Prenosni magnetometer: 7 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Magnetometer, včasih imenovan tudi Gaussmeter, meri jakost magnetnega polja. To je bistveno orodje za preizkušanje trdnosti trajnih magnetov in elektromagnetov ter za razumevanje oblike polja konfiguracij netrivialnih magnetov. Če je dovolj občutljiv, lahko zazna tudi, če so železni predmeti magnetizirani. Če je sonda dovolj hitra, je mogoče zaznati časovno spremenljiva polja motorjev in transformatorjev.

Mobilni telefoni običajno vsebujejo 3-osni magnetometer, vendar so bili optimizirani za šibko zemeljsko magnetno polje ~ 1 Gauss = 0,1 mT in nasičeni pri poljih nekaj mT. Lokacija senzorja na telefonu ni očitna in senzorja ni mogoče postaviti v ozke odprtine, kot je izvrtina elektromagneta. Poleg tega pametnega telefona morda ne boste želeli približati močnim magnetom.

Tukaj opisujem, kako narediti preprost prenosni magnetometer s skupnimi komponentami: linearnim senzorjem hale, Arduinom, zaslonom in pritiskom na gumb. Skupni stroški so manjši od 5 EUR, občutljivost ~ 0,01 mT na območju od -100 do +100 mT pa je boljša od tistega, kar bi lahko naivno pričakovali. Če želite dobiti natančne absolutne odčitke, ga boste morali umeriti: opisujem, kako to storiti z doma narejenim dolgim magnetom.

1. korak: Sonda Hall

Hallov učinek je pogost način merjenja magnetnih polj. Ko elektroni tečejo skozi vodnik v magnetnem polju, se stransko odklonijo in tako ustvarijo potencialno razliko na straneh prevodnika. S pravo izbiro polprevodniškega materiala in geometrije nastane merljiv signal, ki ga je mogoče ojačati in zagotoviti merilo ene komponente magnetnega polja.

SS49E uporabljam, ker je poceni in široko dostopen. Nekaj stvari, ki jih je treba upoštevati iz podatkovnega lista:

• Napajalna napetost: 2,7-6,5 V, tako popolnoma združljiva s 5V iz Arduina.
• Ničelni izhod: 2,25-2,75 V, torej približno na pol poti med 0 in 5 V.
• Občutljivost: 1,0-1,75 mV/Gauss, zato bo za natančne rezultate potrebna kalibracija.
• Izhodna napetost 1,0 V-4,0 V (če deluje pri 5 V): dobro pokriva Arduino ADC.
• Obseg: +-650G najmanj, +-1000G tipično.
• Odzivni čas 3mus, zato lahko vzorči pri nekaj deset kHz.
• Napajalni tok: 6-10 mA, dovolj nizek, da deluje na baterije.
• Temperaturna napaka: ~ 0,1% na stopnjo C. Zdi se malo, vendar 0,1% odmik odmika daje napako 3 mT.

Senzor je kompakten, ~ 4x3x2 mm in meri komponento magnetnega polja, ki je pravokotna na njegovo sprednjo stran. Izkazal bo pozitivnost za polja, ki kažejo od zadnje strani do sprednje strani, na primer, ko sprednjo stran pripeljemo do magnetnega južnega pola. Senzor ima 3 vodi, +5V, 0V in izhod od leve proti desni, gledano od spredaj.

2. korak: Potreben material

• SS49E linearni Hall senzor. Te stanejo ~ 1 EUR za komplet 10 na spletu.
• Arduino Uno s prototipno ploščo za prototip ali Arduino Nano (brez glav!) Za prenosno različico
• SSD1306 0,96 -palčni enobarvni OLED zaslon z vmesnikom I2C
• Trenutni gumb

Za izdelavo sonde:

• Stara kroglica ali druga trdna votla cev
• 3 tanke žice, nekoliko daljše od cevi
• 12 cm tanke (1,5 mm) skrčne cevi

Za prenosljivost:

• Velika škatla za tik-tac (18x46x83 mm) ali podobna
• Sponka za baterijo 9V
• Stikalo za vklop/izklop

3. korak: Prva različica: Uporaba prototipne plošče Arduino

Vedno najprej izdelajte prototip, da preverite, ali vse komponente delujejo in ali programska oprema deluje! Sledite sliki in priključite Hall-sondo, zaslon in ničelni gumb: Hall-sondo je treba priključiti na +5V, GND, A0 (od leve proti desni). Zaslon mora biti priključen na GND, +5V, A5, A4 (od leve proti desni). Gumb mora ob pritisku vzpostaviti povezavo od tal do A1.

Koda je bila napisana in naložena z uporabo Arduino IDE različice 1.8.10. Zahteva namestitev knjižnic Adafruit_SSD1306 in Adafruit_GFX Naložite kodo v priloženi skici.

Zaslon mora prikazati vrednost DC in AC.

4. korak: Nekaj pripomb glede kodeksa

Če vas ne zanima notranje delovanje kode, vas prosimo, da preskočite ta razdelek.

