Přenosný magnetometr: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Magnetometr, někdy také nazývaný Gaussmetr, měří sílu magnetického pole. Je to zásadní nástroj pro testování síly permanentních magnetů a elektromagnetů a pro pochopení tvaru pole netriviálních konfigurací magnetů. Pokud je dostatečně citlivý, může také zjistit, zda došlo k magnetizaci železných předmětů. Pokud je sonda dostatečně rychlá, lze detekovat časově proměnná pole z motorů a transformátorů.

Mobilní telefony obvykle obsahují 3-osý magnetometr, ale byly optimalizovány pro slabé zemské magnetické pole ~ 1 Gauss = 0,1 mT a nasycené v polích několika mT. Umístění senzoru na telefonu není zřejmé a nelze jej umístit do úzkých otvorů, jako je otvor elektromagnetu. Kromě toho možná nebudete chtít svůj smartphone přiblížit silným magnetům.

Zde popisuji, jak vyrobit jednoduchý přenosný magnetometr s běžnými součástmi: lineárním Hallovým senzorem, Arduinem, displejem a tlačítkem. Celkové náklady jsou nižší než 5 EUR a citlivost ~ 0,01 mT v rozsahu -100 až +100 mT je lepší, než byste naivně očekávali. Abyste získali přesné absolutní hodnoty, budete je muset zkalibrovat: Popisuji, jak to udělat pomocí domácího dlouhého solenoidu.

Krok 1: Hallova sonda

Hallův efekt je běžný způsob měření magnetických polí. Když elektrony protékají vodičem v magnetickém poli, odkloní se do strany a vytvoří tak potenciální rozdíl na stranách vodiče. Se správnou volbou polovodičového materiálu a geometrie je produkován měřitelný signál, který lze zesílit a poskytnout míru jedné složky magnetického pole.

Používám SS49E, protože je levný a široce dostupný. Několik věcí, které je třeba poznamenat z jeho datového listu:

• Napájecí napětí: 2,7-6,5 V, takže dokonale kompatibilní s 5V z Arduina.
• Nulový výstup: 2,25-2,75V, tedy přibližně v polovině mezi 0 a 5V.
• Citlivost: 1,0–1,75 mV/Gauss, takže pro získání přesných výsledků bude vyžadovat kalibraci.
• Výstupní napětí 1,0V-4,0V (pokud je provozováno na 5V): dobře pokryto Arduino ADC.
• Rozsah: +-650G minimum, +-1000G typické.
• Odezva 3mus, takže může vzorkovat na několika desítkách kHz.
• Napájecí proud: 6–10 mA, dostatečně nízký na to, aby mohl být napájen baterií.
• Teplotní chyba: ~ 0,1% na stupeň C. Vypadá to málo, ale 0,1% offsetový drift dává chybu 3mT.

Senzor je kompaktní, přibližně 4x3x2 mm a měří složku magnetického pole, která je kolmá na jeho přední stranu. Vyvolá klad pro pole, která směřují ze zadní strany na přední stranu, například když je přední strana přivedena na magnetický jižní pól. Při pohledu zepředu má senzor 3 vodiče, +5V, 0V a výstup zleva doprava.

Krok 2: Požadovaný materiál

• Lineární Hallův snímač SS49E. Ty stojí ~ 1 EUR za sadu 10 online.
• Arduino Uno s prototypovou deskou pro prototyp nebo Arduino Nano (bez záhlaví!) Pro přenosnou verzi
• 0,96”monochromatický OLED displej SSD1306 s rozhraním I2C
• Chvilkové stisknutí tlačítka

Sestavení sondy:

• Staré kuličkové pero nebo jiná robustní dutá trubka
• 3 tenké lanka o něco delší než trubka
• 12 cm tenké (1,5 mm) smršťovací trubice

Aby byl přenosný:

• Velký tic-tac box (18x46x83mm) nebo podobný
• Klip na 9V baterii
• Vypínač

Krok 3: První verze: Použití desky prototypu Arduino

Vždy nejprve proveďte prototyp, abyste zkontrolovali, zda všechny součásti fungují a zda je software funkční! Postupujte podle obrázku a připojte Hallovu sondu, displej a nulovací tlačítko: Hallovu sondu je třeba připojit k +5V, GND, A0 (zleva doprava). Displej je třeba připojit k GND, +5V, A5, A4 (zleva doprava). Po stisknutí tlačítka je třeba provést připojení ze země k A1.

Kód byl napsán a nahrán pomocí Arduino IDE verze 1.8.10. Vyžaduje instalaci knihoven Adafruit_SSD1306 a Adafruit_GFX Nahrajte kód v přiloženém náčrtu.

Na displeji by měla být zobrazena stejnosměrná a střídavá hodnota.

Krok 4: Několik komentářů ke kódu

Pokud vás nezajímá vnitřní fungování kódu, můžete tuto sekci přeskočit.

