コイルで微弱に変化する磁場を測定する
免責事項：私はコンピューター科学者です。
微弱に変化する磁場をコイルで測定したい。私が興味を持っている周波数領域は超低（<10kHz）です。変化する磁場の発生源は、エッペンドルフに含まれる液体です。エッペンドルフの長さは40mm、直径は10mmです。コイルの端子の電圧はµVの範囲であると報告されていますが、コイルに依存すると思います。
ラボグレードの高ゲイン低ノイズ電圧アンプは私の予算から外れています。私は、x10,000のゲインを提供できると主張されているAD620チップをベースにした安価なカードの使用を検討していました（例：https://fr.aliexpress.com/item/32889722488.html）。これは私がこれまでに見つけた唯一の解決策です。しかし、私が正しく理解していれば、これらのデバイスはせいぜい50µVの最小電圧分解能で宣伝されています。
より強い増幅率（例えば、10,000ターン、0.2mmワイヤー、11mm内径、30mm高さ）のコイルを使用してこの制限を補うことができるかどうかを知りたいのですが、これにより、コイルの端子。
もう1つの素朴な質問は、エッペンドルフの周りに2〜5個のコイルを直列に配置し、それぞれにフェライトコアを配置した場合に、信号の振幅を増やすことができるかどうかです。
編集1：コイルとad620がありますが、LM358アンプはまだ転送中です。
コイルの仕様は次のとおりです。
- ターン：2000
- 線径：0.1mm
- 高さ：25mm
- 内径：12mm
- 外径：13.91mm
- インダクタンス（L）：20.5563mH
- DC抵抗：180.942Ω
1kHzでは、インピーダンスは310.1Ωです。
ad620の場合、悪いニュースは、ドキュメントがすべて中国語であるということです。私はそれをdeepl.comで翻訳しています。私がどこまで到達するかを見ていきます。結果へのリンクを投稿します。
デバッグ構成を使用して予備テストを行いました。画像に示すように、ジェネレータを1つの入力に接続し、オシロスコープを出力に接続しました。地面にワイヤーを追加しないと機能しませんでした。その後、期待される信号を表示してゲインを調整することができましたが、信号は少し不安定でした。残念ながら、それはコイルでは機能しませんでした。ゲインを制御する抵抗を調整しても振幅が変わらないホワイトノイズのように見えます。50Hzのノイズが出ると思っていました。ディファレンシャルモードで作業する必要があるかどうかわかりません。私は成功せずにそれを試しました。
100Wオーディオアンプとジェネレーターに接続された別のコイルがあり、このコイルにさまざまな磁場を誘導するために使用できます。次に、これを基準信号として使用し、強度と周波数を変えることができます。私はすでにアンプなしでそれを試しました、そして、私は私のオシロスコープで信号を見ることができました。
編集2：AD620モジュールのドキュメントを翻訳しました。こちらから入手できます。必要に応じて、個人的な連絡先としての私のメールが含まれています。
その間に、私は古いフランスの特許で予想される信号振幅に関するより多くの情報を見つけました。特許はエンジニアにとって青写真ではなく、提供する情報の有効性には不確実性があります。それは私がこれまでに持っている最高の情報です。
増幅する信号はコイルから得られます。コイルは、変化する磁場を生成すると主張されている液体の近くに置かれます。コイルは300Ωであると説明されており、「古い」電話マイクからのコイルです。コイルの内径は6mm、外径は16mm、長さは6mm、コアは軟鉄製です。線径や巻数は指定されていません。
増幅する信号は、コイルの終端で変化する電圧です。
本発明者は、コイルが以下の特性を備えた増幅器－前増幅器に接続されることを指定する。
- 帯域幅：10Hz〜20 kHz
- ゲイン：10から100（！）
- 入力感度：+/- 100mV。
それが正しければ、x10,000のゲインは必要ありません。しかし、私が持っているコイルは、不完全な仕様と正確に一致していないため、適切かどうかはわかりません。私は2000ターンと0.1mmのワイヤーで1kHzで300Ωをターゲットにしました。コイルのインピーダンスが高すぎて、ワイヤーが細すぎる可能性があります。発明者のインピーダンス仕様に使用されている周波数がわかりません。確かなのは、音声取得用のマイクコイルだということです。発明者は、コイルをPCサウンドカードのマイク入力に接続します。これは私もいつかしなければならないことです。今のところ、私の目標は、オシロスコープで信号を表示し、期待される信号が表示されていることをFFTで確認することです。
発明者は、コイルの調査と最適化に多くの時間を費やしませんでした。友人の電気技師が彼のためにシステムを開発しました。それは明らかに機能し、発明者はそれを実験することにすべての時間を費やしました。
AD620モジュールを機能させ、コイルで得られる信号を増幅するのを手伝っていただければ幸いです。これを別の質問に移す必要がありますか？
このAD620の代わりに市販のコンポーネント（マイクプリアンプなど）を使用できればもっと良いと付け加えたいと思います。実験がうまくいくなら、できるだけ安くそして簡単に複製することが非常に簡単であることが望ましいでしょう。
回答
しかし、私が正しく理解していれば、これらのデバイスはせいぜい50µVの最小電圧分解能で宣伝されています。
データシートのフロントページには次のように書かれています：-
最大50μV、入力オフセット電圧
これは、AC信号を測定するときの最小分解能と混同しないでください。確かに、DC出力電圧は50μVxゲインであり、ゲインが10,000の場合、出力オフセット電圧は0.5ボルトになりますが、これは静的電圧です。「必要な」AC信号はそのDCオフセットに重ね合わされ、それでも適切に表現されます。
ただし、10kHzでの信号振幅に制限を課すゲインに注意する必要があります。
AD620データシート。
