Magnetometër portativ: 7 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:16

Një magnetometër, nganjëherë i quajtur edhe Gaussmeter, mat fuqinë e fushës magnetike. Shtë një mjet thelbësor për të testuar fuqinë e magnetëve të përhershëm dhe elektromagnetëve dhe për të kuptuar formën e fushës së konfigurimeve të magneteve jo -parëndësishme. Nëse është mjaft i ndjeshëm, ai gjithashtu mund të zbulojë nëse objektet e hekurit janë magnetizuar. Fushat që ndryshojnë në kohë nga motorët dhe transformatorët mund të zbulohen nëse sonda është mjaft e shpejtë.

Telefonat celularë zakonisht përmbajnë një magnetometër me 3 boshte, por ato janë optimizuar për fushën magnetike të dobët të tokës ~ 1 Gauss = 0.1 mT dhe të ngopur në fushat prej disa mT. Vendndodhja e sensorit në telefon nuk është e qartë dhe nuk është e mundur të vendosni sensorin brenda hapjeve të ngushta siç është vrima e një elektromagneti. Për më tepër, ju mund të mos dëshironi ta afroni smartphone -in tuaj pranë magneteve të fortë.

Këtu unë përshkruaj si të bëni një magnetometër të thjeshtë portativ me përbërës të zakonshëm: një sensor salle lineare, një Arduino, një ekran dhe një buton. Kostoja totale është më pak se 5EUR, dhe ndjeshmëria prej 1 0.01mT në rangun -100 deri +100mT është më e mirë se ajo që mund të prisnit naivisht. Për të marrë lexime të sakta absolute, do t'ju duhet ta kalibroni: Unë përshkruaj si ta bëni këtë me një solenoid të gjatë të bërë në shtëpi.

Hapi 1: Sonda e Sallës

Efekti Hall është një mënyrë e zakonshme për të matur fushat magnetike. Kur elektronet rrjedhin përmes një përcjellësi në një fushë magnetike, ata devijojnë anash dhe kështu krijojnë një ndryshim të mundshëm në anët e përcjellësit. Me zgjedhjen e duhur të materialit gjysmëpërçues dhe gjeometrisë, prodhohet një sinjal i matshëm që mund të amplifikohet dhe të sigurojë një masë të një përbërësi të fushës magnetike.

Unë përdor SS49E sepse është i lirë dhe i disponueshëm gjerësisht. Disa gjëra për tu shënuar nga fleta e të dhënave të tij:

• Tensioni i furnizimit: 2.7-6.5 V, aq i përkryer në përputhje me 5V nga Arduino.
• Null-dalje: 2.25-2.75V, pra afërsisht në gjysmë të rrugës midis 0 dhe 5V.
• Ndjeshmëria: 1.0-1.75mV/Gauss, kështu që do të kërkojë kalibrim për të marrë rezultate të sakta.
• Tensioni i daljes 1.0V-4.0V (nëse operohet në 5V): i mbuluar mirë nga Arduino ADC.
• Gama: +-650G minimum, +-1000G tipike.
• Koha e përgjigjes 3mus, kështu që mund të mostrojë në disa dhjetëra kHz.
• Rryma e furnizimit: 6-10mA, mjaft e ulët për tu operuar me bateri.
• Gabimi i temperaturës: ~ 0.1% për gradë C. Duket pak, por një zhvendosje e kompensuar 0.1% jep një gabim 3mT.

Sensori është kompakt, ~ 4x3x2mm, dhe mat përbërësin e fushës magnetike që është pingul me faqen e tij të përparme. Do të japë një pozitiv për fushat që tregojnë nga ana e pasme në anën e përparme, për shembull kur pjesa e përparme sillet në një pol jugor magnetik. Sensori ka 3 priza, +5V, 0V dhe dalje nga e majta në të djathtë, kur shihet nga përpara.

