Φορητό μαγνητόμετρο: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Ένα μαγνητόμετρο, μερικές φορές ονομάζεται επίσης Gaussmeter, μετρά την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Είναι ένα βασικό εργαλείο για τη δοκιμή της δύναμης των μόνιμων μαγνητών και των ηλεκτρομαγνητών και για την κατανόηση του σχήματος πεδίου των μη ασήμαντων διαμορφώσεων μαγνητών. Εάν είναι αρκετά ευαίσθητο, μπορεί επίσης να ανιχνεύσει εάν τα σιδερένια αντικείμενα μαγνητίστηκαν. Τα χρονικά μεταβαλλόμενα πεδία από κινητήρες και μετασχηματιστές μπορούν να ανιχνευθούν εάν ο αισθητήρας είναι αρκετά γρήγορος.

Τα κινητά τηλέφωνα συνήθως περιέχουν μαγνητόμετρο 3 αξόνων, αλλά έχουν βελτιστοποιηθεί για το ασθενές μαγνητικό πεδίο της γης ~ 1 Gauss = 0,1 mT και κορεσμένα σε πεδία μερικών mT. Η θέση του αισθητήρα στο τηλέφωνο δεν είναι προφανής και δεν είναι δυνατό να τοποθετηθεί ο αισθητήρας μέσα σε στενά ανοίγματα όπως η οπή ενός ηλεκτρομαγνήτη. Επιπλέον, μπορεί να μην θέλετε να φέρετε το smartphone σας κοντά σε ισχυρούς μαγνήτες.

Εδώ περιγράφω πώς να φτιάξετε ένα απλό φορητό μαγνητόμετρο με κοινά εξαρτήματα: έναν γραμμικό αισθητήρα αίθουσας, ένα Arduino, μια οθόνη και ένα κουμπί. Το συνολικό κόστος είναι μικρότερο από 5EUR και η ευαισθησία των ~ 0,01mT σε εύρος -100 έως +100mT είναι καλύτερη από ό, τι θα περιμένατε αφελώς. Για να λάβετε ακριβείς απόλυτες ενδείξεις, θα πρέπει να το βαθμονομήσετε: Περιγράφω πώς να το κάνετε αυτό με μια σπιτική μακρά ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα.

Βήμα 1: Ο ανιχνευτής Hall

Το φαινόμενο Hall είναι ένας κοινός τρόπος μέτρησης των μαγνητικών πεδίων. Όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω ενός αγωγού σε ένα μαγνητικό πεδίο εκτρέπονται στο πλάι και δημιουργούν έτσι μια πιθανή διαφορά στις πλευρές του αγωγού. Με τη σωστή επιλογή υλικού ημιαγωγών και γεωμετρίας, παράγεται ένα μετρήσιμο σήμα που μπορεί να ενισχυθεί και να παρέχει ένα μέτρο ενός συστατικού του μαγνητικού πεδίου.

Χρησιμοποιώ το SS49E επειδή είναι φθηνό και ευρέως διαθέσιμο. Μερικά πράγματα που πρέπει να σημειωθούν από το φύλλο δεδομένων:

• Τάση τροφοδοσίας: 2,7-6,5 V, τόσο απόλυτα συμβατή με τα 5V από το Arduino.
• Μηδενική έξοδος: 2,25-2,75V, άρα περίπου στα μισά του δρόμου μεταξύ 0 και 5V.
• Ευαισθησία: 1.0-1.75mV/Gauss, οπότε θα χρειαστεί βαθμονόμηση για να έχετε ακριβή αποτελέσματα.
• Τάση εξόδου 1.0V-4.0V (εάν λειτουργεί σε 5V): καλύπτεται καλά από το Arduino ADC.
• Εύρος: +-650G ελάχιστο, +-1000G τυπικό.
• Χρόνος απόκρισης 3mus, ώστε να μπορεί να κάνει δειγματοληψία σε μερικές δεκάδες kHz.
• Ρεύμα τροφοδοσίας: 6-10mA, αρκετά χαμηλή για να λειτουργεί με μπαταρία.
• Σφάλμα θερμοκρασίας: ~ 0,1% ανά βαθμό C. Φαίνεται λίγο, αλλά μια μετατόπιση 0,1% δίνει ένα σφάλμα 3mT.

