Prijenosni magnetometar: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Magnetometar, koji se ponekad naziva i Gaussmeter, mjeri jačinu magnetskog polja. To je bitan alat za ispitivanje čvrstoće stalnih magneta i elektromagneta i za razumijevanje oblika polja netrivijalnih konfiguracija magneta. Ako je dovoljno osjetljiv, može otkriti i jesu li se magnetizirali željezni predmeti. Vremenska polja motora i transformatora mogu se otkriti ako je sonda dovoljno brza.

Mobilni telefoni obično sadrže troosni magnetometar, ali optimizirani su za slabo magnetsko polje zemlje od ~ 1 Gauss = 0,1 mT i zasićuju na poljima od nekoliko mT. Lokacija senzora na telefonu nije očigledna i nije moguće postaviti senzor unutar uskih otvora, poput otvora elektromagneta. Štaviše, možda ne biste željeli približiti svoj pametni telefon jakim magnetima.

Ovdje opisujem kako napraviti jednostavan prijenosni magnetometar sa uobičajenim komponentama: linearnim senzorom u predvorju, Arduinom, zaslonom i pritiskom na gumb. Ukupni troškovi su manji od 5 EUR, a osjetljivost od ~ 0,01 mT u rasponu od -100 do +100 mT je bolja od onoga što biste mogli naivno očekivati. Da biste dobili točna apsolutna očitanja, morat ćete ga kalibrirati: opisujem kako to učiniti s domaćim dugim solenoidom.

Korak 1: Hall -ova sonda

Hall-ov efekt uobičajen je način mjerenja magnetskih polja. Kada elektroni teku kroz vodič u magnetskom polju, oni se odbijaju bočno i na taj način stvaraju razliku potencijala na stranama vodiča. Pravilnim izborom poluvodičkog materijala i geometrije proizvodi se mjerljivi signal koji se može pojačati i dati mjeru jedne komponente magnetskog polja.

Koristim SS49E jer je jeftin i široko dostupan. Nekoliko stvari koje treba zabilježiti iz njegove podatkovne tablice:

• Napon napajanja: 2,7-6,5 V, tako savršeno kompatibilan sa 5V iz Arduina.
• Nulti izlaz: 2,25-2,75V, dakle otprilike na pola puta između 0 i 5V.
• Osetljivost: 1,0-1,75 mV/Gauss, pa će za precizne rezultate biti potrebna kalibracija.
• Izlazni napon 1.0V-4.0V (ako radi na 5V): dobro pokriven Arduino ADC-om.
• Domet: +-650G minimum, +-1000G tipično.
• Vrijeme odziva 3mus, tako da može uzorkovati na nekoliko desetina kHz.
• Napajanje: 6-10mA, dovoljno nisko da radi na baterije.
• Greška temperature: ~ 0,1% po stepenu C. Čini se malo, ali pomak odstupanja od 0,1% daje grešku od 3 mT.

Senzor je kompaktan, ~ 4x3x2mm i mjeri komponentu magnetskog polja koja je okomita na njegovu prednju stranu. Ispisat će pozitivnu vrijednost za polja koja pokazuju sa stražnje strane na prednju stranu, na primjer kada se prednja strana dovede do magnetskog južnog pola. Senzor ima 3 odvoda, +5V, 0V i izlaz slijeva nadesno, gledano sprijeda.

Korak 2: Potreban materijal

• SS49E linearni Hall senzor. Oni koštaju ~ 1 EUR za komplet od 10 online.
• Arduino Uno sa prototipnom pločom za prototip ili Arduino Nano (bez zaglavlja!) Za prenosivu verziju
• SSD1306 0,96”jednobojni OLED ekran sa I2C interfejsom
• Trenutni taster

Da biste konstruisali sondu:

• Stara olovka ili druga čvrsta šuplja cijev
• 3 tanko navođene žice nešto duže od cijevi
• 12 cm tanke (1,5 mm) skupljajuće cijevi

Da biste ga učinili prenosivim:

• Velika tic-tac kutija (18x46x83mm) ili slična
• Obujmica za bateriju od 9V
• Prekidač za uključivanje/isključivanje

Korak 3: Prva verzija: Korištenje Arduino prototipske ploče

Uvijek prvo napravite prototip kako biste provjerili rade li sve komponente i je li softver funkcionalan! Pratite sliku i za povezivanje Hall sonde, ekrana i tipke null: Hall sondu morate spojiti na +5V, GND, A0 (slijeva nadesno). Zaslon mora biti spojen na GND, +5V, A5, A4 (slijeva nadesno). Gumb mora uspostaviti vezu od zemlje do A1 kada se pritisne.

Kôd je napisan i otpremljen pomoću Arduino IDE verzije 1.8.10. Potrebno je instalirati biblioteke Adafruit_SSD1306 i Adafruit_GFX Otpremite kôd u priloženoj skici.

Na ekranu bi se trebala prikazati vrijednost istosmjerne i izmjenične vrijednosti.

Korak 4: Neki komentari o Kodeksu

Ovaj odjeljak slobodno preskočite ako vas ne zanima unutarnji rad koda.

