Mengukur medan magnet yang bervariasi samar dengan koil
Penafian: Saya ilmuwan komputer.
Saya ingin mengukur medan magnet yang bervariasi samar dengan koil. Domain frekuensi yang saya minati sangat rendah (<10kHz). Sumber medan magnet yang berubah-ubah adalah cairan yang terkandung dalam Eppendorf . Eppendorf memiliki panjang 40 mm dan diameter 10 mm. Tegangan pada terminal kumparan dilaporkan berada dalam kisaran µV, tetapi saya berasumsi bahwa itu tergantung pada kumparan.
Amplifier tegangan kebisingan rendah tingkat lab di luar anggaran saya. Saya sedang mempertimbangkan untuk menggunakan kartu murah berbasis chip AD620 yang diklaim dapat memberikan keuntungan sebesar x10.000 (mis.https://fr.aliexpress.com/item/32889722488.html). Ini satu-satunya solusi yang saya temukan sejauh ini. Tetapi perangkat ini diiklankan untuk resolusi tegangan minimum 50μV paling baik jika saya mengerti dengan benar.
Saya ingin tahu apakah saya dapat mengkompensasi batasan ini dengan menggunakan kumparan dengan faktor amplifikasi yang lebih kuat (misalnya 10.000 putaran, kabel 0.2mm, diameter internal 11mm, tinggi 30mm), dengan berharap ini akan meningkatkan amplitudo tegangan pada terminal kumparan.
Pertanyaan naif lainnya adalah jika saya juga dapat meningkatkan amplitudo sinyal jika saya memasang 2 hingga 5 gulungan secara seri di sekitar Eppendorf, masing-masing dengan inti ferit.
Sunting 1 : Saya sekarang memiliki kumparan dan ad620, tetapi penguat LM358 masih dalam perjalanan.
Berikut spesifikasi kumparannya:
- bergantian: 2000
- diameter kawat: 0.1mm
- tinggi: 25mm
- diameter internal: 12mm
- diameter luar: 13.91mm
- induktansi (L): 20.5563mH
- Resistensi DC: 180,942 Ω
Pada 1kHz, impedansinya 310.1 Ω.
Untuk ad620, berita buruknya adalah dokumentasinya semuanya dalam bahasa Mandarin. Saya menerjemahkannya dengan deepl.com. Kita akan lihat seberapa jauh saya bisa. Saya akan memposting tautan ke hasilnya.
Saya melakukan tes pendahuluan menggunakan konfigurasi debug. Saya menghubungkan generator ke satu input dan osiloskop ke output seperti yang digambarkan dalam gambar. Itu tidak berhasil kecuali saya menambahkan kabel ke tanah. Saya kemudian dapat melihat sinyal yang diharapkan dan menyesuaikan penguatan, tetapi sinyalnya agak tidak stabil. Sayangnya itu tidak berfungsi dengan koil. Saya melihat apa yang tampak seperti derau putih yang amplitudonya tidak berubah saat menyesuaikan resistor yang mengontrol penguatan. Saya berharap saya akan melihat kebisingan 50Hz. Saya tidak tahu apakah saya harus bekerja dalam mode diferensial atau tidak. Saya mencobanya tanpa hasil.
Saya memiliki kumparan lain yang terhubung ke penguat audio 100W dan generator yang dapat saya gunakan untuk menginduksi medan magnet yang bervariasi dalam kumparan ini. Saya kemudian dapat menggunakan ini sebagai sinyal referensi dan dapat memvariasikan intensitas dan frekuensi. Saya sudah mencobanya tanpa amplifier dan saya bisa melihat sinyalnya dengan osiloskop saya.
Sunting 2 : Saya telah menerjemahkan dokumentasi modul AD620. Ini tersedia di sini . Ini berisi email saya untuk kontak pribadi jika Anda mau.
Sementara itu, saya menemukan lebih banyak informasi tentang amplitudo sinyal yang diharapkan dalam paten Prancis lama. Paten bukanlah cetak biru bagi para insinyur dan ada ketidakpastian atas validitas informasi yang diberikannya. Itulah info terbaik yang saya miliki sejauh ini.
Sinyal untuk memperkuat diperoleh dari koil. Kumparan diletakkan dekat dengan cairan yang diklaim dapat menghasilkan medan magnet yang bervariasi. Kumparan dijelaskan berukuran 300 Ω dan merupakan kumparan dari mikrofon telepon "lama". Diameter dalam kumparan adalah 6mm, diameter luar 16mm, panjang 6mm dan inti terbuat dari besi lunak. Tidak ada diameter kawat atau jumlah putaran yang ditentukan.
Sinyal yang akan diperkuat adalah tegangan yang bervariasi pada terminasi koil.
Penemu menentukan bahwa kumparan dihubungkan ke penguat-penguat awal dengan karakteristik sebagai berikut:
- bandwidth: 10Hz - 20 kHz
- keuntungan: 10 hingga 100 (!)
- sensitivitas masukan: +/- 100mV.
