В качестве дополнительного преимущества в нашем проекте мы получаем возможность исследовать стандартное отклонение, что позволяет нам оценивать изменяющееся магнитное поле. Поле, которое колеблется с частотой 50 Гц, проходит в течение заданного времени около 10 циклов, что дает нам возможность зафиксировать значение переменного тока.
Собираем переносной магнитометр
Магнитометр, известный также как гауссметр, используется для измерения силы магнитного поля — в данном контексте магнитной индукции. Этот прибор является незаменимым инструментом для оценки силы как постоянных магнитов, так и электромагнитов. Кроме того, он помогает анализировать форму магнитных полей, возникающих при взаимодействии различных магнитных систем. Его чувствительность позволяет выявлять намагниченность металлических объектов. Если датчик обладает достаточной быстротой реагирования, он может обнаруживать изменения магнитного поля, вызванные работой двигателей и трансформаторов.
Современные мобильные телефоны зачастую снабжены трехосевыми магнитометрами, которые, однако, оптимизированы для работы с слабым земным магнитным полем, величина которого составляет 1 Гаусс, что равно 0,1 мТл милли-тесла. При этом следует отметить, что такие сенсоры могут перегружаться в условиях полей с индуктивностью, превышающей несколько милли-тесла. К тому же, местоположение датчиков в смартфонах часто не указано, что затрудняет их физическое обнаружение в компактных корпусах, например, в магнитных экранирующих отсеках. Кроме того, рекомендуется держать смартфон подальше от источников сильного магнитного поля, так как это может привести к искажению показаний. В данной статье будет рассмотрен процесс сборки простого портативного магнитометра, который можно создать из доступных компонентов: нам понадобятся линейный датчик Холла, плата Arduino, экран и кнопка. Весь комплект обойдется менее чем в 5 евро, обеспечивая замеры индукции в диапазоне от -100 до +100 мТл с высокой точностью измерений в 0,01 мТл, что значительно превышает ожидания. Чтобы получить точные абсолютные измерения, магнитометр необходимо откалибровать, и в этой статье будет подробно описано, как это следует делать с использованием длинного самодельного магнита.
Шаг 1: датчик Холла
Эффект Холла представляет собой метод, широко используемый для измерения магнитных полей. Когда электроны перемещаются через проводник в присутствии магнитного поля, они подвержены отклонению, в результате чего на проводнике возникает поперечная разность потенциалов. Если правильно подобрать материал и форму полупроводника, то можно получить измеримый сигнал, который затем возможно усилить для получения выходного измерения компонентов магнитного поля.
В своем проекте я выбрал акселерометр SS49E, так как он является доступным и недорогим. В данной документации приведены ключевые характеристики, на которые стоит обратить внимание:
- Питание: 2.7 — 6.5 В, что идеально подходит для 5 В, используемых в Arduino.
- Нулевой сигнал: в диапазоне от 2.25 до 2.75 В, что находится примерно посередине между 0 и 5 В.
- Чувствительность: в диапазоне 1.0-1.75 мВ/Гс, что означает необходимость в калибровке для достижения более точных результатов.
- Выходное напряжение: 1,0 – 4,0 В (при питании от 5 В): этот диапазон полностью соответствует спецификациям АЦП Arduino.
- Диапазон: минимум ± 650 Гс, обычно ± 1000 Гс.
- Время отклика: 3 мкс, что позволяет производить измерения с частотой в десятки килогерц.
- Рабочий ток: в пределах 6-10 мA, что является достаточно малым значением для питания от батареи.
- Температурная ошибка: 0,1% на градус Цельсия. Хотя это может показаться незначительным, колебания на 0,1% могут привести к ошибке в 3 мТл.
Шаг 2: Требуемые материалы
- Линейный датчик Холла SS49E. Его стоимость составляет около €1 за десять штук.
- Arduino Uno с прототипной платой или Arduino Nano без штырьков для портативной сборки.
- Монохромный OLED дисплей SSD1306 0.96 дюйма с интерфейсом I2C для отображения результатов измерений.
- Кнопка для управления прибором.
- Шариковая ручка или другой крепкий трубчатый объект, который послужит корпусом.
- Три тонких провода, немного длиннее, чем трубка, для соединений.
- 12 см термоусадки диаметром 1,5 мм для крепления соединений.
- Большая коробка Tic-Tac (размеры 18x46x83 мм) или аналогичная по размеру контейнер для сборки устройства.
- Контакты для подключения батареи на 9 В, которые обеспечат питание устройству.
- Выключатель для удобного включения и выключения прибора.
Электромагнитное излучение (ЭМИ): что это?
Электромагнитное излучение (ЭМИ) представляет собой динамические поля, возникающие вблизи источников питания или нагрузок. Оно влияет на все окружающие объекты, включая людей и животных. Интенсивность воздействия этих сигналов варьируется в зависимости от частоты и длины волны.
