Draagbare magnetometer: 7 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

'N Magnetometer, soms ook Gaussmeter genoem, meet die sterkte van die magnetiese veld. Dit is 'n noodsaaklike hulpmiddel om die sterkte van permanente magnete en elektromagnete te toets en om die veldvorm van nie -vaste magneetkonfigurasies te verstaan. As dit sensitief genoeg is, kan dit ook opspoor of ystervoorwerpe gemagnetiseer is. Tydsveranderende velde van motors en transformators kan opgespoor word as die sonde vinnig genoeg is.

Selfone bevat gewoonlik 'n 3-as magnetometer, maar hulle is geoptimaliseer vir die swak aardmagnetiese veld van ~ 1 Gauss = 0,1 mT en versadig op velde van 'n paar mT. Die ligging van die sensor op die telefoon is nie duidelik nie, en dit is nie moontlik om die sensor in smal gate te plaas nie, soos die boor van 'n elektromagneet. Boonop wil u u slimfoon miskien nie naby sterk magnete bring nie.

Hier beskryf ek hoe u 'n eenvoudige draagbare magnetometer met algemene komponente kan maak: 'n lineêre saalsensor, 'n Arduino, 'n skerm en 'n drukknop. Die totale koste is minder as 5EUR, en die sensitiwiteit van ~ 0.01mT op 'n reeks van -100 tot +100mT is beter as wat u naïef sou verwag. Om akkurate absolute metings te kry, moet u dit kalibreer: ek beskryf hoe u dit kan doen met 'n tuisgemaakte lang solenoïde.

Stap 1: Die saalsonde

Die Hall-effek is 'n algemene manier om magnetiese velde te meet. As elektrone deur 'n geleier in 'n magnetiese veld vloei, word dit sywaarts afgebuig en veroorsaak dit 'n potensiële verskil aan die kante van die geleier. Met die regte keuse van halfgeleiermateriaal en meetkunde, word 'n meetbare sein geproduseer wat versterk kan word en 'n maatstaf kan gee van een komponent van die magnetiese veld.

Ek gebruik die SS49E omdat dit goedkoop en wyd beskikbaar is. 'N Paar dinge om uit die datablad op te let:

• Voedingsspanning: 2,7-6,5 V, so perfek versoenbaar met die 5V van die Arduino.
• Nul-uitset: 2,25-2,75V, dus ongeveer halfpad tussen 0 en 5V.
• Gevoeligheid: 1,0-1,75mV/Gauss, dus dit sal kalibrasie verg om presiese resultate te kry.
• Uitgangsspanning 1.0V-4.0V (as dit op 5V werk): goed gedek deur die Arduino ADC.
• Bereik: +-650G minimum, +-1000G tipies.
• Reaksie tyd 3mus, sodat dit met 'n paar tiene kHz kan monster.
• Voedingsstroom: 6-10mA, laag genoeg om op batterye te werk.
• Temperatuurfout: ~ 0,1% per graad C. Lyk min, maar 'n afwyking van 0,1% gee 'n fout van 3 mT.

Die sensor is kompak, ~ 4x3x2mm, en meet die komponent van die magnetiese veld wat loodreg op die voorkant is. Dit gee 'n positiewe uitslag vir velde wat van die agterkant na die voorkant wys, byvoorbeeld wanneer die voorkant na 'n magnetiese suidpool gebring word. Die sensor het 3 voorrade, +5V, 0V en uitset van links na regs, van voor gesien.

Stap 2: Vereiste materiaal

• SS49E lineêre Hall sensor. Dit kos ~ 1EUR vir 'n stel van 10 aanlyn.
• Arduino Uno met prototipe bord vir prototipe of Arduino Nano (sonder headers!) Vir draagbare weergawe
• SSD1306 0,96”monochroom OLED -skerm met I2C -koppelvlak
• 'N Kort drukknop

Om die sonde te bou:

• 'N Ou balpen of 'n ander stewige hol buis
• 3 dun gestrande drade ietwat langer as die buis
• 12 cm dun (1,5 mm) krimpbuis

Om dit draagbaar te maak:

• 'N Groot boks (18x46x83mm) of soortgelyk
• 'N 9V-batteryklem
• 'N Aan/af skakelaar

Stap 3: Eerste weergawe: gebruik 'n Arduino -prototipe -bord

Probeer altyd eers 'n prototipe om seker te maak dat al die komponente werk en dat die sagteware funksioneel is! Volg die prentjie en verbind die Hall-sonde, die skerm en die nulknoppie: Die Hall-sonde moet gekoppel wees aan +5V, GND, A0 (van links na regs). Die skerm moet gekoppel word aan GND, +5V, A5, A4 (links na regs). Die knoppie moet 'n verbinding van die grond tot die A1 maak as dit ingedruk word.

Die kode is geskryf en opgelaai met die Arduino IDE weergawe 1.8.10. Dit is nodig om die Adafruit_SSD1306- en Adafruit_GFX -biblioteke te installeer Laai die kode op in die aangehegte skets.

Die skerm moet 'n GS -waarde en 'n AC -waarde toon.

Stap 4: Enkele opmerkings oor die kode

Slaan hierdie afdeling vry as u nie belangstel in die werking van die kode nie.

