Prenosný magnetometer: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Magnetometer, niekedy nazývaný aj Gaussmeter, meria silu magnetického poľa. Je to zásadný nástroj na testovanie sily permanentných magnetov a elektromagnetov a na pochopenie tvaru poľa netriviálnych konfigurácií magnetov. Ak je dostatočne citlivý, môže tiež zistiť, či sa železné predmety magnetizovali. Časovo sa meniace polia z motorov a transformátorov je možné zistiť, ak je sonda dostatočne rýchla.

Mobilné telefóny obvykle obsahujú 3-osový magnetometer, ale boli optimalizované pre slabé zemské magnetické pole ~ 1 Gauss = 0,1 mT a nasýtené v poliach niekoľkých mT. Umiestnenie senzora na telefóne nie je zrejmé a nie je možné ho umiestniť do úzkych otvorov, ako je otvor elektromagnetu. Okrem toho možno nebudete chcieť svoj smartphone priblížiť k silným magnetom.

Tu popisujem, ako vytvoriť jednoduchý prenosný magnetometer s bežnými komponentmi: lineárnym Hallovým senzorom, Arduinom, displejom a tlačidlom. Celkové náklady sú nižšie ako 5 EUR a citlivosť ~ 0,01 mT v rozsahu od -100 do +100 mT je lepšia, ako by ste naivne očakávali. Aby ste získali presné absolútne hodnoty, budete ich musieť kalibrovať: Popisujem, ako to urobiť pomocou domáceho dlhého solenoidu.

Krok 1: Hallova sonda

Hallov efekt je bežný spôsob merania magnetických polí. Keď elektróny pretekajú vodičom v magnetickom poli, odchýlia sa nabok a tým vytvoria potenciálny rozdiel na stranách vodiča. Pri správnom výbere polovodičového materiálu a geometrie sa vytvára merateľný signál, ktorý je možné zosilniť a poskytnúť mieru jednej zložky magnetického poľa.

Používam SS49E, pretože je lacný a široko dostupný. Z technického listu je potrebné poznamenať niekoľko vecí:

• Napájacie napätie: 2,7-6,5 V, takže je dokonale kompatibilné s 5V od Arduina.
• Nulový výstup: 2,25-2,75V, teda približne v polovici medzi 0 a 5V.
• Citlivosť: 1,0-1,75 mV/Gauss, na získanie presných výsledkov bude potrebná kalibrácia.
• Výstupné napätie 1,0V-4,0V (ak pracuje pri 5V): dobre pokryté Arduino ADC.
• Rozsah: +-650G minimum, +-1000G typické.
• Čas odozvy 3mus, takže môže vzorkovať na niekoľko desiatok kHz.
• Napájací prúd: 6-10 mA, dostatočne nízky na to, aby sa dal napájať z batérie.
• Teplotná chyba: ~ 0,1% na stupeň C. Zdá sa to málo, ale posun 0,1% posunu spôsobuje chybu 3 mT.

Senzor je kompaktný, približne 4x3x2 mm a meria súčasť magnetického poľa, ktoré je kolmé na jeho prednú stranu. Bude vytvárať kladné hodnoty pre polia, ktoré smerujú zo zadnej strany na prednú stranu, napríklad keď sa predná časť privedie na magnetický južný pól. Senzor má pri pohľade spredu 3 vodiče, +5 V, 0 V a výstup zľava doprava.

Krok 2: Požadovaný materiál

• Lineárny Hallov senzor SS49E. Tieto stoja ~ 1 EUR za sadu 10 online.
• Arduino Uno s prototypovou doskou pre prototyp alebo Arduino Nano (bez hlavičiek!) Pre prenosnú verziu
• 0,96 palcový monochromatický OLED displej SSD1306 s rozhraním I2C
• Chvíľkové tlačidlo

Na zostrojenie sondy:

• Staré guľôčkové pero alebo iná pevná dutá trubica
• 3 tenké lanká o niečo dlhšie ako rúrka
• 12 cm tenkej (1,5 mm) zmršťovacej trubice

Aby bol prenosný:

• Veľký tic-tac box (18x46x83mm) alebo podobný
• Klip na 9V batériu
• Vypínač

Krok 3: Prvá verzia: Použitie dosky prototypu Arduino

Vždy najskôr prototypujte, aby ste skontrolovali, či všetky súčasti fungujú a či je softvér funkčný! Postupujte podľa obrázku a pripojte Hallovu sondu, displej a nulové tlačidlo: Hallovu sondu je potrebné pripojiť k +5V, GND, A0 (zľava doprava). Displej je potrebné pripojiť k GND, +5V, A5, A4 (zľava doprava). Po stlačení tlačidla sa musí vytvoriť spojenie zo zeme do A1.

Kód bol napísaný a nahraný pomocou Arduino IDE verzie 1.8.10. Vyžaduje inštaláciu knižníc Adafruit_SSD1306 a Adafruit_GFX Odovzdajte kód v priloženom náčrte.

Displej by mal zobrazovať hodnotu jednosmerného prúdu a hodnotu striedavého prúdu.

Krok 4: Niekoľko komentárov k kódexu

Ak vás nezaujíma vnútorné fungovanie kódu, túto sekciu môžete preskočiť.

