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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 차동 자력계. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
우리가 주목하는 차동 자력계는 대형 철 물체를 검색하는 데 매우 유용할 수 있습니다. 이러한 장치로 보물을 찾는 것은 거의 불가능하지만, 얕게 가라앉은 탱크나 선박, 기타 군사장비를 찾는 데에는 꼭 필요한 장치이다. 차동 자력계의 작동 원리는 매우 간단합니다. 강자성 물체는 지구의 자연 자기장을 왜곡합니다. 이러한 품목에는 철, 주철 및 강철로 만들어진 모든 것이 포함됩니다. 자기장의 왜곡은 종종 발생하는 물체 자체의 자화에 의해 크게 영향을 받을 수도 있습니다. 배경 값과 자기장 강도의 편차를 기록하면 측정 장치 근처에 강자성 물질로 만들어진 물체가 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 목표물로부터 멀리 떨어진 지구 자기장의 왜곡은 작으며, 어느 정도 거리를 두고 떨어져 있는 두 센서의 신호 차이로 추정됩니다. 이것이 장치를 차동 장치라고 부르는 이유입니다. 각 센서는 자기장 강도에 비례하는 신호를 측정합니다. 가장 널리 사용되는 센서는 강자성 센서와 양성자의 자기 세차를 기반으로 하는 센서입니다. 문제의 장치는 첫 번째 유형의 센서를 사용합니다. 강자성 센서(플럭스게이트라고도 함)의 기본은 강자성 재료로 만들어진 코어가 있는 코일입니다. 이러한 물질의 일반적인 자화 곡선은 학교 물리학 과정에서 잘 알려져 있으며, 지구 자기장의 영향을 고려하면 그림 29과 같이 다음과 같은 형태를 갖습니다. XNUMX.
코일은 교번 정현파 반송파 신호에 의해 여기됩니다. 그림에서 볼 수 있듯이. 도 29에 도시된 바와 같이, 지구의 외부 자기장에 의한 코일의 강자성 코어의 자화 곡선의 변위는 코일의 자기장 유도 및 관련 전압이 비대칭 방식으로 왜곡되기 시작한다는 사실로 이어집니다. 즉, 캐리어 주파수의 정현파 전류를 갖는 센서 전압은 반파의 상단이 더 "평평해짐"에 따라 정현파와 다릅니다. 그리고 이러한 왜곡은 비대칭적입니다. 스펙트럼 분석의 언어에서 이는 짝수 고조파 코일의 출력 전압 스펙트럼에 나타나는 것을 의미하며, 그 진폭은 바이어스 자기장(지구장)의 강도에 비례합니다. "잡아야" 하는 것은 바로 이러한 고조파입니다.
이러한 목적을 위해 자연스럽게 제안되고 캐리어 주파수의 두 배인 기준 신호로 작동하는 동기 감지기를 언급하기 전에 강자성 센서의 복잡한 버전의 설계를 고려해 보겠습니다. 이는 30개의 코어와 XNUMX개의 코일로 구성됩니다(그림 XNUMX). 핵심은 차동 센서입니다. 그러나 단순화를 위해 자력계 자체가 이미 차동이므로 본문에서는 이를 차동이라고 부르지 않겠습니다. :) 이 디자인은 서로 평행하게 배열된 동일한 코일을 가진 두 개의 동일한 강자성 코어로 구성됩니다. 기준 주파수의 여기 전기 신호와 관련하여 역류로 연결됩니다. 세 번째 코일은 함께 접힌 처음 두 개의 코어 코일 위에 감긴 권선입니다. 외부 바이어스 자기장이 없는 경우 첫 번째 권선과 두 번째 권선의 전기 신호는 대칭이며 이상적으로는 세 번째 권선을 통과하는 자속이 완전히 보상되기 때문에 세 번째 권선에 출력 신호가 없는 방식으로 작동합니다. . 