Воздействие ЭМИ на человека варьируется в зависимости от источника, от обычных лампочек до гамма-излучения, единственным отличием является уровень воздействия. Для определения уровня воздействия и выявления опасных зон рекомендуется проводить измерения с использованием специальных измерителей электромагнитного поля (ЭМП). Эти измерения следует осуществлять как в общественных, так и в частных помещениях.
Основные причины появления излучения
Чтобы избежать превышения предельных значений радиации, необходимо принять соответствующие меры по защите здоровья человека. Основные источники электромагнитных помех включают:
- Сигналы мобильной связи и радиоволны.
- Линии электропередач, которые могут создавать сильные электромагнитные поля.
- Различные источники электричества, такие как бытовые электроприборы.
- Рентгеновские аппараты и аналогичные устройства, которые могут излучать опасные радиационные волны.
Самостоятельное проведение точных измерений является сложной задачей. Поэтому высокоточные измерители электромагнитного поля и излучения (например, модель PZ-31) обеспечивают наиболее достоверные показания мощности и характера волн. В продаже имеются различные бытовые дозиметры и детекторы, но они могут иметь значительные погрешности в измерениях.
Бытовой прибор для измерения электромагнитного излучения
Большинство таких приборов производится в Китае и могут не предоставлять абсолютно точные данные. Если вам требуется профессиональная помощь в этой области, лучше доверить работу специалистам, обладающим необходимыми знаниями и оборудованием. Сертифицированные лаборатории оснащены высокотехнологичными приборами, позволяющими выполнять качественное тестирование и комплексную оценку результатов.
Методы испытания выбираются индивидуально для каждого случая, в зависимости от концентрации энергии, частоты волн и напряженности поля. Все условия и нормы указаны в СанПиНе. Результаты измерений отображаются на специализированных шкалах. Частота электромагнитных сигналов зависит от параметров спектра, а длина волны может варьироваться от 103 метров до нескольких миллиметров. Электромагнитное излучение измеряется в ГГц, а длина волны — в мегаметрах (Мм). При проведении комплексного обследования учитываются как электрические, так и магнитные аспекты.
Принцип работы
Конструкция магнитометра может значительно варьироваться, но в любом случае он функционирует по единому принципу. Магнитное поле можно описать с помощью следующих характеристик:
- Вектор напряженности, который определяет силу поля;
- Горизонтальная составляющая напряженности;
- Магнитное склонение, также известное как магнитный азимут;
- Магнитное наклонение, показывающее угол между направлением магнитного поля и горизонтальной плоскостью.
Однако также существует важное свойство магнитного поля — магнитная индукция. Направление вектора магнитной индукции определяет направление действующей силы на северный полюс магнита. Чтобы лучше понять, как это работает, полезно проанализировать конструкцию магнитометрического датчика, например, Honeywell HMC5883L. Различные уровни усиления могут оказывать значительное влияние на чувствительность датчика, что критично для точности измерений. В данной модели имеется 12 регистров с 8-битными значениями для считывания данных.
Регистры режима определяют работу прибора в режимах непрерывного или однократного измерения, а также переход в режим ожидания. Если запрос на данные не осуществляется программно, а генерируется аппаратно, для передачи информации служит вывод DRDY. Однако важно помнить, что процесс измерений не столь прост, так как необходимо учитывать возможности влияния различных помех на показания датчиков.
Игнорирование этих факторов может привести к неправильному смещению модуля и искажению результатов измерений.
Предположим, ваша задача — измерить удельную намагниченность насыщения. Для этого образец, который вы исследуете, и постоянный магнит прикрепляются к тонкому стержню, который соединен с вибрационным устройством. Этот стержень может вибрировать на различных частотах, но всегда под углом 90 градусов к полю, создаваемому электромагнитом. Компоненты радиосистемы предназначены для эффективного усиления, очистки и обработки сигнала. Когда постоянный магнит и образец находятся в колебательном движении, в специальных катушках возникает электродвижущая сила. Эти катушки размещаются в относительном положении к постоянному магниту так, что их положение остается стабильным, независимо от вибраций.
Важно понимать, что описанное устройство в основном предназначено для лабораторных исследований. Его возможности применения «в полевых» условиях значительно ограничены. Для полевых измерений разрабатываются совершенно различные типы магнитометров, которые не требуют предварительной подготовки образцов. Точные режимы работы этих устройств зачастую являются коммерческой тайной их производителей. Независимо от того, проводите ли вы измерения остаточной намагниченности или решаете другие связанные задачи, важно знать алгоритмы калибровки, например, по методу наименьших квадратов.
Чтобы как можно проще объяснить главный смысл данного метода, который основан на высшей математике, можно сказать, что он предполагает выбор функции, максимально приближающейся к значениям, полученным в процессе эксперимента. Сумма квадратов всех отклонений в ключевых точках должна быть минимальной, а в идеале — равной нулю. К тому же, одним из необходимых условий для применения такого алгоритма является знание вектора магнитного поля Земли. Если говорить о математической части вопроса, то нам необходимо выполнить линейное матричное преобразование в трехмерном пространстве. Это значит, что измерения должны быть проведены по всем трем осям одновременно.
