnetómetro es la sensibilidad. Sin embargo, esto no es del todo cierto. Por ejemplo, magnetómetros criogénicos alcanzan fácilmente una sensibilidad de 0,0001 nT, pero son tan inconvenientes, voluminosos y caprichosos que ni siquiera se utilizan en la versión aero (aunque ha habido intentos).

Magnetómetros cuánticos También son bastante capaces de mostrar una precisión de 0,01 nT, pero tienen restricciones muy estrictas en la orientación de los sensores. Se han utilizado con éxito durante muchos años en estudios aeromagnéticos.

Magnetómetros Fluxgate, que tienen una precisión de medición muy alta y la capacidad de producir no una señal discreta, como los magnetómetros cuánticos y de protones, sino una señal continua, son sensibles a los cambios de temperatura, lo que causa a los diseñadores algunos problemas con el "deslizamiento cero" del dispositivo.

Magnetómetros de protones, al ser menos sensible, resultó muy bueno en términos de estabilidad, baja susceptibilidad a los cambios de temperatura y orientación a los puntos cardinales (aunque esta última todavía está presente). Las desventajas de los sensores de protones incluyen la discreción de las mediciones, lo que requiere detenerse en cada punto, el volumen y el gran peso de los sensores, así como la imposibilidad de realizar mediciones en campos intensos.

Más sobre la sensibilidad. Si ve una sensibilidad de 0,1 nT en el pasaporte del dispositivo, ¡esto no significa en absoluto que podrá detectar una anomalía de al menos 1 nT! En primer lugar, este 0,1 nT se superpone a la deriva de temperatura del cero del instrumento (varios nT). En segundo lugar, la influencia de la orientación espacial del dispositivo es de otros 2-4 nT. Bueno, y, por supuesto, las variaciones del campo geomagnético que ya nos son familiares.

En resumen, como muestra la práctica a largo plazo, es imposible identificar una anomalía con una amplitud inferior a 3-7 nT durante un estudio peatonal de área estándar. Durante el estudio de rutas (cuando un motor de búsqueda sigue una ruta determinada, a menudo sobre terreno accidentado), al intentar identificar una anomalía basándose en las lecturas actuales del dispositivo, es muy difícil detectar una anomalía incluso de 10 a 20 nT. Así, cuando realices una búsqueda, podrás cambiar de forma segura la sensibilidad de tu dispositivo de 0,1 a 1 nT y empezar a trabajar sin cansarte de mirar las décimas en la pantalla.

Otra característica importante de un magnetómetro es el método de registro. Si la información se muestra solo en la pantalla en formato digital y (o) en medios magnéticos, entonces, por supuesto, se trata de un dispositivo destinado a trabajos de reconocimiento de áreas. Estos trabajos son bastante complejos, requieren costos de material y tiempo, y el resultado, presentado en forma de mapas del campo magnético del sitio, se obtiene solo después de un cierto tiempo.

El dispositivo de búsqueda debe tener una indicación luminosa (escala cambiante) y sonora. Esto le permite ver rápidamente, durante la investigación de campo, una anomalía, encontrar su centro y tomar inmediatamente una decisión con respecto a sus perspectivas. El dispositivo de búsqueda más común es un detector de metales portátil, pero su profundidad deja mucho que desear, aunque los fabricantes han llevado otras características (discriminación, precisión de detección de objetivos, etc.) a un alto nivel.

Se cumplen los requisitos para un dispositivo de siembra profunda más potente magnetómetros-gradientómetros. Al ser, de hecho, dos magnetómetros combinados en un solo dispositivo, el gradiómetro proporciona al propietario información no sobre el valor numérico del campo en el punto de medición, sino sobre la diferencia de campo entre dos puntos en el espacio: sobre el gradiente. Dado que el gradiente del campo terrestre, las estructuras geológicas y las variaciones del tiempo es extremadamente pequeño, el gradiómetro lo ignora. Pero el gradiente de los resultados de la actividad humana, por el contrario, es grande. El campo de los pequeños objetos de la actividad humana es pequeño, pero se atenúa tan rápidamente que esta atenuación (gradiente) se registra fácilmente con un gradiómetro sin necesidad de construir primero mapas de campo magnético. Un magnetómetro normal también detectará esta diferencia, pero para ello el operador tendrá que tomar no una, sino dos mediciones en cada punto: debajo, al nivel del suelo y 1-2 metros arriba, lo que, por supuesto, es un inconveniente. Pero para medir correctamente el campo con un magnetómetro es necesario detenerse en cada punto, lo que resulta doblemente inconveniente.

