Bærbart magnetometer: 7 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Et magnetometer, undertiden også kaldet Gaussmeter, måler magnetfeltets styrke. Det er et vigtigt værktøj til at teste styrken af permanente magneter og elektromagneter og forstå feltformen for ikke -private magnetkonfigurationer. Hvis det er følsomt nok, kan det også opdage, om jerngenstande blev magnetiseret. Tidsvarierende felter fra motorer og transformere kan detekteres, hvis sonden er hurtig nok.

Mobiltelefoner indeholder normalt et 3-akset magnetometer, men de er optimeret til det svage jordmagnetfelt på ~ 1 Gauss = 0,1 mT og mættes ved felter på et par mT. Placeringen af sensoren på telefonen er ikke indlysende, og det er ikke muligt at placere sensoren inde i snævre åbninger, f.eks. En elektromagnets boring. Desuden vil du måske ikke bringe din smartphone tæt på stærke magneter.

Her beskriver jeg, hvordan man laver et simpelt bærbart magnetometer med fælles komponenter: en lineær hall-sensor, en Arduino, et display og en trykknap. De samlede omkostninger er mindre end 5EUR, og følsomheden på ~ 0.01mT på en rækkevidde på -100 til +100mT er bedre end hvad du naivt kunne forvente. For at få nøjagtige absolutte aflæsninger skal du kalibrere det: Jeg beskriver, hvordan du gør det med en hjemmelavet lang magnet.

Trin 1: Hall Probe

Hall-effekten er en almindelig måde at måle magnetiske felter på. Når elektroner strømmer gennem en leder i et magnetisk felt, afbøjes de sidelæns og skaber dermed en potentiel forskel på lederens sider. Med det rigtige valg af halvledermateriale og geometri produceres et målbart signal, der kan forstærkes og tilvejebringe et mål for en komponent i magnetfeltet.

Jeg bruger SS49E, fordi den er billig og bredt tilgængelig. Et par ting at bemærke fra databladet:

• Forsyningsspænding: 2,7-6,5 V, så perfekt kompatibel med 5V fra Arduino.
• Nul-output: 2,25-2,75V, så cirka halvvejs mellem 0 og 5V.
• Følsomhed: 1,0-1,75mV/Gauss, så det kræver kalibrering for at få præcise resultater.
• Udgangsspænding 1.0V-4.0V (hvis den drives ved 5V): godt dækket af Arduino ADC.
• Område: +-650G minimum, +-1000G typisk.
• Svartid 3mus, så den kan prøve ved et par snesevis af kHz.
• Forsyningsstrøm: 6-10mA, lav nok til at være batteridrevet.
• Temperaturfejl: ~ 0,1% pr. Grad C. Synes lidt, men en 0,1% offset drift giver en 3mT fejl.

Sensoren er kompakt, ~ 4x3x2mm, og måler komponenten i magnetfeltet, der er vinkelret på dens forside. Det udsender en positiv for felter, der peger fra bagsiden til forsiden, for eksempel når fronten bringes til en magnetisk sydpol. Sensoren har 3 ledninger, +5V, 0V og output fra venstre mod højre, set forfra.

Trin 2: Påkrævet materiale

• SS49E lineær hall sensor. Disse koster ~ 1EUR for et sæt på 10 online.
• Arduino Uno med prototype board til prototype eller Arduino Nano (uden headers!) Til bærbar version
• SSD1306 0,96”monokrom OLED -skærm med I2C -interface
• En kortvarig trykknap

For at konstruere sonden:

• En gammel kuglepen eller andet robust hulrør
• 3 tynde trådede ledninger noget længere end røret
• 12 cm tyndt (1,5 mm) krympeslange

Sådan gør du den bærbar:

• En stor tic-tac boks (18x46x83mm) eller lignende
• Et 9V batteri klip
• En tænd/sluk -kontakt

Trin 3: Første version: Brug af et Arduino Prototype Board

Altid prototype først for at kontrollere, at alle komponenterne fungerer, og at softwaren er funktionel! Følg billedet og tilslut Hall-sonden, displayet og nul-knappen: Hall-proben skal tilsluttes +5V, GND, A0 (venstre mod højre). Displayet skal tilsluttes GND, +5V, A5, A4 (venstre til højre). Knappen skal oprette forbindelse fra jorden til A1, når den trykkes.

Koden blev skrevet og uploadet ved hjælp af Arduino IDE version 1.8.10. Det kræver at installere bibliotekerne Adafruit_SSD1306 og Adafruit_GFX Upload koden i den vedhæftede skitse.

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

Trin 4: Nogle kommentarer om koden

Spring gerne over dette afsnit, hvis du ikke er interesseret i kodens indre funktioner.