Ο αισθητήρας είναι συμπαγής, ~ 4x3x2mm και μετρά το συστατικό του μαγνητικού πεδίου που είναι κάθετο στην μπροστινή του όψη. Θα παράγει ένα θετικό για πεδία που δείχνουν από την πίσω πλευρά στην μπροστινή πλευρά, για παράδειγμα όταν το μπροστινό μέρος φέρεται σε μαγνητικό νότιο πόλο. Ο αισθητήρας έχει 3 καλώδια, +5V, 0V και έξοδο από αριστερά προς τα δεξιά, όταν φαίνεται από μπροστά.

Βήμα 2: Απαιτούμενο υλικό

• SS49E γραμμικός αισθητήρας Hall. Αυτά κοστίζουν E 1EUR για ένα σετ 10 online.
• Arduino Uno με πρωτότυπο πίνακα για πρωτότυπο ή Arduino Nano (χωρίς κεφαλίδες!) Για φορητή έκδοση
• SSD1306 μονόχρωμη οθόνη OLED 0,96”με διεπαφή I2C
• Ένα στιγμιαίο κουμπί

Για την κατασκευή του αισθητήρα:

• Ένα παλιό σφυρί ή άλλο ανθεκτικό κοίλο σωλήνα
• 3 λεπτά καλώδια λίγο πιο μακριά από το σωλήνα
• 12cm λεπτού (1,5mm) σωλήνα συρρίκνωσης

Για να το κάνετε φορητό:

• Ένα μεγάλο κουτί tic-tac (18x46x83mm) ή παρόμοιο
• Κλιπ μπαταρίας 9V
• Διακόπτης on/off

Βήμα 3: Πρώτη έκδοση: Χρήση πίνακα πρωτοτύπου Arduino

Πάντα πρωτότυπο πρώτα για να ελέγξετε ότι όλα τα στοιχεία λειτουργούν και ότι το λογισμικό είναι λειτουργικό! Ακολουθήστε την εικόνα και για να συνδέσετε τον αισθητήρα Hall, την οθόνη και το μηδενικό κουμπί: Ο αισθητήρας Hall πρέπει να συνδεθεί σε +5V, GND, A0 (από αριστερά προς τα δεξιά). Η οθόνη πρέπει να είναι συνδεδεμένη με GND, +5V, A5, A4 (από αριστερά προς τα δεξιά). Το κουμπί πρέπει να πραγματοποιήσει σύνδεση από τη γείωση στο Α1 όταν πατηθεί.

Ο κώδικας γράφτηκε και ανέβηκε χρησιμοποιώντας την έκδοση 1.8.10 του Arduino IDE. Απαιτείται η εγκατάσταση των βιβλιοθηκών Adafruit_SSD1306 και Adafruit_GFX Ανεβάστε τον κώδικα στο συνημμένο σκίτσο.

Η οθόνη πρέπει να εμφανίζει τιμή DC και τιμή AC.

Βήμα 4: Μερικά σχόλια σχετικά με τον κώδικα

Μη διστάσετε να παραλείψετε αυτήν την ενότητα εάν δεν σας ενδιαφέρει η εσωτερική λειτουργία του κώδικα.

Το βασικό χαρακτηριστικό του κώδικα είναι ότι το μαγνητικό πεδίο μετράται 2000 φορές στη σειρά. Αυτό διαρκεί περίπου 0,2-0,3 δευτερόλεπτα. Παρακολουθώντας το άθροισμα και το τετραγωνικό άθροισμα των μετρήσεων, είναι δυνατό να υπολογιστούν τόσο η μέση όσο και η τυπική απόκλιση, οι οποίες αναφέρονται ως DC και AC. Με τη μέση τιμή ενός μεγάλου αριθμού μετρήσεων, η ακρίβεια αυξάνεται, θεωρητικά κατά sqrt (2000) ~ 45. Έτσι, με ένα ADC 10-bit, μπορούμε να φτάσουμε στην ακρίβεια ενός ADC 15-bit! Κάνει μεγάλη διαφορά: 1 αριθμός ADC είναι 5mV, που είναι ~ 0,3mT. Χάρη στο μέσο όρο, βελτιώνουμε την ακρίβεια από 0,3 mT σε 0,01 mT.

