Hordozható magnetométer: 7 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

A magnetométer, más néven Gaussmeter, méri a mágneses mező erősségét. Ez elengedhetetlen eszköz az állandó mágnesek és elektromágnesek erősségének teszteléséhez, valamint a nem triviális mágneses konfigurációk mező alakjának megértéséhez. Ha elég érzékeny, akkor azt is képes észlelni, hogy vas tárgyak mágneseződtek -e. A motorok és transzformátorok időben változó mezői észlelhetők, ha a szonda elég gyors.

A mobiltelefonok általában 3 tengelyes magnetométert tartalmaznak, de a gyenge ~ 1 Gauss = 0,1 mT földmágneses mezőre lettek optimalizálva, és néhány méteres mezőkön telítettek. Az érzékelő helye a telefonon nem nyilvánvaló, és nem lehet az érzékelőt keskeny nyílásokba, például egy elektromágnes furatába helyezni. Sőt, lehet, hogy nem szeretné az okostelefonját erős mágnesek közelébe hozni.

Itt leírom, hogyan lehet egyszerű hordozható mágnesmérőt készíteni közös alkatrészekkel: lineáris hall-érzékelővel, Arduino-val, kijelzővel és nyomógombbal. A teljes költség kevesebb, mint 5 EUR, és a ~ 0,01 mT érzékenység -100 és +100 mT közötti tartományban jobb, mint amire naivan számíthat. Ahhoz, hogy pontos abszolút értékeket kapjon, kalibrálnia kell: Leírom, hogyan kell ezt csinálni egy házilag készített mágnesszeleppel.

1. lépés: A Hall -szonda

A Hall-effektus a mágneses mezők mérésének gyakori módja. Amikor az elektronok mágneses térben áramlanak át egy vezetőn, akkor oldalirányban elhajlanak, és így potenciálkülönbséget hoznak létre a vezető oldalán. A félvezető anyag és a geometria megfelelő megválasztásával mérhető jelet állítanak elő, amelyet fel lehet erősíteni, és amely a mágneses mező egyik összetevőjének mértékét biztosítja.

Az SS49E -t használom, mert olcsó és széles körben elérhető. Az adatlapból néhány megjegyzés:

• Tápfeszültség: 2,7-6,5 V, így tökéletesen kompatibilis az Arduino 5 V-os verziójával.
• Nulla kimenet: 2,25-2,75 V, tehát körülbelül félúton 0 és 5 V között.
• Érzékenység: 1,0-1,75 mV/Gauss, ezért a pontos eredmények eléréséhez kalibrálás szükséges.
• Kimeneti feszültség 1,0V-4,0V (ha 5V-on működik): jól lefedi az Arduino ADC.
• Tartomány: minimum +-650G, +-1000G jellemző.
• Válaszidő 3mus, így néhány tíz kHz -en képes mintát venni.
• Tápfeszültség: 6-10mA, elég alacsony ahhoz, hogy elemmel működjön.
• Hőmérséklet hiba: ~ 0,1% C -onként. Kevésnek tűnik, de a 0,1% -os eltolódás 3 mT hibát eredményez.

Az érzékelő kompakt, ~ 4x3x2mm, és méri a mágneses mező összetevőjét, amely merőleges az előlapjára. Pozitív eredményt ad a hátsó oldalról az elülső oldalra mutató mezőkre, például amikor az elejét mágneses déli pólushoz vezetik. Az érzékelő 3 vezetékkel rendelkezik, +5V, 0V és kimenet balról jobbra, elölről nézve.

2. lépés: Szükséges anyag

• SS49E lineáris Hall -érzékelő. Ezek ára ~ 1EUR egy 10 -es online készlet esetén.
• Arduino Uno prototípus táblával a prototípushoz, vagy Arduino Nano (fejlécek nélkül!) A hordozható verzióhoz
• SSD1306 0,96”monokróm OLED kijelző I2C interfésszel
• Egy pillanatnyi nyomógomb

A szonda felépítéséhez:

• Régi golyóstoll vagy más masszív üreges cső
• 3 vékony sodrott huzal valamivel hosszabb, mint a cső
• 12 cm vékony (1,5 mm) zsugorcső

Hordozhatóvá tételéhez:

• Egy nagy tic-tac doboz (18x46x83mm) vagy hasonló
• 9V-os elemcsipesz
• Be/ki kapcsoló

3. lépés: Első verzió: Arduino prototípus tábla használata

Először mindig prototípussal ellenőrizze, hogy minden alkatrész működik -e, és hogy a szoftver működik -e! Kövesse a képet, és csatlakoztassa a Hall szondát, a kijelzőt és a null gombot: A Hall szondát +5V, GND, A0 (balról jobbra) csatlakozóhoz kell csatlakoztatni. A kijelzőt GND, +5V, A5, A4 (balról jobbra) csatlakoztatni kell. A gombnak földről A1 -re kell csatlakoznia, ha megnyomja.

A kódot az Arduino IDE 1.8.10 verziójával írták fel és töltötték fel. Telepítenie kell az Adafruit_SSD1306 és Adafruit_GFX könyvtárakat. Töltse fel a kódot a mellékelt vázlatban.

A kijelzőn egy DC és egy AC értéket kell megjeleníteni.

4. lépés: Néhány megjegyzés a kódról

Nyugodtan hagyja ki ezt a részt, ha nem érdekli a kód belső működése.

