Bærbart magnetometer: 7 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Et magnetometer, noen ganger også kalt Gaussmeter, måler styrken til magnetfeltet. Det er et viktig verktøy for å teste styrken til permanente magneter og elektromagneter og for å forstå feltformen til ikke -private magnetkonfigurasjoner. Hvis den er sensitiv nok, kan den også oppdage om jernobjekter ble magnetisert. Tidsvarierende felt fra motorer og transformatorer kan oppdages hvis sonden er rask nok.

Mobiltelefoner inneholder vanligvis et 3-akset magnetometer, men de er optimalisert for det svake jordfeltet ~ 1 Gauss = 0,1 mT og metter i felt på noen få mT. Plasseringen av sensoren på telefonen er ikke åpenbar, og det er ikke mulig å plassere sensoren inne i trange åpninger, for eksempel hullet til en elektromagnet. Dessuten vil du kanskje ikke ta smarttelefonen nær sterke magneter.

Her beskriver jeg hvordan du lager et enkelt bærbart magnetometer med vanlige komponenter: en lineær hallsensor, en Arduino, en skjerm og en trykknapp. Den totale kostnaden er mindre enn 5EUR, og følsomheten til ~ 0.01mT på et område på -100 til +100mT er bedre enn det du naivt kan forvente. For å få nøyaktige absolutte målinger, må du kalibrere den: Jeg beskriver hvordan du gjør det med en hjemmelaget lang magnetventil.

Trinn 1: Hall Probe

Hall-effekten er en vanlig måte å måle magnetiske felt på. Når elektroner strømmer gjennom en leder i et magnetfelt, blir de avbøyd sidelengs og skaper dermed en potensiell forskjell på sidene av lederen. Med riktig valg av halvledermateriale og geometri produseres et målbart signal som kan forsterkes og gi et mål på en komponent i magnetfeltet.

Jeg bruker SS49E fordi den er billig og allment tilgjengelig. Noen ting å merke seg fra databladet:

• Forsyningsspenning: 2,7-6,5 V, så perfekt kompatibel med 5V fra Arduino.
• Null-utgang: 2,25-2,75V, så omtrent halvveis mellom 0 og 5V.
• Følsomhet: 1,0-1,75mV/Gauss, så det vil kreve kalibrering for å få presise resultater.
• Utgangsspenning 1.0V-4.0V (hvis den drives ved 5V): godt dekket av Arduino ADC.
• Rekkevidde: +-650G minimum, +-1000G typisk.
• Svartid 3mus, slik at den kan samples ved noen titalls kHz.
• Forsyningsstrøm: 6-10mA, lav nok til å være batteridrevet.
• Temperaturfeil: ~ 0,1% per grad C. Virker lite, men 0,1% forskyvning gir en 3mT feil.

Sensoren er kompakt, ~ 4x3x2mm, og måler komponenten i magnetfeltet som er vinkelrett på forsiden. Den sender positivt for felt som peker fra baksiden til forsiden, for eksempel når fronten bringes til en magnetisk sørpol. Sensoren har 3 ledninger, +5V, 0V og utgang fra venstre til høyre, sett forfra.

Trinn 2: Nødvendig materiale

• SS49E lineær Hall -sensor. Disse koster ~ 1EUR for et sett med 10 på nettet.
• Arduino Uno med prototypekort for prototype eller Arduino Nano (uten overskrifter!) For bærbar versjon
• SSD1306 0,96”monokrom OLED -skjerm med I2C -grensesnitt
• En kort trykknapp

For å konstruere sonden:

• En gammel kulepenn eller et annet solid hulrør
• 3 tynne ledninger noe lengre enn røret
• 12 cm tynt (1,5 mm) krympeslange

For å gjøre den bærbar:

• En stor tic-tac-boks (18x46x83mm) eller lignende
• En 9V-batteriklemme
• En av/på -bryter

Trinn 3: Første versjon: Bruke et Arduino Prototype Board

Alltid prototype først for å kontrollere at alle komponentene fungerer og at programvaren er funksjonell! Følg bildet og for å koble til Hall-proben, displayet og null-knappen: Hall-proben må kobles til +5V, GND, A0 (venstre til høyre). Skjermen må kobles til GND, +5V, A5, A4 (venstre til høyre). Knappen må koble fra bakken til A1 når den trykkes.

Koden ble skrevet og lastet opp ved hjelp av Arduino IDE versjon 1.8.10. Det krever å installere Adafruit_SSD1306 og Adafruit_GFX bibliotekene Last opp koden i den vedlagte skissen.

Displayet skal vise en DC -verdi og en AC -verdi.

Trinn 4: Noen kommentarer om koden

Hopp over denne delen hvis du ikke er interessert i den indre virkemåten til koden.

