manyetik alanın yoğunlugunu ölçmeye yarayan ölçü aleti.

Manyetometre

Manyetometre , cihaz çevresindeki manyetik alanın yönünün ve/veya büyüklüğünün ölçülmesinde kullanılan bilimsel bir cihazdır.

Dünya üzerindeki manyetizma mekandan mekana farklılık gösterir ve dünyanın manyetik alanındaki (magnetosfer) farklar iki şeye sebep olabilir:

•  Taşların doğasında değişme

•  Magnetosfer ve güneşten gelen partiküller arasında etkileşim.

Kullanımları

Manyetometreler demir tortularını bulmak için coğrafik araştırmalarda kullanılırlar çünkü demirin manyetik çekimini hesaplayabilirler. Manyetometreler arkeolojik araştırmalarda, gemi enkazlarının ve diğer gömülü veya batmış nesnelerin tespitinde kullanılırlar. Manyetik dedektörler askeri amaçlar için denizaltıların tespitinde kullanılırlar.

Bir manyetometre dünyanın manyetik alanının yönünü ve büyüklüğünü ölçmek için uydular tarafından da kullanılabilir.

Manyetometreler yağ ve gaz için matkap parçasının yakınındaki matkap gereçlerinin azimutunu tesbit etmek için yönsel delmelerde kullanılırlar. Genellikle delme gereçlerinde ivmeölçerlerle birlikte kullanılırlar. Böylece hem eğim hem de matkap parçasının azimutu bulunabilir.

Manyetometreler çok hassastırlar.

Tipleri

Manyetometreler iki basit tipte incelenebilirler:

•  Skaler manyetometreler manyetik alanın büyüklüğünü ölçerler

•  Vektörel manyetometreler belirgin bir yönde manyetik alan bileşenini ölçebilirler.

3 ortogonal vektörel manyetometrelerin kullanımı manyetik alan büyüklüğü, açısı ve sapmasının tanımlanmasını olası kılar.

Manyetik Sensörlerle Pusulalama

İnsanlar yüzyıllardır Dünya'nın manyetik alanını seyre yardımcı bir araç olarak kullandılar. Bugün pusulalar nasıl çalışır? Modern bir yaklaşım, manyetik alanı direk olarak ölçmek için manyetometreleri kullanır. Bu uygulama notu manyetik sensörler kullanılarak rota tesbiti konusunda çeşitli yaklaşımları ve bunların gerçek dünya uygulamalarına uygunlukları ele alacaktır. Manyetik sensör teknolojilerinden ziyade sensör çeşitleri) manyetik yön bulma projelerinin analizlerini tartışacağız.

Dünyanın Manyetik Alanı

Dünyanın merkezi, dünyayı dev bir mıknatısa dönüştüren bir manyetik alan üretir. Manyetik alan manyetik güney kutbundan çıkar, dünyanın etrafında döner ve kuzey manyetik kutbuna geri döner. Manyetik alan üç boyutlu bir yapıya sahiptir. Manyetik alanın dikey bir bileşeni (V) ve yatay bir bileşeni (H) mevcuttur. Yatay bileşen bizim yön bulmada kullandığımız bileşendir, kuzeye yönlenen bileşen, dünyanın manyetik alanının yatay bileşenidir. Dikey bileşen sadece işleri karıştırır. Manyetik alanın yatayla yaptığı açı eğilme açısı olarak adlandırılır. Manyetik kutuplara yaklaştıkça eğilme açısı genişler. Eğilme açısı genişledikçe yatay alan bileşeni küçülür, bu da yön bulmayı zorlaştırır. Yön bulmanın en kolay olduğu yer, eğilme açısının küçük olduğu ekvator civarıdır. Manyetik yön bulma, yüksek enlemlere gidildikçe düzgün olarak zorlaşır.

