Pārnēsājams magnetometrs: 7 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Magnetometrs, ko dažreiz sauc arī par Gaussmetru, mēra magnētiskā lauka stiprumu. Tas ir būtisks instruments, lai pārbaudītu pastāvīgo magnētu un elektromagnētu izturību un izprastu netriviālo magnētu konfigurāciju lauka formu. Ja tas ir pietiekami jutīgs, tas var arī noteikt, vai dzelzs priekšmeti ir magnetizēti. Laiku mainīgos motoru un transformatoru laukus var noteikt, ja zonde ir pietiekami ātra.

Mobilajos tālruņos parasti ir 3 asu magnetometrs, bet tie ir optimizēti vājajam zemes magnētiskajam laukam ~ 1 Gauss = 0,1 mT un piesātināti dažu mT laukos. Sensora atrašanās vieta tālrunī nav acīmredzama, un sensoru nav iespējams ievietot šaurās atverēs, piemēram, elektromagnēta urbumā. Turklāt, iespējams, nevēlaties tuvināt viedtālruni spēcīgiem magnētiem.

Šeit es aprakstīju, kā izveidot vienkāršu pārnēsājamu magnetometru ar parastajām sastāvdaļām: lineāru zāles sensoru, Arduino, displeju un spiedpogu. Kopējās izmaksas ir mazākas par 5 EUR, un jutība ~ 0,01 mT diapazonā no -100 līdz +100 mT ir labāka, nekā jūs varētu naivi gaidīt. Lai iegūtu precīzus absolūtos rādījumus, jums tas jākalibrē: es aprakstu, kā to izdarīt ar mājās gatavotu garu solenoīdu.

1. solis: zāles zonde

Halles efekts ir izplatīts magnētisko lauku mērīšanas veids. Kad elektroni plūst caur vadītāju magnētiskajā laukā, tie novirzās uz sāniem un tādējādi rada potenciāla starpību vadītāja sānos. Pareizi izvēloties pusvadītāju materiālu un ģeometriju, tiek iegūts izmērāms signāls, ko var pastiprināt un nodrošināt viena magnētiskā lauka komponenta mērījumu.

Es izmantoju SS49E, jo tas ir lēts un plaši pieejams. Dažas lietas, kas jāņem vērā no tās datu lapas:

• Barošanas spriegums: 2,7–6,5 V, tāpēc ir lieliski saderīgs ar 5 V no Arduino.
• Nulles izeja: 2,25–2,75 V, tātad aptuveni pusceļā starp 0 un 5 V.
• Jutība: 1,0-1,75 mV/Gauss, tāpēc, lai iegūtu precīzus rezultātus, būs nepieciešama kalibrēšana.
• Izejas spriegums 1,0V-4,0V (ja darbojas pie 5V): labi pārklāts ar Arduino ADC.
• Diapazons: vismaz +-650G, tipisks +-1000G.
• Reakcijas laiks 3mus, tāpēc tas var izlasīt dažus desmitus kHz.
• Barošanas strāva: 6-10 mA, pietiekami zema, lai darbotos ar baterijām.
• Temperatūras kļūda: ~ 0,1% uz grādu C. Šķiet maz, bet 0,1% nobīdes novirze rada 3 mT kļūdu.

Sensors ir kompakts, ~ 4x3x2mm un mēra magnētiskā lauka komponentu, kas ir perpendikulārs tā priekšējai virsmai. Tas dos pozitīvu rezultātu laukiem, kas norāda no aizmugures uz priekšējo pusi, piemēram, kad priekšpuse tiek novietota uz magnētisko dienvidu polu. Sensoram ir 3 vadi, +5V, 0V un izeja no kreisās uz labo pusi, skatoties no priekšpuses.

