Magnetômetros "fluxgates" são largamente utilizados nas medidas de campos magnéticos fracos, principalmente nas observações geomagnéticas, prospeção mineral e pesquisa espacial, devido ao seu baixo consumo, baixo nível de ruído, robustez, ampla faixa dinâmica e boa sensibilidade. A utilização do magnetismo macio em ligas amorfas estimulou o trabalho de desenvolvimento de sensores magnéticos para aplicações em regiões tropicais e sub tropicais como no Brasil. Núcleos em anel com fitas amorfas foram construídos para investigar o comportamento de novas configurações de magnetômetros "fluxgates". Os resultados mostraram que é possível diminuir o ruído ajustando o tamanho da janela de amostragem com valores próximos à largura do pulso da corrente de excitação. O estudo da dependência da amplitude dos harmônicos pares com a variação da corrente de excitação mostrou as condições em que o 20 harmônico tem seu maior valor e este deve ser o ponto ajustado para a sua operação. O estudo da excitação direta com a aplicação da corrente na fita amorfa de um núcleo em anel mostrou que se pode produzir um magnetômetro "fluxgate" de segundo harmônico com sensibilidade similar aos magnetômetros com excitação convencional e ainda consumindo menos corrente. Para este estudo foram construídos 20 magnetômetros tipo "fluxgate", portáteis, com núcleo amorfo, para medir as variações do campo magnético nos três eixos ortogonais pertinentes. Foram instalados para coletarem dados no sul do Brasil, formando dois conjuntos bidimensionais com espaçamento de aproximadamente 110 km entre as estações. Durante o mesmo período, outro conjunto composto por 25 magnetômetros fluxgate da Universidade de Flinders, Austrália, foi instalado na mesma região. Os resultados mostraram dados compatíveis e desde então, medidas de Sondagens Magnéticas Profundas têm sido realizadas em todo território brasileiro para reconhecimento de concentração anômala de correntes no interior da Terra.

O magnetômetro fluxgate tem importante papel na detecção, medida e investigação do campo magnético da Terra. Prospecção mineral, testes não destrutivos de materiais, avaliação das interferências nos enlaces de radiocomunicação, controle de atitude de aeronaves, são alguns das suas atuais utilizações. Os magnetômetros de núcleo saturado ou "fluxgate magnetometer", São dispositivos que medem a magnitude e direção de campos magnéticos, estáticos ou alternados, e seu funcionamento baseia-se na propriedade de saturação de ligas magnéticas moles, que possibilitam o chaveamento do fluxo magnético, devido a variação da permeabilidade magnética da liga usada como núcleo. Dificuldades na aquisição deste dispositivo são encontradas pelos usuários devido à restrição imposta pelos países que detêm essa tecnologia, pelo seu potencial uso em aplicações militares. O domínio dessa tecnologia a disponibilizaria à todas essas aplicações. Neste trabalho apresenta-se o projeto, constução e avaliação de um magnetômetro fluxgate para fins de pesquisas espaciais. Fez-se um estudo de várias configurações de magnetômetros, sendo optado pelo "magnetômetro de segundo harmônico realimentado". Simulações em Matlab mostraram as variações das amplitudes dos harmônicos pares da freqüência de excitação presentes no sinal de saída, com as variações do campo magnético. O ótimo desempenho encontrado nos testes do magnetômetro em laboratório e em campo, indica sua aplicabilidade em pesquisas geomagnéticas e em exploração mineral, além de, com uma versão um pouco mais simples, ser usado como instrumento para o controle de atitude de foguetes e satélites. A faxi de medida desse magnetômetro é de mais ou menos 1nT a mais ou menos 5000 nT, e sua sensibilidade em torno de 100uV/nT em toda a faixa de medida.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-06-17T13:32:06Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoMagnetometroPrecessao.pdf: 17510600 bytes, checksum: 3cd875417ef121ea4968ecb04deff10c (MD5) / Rejected by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br), reason: Indexar os assuntos on 2014-08-06T14:53:18Z (GMT) / Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-08-28T14:28:04Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoMagnetometroPrecessao.pdf: 17510600 bytes, checksum: 3cd875417ef121ea4968ecb04deff10c (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-09-18T14:05:07Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoMagnetometroPrecessao.pdf: 17510600 bytes, checksum: 3cd875417ef121ea4968ecb04deff10c (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-18T14:05:08Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DesenvolvimentoMagnetometroPrecessao.pdf: 