應(yīng)用筆記

介紹 通過結(jié)合Speake FGM-3磁場(chǎng)傳感器和Pico ADC-16數(shù)據(jù)記錄器，可以以低成本實(shí)現(xiàn)一種能夠監(jiān)測(cè)和記錄地球場(chǎng)微小變化的簡單儀器。 該實(shí)驗(yàn)描述了基于Speake FGM-3傳感器和LM2917頻率/電壓轉(zhuǎn)換器附帶的數(shù)據(jù)表的儀器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 該實(shí)驗(yàn)的主要目的是監(jiān)測(cè)地球的磁場(chǎng)，但次要目標(biāo)是利用設(shè)備數(shù)據(jù)表的簡單方法，并計(jì)算元件值。

所需設(shè)備
安裝了PicoLog數(shù)據(jù)記錄軟件的PC ADC-16高分辨率 數(shù)據(jù)記錄器 磁強(qiáng)計(jì)電路（如下所述）

電路描述 如FGM-3附帶的數(shù)據(jù)表中所述，實(shí)驗(yàn)有5個(gè)子組件，它們是： FGM-3傳感器頭，使用半個(gè)4013 D型鎖存器將輸出除以2 基于十六進(jìn)制反相器（4069）和便宜的32kHz鐘表晶體的本地時(shí)鐘發(fā)生器電路 基于雙D型設(shè)備的數(shù)字調(diào)音臺(tái)（4013） 基于LM2917器件的電壓頻率轉(zhuǎn)換器 溫度監(jiān)控裝置（LM35DZ）

FGM-3傳感器 FGM-3傳感器的工作范圍約為±50微特斯拉，在12毫安時(shí)需要5伏的電源電壓，并輸出軌到軌矩形脈沖，其周期與場(chǎng)強(qiáng)成正比，因此輸出頻率為成反比。 該數(shù)據(jù)表引用了大約120 kHz至50 kHz的典型頻率范圍，器件確實(shí)變化，但通常當(dāng)前本地場(chǎng)的頻率約為65 kHz。使用半個(gè)4013 D型將其除以2。

本地時(shí)鐘發(fā)生器 本地時(shí)鐘發(fā)生器基于六角形逆變器，使用32 kHz鐘表晶體，因此穩(wěn)定。

數(shù)字調(diào)音臺(tái) 數(shù)字調(diào)音臺(tái)是4013 D型雙穩(wěn)態(tài)的一半，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸入，F(xiàn)GM-3傳感器驅(qū)動(dòng)另一個(gè)，設(shè)置和復(fù)位引腳接地。 Q引腳上器件的輸出將是兩個(gè)頻率之間的差值，為了本實(shí)驗(yàn)的目的，該頻率設(shè)置為大約500 Hz。 4013的輸出還可以連接到4069上的備用逆變器，以在需要時(shí)向頻率計(jì)提供緩沖輸出。

. 頻率到電壓設(shè)備 輸出頻率通過LM2917器件轉(zhuǎn)換為電壓，LM2917器件的輸出通過分壓器降低，以確保其保持在ADC-16的測(cè)量范圍內(nèi)，即<2.56伏。

. 溫度測(cè)量裝置 輸出頻率通過LM2917器件轉(zhuǎn)換為電壓，LM2917器件的輸出通過分壓器降低，以確保其保持在ADC-16的測(cè)量范圍內(nèi)，即<2.56伏。

電路設(shè)計(jì)考慮 物理布局并不重要，但整潔的邏輯布局將更容易處理。 傳感器本身應(yīng)位于環(huán)境溫度相當(dāng)恒定的地方，并且不會(huì)受到干擾。它也應(yīng)遠(yuǎn)離任何外部影響，包括任何會(huì)改變局部磁場(chǎng)的東西。 傳感器的輸出阻抗相當(dāng)?shù)停s為330Ω，因此它可以與電路的其余部分保持一定距離，但應(yīng)注意確保電纜不會(huì)接近任何潛在的噪聲源，例如電氣機(jī)械。 所有連接都應(yīng)牢固，并妥善保護(hù)，以確保不會(huì)出現(xiàn)意外短路，潮濕或意外接觸的風(fēng)險(xiǎn)。 靈敏度 FGM-3的靈敏度使得1000 Hz的擺幅可以提供大約1000 Gamma的范圍。 1 Gamma = 10 -5 Oersted = 1 nanotesla 這應(yīng)該提供足夠的空間來記錄磁暴和日常變化。 為避免與接近0 Hz相關(guān)的問題，建議設(shè)置混頻器，使擺幅以500 Hz為中心或高于500 Hz。精確校準(zhǔn)如下所述。