Cómo hacer usted mismo un variómetro (magnetómetro) ¿Es posible controlar usted mismo las perturbaciones en el campo magnético de la Tierra? La respuesta es obvia: sí, es posible, y la forma más sencilla de hacerlo es consultar periódicamente los datos del observatorio magnético más cercano en Internet. Bueno, si no tienes una computadora o Internet cerca y vives en una región de Rusia donde no hay un observatorio magnético cerca, puedes fabricar tú mismo un dispositivo que te ayudará a juzgar el estado del campo magnético de la Tierra. Además de un termómetro y un barómetro domésticos, una brújula puede ser un dispositivo igualmente sencillo y útil para registrar perturbaciones en el campo magnético de la Tierra. No intente ver cómo se mueve la aguja de la brújula durante una tormenta magnética: esta imagen está en la conciencia de los autores de obras de arte. En octubre de 2003 se observó una de las tormentas magnéticas más grandes de los últimos 100 años en la latitud de Moscú: la desviación máxima en la componente horizontal alcanzó un valor de aproximadamente 2000 nT, que, siendo el valor de la componente H propiamente dicha de 17 000 nT , es sólo el 10%. Teniendo en cuenta que dicho cambio dura unidades y decenas de minutos, es decir El proceso de cambio del campo magnético en sí es bastante lento: es necesario mantener la vista en la aguja de la brújula durante al menos 15 minutos para notar tal desviación. Está claro que es casi imposible captar ese momento sin disponer de un sistema de registro continuo de las variaciones del campo magnético. Debe tenerse en cuenta que la variación solar-diurna regular en un campo tranquilo está en el rango de 30-40 nT, es decir 0,05%, en tormentas magnéticas promedio la desviación es de 200-300 nT, es decir alrededor del 0,5%. De esto se desprende que un dispositivo para controlar las perturbaciones del campo magnético debe ser un sensor suficientemente sensible con registro electrónico. Como ejemplo, puede ver el desarrollo de dispositivos sencillos para observar usted mismo las variaciones del campo magnético en el sitio web del Laboratorio de Física Ionosférica de la Universidad de Lancaster http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/aurorawatch/detectors/ results.html o en el sitio web del proyecto POETRY (PublicOutreach, Education, Teaching andReaching Youth), consulte http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/. Para empezar, puede intentar montar el detector de perturbaciones más simple: un imán suspendido en una botella de plástico. Para tomar lecturas se utiliza un espejo y un iluminador, de modo que el conejito reflejado quede fijado sobre una hoja de papel a cierta distancia del detector. Al observar periódicamente los movimientos del conejito en un papel, se pueden notar perturbaciones en el campo magnético. En los sitios web de la Universidad de Lancaster y del proyecto POETRY toda la estructura se presenta con tanta claridad que no debería haber problemas con su repetición, los detalles del diseño son muy simples. Pero hay que tener en cuenta que la sensibilidad de dicho detector es baja y sólo se podrán detectar grandes tormentas, que ocurren sólo unas pocas veces al año. Se puede construir un detector más sensible con una buena brújula. Este diseño requerirá conocimiento y capacidad para ensamblar circuitos electrónicos. Los detalles del diseño se presentan en el mismo sitio web de la Universidad de Lancaster, ver http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/aurorawatch/detectors/compass.html Un diagrama del magnetómetro y recomendaciones para su montaje se presentan en la sitio web http://www.sam-europe.de/en/index_en.html. De la información presentada, podemos llegar a la conclusión de que la información sobre las perturbaciones en el campo magnético de la Tierra se puede obtener de muchas fuentes, incluso hasta el punto de realizar observaciones usted mismo. Está claro que tales observaciones serán inferiores a las de los observatorios magnéticos profesionales, pero para proyectos educativos o de aficionados este enfoque está bastante justificado. Club "Helios"

Un magnetómetro es un dispositivo que se utiliza para explorar el campo magnético de la Tierra o buscar objetos ocultos. Según el principio de funcionamiento, el dispositivo se parece un poco a un detector de metales que reacciona a superficies metálicas, con la excepción de que es sensible al campo magnético natural de la Tierra, así como a grandes objetos no metálicos que tienen sus propios campo residual. El dispositivo ha encontrado su aplicación en diversos sectores de la industria y la ciencia, ya que permite registrar anomalías naturales y también acelera la búsqueda de objetos.

¿Por qué se utiliza un magnetómetro?

Los magnetómetros responden a un campo magnético y expresan su fuerza en varias unidades físicas de medida. En este sentido, existen muchos tipos de estos dispositivos, cada uno de los cuales está adaptado para un propósito de búsqueda específico. Las modificaciones de estos dispositivos se utilizan en decenas de ramas de la ciencia y la industria:

• Geología.
• Arqueología.
• Navegación.
• Sismología.
• Inteligencia militar.
• Geocronología.

EN geología Con un magnetómetro se pueden encontrar minerales sin necesidad de realizar perforaciones de prueba para tomar muestras. El dispositivo permite registrar una veta rica en minerales y tomar una decisión sobre la conveniencia de iniciar la explotación minera en la zona. Además, con la ayuda de este equipo, es posible determinar dónde se encuentran las fuentes subterráneas de agua potable, cómo se ubican y su volumen. Gracias a esto, puedes decidir de antemano dónde construir un pozo o pozo para llegar al agua sin necesidad de una profundización máxima.