Ključna karakteristika koda je da se magnetsko polje mjeri 2000 puta zaredom. Ovo traje oko 0,2-0,3 sekunde. Prateći zbroj i kvadratni zbir mjerenja, moguće je izračunati i srednju vrijednost i standardnu devijaciju, koji se iskazuju kao DC i AC. Usrednjavanjem velikog broja mjerenja, preciznost se povećava, teoretski za sqrt (2000) ~ 45. Tako sa 10-bitnim ADC-om možemo postići preciznost 15-bitnog ADC-a! To čini veliku razliku: 1 broj ADC -a je 5mV, što je ~ 0.3mT. Zahvaljujući usrednjavanju, poboljšavamo preciznost sa 0,3mT na 0,01mT.

Kao bonus dobijamo i standardnu devijaciju, pa se fluktuirajuća polja identifikuju kao takva. Polje koje fluktuira na 50Hz radi ~ 10 punih ciklusa tokom vremena mjerenja, tako da se njegova izmjenična vrijednost može dobro izmjeriti.

Nakon sastavljanja koda dobivam sljedeće povratne informacije: Sketch koristi 16852 bajta (54%) prostora za pohranu programa. Maksimalno je 30720 bajtova. Globalne varijable koriste 352 bajta (17%) dinamičke memorije, ostavljajući 1696 bajtova za lokalne varijable. Maksimalno je 2048 bajtova.

Većinu prostora zauzimaju biblioteke Adafruit, ali ima dovoljno prostora za daljnju funkcionalnost

Korak 5: Priprema sonde

Sondu je najbolje postaviti na vrh uske cijevi: na ovaj način se može lako postaviti i zadržati u položaju čak i unutar uskih otvora. Svaka šuplja cijev od nemagnetnog materijala će odgovarati. Koristio sam staru olovku koja mi je savršeno pristajala.

Pripremite 3 tanke fleksibilne žice koje su duže od cijevi. Koristio sam 3 cm ribbon kabla. Nema logike u bojama (narančasta za +5V, crvena za 0V, siva za signal), ali sa samo 3 žice mogu se sjetiti.

Za upotrebu sonde na prototipu, lemite neke komade ogoljene pune žice za spajanje na kraju i zaštitite ih skupljajućom cijevi. Kasnije se to može odsjeći tako da se žice sonde mogu lemiti izravno na Arduino.

Korak 6: Izgradnja prijenosnog instrumenta

9V baterija, OLED ekran i Arduino Nano udobno se smještaju u (veliku) Tic-Tac kutiju. Prednost mu je što je proziran, jer se ekran dobro čita čak i iznutra. Sve fiksne komponente (sonda, prekidač za uključivanje/isključivanje i tipkalo) pričvršćene su na vrh, tako da se cijeli sklop može izvaditi iz kutije radi zamjene baterije ili ažuriranja koda.

Nikada nisam bio ljubitelj 9V baterija: skupe su i imaju mali kapacitet. Ali moj lokalni supermarket odjednom je prodao punjivu NiMH verziju za 1 EUR svaki, i otkrio sam da se mogu lako napuniti držeći ih na 11V preko 100Ohm otpornika preko noći. Naručio sam isječke jeftino, ali oni nisu stigli, pa sam rastavio staru bateriju od 9V kako bih gornji dio pretvorio u kopču. Dobra stvar u vezi s 9V baterijom je što je kompaktna i Arduino dobro radi na njoj povezivanjem na Vin. Na +5V bit će regulirano 5V dostupno za OLED i za Hall sondu.

Hallova sonda, OLED ekran i pritisni taster povezani su na isti način kao i za prototip. Jedini dodatak je gumb za uključivanje/isključivanje između 9V baterije i Arduina.

Korak 7: Kalibracija

Kalibracijska konstanta u kodu odgovara broju navedenom u podatkovnom listu (1,4mV/Gauss), ali podatkovni list omogućuje veliki raspon (1,0-1,75mV/Gauss). Da bismo dobili točne rezultate, morat ćemo kalibrirati sondu!

Najjednostavniji način za stvaranje magnetskog polja dobro određene jakosti je korištenje solenoida: jakost polja dugog solenoida je: B = mu0*n*I. Vakuumska propusnost je konstanta prirode: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Polje je homogeno i ovisi samo o gustoći namota n i struji I, koje se obje mogu mjeriti s dobrom točnošću (~ 1%). Navedena formula izvedena je za beskonačno dugačak solenoid, ali je vrlo dobra aproksimacija za polje u središtu sve dok je omjer dužine i promjera, L/D> 10.

Da biste napravili odgovarajući solenoid, uzmite šuplju cilindričnu cijev L/D> 10 i primijenite redovne namote s emajliranom žicom. Koristio sam PVC cijev s vanjskim promjerom od 23 mm i namotao 566 namota, zatim raspona 20,2 cm, što je rezultiralo n = 28/cm = 2800/m. Dužina žice je 42 m, a otpor 10,0 Ohma.

Napajte zavojnicu napajanjem i izmjerite trenutni tok multimetrom. Da biste držali struju pod kontrolom, upotrijebite napajanje promjenjivim naponom ili otpornik s promjenjivim opterećenjem. Izmjerite magnetsko polje za nekoliko trenutnih postavki i usporedite ga s očitanjima.

Prije kalibracije mjerio sam 6,04 mT/A dok teorija predviđa 3,50 mT/A. Tako sam pomnožio kalibracijsku konstantu u retku 18 koda sa 0,58. Magnetometar je sada kalibriran!

Drugoplasirani u izazovu magneta