17510600 bytes, checksum: 3cd875417ef121ea4968ecb04deff10c (MD5) Previous issue date: 1983 / FINEP - Financiadora de Estudos e Projetos / O objetivo desta tese foi desenvolver um magnetômetro à precessão nuclear para prospecção geofísica e estações-base magnéticas. O magnetômetro à precessão nuclear mede a intensidade total do campo magnético. Seu funcionamento é baseado na ressonância magnética nuclear. A medida de campo é feita pela de terminação da freqüência de precessão de núcleos de hidrogênio – prótons - de líquidos não viscosos no campo magnético terrestre. O magnetômetro é constituído de duas partes: o sensor e o instrumento de medida. O sensor é uma bobina solenoidal, cujo núcleo é preenchido com o líquido. Três líquidos diferentes foram testados; água, propanol e um querosene sintético. Optou-se pelo uso do querosene porque oferece maior amplitude no sinal de precessão, dando, conseqüentemente, maior relação sinal/ ruído. O sistema de medida contém os circuitos de sintonia e amplificação do sinal e, os circuitos lógicos para a programação da operação e contagem da freqüência de precessão. Cada ciclo de medida tem duração de 3 segundos, sendo 2,3s para a polarização e 0,7s para a recepção do sinal. São possíveis dois modos de operação: manual, reciclando automaticamente e por controle remoto. O sinal de precessão é amplificado seletivamente em uma das 14 faixas de sintonia, que cobrem medidas entre 22000 e 95000 gammas. A freqüência de precessão é multiplicada por um fator de 64 e contada durante um tempo igual a 0,36699s, determinado com base na razão giromagnética do próton. O número de pulsos contados é numericamente igual ao valor do campo magnético em gammas. A resposta pode ser lida em mostradores digitais ou na saída BCD paralela quando operando por controle remoto. A precisão da medida é de 1 gamma. O instrumento foi testado no campo para avaliar a relação sinal/ruído, gradiente suportável e consumo de potência. Nos testes de aplicação do protótipo, foram obtidos dados de variação diurna e realizaram-se levantamentos magnético de reconhecimento e detalhe em um sítio arqueológico na Ilha de Marajó, Pará. As respostas dos testes foram comparados com dois magnetômetros comerciais - o GP-70, McPhar e o G-816, Geometrics e, ainda, com dados do Observatório Magnético de Tatuoca-Pa. Em todos os casos, a comparação dos dados mostrou bom desempenho do magnetômetro em teste. / The objetive of this thesis was to develop a proton precession magnetometer for geophysical prospecting and base stations. The proton precession magnetometer measures the total magnetic field intensity. It operates on the basis of nuclear magnetic resonance by determining the precession frequency of protons of a non vicous liquid in the terrestrial .magnetic field. The magnetometer consists of two parts: the sensor and the measuring instrument. The sensor is a solenoildal coil with the liquid as the core. Three different liquids were tested: water, n-propanol and a laboratory grade kerosene. The last one was selected because it offers more high precession signal amplitude and, consequently higer signal/noise ratio. The measuring system contains the tunning and amplifier circuits and the logical circuits for programming the measuring cycle and count on the precession frequency. Each cycle has a duration of 3 seconds; 2.3 seconds for the polarization and 0.7 seconds for the reception of the signal. The operation can be carried out manually, automatically or by remote control. The precession signal is amplified selectively in one of 14 different syntonized band-passes for measurements between 22000 and 95000 gammas. The precession frequency is multiplied by 64 and counted for a time of 0.36699 seconds, selected in consideration to the gyromagnetic ratio of the proton. The number of counted pulses is numerically equal to the value of the magnetic field in gammas. The reading is displaed digitally. For remote operation a BCD output is availabe. The precision of the measurements is 1 gamma. The instrument was tested in field to evaluate signal/noise ratio, supportable gradient and battery consuption. Application teste was carried out to take diurnal variation data and, reconnaissance and detail surveys data on an archaeological site in the Marajó Island-Pa. The test results were confronted with two commercial magnetometers-GP-70, McPhar e G-816, Geometrics - and, with data from Observatório Magnetico Ilha de Tatuoca as well. For all cases, the data comparison showed a good performance of the magnetometer tested.