Ως μπόνους, λαμβάνουμε επίσης την τυπική απόκλιση, οπότε τα κυμαινόμενα πεδία προσδιορίζονται ως τέτοια. Ένα πεδίο που κυμαίνεται στα 50Hz κάνει full 10 πλήρεις κύκλους κατά τη διάρκεια της μέτρησης, οπότε η τιμή του AC μπορεί να μετρηθεί καλά.

Μετά τη σύνταξη του κώδικα λαμβάνω τα ακόλουθα σχόλια: Το Sketch χρησιμοποιεί 16852 byte (54%) του χώρου αποθήκευσης του προγράμματος. Το μέγιστο είναι 30720 byte. Οι καθολικές μεταβλητές χρησιμοποιούν 352 byte (17%) δυναμικής μνήμης, αφήνοντας 1696 byte για τοπικές μεταβλητές. Το μέγιστο είναι 2048 byte.

Το μεγαλύτερο μέρος του χώρου καταλαμβάνεται από τις βιβλιοθήκες Adafruit, αλλά υπάρχει άφθονος χώρος για περαιτέρω λειτουργικότητα

Βήμα 5: Προετοιμασία του καθετήρα

Ο ανιχνευτής είναι καλύτερα τοποθετημένος στην άκρη ενός στενού σωλήνα: με αυτόν τον τρόπο μπορεί να τοποθετηθεί εύκολα και να διατηρηθεί στη θέση του ακόμη και μέσα σε στενά ανοίγματα. Οποιοσδήποτε κοίλος σωλήνας από ένα μη μαγνητικό υλικό θα κάνει. Χρησιμοποίησα ένα παλιό μπαλάκι που έδωσε τέλεια εφαρμογή.

Προετοιμάστε 3 λεπτά εύκαμπτα σύρματα που είναι μακρύτερα από το σωλήνα. Χρησιμοποίησα 3 εκατοστά καλώδιο κορδέλας. Δεν υπάρχει λογική στα χρώματα (πορτοκαλί για +5V, κόκκινο για 0V, γκρι για σήμα) αλλά με μόλις 3 καλώδια θυμάμαι.

Για να χρησιμοποιήσετε τον ανιχνευτή στο πρωτότυπο, κολλήστε μερικά κομμάτια απογυμνωμένου καλωδίου σύνδεσης στερεού πυρήνα στο τέλος και προστατέψτε τα με συρρικνωμένο σωλήνα. Αργότερα αυτό μπορεί να αποκοπεί έτσι ώστε τα καλώδια του αισθητήρα να μπορούν να κολληθούν απευθείας στο Arduino.

Βήμα 6: Δημιουργία φορητού οργάνου

Μπαταρία 9V, οθόνη OLED και Arduino Nano ταιριάζουν άνετα μέσα σε ένα (μεγάλο) κουτί Tic-Tac. Έχει το πλεονέκτημα ότι είναι διαφανές, στην οθόνη είναι ευανάγνωστο ακόμη και μέσα. Όλα τα σταθερά εξαρτήματα (ο αισθητήρας, ο διακόπτης on/off και το κουμπί) είναι προσαρτημένα στο επάνω μέρος, έτσι ώστε ολόκληρη η διάταξη να μπορεί να αφαιρεθεί από το κουτί για αλλαγή μπαταρίας ή ενημέρωση του κωδικού.