Los magnetómetros se utilizan en arqueología durante las excavaciones. Le permiten responder a cimientos de edificios, estatuas y otros objetos escondidos en las profundidades del subsuelo que tienen magnetización residual. En primer lugar, se trata de ladrillo o piedra cocidos. El dispositivo responde a antiguos hogares y estufas escondidos en las profundidades del subsuelo. Se puede utilizar para buscar objetos en el hielo o la nieve.

El magnetómetro también se utiliza en navegación. Con su ayuda, se determina el campo magnético de la Tierra, como resultado de lo cual es posible obtener datos sobre la dirección del movimiento en caso de desorientación. Estos dispositivos se utilizan en el transporte aéreo y marítimo. Los magnetómetros son equipos necesarios en estaciones espaciales y transbordadores.

EN sismología Los magnetómetros que reaccionan al campo magnético de la Tierra permiten predecir un terremoto, ya que cuando cambian las características de las placas tectónicas, se alteran los indicadores habituales del campo. De esta forma es posible identificar nuevas grietas subterráneas a través de las cuales podría iniciarse una erupción.

EN inteligencia militar Este equipo permite buscar objetivos militares ocultos a los radares convencionales. Con un magnetómetro se puede identificar un submarino que se encuentra en el fondo del mar o del océano.

EN geocronología La edad de las rocas puede determinarse por la fuerza de la magnetización residual. Existen métodos más precisos, pero con un magnetómetro esto se puede hacer en segundos, sin necesidad de costosos análisis.

Tipos de magnetómetros según principio de funcionamiento.

Según su principio de funcionamiento, los magnetómetros se dividen en 3 tipos:

• Magnetostático.
• Inducción.
• Cuántico.

Cada variedad reacciona a un campo magnético externo utilizando un principio físico específico. A partir de estos tres tipos se han creado varios tipos de magnetómetros altamente especializados, que son más precisos para realizar mediciones en determinadas condiciones.

Magnetostático

A pesar de la complejidad externa de este dispositivo, funciona según un principio físico completamente comprensible. Dentro del magnetómetro hay un pequeño imán permanente que responde al campo magnético con el que entra en contacto. El imán está suspendido sobre una suspensión elástica, lo que le permite girar. Prácticamente no tiene rigidez, por lo que no lo sujeta y permite desplazarse sin resistencia. Cuando un imán permanente reacciona con un campo extraño cuya dirección o fuerza no es la misma que la suya, se produce una reacción de atracción o rechazo. Como resultado, el imán permanente suspendido comienza a girar, lo que detecta el sensor sensible. De esta forma se miden la fuerza y ​​dirección del campo magnético externo.

La sensibilidad de un dispositivo magnetostático depende del imán de referencia que esté instalado en él. La elasticidad de la suspensión también afecta la precisión de la medición.

Inducción

Los magnetómetros de inducción tienen en su interior una bobina con un alambre enrollado hecho de material conductor. Se energiza desde la fuente de alimentación de la batería. La bobina crea su propio campo magnético, que comienza a entrar en contacto con campos de terceros que pasan por su circuito. Los sensores sensibles responden a los cambios que se muestran en la bobina como resultado de esta interacción. Pueden responder a la rotación o vibración. En dispositivos más complejos, los sensores responden a cambios en la permeabilidad magnética del núcleo de la bobina. Independientemente de cómo se registre el cambio, el dispositivo muestra indicadores de campos magnéticos externos y le permite determinar la ubicación de los objetos, su tamaño y distancia.

Cuántico

Un magnetómetro cuántico responde al momento magnético de los electrones que se mueven bajo la influencia de campos magnéticos externos. Se trata de equipos costosos que se utilizan para investigaciones de laboratorio, así como para búsquedas complejas. El dispositivo registra el momento magnético de las micropartículas y la intensidad del campo medido. Este equipo permite medir la intensidad de campos débiles, incluidos los que se encuentran en el espacio exterior. Es este equipo el que se utiliza en geoexploración para buscar depósitos minerales profundos.

Diferencia entre modelos

Un magnetómetro es un equipo altamente técnico que puede diferenciarse de otros dispositivos similares no solo en el principio físico de respuesta a cambios en el campo magnético o en la sensibilidad, sino también en otras características. Los dispositivos pueden diferir entre sí según los siguientes criterios:

• Disponibilidad de display.
• Número de sensores.
• La presencia de un indicador de sonido.
• Errores de medición.
• Método de indicación.
• Duración del funcionamiento continuo.
• Dimensiones y peso.

En cuanto al número de sensores sensibles, cuantos más haya, más preciso será el equipo. El magnetómetro puede mostrar sus medidas de forma numérica o gráfica. Es difícil decir cuál es mejor, ya que todo depende de las características de las condiciones en las que se realiza la medición. En algunos casos, basta con obtener una visualización de los indicadores del campo magnético en números, mientras que a veces se necesita una determinación más visual del vector de sus vórtices. La mejor opción son los dispositivos combinados que le permiten visualizar indicadores en pantalla digital y gráfica.