Hapi 2: Materiali i kërkuar

• Sensori linear i sallës SS49E. Këto kushtojnë 1EUR për një grup prej 10 në internet.
• Arduino Uno me bord prototip për prototip ose Arduino Nano (pa tituj!) Për versionin portativ
• SSD1306 ekran 0.96 "OLED pikturë njëngjyrëshe me ndërfaqe I2C
• Një buton i përkohshëm

Për të ndërtuar sondën:

• Një top i vjetër ose një tub tjetër i fortë i uritur
• 3 tela me fije të holla disi më të gjata se tubi
• 12cm tub i hollë (1.5mm) tkurrës

Për ta bërë atë të lëvizshëm:

• Një kuti e madhe tic-tac (18x46x83mm) ose e ngjashme
• Një kapëse me bateri 9V
• Një ndërprerës ndezje/fikje

Hapi 3: Versioni i parë: Përdorimi i një bordi prototip Arduino

Gjithmonë prototiponi së pari për të kontrolluar nëse të gjithë përbërësit funksionojnë dhe se softueri është funksional! Ndiqni figurën dhe për të lidhur sondën Hall, ekranin dhe butonin null: Sonda Hall duhet të lidhet me +5V, GND, A0 (nga e majta në të djathtë). Ekrani duhet të lidhet me GND, +5V, A5, A4 (nga e majta në të djathtë). Butoni duhet të bëjë një lidhje nga toka në A1 kur shtypet.

Kodi u shkrua dhe u ngarkua duke përdorur Arduino IDE versionin 1.8.10. Kërkon të instaloni bibliotekat Adafruit_SSD1306 dhe Adafruit_GFX Ngarko kodin në skicën e bashkangjitur.

Ekrani duhet të tregojë një vlerë DC dhe një vlerë AC.

Hapi 4: Disa Komente Rreth Kodit

Mos ngurroni ta kaloni këtë seksion nëse nuk jeni të interesuar për funksionimin e brendshëm të kodit.

Karakteristika kryesore e kodit është se fusha magnetike matet 2000 herë rresht. Kjo merr rreth 0.2-0.3 sekonda. Duke mbajtur gjurmët e shumës dhe shumës në katror të matjeve, është e mundur të llogaritni si mesataren ashtu edhe devijimin standard, të cilat raportohen si DC dhe AC. Me mesataren e një numri të madh të matjeve, saktësia rritet, teorikisht me sqrt (2000) ~ 45. Pra, me një ADC 10-bit, ne mund të arrijmë saktësinë e një ADC 15-bit! Kjo bën një ndryshim të madh: 1 numërimi ADC është 5mV, që është m 0.3mT. Falë mesatares, ne përmirësojmë saktësinë nga 0.3mT në 0.01mT.

Si bonus, ne gjithashtu marrim devijimin standard, kështu që fushat me luhatje identifikohen si të tilla. Një fushë që luhatet në 50Hz bën ~ 10 cikle të plota gjatë kohës së matjes, kështu që vlera e saj AC mund të matet mirë.

Pas përpilimit të kodit marr reagimet e mëposhtme: Sketch përdor 16852 byte (54%) të hapësirës së ruajtjes së programit. Maksimumi është 30720 byte. Variablat globale përdorin 352 byte (17%) të kujtesës dinamike, duke lënë 1696 byte për variablat lokalë. Maksimumi është 2048 bajt.

Pjesa më e madhe e hapësirës zënë bibliotekat Adafruit, por ka mjaft hapësirë për funksionalitet të mëtejshëm

Hapi 5: Përgatitja e sondës

Sonda është montuar më së miri në majë të një tubi të ngushtë: në këtë mënyrë mund të vendoset lehtë dhe të mbahet në pozicion edhe brenda hapjeve të ngushta. Çdo tub i uritur i një materiali jo magnetik do të bëjë. Kam përdorur një top të vjetër që dha një përshtatje të përsosur.

Përgatitni 3 tela të hollë fleksibël që janë më të gjatë se tubi. Kam përdorur 3 cm kabllo fjongo. Nuk ka logjikë në ngjyrat (portokalli për +5V, e kuqe për 0V, gri për sinjalin) por me vetëm 3 tela më kujtohen.