Hovedtrekk ved koden er at magnetfeltet måles 2000 ganger på rad. Dette tar omtrent 0,2-0,3 sekunder. Ved å holde oversikt over summen og den kvadratiske summen av målingene, er det mulig å beregne både gjennomsnittet og standardavviket, som rapporteres som DC og AC. Ved å måle et stort antall målinger øker presisjonen, teoretisk sett med sqrt (2000) ~ 45. Så med en 10-biters ADC kan vi nå presisjonen til en 15-biters ADC! Det gjør en stor forskjell: 1 ADC -telling er 5mV, som er ~ 0,3mT. Takket være gjennomsnittet forbedrer vi presisjonen fra 0,3mT til 0,01mT.

Som en bonus får vi også standardavviket, så svingende felt identifiseres som sådan. Et felt som svinger ved 50Hz utfører ~ 10 hele sykluser i løpet av måletiden, så AC -verdien kan måles godt.

Etter å ha samlet koden får jeg følgende tilbakemelding: Sketch bruker 16852 byte (54%) av programlagringsplass. Maksimum er 30720 byte. Globale variabler bruker 352 byte (17%) av dynamisk minne, og etterlater 1696 byte for lokale variabler. Maksimum er 2048 byte.

Det meste av plassen blir tatt opp av Adafruit -bibliotekene, men det er god plass til ytterligere funksjonalitet

Trinn 5: Forberede proben

Sonden er best montert på spissen av et smalt rør: på denne måten kan den enkelt plasseres og holdes på plass selv inne i trange åpninger. Enhver hulrør av et ikke -magnetisk materiale vil gjøre. Jeg brukte en gammel kulepenn som ga en perfekt passform.

Forbered 3 tynne fleksible ledninger som er lengre enn røret. Jeg brukte 3 cm båndkabel. Det er ingen logikk i fargene (oransje for +5V, rød for 0V, grå for signal), men med bare 3 ledninger kan jeg huske.

For å bruke sonden på prototypen, lodd noen stykker av avisolert tråd med fast kjerne på enden og beskytt dem med krympeslange. Senere kan dette kuttes av slik at sondetrådene kan loddes direkte til Arduino.

Trinn 6: Bygg et bærbart instrument

Et 9V batteri, OLED-skjermen og en Arduino Nano passer komfortabelt i en (stor) Tic-Tac-boks. Den har fordelen av å være gjennomsiktig, for skjermen er godt lesbar selv inne. Alle faste komponenter (sonden, av/på-bryteren og trykknappen) er festet til toppen, slik at hele enheten kan tas ut av esken for å bytte batteri eller oppdatere koden.

Jeg var aldri fan av 9V batterier: de er dyre og har liten kapasitet. Men mitt lokale supermarked solgte plutselig den oppladbare NiMH -versjonen for 1 EUR hver, og jeg fant ut at de enkelt kan lades ved å holde dem på 11V gjennom en 100Ohm motstand over natten. Jeg bestilte klipp billig, men de kom aldri, så jeg tok fra hverandre et gammelt 9V batteri for å gjøre toppen til et klipp. Det gode med 9V -batteriet er at det er kompakt og Arduino kjører godt på det ved å koble det til Vin. På +5V vil det være en regulert 5V tilgjengelig for OLED og for Hall -sonden.

Hall -sonden, OLED -skjermen og trykknappen er koblet til på samme måte som for prototypen. Det eneste tillegget er en av/på -knapp mellom 9V -batteriet og Arduino.

Trinn 7: Kalibrering

Kalibreringskonstanten i koden tilsvarer tallet gitt i databladet (1.4mV/Gauss), men databladet gir mulighet for et stort område (1.0-1.75mV/Gauss). For å få nøyaktige resultater må vi kalibrere sonden!

Den enkleste måten å produsere et magnetfelt med en godt bestemt styrke er å bruke en solenoid: feltstyrken til en lang solenoid er: B = mu0*n*I. Vakuumpermeabiliteten er en konstant av naturen: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Feltet er homogent og avhenger bare av tettheten til viklingene n, og strømmen I, som begge kan måles med god nøyaktighet (~ 1%). Den angitte formelen er avledet for uendelig lang solenoid, men er en veldig god tilnærming for feltet i midten så lenge forholdet mellom lengde og diameter, L/D> 10.

For å lage en passende solenoid, ta et hul sylindrisk rør med L/D> 10 og påfør vanlige viklinger med emaljert ledning. Jeg brukte et PVC -rør med en ytterdiameter på 23 mm og viklet 566 viklinger enn 20,2 cm, noe som resulterte i n = 28/cm = 2800/m. Ledningslengden er 42m og motstanden 10,0 Ohm.

Tilfør strøm til spolen og måle strømmen med et multimeter. Bruk enten en variabel spenningsforsyning eller en variabel belastningsmotstand for å holde strømmen under kontroll. Mål magnetfeltet for noen få nåværende innstillinger og sammenlign det med avlesningene.

Før kalibrering målte jeg 6,04 mT/A mens teorien forutsier 3,50 mT/A. Så jeg multipliserte kalibreringskonstanten på linje 18 i koden med 0,58. Magnetometeret er nå kalibrert!

Runner Up i Magnets Challenge