2. darbība. Nepieciešamais materiāls

• SS49E lineārais Hall sensors. Tie maksā ~ 1 EUR par 10 komplektiem tiešsaistē.
• Arduino Uno ar prototipa dēli prototipam vai Arduino Nano (bez galvenēm!) Pārnēsājamai versijai
• SSD1306 0,96 collu vienkrāsains OLED displejs ar I2C interfeisu
• Īslaicīga spiedpoga

Lai izveidotu zondi:

• Veca lodīšu vai cita izturīga doba caurule
• 3 plāni vītņoti vadi, kas ir nedaudz garāki par cauruli
• 12 cm plāna (1,5 mm) saraušanās caurule

Lai padarītu to pārnēsājamu:

• Liela tic-tac kaste (18x46x83mm) vai līdzīga
• 9V akumulatora skava
• Ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzis

3. darbība: pirmā versija: Arduino prototipa dēļa izmantošana

Vienmēr vispirms izveidojiet prototipu, lai pārbaudītu, vai visas sastāvdaļas darbojas un vai programmatūra darbojas! Sekojiet attēlam un pievienojiet Hall zondi, displeju un nulles pogu: Hall zondei jābūt savienotai ar +5V, GND, A0 (no kreisās uz labo). Displejam jābūt savienotam ar GND, +5V, A5, A4 (no kreisās uz labo). Nospiežot pogu, ir jāizveido savienojums no zemes līdz A1.

Kods tika uzrakstīts un augšupielādēts, izmantojot Arduino IDE versiju 1.8.10. Tam ir jāinstalē bibliotēkas Adafruit_SSD1306 un Adafruit_GFX. Augšupielādējiet kodu pievienotajā skicē.

Displejā jāparāda līdzstrāvas un maiņstrāvas vērtība.

4. solis: daži komentāri par kodu

Jūtieties brīvi izlaist šo sadaļu, ja jūs neinteresē koda iekšējā darbība.

Koda galvenā iezīme ir tā, ka magnētiskais lauks tiek mērīts 2000 reizes pēc kārtas. Tas aizņem apmēram 0,2-0,3 sekundes. Sekojot mērījumu summai un kvadrātu summai, ir iespējams aprēķināt gan vidējo, gan standarta novirzi, kas tiek uzrādītas kā līdzstrāva un maiņstrāva. Vidēji aprēķinot lielu skaitu mērījumu, precizitāte teorētiski palielinās par kvadrātmetriem (2000) ~ 45. Tātad, izmantojot 10 bitu ADC, mēs varam sasniegt 15 bitu ADC precizitāti! Tam ir liela atšķirība: 1 ADC skaits ir 5 mV, kas ir ~ 0,3 mT. Pateicoties vidējai vērtēšanai, mēs uzlabojam precizitāti no 0,3 mT līdz 0,01 mT.

Kā bonusu mēs iegūstam arī standarta novirzi, tāpēc svārstīgie lauki tiek identificēti kā tādi. Lauks, kas svārstās pie 50 Hz, mērīšanas laikā veic ~ 10 pilnus ciklus, tāpēc tā maiņstrāvas vērtību var labi izmērīt.

Pēc koda apkopošanas saņemu šādu atgriezenisko saiti: Sketch izmanto 16852 baitus (54%) programmas krātuves vietas. Maksimums ir 30720 baiti. Globālie mainīgie izmanto 352 baitus (17%) dinamiskās atmiņas, atstājot 1696 baitus vietējiem mainīgajiem. Maksimums ir 2048 baiti.

Lielāko daļu vietas aizņem Adafruit bibliotēkas, taču ir pietiekami daudz vietas turpmākai funkcionalitātei

5. darbība: zondes sagatavošana

Zondi vislabāk ir uzstādīt šauras caurules galā: šādā veidā to var viegli novietot un noturēt pat šaurās atverēs. Derēs jebkura doba caurule no nemagnētiska materiāla. Es izmantoju vecu lodīšu pildspalvu, kas lieliski iederas.

Sagatavojiet 3 plānus elastīgus vadus, kas ir garāki par cauruli. Es izmantoju 3 cm lentes kabeli. Krāsās nav loģikas (oranža +5V, sarkana 0V, pelēka signālam), bet es varu atcerēties tikai 3 vadus.