建立電路 磁力計(jì)的電路圖如附錄中的圖6所示。制造商的數(shù)據(jù)表應(yīng)與圖表一起查閱，以獲取所需的其他組件，例如。去耦電容等 FGM-3傳感器 傳感器可以從與電路其余部分相同的電源供電，或者可以提供更高的電源電壓，并且電源在傳感器端穩(wěn)定。如果采用這種方法，應(yīng)注意確保電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的熱量不會(huì)影響傳感器。可施加到FGM-3的最大電壓為7伏，但應(yīng)保持在5伏以避免損壞混頻器設(shè)備。 該電源還可用于為用于檢測(cè)FGM-3溫度的LM35D傳感器供電，但必須在傳感器端使用10μF和10 nF電容將電源線去耦。 有必要將傳感器引線延伸到FGM-3，以便接頭應(yīng)套上以避免短路。如果傳感器處于露天而不是絕緣，則應(yīng)將LM35DZ連接到其上，以確保其檢測(cè)到的溫度準(zhǔn)確。 時(shí)鐘發(fā)生器電路 時(shí)鐘電路采用32 kHz鐘表晶體，提供穩(wěn)定的頻率。額外的反相器可用于在4013混頻器之前緩沖信號(hào)，并向頻率計(jì)數(shù)器提供緩沖輸出。 頻率/電壓轉(zhuǎn)換器 用于實(shí)驗(yàn)的電路如LM2917的應(yīng)用筆記所示，并描述為“齊納穩(wěn)壓變頻器電壓”，但計(jì)算的元件值基于所提供的公式。 Vout = fin x Vcc x R x C. 根據(jù)設(shè)備靈敏度引用的數(shù)字，預(yù)計(jì)設(shè)備將設(shè)置為500 Hz差異，擺幅為±250 Hz。. 在這個(gè)例子中，選擇的組件值是：. [R        n100kΩ. C        4.7 nF. 削弱        1μF VCC        5 V 這對(duì)應(yīng)于750Hz輸出的最大電壓1.7625伏特，以及從250Hz到750Hz的變化的1.175伏特的擺動(dòng)。 鑒于ADC16的輸入擺幅為±2.5 V，輸出將通過電阻鏈進(jìn)行分頻，以確保在發(fā)生太陽活動(dòng)時(shí)保持在允許的開銷范圍內(nèi)。 LM2917的輸入通過聚丙烯1μF電容連接到混頻器的Q輸出，電阻為20kΩ接地。

測(cè)試儀器 在設(shè)置儀器之前可以執(zhí)行以下測(cè)試。 穩(wěn)壓器 在連接任何其他東西之前應(yīng)該檢查它，或者將有源設(shè)備插入套接字。 時(shí)鐘發(fā)生器 輸出應(yīng)為全電源（5 V）矩形波，其頻率約為32 kHz。所示的接地電容應(yīng)該適合于晶體，如果需要，可以用微調(diào)器替換一下，以稍微改變頻率。 FGM-3 輸出引腳應(yīng)具有5 V方波，其頻率隨傳感器的任何移動(dòng)（水平或垂直）而變化很大。 溫度感應(yīng)器 輸出將環(huán)境溫度反映為10 mV /°C，應(yīng)該看到用手指觸摸的反應(yīng)。 如果傳感器距離記錄設(shè)備很遠(yuǎn)，則可能需要使用設(shè)備應(yīng)用說明中建議的電路。

