Nešiojamasis magnetometras: 7 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Magnetometras, kartais dar vadinamas Gausmetru, matuoja magnetinio lauko stiprumą. Tai esminė priemonė, skirta patikrinti nuolatinių magnetų ir elektromagnetų stiprumą ir suprasti netrivialių magnetų konfigūracijų lauko formą. Jei jis yra pakankamai jautrus, jis taip pat gali aptikti, ar geležiniai objektai buvo įmagnetinti. Laiku besikeičiantys variklių ir transformatorių laukai gali būti aptikti, jei zondas yra pakankamai greitas.

Mobiliuosiuose telefonuose paprastai yra 3 ašių magnetometras, tačiau jie buvo optimizuoti silpnam žemės magnetiniam laukui ~ 1 Gauss = 0,1 mT ir prisotinti kelių mT laukuose. Jutiklio vieta telefone nėra akivaizdi ir jo negalima įdėti į siauras angas, pvz., Elektromagneto angą. Be to, galbūt nenorėsite priartinti savo išmaniojo telefono prie stiprių magnetų.

Čia aprašau, kaip pasidaryti paprastą nešiojamąjį magnetometrą su įprastais komponentais: linijiniu salės jutikliu, „Arduino“, ekranu ir mygtuku. Bendra kaina yra mažesnė nei 5 EUR, o jautrumas ~ 0,01 mT diapazone nuo -100 iki +100 mT yra geresnis, nei galite tikėtis naiviai. Norėdami gauti tikslius absoliučius rodmenis, turėsite jį sukalibruoti: aprašau, kaip tai padaryti naudojant naminį ilgą solenoidą.

1 žingsnis: salės zondas

„Hall“efektas yra įprastas būdas matuoti magnetinius laukus. Kai elektronai teka per laidininką magnetiniame lauke, jie nukrypsta į šoną ir taip sukuria potencialų skirtumą laidininko šonuose. Tinkamai pasirinkus puslaidininkinę medžiagą ir geometriją, gaunamas išmatuojamas signalas, kurį galima sustiprinti ir pateikti vieno magnetinio lauko komponento matą.

Aš naudoju SS49E, nes jis yra pigus ir plačiai prieinamas. Keletas dalykų, kuriuos reikia atkreipti dėmesį į jo duomenų lapą:

• Maitinimo įtampa: 2,7–6,5 V, todėl puikiai suderinama su „Arduino“5 V įtampa.
• Nulinė išvestis: 2,25–2,75 V, taigi maždaug pusiaukelėje tarp 0 ir 5 V.
• Jautrumas: 1,0-1,75 mV/Gauss, todėl norint gauti tikslius rezultatus, reikės atlikti kalibravimą.
• Išėjimo įtampa 1,0–4,0 V (jei veikia 5 V įtampa): gerai uždengta „Arduino ADC“.
• Diapazonas: mažiausiai +-650G, +-1000G tipiškas.
• Atsakymo laikas 3mus, todėl jis gali imti mėginius kelių dešimčių kHz dažniu.
• Maitinimo srovė: 6-10 mA, pakankamai maža, kad veiktų baterijomis.
• Temperatūros paklaida: ~ 0,1% vienam laipsniui C. Atrodo mažai, tačiau 0,1% poslinkis suteikia 3 mT paklaidą.

Jutiklis yra kompaktiškas, ~ 4x3x2mm ir matuoja magnetinio lauko komponentą, statmeną jo priekiniam paviršiui. Tai duos teigiamą rezultatą laukams, nukreiptiems iš užpakalinės pusės į priekinę pusę, pavyzdžiui, kai priekis yra nukreiptas į magnetinį pietų polių. Jutiklis turi 3 laidus, +5V, 0V ir išėjimą iš kairės į dešinę, žiūrint iš priekio.