Magnetómetro Diseñado para medir la inducción de campos magnéticos. El magnetómetro utiliza un campo magnético de referencia, que permite, a través de ciertos efectos físicos, convertir el campo magnético medido en una señal eléctrica.
El uso aplicado de magnetómetros para detectar objetos masivos hechos de materiales ferromagnéticos (generalmente acero) se basa en la distorsión local del campo magnético terrestre por parte de estos objetos. La ventaja de utilizar magnetómetros sobre los detectores de metales tradicionales es que rango de detección más largo.

Magnetómetros Fluxgate (vectoriales)

Un tipo de magnetómetro es . El fluxgate fue inventado por Friedrich Förster ( )

En 1937 y sirve para determinar vector de inducción de campo magnético.

Diseño de puerta de flujo

Fluxgate de varilla única

El fluxgate más simple consiste en una varilla de aleación permanente sobre la cual se coloca una bobina de excitación (( bobina impulsora), alimentado por corriente alterna, y una bobina de medición ( bobina detectora).

Permalloy- una aleación con propiedades magnéticas suaves, compuesta por hierro y entre un 45 y un 82% de níquel. La aleación permanente tiene una alta permeabilidad magnética (permeabilidad magnética relativa máxima ~100.000) y baja coercitividad. Una marca popular de aleación permanente para la fabricación de compuertas de flujo es 80НХС - 80% níquel + cromo y silicio con una inducción de saturación de 0,65-0,75 T, que se utiliza para núcleos de transformadores, bobinas y relés de pequeño tamaño que funcionan en campos débiles de pantallas magnéticas. para núcleos de transformadores de impulsos, amplificadores magnéticos y relés sin contacto, para núcleos de cabezales magnéticos.
La dependencia de la permeabilidad magnética relativa de la intensidad del campo para algunas variedades de aleación permanente tiene la forma:

Si se aplica un campo magnético constante al núcleo, aparece un voltaje en la bobina de medición. incluso armónicos, cuya magnitud sirve como medida de la fuerza de un campo magnético constante. Este voltaje se filtra y mide.

Fluxgate de doble varilla

Un ejemplo es el dispositivo descrito en el libro. Karalisa V.N."Circuitos electrónicos en la industria" -



El dispositivo está diseñado para medir campos magnéticos constantes en el rango de 0,001 ... 0,5 oersted.
Devanados de campo del sensor L1 Y L3 contador incluido. bobinado de medición L2 enrollado sobre los devanados de campo. Los devanados de campo funcionan con una corriente de 2 kHz procedente de un generador push-pull con retroalimentación inductiva. El modo generador se estabiliza mediante corriente continua mediante un divisor de resistencia. R8 Y R9.

fluxgate con núcleo toroidal
Una de las opciones de diseño populares para un magnetómetro fluxgate es un fluxgate con un núcleo toroidal ( Fluxgate de núcleo de anillo) -

En comparación con las compuertas de flujo de varilla, este diseño tiene menos ruido y requiere creación fuerza magnetomotriz mucho menor.

Este sensor es devanado de excitación, enrollado sobre un núcleo toroidal, a través del cual fluye una corriente alterna con una amplitud suficiente para saturar el núcleo, y bobinado de medición, del cual se elimina la tensión alterna, que se analiza para medir el campo magnético externo.
El devanado de medición se enrolla sobre el núcleo toroidal, cubriéndolo por completo (por ejemplo, en un marco especial).


Este diseño es similar al diseño fluxgate original (se agrega un capacitor para lograr resonancia en el segundo armónico).

Aplicaciones de los magnetómetros de protones.
Los magnetómetros de protones se utilizan ampliamente en la investigación arqueológica.
El magnetómetro de protones se menciona en la novela de ciencia ficción "Atrapado en el tiempo" de Michael Crichton. Línea de tiempo") -
Señaló más allá de sus pies. Tres pesadas carcasas amarillas estaban sujetas a los puntales delanteros del helicóptero. "En este momento llevamos cartógrafos estéreo del terreno, infrarrojos, UV y radares de escaneo lateral". Kramer señaló por la ventana trasera, hacia un tubo plateado de dos metros de largo que colgaba debajo del helicóptero en la parte trasera. “¿Y qué es eso?” "Magnetómetro de protones". "Ajá. ¿Y qué hace?" "Busca anomalías magnéticas en el suelo debajo de nosotros que podrían indicar paredes, cerámica o metal enterrados".

Magnetómetros de cesio

Un tipo de magnetómetros cuánticos son los magnetómetros atómicos de metales alcalinos con bombeo óptico.

magnetómetro de cesio G-858

Magnetómetros Overhauser

Magnetómetros de estado sólido

Los más accesibles son los magnetómetros integrados en los teléfonos inteligentes. Para Androide una buena aplicación usando un magnetómetro es . La página de esta aplicación es http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Configurar magnetómetros

Para probar el fluxgate puedes usar. Las bobinas de Helmholtz se utilizan para producir un campo magnético casi uniforme. Idealmente, representan dos espiras anulares idénticas conectadas entre sí en serie y situadas a una distancia de un radio de espira entre sí. Normalmente, las bobinas de Helmholtz constan de dos bobinas en las que se enrollan un cierto número de vueltas y el grosor de la bobina debe ser mucho menor que su radio. En sistemas reales, el espesor de las bobinas puede ser comparable a su radio. Por tanto, podemos considerar un sistema de anillos de Helmholtz como dos bobinas idénticas ubicadas coaxialmente, cuya distancia entre cuyos centros es aproximadamente igual a su radio medio. Este sistema de bobina también se llama solenoide dividido ( solenoide dividido).

