Magnetometer Mudah Alih: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Magnetometer, kadang-kadang juga disebut Gaussmeter, mengukur kekuatan medan magnet. Ini adalah alat penting untuk menguji kekuatan magnet kekal dan elektromagnet dan untuk memahami bentuk medan konfigurasi magnet bukan sepi. Sekiranya cukup sensitif, ia juga dapat mengesan jika objek besi dimagnetkan. Medan yang berbeza-beza dari motor dan transformer dapat dikesan sekiranya probe cukup pantas.

Telefon bimbit biasanya mengandungi magnetometer 3 paksi tetapi ia telah dioptimumkan untuk medan magnet bumi lemah ~ 1 Gauss = 0.1 mT dan tepu pada medan beberapa mT. Lokasi sensor di telefon tidak jelas, dan tidak mungkin meletakkan sensor di dalam bukaan sempit seperti lubang elektromagnet. Lebih-lebih lagi, anda mungkin tidak mahu membawa telefon pintar anda dekat dengan magnet yang kuat.

Di sini saya menerangkan bagaimana membuat magnetometer mudah alih mudah dengan komponen umum: sensor ruang linier, Arduino, paparan dan butang tekan. Jumlah kosnya kurang dari 5EUR, dan kepekaan ~ 0.01mT pada julat -100 hingga + 100mT lebih baik daripada yang anda harapkan naif. Untuk mendapatkan bacaan mutlak yang tepat, anda perlu mengkalibrasinya: Saya menerangkan cara melakukannya dengan solenoid panjang buatan rumah.

Langkah 1: Probe Hall

Kesan Hall adalah kaedah biasa untuk mengukur medan magnet. Apabila elektron mengalir melalui konduktor di medan magnet, mereka akan terpesong ke sisi dan dengan itu menimbulkan perbezaan potensi pada sisi konduktor. Dengan pilihan bahan semikonduktor dan geometri yang tepat, isyarat yang dapat diukur dihasilkan yang dapat diperkuat dan memberikan ukuran satu komponen medan magnet.

Saya menggunakan SS49E kerana harganya murah dan banyak tersedia. Beberapa perkara yang perlu diperhatikan dari lembaran datanya:

• Voltan bekalan: 2.7-6.5 V, sangat sesuai dengan 5V dari Arduino.
• Null-output: 2.25-2.75V, jadi kira-kira separuh antara 0 dan 5V.
• Sensitiviti: 1.0-1.75mV / Gauss, jadi memerlukan penentukuran untuk mendapatkan hasil yang tepat.
• Voltan keluaran 1.0V-4.0V (jika dikendalikan pada 5V): dilindungi dengan baik oleh Arduino ADC.
• Julat: + -650G minimum, + -1000G khas.
• Masa tindak balas 3mus, sehingga dapat mengambil sampel pada beberapa puluhan kHz.
• Arus bekalan: 6-10mA, cukup rendah untuk dikendalikan oleh bateri.
• Ralat suhu: ~ 0.1% setiap darjah C. Nampaknya sedikit tetapi drift 0,1% memberikan ralat 3mT.

Sensornya ringkas, ~ 4x3x2mm, dan mengukur komponen medan magnet yang berserenjang dengan muka depannya. Ini akan menghasilkan positif untuk medan yang menunjuk dari sisi belakang ke sisi depan, misalnya ketika depan dibawa ke kutub selatan magnet. Sensor mempunyai 3 petunjuk, + 5V, 0V dan output dari kiri ke kanan, jika dilihat dari depan.

Langkah 2: Bahan yang Diperlukan

• Sensor Dewan linear SS49E. Kos ini ~ 1EUR untuk satu set 10 dalam talian.
• Arduino Uno dengan papan prototaip untuk prototaip atau Arduino Nano (tanpa tajuk!) Untuk versi mudah alih
• Paparan OLED monokrom SSD1306 0.96 "dengan antara muka I2C
• Butang tekan sekejap

Untuk membina siasatan:

• Ballpen lama atau tiub berongga yang kukuh
• 3 wayar terdampar agak panjang daripada tiub
• Tiub mengecil 12cm nipis (1.5mm)

Untuk menjadikannya mudah alih:

• Kotak tic-tac besar (18x46x83mm) atau serupa
• Klip bateri 9V
• Suis hidup / mati

Langkah 3: Versi Pertama: Menggunakan Papan Prototaip Arduino

Sentiasa prototaip terlebih dahulu untuk memastikan bahawa semua komponen berfungsi dan perisiannya berfungsi! Ikuti gambar dan untuk menyambungkan dewan Hall, paparan dan butang kosong: Probe Hall perlu disambungkan ke + 5V, GND, A0 (kiri ke kanan). Paparan perlu disambungkan ke GND, + 5V, A5, A4 (kiri ke kanan). Butang perlu membuat sambungan dari tanah ke A1 ketika ditekan.

Kod tersebut ditulis dan dimuat naik menggunakan Arduino IDE versi 1.8.10. Ia memerlukan pemasangan perpustakaan Adafruit_SSD1306 dan Adafruit_GFX Muat naik kod dalam lakaran yang dilampirkan.

Paparan harus menunjukkan nilai DC dan nilai AC.

Langkah 4: Beberapa Komen Mengenai Kod

Jangan ragu untuk melangkau bahagian ini jika anda tidak berminat dengan cara kerja kod ini.

