Prijenosni magnetometar: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Magnetometar, koji se ponekad naziva i Gaussmeter, mjeri jakost magnetskog polja. To je bitan alat za ispitivanje čvrstoće stalnih magneta i elektromagneta te za razumijevanje oblika polja netrivijalnih konfiguracija magneta. Ako je dovoljno osjetljiv, može otkriti 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 polima od nekoliko mT. Položaj senzora na telefonu nije očit, pa ga nije moguće postaviti unutar uskih otvora, poput otvora elektromagneta. Štoviše, možda ne biste željeli približiti svoj pametni telefon jakim magnetima.

Ovdje opisujem kako napraviti jednostavan prijenosni magnetometar sa uobičajenim komponentama: linearni hodnički senzor, Arduino, zaslon i pritisni gumb. Ukupni trošak manji je od 5 EUR, a osjetljivost od ~ 0,01 mT u rasponu od -100 do +100 mT bolja je 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 učinak uobičajen je način mjerenja magnetskih polja. Kada elektroni prolaze kroz vodič u magnetskom polju, oni se odstupaju bočno i tako stvaraju razliku potencijala na stranama vodiča. Pravilnim odabirom 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 podatkovne tablice:

• Opskrbni napon: 2,7-6,5 V, tako savršeno kompatibilan s 5V iz Arduina.
• Nulti izlaz: 2,25-2,75V, dakle otprilike na pola puta između 0 i 5V.
• Osjetljivost: 1,0-1,75mV/Gauss, pa će biti potrebna kalibracija kako bi se dobili precizni rezultati.
• 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 desetaka kHz.
• Opskrbna struja: 6-10mA, dovoljno niska da radi na baterije.
• Pogreška temperature: ~ 0,1% po stupnju C. Čini se malo, ali pomak pomaka od 0,1% daje pogrešku od 3 mT.

Senzor je kompaktan, ~ 4x3x2 mm i mjeri komponentu magnetskog polja koja je okomita na njegovu prednju stranu. Ispisat će pozitivu 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 set od 10 online.
• Arduino Uno s prototipnom pločom za prototip ili Arduino Nano (bez zaglavlja!) Za prijenosnu verziju
• SSD1306 0.96”jednobojni OLED zaslon s I2C sučeljem
• Trenutak na gumb

Za izradu sonde:

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

Da biste ga učinili prijenosnim:

• 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! Slijedite sliku i spojite Hall sondu, zaslon i tipku null: Hall sondu morate spojiti na +5V, GND, A0 (slijeva nadesno). Zaslon je potrebno spojiti na GND, +5V, A5, A4 (slijeva nadesno). Gumb mora uspostaviti vezu od zemlje do A1 kada se pritisne.

Kôd je napisan i učitan pomoću Arduino IDE verzije 1.8.10. Potrebno je instalirati knjižnice Adafruit_SSD1306 i Adafruit_GFX Prenesite kôd u priloženoj skici.

Zaslon bi trebao pokazivati DC vrijednost i AC vrijednost.

Korak 4: Neki komentari o Kodeksu

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

Ključna značajka koda je da se magnetsko polje mjeri 2000 puta zaredom. To traje oko 0,2-0,3 sekunde. Prateći zbroj i kvadratni zbroj mjerenja, moguće je izračunati i srednju vrijednost i standardnu devijaciju, koji se iskazuju kao DC i AC. Prosječivanjem velikog broja mjerenja, preciznost se povećava, teoretski za sqrt (2000) ~ 45. Dakle, s 10-bitnim ADC-om možemo doći do preciznosti 15-bitnog ADC-a! Velika je razlika: 1 broj ADC -a je 5mV, što je ~ 0,3mT. Zahvaljujući usrednjavanju poboljšavamo preciznost od 0,3mT do 0,01mT.

Kao bonus dobivamo i standardnu devijaciju, pa se fluktuirajuća polja identificiraju kao takva. Polje koje fluktuira na 50Hz čini ~ 10 punih ciklusa tijekom vremena mjerenja, pa 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 knjižnice Adafruit, ali ima dovoljno prostora za daljnju funkcionalnost

Korak 5: Priprema sonde

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

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

Da biste koristili sondu na prototipu, lemite neke komade ogoljene žice za spajanje punom jezgrom na kraj i zaštitite ih skupljajućom cijevi. Kasnije se to može odrezati tako da se žice sonde mogu lemiti izravno na Arduino.

Korak 6: Izgradnja prijenosnog instrumenta

9V baterija, OLED zaslon i Arduino Nano udobno se smještaju u (veliku) Tic-Tac kutiju. Prednost mu je što je proziran, jer se zaslon 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. No, 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. Jeftino sam naručivao isječke, ali oni nikada nisu stigli, pa sam odvojio staru bateriju od 9V kako bih gornji dio pretvorio u isječak. Dobra stvar kod 9V baterije 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.

Hall sonda, OLED zaslon i pritisni gumb 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 (1,4 mV/Gauss), ali podatkovni list omogućuje veliki raspon (1,0-1,75 mV/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, a oboje se može 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 duljine i promjera, L/D> 10.

Za izradu odgovarajućeg magneta, uzmite šuplju cilindričnu cijev L/D> 10 i nanesite redovite namote s emajliranom žicom. Koristio sam PVC cijev s vanjskim promjerom 23 mm i namotao 566 namota, zatim raspona 20,2 cm, što je rezultiralo n = 28/cm = 2800/m. Duljina žice je 42 m, a otpor 10,0 Ohma.

Opskrbite zavojnicu napajanjem i multimetrom izmjerite protok struje. 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 izmjerio sam 6,04 mT/A dok teorija predviđa 3,50 mT/A. Tako sam pomnožio kalibracijsku konstantu u retku 18 koda s 0,58. Magnetometar je sada kalibriran!

Drugoplasirani u izazovu magneta