En el centro del sistema hay una zona de campo magnético uniforme (campo magnético en el centro del sistema en un volumen de 1/3 del radio de los anillos homogéneo dentro del 1%), que se puede utilizar para fines de medición, para calibrar sensores de inducción magnética, etc.

La inducción magnética en el centro del sistema se define como $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\right) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
donde $N$ es el número de vueltas en cada bobina, $I$ es la corriente a través de las bobinas, $R$ es el radio promedio de la bobina.

Las bobinas de Helmholtz también se pueden utilizar para proteger el campo magnético de la Tierra. Para hacer esto, es mejor usar tres pares de anillos mutuamente perpendiculares, entonces su orientación no importa.

El magnetómetro diferencial que le presentamos puede resultar muy útil para buscar objetos de hierro de gran tamaño. Es casi imposible buscar tesoros con un dispositivo de este tipo, pero es indispensable cuando se buscan tanques, barcos y otros tipos de equipo militar hundidos a poca profundidad.

El principio de funcionamiento de un magnetómetro diferencial es muy sencillo. Cualquier objeto ferromagnético distorsiona el campo magnético natural de la Tierra. Estos artículos incluyen cualquier cosa hecha de hierro, hierro fundido y acero. La distorsión del campo magnético también puede verse influenciada significativamente por la propia magnetización de los objetos, que ocurre a menudo. Después de registrar la desviación de la intensidad del campo magnético con respecto al valor de fondo, podemos concluir que hay un objeto de material ferromagnético cerca del dispositivo de medición.

La distorsión del campo magnético terrestre lejos del objetivo es pequeña y se estima por la diferencia en las señales de dos sensores separados por cierta distancia. Por eso el dispositivo se llama diferencial. Cada sensor mide una señal proporcional a la intensidad del campo magnético. Los más utilizados son los sensores ferromagnéticos y los sensores basados ​​en la precesión magnetónica de protones. El dispositivo en cuestión utiliza sensores del primer tipo.

La base de un sensor ferromagnético (también llamado fluxgate) es una bobina con un núcleo hecho de material ferromagnético. Una curva de magnetización típica para dicho material se conoce bien en un curso de física escolar y, teniendo en cuenta la influencia del campo magnético de la Tierra, tiene la siguiente forma, que se muestra en la Fig. 29.

Arroz. 29. Curva de magnetización

La bobina se excita mediante una señal portadora sinusoidal alterna. Como se puede ver en la Fig. 29, el desplazamiento de la curva de magnetización del núcleo ferromagnético de la bobina por el campo magnético externo de la Tierra conduce al hecho de que la inducción del campo y el voltaje asociado en la bobina comienzan a distorsionarse de manera asimétrica. En otras palabras, el voltaje del sensor con una corriente sinusoidal de frecuencia portadora se diferenciará de la sinusoide por picos de media onda más "aplanados". Y estas distorsiones serán asimétricas. En el lenguaje del análisis espectral, esto significa la aparición en el espectro del voltaje de salida de la bobina de armónicos pares, cuya amplitud es proporcional a la fuerza del campo magnético polarizado (campo terrestre). Son estos armónicos pares los que es necesario “captar”.

Arroz. 30. Sensor ferromagnético diferencial

Antes de mencionar un detector síncrono que naturalmente se propone para este propósito, operando con una señal de referencia del doble de la frecuencia portadora, consideremos el diseño de una versión complicada de un sensor ferromagnético. Consta de dos núcleos y tres bobinas (Fig. 30). En esencia, se trata de un sensor diferencial. Sin embargo, por simplicidad, más adelante en el texto no lo llamaremos diferencial, ya que el magnetómetro en sí ya es diferencial :).

El diseño consta de dos núcleos ferromagnéticos idénticos con bobinas idénticas dispuestas en paralelo una al lado de la otra. En relación con la señal eléctrica excitadora de la frecuencia de referencia, están conectados en contracorriente. La tercera bobina es un devanado enrollado encima de las dos primeras bobinas centrales plegadas juntas. En ausencia de un campo magnético de polarización externo, las señales eléctricas del primer y segundo devanado son simétricas e, idealmente, actúan de tal manera que no hay señal de salida en el tercer devanado, ya que los flujos magnéticos a través de él están completamente compensados. .

En presencia de un campo magnético polarizado externo, la imagen cambia. Primero, uno u otro núcleo, en el pico de la correspondiente media onda, “vuela” hacia una saturación más profunda de lo habitual debido a la influencia adicional del campo magnético terrestre. Como resultado, aparece una señal de desajuste de doble frecuencia en la salida del tercer devanado. Idealmente, las señales armónicas fundamentales se compensan completamente allí.