Apresenta-se o desenho, construção e caracterização de uma plataforma experimental para a obtenção de imagens magnéticas bidimensionais (2D) geradas pela distribuição não uniforme em gel de vaselina de micro-partículas magnéticas (magnetita- Fe3O4), acomodadas em fantomas magnéticos de geometrias irregulares. A instrumentação é basicamente formada por um arranjo multicanal de 12-sensores magnetorresistivos de última geração (modelo HMC 1001/1002 da Honeywell), os quais convertem os sinais magnéticos, a serem medidas, em voltagens diferenciais, que posteriormente passam-se pela etapa de condicionamento analógico multisinais, e adquiridos por uma placa de aquisição PCI de 16 canais simples, e geradas pelas fontes magnéticas (fantomas) as quais eram posicionadas acima de uma tabua porta-fantoma a qual era acionada por um sistema de posicionamento x-y, utilizando-se dois motores de passo controlados via porta paralela. A obtenção e processamento das imagens de forma automática foi levado acabo por médio da ferramenta computacional SmaGimFM v1.0 (grupo de scripts escritos pelo autor, em LABVIEW v8.1 e Matlab v7.3). A montagem experimental foi desenhada para realizar o scan numa área de ate (20x18) cm2. O sistema consegue medir campos na ordem de poucos nano-teslas (10-9 T). Foi demostrado experimentalmente que: a detectibilidade do sistema está na ordem de 100 pT/?Hz; a resolução, o menor valor da indução magnética detectada e a resolução espacial dos sensores foi aproximadamente de (3±1) nT e (3.0± 0.1) mm, respectivamente, este último obtido para uma distancia sensor-fonte média de (6.0± 0.1) mm. O nível de ruído ambiental médio foi corroborado experimentalmente no valor de 10 nT. O fator de Calibração para todos os sensores alimentados com 8V, foi aproximadamente de 10-6 T/V, confirmando o valor da sensibilidade nominal oferecida pelo vendedor no data-sheet dos sensores. Os multisinais sempre foram pré-processadas para a remoção dos offset, e posteriormente era realizadas uma interpolação bi-cúbica, para gerar imagens magnéticas com uma alta resolução espacial da ordem de (256x256) pixels. A funções de transferência da modulação e espalhamento pontual do sistema foram estudados e os sensores foram espaçados e fixados de acordo com os resultados destes estudos. Nesta tese todas as imagens cruas foram geradas pelo mapeamento da resposta do sistema multicanal de magnetômetros a pequenas distancias e geradas pela presença de micropartículas de magnetita (Fe3O4) não tratada termicamente e dispersada em oitos fantomas planares com geometrias complexas e chamados como: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall e PhQuadBig. As imagens magnéticas de cada um destes fantomas é apresentada. A cada experimento, estes fantomas eram magnetizados pela ação de um pulso magnético uniforme no volume dos fantomas, com um valor aproximadamente de 81.6 mT, e produzido por um sistema de bobinas par de Helmholtz. Para fazer o registro experimental das imagens magnéticas, os fantomas foram posicionados a uma altura fixa em relação aos sensores, e movidos numa direção de scan, assim nos detectores observávamos as voltagens gerados pela variação no campo remanente devido às diferentes concentrações de micro-partículas magnéticas magnetizadas foram medidos e controlados por um computador pessoal. Usando as imagens cruas (imagens ruidosas e borradas) e outras informações a priori, foram obtidas as imagens reconstruídas das fontes do campo magnético, tais como, a distribuição de partículas ferrimagnéticas no interior dos fantomas, a qual é relacionada com a susceptibilidade magnética das amostras. Encontrar as imagens das fontes magnéticas, é resolver o problema magnético associado, e nosso trabalho estas restaurações foram realizadas usando-se os seguintes algoritmos numéricos de deconvolução, filtragem espacial de Wiener e Fourier, o filtragem Pseudo-inversa, o método do gradiente conjugado e os procedimentos de regularização de Tikhonov e Decomposição de Valores singulares truncados, dentre outros. Estes procedimentos foram implementados e testados. As imagens reconstruídas das fontes magnéticas de quatro fantomas são apresentadas. Estas técnicas foram programadas