應用筆記

介紹 通過結合Speake FGM-3磁場傳感器和Pico ADC-16數據記錄器，可以以低成本實現一種能夠監測和記錄地球場微小變化的簡單儀器。 該實驗描述了基于Speake FGM-3傳感器和LM2917頻率/電壓轉換器附帶的數據表的儀器的實際實現。

實驗目標 該實驗的主要目的是監測地球的磁場，但次要目標是利用設備數據表的簡單方法，并計算元件值。

所需設備
安裝了PicoLog數據記錄軟件的PC ADC-16高分辨率 數據記錄器 磁強計電路（如下所述）

電路描述 如FGM-3附帶的數據表中所述，實驗有5個子組件，它們是： FGM-3傳感器頭，使用半個4013 D型鎖存器將輸出除以2 基于十六進制反相器（4069）和便宜的32kHz鐘表晶體的本地時鐘發生器電路 基于雙D型設備的數字調音臺（4013） 基于LM2917器件的電壓頻率轉換器 溫度監控裝置（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毫安時需要5伏的電源電壓，并輸出軌到軌矩形脈沖，其周期與場強成正比，因此輸出頻率為成反比。 該數據表引用了大約120 kHz至50 kHz的典型頻率范圍，器件確實變化，但通常當前本地場的頻率約為65 kHz。使用半個4013 D型將其除以2。

本地時鐘發生器 本地時鐘發生器基于六角形逆變器，使用32 kHz鐘表晶體，因此穩定。

數字調音臺 數字調音臺是4013 D型雙穩態的一半，時鐘驅動一個輸入，FGM-3傳感器驅動另一個，設置和復位引腳接地。 Q引腳上器件的輸出將是兩個頻率之間的差值，為了本實驗的目的，該頻率設置為大約500 Hz。 4013的輸出還可以連接到4069上的備用逆變器，以在需要時向頻率計提供緩沖輸出。

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

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

電路設計考慮 物理布局并不重要，但整潔的邏輯布局將更容易處理。 傳感器本身應位于環境溫度相當恒定的地方，并且不會受到干擾。它也應遠離任何外部影響，包括任何會改變局部磁場的東西。 傳感器的輸出阻抗相當低，約為330Ω，因此它可以與電路的其余部分保持一定距離，但應注意確保電纜不會接近任何潛在的噪聲源，例如電氣機械。 所有連接都應牢固，并妥善保護，以確保不會出現意外短路，潮濕或意外接觸的風險。 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相關的問題，建議設置混頻器，使擺幅以500 Hz為中心或高于500 Hz。精確校準如下所述。

建立電路 磁力計的電路圖如附錄中的圖6所示。制造商的數據表應與圖表一起查閱，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定。如果采用這種方法，應注意確保電壓調節器產生的熱量不會影響傳感器。可施加到FGM-3的最大電壓為7伏，但應保持在5伏以避免損壞混頻器設備。 該電源還可用于為用于檢測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，以便接頭應套上以避免短路。如果傳感器處于露天而不是絕緣，則應將LM35DZ連接到其上，以確保其檢測到的溫度準確。 時鐘發生器電路 時鐘電路采用32 kHz鐘表晶體，提供穩定的頻率。額外的反相器可用于在4013混頻器之前緩沖信號，并向頻率計數器提供緩沖輸出。 頻率/電壓轉換器 用于實驗的電路如LM2917的應用筆記所示，并描述為“齊納穩壓變頻器電壓”，但計算的元件值基于所提供的公式。 Vout = fin x Vcc x R x C. 根據設備靈敏度引用的數字，預計設備將設置為500 Hz差異，擺幅為±250 Hz。. 在這個例子中，選擇的組件值是：. [R        n100kΩ. C        4.7 nF. 削弱        1μF VCC        5 V 這對應于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。 鑒于ADC16的輸入擺幅為±2.5 V，輸出將通過電阻鏈進行分頻，以確保在發生太陽活動時保持在允許的開銷范圍內。 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。

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

配置

要設置儀器，應按圖所示進行構造，并將傳感器放置在預定位置 為了對其進行校準，傳感器應放置在纏繞在成形器上的線圈內，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組件放置在合適的容器中以提供熱質量和絕緣，例如。聚苯乙烯盒中含有的干沙。它應該在盒子里穩定。 除非對其施加電壓，否則校準線圈將不起作用。 溫度傳感器應與FGM-3緊密接觸，并且機械穩定。如果傳感器位于線圈架內，則應使用聚苯乙烯塞子“停止”前者，以保持內部溫度。 傳感器頭組件應對準東/西，并且通過進行非常小的水平調節，可以從混合器獲得大約500Hz的輸出。現在應該讓它穩定幾個小時。 如果需要，可以通過將小電流通過線圈以設置小的局部偏移，或者通過將小磁鐵放置在靠近組件的位置來獲得偏移，而不是移動組件以獲得偏移，但是如果這樣做，則可以必須在調整后嚴格固定到位。

校準 校準過程用于確定使傳感器的輸出頻率改變1 Hz所需的磁場變化，然后測量由于1 Hz變化而發生的輸出電壓的變化。 傳感器 可以校準傳感器以確定由于外部磁場引起的頻率變化，還應校準傳感器以確定溫度引起的變化。 這兩個數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/周期校準 用簡單的設備可以實現相當好的相對校準。該過程在FGM-3的應用說明中有詳細描述。 應改變施加到校準線圈的電流，并應觀察LM2917的輸出以獲得儀器的nT / mV校準。通常，該數字約為1.6nT / mV。 溫度/周期校準 溫度和輸出周期之間的關系基本上是線性的。通過在延長的時間段內監視設備，然后使用復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，可以實現精確的校準。 通過添加“趨勢線”，Excel將以y = mx + c的形式顯示公式，其中： “ ? ”是任意基于所述實驗的起始溫度偏移，典型地大約100 “ m ”將是溫度的影響（x）和將約為2.6 該公式可用于計算局部場中變化的補償值。 F / V轉換器

進行實驗 在安裝之前，應允許儀器在原位穩定，因為所有組件需要幾個小時才能達到穩定的工作溫度。 在此期間應觀察到確保沒有意外的外部影響影響傳感器。該儀器能夠檢測小型車輛，例如超過100英尺的福特Ka，因此會受到交通的影響。 設置系統的過程只需要進行一次，所需的計算與結果一起存儲，并且可以根據需要從文件中調用，并且可以在必要時進行改進。 請注意，儀器會收集與記錄運行開始時間相關的數據，因此輸出和溫度的當前值在啟動時有效歸零。

采樣 應該選擇采樣間隔以反映所需信息，例如，如果已經接收到太陽活動的警告，則可以將間隔設置為相對短的時間段，例如。1分鐘或更短時間。對于近場的更一般觀察，可以將采樣率設置為更大的間隔。

絕對值 如果已知局部場的絕對值，則可以使用計算的參數來添加它。 世界上有許多電臺可以提供近場的當前價值，包括英國的SAMNET。除了提供即時價值之外，SAMNET網站還提供了一種根據已建立的監測站檢查一個結果的方法。