La conveniencia del sensor en cuestión radica en el hecho de que sus bobinas pueden incluirse en circuitos oscilatorios para aumentar la sensibilidad. El primero y el segundo, en un circuito (o circuitos) oscilatorios sintonizados a la frecuencia portadora. El tercero, en un circuito oscilante sintonizado con el segundo armónico.

El sensor descrito tiene un patrón de radiación pronunciado. Su señal de salida es máxima cuando el eje longitudinal del sensor está ubicado a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético constante externo. Cuando el eje longitudinal es perpendicular a las líneas de fuerza, la señal de salida es cero.

Un sensor del tipo considerado, especialmente en combinación con un detector síncrono, puede funcionar con éxito como brújula electrónica. Su señal de salida después de la rectificación es proporcional a la proyección del vector de intensidad del campo magnético de la Tierra sobre el eje del sensor. La detección sincrónica permite conocer el signo de esta proyección. Pero incluso sin señal: al orientar el sensor según la señal mínima, obtenemos una dirección hacia el oeste o el este. Orientando al máximo, obtenemos la dirección de la línea del campo magnético de la Tierra. En latitudes medias (por ejemplo, en Moscú), va oblicuamente y se "pega" al suelo en dirección al norte. El ángulo de declinación magnética se puede utilizar para estimar aproximadamente la latitud geográfica de un área.

Los magnetómetros ferromagnéticos diferenciales tienen sus ventajas y desventajas. Las ventajas incluyen la simplicidad del dispositivo, no es más complicado que un receptor de radio con amplificación directa. Las desventajas incluyen la laboriosidad de la fabricación de sensores: además de la precisión, se requiere una coincidencia absolutamente exacta del número de vueltas de los devanados correspondientes. Un error de una o dos vueltas puede reducir en gran medida la posible sensibilidad. Otra desventaja es la naturaleza de "brújula" del dispositivo, es decir, la incapacidad de compensar completamente el campo de la Tierra restando señales de dos sensores espaciados. En la práctica, esto conduce a señales falsas cuando el sensor gira alrededor de un eje perpendicular al longitudinal.

Diseño práctico

El diseño práctico de un magnetómetro diferencial ferromagnético fue implementado y probado en una versión prototipo sin pieza electrónica especial para indicación sonora, utilizando únicamente un microamperímetro con un cero en el medio de la escala. El circuito de indicación sonora se puede extraer de la descripción del detector de metales según el principio de “transmisión-recepción”. El dispositivo tiene los siguientes parámetros.

Principales características técnicas

• Tensión de alimentación - 15... 18 V
• Consumo actual: no más de 50 mA

Profundidad de detección:

• pistola - 2 m
• cañón de cañón - 4 m
• tanque - 6m

Esquema estructural

El diagrama de bloques se muestra en la Fig. 31. Un oscilador maestro estabilizado por cuarzo produce pulsos de reloj para el acondicionador de señal.

Arroz. 31. Diagrama de bloques de un magnetómetro ferromagnético diferencial.

En una de sus salidas hay una onda cuadrada del primer armónico, que va al amplificador de potencia, que excita las bobinas radiantes de los sensores 1 y 2. La otra salida genera una onda cuadrada de la frecuencia de doble reloj de referencia con un ángulo de 90°. cambio para un detector sincrónico. La señal diferencial de los devanados de salida (tercer) de los sensores se amplifica en el amplificador receptor y se rectifica mediante un detector síncrono. La señal constante rectificada se puede registrar con un microamperímetro o con dispositivos de indicación sonora descritos en capítulos anteriores.

Diagrama esquemático

El diagrama esquemático de un magnetómetro ferromagnético diferencial se muestra en la Fig. 32 - parte 1: oscilador maestro, acondicionador de señal, amplificador de potencia y bobinas radiantes, fig. 33 - parte 2: bobinas receptoras, amplificador receptor, detector síncrono, indicador y fuente de alimentación.

Arroz. 32. Diagrama del circuito eléctrico - parte 1

El oscilador maestro se monta en los inversores D1.1-D1.3. La frecuencia del oscilador se estabiliza mediante un resonador Q de cuarzo o piezocerámico con una frecuencia de resonancia de 215 Hz = 32 kHz (“reloj de cuarzo”). El circuito R1C1 evita que el generador se excite con armónicos más altos. El circuito OOS se cierra a través de la resistencia R2 y el circuito POS se cierra a través del resonador Q. El generador es sencillo, tiene un bajo consumo de corriente, funciona de forma fiable con una tensión de alimentación de 3...15 V y no contiene elementos sintonizados ni resistencias demasiado altas. La frecuencia de salida del generador es de unos 32 kHz.