2 žingsnis: reikalinga medžiaga

• SS49E linijinis Hall jutiklis. Jie kainuoja ~ 1 EUR už 10 rinkinį internete.
• „Arduino Uno“su prototipo lenta prototipui arba „Arduino Nano“(be antraščių!) Nešiojamajai versijai
• SSD1306 0,96 colių vienspalvis OLED ekranas su I2C sąsaja
• Trumpas mygtukas

Norėdami sukurti zondą:

• Senas rutulinis ar kitas tvirtas tuščiaviduris vamzdis
• 3 ploni vielos laidai, šiek tiek ilgesni už vamzdelį
• 12 cm plono (1,5 mm) susitraukimo vamzdžio

Kad jis būtų nešiojamas:

• Didelė „tic-tac“dėžutė (18x46x83mm) ar pan
• 9V akumuliatoriaus spaustukas
• Įjungimo/išjungimo jungiklis

3 veiksmas: pirmoji versija: „Arduino“prototipo plokštės naudojimas

Visada pirmiausia sukurkite prototipą, kad patikrintumėte, ar visi komponentai veikia ir ar programinė įranga veikia! Sekite paveikslėlį ir prijunkite Hall zondą, ekraną ir nulinį mygtuką: Hall zondas turi būti prijungtas prie +5V, GND, A0 (iš kairės į dešinę). Ekranas turi būti prijungtas prie GND, +5V, A5, A4 (iš kairės į dešinę). Mygtukas turi užmegzti ryšį nuo žemės iki A1, kai paspaudžiamas.

Kodas buvo parašytas ir įkeltas naudojant „Arduino IDE“versiją 1.8.10. Tam reikia įdiegti Adafruit_SSD1306 ir Adafruit_GFX bibliotekas. Įkelkite kodą pridėtame eskize.

Ekrane turėtų būti rodoma nuolatinės ir kintamosios srovės vertė.

4 žingsnis: keletas komentarų apie kodą

Nedvejodami praleiskite šį skyrių, jei nesidomite vidiniu kodo veikimu.

Pagrindinis kodo bruožas yra tas, kad magnetinis laukas matuojamas 2000 kartų iš eilės. Tai trunka apie 0,2-0,3 sekundės. Stebint matavimų sumą ir kvadratinę sumą, galima apskaičiuoti tiek vidurkį, tiek standartinį nuokrypį, kurie pateikiami kaip nuolatinė ir kintamoji. Vidutiniškai apskaičiuojant daugybę matavimų, tikslumas padidėja, teoriškai sqrt (2000) ~ 45. Taigi, turėdami 10 bitų ADC, galime pasiekti 15 bitų ADC tikslumą! Tai labai skiriasi: 1 ADC skaičius yra 5 mV, tai yra ~ 0,3 mT. Dėl vidurkio mes pageriname tikslumą nuo 0,3 mT iki 0,01 mT.

Kaip premiją mes taip pat gauname standartinį nuokrypį, todėl svyruojantys laukai yra identifikuojami kaip tokie. Laukas, svyruojantis 50 Hz dažniu, matavimo metu atlieka ~ 10 pilnų ciklų, todėl jo kintamąją vertę galima gerai išmatuoti.

Surinkęs kodą gaunu tokį atsiliepimą: „Sketch“naudoja 16852 baitus (54%) programos saugyklos vietos. Daugiausia yra 30720 baitų. Pasauliniai kintamieji naudoja 352 baitus (17%) dinaminės atminties, paliekant 1696 baitus vietiniams kintamiesiems. Daugiausia yra 2048 baitų.

Didžiąją dalį vietos užima „Adafruit“bibliotekos, tačiau yra daug vietos tolesniam funkcionalumui

5 žingsnis: zondo paruošimas

Zondą geriausia montuoti siauro vamzdžio gale: taip jį galima lengvai pastatyti ir išlaikyti savo vietoje net siaurose angose. Tinka bet koks tuščiaviduris vamzdis iš nemagnetinės medžiagos. Aš naudoju seną rutulį, kuris puikiai tinka.

Paruoškite 3 plonus lanksčius laidus, ilgesnius už vamzdelį. Aš naudoju 3 cm juostinį kabelį. Spalvose nėra logikos (oranžinė +5 V, raudona - 0 V, pilka - signalas), bet prisimenu tik 3 laidus.

