Kaasaskantav magnetomeeter: 7 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Magnetomeeter, mõnikord ka Gaussmeter, mõõdab magnetvälja tugevust. See on oluline tööriist püsimagnetite ja elektromagnetite tugevuse testimiseks ning mittetriviaalsete magnetkonfiguratsioonide väljakuju mõistmiseks. Kui see on piisavalt tundlik, saab see tuvastada ka rauast esemete magnetiseerumise. Mootorite ja trafode ajas muutuvaid välju saab tuvastada, kui sond on piisavalt kiire.

Mobiiltelefonid sisaldavad tavaliselt 3-teljelist magnetomeetrit, kuid need on optimeeritud nõrga maa magnetvälja jaoks ~ 1 Gauss = 0,1 mT ja küllastunud mõne mT väljadel. Anduri asukoht telefonis ei ole ilmne ja andurit ei ole võimalik paigutada kitsastesse avadesse, näiteks elektromagneti ava. Lisaks ei pruugi te oma nutitelefoni tugevate magnetite lähedale viia.

Siin kirjeldan, kuidas valmistada lihtsat kaasaskantavat magnetomeetrit, millel on tavalised komponendid: lineaarne saalisensor, Arduino, ekraan ja nupp. Kogumaksumus on alla 5 euro ja tundlikkus ~ 0,01 mT vahemikus -100 kuni +100 mT on parem, kui võite naiivselt oodata. Täpsete absoluutnäitude saamiseks peate selle kalibreerima: kirjeldan, kuidas seda teha kodus valmistatud pika solenoidiga.

1. samm: saali sond

Halli efekt on tavaline meetod magnetväljade mõõtmiseks. Kui elektronid voolavad läbi magnetvälja juhi, lähevad need külgsuunas kõrvale ja tekitavad seega juhi külgedele potentsiaalide erinevuse. Pooljuhtmaterjali ja geomeetria õige valiku korral saadakse mõõdetav signaal, mida saab võimendada ja anda magnetvälja ühe komponendi mõõt.

Ma kasutan SS49E -d, kuna see on odav ja laialdaselt saadaval. Selle andmelehelt tuleb tähele panna mõnda asja:

• Toitepinge: 2,7-6,5 V, nii et see sobib ideaalselt Arduino 5V-ga.
• Nullväljund: 2,25–2,75 V, seega umbes poolel teel vahemikus 0–5 V.
• Tundlikkus: 1,0-1,75 mV/Gauss, nii et täpsete tulemuste saamiseks on vaja kalibreerimist.
• Väljundpinge 1,0 V-4,0 V (kui töötab 5 V juures): hästi kaetud Arduino ADC-ga.
• Vahemik: +-650G minimaalne, +-1000G tüüpiline.
• Reaktsiooniaeg 3mus, nii et see saab proovi mõnekümne kHz juures.
• Toitevool: 6-10 mA, piisavalt madal, et töötada patareidega.
• Temperatuuri viga: ~ 0,1% kraadi kohta C. Tundub vähe, kuid 0,1% nihe annab 3 mT vea.

Andur on kompaktne, ~ 4x3x2mm ja mõõdab magnetvälja komponenti, mis on selle esipinnaga risti. See annab positiivse välja nende väljade puhul, mis osutavad tagaküljelt esiküljele, näiteks kui esiosa on viidud magnetilise lõunapooluse poole. Anduril on 3 juhet, +5V, 0V ja väljund eestvaates vasakult paremale.

Samm: nõutav materjal

• SS49E lineaarne Halli andur. Need maksavad ~ 1EUR 10 -liikmelise komplekti kohta veebis.
• Arduino Uno prototüüpplaadiga prototüübi jaoks või Arduino Nano (ilma päisteta!) Kaasaskantava versiooni jaoks
• SSD1306 0,96 -tolline ühevärviline OLED -ekraan I2C -liidesega
• Hetkeline nupp

Sondi konstrueerimiseks tehke järgmist.

• Vana kuulpulk või muu tugev õõnes toru
• 3 õhukest ahelatraati, mis on torust mõnevõrra pikemad
• 12 cm õhuke (1,5 mm) kokkutõmbumistoru

Kaasaskantavaks muutmiseks tehke järgmist.

• Suur tic-tac kast (18x46x83mm) vms
• 9 V aku klamber
• Sisse/välja lüliti

Samm: esimene versioon: Arduino prototüüpplaadi kasutamine

Esmalt tehke alati prototüüp, et kontrollida, kas kõik komponendid töötavad ja kas tarkvara töötab! Järgige pilti ning Halli sondi, ekraani ja nullnupu ühendamiseks: Halli sond tuleb ühendada +5V, GND, A0 (vasakult paremale). Ekraan tuleb ühendada GND, +5V, A5, A4 (vasakult paremale). Nupp peab vajutamisel looma ühenduse maapinnast A1 -ga.

Kood kirjutati ja laaditi üles Arduino IDE versiooni 1.8.10 abil. See nõuab teekide Adafruit_SSD1306 ja Adafruit_GFX installimist. Laadige kood üles lisatud eskiisile.

Ekraan peaks näitama alalisvoolu ja vahelduvvoolu väärtusi.

Samm: mõned kommentaarid koodi kohta

Jätke see jaotis julgelt vahele, kui teid ei huvita koodi sisemine toimimine.

