Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде

Наша Земля — огромный постоянный магнит, полюсы которого лежат в приполярных областях.
В районе магнитных полюсов вектор напряженности естественного магнитного поля перпендикулярен земной поверхности, а на экваторе параллелен ей.
В наших широтах угол между этим вектором и поверхностью Земли составляет 40...60 град, а напряженность естественного магнитного поля — около 50 А/м.
Приборы для измерения магнитного поля называют магнитометрами и строят на основе феррозондов — элементов, чувствительных к внешнему постоянному или медленно изменяющемуся магнитному полю.
Одностержневой феррозонд содержит ферромагнитный магнитопровод и намагничивающую катушку в форме охватывающего магнитопровод соленоида.
Напряженность Н магнитного поля внутри соленоида при протекании по нему тока I рассчитывают по формуле:
H = I * N / L
где L — длина соленоида, м,
N — число витков в нем.
Размерность напряженности поля — А/м, а произведение I*N принято называть числом ампер-витков.
Магнитное поле в веществе характеризуют магнитной индукцией, равной:
B = µ0 * µ * H
Произведение µ0 * µ называют абсолютной магнитной проницаемостью среды;
µ0= 4π * 10-7— магнитная постоянная;
µ — относительной магнитной проницаемостью среды.
У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость µ не только очень велика (у железа — 5000..10000, у пермаллоя 79НМ — до 100000...300000), но и зависит от напряженности намагничивающего поля.
При увеличении напряженности от нуля она быстро возрастает, достигает максимума, а затем (в очень сильных полях) падает и приближается к единице.
В результате этого катушка с ферромагнитным магнитопроводом обладает сильно выраженной нелинейностью — зависимостью индуктивности от напряженности магнитного поля.
Если такую катушку включить в колебательный контур автогенератора, при изменении внешнего магнитного поля будет изменяться не только частота, но и скважность генерируемых колебаний. Последнее объясняется тем, что в одном полупериоде внешнее поле складывается с внутренним, создаваемым протекающим по обмотке током, а в другом (после смены направления тока) вычитается из него. В результате индуктивность катушки в соседних полупериодах автоколебаний становится различной и они приобретают неодинаковую длительность.
В генерируемом напряжении образуется постоянная составляющая зависящая от напряженности внешнего магнитного поля.
Несложный датчик магнитного поля может быть изготовлен как для познавательных целей, так и для решения различных прикладных задач.
Он может быть использован в различных системах охраны, сигнализации и регистрации — везде, где требуется обнаруживать перемещение ферромагнитных предметов относительно датчика либо перемещение его самого в магнитном поле Земли или в поле, специально созданном постоянными магнитами.

Рисунок 3 Конструкция феррозонда, использованного в описываемом датчике.

На цилиндрическом каркасе 1 из текстолита или стеклотекстолита намотана обмотка 2. Она состоит из 640 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,125 мм, уложенного в два слоя. Длина обмотки — 50 мм. индуктивность без магнитопровода — 200...250 мкГн, активное сопротивление — 15..17 Ом.
Магнитопровод 3 представляет собой отрезки ленты из аморфного магнитного сплава толщиной 25 мкм и шириной 1 мм, уложенные в щель, пропиленную вдоль каркаса 1.
Такие сплавы сегодня широко используются при производстве тороидальных магнитопроводов.
Важное обстоятельство, способствующее их широкому внедрению, — необязательность отжига после механической обработки.
Число витков обмотки, толщина и ширина ленты могут меняться в широких пределах.
Магнитопровод можно изготовить также из пермаллоя 79НМ или подобного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, однако отжечь его в среде водорода в любительских условиях вряд ли удастся.

Рисунок 4 Схема датчика.

Колебательный контур автогенератора на ОУ DA1.1 образован феррозондом L1 и конденсатором С1.
Резистор R2 подбирают, добиваясь максимальной чувствительности датчика.
В изготовленном автором устройстве измеренный коэффициент преобразования магнитного поля — отношение приращения среднего значения напряжения на выходе DA1.1 к вызвавшему его изменению внешнего магнитного поля — достигал 4000 В/Тл.
Полосовой фильтр R4R5C2C3 пропускает лишь медленные изменения напряжения на выходе автогенератора, подавляя составляющие с частотой генерации (около 20 кГц) и ее гармоник.

Рисунок 5 АЧХ фильтра.

Коэффициент усиления ОУ DA1.2 устанавливают подстроечным резистором R7. Чем больше этот коэффициент, тем при меньшем изменении магнитного поля будут вспыхивать светодиоды HL1 и HL2.
Соответствие между вспыхнувшим светодиодом и направлением изменения поля устанавливают экспериментально.
Оно зависит например, от направления намотки обмотки феррозонда L1.
Сдвоенный ОУ КР1446УД11А можно заменить другим (например, TL072) с высоким входным сопротивлением.

Рисунок 6 Оптронная гальваническая развязка

Конденсаторы С1—СЗ — пленочные, например, К73-16. Заменять их керамическими не следует из-за недостаточной термостабильности последних.
Оксидные конденсаторы С4 и С5 могут быть отечественными или импортными любого типа.
Корпус датчика должен быть изготовлен из пластмассы или другого немагнитного материала.

Связать датчик с внешними исполнительными устройствами можно через оптронную гальваническую развязку, как показано на рис. 4.
Излучающие диоды сдвоенного оптрона подключают вместо светодиодов HL1 и HL2. Сигнал тревоги (открывание одного из соединенных параллельно фототранзисторов) будет подаваться при любом знаке изменения магнитного поля. Оптрон АОТ101АС можно заменить на АОТ101БС (при этом допустимый ток нагрузки возростает с 10 до 20 мА) или зарубежным аналогом TLP504A.
После сборки и монтажа датчик подключают к источнику питания и проверяют работу автогенератора. Для этого осциллографом контролируют форму напряжения на выходе ОУ DA1.
При перемещении феррозонда из горизонтального в вертикальное положение должно наблюдаться изменение скважности и частоты генерируемых колебаний.
Далее к точке соединения резистора R4 с конденсаторами С2 и СЗ подключают милливольтметр постоянного напряжения с высокоомным входом, например, мультиметр DT830. При совпадении продольной оси феррозонда с направлением вектора естественного магнитного поля Земли (в наших широтах около 50 град, относительно горизонта в плоскости магнитного меридиана) милливольтметр должен показать приблизительно 240 мВ по абсолютному значению.
Полярность зависит от того, как ориентирована продольная ось магнитопровода феррозонда, — по полю или против него.
С увеличением сопротивления резистора R2 это напряжение должно возрастать. Оно может достигать плюс или минус 500 мВ, однако стабильность работы автогенератора при этом ухудшается.
Быстрое изменение ориентации феррозонда должно приводить к включению светодиодов.
Через некоторое время после прекращения движения, зависящее от нижней частоты среза полосового фильтра, вспыхнувший светодиод гаснет.
Далее, закрепив феррозонд неподвижно, проверяют чувствительность датчика к приближению и удалению различных ферромагнитных предметов, обладающих остаточной намагниченностью.
Можно проверить зависимость чувствительности датчика от его положения относительно вектора естественного магнитного поля и от скорости перемещения объектов.
Значительное влияние на работу датчика. построенного по рассмотренной схеме, оказывает температурный дрейф нуля ОУ DA1.2. Чтобы уменьшить это влияние, можно заменить усилитель, построенный по схеме УПТ, двумя-тремя ступенями усиления переменного напряжения (с разделительными конденсаторами между ними). Для этого можно заменить сдвоенный ОУ счетверенным. например, TL074.