Kľúčovou vlastnosťou kódu je, že magnetické pole sa meria 2000 -krát za sebou. To trvá asi 0,2 až 0,3 sekundy. Sledovaním súčtu a štvorcového súčtu meraní je možné vypočítať priemer aj štandardnú odchýlku, ktoré sa uvádzajú ako DC a AC. Priemerovaním veľkého počtu meraní sa presnosť teoreticky zvyšuje sqrt (2000) ~ 45. Takže s 10-bitovým ADC môžeme dosiahnuť presnosť 15-bitového ADC! Je to veľký rozdiel: 1 počet ADC je 5 mV, čo je ~ 0,3 mT. Vďaka priemerovaniu zlepšujeme presnosť od 0,3 mT do 0,01 mT.

Ako bonus získame aj štandardnú odchýlku, takže ako také sú identifikované kolísavé polia. Pole kolísajúce pri 50 Hz urobí počas doby merania ~ 10 úplných cyklov, takže jeho hodnotu striedavého prúdu je možné dobre zmerať.

Po zostavení kódu dostanem nasledujúcu spätnú väzbu: Sketch používa 16852 bajtov (54%) úložného priestoru programu. Maximálne je 30 720 bajtov. Globálne premenné používajú 352 bajtov (17%) dynamickej pamäte, pričom 1696 bajtov zostáva pre lokálne premenné. Maximum je 2048 bajtov.

Väčšinu miesta zaberajú knižnice Adafruit, ale je tu dostatok priestoru pre ďalšie funkcie

Krok 5: Príprava sondy

Sonda je najlepšie namontovaná na špičke úzkej trubice: týmto spôsobom ju možno ľahko umiestniť a udržať v polohe aj vo vnútri úzkych otvorov. Postačí akákoľvek dutá trubica z nemagnetického materiálu. Použil som staré guľôčkové pero, ktoré perfektne sedelo.

Pripravte si 3 tenké flexibilné drôty, ktoré sú dlhšie ako rúrka. Použil som 3 cm plochého kábla. Vo farbách nie je žiadna logika (oranžová pre +5V, červená pre 0V, šedá pre signál), ale pamätám si len 3 drôty.

Ak chcete použiť sondu na prototype, na konci spájkujte niektoré kusy odizolovaného drôtu s pevným jadrom a chráňte ich zmršťovacou trubicou. Neskôr to možno odrezať, aby sa vodiče sondy mohli spájkovať priamo s Arduinom.

Krok 6: Zostavenie prenosného nástroja

9V batéria, OLED obrazovka a Arduino Nano sa pohodlne zmestia do (veľkého) boxu Tic-Tac. Má tú výhodu, že je priehľadný a obrazovka je dobre čitateľná aj vo vnútri. Všetky pevné komponenty (sonda, vypínač/vypínač a tlačidlo) sú pripevnené k hornej časti, takže je možné celú zostavu vybrať z krabice na výmenu batérie alebo aktualizáciu kódu.

Nikdy som nebol fanúšikom 9V batérií: sú drahé a majú malú kapacitu. Ale môj miestny supermarket zrazu predal nabíjateľnú verziu NiMH po 1 EUR za kus a zistil som, že sa dajú ľahko nabíjať tak, že ich necháte cez noc na 11 V cez odpor 100 Ohm. Objednal som si klipy lacno, ale nikdy neprišli, a tak som rozobral starú 9V batériu, aby som z vrchu urobil klip. Dobrá vec na 9V batérii je, že je kompaktná a Arduino na nej funguje dobre, keď ho pripojíte k Vin. Na +5V bude k dispozícii regulovaných 5V pre OLED a pre Hallovu sondu.

Hallova sonda, OLED obrazovka a tlačidlo sú prepojené rovnakým spôsobom ako pre prototyp. Jediným doplnkom je tlačidlo zapnutia/vypnutia medzi 9V batériou a Arduinom.

Krok 7: Kalibrácia

Kalibračná konštanta v kóde zodpovedá číslu uvedenému v údajovom liste (1,4 mV/Gauss), ale údajový list umožňuje veľký rozsah (1,0-1,75 mV/Gauss). Aby sme získali presné výsledky, budeme musieť sondu kalibrovať!

Najjednoduchším spôsobom, ako vytvoriť magnetické pole s dobre určenou silou, je použiť solenoid: intenzita poľa dlhého solenoidu je: B = mu0*n*I. Vákuová priepustnosť je prírodnou konštantou: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Pole je homogénne a závisí iba od hustoty vinutí n a prúdu I, ktoré je možné obidve merať s dobrou presnosťou (~ 1%). Citovaný vzorec je odvodený pre nekonečne dlhý solenoid, ale je veľmi dobrou aproximáciou pre pole v strede, pokiaľ je pomer dĺžky k priemeru, L/D> 10.

Na výrobu vhodného solenoidu vezmite dutú valcovú trubicu s L/D> 10 a naneste pravidelné vinutia smaltovaným drôtom. Použil som rúrku z PVC s vonkajším priemerom 23 mm a navinutých 566 vinutí s rozpätím 20,2 cm, čo viedlo k n = 28/cm = 2800/m. Dĺžka drôtu je 42 m a odpor 10,0 Ohm.

Napájajte cievku a zmerajte tok prúdu multimetrom. Na udržanie prúdu pod kontrolou použite buď premenlivé napätie alebo odpor s premenlivým zaťažením. Zmerajte magnetické pole pre niekoľko aktuálnych nastavení a porovnajte ho s údajmi.

Pred kalibráciou som nameral 6,04 mT/A, pričom teória predpovedá 3,50 mT/A. Kalibračnú konštantu v riadku 18 kódu som teda vynásobil 0,58. Magnetometer je teraz kalibrovaný!

Runner Up in the Magnets Challenge