A kód legfontosabb jellemzője, hogy a mágneses mezőt 2000 -szer mérik egymás után. Ez körülbelül 0,2-0,3 másodpercet vesz igénybe. A mérések összegének és négyzetösszegének nyomon követésével ki lehet számítani az átlagot és a szórást is, amelyeket egyenáramú és váltakozó áramként jelentenek. Nagyszámú mérés átlagolásával a pontosság elméletileg sqrt (2000) ~ 45 -tal nő. Tehát egy 10 bites ADC-vel elérhetjük a 15 bites ADC pontosságát! Nagy különbség van: 1 ADC szám 5 mV, ami ~ 0,3 mT. Az átlagolásnak köszönhetően 0,3 mT -ról 0,01 mT -ra javítjuk a pontosságot.

Bónuszként a szórást is megkapjuk, így az ingadozó mezőket azonosítjuk. Az 50 Hz -en ingadozó mező ~ 10 teljes ciklust tesz meg a mérési idő alatt, így az AC értéke jól mérhető.

A kód összeállítása után a következő visszajelzést kapom: A Sketch 16852 bájt (54%) program tárhelyet használ. Maximum 30720 bájt. A globális változók 352 bájt (17%) dinamikus memóriát használnak, így 1696 bájt marad a helyi változóknak. Maximum 2048 bájt.

A legtöbb helyet az Adafruit könyvtárak foglalják el, de bőven van hely a további funkciók számára

5. lépés: A szonda előkészítése

A szondát a legjobban egy keskeny cső hegyére lehet felszerelni: így könnyen elhelyezhető és helyben tartható még keskeny nyílásokon belül is. Bármilyen nem mágneses anyagból készült üreges cső megfelel. Régi golyóstollat használtam, amely tökéletesen illeszkedik.

Készítsen elő 3 vékony, rugalmas vezetéket, amelyek hosszabbak, mint a cső. 3 cm -es szalagkábelt használtam. Nincs logika a színekben (narancs +5V, piros 0V, szürke jel), de csak 3 vezetékkel emlékszem.

A szonda prototípuson való használatához forrasztjon le néhány lecsupaszított tömör magos bekötőhuzalt a végéről, és zsugorcsővel védje őket. Később ezt le lehet vágni, hogy a szonda vezetékeit közvetlenül az Arduino -hoz lehessen forrasztani.

6. lépés: Hordozható eszköz építése

A 9 V-os akkumulátor, az OLED képernyő és az Arduino Nano kényelmesen elfér egy (nagy) Tic-Tac dobozban. Előnye, hogy átlátszó, a képernyő még belül is jól olvasható. Minden rögzített alkatrész (a szonda, a ki/bekapcsoló és a nyomógomb) a tetejére van rögzítve, így az egész szerelvény kivehető a dobozból elemcseréhez vagy a kód frissítéséhez.

Soha nem rajongtam a 9 V -os elemekért: drágák és kevés a kapacitásuk. De a helyi szupermarketem hirtelen eladta az újratölthető NiMH verziót darabonként 1 euróért, és rájöttem, hogy könnyen feltölthetők, ha éjszakán keresztül 100 V -os ellenálláson keresztül 11 V -on tartják őket. Olcsón rendeltem klipeket, de soha nem érkeztek meg, ezért szétszedtem egy régi 9 V -os elemet, hogy a tetejét klipszé változtassam. A 9V -os akkumulátor jó tulajdonsága, hogy kompakt, és az Arduino jól működik rajta, ha Vin -hez csatlakoztatja. +5 V -on az OLED és a Hall -szonda számára szabályozott 5 V áll rendelkezésre.

A Hall szonda, az OLED képernyő és a nyomógomb ugyanúgy csatlakozik, mint a prototípushoz. Az egyetlen kiegészítés a ki- és bekapcsoló gomb a 9V -os akkumulátor és az Arduino között.

7. lépés: Kalibrálás

A kódban szereplő kalibrálási állandó megfelel az adatlapon megadott számnak (1,4 mV/Gauss), de az adatlap nagy tartományt tesz lehetővé (1,0-1,75 mV/Gauss). A pontos eredmények eléréséhez kalibrálnunk kell a szondát!

A legegyszerűbb módszer egy jól meghatározott erősségű mágneses mező előállítására a mágnesszelep használata: a hosszú mágnesszelep térerőssége: B = mu0*n*I. A vákuumáteresztő képesség állandó: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. A mező homogén, és csak az n tekercsek sűrűségétől és az I áramtól függ, mindkettő jó pontossággal (~ 1%) mérhető. Az idézett képlet végtelen hosszú mágnesszelepre vonatkozik, de nagyon jó közelítés a középen lévő mezőre, mindaddig, amíg a hosszúság és az átmérő aránya L/D> 10.

A megfelelő mágnesszelep elkészítéséhez vegyen egy üreges hengeres csövet, amelynek L/D> 10 és rendszeresen tekercseljen zománcozott huzallal. 23 mm külső átmérőjű PVC csövet használtam, és 566 tekercset tekertem, mint 20,2 cm átmérőjű, így n = 28/cm = 2800/m. A vezeték hossza 42 m, ellenállása 10,0 Ohm.

Táplálja a tekercset, és multiméterrel méri az áramlást. Használjon változó feszültségű tápegységet vagy változó terhelésellenállást az áram ellenőrzés alatt tartásához. Mérje meg a mágneses mezőt néhány aktuális beállításhoz, és hasonlítsa össze a leolvasott értékekkel.

A kalibrálás előtt 6,04 mT/A -t mértem, míg az elmélet 3,50 mT/A -t jósol. Tehát a kód 18. sorában szereplő kalibrálási állandó értéket megszorozom 0,58 -cal. A magnetométer kalibrálva van!

Második helyezett a mágnesek kihívásában