Ključna značilnost kode je, da se magnetno polje izmeri 2000 -krat zapored. To traja približno 0,2-0,3 sekunde. S sledenjem vsote in kvadratne vsote meritev je mogoče izračunati povprečje in standardni odklon, ki sta sporočena kot DC in AC. S povprečjem velikega števila meritev se natančnost poveča teoretično za sqrt (2000) ~ 45. Tako lahko z 10-bitnim ADC-jem dosežemo natančnost 15-bitnega ADC-ja! To je velika razlika: 1 število ADC je 5 mV, kar je ~ 0,3 mT. Zahvaljujoč povprečenju izboljšamo natančnost od 0,3mT do 0,01mT.

Kot bonus dobimo tudi standardni odklon, zato so nihajoča polja identificirana kot taka. Polje, ki niha pri 50 Hz, v času merjenja naredi ~ 10 polnih ciklov, zato je njegovo vrednost AC mogoče dobro izmeriti.

Po sestavljanju kode dobim naslednje povratne informacije: Sketch uporablja 16852 bajtov (54%) prostora za shranjevanje programa. Največje je 30720 bajtov. Globalne spremenljivke uporabljajo 352 bajtov (17%) dinamičnega pomnilnika, 1696 bajtov pa za lokalne spremenljivke. Največje je 2048 bajtov.

Večino prostora zasedajo knjižnice Adafruit, vendar je dovolj prostora za nadaljnjo funkcionalnost

5. korak: Priprava sonde

Sondo je najbolje namestiti na konico ozke cevi: na ta način jo je mogoče enostavno postaviti in ohraniti v položaju tudi v ozkih odprtinah. Vsaka votla cev iz nemagnetnega materiala bo ustrezala. Uporabil sem staro kemično pisalo, ki se je odlično prilegalo.

Pripravite 3 tanke prožne žice, ki so daljše od cevi. Uporabil sem 3 cm trakovnega kabla. V barvah ni logike (oranžna za +5V, rdeča za 0V, siva za signal), vendar se spomnim le s 3 žicami.

Če želite uporabiti sondo na prototipu, na koncu spajkajte nekaj kosov odtrgane trdne jedrne žice in jih zaščitite s skrčljivo cevjo. Kasneje se lahko to odreže, tako da se žice sonde lahko spajkajo neposredno na Arduino.

6. korak: Izdelava prenosnega instrumenta

9V baterija, zaslon OLED in Arduino Nano se udobno prilegajo v (veliko) škatlo Tic-Tac. Prednost je, da je pregleden, zaslon je dobro berljiv tudi v notranjosti. Vse fiksne komponente (sonda, stikalo za vklop/izklop in gumb) so pritrjene na vrh, tako da lahko celoten sklop vzamete iz škatle za menjavo baterije ali posodobitev kode.

Nikoli nisem bil ljubitelj 9V baterij: drage so in imajo majhno zmogljivost. Toda moj lokalni supermarket je nenadoma prodal različico NiMH za ponovno polnjenje za 1 EUR vsak, in ugotovil sem, da jih je mogoče enostavno napolniti, tako da jih čez noč držite pri napetosti 11V skozi upor 100Ohm. Posnetke sem naročil poceni, vendar niso prišli, zato sem razstavil staro 9V baterijo, da sem zgornji del spremenil v sponko. Dobra stvar pri 9V bateriji je, da je kompaktna in da Arduino z njo dobro deluje tako, da jo priključi na Vin. Na +5V bo za OLED in za sondo Hall na voljo regulirani 5V.

Sonda Hall, zaslon OLED in potisni gumb so povezani na enak način kot pri prototipu. Edini dodatek je gumb za vklop/izklop med 9V baterijo in Arduinom.

7. korak: Umerjanje

Umeritvena konstanta v kodi ustreza številki, navedeni v podatkovnem listu (1,4 mV/Gauss), vendar podatkovni list omogoča velik razpon (1,0-1,75 mV/Gauss). Za natančne rezultate bomo morali kalibrirati sondo!

Najbolj enostaven način za ustvarjanje magnetnega polja z dobro določeno jakostjo je uporaba solenoida: jakost polja dolgega solenoida je: B = mu0*n*I. Vakuumska prepustnost je stalnica narave: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Polje je homogeno in je odvisno le od gostote navitij n in toka I, ki ga je mogoče z dobro natančnostjo izmeriti (~ 1%). Navedena formula je izpeljana za neskončno dolg solenoid, vendar je zelo dober približek za polje v središču, dokler je razmerje med dolžino in premerom, L/D> 10.

Za izdelavo primernega elektromagneta vzemite votlo valjasto cev z L/D> 10 in nanesite običajna navitja z emajlirano žico. Uporabil sem PVC cev z zunanjim premerom 23 mm in navitjem 566 navitij, nato pa razponom 20,2 cm, kar je povzročilo n = 28/cm = 2800/m. Dolžina žice je 42 m, upor pa 10,0 Ohm.

Napajajte tuljavo z električno energijo in z multimetrom izmerite tok. Za nadzor toka uporabite napajalnik s spremenljivo napetostjo ali upor s spremenljivo obremenitvijo. Izmerite magnetno polje za nekaj trenutnih nastavitev in ga primerjajte z odčitki.

Pred kalibracijo sem izmeril 6,04 mT/A, medtem ko teorija napoveduje 3,50 mT/A. Tako sem pomnožil kalibracijsko konstanto v vrstici 18 kode za 0,58. Magnetometer je zdaj umerjen!

Podprvak v izzivu Magneti