외부 바이어스 자기장이 있으면 그림이 변경됩니다. 해당 반파의 정점에 있는 첫 번째 코어 또는 다른 코어는 지구 자기장의 추가 영향으로 인해 평소보다 더 깊은 포화 상태로 "날아갑니다". 결과적으로 세 번째 권선의 출력에 이중 주파수 불일치 신호가 나타납니다. 기본 고조파 신호는 이상적으로 완전히 보상됩니다. 고려된 센서의 편리함은 감도를 높이기 위해 코일을 발진 회로에 포함할 수 있다는 사실에 있습니다. 첫 번째와 두 번째 - 반송파 주파수에 맞춰진 발진 회로(또는 회로)에 들어갑니다. 세 번째는 두 번째 고조파에 맞춰진 진동 회로입니다. 설명된 센서에는 뚜렷한 방사 패턴이 있습니다. 센서의 세로축이 외부 일정한 자기장의 힘선을 따라 위치할 때 출력 신호가 최대가 됩니다. 세로축이 힘선과 수직일 때 출력 신호는 XNUMX입니다. 특히 동기식 감지기와 함께 고려되는 유형의 센서는 전자 나침반으로 성공적으로 작동할 수 있습니다. 정류 후의 출력 신호는 센서 축에 대한 지구 자기장 강도 벡터의 투영에 비례합니다. 동기 감지를 통해 이 투영의 부호를 알아내는 것이 가능합니다. 그러나 표지판이 없더라도 최소 신호에 따라 센서의 방향을 지정하면 서쪽이나 동쪽 방향을 얻을 수 있습니다. 최대 방향을 향하면 지구 자기장선의 방향을 얻습니다. 중위도(예: 모스크바)에서는 비스듬히 이동하여 북쪽 방향으로 땅에 "붙어" 있습니다. 자기 편각은 해당 지역의 지리적 위도를 대략적으로 추정하는 데 사용될 수 있습니다. 차동 강자성 자력계에는 장점과 단점이 있습니다. 장점은 장치의 단순성이며 직접 증폭 라디오 수신기보다 더 복잡하지 않습니다. 단점은 센서 제조가 힘들다는 것입니다. 정확성 외에도 해당 권선의 회전 수와 절대적으로 정확히 일치해야 합니다. XNUMX~XNUMX회전의 오류는 가능한 감도를 크게 감소시킬 수 있습니다. 또 다른 단점은 장치의 "나침반" 특성, 즉 서로 떨어져 있는 두 개의 센서에서 신호를 빼는 방식으로 지구 자기장을 완전히 보상할 수 없다는 점입니다. 실제로 이는 센서가 세로 축에 수직인 축을 중심으로 회전할 때 잘못된 신호를 발생시킵니다. 실용적인 디자인 차동 강자성 자력계의 실제 설계는 소리 표시를 위한 특수 전자 부품 없이 눈금 중앙에 XNUMX이 있는 마이크로 전류계만 사용하여 프로토타입 버전에서 구현 및 테스트되었습니다. 소리 표시 회로는 "송신-수신" 원리를 기반으로 하는 금속 탐지기의 설명에서 따올 수 있습니다. 장치에는 다음 매개변수가 있습니다. 주요 기술 특성
탐지 깊이:
구조 계획 블록 다이어그램은 그림 31에 나와 있습니다. XNUMX. 석영 안정화 마스터 발진기는 신호 조절기에 대한 클록 펄스를 생성합니다.
출력 중 하나에는 센서 1과 2의 방사 코일을 자극하는 전력 증폭기로 가는 첫 번째 고조파의 구형파가 있습니다. 다른 출력은 90°의 기준 이중 클록 주파수의 구형파를 생성합니다. 동기 검출기의 이동. 센서 출력(세 번째) 권선의 차이 신호는 수신 증폭기에서 증폭되고 동기 감지기에 의해 정류됩니다. 정류된 상수 신호는 마이크로전류계나 이전 장에서 설명한 소리 표시 장치를 사용하여 기록할 수 있습니다. 회로도 차동 강자성 자력계의 개략도가 그림 32에 나와 있습니다. 1 - 파트 33: 마스터 발진기, 신호 조절기, 전력 증폭기 및 방사 코일, 그림. 2 - 파트 XNUMX: 수신 코일, 수신 증폭기, 동기 검출기, 표시기 및 전원 공급 장치.