Acondicionador de señal(Figura 32)

El acondicionador de señal está montado sobre un contador binario D2 y un D-flip-flop D3.1. El tipo de contador binario no es importante, su tarea principal es dividir la frecuencia del reloj entre 2, 4 y 8, obteniendo así meandros con frecuencias de 16, 8 y 4 kHz, respectivamente. La frecuencia portadora para la excitación de las bobinas emisoras es de 4 kHz. Las señales con frecuencias de 16 y 8 kHz, que actúan sobre el D-flip-flop D3.1, forman en su salida una onda cuadrada duplicada con respecto a la frecuencia portadora de 8 kHz, desplazada 90° con respecto a la señal de salida de 8 kHz. kHz del contador binario. Tal cambio es necesario para el funcionamiento normal de un detector síncrono, ya que el mismo cambio tiene una útil señal de desajuste de doble frecuencia en la salida del sensor. La segunda mitad del microcircuito de dos flip-flops D - D3.2 no se usa en el circuito, pero sus entradas no utilizadas deben conectarse al 1 lógico o al 0 lógico para un funcionamiento normal, como se muestra en el diagrama.

Amplificador(Figura 32)

El amplificador de potencia no lo parece a primera vista y representa sólo potentes inversores D1.4 y D1.5, que en antifase hacen girar un circuito oscilatorio que consta de bobinas radiantes conectadas en serie y en paralelo del sensor y el condensador C2. Un asterisco junto a la clasificación del capacitor significa que su valor se indica aproximadamente y que debe seleccionarse durante la configuración. El inversor D1.6 no utilizado, para no dejar su entrada desconectada, invierte la señal del D1.5, pero prácticamente funciona “inactivo”. Las resistencias R3 y R4 limitan la corriente de salida de los inversores a un nivel aceptable y, junto con el circuito oscilante, forman un filtro de paso de banda de alta calidad, por lo que la forma del voltaje y la corriente en las bobinas emisoras del sensor casi coincide. con el sinusoidal.

Amplificador receptor(Figura 33)

El amplificador receptor amplifica la señal diferencial procedente de las bobinas receptoras del sensor, que junto con el condensador SZ forman un circuito oscilatorio sintonizado a una frecuencia doble de 8 kHz. Gracias a la resistencia de sintonización R5, las señales de las bobinas receptoras se restan con ciertos coeficientes de ponderación, que se pueden cambiar moviendo el control deslizante de la resistencia R5. Esto logra compensar los parámetros no idénticos de los devanados receptores del sensor y minimizar su "brújula".

El amplificador receptor es de dos etapas. Se ensambla utilizando los amplificadores operacionales D4.2 y D6.1 con retroalimentación de voltaje en paralelo. El condensador C4 reduce la ganancia a frecuencias más altas, evitando así la sobrecarga de la ruta de amplificación con interferencias de alta frecuencia de redes eléctricas y otras fuentes. Los circuitos de corrección del amplificador operacional son estándar.

Detector sincrónico(Figura 33)

El detector síncrono se fabrica utilizando el amplificador operacional D6.2 según un circuito estándar. El chip multiplexor-demultiplexor D5 CMOS 8 por 1 se utiliza como interruptores analógicos (Fig. 32). Su señal de dirección digital se mueve solo en el bit menos significativo, proporcionando una conmutación alternativa de los puntos K1 y K2 a un bus común. La señal rectificada se filtra mediante el condensador C8 y se amplifica mediante el amplificador operacional D6.2 con atenuación adicional simultánea de los componentes de RF sin filtrar mediante los circuitos R14C11 y R13C9. El circuito de corrección del amplificador operacional es estándar para el tipo utilizado.

Arroz. 33. Diagrama de circuito - parte 2. Amplificador receptor

Indicador(Figura 33)

El indicador es un microamperímetro con cero en el medio de la escala. La parte indicadora puede utilizar con éxito los circuitos de otros tipos de detectores de metales descritos anteriormente. En particular, como indicador se puede utilizar el diseño de un detector de metales basado en el principio de un frecuencímetro electrónico. En este caso, su oscilador LC se reemplaza por un oscilador RC y el voltaje de salida medido se alimenta a través de un divisor resistivo al circuito de ajuste de frecuencia del temporizador. Puede leer más sobre esto en el sitio web de Yuri Kolokolov.

El chip D7 estabiliza la tensión de alimentación unipolar. El amplificador operacional D4.1 crea una fuente de alimentación de punto medio artificial, lo que permite el uso de circuitos de amplificador operacional bipolar convencionales. Los condensadores de bloqueo cerámicos C18-C21 se montan muy cerca de las carcasas de los microcircuitos digitales D1, D2, D3, D5.

Tipos de piezas y diseño.

Los tipos de microcircuitos utilizados se indican en la tabla. 6.

Tabla 6. Tipos de chips utilizados

En lugar de microcircuitos de la serie K561, es posible utilizar microcircuitos de la serie K1561. Puede intentar utilizar algunos microcircuitos de la serie K176 o análogos extranjeros de las series 40ХХ y 40ХХХ.

Los amplificadores operacionales duales (op-amps) de la serie K157 se pueden reemplazar con cualquier amplificador operacional de uso general con parámetros similares (con los cambios apropiados en la configuración de pines y los circuitos de corrección).

