Magnetometru portabil: 7 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Un magnetometru, numit uneori și Gaussmeter, măsoară puterea câmpului magnetic. Este un instrument esențial pentru a testa puterea magneților și a electro-magneților permanenți și pentru a înțelege forma câmpului configurațiilor magnetului nontrivial. Dacă este suficient de sensibil, poate detecta și dacă obiectele din fier s-au magnetizat. Câmpurile variabile în timp de la motoare și transformatoare pot fi detectate dacă sonda este suficient de rapidă.

Telefoanele mobile conțin de obicei un magnetometru pe 3 axe, dar au fost optimizate pentru câmpul magnetic slab al pământului de ~ 1 Gauss = 0,1 mT și satura la câmpuri de câțiva mT. Amplasarea senzorului pe telefon nu este evidentă și nu este posibil să plasați senzorul în orificii înguste, cum ar fi alezajul unui electromagnet. Mai mult, este posibil să nu doriți să vă apropiați smartphone-ul de magneți puternici.

Aici descriu cum se realizează un magnetometru portabil simplu cu componente comune: un senzor liniar de hală, un Arduino, un afișaj și un buton. Costul total este mai mic de 5 EUR, iar sensibilitatea de ~ 0,01mT pe o gamă de -100 până la + 100mT este mai bună decât ceea ce v-ați putea aștepta cu naivitate. Pentru a obține citiri absolute exacte, va trebui să o calibrați: descriu cum să faceți acest lucru cu un solenoid lung de casă.

Pasul 1: Sonda Hall

Efectul Hall este un mod comun de măsurare a câmpurilor magnetice. Când electronii curg printr-un conductor într-un câmp magnetic, sunt deviați lateral și creează astfel o diferență de potențial pe laturile conductorului. Cu alegerea corectă a materialului și geometriei semiconductoare, se produce un semnal măsurabil care poate fi amplificat și pentru a oferi o măsură a unei componente a câmpului magnetic.

Folosesc SS49E deoarece este ieftin și disponibil pe scară largă. Câteva lucruri de menționat din foaia sa tehnică:

• Tensiunea de alimentare: 2,7-6,5 V, deci perfect compatibilă cu 5V de la Arduino.
• Ieșire nulă: 2,25-2,75V, deci aproximativ la jumătatea distanței între 0 și 5V.
• Sensibilitate: 1,0-1,75mV / Gauss, deci va necesita calibrare pentru a obține rezultate precise.
• Tensiune de ieșire 1,0V-4,0V (dacă este operată la 5V): bine acoperită de Arduino ADC.
• Gama: + -650G minim, + -1000G tipic.
• Timp de răspuns 3mus, deci poate preleva la câteva zeci de kHz.
• Curent de alimentare: 6-10mA, suficient de scăzut pentru a fi alimentat cu baterie.
• Eroare de temperatură: ~ 0,1% pe grad C. Se pare puțin, dar o derivă de decalaj de 0,1% dă o eroare de 3 mT.

Senzorul este compact, ~ 4x3x2mm și măsoară componenta câmpului magnetic perpendicular pe fața sa frontală. Va da un rezultat pozitiv pentru câmpurile care indică din partea din spate în partea din față, de exemplu atunci când partea din față este adusă la un pol sudic magnetic. Senzorul are 3 conductoare, + 5V, 0V și ieșire de la stânga la dreapta, când este văzut din față.

Pasul 2: Materialul necesar

• Senzor Hall liniar SS49E. Acestea costă ~ 1 EUR pentru un set de 10 online.
• Arduino Uno cu placa prototip pentru prototip sau Arduino Nano (fără anteturi!) Pentru versiunea portabilă
• Afișaj OLED monocrom SSD1306 de 0,96”cu interfață I2C
• Un buton de moment

Pentru a construi sonda:

• Un stilou vechi sau alt tub gol robust
• 3 fire subțiri torsadate ceva mai lungi decât tubul
• 12cm tub subțire (1,5 mm)

Pentru a-l face portabil:

• O cutie mare de tic-tac (18x46x83mm) sau similară
• Un clip de baterie de 9V
• Un comutator de pornire / oprire

Pasul 3: Prima versiune: Utilizarea unei plăci prototip Arduino

Întotdeauna prototip mai întâi pentru a verifica dacă toate componentele funcționează și că software-ul este funcțional! Urmați imaginea și pentru a conecta sonda Hall, afișajul și butonul nul: Sonda Hall trebuie conectată la + 5V, GND, A0 (de la stânga la dreapta). Afișajul trebuie conectat la GND, + 5V, A5, A4 (de la stânga la dreapta). Butonul trebuie să facă o conexiune de la sol la A1 când este apăsat.

Codul a fost scris și încărcat folosind Arduino IDE versiunea 1.8.10. Este necesar să instalați bibliotecile Adafruit_SSD1306 și Adafruit_GFX Încărcați codul în schița atașată.

Afișajul trebuie să afișeze o valoare DC și o valoare AC.

Pasul 4: Unele comentarii despre cod

Simțiți-vă liber să ignorați această secțiune dacă nu vă interesează funcționarea interioară a codului.