Jika itu benar, saya tidak membutuhkan keuntungan x10.000. Tapi saya tidak yakin kumparan yang saya punya sudah sesuai karena tidak sama persis dengan spesifikasi yang kurang lengkap. Saya menargetkan 300Ω pada 1kHz dengan 2000 putaran dan kabel 0.1mm. Impedansi kumparan saya mungkin terlalu tinggi dan kabelnya terlalu tipis. Saya tidak tahu frekuensi yang digunakan untuk spesifikasi impedansi penemu. Yang pasti itu adalah mike coil yang digunakan untuk akuisisi suara. Penemu menghubungkan kumparan ke input mikrofon dari kartu suara PC. Inilah yang juga harus saya lakukan di beberapa titik. Untuk saat ini tujuan saya adalah untuk melihat sinyal dengan osiloskop saya dan memeriksa dengan FFT bahwa saya melihat sinyal yang diharapkan.
Penemu tidak menghabiskan banyak waktu untuk menyelidiki dan mengoptimalkan kumparan. Seorang teman insinyur listrik mengembangkan sistem untuknya. Tampaknya berhasil dan penemunya menghabiskan seluruh waktunya untuk bereksperimen dengannya.
Apa yang hebat adalah jika Anda dapat membantu saya membuat modul AD620 berfungsi dan memperkuat sinyal yang saya dapatkan dengan koil saya. Haruskah saya memindahkan ini ke pertanyaan lain?
Saya ingin menambahkan bahwa akan lebih baik jika saya dapat menggunakan komponen komoditas daripada AD620 ini (misalnya preamplifier mikrofon). Jika percobaan berhasil, akan lebih disukai karena sangat mudah untuk mereproduksi semurah dan semudah mungkin.
Jawaban
Tetapi perangkat ini diiklankan untuk resolusi tegangan minimum 50μV paling baik jika saya mengerti dengan benar.
Halaman depan lembar data mengatakan ini: -
Maks 50 μV, tegangan offset masukan
Itu tidak boleh bingung dengan resolusi minimum saat mengukur sinyal AC. Tentu tegangan keluaran DC mungkin 50 μV x gain dan, jika gain 10.000 maka Anda akan melihat tegangan offset keluaran 0,5 volt tetapi, itu adalah tegangan statis; Sinyal AC yang "diinginkan" Anda akan ditumpangkan pada offset DC tersebut dan, sinyal tersebut akan tetap ditampilkan dengan benar.
Namun, Anda harus menyadari keuntungan yang memberlakukan batasan pada amplitudo sinyal Anda pada 10 kHz: -
Lembar data AD620 .
Saya akan mempertimbangkan untuk menggunakan dua perangkat; satu sebagai front-end dengan gain 100 dan op-amp sekunder dengan gain 100 mengikutinya. Anda juga harus mengetahui spesifikasi kebisingan.
Misalnya, AD620 memiliki spesifikasi kebisingan ( \$e_{ni}\$) biasanya 9 nV per akar kuadrat bandwidth. Jika bandwidth Anda 10 kHz maka bandwidth noise yang setara akan sedikit lebih besar sekitar 16 kHz. Ini diterjemahkan menjadi gangguan sinyal 9 nV x \$\sqrt{16000}\$= 1,14 μV RMS. Ini diperkuat oleh 10.000 menjadi suara keluaran 11,4 mV RMS.
Menjadi praktis berarti ini akan setara dengan sekitar 75 mV pp: -
Akankah sinyal "ingin" Anda terselubung? Hanya Anda yang dapat mengatakan tetapi ada perangkat yang lebih baik dan saya mungkin akan menggunakan op-amp dengan noise rendah daripada InAmp seperti AD620. Anda seharusnya bisa mendapatkan suara ini sekitar 5 kali lebih kecil dengan op-amp yang jauh lebih baik.
Saya ingin tahu apakah saya dapat mengkompensasi batasan ini dengan menggunakan kumparan dengan faktor amplifikasi yang lebih kuat
Lebih banyak belokan menghasilkan tegangan induksi yang lebih besar untuk perubahan nilai fluks tetapi, kasus batas ribuan belokan dapat menyebabkan puncak resonansi (karena kopling kapasitif parasit antara lapisan belokan) yang mempengaruhi penguatan.
Pertanyaan naif lainnya adalah jika saya juga dapat meningkatkan amplitudo sinyal jika saya memasang 2 hingga 5 gulungan secara seri di sekitar Eppendorf, masing-masing dengan inti ferit.
Itu hampir sama dengan meningkatkan jumlah belokan.
Kemudian Anda bisa membawa senjata yang sangat besar. Jika Anda mengetahui frekuensi sinyal Anda, maka Anda dapat menerapkan filter band-pass untuk menghilangkan banyak kebisingan yang mungkin mengganggu pengukuran Anda. Misalnya sirkuit ini: -
- R = 10 kΩ
- L = 1 mH
- C = 1 uF
Ini memiliki frekuensi resonansi sekitar 5 kHz tetapi memiliki rok yang sangat curam seperti ini: -
Kalkulator filter BP Interaktif ini akan memungkinkan Anda menghitung nilai filter yang berbeda untuk frekuensi pusat yang berbeda.