 

Manyetik alanın manyetik kuzey kutbuna yönlendiğini hatırlayın. Manyetik kuzey kutbu doğru kuzey kutbundan farklıdır. Doğru Kuzey ve Güney kutupları dünyanın dönme eksenine göre tanımlanırlar. Manyetik kutuplar ise manyetik alanın dikey olduğu yer olarak tanımlanır. Manyetik kutuplar ve doğru kutuplar farklı yerlerde farklı olabilirler. Yani manyetik kuzey kutbuna yönlendiğinizde, doğru kuzey kutbundan farklı bir yöne yönlenmiş olabilirsiniz. Manyetik Kuzey ile doğru Kuzey arasındaki farka sapma (declinasyon) adı verilir. Sapma sizin dünya üzerindeki pozisyonunuza göre değişecektir. Neyse ki, insanlar bu farkları haritaladılar ve size sapmanızı pozisyonun bir fonksiyonu olarak verecek birçok referans mevcuttur. Bu dökümanın geri kalanında Kuzey dendiğinde, Manyetik kuzey anlaşılmalıdır.

İki-Boyutlu Manyetometre

En basit pusula aleti dünyanın yatay manyetik alanını ölçmek için tasarlanmış iki-eksenli bir manyetometre (veya iki tane bir-eksenli manyetometre) içerir. İki eksene X ve Y eksenleri diyelim. X eksenini yukarı, Y eksenini sola ayarlayalım. Sensör seviyelerini sadece yatay ekseni (H) ölçecek şekilde konumlandıralım. Şimdi eğer manyetik kuzeyle karşı karşıyaysak, X ekseninde +H, Y ekseninde 0 ölçeceğiz. Eğer 90 derece sağımıza dönersek, doğuyla karşı karşıyayız, X ekseninde 0, Y ekseninde +H ölçeriz. Sağımıza tekrar 90 derece dönersek, X –H ölçer, Y ekseninde ise 0 ölçeriz. Son olarak, batı, X 0 ölçer, Y, -H ölçer.

 

Eğer teta yönelme açımız olursa, X ekseninde Hcos(teta) ve Y ekseninde Hsin(teta) ölçeriz. Trigonometriyi hatırlayarak, yönelmemizi teta=arctan(Y/X) olarak hesaplayabiliriz.

İki-eksenli manyetometre en basit pusula fikridir fakat eğildiğinde doğruluğu bozulur. İki eksenli manyetometre sadece doğruluğun önemli olmadığı durumlarda kullanışlıdır. Bu kısıtlamadan dolayı Crossbow herhangi bir iki-eksenli manyetometre sistemleri önermez.

Eğim Sensörlü Üç-Boyutlu Manyetometre Bu pusulada, manyetometreler araca bağlı olarak sabitlenmiştir. Pusula aynı zamanda pusulanın yönelmesini ölçmek için bir eğim sensörü içerir. Üç boyutlu manyetometre 3 boyutlu manyetik alanı ölçer. Eğim sensörünü kullanarak, eğer pusula düz dursaydı X ve Y değerinin ne olacağını hesaplar. Ardından favori formülümüz ?=arctan(Y/X) i kullanarak yönelmeyi hesaplar.

Şimdiye kadar sorun yok fakat pusula eğim düzeltmesi hesaplıyor. Eğer eğim ölçümünde hata olursa bu hatalar yönelme hesaplamalarında hataya sebep olacaktır. Yani biz doğru yönelme ölçümleri yapabilmek için doğru bir eğim ölçümüne bağımlıyız. Dinamik uygulamalarda eğim sensörünün hatalarından dolayı yön hesaplamalarımız doğru olmayacaktır.

Bu konfigürasyonu statik fakat düz olmayan sistemlerde veya yavaş dinamik hareketleri olan sistemlerde kullanabilirsiniz.

