مروری بر سنسور flc-100 استفان مایر
سنسور میدان مغناطیسی فلکس‌گیت FLC100 – ابزار دقیق برای اندازه‌گیری میدان‌های ضعیف مغناطیسی با بالاترین حساسیت
سنسور FLC100 ساخت شرکت آلمانی Stefan Mayer Instruments، یک مگنتومتر پیشرفته و حرفه‌ای مبتنی بر تکنولوژی فلکس‌گیت (Fluxgate) است که توانایی تشخیص و اندازه‌گیری میدان‌های بسیار ضعیف مغناطیسی تا حدود نانوتسلا را دارد. این حسگر تک‌محوره، با طراحی آنالوگ و مدار داخلی مجتمع، به شما امکان می‌دهد بدون نیاز به مدارات تحریک یا پردازش جانبی، به‌سادگی میدان مغناطیسی محیط را اندازه‌گیری کنید.
در مقایسه با سنسورهای متداول مانند Hall یا Magneto-Resistive، سنسور FLC100 چندین برابر دقیق‌تر، حساس‌تر و پایدارتر است. این ویژگی‌ها آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های علمی، اندازه‌گیری‌های ژئوفیزیکی، مطالعات مغناطیس زمین، تشخیص ناهنجاری‌های مغناطیسی، و کاربردهای آزمایشگاهی تبدیل می‌کند.
این ماژول با مصرف توان بسیار پایین (کمتر از ۲ میلی‌آمپر) و خروجی آنالوگ مستقیم، بدون نیاز به کالیبراسیون پیچیده و بدون هیچ نویز قابل‌توجهی، به‌آسانی قابل اتصال به میکروکنترلرهای رایج مانند آردوینو، STM32 یا Raspberry Pi است.
نقطه قوت منحصر‌به‌فرد: برخلاف بسیاری از مگنتومترهای تجاری که فقط میدان‌های بزرگ‌تر از ±1 mT را شناسایی می‌کنند، FLC100 با نویز کمتر از ۵ نانوتسلا (pp) و پهنای باند DC تا ۱ کیلوهرتز، قادر است میدان‌های مغناطیسی بسیار کوچک، حتی تغییرات آنی میدان زمین یا تداخلات صنعتی خفیف را نیز با دقت بالا ثبت کند.
اگر به دنبال یک سنسور حرفه‌ای برای اندازه‌گیری دقیق میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف در محیط‌های حساس هستید، FLC100 همان چیزی است که نیاز دارید.
اگر دنبال سنسوری هستید که بتواند تغییرات بسیار کوچک میدان مغناطیسی (در حد نانوتسلا) را ثبت کند و در عین حال طراحی ساده، مصرف پایین و قابلیت ترکیب شدن در آرایه‌های سنسور را داشته باشد، FLC100 یکی از گزینه‌های برتر محسوب می‌شود.
برای درک بهتر اینکه FLC100 چگونه میدان مغناطیسی را اندازه می‌گیرد، لازم است به اصول عملکرد سنسور فلکس‌گیت نگاهی بیندازیم:
۱. در یک فلکس‌گیت، هسته مغناطیسی با یک ولتاژ تحریک (drive) به صورت متناوب (معمولاً یک موج مربعی یا سینوسی) اشباع و اشباع‌زدایی می‌شود.
۲. در حالت بدون میدان خارجی، تغییرات مغناطیسی در دو نیمه هسته متقارن است و شار مغناطیسی القا شده در سیم ثانویه خنثی می‌شود.
۳. اگر میدان مغناطیسی خارجی وجود داشته باشد، باعث نامتقارن شدن مغناطیس‌پذیری هسته می‌شود و شار القا شده در سیم ثانویه یک مؤلفه در هارمونیک دوم تولید می‌کند.
۴. این ولتاژ القاشده به عنوان سیگنال خروجی مورد پردازش قرار می‌گیرد و تبدیل به ولتاژ آنالوگ متناسب با مقدار میدان خارجی می‌شود.