Saya memperkirakan bandwidth kebisingan menjadi sekitar 300 Hz dan itu merupakan peningkatan yang signifikan dari 16 kHz yang disebutkan sebelumnya. Saya rasa kebisingan akan berkurang lebih dari 7 kali lipat.
Mengingat bahwa saya menyarankan Anda untuk menggunakan sistem amplifikasi dua tahap, Anda harus meletakkan filter antara tahap 1 dan tahap 2. Dalam komentar saya sebutkan meletakkan di akhir rantai penguat sinyal tetapi saya berubah pikiran sedikit. Anda juga dapat menggunakan equalizer grafis untuk menghilangkan kebisingan pita. Jika Anda punya, gunakan salah satu.
Saya akan senang membuat amplifier sendiri, tapi kedengarannya tidak realistis. Saya harus membuat rencana dari kartu PCB yang sudah menjadi ilmu itu sendiri, dan mengirimkannya ke pabrik. Kemudian debug kartu, yang juga di luar kemampuan saya.
Anda bisa mendapatkan modul amplifier LM358 el murahan dengan keuntungan 100. Saya yakin mereka mungkin akan melakukan pekerjaan itu ketika terhubung ke bagian belakang modul AD620 melalui filter yang disebutkan di atas: -
Mereka tidak terlalu bagus tetapi mungkin memberi Anda hasil positif yang cukup untuk memikirkan merancang amplifier ini dengan spesifikasi yang lebih profesional.
10 kHz adalah audio, dan koil Anda tidak berbeda dari mikrofon dinamis, jadi jika Anda tidak ingin membangun sirkuit, solusi termudah adalah menggunakan preamp mikrofon dengan noise rendah. Ini mungkin akan lebih murah daripada instrumen tingkat laboratorium, dan preamp ini biasanya ditentukan untuk kebisingan sehingga Anda tahu apa yang Anda dapatkan.
Pilihan lain adalah menggunakan opamp dengan noise rendah. Karena impedansi sumber DC rendah (ini adalah koil), saya rasa Anda tidak memerlukan opamp dengan suara arus input rendah, oleh karena itu Anda dapat menggunakan opamp input bipolar. Saya merekomendasikan ADA4898 , noise inputnya konyol, dan bandwidthnya tinggi. Ini berarti Anda harus melakukan tata letak yang tepat dengan tutup decoupling yang tepat, tetapi di sisi lain, ini berarti akan memiliki banyak gain loop untuk mendapatkan gain 100 tanpa distorsi yang berarti. Ini pada dasarnya adalah versi AD797 yang lebih mudah digunakan. Anda juga dapat menggunakan LT1128 .
Jika Anda membutuhkan gain 10000, lebih baik menggunakan dua tahap dengan kopling AC di antara keduanya, yang memanfaatkan produk gain-bandwidth yang tersedia dengan lebih baik, dan menghindari penguatan offset DC dengan jumlah yang begitu besar sehingga menjadi masalah.
Catatan Saya rasa Anda tidak memerlukan penguat instrumentasi. Jika Anda khawatir tentang kebisingan yang diambil oleh kabel, yang paling sederhana adalah dengan tidak menggunakan kabel dan hanya menyolder koil ke pcb. Karena kabel akan menjadi output, dengan sinyal level yang jauh lebih tinggi, rasio sinyal terhadap noise akan jauh lebih sedikit menjadi masalah.
Jika Anda ingin lebih sedikit kebisingan, Anda dapat membangun preamp ini , Anda harus membeli skema tetapi hanya 3 euro. Saya punya satu, dan itu mengirimkan barang, tetapi Anda tidak terlalu membutuhkan ini.
Perhatikan bahwa untuk sinyal mikrovolt Anda harus benar-benar berhati-hati dengan gangguan catu daya. Secara pribadi saya hanya menggunakan dua baterai 9V untuk membuat pasokan +/- 9V. Mikrofon penting, terutama pada kapasitor. Karena sinyal input Anda tidak memiliki tegangan DC, sinyal tersebut tidak perlu dihubungkan dengan AC sehingga tidak perlu memasang tutup input. Tutup pertama harus pada output dari opamp pertama, di mana sinyal sudah diperkuat dan dengan demikian kurang kritis. Tutup mikrofon paling sedikit pada dasarnya adalah elektrolitik. Mengenai resistor, jangan gunakan film tebal karena memiliki noise ekstra, gunakan film tipis atau resistor Vishay MMA0204 MELF.
Masalah lain mungkin medan elektrostatis diambil oleh kumparan, tetapi Anda dapat melindunginya (jangan membuat korsleting).
Medan magnet frekuensi listrik juga akan menjadi masalah. Anda dapat mengatur filter takik 50 / 60Hz, tetapi akan lebih mudah melakukannya secara digital setelah sinyal diperoleh.