应用笔记

介绍 通过结合Speake FGM-3磁场传感器和Pico ADC-16数据记录器，可以以低成本实现一种能够监测和记录地球场微小变化的简单仪器。 该实验描述了基于Speake FGM-3传感器和LM2917频率/电压转换器附带的数据表的仪器的实际实现。

实验目标 该实验的主要目的是监测地球的磁场，但次要目标是利用设备数据表的简单方法，并计算元件值。

所需设备
安装了PicoLog数据记录软件的PC ADC-16高分辨率 数据记录器 磁强计电路（如下所述）

电路描述 如FGM-3附带的数据表中所述，实验有5个子组件，它们是： FGM-3传感器头，使用半个4013 D型锁存器将输出除以2 基于十六进制反相器（4069）和便宜的32kHz钟表晶体的本地时钟发生器电路 基于双D型设备的数字调音台（4013） 基于LM2917器件的电压频率转换器 温度监控装置（LM35DZ）

FGM-3传感器 FGM-3传感器的工作范围约为±50微特斯拉，在12毫安时需要5伏的电源电压，并输出轨到轨矩形脉冲，其周期与场强成正比，因此输出频率为成反比。 该数据表引用了大约120 kHz至50 kHz的典型频率范围，器件确实变化，但通常当前本地场的频率约为65 kHz。使用半个4013 D型将其除以2。

本地时钟发生器 本地时钟发生器基于六角形逆变器，使用32 kHz钟表晶体，因此稳定。

数字调音台 数字调音台是4013 D型双稳态的一半，时钟驱动一个输入，FGM-3传感器驱动另一个，设置和复位引脚接地。 Q引脚上器件的输出将是两个频率之间的差值，为了本实验的目的，该频率设置为大约500 Hz。 4013的输出还可以连接到4069上的备用逆变器，以在需要时向频率计提供缓冲输出。

. 频率到电压设备 输出频率通过LM2917器件转换为电压，LM2917器件的输出通过分压器降低，以确保其保持在ADC-16的测量范围内，即<2.56伏。

. 温度测量装置 输出频率通过LM2917器件转换为电压，LM2917器件的输出通过分压器降低，以确保其保持在ADC-16的测量范围内，即<2.56伏。

电路设计考虑 物理布局并不重要，但整洁的逻辑布局将更容易处理。 传感器本身应位于环境温度相当恒定的地方，并且不会受到干扰。它也应远离任何外部影响，包括任何会改变局部磁场的东西。 传感器的输出阻抗相当低，约为330Ω，因此它可以与电路的其余部分保持一定距离，但应注意确保电缆不会接近任何潜在的噪声源，例如电气机械。 所有连接都应牢固，并妥善保护，以确保不会出现意外短路，潮湿或意外接触的风险。 灵敏度 FGM-3的灵敏度使得1000 Hz的摆幅可以提供大约1000 Gamma的范围。 1 Gamma = 10 -5 Oersted = 1 nanotesla 这应该提供足够的空间来记录磁暴和日常变化。 为避免与接近0 Hz相关的问题，建议设置混频器，使摆幅以500 Hz为中心或高于500 Hz。精确校准如下所述。

建立电路 磁力计的电路图如附录中的图6所示。制造商的数据表应与图表一起查阅，以获取所需的其他组件，例如。去耦电容等 FGM-3传感器 传感器可以从与电路其余部分相同的电源供电，或者可以提供更高的电源电压，并且电源在传感器端稳定。如果采用这种方法，应注意确保电压调节器产生的热量不会影响传感器。可施加到FGM-3的最大电压为7伏，但应保持在5伏以避免损坏混频器设备。 该电源还可用于为用于检测FGM-3温度的LM35D传感器供电，但必须在传感器端使用10μF和10 nF电容将电源线去耦。 有必要将传感器引线延伸到FGM-3，以便接头应套上以避免短路。如果传感器处于露天而不是绝缘，则应将LM35DZ连接到其上，以确保其检测到的温度准确。 时钟发生器电路 时钟电路采用32 kHz钟表晶体，提供稳定的频率。额外的反相器可用于在4013混频器之前缓冲信号，并向频率计数器提供缓冲输出。 频率/电压转换器 用于实验的电路如LM2917的应用笔记所示，并描述为“齐纳稳压变频器电压”，但计算的元件值基于所提供的公式。 Vout = fin x Vcc x R x C. 根据设备灵敏度引用的数字，预计设备将设置为500 Hz差异，摆幅为±250 Hz。. 在这个例子中，选择的组件值是：. [R        n100kΩ. C        4.7 nF. 削弱        1μF VCC        5 V 这对应于750Hz输出的最大电压1.7625伏特，以及从250Hz到750Hz的变化的1.175伏特的摆动。 鉴于ADC16的输入摆幅为±2.5 V，输出将通过电阻链进行分频，以确保在发生太阳活动时保持在允许的开销范围内。 LM2917的输入通过聚丙烯1μF电容连接到混频器的Q输出，电阻为20kΩ接地。