۵. در FLC100، این مراحل درون مدار داخلی سنسور انجام شده‌اند و نیازی به مدارات تحریک خارجی پیچیده ندارید — یعنی سنسور به صورت کامل “خودکفا” طراحی شده است.
ویژگی‌های کلیدی و برجسته (Key Features – H3)
- اندازه‌گیری میدان ±۱۰۰ µT (با گزینه تنظیمات سفارشی)
- نویز بسیار پایین: کمتر از ۵ nTpp در بازه فرکانسی 0.1 تا 10 هرتز
- پهنای باند عملکرد: از DC تا ~1 kHz (–3 dB)
- تغذیه تک ۵ V و مصرف جریان تقریباً ۲ mA
- خروجی آنالوگ با ولتاژ متناسب با میدان (ولتاژ تفاضلی بین OUT+ و OUT–)
- امپدانس خروجی پایین (< 1 Ω) و امکان بارگذاری بالا بدون افت سیگنال
- توانایی همگام‌سازی تحریک چند سنسور از طریق پین SYNC (در صورت نیاز به آرایه سنسوری)
- پایداری دمایی خوب و رانش کم، قابلیت عملکرد در دمای محیط –۴۰ تا +۸۵ °C
- طراحی مینیمال با ابعاد کوچک (به عنوان مثال: ~ 44.5 × 14 × 5.5 میلی‌متر)
جدول مشخصات فنی (Technical Specifications – H3)
| پارامتر | مقدار | توضیح / شرایط کاری |
| نوع سنسور | تک‌محوره فلکس‌گیت (Fluxgate) | سنجش میدان به صورت آنالوگ |
| محدوده اندازه‌گیری | ±100 µT | گزینه‌های سفارشی نیز ممکن است ارائه شود |
| دقت (Accuracy) | ±2 % ±0.3 µT (در ۲۰ °C) | طبق دیتاشیت رسمی |
| نویز | < 0.5 nT RMS (0.1 – 10 Hz) ≈ ۳ nTpp | |
| پهنای باند | DC تا 1 kHz (–3 dB) | |
| ولتاژ تغذیه | 5 V ±5 % | |
| جریان مصرفی | ~ 2 mA | |
| خروجی | آنالوگ (OUT+ نسبت به OUT–) | |
| ولتاژ مرجع OUT– | 2.5 V نسبت به زمین | |
| امپدانس خروجی | < 1 Ω | |
| بار پیشنهادی (Load) | ≥ 1 kΩ و < 100 pF | |
| رانش صفر (Zero drift) | < 2 nT/K | |
| دمای عملکرد | –40 °C تا +85 °C | |
| ابعاد | ~ 44.5 × 14 × 5.5 mm | |
| طول سیم القاگر | ~ 22 mm | بر اساس دیتاشیت رسمی |
کاربردهای عملی (Applications – H3)
در این بخش کاربردهایی ارائه می‌شود که عملاً کاربران پروژه‌های مغناطیس و اندازه‌گیری میدان می‌توانند از FLC100 استفاده کنند:
- قطب‌نما و ناوبری مغناطیسی دقیق: برای تعیین جهت در محیط‌هایی که GPS در دسترس نیست
- مطالعه میدان زمین (ژئوفیزیک): اندازه‌گیری تغییرات کوچک در میدان زمین برای مطالعات زمین‌شناسی
- تشخیص خودرو و کنترل ترافیک: تشخیص وسیله نقلیه بر اساس میدان مغناطیسی عبوری
- تشخیص ناهنجاری‌های مغناطیسی: در بازرسی خطوط لوله، فلزات پنهان یا سازه‌های زیرسطحی
- کنترل کیفیت صنعتی: بررسی یکنواختی مغناطیسی مواد یا قطعات
- آرایه سنسور مغناطیسی (Magnetometer Arrays): اتصال چند FLC100 با همگام‌سازی برای پوشش میدان سه‌بعدی یا نقشه‌برداری
- سنجش میدان AC و EMI: تشخیص تداخل‌های مغناطیسی از خطوط برق یا ادوات الکترونیکی
- کاربردهای آزمایشگاهی و حسگری تحقیقاتی: استفاده در آزمایشات دقیق فیزیکی، اندازه‌گیری مغناطیسی کوچک
به عنوان مثال، پروژه‌ای در انگلستان از سه سنسور FLC100 به صورت متعامد (محورهای شمال، شرق و پایین) برای اندازه‌گیری لحظه‌ای میدان مغناطیسی با Raspberry Pi استفاده کرده است و داده‌های ثبت‌شده با داده‌های رصدخانه علمی مقایسه شده‌اند.