마스터 발진기는 인버터 D1.1-D1.3에 조립됩니다. 발진기 주파수는 공진 주파수가 215Hz = 32kHz("시계 석영")인 석영 또는 압전세라믹 공진기 Q에 의해 안정화됩니다. 회로 R1C1은 발전기가 더 높은 고조파에서 여기되는 것을 방지합니다. OOS 회로는 저항 R2를 통해 닫히고 POS 회로는 공진기 Q를 통해 닫힙니다. 발전기는 간단하고 전류 소비가 낮으며 3~15V의 공급 전압에서 안정적으로 작동하고 조정된 요소나 지나치게 높은 저항 저항기를 포함하지 않습니다. 발생기의 출력 주파수는 약 32kHz입니다. 신호 조절기 (그림 32) 신호 처리기는 바이너리 카운터 D2와 D-플립플롭 D3.1에 조립됩니다. 이진 카운터의 유형은 중요하지 않으며 주요 작업은 클록 주파수를 2, 4 및 8로 나누어 각각 16, 8 및 4 kHz의 주파수를 갖는 미앤더를 얻는 것입니다. 방출 코일의 여기를 위한 반송파 주파수는 4kHz입니다. D-플립플롭 D16에 작용하는 8 및 3.1kHz 주파수의 신호는 출력에서 8kHz의 반송파 주파수에 대해 두 배로 된 구형파를 형성하며 출력 신호 90에 대해 8° 이동됩니다. 이진 카운터의 kHz입니다. 이러한 이동은 동기 감지기의 정상적인 작동을 위해 필요합니다. 동일한 이동이 센서 출력에서 유용한 이중 주파수 불일치 신호를 갖기 때문입니다. 두 개의 D-플립플롭 마이크로 회로의 두 번째 절반인 D3.2는 회로에 사용되지 않지만 다이어그램에 표시된 대로 정상 작동을 위해 사용되지 않은 입력은 논리 1 또는 논리 0에 연결되어야 합니다. 증폭기 (그림 32) 전력 증폭기는 언뜻 보기에 그렇게 보이지 않으며 센서와 커패시터 C1.4의 직렬 병렬 연결 방사 코일로 구성된 진동 회로를 역위상으로 스윙하는 강력한 인버터 D1.5 및 D2만을 나타냅니다. 커패시터 정격 옆의 별표는 해당 값이 대략적으로 표시되며 설정 중에 선택해야 함을 의미합니다. 사용하지 않는 인버터 D1.6은 입력을 연결하지 않은 상태로 두지 않기 위해 D1.5 신호를 반전시키지만 실제로는 "유휴"로 작동합니다. 저항 R3 및 R4는 인버터의 출력 전류를 허용 가능한 수준으로 제한하고 발진 회로와 함께 고품질 대역 통과 필터를 형성하므로 센서 방출 코일의 전압 및 전류 모양이 거의 일치합니다. 정현파로. 수신 증폭기 (그림 33) 수신 증폭기는 센서의 수신 코일에서 나오는 차동 신호를 증폭하며, 커패시터 C3과 함께 8kHz의 두 배 주파수로 조정된 발진 회로를 형성합니다. 튜닝 저항 R5 덕분에 수신 코일의 신호에서 특정 가중 계수가 차감되며, 이는 저항 R5의 슬라이더를 움직여 변경할 수 있습니다. 이를 통해 센서 수신 권선의 동일하지 않은 매개변수를 보상하고 "나침반"을 최소화합니다. 수신 증폭기는 4.2단계입니다. 병렬 전압 피드백이 있는 연산 증폭기 D6.1 및 D4을 사용하여 조립됩니다. 커패시터 CXNUMX는 더 높은 주파수에서 이득을 줄여 전력 네트워크 및 기타 소스의 고주파 간섭으로 인한 증폭 경로의 과부하를 방지합니다. 연산 증폭기 보정 회로가 표준입니다. 동기 검출기 (그림 33) 동기 검출기는 표준 회로에 따라 연산 증폭기 D6.2를 사용하여 만들어집니다. D5 CMOS 멀티플렉서-디멀티플렉서 8 x 1 칩이 아날로그 스위치로 사용됩니다(그림 32). 디지털 주소 신호는 최하위 비트에서만 이동하여 공통 버스에 대한 지점 K1과 K2의 교대로 전환을 제공합니다. 정류된 신호는 커패시터 C8에 의해 필터링되고 연산 증폭기 D6.2에 의해 증폭되며, 회로 R14C11 및 R13C9에 의해 필터링되지 않은 RF 구성 요소가 동시에 추가로 감쇠됩니다. 연산 증폭기 보정 회로는 사용된 유형에 따라 표준입니다.
