Преносим магнитометър: 7 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Магнитометър, понякога наричан още Гаусметър, измерва силата на магнитното поле. Това е основен инструмент за тестване на силата на постоянни магнити и електромагнити и за разбиране на формата на полето на нетривиални конфигурации на магнити. Ако е достатъчно чувствителен, той може също да открие дали железни предмети са намагнетизирани. Променливи във времето полета от двигатели и трансформатори могат да бъдат открити, ако сондата е достатъчно бърза.

Мобилните телефони обикновено съдържат 3-осен магнитометър, но те са оптимизирани за слабото земно магнитно поле от ~ 1 Гаус = 0,1 mT и наситени при полета от няколко mT. Разположението на сензора на телефона не е очевидно и не е възможно да се постави сензорът в тесни отвори, като отвора на електромагнит. Освен това може да не искате да приближите смартфона си до силни магнити.

Тук описвам как да си направя обикновен преносим магнитометър с общи компоненти: линеен сензор за зала, Arduino, дисплей и бутон. Общата цена е по -малка от 5 EUR, а чувствителността от ~ 0,01 mT в диапазон от -100 до +100 mT е по -добра от това, което бихте могли наивно да очаквате. За да получите точни абсолютни показания, ще трябва да го калибрирате: описвам как да направите това с домашно изработен дълъг соленоид.

Стъпка 1: Сондата на Hall

Ефектът на Хол е често срещан начин за измерване на магнитни полета. Когато електроните преминават през проводник в магнитно поле, те се отклоняват настрани и по този начин създават потенциална разлика по страните на проводника. С правилния избор на полупроводников материал и геометрия се получава измерим сигнал, който може да бъде усилен и да осигури мярка за един компонент на магнитното поле.

Използвам SS49E, защото е евтин и широко достъпен. Няколко неща, които трябва да се отбележат от листа с данни:

• Захранващо напрежение: 2.7-6.5 V, така че е напълно съвместимо с 5V от Arduino.
• Нулев изход: 2.25-2.75V, така че приблизително по средата между 0 и 5V.
• Чувствителност: 1.0-1.75mV/Gauss, така че ще изисква калибриране, за да получите точни резултати.
• Изходно напрежение 1.0V-4.0V (ако работи при 5V): добре покрито от ADC на Arduino.
• Обхват: +-650G минимум, +-1000G типично.
• Време за реакция 3mus, така че да може да взема проби при няколко десетки kHz.
• Захранващ ток: 6-10mA, достатъчно нисък, за да работи с батерии.
• Температурна грешка: ~ 0,1% на градус C. Изглежда малко, но отклонението на отместване от 0,1% дава грешка от 3 mT.

Сензорът е компактен, ~ 4x3x2 мм и измерва компонента на магнитното поле, перпендикулярна на предната му страна. Той ще изведе положителен резултат за полета, които сочат от задната страна към предната страна, например когато предната част е доведена до магнитен южен полюс. Сензорът има 3 извода, +5V, 0V и изход отляво надясно, когато се гледа отпред.

Стъпка 2: Необходим материал

• SS49E линеен сензор на Хол. Те струват ~ 1EUR за набор от 10 онлайн.
• Arduino Uno с прототипна платка за прототип или Arduino Nano (без заглавки!) За преносима версия
• SSD1306 0.96”монохромен OLED дисплей с I2C интерфейс
• Моментален бутон

За да конструирате сондата:

• Стара писалка или друга здрава куха тръба
• 3 тънки жилови кабела, малко по -дълги от тръбата
• 12 см тънка (1,5 мм) свиваща се тръба

За да го направите преносим:

• Голяма тик-так кутия (18x46x83mm) или подобна
• Щипка за батерия 9V
• Превключвател за включване/изключване

Стъпка 3: Първа версия: Използване на прототипна дъска на Arduino

Винаги първо прототипирайте, за да проверите дали всички компоненти работят и дали софтуерът функционира! Следвайте картината и за да свържете сондата на Хол, дисплея и нулевия бутон: Сондата на Хол трябва да бъде свързана към +5V, GND, A0 (отляво надясно). Дисплеят трябва да бъде свързан към GND, +5V, A5, A4 (отляво надясно). Бутонът трябва да направи връзка от земята към A1 при натискане.

Кодът е написан и качен с помощта на Arduino IDE версия 1.8.10. Изисква се инсталиране на библиотеките Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX Качете кода в приложената скица.

Дисплеят трябва да показва DC стойност и AC стойност.

Стъпка 4: Някои коментари относно кодекса

Чувствайте се свободни да пропуснете този раздел, ако не се интересувате от вътрешната работа на кода.