computacionalmente por médio de um conjunto de scripts chamados de SmaGimFM v1.0, estes foram escritos nos linguagens computacionais MATLAB® desde a MathWorks Inc.; e LABVIEW desde a National Instruments Inc. Estes resultados preliminares mostram que o sistema de imagens apresenta potencial para ser aplicada em estudos na área da Física Médica, onde imagens com moderada para alta resolução espacial e baixa amplitude da indução magnética são exigidas. Contudo, podemos afirmar que à distância sensor-fonte é crítica e afeta a resolução das imagens. O sistema é capaz de registrar imagens na ordem de 10-9 T, e sua elevada resolução espacial indica que pode ser testada como uma nova técnica biomagnética para gerar imagens em 2D de partículas magnéticas dentro de objetos, na região do campo próximo, para futuras aplicações médicas / We have designed and build a magnetic imaging system for obtaining experimental noisy and blurred magnetic images from distribution of ferromagnetic tracers (magnetite Fe3O4). The main part of the magnetic imaging system was formed by a linear array composed of 12-magnetoresistive sensors from Honeywell Inc. (HMC 1001). These sensors are microcircuits with a configuration of wheatstone-bridge and convert magnetic fields into differential voltage, which after pass for the multichannel signal stage can be to measure magnetic signals about of 10-9 T. The system is capable of scanning planar samples with dimensions up to (16x18) cm square. A full experimental characterization of the magnetic imaging system was carried out. The calibration factor for all sensor supplied by 8 V, was approximately 10-6 T/V, confirming the data sheet nominal properties from the vendor. The spatial resolution and the resolution of the magnetic imaging system were experimentally confirmed to be 3 mm and 3 nT, respectively. The spectral density noise was about , for the experimental conditions used in these studies. The signals were pre-processed for offset remove and the interpolation for spatial resolution improves and generates images of (256x256) pixels. The point spread and modulation transference functions of multi-sensor system were studied and the sensors were spaced accordingly. In this thesis, all raw images were generated by mapping the response of the magnetoresistive magnetometers multichannel array at short distances due to the presence of uncooked magnetite powder dispersed in eight planar phantoms with complex geometries and called as: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall and PhQuadBig. These phantoms were magnetized by a uniform pulse field of approximately of 81.6 mT produced by a Helmholtz coil system. The samples were moved under the magnetoresistive sensors and the voltages generated by the variation in remanent magnetic field due to different magnetized ferromagnetic particles concentrations were recorded and controlled by a personal computer. Using the experimental noisy and blurred magnetic field images (raw images), and some another, a priori information\'s, the reconstruction of the magnetic field source images, such as, the distribution of ferromagnetic particles inner of the phantoms which are related with magnetic susceptibility, was obtained by various inverse problem solution algorithms\', such as, the spatial Wiener and Fourier filtering, the Pseudo-inverse filtering; the conjugated gradient and Tikhonov and Decomposition of Truncated Singular Values approaches and others. These procedures were implemented by mean of the scripts set called SmaGimFM v1.0, that we developed using the MATLAB® language from MathWorks Inc. A preliminary result shows that this magnetic imaging system join to some deconvolution technique can be considered efficient to be used in functional images of the gastrointestinal tract, where a moderate resolution is required. We can affirm that at a distance sensor-source choose is a critical parameter and affects the resolution of the images; and we can conclude that this magnetic images method can be successfully used to generate planar blurred magnetic images and magnetic field sources images in the near field region at macroscopic level generated by ferromagnetic materials.

