Magnetometro Fluxgate

Il Magnetometro Fluxgate

Il magnetometro fluxgate è un dispostitivo che serve per la misura, vettoriale, di campi magnetici di bassa intensità. Questo dispositivo è relativamente semplice ma permette di raggiungere facilmente risoluzioni dell’ordine del nanotesla. E’ molto utilizzato quando è richiesta elevata risoluzione ma al contempo affidabilità, robustezza e basso costo : è la scelta d’elezione quando si tratta di misurare e monitorare il campo geomagnetico.

Il sensore è costituito da un nucleo di materiale ferromagnetico, ad esempio ferro dolce, sul quale è avvolto il solenoide primario attraversato da una corrente di eccitazione modulata che satura il nucleo ferromagnetico, sul solenoide secondario si viene a produrre un segnale dovuto all’accoppiamento elettromagnetico tra i due solenoidi. Questo segnale dipende fortemente, grazie al comportamento non lineare del nucleo, dalla intensità del campo magnetico esterno che attraversa il nucleo.
L’immagine sotto mostra lo schema del magnetometro fluxgate :

Il sensore che abbiamo utilizzato è il modello FG-3+ prodotto dalla fgsensors. L’immagine sotto mostra il dispositivo. Si tratta di un buon prodotto dal costo contenuto. Richiede alimentazione stabilizzata a 5V e fornisce un segnale TTL la cui frequenza è inversamente proporzionale alla intensità del campo induzione magnetica assiale.

I dati del sensore sono riassunti nella seguente tabella :

Model	FG-3+
Maximum Supply Voltage	7 V
Recommended supply Voltage	5 V ±0.5 V
Typical Supply Current	12 mA
Temperature Range	0 ÷ 50 °C
Output Period Range	8.5 ÷ 25 μs
Output Frequency Range	120 ÷ 50 KHz
Magnetic Field Range	-50 ÷ +50 μT
Dimensions	62mm x 16mm

La relazione tra periodo / frequenza del segnale in output e l’intensità del campo induzione magnetica è abbastanza lineare per bassi valori del campo, si discosta però dalla linearità quando si raggiungono gli estremi del range di misura (∼ 50 μT). Per questo motivo, prima dell’utilizzo, è necessario procedere ad una preliminare operazione di calibrazione del sensore.

Setup

I primi test sul sensore sono stati fatti collegandolo ad un regolatore di tensione a 5V a basso ripple in modo da avere una alimentazione ottimale, e visualizzando su oscilloscopio il segnale generato dal sensore. Le immagini sotto mostrano i collegamenti e le videate dell’oscilloscopio nel quale sono mostrati due segnali a frequenza diversa. Variando l’orientazione del sensore, e quindi il campo magnetico terrestre al quale è soggetto il sensore stesso, si può ottenere un segnale con frequenza variabile all’interno del range stabilito di 50 – 120 KHz.
Questo è un primo test di funzionamento.

Lettura del Segnale con il Cypress PSoC 5lp

Il segnale che viene generato dal sensore FGM è un treno di impulsi “TTL”, quindi 0 – 5V, la cui frequenza, compresa nel range 50 – 120 KHz, è inversamente proporzionale alla intensità del campo. Per misurare il campo con un sensore FGM è quindi necessario misurare la frequenza del segnale generato.
Per questo tipo di applicazioni il microcontrollore PSoC è perfetto. Abbiamo utilizzato il modello PSoC 5LP nella versione del kit di sviluppo CY8CKIT-050, mostrata nella immagine sotto, dove si vede anche, sul display, il risultato della misurazione espresso in unità CPS (counts per second) che corrisponde agli Hz.

Il nucleo del firmware è il componente software “Counter” che effettua i conteggi degli impulsi generati dal sensore FGM ed inviati ad un ingresso digitale del PSoC. La durata del conteggio è di 1 secondo, in questo modo il valore che si ottiene rappresenta direttamente il valore, espresso in Hz, della frequenza del segnale. L’immagine sotto mostra il dettaglio dello schema PSoC con il componente Counter che effettua il conteggio degli impulsi.

Calibrazione

Come accennato sopra, il sensore FGM va calibrato, in modo da stabilire con ragionevole esattezza il legame tra la frequenza / periodo del segnale che viene generato e l’intensità della componente del campo di induzione magnetica avente direzione parallela all’asse del sensore.
La calibrazione del sensore viene fatta mediante un solenoide che produce un campo magnetico noto : il sensore viene inserito all’interno del solenoide, il quale produce un campo magnetico costante di direzione assiale e di intensità nota. Il solenoide viene orientato in direzione est – ovest in modo da minimizzare il contributo del campo magnetico terrestre. Il solenoide viene poi avvolto e racchiuso con un foglio di mu-metal che riduce ulteriormente l’influenza di campi magnetici esterni.
Le immagini sotto mostrano il solenoide, il sensore e la lamina di mu-metal. L’orientazione est-ovest viene controllata mediante la bussola magnetica di uno smartphone.

Il solenoide ha una lunghezza di 11 cm con un diametro interno di 2 cm, il campo magnetico all’interno risente della curvatura alle estremità, di questo se ne tiene conto con un fattore geometrico pari a 0,9806. Il campo vale quindi :

B = μ * N/L * I * 0,9806

μ = μ₀ = 1,26×10^-6 H/m
N/L = 2598,4 sp/m
I = corrente nel solenoide

Il range di misura del sensore va da circa -0,5 a +0,5 oersted che corrispondono a -50 ÷ +50 μT (-50000 ÷ +50000 nT). Per ottenere questo campo magnetico bisogna variare la corrente nel solenoide da -16 a +16 mA. Questo si ottiene facilmente collegando il solenoide ad una batteria e regolando la corrente, misurata con il multimetro, mediante un potenziometro multigiro collegato in serie.
Le immagine sotto mostrano il setup utilizzato per l’acquisizione dei dati necessari alla calibrazione del sensore.

Variando con continuità la corrente nel solenoide e raccogliendo i dati sul segnale prodotto dal sensore siamo in grado di disegnare il grafico che mette in relazione il periodo del segnale con l’intensità del campo magnetico assiale. Il grafico riportato sotto mostra questa relazione per il nostro sensore FGM.

Dal grafico si vede come il legame campo magnetico / periodo non sia lineare, sebbene possa essere considerato lineare, con buona approssimazione, su piccoli intervalli di intensità, in particolare da -20 μT a + 20 μT. Il grafico seguente mostra questo limitato intervallo.

A livello di microcontrollore PSoC non vengono fatte conversioni per il calcolo del campo magnetico, si è scelto di mantenere e visualizzare solo il valore della frequenza del segnale.

Il sistema è comunque predisposto per inviare questo dato numerico ad un sistema di data logging (ad esempio un RaspberryPI) nel quale può essere implementato l’algoritmo di conversione, secondo le due equazioni rappresentate nei due grafici : un fitting polinomiale di quarto grado nel primo caso, una semplice retta di regressione nel secondo, come descritto negli spezzoni di codice python riportati sotto :

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