Kodens vigtigste træk er, at magnetfeltet måles 2000 gange i træk. Dette tager cirka 0,2-0,3 sekunder. Ved at holde styr på summen og den kvadrerede sum af målingerne er det muligt at beregne både middelværdien og standardafvigelsen, som rapporteres som DC og AC. Ved et gennemsnit af et stort antal målinger øges præcisionen, teoretisk set med sqrt (2000) ~ 45. Så med en 10-bit ADC kan vi nå præcisionen i en 15-bit ADC! Det gør en stor forskel: 1 ADC -tælling er 5mV, hvilket er ~ 0,3mT. Takket være gennemsnittet forbedrer vi præcisionen fra 0,3 mT til 0,01 mT.

Som en bonus får vi også standardafvigelsen, så svingende felter identificeres som sådanne. Et felt, der svinger ved 50Hz, udfører ~ 10 fulde cyklusser i løbet af måletiden, så dets AC -værdi kan måles godt.

Efter at have sammensat koden får jeg følgende feedback: Sketch bruger 16852 bytes (54%) af programlagerplads. Maksimum er 30720 bytes. Globale variabler bruger 352 bytes (17%) dynamisk hukommelse, hvilket efterlader 1696 bytes til lokale variabler. Maksimum er 2048 bytes.

Det meste af pladsen optages af Adafruit -bibliotekerne, men der er masser af plads til yderligere funktionalitet

Trin 5: Klargøring af proben

Sonden er bedst monteret på spidsen af et smalt rør: på denne måde kan den let placeres og holdes på plads, selv inden i smalle åbninger. Ethvert hul rør af et ikke -magnetisk materiale vil klare sig. Jeg brugte en gammel kuglepen, der gav en perfekt pasform.

Forbered 3 tynde fleksible tråde, der er længere end røret. Jeg brugte 3 cm båndkabel. Der er ingen logik i farverne (orange for +5V, rød for 0V, grå for signal), men med kun 3 ledninger kan jeg huske.

For at bruge sonden på prototypen skal du lodde nogle stykker afstrippet fast-core tilslutningstråd på enden og beskytte dem med krympeslange. Senere kan dette afbrydes, så sondetrådene kan loddes direkte til Arduino.

Trin 6: Opbygning af et bærbart instrument

Et 9V batteri, OLED-skærmen og en Arduino Nano passer komfortabelt inde i en (stor) Tic-Tac-boks. Det har fordelen ved at være gennemsigtig, for skærmen er godt læsbar selv indeni. Alle faste komponenter (sonden, tænd/sluk-knappen og trykknappen) er fastgjort til toppen, så hele samlingen kan tages ud af kassen til batteriskift eller opdatering af koden.

Jeg var aldrig fan af 9V batterier: de er dyre og har ringe kapacitet. Men mit lokale supermarked solgte pludselig den genopladelige NiMH -version for 1 EUR hver, og jeg fandt ud af, at de let kan oplades ved at holde dem på 11V gennem en 100Ohm modstand natten over. Jeg bestilte klip billigt, men de kom aldrig, så jeg skilt et gammelt 9V batteri fra hinanden for at gøre toppen til et klip. Det gode ved 9V -batteriet er, at det er kompakt, og Arduino kører godt på det ved at slutte det til Vin. På +5V vil der være en reguleret 5V til rådighed for OLED og for Hall -sonden.

Hall -sonden, OLED -skærmen og trykknappen er forbundet på samme måde som for prototypen. Den eneste tilføjelse er en tænd/sluk -knap mellem 9V batteriet og Arduino.

Trin 7: Kalibrering

Kalibreringskonstanten i koden svarer til tallet i databladet (1,4 mV/Gauss), men databladet giver mulighed for et stort område (1,0-1,75 mV/Gauss). For at få nøjagtige resultater skal vi kalibrere sonden!

Den mest enkle måde at producere et magnetfelt med en velbestemt styrke er at bruge en solenoid: feltstyrken for en lang solenoid er: B = mu0*n*I. Vakuumpermeabiliteten er en naturens konstante: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Feltet er homogent og afhænger kun af tætheden af viklingerne n og strømmen I, som begge kan måles med god nøjagtighed (~ 1%). Den citerede formel er afledt for uendelig lang solenoid, men er en meget god tilnærmelse til feltet i midten, så længe forholdet mellem længde og diameter, L/D> 10.

For at lave en passende solenoid skal du tage et hul cylindrisk rør med L/D> 10 og anvende regelmæssige viklinger med emaljeret tråd. Jeg brugte et PVC -rør med en udvendig diameter på 23 mm og viklede 566 viklinger end 20,2 cm, hvilket resulterede i n = 28/cm = 2800/m. Ledningslængden er 42m og modstanden 10,0 Ohm.

Tilfør strøm til spolen og mål strømmen med et multimeter. Brug enten en variabel spændingsforsyning eller en variabel belastningsmodstand til at holde strømmen under kontrol. Mål magnetfeltet for et par aktuelle indstillinger og sammenlign det med målingerne.

Før kalibrering målte jeg 6,04 mT/A, mens teorien forudsiger 3,50 mT/A. Så jeg multiplicerede kalibreringskonstanten i linje 18 i koden med 0,58. Magnetometeret er nu kalibreret!

Runner Up i Magnets Challenge