Apresenta-se o desenho, construção e caracterização de uma plataforma experimental para a obtenção de imagens magnéticas bidimensionais (2D) geradas pela distribuição não uniforme em gel de vaselina de micro-partículas magnéticas (magnetita- Fe3O4), acomodadas em fantomas magnéticos de geometrias irregulares. A instrumentação é basicamente formada por um arranjo multicanal de 12-sensores magnetorresistivos de última geração (modelo HMC 1001/1002 da Honeywell), os quais convertem os sinais magnéticos, a serem medidas, em voltagens diferenciais, que posteriormente passam-se pela etapa de condicionamento analógico multisinais, e adquiridos por uma placa de aquisição PCI de 16 canais simples, e geradas pelas fontes magnéticas (fantomas) as quais eram posicionadas acima de uma tabua porta-fantoma a qual era acionada por um sistema de posicionamento x-y, utilizando-se dois motores de passo controlados via porta paralela. A obtenção e processamento das imagens de forma automática foi levado acabo por médio da ferramenta computacional SmaGimFM v1.0 (grupo de scripts escritos pelo autor, em LABVIEW v8.1 e Matlab v7.3). A montagem experimental foi desenhada para realizar o scan numa área de ate (20x18) cm2. O sistema consegue medir campos na ordem de poucos nano-teslas (10-9 T). Foi demostrado experimentalmente que: a detectibilidade do sistema está na ordem de 100 pT/?Hz; a resolução, o menor valor da indução magnética detectada e a resolução espacial dos sensores foi aproximadamente de (3±1) nT e (3.0± 0.1) mm, respectivamente, este último obtido para uma distancia sensor-fonte média de (6.0± 0.1) mm. O nível de ruído ambiental médio foi corroborado experimentalmente no valor de 10 nT. O fator de Calibração para todos os sensores alimentados com 8V, foi aproximadamente de 10-6 T/V, confirmando o valor da sensibilidade nominal oferecida pelo vendedor no data-sheet dos sensores. Os multisinais sempre foram pré-processadas para a remoção dos offset, e posteriormente era realizadas uma interpolação bi-cúbica, para gerar imagens magnéticas com uma alta resolução espacial da ordem de (256x256) pixels. A funções de transferência da modulação e espalhamento pontual do sistema foram estudados e os sensores foram espaçados e fixados de acordo com os resultados destes estudos. Nesta tese todas as imagens cruas foram geradas pelo mapeamento da resposta do sistema multicanal de magnetômetros a pequenas distancias e geradas pela presença de micropartículas de magnetita (Fe3O4) não tratada termicamente e dispersada em oitos fantomas planares com geometrias complexas e chamados como: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall e PhQuadBig. As imagens magnéticas de cada um destes fantomas é apresentada. A cada experimento, estes fantomas eram magnetizados pela ação de um pulso magnético uniforme no volume dos fantomas, com um valor aproximadamente de 81.6 mT, e produzido por um sistema de bobinas par de Helmholtz. Para fazer o registro experimental das imagens magnéticas, os fantomas foram posicionados a uma altura fixa em relação aos sensores, e movidos numa direção de scan, assim nos detectores observávamos as voltagens gerados pela variação no campo remanente devido às diferentes concentrações de micro-partículas magnéticas magnetizadas foram medidos e controlados por um computador pessoal. Usando as imagens cruas (imagens ruidosas e borradas) e outras informações a priori, foram obtidas as imagens reconstruídas das fontes do campo magnético, tais como, a distribuição de partículas ferrimagnéticas no interior dos fantomas, a qual é relacionada com a susceptibilidade magnética das amostras. Encontrar as imagens das fontes magnéticas, é resolver o problema magnético associado, e nosso trabalho estas restaurações foram realizadas usando-se os seguintes algoritmos numéricos de deconvolução, filtragem espacial de Wiener e Fourier, o filtragem Pseudo-inversa, o método do gradiente conjugado e os procedimentos de regularização de Tikhonov e Decomposição de Valores singulares truncados, dentre outros. Estes procedimentos foram implementados e testados. As imagens reconstruídas das fontes magnéticas de quatro fantomas são apresentadas. Estas técnicas foram