Ciri utama kod ini ialah medan magnet diukur 2000 kali berturut-turut. Ini mengambil masa kira-kira 0.2-0.3 saat. Dengan melacak jumlah dan jumlah kuadrat dari pengukuran, adalah mungkin untuk menghitung rata-rata dan sisihan piawai, yang dilaporkan sebagai DC dan AC. Dengan rata-rata sejumlah besar pengukuran, ketepatan meningkat, secara teorinya oleh sqrt (2000) ~ 45. Jadi dengan ADC 10-bit, kita dapat mencapai ketepatan ADC 15-bit! Ini membuat perbezaan besar: 1 kiraan ADC adalah 5mV, iaitu ~ 0.3mT. Berkat rata-rata, kami meningkatkan ketepatan dari 0.3mT hingga 0.01mT.

Sebagai bonus, kami juga mendapat sisihan piawai, jadi medan turun naik dikenal pasti. Medan yang berubah-ubah pada 50Hz melakukan ~ 10 kitaran penuh selama masa pengukuran, sehingga nilai ACnya dapat diukur dengan baik.

Setelah menyusun kod saya mendapat maklum balas berikut: Lakaran menggunakan 16852 bait (54%) ruang penyimpanan program. Maksimum ialah 30720 bait. Pemboleh ubah global menggunakan 352 byte (17%) memori dinamik, meninggalkan 1696 bait untuk pemboleh ubah tempatan. Maksimum ialah 2048 bait.

Sebilangan besar ruang diambil oleh perpustakaan Adafruit, tetapi ada banyak ruang untuk fungsi lebih lanjut

Langkah 5: Menyiapkan Probe

Probe dipasang paling baik di hujung tiub sempit: dengan cara ini ia dapat dengan mudah diletakkan dan disimpan dalam kedudukan walaupun di dalam bukaan sempit. Sebarang tiub berongga dari bahan bukan magnet akan berlaku. Saya menggunakan ballpen lama yang sesuai.

Sediakan 3 wayar fleksibel nipis yang lebih panjang daripada tiub. Saya menggunakan kabel reben 3cm. Tidak ada logik warna (oren untuk + 5V, merah untuk 0V, kelabu untuk isyarat) tetapi hanya dengan 3 wayar yang saya ingat.

Untuk menggunakan probe pada prototaip, pateri beberapa helai dawai penyambung inti padat yang dilucutkan di hujungnya dan lindunginya dengan tiub pengecutan. Kemudian ini dapat dipotong sehingga wayar probe dapat disolder terus ke Arduino.

Langkah 6: Membina Instrumen Mudah Alih

Bateri 9V, skrin OLED dan Arduino Nano sesuai dengan selesa di dalam kotak Tic-Tac (besar). Ia mempunyai kelebihan yang telus, sehingga layar dapat dibaca dengan baik walaupun di dalam. Semua komponen tetap (probe, suis on / off dan tombol tekan) dipasang di bahagian atas, sehingga seluruh unit dapat dikeluarkan dari kotak untuk menukar bateri atau mengemas kini kodnya.

Saya tidak pernah gemar dengan bateri 9V: ia mahal dan berkapasiti sedikit. Tetapi pasar raya tempatan saya tiba-tiba menjual versi NiMH yang boleh dicas semula dengan harga 1 EUR setiap satu, dan saya dapati bahawa mereka boleh dicas dengan mudah dengan menyimpannya pada 11V melalui perintang 100Ohm semalam. Saya memesan klip dengan murah tetapi tidak pernah sampai, jadi saya mengeluarkan bateri 9V lama untuk menjadikan bahagian atas menjadi klip. Perkara yang baik mengenai bateri 9V adalah bahawa ia padat dan Arduino berfungsi dengan baik dengan menyambungkannya ke Vin. Pada + 5V akan ada 5V terkawal yang tersedia untuk OLED dan untuk penyelidikan Hall.

Pemeriksaan Hall, skrin OLED dan butang tekan disambungkan dengan cara yang sama seperti untuk prototaip. Satu-satunya tambahan ialah butang hidup / mati antara bateri 9V dan Arduino.

Langkah 7: Penentukuran

Pemalar penentukuran dalam kod sepadan dengan angka yang diberikan dalam lembar data (1.4mV / Gauss), tetapi lembar data memungkinkan untuk julat yang besar (1.0-1.75mV / Gauss). Untuk mendapatkan hasil yang tepat, kita perlu mengkalibrasi siasatan!

Kaedah paling mudah untuk menghasilkan medan magnet kekuatan yang ditentukan dengan baik ialah menggunakan solenoid: kekuatan medan solenoid panjang ialah: B = mu0 * n * I. Kebolehtelapan vakum adalah sifat tetap: mu0 = 1.2566x10 ^ -6 T / m / A. Medan homogen dan hanya bergantung pada ketumpatan belitan n, dan arus I, yang keduanya dapat diukur dengan ketepatan yang baik (~ 1%). Rumus yang dikutip diambil untuk solenoid panjang yang panjang, tetapi merupakan pendekatan yang sangat baik untuk bidang di tengah selagi nisbah panjang dan diameter, L / D> 10.

Untuk membuat solenoid yang sesuai, ambil tiub silinder berongga dengan L / D> 10 dan sapukan belitan biasa dengan wayar enamel. Saya menggunakan tiub PVC dengan dan diameter luar 23mm dan melilit 566 belitan, daripada jarak 20.2 cm, menghasilkan n = 28 / cm = 2800 / m. Panjang wayar adalah 42m dan rintangan 10.0 Ohm.

Membekalkan kuasa ke gegelung dan mengukur aliran arus dengan multimeter. Gunakan sama ada bekalan voltan berubah atau perintang beban berubah untuk mengawal arus. Ukur medan magnet untuk beberapa tetapan semasa dan bandingkan dengan bacaannya.

Sebelum penentukuran, saya mengukur 6.04 mT / A sementara teori meramalkan 3.50 mT / A. Oleh itu, saya mengalikan pemalar penentukuran pada baris 18 kod dengan 0.58. Magnetometer kini dikalibrasi!

Naib Johan dalam Cabaran Magnet