Caracteristica cheie a codului este că câmpul magnetic este măsurat de 2000 de ori la rând. Aceasta durează aproximativ 0,2-0,3 secunde. Urmărind suma și suma pătrată a măsurătorilor, este posibil să se calculeze atât media, cât și abaterea standard, care sunt raportate ca DC și AC. Prin media unui număr mare de măsurători, precizia crește, teoretic cu sqrt (2000) ~ 45. Deci, cu un ADC pe 10 biți, putem ajunge la precizia unui ADC pe 15 biți! Face o mare diferență: 1 număr ADC este de 5mV, care este de ~ 0,3mT. Datorită mediei, îmbunătățim precizia de la 0,3mT la 0,01mT.

Ca bonus, obținem și abaterea standard, astfel încât câmpurile fluctuante sunt identificate ca atare. Un câmp care fluctuează la 50Hz face ~ 10 cicluri complete în timpul măsurării, astfel încât valoarea sa AC poate fi bine măsurată.

După compilarea codului, primesc următorul feedback: Sketch folosește 16852 octeți (54%) din spațiul de stocare al programului. Maximul este de 30720 octeți. Variabilele globale utilizează 352 octeți (17%) de memorie dinamică, lăsând 1696 octeți pentru variabilele locale. Maximul este de 2048 octeți.

Majoritatea spațiului este ocupat de bibliotecile Adafruit, dar există suficient spațiu pentru funcționalități suplimentare

Pasul 5: Pregătirea sondei

Sonda este montată cel mai bine la vârful unui tub îngust: astfel poate fi ușor plasată și menținută în poziție chiar și în interiorul deschiderilor înguste. Orice tub gol dintr-un material nemagnetic va funcționa. Am folosit un stilou vechi care a dat o potrivire perfectă.

Pregătiți 3 fire subțiri flexibile, care sunt mai lungi decât tubul. Am folosit 3cm de cablu panglică. Nu există nicio logică în culori (portocaliu pentru + 5V, roșu pentru 0V, gri pentru semnal), dar cu doar 3 fire îmi amintesc.

Pentru a utiliza sonda pe prototip, lipiți câteva bucăți de sârmă decupată cu miez solid sau capătul și protejați-le cu un tub de contractare. Mai târziu, acest lucru poate fi întrerupt, astfel încât firele sondei să poată fi lipite direct la Arduino.

Pasul 6: Construirea unui instrument portabil

O baterie de 9V, ecranul OLED și un Arduino Nano se potrivesc confortabil într-o cutie (mare) Tic-Tac. Are avantajul de a fi transparent, ecranul este ușor de citit chiar și în interior. Toate componentele fixe (sonda, comutatorul de pornire / oprire și butonul) sunt atașate în partea de sus, astfel încât întregul ansamblu poate fi scos din cutie pentru schimbarea bateriei sau actualizarea codului.

Nu am fost niciodată un fan al bateriilor de 9V: sunt scumpe și au capacitate redusă. Dar supermarketul meu local a vândut brusc versiunea reîncărcabilă NiMH cu 1 EUR fiecare și am constatat că pot fi încărcate cu ușurință păstrându-le pe 11V printr-un rezistor de 100Ohm peste noapte. Am comandat clipuri ieftin, dar nu au ajuns niciodată, așa că am scos o baterie veche de 9V pentru a transforma partea de sus într-un clip. Lucrul bun al bateriei de 9V este că este compactă, iar Arduino funcționează bine pe ea, conectându-l la Vin. Pe + 5V va exista un 5V reglementat disponibil pentru OLED și pentru sonda Hall.

Sonda Hall, ecranul OLED și butonul sunt conectate în același mod ca și pentru prototip. Singura adăugare este un buton de pornire / oprire între bateria de 9V și Arduino.

Pasul 7: Calibrare

Constanta de calibrare din cod corespunde numărului dat în foaia de date (1,4mV / Gauss), dar foaia de date permite o gamă largă (1,0-1,75mV / Gauss). Pentru a obține rezultate exacte, va trebui să calibrăm sonda!

Cea mai simplă modalitate de a produce un câmp magnetic cu o putere bine determinată este utilizarea unui solenoid: intensitatea câmpului unui solenoid lung este: B = mu0 * n * I. Permeabilitatea la vid este o constantă a naturii: mu0 = 1,2566x10 ^ -6 T / m / A. Câmpul este omogen și depinde doar de densitatea înfășurărilor n și de curentul I, ambele putând fi măsurate cu o precizie bună (~ 1%). Formula citată este derivată pentru solenoidul infinit de lung, dar este o foarte bună aproximare pentru câmpul din centru, atâta timp cât raportul dintre lungime și diametru, L / D> 10.

Pentru a face un solenoid adecvat, luați un tub cilindric gol cu L / D> 10 și aplicați înfășurări regulate cu sârmă emailată. Am folosit un tub din PVC cu și un diametru exterior de 23 mm și am înfășurat 566 de înfășurări, cu o lungime de 20,2 cm, rezultând n = 28 / cm = 2800 / m. Lungimea firului este de 42m și rezistența de 10,0 Ohm.

Alimentați bobina și măsurați debitul curent cu un multimetru. Folosiți fie o sursă de tensiune variabilă, fie un rezistor de sarcină variabilă pentru a menține curentul sub control. Măsurați câmpul magnetic pentru câteva setări actuale și comparați-l cu citirile.

Înainte de calibrare, am măsurat 6,04 mT / A, în timp ce teoria prezice 3,50 mT / A. Așa că am înmulțit constanta de calibrare în linia 18 a codului cu 0,58. Magnetometrul este acum calibrat!

Locul doi în Provocarea Magneților