Die belangrikste kenmerk van die kode is dat die magnetiese veld 2000 keer in 'n ry gemeet word. Dit neem ongeveer 0,2-0,3 sekondes. Deur die som en die kwadraatsom van die metings by te hou, is dit moontlik om die gemiddelde en die standaardafwyking, wat as DC en AC gerapporteer word, te bereken. Deur 'n gemiddelde aantal metings te bereken, neem die presisie toe, teoreties met sqrt (2000) ~ 45. Met 'n 10-bis ADC kan ons dus die presisie van 'n 15-bit ADC bereik! Dit maak 'n groot verskil: 1 ADC -telling is 5mV, wat ~ 0.3mT is. Danksy die gemiddelde, verbeter ons die presisie van 0,3 mT tot 0,01 mT.

As 'n bonus kry ons ook die standaardafwyking, sodat wisselende velde as sodanig geïdentifiseer word. 'N Veld wat met 50Hz wissel, doen gedurende die meettyd ~ 10 volle siklusse, sodat die wisselstroomwaarde daarvan goed gemeet kan word.

Nadat ek die kode saamgestel het, kry ek die volgende terugvoer: Sketch gebruik 16852 grepe (54%) programbergingsruimte. Die maksimum is 30720 grepe. Globale veranderlikes gebruik 352 grepe (17%) van dinamiese geheue, en laat 1696 grepe oor vir plaaslike veranderlikes. Die maksimum is 2048 grepe.

Die meeste ruimte word deur die Adafruit -biblioteke ingeneem, maar daar is genoeg ruimte vir verdere funksionaliteit

Stap 5: Voorbereiding van die sonde

Die sonde word die beste aan die punt van 'n smal buis gemonteer: op hierdie manier kan dit maklik geplaas en in posisie gehou word, selfs binne in smal gate. Enige hol buis van 'n nie -magnetiese materiaal sal doen. Ek het 'n ou balpen gebruik wat perfek pas.

Berei 3 dun buigsame drade voor wat langer is as die buis. Ek het 'n lintkabel van 3 cm gebruik. Daar is geen logika in die kleure nie (oranje vir +5V, rooi vir 0V, grys vir sein), maar met net 3 drade kan ek onthou.

Om die sonde op die prototipe te gebruik, soldeer u 'n paar stukke gestroopte aansluitdraad aan die einde en beskerm dit met krimpbuis. Later kan dit afgesny word sodat die sonde drade direk aan die Arduino gesoldeer kan word.

Stap 6: Bou 'n draagbare instrument

'N 9V-battery, die OLED-skerm en 'n Arduino Nano pas gemaklik in 'n (groot) Tic-Tac-boks. Dit het die voordeel dat dit deursigtig is, want die skerm is goed leesbaar, selfs binne. Alle vaste komponente (die sonde, die aan/uit-skakelaar en die drukknop) is aan die bokant vasgemaak, sodat die hele eenheid uit die boks gehaal kan word om die battery te vervang of die kode by te werk.

Ek was nooit 'n fan van 9V -batterye nie: dit is duur en het min kapasiteit. Maar my plaaslike supermark verkoop skielik die herlaaibare NiMH -weergawe vir 1 EUR elk, en ek het gevind dat dit maklik opgelaai kan word deur dit oornag op 'n 11V deur 'n weerstand van 100 Ohm te hou. Ek het clips goedkoop bestel, maar dit het nooit gekom nie, en ek het 'n ou 9V -battery uitmekaar gehaal om die bokant in 'n clip te verander. Die goeie ding van die 9V -battery is dat dit kompak is en die Arduino goed werk deur dit aan Vin te koppel. Op +5V sal daar 'n gereguleerde 5V beskikbaar wees vir die OLED en die Hall -sonde.

Die Hall -sonde, die OLED -skerm en die drukknoppie is op dieselfde manier as vir die prototipe verbind. Die enigste toevoeging is 'n aan/uit -knoppie tussen die 9V -battery en die Arduino.

Stap 7: Kalibrasie

Die kalibrasie konstante in die kode stem ooreen met die nommer wat in die datablad (1.4mV/Gauss) gegee word, maar die datablad maak 'n groot reeks (1.0-1.75mV/Gauss) moontlik. Om akkurate resultate te kry, moet ons die sonde kalibreer!

Die eenvoudigste manier om 'n magnetiese veld met 'n goed bepaalde sterkte te produseer, is deur 'n solenoïde te gebruik: die veldsterkte van 'n lang solenoïde is: B = mu0*n*I. Die vakuumdeurlaatbaarheid is 'n konstante aard: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Die veld is homogeen en hang slegs af van die digtheid van windings n, en die stroom I, wat beide met goeie akkuraatheid gemeet kan word (~ 1%). Die aangehaalde formule is afgelei vir oneindig lang solenoïde, maar is 'n baie goeie benadering vir die veld in die middel, solank die verhouding tussen lengte en deursnee, L/D> 10.

Om 'n geskikte solenoïde te maak, neem 'n hol silindriese buis met L/D> 10 en pas gereelde wikkels met geëmailleerde draad toe. Ek het 'n PVC -buis met 'n buitenste deursnee van 23 mm gebruik en 566 wikkels opgedraai as 20,2 cm, wat lei tot n = 28/cm = 2800/m. Die draadlengte is 42m en die weerstand 10.0 Ohm.

Gee die spoel krag en meet die stroomvloei met 'n multimeter. Gebruik óf 'n veranderlike spanningstoevoer óf 'n veranderlike lasweerstand om die stroom onder beheer te hou. Meet die magnetiese veld vir 'n paar huidige instellings en vergelyk dit met die metings.

Voor kalibrasie het ek 6,04 mT/A gemeet terwyl die teorie 3,50 mT/A voorspel. Dus het ek die kalibrasie konstante in reël 18 van die kode met 0.58 vermenigvuldig. Die magnetometer is nou gekalibreer!

Naaswenner in die Magnets -uitdaging