Klíčovou vlastností kódu je, že magnetické pole se měří 2000krát za sebou. To trvá asi 0,2-0,3 sekundy. Sledováním součtu a čtvercového součtu měření je možné vypočítat průměr i standardní odchylku, které se vykazují jako DC a AC. Průměrováním velkého počtu měření se přesnost zvyšuje, teoreticky o sqrt (2000) ~ 45. S 10bitovým ADC tedy můžeme dosáhnout přesnosti 15bitového ADC! Je to velký rozdíl: 1 počet ADC je 5 mV, což je ~ 0,3 mT. Díky zprůměrování zlepšujeme přesnost od 0,3 mT do 0,01 mT.

Jako bonus získáme také směrodatnou odchylku, takže fluktuační pole jsou jako taková identifikována. Pole kolísající při 50 Hz provede během doby měření ~ 10 úplných cyklů, takže jeho hodnotu AC lze dobře změřit.

Po kompilaci kódu se mi zobrazí následující zpětná vazba: Sketch využívá 16852 bytů (54%) úložného prostoru programu. Maximum je 30 720 bajtů. Globální proměnné používají 352 bajtů (17%) dynamické paměti, přičemž pro lokální proměnné zbývá 1696 bajtů. Maximum je 2048 bajtů.

Většinu místa zabírají knihovny Adafruit, ale prostor pro další funkce je dost

Krok 5: Příprava sondy

Sonda se nejlépe montuje na špičku úzké trubice: tímto způsobem ji lze snadno umístit a udržet v poloze i uvnitř úzkých otvorů. Postačí jakákoli dutá trubice z nemagnetického materiálu. Použil jsem staré kuličkové pero, které perfektně sedělo.

Připravte si 3 tenké ohebné dráty, které jsou delší než trubice. Použil jsem 3 cm plochého kabelu. V barvách není žádná logika (oranžová pro +5V, červená pro 0V, šedá pro signál), ale s pouhými 3 vodiči si pamatuji.

Chcete-li použít sondu na prototypu, připájejte na konci několik kusů odizolovaného plného jádra a zajistěte je smršťovací trubicí. Později to může být odříznuto, takže vodiče sondy mohou být připájeny přímo k Arduinu.

Krok 6: Sestavení přenosného nástroje

9V baterie, OLED obrazovka a Arduino Nano se pohodlně vejdou do (velkého) boxu Tic-Tac. Má tu výhodu, že je průhledný, na obrazovku je dobře čitelný i uvnitř. Všechny pevné součásti (sonda, vypínač/vypínač a tlačítko) jsou připevněny k horní části, takže celou sestavu lze vyjmout z krabice pro výměnu baterie nebo aktualizaci kódu.

Nikdy jsem nebyl fanouškem 9V baterií: jsou drahé a mají malou kapacitu. Ale můj místní supermarket najednou prodal dobíjecí verzi NiMH za 1 EUR za kus a zjistil jsem, že je lze snadno nabíjet tak, že je necháte přes noc na 11 V přes odpor 100 Ohmů. Objednal jsem klipy levně, ale nikdy nedorazily, a tak jsem rozdělil starou 9V baterii, aby se vršek proměnil v klip. Dobrá věc na 9V baterii je, že je kompaktní a Arduino na ní dobře běží připojením k Vin. Na +5V bude k dispozici regulovaný 5V pro OLED a pro Hallovu sondu.

Hallova sonda, OLED obrazovka a tlačítko jsou připojeny stejným způsobem jako u prototypu. Jediným doplňkem je tlačítko zapnutí/vypnutí mezi 9V baterií a Arduinem.

Krok 7: Kalibrace

Kalibrační konstanta v kódu odpovídá číslu uvedenému v datovém listu (1,4 mV/Gauss), ale datový list umožňuje velký rozsah (1,0-1,75 mV/Gauss). Abychom získali přesné výsledky, budeme muset sondu zkalibrovat!

Nejjednodušší způsob, jak vytvořit magnetické pole s dobře určenou silou, je použít solenoid: intenzita pole dlouhého solenoidu je: B = mu0*n*I. Propustnost vakua je přirozenou konstantou: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Pole je homogenní a závisí pouze na hustotě vinutí n a proudu I, přičemž oba lze měřit s dobrou přesností (~ 1%). Citovaný vzorec je odvozen pro nekonečně dlouhý solenoid, ale je velmi dobrou aproximací pro pole ve středu, pokud je poměr délky k průměru, L/D> 10.

Chcete -li vytvořit vhodný solenoid, vezměte dutou válcovou trubici s L/D> 10 a naneste pravidelné vinutí smaltovaným drátem. Použil jsem trubku z PVC o vnějším průměru 23 mm a navinutou 566 vinutí, překlenutou 20,2 cm, což mělo za následek n = 28/cm = 2800/m. Délka drátu je 42 m a odpor 10,0 Ohm.

Připojte cívku k napájení a změřte tok proudu multimetrem. K udržení proudu pod kontrolou použijte buď napájecí zdroj s proměnným napětím, nebo proměnný zatěžovací odpor. Změřte magnetické pole pro několik aktuálních nastavení a porovnejte je s údaji.

Před kalibrací jsem naměřil 6,04 mT/A, zatímco teorie předpovídá 3,50 mT/A. Kalibrační konstantu v řádku 18 kódu jsem tedy vynásobil 0,58. Magnetometr je nyní zkalibrován!

Runner Up in the Magnets Challenge