Przenośny magnetometr: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Magnetometr, czasami nazywany również Gaussmeter, mierzy siłę pola magnetycznego. Jest to niezbędne narzędzie do testowania wytrzymałości magnesów trwałych i elektromagnesów oraz do zrozumienia kształtu pola nietrywialnych konfiguracji magnesów. Jeśli jest wystarczająco czuły, może również wykryć, czy przedmioty żelazne zostały namagnesowane. Zmienne w czasie pola z silników i transformatorów można wykryć, jeśli sonda jest wystarczająco szybka.

Telefony komórkowe zwykle zawierają 3-osiowy magnetometr, ale zostały zoptymalizowane pod kątem słabego pola magnetycznego Ziemi ~1 Gauss = 0,1 mT i nasycenia przy polach kilku mT. Lokalizacja czujnika w telefonie nie jest oczywista i nie jest możliwe umieszczenie czujnika w wąskich otworach, takich jak otwór elektromagnesu. Co więcej, możesz nie chcieć zbliżać smartfona do silnych magnesów.

Tutaj opisuję, jak zrobić prosty przenośny magnetometr z typowymi elementami: liniowym czujnikiem Halla, Arduino, wyświetlaczem i przyciskiem. Całkowity koszt to mniej niż 5 EUR, a czułość ~ 0,01 mT w zakresie od -100 do + 100 mT jest lepsza niż można by się tego naiwnie spodziewać. Aby uzyskać dokładne odczyty bezwzględne, musisz go skalibrować: opisuję, jak to zrobić z domowym długim solenoidem.

Krok 1: Sonda Halla

Efekt Halla jest powszechnym sposobem pomiaru pól magnetycznych. Gdy elektrony przepływają przez przewodnik w polu magnetycznym, odchylają się na boki, tworząc w ten sposób różnicę potencjałów po bokach przewodnika. Przy odpowiednim doborze materiału półprzewodnikowego i geometrii wytwarzany jest mierzalny sygnał, który można wzmocnić i zapewnić pomiar jednej składowej pola magnetycznego.

Używam SS49E, ponieważ jest tani i szeroko dostępny. Kilka rzeczy do zapamiętania z jego arkusza danych:

• Napięcie zasilania: 2,7-6,5 V, więc doskonale kompatybilne z 5V z Arduino.
• Wyjście zerowe: 2,25-2,75 V, czyli mniej więcej w połowie między 0 a 5 V.
• Czułość: 1,0-1,75mV/Gauss, więc będzie wymagała kalibracji, aby uzyskać dokładne wyniki.
• Napięcie wyjściowe 1,0 V-4,0 V (jeśli działa przy 5 V): dobrze pokryte przez Arduino ADC.
• Zasięg: minimum +-650G, typowo +-1000G.
• Czas odpowiedzi 3mus, więc może próbkować z częstotliwością kilkudziesięciu kHz.
• Prąd zasilania: 6-10mA, wystarczająco niski do zasilania bateryjnego.
• Błąd temperatury: ~0,1% na stopień C. Wydaje się mały, ale dryft o 0,1% daje błąd 3mT.

Czujnik jest kompaktowy, ~4x3x2mm i mierzy składową pola magnetycznego prostopadłą do jego przedniej powierzchni. Daje dodatni wynik dla pól, które są skierowane od tylnej strony do przedniej strony, na przykład gdy przód jest doprowadzony do magnetycznego bieguna południowego. Czujnik posiada 3 przewody, +5V, 0V i wyjście od lewej do prawej, patrząc od przodu.

Krok 2: Wymagany materiał

• SS49E liniowy czujnik Halla. Kosztują one ~1EUR za zestaw 10 sztuk online.
• Arduino Uno z płytką prototypową dla prototypu lub Arduino Nano (bez nagłówków!) dla wersji przenośnej
• Monochromatyczny wyświetlacz OLED SSD1306 0,96” z interfejsem I2C
• Chwilowy przycisk

Aby skonstruować sondę:

• Stary długopis lub inna solidna pusta rurka
• 3 cienkie skręcone druty nieco dłuższe niż rura
• 12 cm cienkiej (1,5 mm) rurki termokurczliwej

Aby był przenośny:

• Duże pudełko na kółko (18x46x83mm) lub podobne
• Klips na baterię 9V
• Włącznik/wyłącznik

Krok 3: Pierwsza wersja: użycie płytki prototypowej Arduino

Zawsze najpierw twórz prototypy, aby sprawdzić, czy wszystkie komponenty działają i czy oprogramowanie działa! Postępuj zgodnie z rysunkiem i podłącz sondę Halla, wyświetlacz i przycisk null: Sonda Halla musi być podłączona do +5V, GND, A0 (od lewej do prawej). Wyświetlacz musi być podłączony do GND, +5V, A5, A4 (od lewej do prawej). Po naciśnięciu przycisk musi wykonać połączenie z masy do A1.

Kod został napisany i przesłany przy użyciu Arduino IDE w wersji 1.8.10. Wymaga zainstalowania bibliotek Adafruit_SSD1306 i Adafruit_GFX Wgraj kod w załączonym szkicu.

Wyświetlacz powinien pokazywać wartość DC i AC.

Krok 4: Kilka komentarzy na temat kodeksu

Możesz pominąć tę sekcję, jeśli nie jesteś zainteresowany wewnętrznym działaniem kodu.