Разновидности
Различия между обзорными и исследовательскими магнитометрами можно легко заметить в том, как организована их работа. Для создания геофизических карт магнитного поля применяются специальные приборы, поскольку размер объектов, имеющих интерес для геологов, может варьироваться от 100 метров до нескольких сотен километров. Поэтому шаг измерения в каждом конкретном случае также может значительно различаться. Однако в археологии (включая «черную») и кладоискательстве подобные параметры не подходят. Сканирование местности с интервальными точками не предоставляет информации о том, что может находиться между этими точками.
Сокращение расстояния между точками для измерений (например, до 0,5 метра) может сделать процесс слишком утомительным, при этом увеличивается риск пропускать наиболее интересные объекты. Протонные магнитометры не предназначены для мобильного использования. Время от нажатия кнопки до визуализации распознаваемого изображения на экране может составлять от 2 до 10 секунд, в зависимости от модификации прибора и условий записи. Конечно, отмеченные участки могут быть обследованы несколько раз, но это значительно усложнит рабочий процесс. Наконец, точность съемки неизбежно снижается во время движения по сравнению с обычным режимом работы.
Есть еще один важный момент: протонные магнитометры не могут указать направление копки и нужную глубину, чтобы обнаружить цель. Полноценный прибор для археологических раскопок и поиска сокровищ должен функционировать непрерывно, как миноискатель или металлоискатель. Поэтому правильным выбором являются инклинометры зарубежного производства, которые обладают малыми датчиками и менее чувствительны к сильным магнитным полям.
Возвращаясь к протонным устройствам: они функционируют на основе измерения частоты перехода ядер протонов, которая напрямую зависит от внешнего магнитного поля. Квантовые устройства функционируют по другому принципу — они используют эффект Зеемана. Этот эффект подразумевает, что атомы парообразных металлических частиц реагируют на магнетизм по-разному при воздействии определенного поляризованного монохроматического света. Под воздействием такого света атомы могут переходить на более высокий уровень энергии. Один из примеров — магнитометр FerroProbe, в котором основным компонентом является электрическая катушка, нагруженная магнитомягким сердечником. Именно эта катушка, через которую проходит электрический ток, и является рассматриваемым железным детектором.
Индукционный магнитометр, как можно легко понять, функционирует на принципе электромагнитной индукции. Пассивное индукционное устройство отличается тем, что электродвижущая сила (ЭДС) в катушке создается за счет внешнего магнитного потока. Активное устройство, в свою очередь, работает по-иному: на катушку возбуждения подается импульс переменного тока. Катушка переменного тока насыщается индуцированной ЭДС, а прямые гармоники результирующего поля пропорциональны протяженной составляющей внешнего поля.
Кварцевый магнитометр появился на рынке в 1940-х годах. Особенность этого прибора заключается в том, что магнитная система подвешена к кварцевому проводу. Это надежная и эффективная технология, которая продолжает применяться в геомагнитных исследованиях и по сей день. Кроме того, цифровой вибрационный магнитометр имеет способность учитывать не только изменения внешнего магнитного поля, но и температурные изменения магнитных свойств объектов, которые находятся под измерением.
Модели
Рассмотрим подробнее популярные модели магнитометров:
- Одним из интересных устройств является трехкомпонентный малогабаритный магнитометр МТМ-01. Хотя он может быть не столь полезен для кладоискателей, он способен определить потенциально опасные для человека природные магнитные поля. Также этот прибор позиционируется как средство для проверки эффективности магнитных экранов и других средств защиты.
Это устройство удобно использовать при испытаниях трансформаторов и другого электрооборудования.
- Модель МФ-24 ФМ относится к другому классу приборов — микротесламетр-градиентометр. Он используется для оценки качества размагничивания различных деталей и элементов после выполнения сварочных работ. Устройство позволяет дать характеристику деталям, которые были подвергнуты магнитным методам неразрушающего контроля.
Эта модель может быть использована коммунальными службами для оценки намагниченности счетчиков, а также в судостроении, авиастроении и других критически важных отраслях.
- Магнитометр ИМАГ 400-Ц предназначен для контроля намагниченности металла в процессе магнитопорошковой дефектоскопии. Производитель гарантирует наработку на отказ не менее 5000 часов.
- Магнитометр дефектоскопический 23-ИМ имеет хорошие эксплуатационные показатели. Этот прибор используется для дефектоскопии ферромагнитных изделий и также применяется для оценки уровня промышленных магнитных помех. В сочетании с батареей его масса не превышает 0,15 кг.
- Магнитометр-градиентометр «Магнум» представляет собой идеальное оборудование для поисковиков и кладоискателей. Он эффективно обнаруживает как мелкие предметы, так и крупные объекты, такие как военная техника. Устройство гарантировано функционирует даже при сильных морозах, а в последних версиях повышена надежность подключаемого кабеля.
- Для многофункционального использования отлично подойдет универсальный магнитометр «Техномаг». Он может измерять остаточную намагниченность, находить локальные полюса и осуществлять контроль намагничивания.