Norėdami naudoti zondą ant prototipo, lituokite kai kurias ištrauktos vielos šerdies sujungimo vielos dalis ir apsaugokite jas susitraukiančiu vamzdeliu. Vėliau tai gali būti nutraukta, kad zondo laidai galėtų būti lituojami tiesiai į „Arduino“.

6 žingsnis: sukurkite nešiojamąjį instrumentą

9 V baterija, OLED ekranas ir „Arduino Nano“patogiai telpa (didelėje) „Tic-Tac“dėžutėje. Jo pranašumas yra skaidrus, ekranas yra gerai skaitomas net viduje. Visi fiksuoti komponentai (zondas, įjungimo/išjungimo jungiklis ir mygtukas) yra pritvirtinti prie viršaus, kad būtų galima išimti visą agregatą iš dėžutės, norint pakeisti bateriją arba atnaujinti kodą.

Niekada nebuvau 9 V baterijų gerbėjas: jos yra brangios ir turi mažai talpos. Tačiau mano vietinis prekybos centras staiga pardavė įkraunamą NiMH versiją už 1 EUR, ir aš sužinojau, kad juos galima lengvai įkrauti, per naktį palaikant 11 V įtampą per 100 omų rezistorių. Pigiai užsisakiau spaustukus, bet jie niekada neatvyko, todėl išardžiau seną 9 V bateriją, kad viršuje taptų spaustukas. Geras dalykas, susijęs su 9 V baterija, yra tas, kad jis yra kompaktiškas ir „Arduino“gerai veikia, prijungęs jį prie „Vin“. Esant +5 V, OLED ir „Hall“zondui bus galima reguliuoti 5 V įtampą.

„Hall“zondas, OLED ekranas ir mygtukas yra prijungti taip pat, kaip ir prototipas. Vienintelis papildymas yra įjungimo/išjungimo mygtukas tarp 9 V baterijos ir „Arduino“.

7 žingsnis: kalibravimas

Kalibravimo konstanta kode atitinka skaičių, pateiktą duomenų lape (1,4 mV/Gauss), tačiau duomenų lapas leidžia platų diapazoną (1,0–1,75 mV/Gauss). Norėdami gauti tikslius rezultatus, turime kalibruoti zondą!

Paprasčiausias būdas sukurti gerai apibrėžto stiprumo magnetinį lauką yra naudoti solenoidą: ilgo solenoido lauko stipris yra: B = mu0*n*I. Vakuumo pralaidumas yra gamtos konstanta: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Laukas yra vienalytis ir priklauso tik nuo apvijų tankio n, ir srovės I, kurios abi gali būti išmatuotos geru tikslumu (~ 1%). Cituojama formulė yra išvestinė be galo ilgam solenoidui, tačiau yra labai geras apytikslis lauko lauke, jei ilgio ir skersmens santykis L/D> 10.

Norėdami pagaminti tinkamą solenoidą, paimkite tuščiavidurį cilindrinį vamzdelį, kurio L/D> 10 ir uždėkite įprastas apvijas emaliuota viela. Naudojau PVC vamzdelį, kurio išorinis skersmuo 23 mm, ir apvyniotas 566 apvijas, kurių plotis 20,2 cm, todėl n = 28/cm = 2800/m. Laido ilgis yra 42 m, o varža - 10,0 omų.

Maitinkite ritę ir išmatuokite srovę multimetru. Norėdami valdyti srovę, naudokite kintamos įtampos maitinimo šaltinį arba kintamos apkrovos rezistorių. Išmatuokite keletą dabartinių nustatymų magnetinį lauką ir palyginkite jį su rodmenimis.

Prieš kalibravimą išmatavau 6,04 mT/A, o teorija numato 3,50 mT/A. Taigi aš padauginau kalibravimo konstantą kodo 18 eilutėje iš 0,58. Magnetometras dabar sukalibruotas!

Antroji vieta magnetų iššūkyje