2つのデバイスの使用を検討します。1つはゲインが100のフロントエンドで、セカンダリオペアンプはそれに続いてゲインが100です。ノイズの仕様にも注意する必要があります。
たとえば、AD620にはノイズ仕様があります（\$e_{ni}\$）帯域幅の平方根あたり通常9nVです。帯域幅が10kHzの場合、同等のノイズ帯域幅は約16kHzで少し大きくなります。これは、9 nV x \の信号ノイズに変換されます。$\sqrt{16000}\$=1.14μVRMS。これは10,000倍に増幅され、11.4 mVRMSの出力ノイズになります。
実用的であるということは、これが約75 mVppに相当することを意味します。
あなたの「欲しい」信号は包まれますか？あなただけが言うことができますが、より良いデバイスがあり、私はおそらくAD620のようなInAmpの代わりに低ノイズオペアンプを使用するでしょう。はるかに優れたオペアンプを使用すると、このノイズを約5分の1に抑えることができるはずです。
より強力な増幅率のコイルを使用してこの制限を補うことができるかどうか知りたいのですが
より多くのターンは、与えられた変化する磁束値に対してより大きな誘導電圧を生成しますが、数千ターンの限界の場合は、ゲインに影響を与える共振ピークを引き起こす可能性があります（ターンの層間の寄生容量結合による）。
もう1つの素朴な質問は、エッペンドルフの周りに2〜5個のコイルを直列に配置し、それぞれにフェライトコアを配置した場合に、信号の振幅を増やすことができるかどうかです。
これは、ターン数を増やすこととほとんど同じです。
次に、本当に大きな銃を持ち込むことができます。信号周波数がわかっている場合は、バンドパスフィルターを適用して、測定に影響を与える可能性のある多くのノイズを除去できます。たとえば、この回路：-
- R =10kΩ
- L = 1 mH
- C = 1 uF
それは約5kHzの共振周波数を持っていますが、それはこのような非常に急なスカートを持っています：-
このインタラクティブBPフィルター計算機を使用すると、さまざまな中心周波数に対してさまざまなフィルター値を計算できます。
ノイズ帯域幅は約300Hzと推定されます。これは、前述の16kHzを大幅に上回っています。騒音は7倍以上減ると思います。
2段式増幅システムを使用することをお勧めしているので、フィルターをステージ1とステージ2の間に配置する必要があります。コメントで、信号増幅器チェーンの最後に配置することについて述べましたが、少し考えが変わります。帯域外ノイズを除去するためにグラフィックイコライザーを使用することもできます。持っている場合は、それを使用してください。
自分でアンプを作ってよかったのですが、リアルではありません。それ自体がすでに科学であるPCBカードの計画を立てて、それを工場に提出する必要があります。次に、カードをデバッグします。これも私の能力を超えています。
ゲイン100の安価なLM358アンプモジュールを手に入れることができます。前述のフィルターを介してAD620モジュールの背面に接続すると、それらが機能する可能性があると思います。
それらはそれほど素晴らしいものではありませんが、より専門的な仕様でこのアンプを設計することを考えるのに十分な肯定的な結果を与えるかもしれません。
10 kHzはオーディオであり、コイルはダイナミックマイクと同じです。したがって、回路を構築したくない場合は、低ノイズのマイクプリアンプを使用するのが最も簡単な解決策です。これはおそらくラボグレードの機器よりも安価であり、これらのプリアンプは通常ノイズ用に指定されているため、何が得られているかがわかります。
もう1つのオプションは、低ノイズのオペアンプを使用することです。DCソースインピーダンスが低い（コイルです）ので、入力電流ノイズの少ないオペアンプは必要ないと思います。したがって、バイポーラ入力オペアンプを使用できます。私はADA4898をお勧めします。その入力ノイズはばかげており、帯域幅が広いです。これは、適切なデカップリングキャップを使用して適切なレイアウトを行う必要があることを意味しますが、一方で、意味のある歪みなしに100のゲインを得るには十分なループゲインがあることを意味します。基本的には、AD797の使いやすいバージョンです。LT1128を使用することもできます。
10000のゲインが必要な場合は、AC結合を使用して2つのステージを使用することをお勧めします。これにより、利用可能なゲイン帯域幅積をより有効に活用し、問題になるほどのDCオフセットの増幅を回避できます。
計装アンプは必要ないと思います。ケーブルがノイズを拾うのが心配な場合は、ケーブルを使用せずにコイルをプリント基板にはんだ付けするのが最も簡単です。ケーブルは出力にあり、信号のレベルがはるかに高いため、信号対雑音比の問題ははるかに少なくなります。
さらにノイズを減らしたい場合は、このプリアンプを作成できます。回路図を購入する必要がありますが、たったの3ユーロです。私はそれを持っています、そしてそれは商品を届けます、しかしあなたは本当にこれを必要としません。
マイクロボルト信号の場合、電源ノイズに十分注意する必要があることに注意してください。個人的には、2つの9V電池を使用して+/- 9V電源を作成します。特にコンデンサでは、マイクロフォニーが重要です。入力信号にはDC電圧がないため、AC結合する必要がなく、入力キャップも必要ありません。最初のキャップは最初のオペアンプの出力にある必要があります。この場合、信号はすでに増幅されているため、それほど重要ではありません。最小のマイクロフォニックキャップは基本的に電解質です。抵抗器に関しては、余分なノイズがあるため厚膜を使用しないでください。薄膜またはVishay MMA0204MELF抵抗器を使用してください。
別の問題は、コイルによって拾われる静電界である可能性がありますが、それをシールドすることはできます（短絡したターンをしないでください）。
主電源周波数の磁場も問題になります。50 / 60Hzのノッチフィルターを配置することもできますが、信号が取得されたらデジタルで配置する方が簡単です。