Crossbow bu mimari ile tasarlanmış 3 sistem satar: CXM543, CXM544 ve CXM547. Hepsi her yönelmede çalışırlar, CXM543 bizim en düşük fiyatlı sistemimizdir ve anten yönelmesi, keşif ve sualtı araçları gibi çoğu yarı statik uygulamalar için uygundur. CXM544 ve CXM547 delme uygulamaları için tasarlanmıştır, CXM547 125 derecede çalışabilir.

Dinamik Ölçüm Sistemli Üç-Boyutlu Manyetometre

Bir dinamik çevrede yön bulma problemine tam çözüm üç-boyutlu manyetometre yaklaşımı ile doğru dinamik davranışınızı ölçen bir metodun birleştirilmesidir. Crossbow'un DMU sensörleri aracınızın dinamiklerini doğru olarak ölçmek için açısal oran sensörlerini ve ivmeölçerleri kombine eder ve hareket esnasında dahi doğru eğim ölçümleri yapar. Bu dinamik koşullar altında dahi yönelmenizi izlemenize olanak sağlar.

DMU dinamik davranış ölçümünü ivmeölçerlerle açısal oran sensörlerini birleştirerek tamamlar. Açısal oran sensörleri sensör ekseni etrafında saniyede açı cinsinden dönme oranını hesaplarlar, açıyı derece cinsinden elde etmek için açısal oran ölçümlerini zaman üzerinden integre ederiz. İvmeölçerler ivme altında değilken yerçekimini referans alarak eğimi direk olarak hesaplamak için kullanılırlar. Bu yolla açı integrasyonundaki sürtünme hatalarını düzeltmek için ivmeölçerleri kullanırız. Hadi iki somut örneğe bakalım: bir hava aracının koordineli dönüşü ve bir arabanın frenlenmesi.

Koordinasyonlu bir dönüşte, hava aracı merkezkaç ivmesi ile yerçekimini dengelemesi için yeterince hızlı devrilir ve döner, sizin eğilmemiş gibi hissetmenize sebep olur. Eğer elinizde bir bardak su olsaydı, hava aracı gerçekte yerle 30 derece eğilse dahi dökülmezdi. Bir eğim sensörü ivmenin toplamını ölçer ve size eğimsiz olduğunuzu söylerdi. DMU, devrilme açısını düzgün olarak ölçecek. Dönüşün başında, hava aracı devrildiğinde, DMU sensörü hava aracının devrilmesini doğru olarak ölçecek. DMU, gerçek devrilme açısını bulmak için devrilme oranını zaman üzerinden integre eder. Böylece bir ivmeölçer tek başına sizin dümdüz olduğunuzu düşünse bile, DMU bükülmüş olduğunu bilecektir.

Bir arabada, frene bastığınızda, araca negatif bir yatay ivme uyguluyorsunuz. Bir eğim sensörü ivmelerin toplamını ölçecek ve size eğildiğinizi söyleyecektir. DMU sizin hala düz olduğunuzu söyleyecektir. Bunun nedeni, eğer gerçekten eğilmediyseniz, oran sensörü herhangi bir rotasyon ölçmeyecektir. Yani DMU arabanın gerçekte yönünü değiştirmediğini bilecektir.

İki boyutlu pusula durumunda gördük ki eğim hataları daha büyük yön hatalarına dönüşecek. Dinamik çevrede çalışacak bir pusulanın dinamik davranış ölçümlerine ihtiyacı vardır. Crossbow AHRS serileri ürünleri üç boyutlu manyetometre ile üç boyutlu açı oran sensörlerini içeren dinamik ölçüm sistemleri kombine eder. Bu size basit eğim sensörü limitleri olmaksızın manyetometre çözümlerinin tüm avantajlarını sağlar. AHRS her yönelmede çalışır, her çeşitlilikte donanım opsiyonlarıyla siparış edilebilir. Crossbow, DMU sensör sistemlerinin kullanımında hava araçlarından yer aracı navigasyonlarına kadar büyük tecrübe sahibidir.