No existen requisitos especiales para las resistencias utilizadas en el circuito del magnetómetro diferencial. Sólo necesitan tener un diseño duradero y en miniatura y ser fáciles de instalar. Disipación de potencia nominal 0,125...0,25 W.

Los potenciómetros R5, R16 son preferiblemente multivueltas para facilitar el ajuste preciso del dispositivo. El mango del potenciómetro R5 debe ser de plástico y debe tener una longitud suficiente para que el toque de la mano del operador durante el ajuste no provoque cambios en las lecturas del indicador debido a interferencias.

Condensador C16: electrolítico de cualquier tipo de tamaño pequeño.

Los condensadores de los circuitos oscilatorios C2* y SZ* constan de varios condensadores (5-10 unidades) conectados en paralelo. La sintonización del circuito a resonancia se realiza seleccionando el número de condensadores y su clasificación. Tipo recomendado de condensadores K10-43, K71-7 o análogos termoestables extranjeros. Puede intentar utilizar condensadores de película metálica o cerámica convencionales; sin embargo, si la temperatura fluctúa, tendrá que ajustar el dispositivo con más frecuencia.

Microamperímetro: cualquier tipo para una corriente de 100 μA con cero en el medio de la escala. Son convenientes los microamperímetros de tamaño pequeño, por ejemplo, el tipo M4247. Puede utilizar casi cualquier microamperímetro, e incluso un miliamperímetro, con cualquier límite de escala. Para hacer esto, debe ajustar los valores de las resistencias R15-R17 en consecuencia.

Resonador de cuarzo Q: cualquier reloj de cuarzo de tamaño pequeño (otros similares también se utilizan en juegos electrónicos portátiles).

Switch S1: cualquier tipo, de tamaño pequeño.

Las bobinas de los sensores están fabricadas sobre núcleos de ferrita redondos de 8 mm de diámetro (utilizados en antenas magnéticas de receptores de radio de las gamas CB y DV) y una longitud de unos 10 cm. Cada devanado consta de 200 vueltas de alambre de cobre con un de 0,31 mm de diámetro, enrollado uniformemente y herméticamente en dos capas con doble aislamiento de laca y seda. Se coloca una capa de lámina de pantalla sobre todos los devanados. Los bordes de la pantalla están aislados entre sí para evitar la formación de una espira en cortocircuito. La salida de la pantalla está realizada con alambre de cobre unipolar estañado. En el caso de una pantalla de papel de aluminio, este terminal se coloca sobre la pantalla en toda su longitud y se envuelve herméticamente con cinta aislante. En el caso de una pantalla de lámina de cobre o latón, el terminal está soldado.

Los extremos de los núcleos de ferrita están fijados en discos de centrado fluoroplásticos, gracias a los cuales cada una de las dos mitades del sensor se sujeta dentro de un tubo de plástico hecho de textolita, que sirve como carcasa, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 34.

Arroz. 34. Diseño de antena-sensor

La longitud del tubo es de unos 60 cm, cada una de las mitades del sensor se encuentra en el extremo del tubo y además se fija con sellador de silicona, que llena el espacio alrededor de los devanados y sus núcleos. El llenado se realiza a través de orificios especiales en el cuerpo de la tubería. Junto con las arandelas fluoroplásticas, este sellador confiere a la fijación de frágiles varillas de ferrita la elasticidad necesaria, lo que evita que se agrieten durante impactos accidentales.

Configurando el dispositivo

1. Asegúrese de que la instalación sea correcta.

2. Verifique el consumo de corriente, que no debe exceder los 100 mA.

3. Verificar el correcto funcionamiento del oscilador maestro y demás elementos de generación de señal de pulso.

4. Configure el circuito oscilatorio del sensor. Emitiendo - a una frecuencia de 4 kHz, recibiendo - a 8 kHz.

5. Asegúrese de que la ruta de amplificación y el detector síncrono estén funcionando correctamente.

Trabajando con el dispositivo

El procedimiento para configurar y operar el dispositivo es el siguiente. Salimos al sitio de búsqueda, encendemos el dispositivo y comenzamos a girar la antena del sensor. Es mejor en un plano vertical que pasa en dirección norte-sur. Si el sensor del dispositivo está en una varilla, entonces no puede girarlo, sino girarlo tanto como lo permita la varilla. La aguja indicadora se desviará (efecto brújula). Utilizando la resistencia variable R5 intentamos minimizar la amplitud de estas desviaciones. En este caso, el punto medio de las lecturas del microamperímetro se "moverá" y también será necesario ajustarlo con otra resistencia variable R16, que está diseñada para poner a cero. Cuando el efecto “brújula” se vuelve mínimo, el dispositivo se considera equilibrado.

Para objetos pequeños, el método de búsqueda con un magnetómetro diferencial no difiere del método de trabajo con un detector de metales convencional. Cerca de un objeto, la flecha puede desviarse en cualquier dirección. Para objetos grandes, la aguja indicadora se desviará en diferentes direcciones en un área grande.

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