测试仪器 在设置仪器之前可以执行以下测试。 稳压器 在连接任何其他东西之前应该检查它，或者将有源设备插入套接字。 时钟发生器 输出应为全电源（5 V）矩形波，其频率约为32 kHz。所示的接地电容应该适合于晶体，如果需要，可以用微调器替换一下，以稍微改变频率。 FGM-3 输出引脚应具有5 V方波，其频率随传感器的任何移动（水平或垂直）而变化很大。 温度感应器 输出将环境温度反映为10 mV /°C，应该看到用手指触摸的反应。 如果传感器距离记录设备很远，则可能需要使用设备应用说明中建议的电路。

配置

要设置仪器，应按图所示进行构造，并将传感器放置在预定位置 为了对其进行校准，传感器应放置在缠绕在成形器上的线圈内，该线圈足够大以容纳传感器，并且至少是传感器的三倍。然后将包括温度传感器的整个组件放置在合适的容器中以提供热质量和绝缘，例如。聚苯乙烯盒中含有的干沙。它应该在盒子里稳定。 除非对其施加电压，否则校准线圈将不起作用。 温度传感器应与FGM-3紧密接触，并且机械稳定。如果传感器位于线圈架内，则应使用聚苯乙烯塞子“停止”前者，以保持内部温度。 传感器头组件应对准东/西，并且通过进行非常小的水平调节，可以从混合器获得大约500Hz的输出。现在应该让它稳定几个小时。 如果需要，可以通过将小电流通过线圈以设置小的局部偏移，或者通过将小磁铁放置在靠近组件的位置来获得偏移，而不是移动组件以获得偏移，但是如果这样做，则可以必须在调整后严格固定到位。

校准 校准过程用于确定使传感器的输出频率改变1 Hz所需的磁场变化，然后测量由于1 Hz变化而发生的输出电压的变化。 传感器 可以校准传感器以确定由于外部磁场引起的频率变化，还应校准传感器以确定温度引起的变化。 这两个数字均可用于一系列传感器，并且可以使用，但为了获得更好的精度，可以通过观察输出频率随温度变化的变化来确定温度引起的变化。 场/周期校准 用简单的设备可以实现相当好的相对校准。该过程在FGM-3的应用说明中有详细描述。 应改变施加到校准线圈的电流，并应观察LM2917的输出以获得仪器的nT / mV校准。通常，该数字约为1.6nT / mV。 温度/周期校准 温度和输出周期之间的关系基本上是线性的。通过在延长的时间段内监视设备，然后使用复制工具将温度输出和f / V的输出粘贴到电子表格程序（例如Microsoft Excel）中，可以实现精确的校准。 通过添加“趋势线”，Excel将以y = mx + c的形式显示公式，其中： “ ç ”是任意基于所述实验的起始温度偏移，典型地大约100 “ m ”将是温度的影响（x）和将约为2.6 该公式可用于计算局部场中变化的补偿值。 F / V转换器

进行实验 在安装之前，应允许仪器在原位稳定，因为所有组件需要几个小时才能达到稳定的工作温度。 在此期间应观察到确保没有意外的外部影响影响传感器。该仪器能够检测小型车辆，例如超过100英尺的福特Ka，因此会受到交通的影响。 设置系统的过程只需要进行一次，所需的计算与结果一起存储，并且可以根据需要从文件中调用，并且可以在必要时进行改进。 请注意，仪器会收集与记录运行开始时间相关的数据，因此输出和温度的当前值在启动时有效归零。

采样 应该选择采样间隔以反映所需信息，例如，如果已经接收到太阳活动的警告，则可以将间隔设置为相对短的时间段，例如。1分钟或更短时间。对于近场的更一般观察，可以将采样率设置为更大的间隔。

绝对值 如果已知局部场的绝对值，则可以使用计算的参数来添加它。 世界上有许多电台可以提供近场的当前价值，包括英国的SAMNET。除了提供即时价值之外，SAMNET网站还提供了一种根据已建立的监测站检查一个结果的方法。