Главная » Компьютерная электроника
Призовой фонд
на сентябрь 2017 г.
1. Осциллограф DSO138
Паяльник
2. Тестер компонентов MG328
Паяльник
3. Регулируемый паяльник 60 Вт
Паяльник
4. 100 руб.
От пользователей

Пирамида - регистратор землетрясений

Принцип работы регистратора основан на визуализации электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в катушке при изменении положения находящегося рядом магнита [1]. Не важно, что перемещается – магнит относительно катушки или катушка относительно магнита, уровень напряжения на выводах катушки будет пропорционален скорости изменения магнитного потока. Остаётся только это напряжение усилить, отфильтровать лишнее и подать в звуковую карту компьютера (рис.1). Просмотр и запись можно производить любой программой, работающей с сигналами на линейном входе, например, SpectraPLUS в режиме «осциллограф».


Рис.1

Регистратор конструктивно выполнен в виде пирамиды. Катушка и усилитель установлены в корпусе подставки. Магнит приклеен к массивной (более 200 гр.) деревянной болванке, которая подвешена на толстую нить, закреплённую в верхней вершине пирамиды (рис.2). Напряжение питания усилителя (15…20 В) подаётся через разъём с внешнего блока. Выходной сигнал с усилителя в компьютер так же подаётся через разъём. Пирамида при работе закрывается со всех четырёх сторон пластинами из МДФ – это необходимая защита от потоков воздуха (сквозняков и др.).

регистратор землетрясений
Рис.2

Электронную схему (рис.3) можно разделить на две части – стабилизатор питания и усилитель. Стабилизатор VR1 на напряжение + 12 В собран на стандартной микросхеме 78L12, а усиление и, одновременно, фильтрация сигнала происходит на операционном усилителе ОР1 серии КР140УД608, включенном по схеме полосо-пропускающего фильтра с коэффициентом усиления около 200 раз (46 dB). Частота среза по нижней границе определяется в основном ёмкостью конденсатора С5, а верхняя граница – конденсатором С6.

Схема регистратора землетрясений
Рис.3

Номиналы элементов частотной коррекции рассчитаны в программе RFSim99, примерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показана на рисунке 4. Нижняя граница взята избыточно низкой для того, чтобы не ослаблять сигнал на тех частотах, на которых начинается «завал» у звуковых карт – у современных это около 2-10 Гц.


Рис.4

Поэтому, с учётом «завала» самых низких частот на линейном входе, рабочая полоса по уровню -3 dB может составить около 2…13 Гц, а максимальное усиление уменьшиться на 10 dB (рис.5).


Рис.5

На рисунке 6 показана АЧХ, снятая во время проверки работы одной из макетных версий. Видно, что огибающая примерно совпадает с расчетной. Пик на частоте 1,2 Гц – это, скорее всего, частота механического резонанса конструкции – нити и маятника-магнита. При отладочном макетировании нить подвеса была короткая, а деревянная болванка маленькая и лёгкая. После сборки окончательного варианта пирамиды этот пик пропал.


Рис.6

Печатная плата размерами 40х40 мм под обычные выводные элементы выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (файл в формате программы Sprint-Layout 5 находится в приложении, вид со стороны печати, для изготовления по лазерно-утюжной технологии нужно включить «зеркально»).

Катушка датчика сделана из трансформатора (рис.7), взятого из импульсного блока питания компьютера (он там стоит в цепи дежурного питания). Из некоторого количества имеющихся в наличии трансформаторов была отобрана марка с максимально возможным количеством витков в высоковольтной обмотке – с омическим сопротивлением около 3,5-4 Ом (рис.8). Ферритовый сердечник удалён, так как он притягивает к себе подвешенный магнит, сдерживая этим его свободу перемещения.