Kluczową cechą kodu jest to, że pole magnetyczne jest mierzone 2000 razy z rzędu. Zajmuje to około 0,2-0,3 sekundy. Śledząc sumę i kwadrat sumy pomiarów, można obliczyć zarówno średnią, jak i odchylenie standardowe, które są przedstawiane jako DC i AC. Uśredniając dużą liczbę pomiarów, precyzja wzrasta, teoretycznie o sqrt(2000)~45. Tak więc z 10-bitowym ADC możemy osiągnąć precyzję 15-bitowego ADC! To duża różnica: 1 liczba ADC to 5mV, czyli ~0,3mT. Dzięki uśrednianiu poprawiamy precyzję od 0,3mT do 0,01mT.

Jako bonus otrzymujemy również odchylenie standardowe, więc zmienne zmienne są identyfikowane jako takie. Pole wahające się przy 50 Hz wykonuje ~10 pełnych cykli w czasie pomiaru, więc jego wartość AC może być dobrze zmierzona.

Po skompilowaniu kodu otrzymuję następującą informację zwrotną: Sketch wykorzystuje 16852 bajty (54%) przestrzeni dyskowej programu. Maksymalnie 30720 bajtów. Zmienne globalne wykorzystują 352 bajty (17%) pamięci dynamicznej, pozostawiając 1696 bajtów na zmienne lokalne. Maksymalnie 2048 bajtów.

Większość miejsca zajmują biblioteki Adafruit, ale jest dużo miejsca na dalszą funkcjonalność

Krok 5: Przygotowanie sondy

Sondę najlepiej montować na końcu wąskiej rurki: w ten sposób można ją łatwo umieścić i utrzymać na miejscu nawet w wąskich otworach. Zrobi to każda pusta rurka z materiału niemagnetycznego. Użyłem starego długopisu, który idealnie pasował.

Przygotuj 3 cienkie elastyczne przewody, które są dłuższe niż rura. Użyłem 3cm kabla taśmowego. Nie ma logiki w kolorach (pomarańczowy dla +5V, czerwony dla 0V, szary dla sygnału), ale z zaledwie 3 przewodami pamiętam.

Aby użyć sondy w prototypie, przylutuj kilka kawałków pozbawionego izolacji drutu łączącego na końcu i zabezpiecz je rurką termokurczliwą. Później można to odciąć, aby przewody sondy można było przylutować bezpośrednio do Arduino.

Krok 6: Budowa przenośnego instrumentu

Bateria 9V, ekran OLED i Arduino Nano wygodnie mieszczą się w (dużym) pudełku Tic-Tac. Ma tę zaletę, że jest przezroczysty, dzięki czemu ekran jest dobrze czytelny nawet w środku. Wszystkie stałe elementy (sonda, włącznik i przycisk) są przymocowane do blatu, dzięki czemu cały zestaw można wyjąć z pudełka w celu wymiany baterii lub aktualizacji kodu.

Nigdy nie byłem fanem akumulatorów 9V: są drogie i mają małą pojemność. Ale mój lokalny supermarket nagle sprzedał ładowalną wersję NiMH za 1 EUR za sztukę i odkryłem, że można je łatwo naładować, utrzymując je na 11 V przez rezystor 100 omów przez noc. Zamówiłem klipsy tanio, ale nigdy nie dotarły, więc rozebrałem starą baterię 9V, aby zamienić górę w klips. Dobrą rzeczą w baterii 9V jest to, że jest kompaktowa, a Arduino działa na niej dobrze, podłączając ją do Vin. Na +5V będzie dostępne regulowane 5V dla OLED i dla sondy Halla.

Sonda Halla, ekran OLED i przycisk są połączone identycznie jak w przypadku prototypu. Jedynym dodatkiem jest przycisk włączania/wyłączania między baterią 9V a Arduino.

Krok 7: Kalibracja

Stała kalibracji w kodzie odpowiada liczbie podanej w arkuszu danych (1,4mV/Gauss), ale arkusz danych pozwala na duży zakres (1,0-1,75mV/Gauss). Aby uzyskać dokładne wyniki, musimy skalibrować sondę!

Najprostszym sposobem wytworzenia pola magnetycznego o ściśle określonej sile jest użycie elektromagnesu: natężenie pola długiego elektromagnesu wynosi: B=mu0*n*I. Przepuszczalność próżniowa jest stałą natury: mu0=1,2566x10^-6 T/m/A. Pole jest jednorodne i zależy tylko od gęstości uzwojeń n i prądu I, które można zmierzyć z dobrą dokładnością (~1%). Podany wzór jest wyprowadzony dla nieskończenie długiego elektromagnesu, ale jest bardzo dobrym przybliżeniem dla pola w centrum o ile stosunek długości do średnicy, L/D>10.

Aby wykonać odpowiedni solenoid, weź wydrążoną cylindryczną rurkę o L/D > 10 i nałóż regularne uzwojenia z emaliowanym drutem. Użyłem rury PVC o średnicy zewnętrznej 23mm i nawinąłem 566 zwojów, następnie rozpięto 20,2 cm, co dało n=28/cm=2800/m. Długość przewodu wynosi 42m, a rezystancja 10,0 Ohm.

Zasil cewkę i zmierz przepływ prądu za pomocą multimetru. Użyj zmiennego zasilania lub rezystora o zmiennym obciążeniu, aby utrzymać prąd pod kontrolą. Zmierz pole magnetyczne dla kilku aktualnych ustawień i porównaj je z odczytami.

Przed kalibracją zmierzyłem 6,04 mT/A, podczas gdy teoria przewiduje 3,50 mT/A. Pomnożyłem więc stałą kalibracji w linii 18 kodu przez 0,58. Magnetometr jest teraz skalibrowany!

Drugie miejsce w wyzwaniu magnesów