Основната характеристика на кода е, че магнитното поле се измерва 2000 пъти подред. Това отнема около 0,2-0,3 секунди. Като се следи сумата и квадратната сума на измерванията, е възможно да се изчислят както средната стойност, така и стандартното отклонение, които се отчитат като DC и AC. Чрез усредняване на голям брой измервания, точността се увеличава, теоретично от sqrt (2000) ~ 45. Така че с 10-битов ADC можем да достигнем точността на 15-битов ADC! Това прави голяма разлика: 1 брой ADC е 5mV, което е ~ 0.3mT. Благодарение на усредняването, ние подобряваме прецизността от 0,3mT до 0,01mT.

Като бонус получаваме и стандартното отклонение, така че флуктуиращите полета се идентифицират като такива. Поле, което се колебае при 50Hz, прави ~ 10 пълни цикъла по време на измерването, така че неговата AC стойност може да бъде добре измерена.

След компилирането на кода получавам следната обратна връзка: Sketch използва 16852 байта (54%) от пространството за съхранение на програмата. Максимумът е 30720 байта. Глобалните променливи използват 352 байта (17%) динамична памет, оставяйки 1696 байта за локални променливи. Максимумът е 2048 байта.

По -голямата част от пространството се заема от библиотеките на Adafruit, но има достатъчно място за по -нататъшна функционалност

Стъпка 5: Подготовка на сондата

Сондата е най -добре монтирана на върха на тясна тръба: по този начин тя може лесно да бъде поставена и поддържана на място дори в тесни отвори. Всяка куха тръба от немагнитен материал е подходяща. Използвах стара топка, която прилягаше идеално.

Подгответе 3 тънки гъвкави проводника, които са по -дълги от тръбата. Използвах 3 см лентов кабел. Няма логика в цветовете (оранжево за +5V, червено за 0V, сиво за сигнал), но само с 3 проводника мога да си спомня.

За да използвате сондата върху прототипа, запойте няколко парчета откъсната твърда жила за свързване на края и ги защитете със свиваща се тръба. По -късно това може да бъде отрязано, така че проводниците на сондата да могат да бъдат запоени директно към Arduino.

Стъпка 6: Изграждане на преносим инструмент

9V батерия, OLED екранът и Arduino Nano се вписват удобно в (голяма) кутия Tic-Tac. Той има предимството, че е прозрачен, като екранът е добре четим дори отвътре. Всички фиксирани компоненти (сондата, превключвателят за включване/изключване и бутонът) са прикрепени отгоре, така че целият комплект може да бъде изваден от кутията за смяна на батерията или актуализиране на кода.

Никога не съм бил фен на 9V батерии: те са скъпи и имат малък капацитет. Но моят местен супермаркет внезапно продаде акумулаторната версия на NiMH за по 1 EUR всяка и открих, че те могат лесно да се зареждат, като ги поддържат на 11V през резистор 100Ohm за една нощ. Поръчах клипове евтино, но те никога не пристигнаха, затова разглобих стара 9V батерия, за да превърна горната част в щипка. Хубавото на 9V батерията е, че е компактна и Arduino работи добре, като я свързва с Vin. На +5V ще има регулирано 5V на разположение за OLED и за сондата на Hall.

Сондата на Хол, OLED екранът и бутонът са свързани по същия начин, както за прототипа. Единственото допълнение е бутон за включване/изключване между 9V батерията и Arduino.

Стъпка 7: Калибриране

Калибрационната константа в кода съответства на номера, даден в листа с данни (1.4mV/Gauss), но листът с данни позволява голям диапазон (1.0-1.75mV/Gauss). За да получим точни резултати, ще трябва да калибрираме сондата!

Най-лесният начин за създаване на магнитно поле с добре определена сила е да се използва соленоид: силата на полето на дълъг соленоид е: B = mu0*n*I. Вакуумната пропускливост е константа от природата: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Полето е хомогенно и зависи само от плътността на намотките n и тока I, и двете могат да бъдат измерени с добра точност (~ 1%). Цитираната формула е получена за безкрайно дълъг соленоид, но е много добра аппроксимация за полето в центъра, стига съотношението дължина към диаметър, L/D> 10.

За да направите подходящ соленоид, вземете куха цилиндрична тръба с L/D> 10 и приложете обикновени намотки с емайлирана тел. Използвах PVC тръба с и външен диаметър 23 мм и навих 566 намотки, след това обхвана 20,2 см, в резултат на което n = 28/cm = 2800/m. Дължината на проводника е 42 м, а съпротивлението 10,0 Ома.

Захранвайте бобината и измервайте текущия поток с мултицет. Използвайте или захранване с променливо напрежение, или резистор с променлив товар, за да поддържате тока под контрол. Измерете магнитното поле за няколко текущи настройки и го сравнете с показанията.

Преди калибрирането измервах 6.04 mT/A, докато теорията предвижда 3.50 mT/A. Затова умножих калибрационната константа в ред 18 на кода с 0,58. Магнитометърът вече е калибриран!

Вицешампион в предизвикателството на магнитите