Koodi põhijooneks on see, et magnetvälja mõõdetakse 2000 korda järjest. See võtab aega umbes 0,2-0,3 sekundit. Jälgides mõõtmiste summat ja ruudusummat, on võimalik arvutada nii keskmine kui ka standardhälve, mis esitatakse alalis- ja vahelduvvooluna. Suure hulga mõõtmiste keskmistamisega suureneb täpsus teoreetiliselt ruutmeetrite (2000) ~ 45 võrra. Nii et 10-bitise ADC abil saame saavutada 15-bitise ADC täpsuse! Sellel on suur erinevus: 1 ADC arv on 5 mV, mis on ~ 0,3 mT. Tänu keskmistamisele parandame täpsust 0,3 mT kuni 0,01 mT.

Boonusena saame ka standardhälbe, seega määratakse kõikuvad väljad sellistena. 50 Hz sagedusel kõikuv väli teeb mõõtmisaja jooksul ~ 10 täistsüklit, seega saab selle vahelduvvoolu väärtust hästi mõõta.

Pärast koodi koostamist saan järgmise tagasiside: Sketch kasutab 16852 baiti (54%) programmi salvestusruumi. Maksimaalne on 30720 baiti. Globaalsed muutujad kasutavad 352 baiti (17%) dünaamilist mälu, jättes kohalikele muutujatele 1696 baiti. Maksimaalne on 2048 baiti.

Suurema osa ruumist võtavad enda alla Adafruit'i raamatukogud, kuid edasiseks funktsionaalsuseks on piisavalt ruumi

Samm 5: Sondi ettevalmistamine

Sond on kõige paremini paigaldatud kitsa toru otsa: nii saab seda hõlpsasti paigutada ja hoida paigal isegi kitsaste avade sees. Sobib iga mittemagnetilisest materjalist õõnes toru. Kasutasin vana kuuli, mis sobis ideaalselt.

Valmistage ette 3 õhukest painduvat traati, mis on torust pikemad. Kasutasin 3 cm lintkaablit. Värvides puudub loogika (oranž +5V, punane 0V, hall signaali jaoks), kuid ainult 3 juhtmega mäletan.

Sondi kasutamiseks prototüübil jootke mõned eemaldatud tahke südamikuga ühendustraadi tükid otsa ja kaitske neid kokkutõmbetoruga. Hiljem saab selle katkestada, nii et sondi juhtmed saab joota otse Arduino külge.

6. samm: kaasaskantava instrumendi loomine

9 V aku, OLED-ekraan ja Arduino Nano mahuvad mugavalt (suure) Tic-Taci kasti sisse. Selle eeliseks on läbipaistvus, ekraan on hästi loetav isegi seestpoolt. Kõik fikseeritud komponendid (sond, sisse/välja lüliti ja surunupp) on kinnitatud ülaossa, nii et kogu komplekti saab aku vahetamiseks või koodi värskendamiseks karbist välja võtta.

Ma ei olnud kunagi 9V patareide fänn: need on kallid ja vähese mahutavusega. Kuid minu kohalik supermarket müüs äkitselt laetavat NiMH -versiooni hinnaga 1 EUR ja ma leidsin, et neid saab hõlpsasti laadida, hoides neid üleöö 100Ohm takisti kaudu üle 11 V. Tellisin odavalt klambrid, kuid need ei jõudnud kunagi kohale, seega võtsin vana 9V aku lahti, et muuta ülemine osa klambriks. 9 V aku puhul on hea see, et see on kompaktne ja Arduino töötab sellega hästi, ühendades selle Viiniga. +5 V korral on OLED -i ja Halli sondi jaoks saadaval reguleeritud 5 V.

Halli sond, OLED -ekraan ja nupp on ühendatud samamoodi nagu prototüübi puhul. Ainus täiendus on sisse- ja väljalülitusnupp 9 V aku ja Arduino vahel.

Samm: kalibreerimine

Koodi kalibreerimiskonstant vastab andmelehel antud numbrile (1,4 mV/Gauss), kuid andmeleht võimaldab suurt vahemikku (1,0–1,75 mV/Gauss). Täpsete tulemuste saamiseks peame sondi kalibreerima!

Kõige lihtsam viis täpselt määratletud tugevusega magnetvälja tekitamiseks on solenoidi kasutamine: pika solenoidi väljatugevus on: B = mu0*n*I. Vaakumi läbilaskvus on oma olemuselt konstant: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Väli on homogeenne ja sõltub ainult mähiste tihedusest n ja voolust I, mida mõlemat saab mõõta hea täpsusega (~ 1%). Tsiteeritud valem on tuletatud lõpmata pika solenoidi kohta, kuid see on väga hea lähendus keskvälja jaoks, kui pikkuse ja läbimõõdu suhe L/D> 10.

Sobiva solenoidi valmistamiseks võtke õõnes silindrikujuline toru, mille L/D> 10 ja paigaldage tavalised mähised emailitud traadiga. Kasutasin PVC -toru, mille välisläbimõõt oli 23 mm, ja mähkisin 566 mähist, mille pikkus oli 20,2 cm, mille tulemuseks oli n = 28/cm = 2800/m. Juhtme pikkus on 42 m ja takistus 10,0 oomi.

Varustage mähis vooluga ja mõõtke vooluhulka multimeetriga. Voolu kontrolli all hoidmiseks kasutage muutuva pingega toiteallikat või muutuva koormustakistust. Mõõtke magnetvälja mõne praeguse sätte jaoks ja võrrelge seda näitudega.

Enne kalibreerimist mõõtsin 6,04 mT/A, samas kui teooria ennustab 3,50 mT/A. Nii korrutasin koodi rea 18 kalibreerimiskonstandi 0,58 -ga. Magnetomeeter on nüüd kalibreeritud!

Magnetite väljakutse teine koht