지시자 (그림 33) 표시기는 눈금 중앙에 XNUMX이 있는 마이크로 전류계입니다. 표시기 부분은 앞에서 설명한 다른 유형의 금속 탐지기 회로를 성공적으로 사용할 수 있습니다. 특히 전자주파수계의 원리를 이용한 금속탐지기의 설계는 지표로 활용될 수 있다. 이 경우 LC 발진기는 RC 발진기로 교체되고 측정된 출력 전압은 저항 분배기를 통해 타이머의 주파수 설정 회로에 공급됩니다. 이에 대한 자세한 내용은 Yuri Kolokolov의 웹사이트에서 확인할 수 있습니다. D7 칩은 단극 공급 전압을 안정화합니다. D4.1 연산 증폭기는 인공 중간점 전원 공급 장치를 생성하므로 기존 양극 연산 증폭기 회로를 사용할 수 있습니다. 세라믹 차단 커패시터 C18-C21은 디지털 미세 회로 D1, D2, D3, D5의 하우징 가까이에 장착됩니다. 부품 유형 및 디자인 사용된 초소형 회로의 유형은 표에 나와 있습니다. 6. 표 6. 사용되는 미세 회로 유형
K561 시리즈 미세 회로 대신 K1561 시리즈 미세 회로를 사용할 수 있습니다. K176 시리즈의 일부 미세 회로 또는 40ХХ 및 40ХХХ 시리즈의 외국 유사품을 사용해 볼 수 있습니다. K157 시리즈의 이중 연산 증폭기(op-amp)는 유사한 매개변수의 범용 연산 증폭기로 교체할 수 있습니다(핀아웃 및 보정 회로를 적절하게 변경). 차동 자력계 회로에 사용되는 저항기에 대한 특별한 요구 사항은 없습니다. 내구성이 뛰어나고 소형 디자인을 갖추고 설치가 용이하면 됩니다. 공칭 전력 손실 0,125...0,25W. 전위차계 R5, R16은 장치를 쉽게 조정할 수 있도록 다중 회전하는 것이 좋습니다. 전위차계 R5의 손잡이는 플라스틱으로 만들어져야 하며 조정 중 작업자의 손 접촉으로 인해 간섭으로 인해 표시기 판독값이 변경되지 않도록 길이가 충분해야 합니다. 커패시터 C16 - 모든 소형 유형의 전해. 발진 회로 C2* 및 C3*의 커패시터는 병렬로 연결된 여러 개의(5~10개) 커패시터로 구성됩니다. 공진 회로 조정은 커패시터 수와 정격을 선택하여 수행됩니다. 권장 유형의 커패시터 K10-43, K71-7 또는 외국 내열성 아날로그. 기존 세라믹 또는 금속 필름 커패시터를 사용해 볼 수 있지만 온도가 변동하는 경우 장치를 더 자주 조정해야 합니다. 마이크로 전류계 - 눈금 중앙에 100이 있는 4247μA 전류에 대한 모든 유형입니다. M15 유형과 같은 소형 마이크로 전류계가 편리합니다. 거의 모든 마이크로암미터는 물론 밀리암미터까지 사용할 수 있으며 어떤 스케일 제한도 적용할 수 있습니다. 이렇게 하려면 그에 따라 저항 R17-RXNUMX의 값을 조정해야 합니다. 석영 공진기 Q - 작은 크기의 석영 시계(휴대용 전자 게임에도 유사한 석영이 사용됨). 스위치 S1 - 모든 유형, 소형. 