programadas computacionalmente por médio de um conjunto de scripts chamados de SmaGimFM v1.0, estes foram escritos nos linguagens computacionais MATLAB® desde a MathWorks Inc.; e LABVIEW desde a National Instruments Inc. Estes resultados preliminares mostram que o sistema de imagens apresenta potencial para ser aplicada em estudos na área da Física Médica, onde imagens com moderada para alta resolução espacial e baixa amplitude da indução magnética são exigidas. Contudo, podemos afirmar que à distância sensor-fonte é crítica e afeta a resolução das imagens. O sistema é capaz de registrar imagens na ordem de 10-9 T, e sua elevada resolução espacial indica que pode ser testada como uma nova técnica biomagnética para gerar imagens em 2D de partículas magnéticas dentro de objetos, na região do campo próximo, para futuras aplicações médicas / We have designed and build a magnetic imaging system for obtaining experimental noisy and blurred magnetic images from distribution of ferromagnetic tracers (magnetite Fe3O4). The main part of the magnetic imaging system was formed by a linear array composed of 12-magnetoresistive sensors from Honeywell Inc. (HMC 1001). These sensors are microcircuits with a configuration of wheatstone-bridge and convert magnetic fields into differential voltage, which after pass for the multichannel signal stage can be to measure magnetic signals about of 10-9 T. The system is capable of scanning planar samples with dimensions up to (16x18) cm square. A full experimental characterization of the magnetic imaging system was carried out. The calibration factor for all sensor supplied by 8 V, was approximately 10-6 T/V, confirming the data sheet nominal properties from the vendor. The spatial resolution and the resolution of the magnetic imaging system were experimentally confirmed to be 3 mm and 3 nT, respectively. The spectral density noise was about , for the experimental conditions used in these studies. The signals were pre-processed for offset remove and the interpolation for spatial resolution improves and generates images of (256x256) pixels. The point spread and modulation transference functions of multi-sensor system were studied and the sensors were spaced accordingly. In this thesis, all raw images were generated by mapping the response of the magnetoresistive magnetometers multichannel array at short distances due to the presence of uncooked magnetite powder dispersed in eight planar phantoms with complex geometries and called as: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall and PhQuadBig. These phantoms were magnetized by a uniform pulse field of approximately of 81.6 mT produced by a Helmholtz coil system. The samples were moved under the magnetoresistive sensors and the voltages generated by the variation in remanent magnetic field due to different magnetized ferromagnetic particles concentrations were recorded and controlled by a personal computer. Using the experimental noisy and blurred magnetic field images (raw images), and some another, a priori information\'s, the reconstruction of the magnetic field source images, such as, the distribution of ferromagnetic particles inner of the phantoms which are related with magnetic susceptibility, was obtained by various inverse problem solution algorithms\', such as, the spatial Wiener and Fourier filtering, the Pseudo-inverse filtering; the conjugated gradient and Tikhonov and Decomposition of Truncated Singular Values approaches and others. These procedures were implemented by mean of the scripts set called SmaGimFM v1.0, that we developed using the MATLAB® language from MathWorks Inc. A preliminary result shows that this magnetic imaging system join to some deconvolution technique can be considered efficient to be used in functional images of the gastrointestinal tract, where a moderate resolution is required. We can affirm that at a distance sensor-source choose is a critical parameter and affects the resolution of the images; and we can conclude that this magnetic images method can be successfully used to generate planar blurred magnetic images and magnetic field sources images in the near field region at macroscopic level generated by ferromagnetic materials.