配置

要設(shè)置儀器，應(yīng)按圖所示進(jìn)行構(gòu)造，并將傳感器放置在預(yù)定位置 為了對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，傳感器應(yīng)放置在纏繞在成形器上的線圈內(nèi)，該線圈足夠大以容納傳感器，并且至少是傳感器的三倍。然后將包括溫度傳感器的整個(gè)組件放置在合適的容器中以提供熱質(zhì)量和絕緣，例如。聚苯乙烯盒中含有的干沙。它應(yīng)該在盒子里穩(wěn)定。 除非對(duì)其施加電壓，否則校準(zhǔn)線圈將不起作用。 溫度傳感器應(yīng)與FGM-3緊密接觸，并且機(jī)械穩(wěn)定。如果傳感器位于線圈架內(nèi)，則應(yīng)使用聚苯乙烯塞子“停止”前者，以保持內(nèi)部溫度。 傳感器頭組件應(yīng)對(duì)準(zhǔn)東/西，并且通過進(jìn)行非常小的水平調(diào)節(jié)，可以從混合器獲得大約500Hz的輸出。現(xiàn)在應(yīng)該讓它穩(wěn)定幾個(gè)小時(shí)。 如果需要，可以通過將小電流通過線圈以設(shè)置小的局部偏移，或者通過將小磁鐵放置在靠近組件的位置來獲得偏移，而不是移動(dòng)組件以獲得偏移，但是如果這樣做，則可以必須在調(diào)整后嚴(yán)格固定到位。

校準(zhǔn) 校準(zhǔn)過程用于確定使傳感器的輸出頻率改變1 Hz所需的磁場(chǎng)變化，然后測(cè)量由于1 Hz變化而發(fā)生的輸出電壓的變化。 傳感器 可以校準(zhǔn)傳感器以確定由于外部磁場(chǎng)引起的頻率變化，還應(yīng)校準(zhǔn)傳感器以確定溫度引起的變化。 這兩個(gè)數(shù)字均可用于一系列傳感器，并且可以使用，但為了獲得更好的精度，可以通過觀察輸出頻率隨溫度變化的變化來確定溫度引起的變化。 場(chǎng)/周期校準(zhǔn) 用簡單的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)好的相對(duì)校準(zhǔn)。該過程在FGM-3的應(yīng)用說明中有詳細(xì)描述。 應(yīng)改變施加到校準(zhǔn)線圈的電流，并應(yīng)觀察LM2917的輸出以獲得儀器的nT / mV校準(zhǔn)。通常，該數(shù)字約為1.6nT / mV。 溫度/周期校準(zhǔn) 溫度和輸出周期之間的關(guān)系基本上是線性的。通過在延長的時(shí)間段內(nèi)監(jiān)視設(shè)備，然后使用復(fù)制工具將溫度輸出和f / V的輸出粘貼到電子表格程序（例如Microsoft Excel）中，可以實(shí)現(xiàn)精確的校準(zhǔn)。 通過添加“趨勢(shì)線”，Excel將以y = mx + c的形式顯示公式，其中： “ ? ”是任意基于所述實(shí)驗(yàn)的起始溫度偏移，典型地大約100 “ m ”將是溫度的影響（x）和將約為2.6 該公式可用于計(jì)算局部場(chǎng)中變化的補(bǔ)償值。 F / V轉(zhuǎn)換器

進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 在安裝之前，應(yīng)允許儀器在原位穩(wěn)定，因?yàn)樗薪M件需要幾個(gè)小時(shí)才能達(dá)到穩(wěn)定的工作溫度。 在此期間應(yīng)觀察到確保沒有意外的外部影響影響傳感器。該儀器能夠檢測(cè)小型車輛，例如超過100英尺的福特Ka，因此會(huì)受到交通的影響。 設(shè)置系統(tǒng)的過程只需要進(jìn)行一次，所需的計(jì)算與結(jié)果一起存儲(chǔ)，并且可以根據(jù)需要從文件中調(diào)用，并且可以在必要時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。 請(qǐng)注意，儀器會(huì)收集與記錄運(yùn)行開始時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此輸出和溫度的當(dāng)前值在啟動(dòng)時(shí)有效歸零。

采樣 應(yīng)該選擇采樣間隔以反映所需信息，例如，如果已經(jīng)接收到太陽活動(dòng)的警告，則可以將間隔設(shè)置為相對(duì)短的時(shí)間段，例如。1分鐘或更短時(shí)間。對(duì)于近場(chǎng)的更一般觀察，可以將采樣率設(shè)置為更大的間隔。

絕對(duì)值 如果已知局部場(chǎng)的絕對(duì)值，則可以使用計(jì)算的參數(shù)來添加它。 世界上有許多電臺(tái)可以提供近場(chǎng)的當(dāng)前價(jià)值，包括英國的SAMNET。除了提供即時(shí)價(jià)值之外，SAMNET網(wǎng)站還提供了一種根據(jù)已建立的監(jiān)測(cè)站檢查一個(gè)結(jié)果的方法。