Рис.7


Рис.8

Катушка в подставке расположена горизонтально, вровень с поверхностью МДФ пластины толщиной 6 мм (рис.9). Магнит находится на расстоянии 1-2 мм от неё (чем больше расстояние – тем меньше чувствительность регистратора). И печатная плата, и катушка приклеены к пластине термоклеем – в этой части конструкции желательно полное отсутствие магнитных материалов (желательно проверить все элементы).


Рис.9

В качестве внешнего блока питания использован подходящий по параметрам трансформаторный AC/DC адаптер от какой-то офисной техники.

Теперь самое интересное - работа с регистратором.

При установках в программе SpectraPLUS показанных на рисунке 10, часовая запись имеет размер 27,4 MB, соответственно, суточная запись будет иметь длину около 660 МВ. Уменьшить размеры записываемых файлов можно, но тогда собьётся временной таймер и программа будет показывать неправильную длительность файла.


Рис.10

При настройке и отладке конструкции все "землетрясения" делались или перемещением магнита вручную возле катушки, или стучанием кулаком по столу. Но, конечно, хотелось зафиксировать что-нибудь настоящее... Оказалось, что это совсем не проблема - у нас за городом есть карьер по добыче камня, где время от времени происходят взрывы, вызывающие небольшие колебания почвы в городе. Пример записи в один из таких моментов показан на рисунке 11. Видно, что первый толчок произошёл примерно на 37 минуте, второй (более слабый) последовал спустя 3 минуты. Затем маятник с магнитом около 5 минут возвращается в своё нормальное положение.


Рис.11

И более подробно начало первого толчка и последовавшие за этим колебания маятника показаны на рисунке 12.


Рис.12

Зафиксированные колебания почвы были очень слабыми, второй - почти неощутимым, но тем не менее, и он тоже виден на записи, что в целом даёт некоторое представление о работе регистратора.

Переделки и доработки

При неудачной конструкции катушки и усилителя (или при неблагоприятном электромагнитном окружении) в выходном сигнале может появиться помеха 50 Гц. Для её подавления нужно поставить двойной Т-мост на выходе усилителя и дополнительный фильтр низких частот. Новые установочные элементы показаны на рисунке 13 правее синей черты.


Рис.13

Двойной Т-мост при указанных номиналах конденсаторов немного разбалансирован и настроен на частоту чуть выше нужной, но всё равно этого достаточно для того, чтобы подавить помеху 50 Гц примерно на 30 dB относительно того уровня, что приходит на вход операционного усилителя (рис.14).


Рис.14

Если применяемая звуковая карта имеет входное сопротивление менее 100 кОм, то из-за установки дополнительных элементов выходной сигнал может ослабнуть. Эти потери можно восстановить изменением номиналов резисторов обратной связи R3 и R4 – на этих частотах операционный усилитель имеет большой запас по усилению.

Чтобы регистратор перестал быть простым «индикатором», а начал выполнять измерительные функции, т.е. чтобы его показания соответствовали реальным движениям земли при землетрясении, нужно менять конструкцию датчика. Но это намного сложнее, чем собирать электронную начинку прибора...

Литература:
1.   Сивухин Д.В., Общий курс физики, т.3 «Электричество», стр. 264, Москва, изд. «Наука», 1983г.
 
Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
Рисунок №3
OP1 Операционный усилительКР140УД6081 Замена на КР140УД708 или подобныйПоиск в elBaseВ блокнот
VR1 Линейный регулятор
LM78L12
1 Поиск в elBaseВ блокнот
R1, R2, R5 Резистор
200 кОм
3 МЛТ-0,125Поиск в elBaseВ блокнот
R3 Резистор
2.2 кОм
1 МЛТ-0,125Поиск в elBaseВ блокнот
R4 Резистор
470 кОм
1 МЛТ-0,125Поиск в elBaseВ блокнот
C1 Конденсатор электролитический1000 мкФ1 Поиск в elBaseВ блокнот
C2, C3, C7 Конденсатор100 нФ3 Поиск в elBaseВ блокнот
C4, C5, C9 Конденсатор электролитический100 мкФ 16В3 Поиск в elBaseВ блокнот
C6 Конденсатор4.7 нФ1 К73-9Поиск в elBaseВ блокнот
С8 Конденсатор электролитический220 мкФ 16В1 Поиск в elBaseВ блокнот
L Катушка индуктивности1 см. текстПоиск в elBaseВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Опубликована: 0 0
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (11) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Юрий1947 #
А если собрать схему на одном транзисторе типа КТ3102?
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Можно, наверное, и на одном транзисторе. Сразу так трудно сказать. Надо экспериментировать - не будет ли он своим Rвх шунтировать катушку, полосу рабочую проверить... Наверное, если делать совсем уж простой регистратор (без компьютера) - то можно поставить ещё компаратор (или детектор колебаний) и звуковой оповещатель...
Отредактирован 04.08.2015 15:02
Ответить
0
Юрий1947 #
Я попробовал схему на транзисторе КТ3102Е. Катушку взял от какого-то коммутаторного реле (3000 витков). В итоге получилось малое усиление - амплитуда около 2-5 мВ. Может быть, конечно, что это по входу звуковой карты частоты заваливает.
Отредактирован 06.08.2015 12:04
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Да, хорошо бы проверить, от какой частоты начинает работать карта.
Ну, а есть чем проконтролировать усиление транзистора? А то, может, фильтрующая цепочка всё "валит"?
Ответить
+1
Юрий1947 #
Оказалось, что у меня всё "в кучу" собралось - и звуковуха на низах "валит", и фильтр НЧ не так работал, и выходное сопротивление транзисторного каскада было большое, и магнит был слабый. После всех доработок удалось получить более-менее подобные показания, но схема уже собрана на 3 транзисторах с обвесом... Получается, что зря выделывался - на операционнике проще...
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Понял. Про магнит - да, я забыл написать, что он так же влияет на ЭДС, как и параметры катушки. В описанной конструкции использован кусочек магнита, взятого из системы привода головок старых винчестеров.
Ответить
0
Александр #
Сдается мне данный датчик весьма далек от совершенства - имеем маятник с высокой добротность, собственной частотой колебаний. При регистрации единичного толчка будем иметь что-то типа затухающей синусоиды с периодом колебания маятника. Если будет серия толчков, то будем видеть модулированный сигнал толчков и собственных колебаний.
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Да, так и есть - всё резонансы видны на приведённых графиках. Это очень простой регистратор, можно сказать, "показометр" для школьников, выступающих на научно практических конференциях.
Ответить
0
халил #
Вроде все нормально, но есть недостаток. Не знаешь какой мощности толчок и направление. Я когда то делал такую штуку. Взял ротор от двигателя переменки. На 15 ватт от самописца др32. Выделил 8 катушек. Их соединил с усилителем постоянного тока с кф.1\100. Через диодный дешифратор соединил с микроамперметром с фиксирующейся стрелкой. И на выходах 8 катушек те же микроамперметры. Показывал прибор интенсивность толчка,и направление удара. Понравился начальнику сейсмостанции и он обменял на классный музыкальный центр.
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Ну, так то Вы уже почти настоящий прибор собирали... А это ведь так, игрушка. Можно сказать, конструкция выходного дня. Хотя, мощность толчка она, вроде, показывает...
Сейчас думаю, что схему можно было и без "компьютерных понтов" делать и совсем автономную - прицепить к выходу компаратор, включающий звуковой сигнал при толчке и питать от аккумулятора...
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Здесь где-то был и потерялся комментарий от Ильи (кажется) с советом прикрепить к болванке щёточки или кисточки для гашения резонансов качания. Попробовал прикрутить три штуки - работает. В зависимости от массы болванки можно применять щетину разной жесткости.
Большое спасибо за совет.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется сила тока?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

USB-реле (2 канала)
USB-реле (2 канала)
Бокс для хранения компонентов iMAX B6 - зарядное для Lion, LiPo, LiFe, Pb, NiCd и NiMH аккумуляторов
вверх