پین های ماژول flc-100
نسخه فیزیکی FLC100 دارای پدهای لحیم‌کاری است که معمولاً روی شبکه 0.1 اینچ قرار دارند. خطوط معمول عبارتند از:
| پد | شرح |
| VCC | تغذیه ۵ V |
| GND | زمین |
| OUT+ | سیگنال مثبت خروجی |
| OUT– | مرجع ولتاژ (معمولاً 2.5 V) |
| SYNC | برای همگام‌سازی تحریک (در آرایه سنسورها) |
نکات مهم اتصالی:
- بار خروجی (مقاومت بین OUT+ و OUT–) باید حداقل ۱ kΩ و ظرفیت خازنی آن کمتر از ۱۰۰ pF باشد تا افت یا تحریف در سیگنال نباشد.
- اگر چند سنسور FLC100 را به کار می‌برید، پد SYNC آن‌ها را به هم وصل کنید تا تحریک سنسورها با فاز یکسان انجام شود.
- استفاده از خازن‌های بای‌پس کوچک نزدیک پد تغذیه (مثلاً 0.1 µF و 1 µF) برای کاهش نویز توصیه می‌شود.
نکات طراحی، کالیبراسیون و توصیه‌ها (Design & Best Practices – H3)
برای بهره‌برداری دقیق و بهینه از FLC100 در پروژه‌های واقعی، به موارد زیر توجه ویژه کنید:
- کالیبراسیون اولیه: قبل از استفاده عملی، میدان صفر (offset) را تعیین کرده و حساسیت (sensitivity) را تنظیم کنید. دست‌یابی به دقت بالا بدون کالیبراسیون مناسب ممکن نیست.
- حذف نویز اکتیو: اگر پروژه تحت تأثیر نویز 50/60 Hz قرار دارد، از فیلتر الکترونیکی پایین‌گذر یا فیلتر نرم‌افزاری مناسب استفاده کنید.
- محدوده میدان محیطی بزرگ‌تر: اگر میدان محیطی نسبت به ±100 µT بزرگ‌تر است، ممکن است نیاز به نسخه‌ای با بازه بزرگ‌تر یا ترکیب سنسورها وجود داشته باشد.
- جبران دمایی (Temperature compensation): در کاربردهایی که دما متغیر است، بهتر است اندازه‌گیری دمای محیط و جبران رانش دمایی را انجام دهید.
- چیدمان PCB: خطوط سیگنال باید کوتاه و با شیلد مناسب باشند؛ پایه‌های تغذیه باید بای‌پس شوند.
- همگام‌سازی سنسورها: در آرایه‌های چندسنسوری، از پد SYNC برای تحریک همزمان استفاده کنید تا خطای زمانی وارد نشود.
- زمین نویز (Grounding): زمین مشترک را با دقت مدیریت کنید تا جریان‌های مشترک ایجاد خطا نکنند.
- پوشش مغناطیسی محیطی: در صورت وجود اجسام مغناطیسی نزدیک یا میدان‌های مزاحم، ممکن است نیاز به محفظه مغناطیسی (shielding) یا کالیبراسیون محلی باشد.