Lai izmantotu zondi prototipam, pielodējiet dažus noņemta cietā kodola savienojuma stieples gabalus galā un aizsargājiet tos ar saraušanās cauruli. Vēlāk to var nogriezt, lai zondes vadus varētu pielodēt tieši pie Arduino.

6. darbība: pārnēsājama instrumenta izveide

9 V akumulators, OLED ekrāns un Arduino Nano ērti ietilpst (lielā) Tic-Tac kastē. Tā priekšrocība ir caurspīdīgums, un ekrāns ir labi lasāms pat iekšpusē. Visas fiksētās sastāvdaļas (zonde, ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzis un spiedpoga) ir piestiprinātas augšpusē, lai visu komplektu varētu izņemt no kastes, lai nomainītu akumulatoru vai atjauninātu kodu.

Es nekad nebiju 9V bateriju cienītājs: tās ir dārgas un tām ir maza ietilpība. Bet mans vietējais lielveikals pēkšņi pārdeva uzlādējamo NiMH versiju par 1 EUR katrā, un es atklāju, ka tos var viegli uzlādēt, visu nakti turot pie 11 V sprieguma caur 100 omu rezistoru. Es lēti pasūtīju klipus, bet tie nekad nenāca, tāpēc es izjaucu veco 9 V akumulatoru, lai augšdaļu pārvērstu par klipu. Labā 9V akumulatora priekšrocība ir tā, ka tā ir kompakta un Arduino labi darbojas ar to, savienojot to ar Vin. Pie +5 V OLED un Hall zondei būs pieejams regulēts 5 V.

Hall zonde, OLED ekrāns un spiedpoga ir savienoti tāpat kā prototipam. Vienīgais papildinājums ir ieslēgšanas/izslēgšanas poga starp 9V akumulatoru un Arduino.

7. solis: kalibrēšana

Kalibrēšanas konstante kodā atbilst datu lapā norādītajam skaitlim (1,4 mV/Gauss), bet datu lapa pieļauj lielu diapazonu (1,0-1,75 mV/Gauss). Lai iegūtu precīzus rezultātus, mums būs jākalibrē zonde!

Vienkāršākais veids, kā radīt magnētisko lauku ar noteiktu stiprumu, ir solenoīda izmantošana: garā solenoīda lauka stiprums ir: B = mu0*n*I. Vakuuma caurlaidība ir dabiska konstante: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Lauks ir viendabīgs un atkarīgs tikai no tinumu blīvuma n un strāvas I, kuras abas var izmērīt ar labu precizitāti (~ 1%). Citētā formula ir iegūta bezgalīgi garam solenoīdam, taču tā ir ļoti laba aptuvena vērtība laukam centrā, ja vien garuma un diametra attiecība L/D> 10.

Lai izgatavotu piemērotu solenoīdu, paņemiet dobu cilindrisku cauruli ar L/D> 10 un uzklājiet regulārus tinumus ar emaljētu stiepli. Es izmantoju PVC cauruli ar ārējo diametru 23 mm un aptītu 566 tinumus, kas aptvēra 20,2 cm, kā rezultātā n = 28/cm = 2800/m. Vada garums ir 42 m, bet pretestība - 10,0 omi.

Piegādājiet spolei strāvu un izmēriet strāvas plūsmu ar multimetru. Lai kontrolētu strāvu, izmantojiet mainīga sprieguma barošanu vai mainīgas slodzes rezistoru. Izmēriet magnētisko lauku dažiem pašreizējiem iestatījumiem un salīdziniet to ar rādījumiem.

Pirms kalibrēšanas es izmērīju 6,04 mT/A, bet teorija paredz 3,50 mT/A. Tāpēc es reizināju kalibrēšanas konstanti koda 18. rindā ar 0,58. Magnetometrs tagad ir kalibrēts!

Otrā vieta magnētu izaicinājumā