Për të përdorur sondën në prototip, ngjitni disa pjesë të telit të fiksuar me bazë të ngurta të lidhura në fund dhe mbrojini ato me tub të tkurrur. Më vonë kjo mund të ndërpritet në mënyrë që telat e sondës të ngjiten direkt në Arduino.

Hapi 6: Ndërtimi i një instrumenti portativ

Një bateri 9V, ekrani OLED dhe një Arduino Nano përshtaten të qetë brenda një kutie (të madhe) Tic-Tac. Ka përparësinë e të qenit transparent, ekrani është i lexueshëm mirë edhe brenda. Të gjithë përbërësit e fiksuar (sonda, çelësi i ndezjes/fikjes dhe butoni i shtypjes) janë bashkangjitur në krye, në mënyrë që i gjithë montimi të mund të nxirret nga kutia për ndryshimin e baterisë ose azhurnimin e kodit.

Unë kurrë nuk kam qenë tifoz i baterive 9V: ato janë të shtrenjta dhe kanë pak kapacitet. Por supermarketi im lokal papritmas shiti versionin e rimbushshëm NiMH për 1 EUR secila, dhe zbulova se ato mund të ngarkohen lehtësisht duke i mbajtur ato në 11V përmes një rezistori 100Ohm gjatë natës. Kam porositur kapëse me çmim të ulët, por ata kurrë nuk mbërritën, kështu që mora një bateri të vjetër 9V për ta kthyer pjesën e sipërme në një kapëse. E mira e baterisë 9V është se ajo është kompakte dhe Arduino funksionon mirë në të duke e lidhur atë me Vin. Në +5V do të ketë një 5V të rregulluar në dispozicion për OLED dhe për sondën Hall.

Sonda Hall, ekrani OLED dhe butoni i shtypjes janë të lidhura në të njëjtën mënyrë si për prototipin. Shtesa e vetme është një buton ndezje/fikje midis baterisë 9V dhe Arduino.

Hapi 7: Kalibrimi

Konstanta e kalibrimit në kod korrespondon me numrin e dhënë në fletën e të dhënave (1.4mV/Gauss), por fleta e të dhënave lejon një gamë të madhe (1.0-1.75mV/Gauss). Për të marrë rezultate të sakta, do të na duhet të kalibrojmë sondën!

Mënyra më e drejtpërdrejtë për të prodhuar një fushë magnetike me një forcë të përcaktuar mirë është përdorimi i një solenoidi: forca e fushës së një solenoidi të gjatë është: B = mu0*n*I. Përshkueshmëria e vakumit është një konstante e natyrës: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Fusha është homogjene dhe varet vetëm nga dendësia e mbështjelljeve n, dhe rryma I, të dyja të cilat mund të maten me saktësi të mirë (~ 1%). Formula e cituar rrjedh nga solenoidi pafundësisht i gjatë, por është një përafrim shumë i mirë për fushën në qendër për aq kohë sa raporti i gjatësisë me diametrin, L/D> 10.

Për të bërë një solenoid të përshtatshëm, merrni një tub cilindrik të zbrazët me L/D> 10 dhe aplikoni mbështjellje të rregullta me tela të emaluar. Kam përdorur një tub PVC me diametër të jashtëm 23 mm dhe mbështjellë 566 dredha -dredha, më shumë se 20.2 cm, duke rezultuar në n = 28/cm = 2800/m. Gjatësia e telit është 42m dhe rezistenca 10.0 Ohm.

Furnizoni energjinë me spiralen dhe matni rrjedhën aktuale me një multimetër. Përdorni ose një furnizim me tension të ndryshueshëm ose një rezistencë të ndryshueshme të ngarkesës për të mbajtur rrymën nën kontroll. Matni fushën magnetike për disa cilësime aktuale dhe krahasojeni atë me leximet.

Para kalibrimit, unë mata 6.04 mT/A ndërsa teoria parashikon 3.50 mT/A. Kështu që unë shumëzova konstanten e kalibrimit në rreshtin 18 të kodit me 0.58. Magnetometri tani është kalibruar!

Vendi i dytë në Sfidën e Magneteve