Δεν ήμουν ποτέ λάτρης των μπαταριών 9V: είναι ακριβές και έχουν μικρή χωρητικότητα. Αλλά το τοπικό μου σούπερ μάρκετ πούλησε ξαφνικά την επαναφορτιζόμενη έκδοση NiMH για 1 ευρώ το καθένα και διαπίστωσα ότι μπορούν να φορτιστούν εύκολα διατηρώντας τα στα 11V μέσω αντίστασης 100Ohm όλη τη νύχτα. Παρήγγειλα φθηνά κλιπ αλλά δεν έφτασαν ποτέ, έτσι έβγαλα μια παλιά μπαταρία 9V για να μετατρέψω την κορυφή σε κλιπ. Το καλό με την μπαταρία των 9V είναι ότι είναι συμπαγής και το Arduino λειτουργεί καλά συνδέοντάς το με το Vin. Στο +5V θα υπάρχει διαθέσιμο ρυθμιζόμενο 5V για το OLED και τον αισθητήρα Hall.

Ο ανιχνευτής Hall, η οθόνη OLED και το κουμπί σύνδεσης συνδέονται με τον ίδιο τρόπο όπως και για το πρωτότυπο. Η μόνη προσθήκη είναι ένα κουμπί on/off μεταξύ της μπαταρίας 9V και του Arduino.

Βήμα 7: Βαθμονόμηση

Η σταθερά βαθμονόμησης στον κώδικα αντιστοιχεί στον αριθμό που δίνεται στο φύλλο δεδομένων (1,4mV/Gauss), αλλά το φύλλο δεδομένων επιτρέπει ένα μεγάλο εύρος (1,0-1,75mV/Gauss). Για να έχουμε ακριβή αποτελέσματα, θα πρέπει να βαθμονομήσουμε τον καθετήρα!

Ο πιο απλός τρόπος για να παραχθεί ένα μαγνητικό πεδίο μιας καλά προσδιορισμένης ισχύος είναι να χρησιμοποιήσετε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα: η ισχύς πεδίου μιας μακράς ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας είναι: B = mu0*n*I. Η διαπερατότητα κενού είναι μια σταθερά της φύσης: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Το πεδίο είναι ομοιογενές και εξαρτάται μόνο από την πυκνότητα των περιελίξεων n, και το ρεύμα Ι, και τα δύο μπορούν να μετρηθούν με καλή ακρίβεια (~ 1%). Ο αναφερόμενος τύπος προέρχεται για απείρως μακρύ σωληνοειδές, αλλά είναι μια πολύ καλή προσέγγιση για το πεδίο στο κέντρο όσο ο λόγος μήκους προς διάμετρο, L/D> 10.

Για να φτιάξετε μια κατάλληλη σωληνοειδή, πάρτε έναν κοίλο κυλινδρικό σωλήνα με L/D> 10 και εφαρμόστε κανονικές περιελίξεις με εμαγιέ σύρμα. Χρησιμοποίησα έναν σωλήνα PVC με εξωτερική διάμετρο 23mm και περιτύλιξη 566 περιελίξεων, με έκταση 20,2 cm, με αποτέλεσμα n = 28/cm = 2800/m. Το μήκος του καλωδίου είναι 42m και η αντίσταση 10.0 Ohm.

Τροφοδοτήστε το πηνίο και μετρήστε τη ροή ρεύματος με ένα πολύμετρο. Χρησιμοποιήστε είτε τροφοδοσία μεταβλητής τάσης είτε μεταβλητή αντίσταση φορτίου για να διατηρήσετε το ρεύμα υπό έλεγχο. Μετρήστε το μαγνητικό πεδίο για μερικές τρέχουσες ρυθμίσεις και συγκρίνετε το με τις ενδείξεις.

Πριν από τη βαθμονόμηση, μέτρησα 6,04 mT/A ενώ η θεωρία προβλέπει 3,50 mT/A. Έτσι πολλαπλασίασα τη σταθερά βαθμονόμησης στη γραμμή 18 του κώδικα με 0,58. Το μαγνητόμετρο είναι τώρα βαθμονομημένο!

Δεύτερος στην πρόκληση των μαγνητών