센서 코일은 직경 8mm(CB 및 DV 범위의 무선 수신기의 자기 안테나에 사용), 길이 약 10cm의 원형 페라이트 코어로 만들어지며, 각 권선은 200회전의 구리 권선으로 구성됩니다. 직경 0,31mm, 이중 래커-실크 단열재로 두 겹으로 균일하고 단단하게 감겨 있습니다. 스크린 포일 층이 모든 권선 위에 부착됩니다. 스크린의 가장자리는 단락 회로 형성을 방지하기 위해 서로 절연되어 있습니다. 화면 출력은 주석 도금 단일 코어 구리선으로 만들어집니다. 알루미늄 호일 스크린의 경우 이 단자는 전체 길이를 따라 스크린 위에 배치되고 전기 테이프로 단단히 감겨 있습니다. 구리 또는 황동박으로 만들어진 스크린의 경우 단자가 납땜됩니다. 페라이트 코어의 끝은 불소수지 센터링 디스크에 고정되어 있습니다. 덕분에 센서의 두 반쪽 각각은 그림 34에 개략적으로 표시된 것처럼 하우징 역할을 하는 텍스톨라이트로 만든 플라스틱 파이프 내부에 고정됩니다. XNUMX.
파이프 길이는 약 60cm이며 센서의 각 절반은 파이프 끝에 위치하며 권선과 코어 주변 공간을 채우는 실리콘 실런트로 추가로 고정됩니다. 충전은 파이프 본체의 특수 구멍을 통해 수행됩니다. 이러한 밀봉재는 불소수지 와셔와 함께 깨지기 쉬운 페라이트 막대를 고정하는 데 필요한 탄성을 제공하여 우발적인 충격 시 균열이 발생하는 것을 방지합니다. 장치 설정 1. 설치가 올바른지 확인하십시오. 2. 100mA를 초과하지 않아야 하는 전류 소비를 확인합니다. 3. 마스터 오실레이터 및 펄스 신호 생성의 기타 요소가 올바르게 작동하는지 확인하십시오. 4. 센서의 진동 회로를 설정합니다. 방출 - 4kHz의 주파수에서, 수신 - 8kHz에서. 5. 증폭 경로와 동기 검출기가 올바르게 작동하는지 확인하십시오. 장치 작업 장치를 설정하고 작동하는 절차는 다음과 같습니다. 검색 사이트로 나가서 장치를 켜고 센서 안테나를 회전하기 시작합니다. 남북 방향을 통과하는 수직면에서 가장 좋습니다. 장치 센서가 막대 위에 있으면 회전할 수 없지만 막대가 허용하는 한 멀리 흔들어야 합니다. 표시 바늘이 이탈합니다(나침반 효과). 가변 저항 R5를 사용하여 이러한 편차의 진폭을 최소화하려고 합니다. 이 경우 마이크로 전류계 판독값의 중간 지점이 "이동"하며 16으로 설정하도록 설계된 다른 가변 저항 RXNUMX을 사용하여 조정해야 합니다. "나침반" 효과가 최소화되면 장치는 균형 잡힌 것으로 간주됩니다. 작은 물체의 경우 차동 자력계를 사용하여 검색하는 방법은 기존 금속 탐지기를 사용하여 작업하는 방법과 다르지 않습니다. 물체 근처에서는 화살표가 어떤 방향으로든 벗어날 수 있습니다. 큰 물체의 경우 표시 바늘은 넓은 영역에 걸쳐 서로 다른 방향으로 벗어납니다. 저자: Shchedrin A.I.
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