Kannettava magnetometri: 7 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Magnetometri, jota joskus kutsutaan myös Gaussmeteriksi, mittaa magneettikentän voimakkuutta. Se on olennainen työkalu kestomagneettien ja sähkömagneettien lujuuden testaamiseen ja ei -triviaalisten magneettikokoonpanojen kenttämuodon ymmärtämiseen. Jos se on riittävän herkkä, se voi myös havaita, onko rautaesineitä magnetoitu. Ajassa vaihtelevat kentät moottoreista ja muuntajista voidaan havaita, jos anturi on riittävän nopea.

Matkapuhelimissa on yleensä 3-akselinen magnetometri, mutta ne on optimoitu heikoille maan magneettikentille (~ 1 Gauss = 0,1 mT) ja kyllästyvät muutaman mT: n kentillä. Anturin sijainti puhelimessa ei ole ilmeinen, eikä anturia voida sijoittaa kapeiden aukkojen, kuten sähkömagneetin reiän, sisään. Lisäksi et ehkä halua viedä älypuhelintasi lähelle voimakkaita magneetteja.

Tässä kuvailen kuinka tehdä yksinkertainen kannettava magnetometri, jossa on tavallisia komponentteja: lineaarinen hallianturi, Arduino, näyttö ja painike. Kokonaiskustannukset ovat alle 5 EUR, ja herkkyys ~ 0,01 mT alueella -100 - +100 mT on parempi kuin mitä naiivisti voisi odottaa. Jotta saat tarkat absoluuttiset lukemat, sinun on kalibroitava se: kuvailen kuinka tehdä se kotitekoisella pitkällä solenoidilla.

Vaihe 1: Hall -anturi

Hall-efekti on yleinen tapa mitata magneettikenttiä. Kun elektronit virtaavat johtimen läpi magneettikentässä, ne taipuvat sivuttain ja muodostavat siten potentiaalieron johtimen sivuille. Oikealla puolijohdemateriaalin ja geometrian valinnalla tuotetaan mitattavissa oleva signaali, jota voidaan vahvistaa ja joka saa aikaan magneettikentän yhden komponentin mittauksen.

Käytän SS49E: tä, koska se on halpaa ja laajalti saatavilla. Muutama huomioitava asiakirja -aineistosta:

• Syöttöjännite: 2,7-6,5 V, joten se on täysin yhteensopiva Arduinon 5V: n kanssa.
• Nolla-lähtö: 2,25-2,75 V, eli noin puolivälissä 0 ja 5 V välillä.
• Herkkyys: 1,0-1,75 mV/Gauss, joten se vaatii kalibrointia tarkkojen tulosten saamiseksi.
• Lähtöjännite 1,0 V-4,0 V (jos sitä käytetään 5 V: lla): Arduino ADC peittää hyvin.
• Alue: vähintään +-650G, tyypillinen +-1000G.
• Vasteaika 3 mustaa, joten se voi ottaa näytteitä muutaman kymmenen kHz: n taajuudella.
• Syöttövirta: 6-10 mA, tarpeeksi alhainen paristokäyttöiseksi.
• Lämpötilavirhe: ~ 0,1% astetta kohti C. Näyttää vähän, mutta 0,1%: n poikkeama antaa 3mT virheen.

Anturi on kompakti, ~ 4x3x2mm ja mittaa magneettikentän komponentin, joka on kohtisuorassa sen etupintaan nähden. Se tuottaa positiivisen kentille, jotka osoittavat takapuolelta etupuolelle, esimerkiksi kun etuosa tuodaan magneettiselle etelänavalle. Anturissa on 3 johtoa, +5 V, 0 V ja lähtö vasemmalta oikealle edestä katsottuna.

Vaihe 2: Tarvittava materiaali

• SS49E lineaarinen Hall -anturi. Nämä maksavat ~ 1EUR 10 -sarjan verkossa.
• Arduino Uno prototyyppikortilla prototyypille tai Arduino Nano (ilman otsikoita!) Kannettavalle versiolle
• SSD1306 0,96”yksivärinen OLED -näyttö I2C -liitännällä
• Hetkellinen painike

Anturin rakentaminen:

• Vanha kuulakärkikynä tai muu tukeva ontto putki
• 3 ohutta lankaa, jotka ovat hieman putkea pidemmät
• 12 cm ohut (1,5 mm) kutisteputki

Tee siitä kannettava:

• Suuri tic-tac-laatikko (18x46x83mm) tai vastaava
• 9V akun pidike
• On/off -kytkin

Vaihe 3: Ensimmäinen versio: Arduinon prototyyppikortin käyttäminen

Prototyyppi on aina ensin tarkistettava, että kaikki komponentit toimivat ja ohjelmisto toimii! Seuraa kuvaa ja liitä Hall-anturi, näyttö ja nollapainike: Hall-anturi on kytkettävä +5 V, GND, A0 (vasemmalta oikealle). Näyttö on liitettävä GND, +5V, A5, A4 (vasemmalta oikealle). Painikkeen on muodostettava yhteys maasta A1: een, kun sitä painetaan.

Koodi kirjoitettiin ja ladattiin Arduino IDE -versiolla 1.8.10. Se vaatii Adafruit_SSD1306- ja Adafruit_GFX -kirjastojen asentamisen. Lataa koodi liitteenä olevassa luonnoksessa.

Näytössä pitäisi näkyä DC -arvo ja AC -arvo.

Vaihe 4: Muutamia kommentteja koodista

Voit ohittaa tämän osion, jos et ole kiinnostunut koodin sisäisestä toiminnasta.

Koodin keskeinen piirre on, että magneettikenttä mitataan 2000 kertaa peräkkäin. Tämä kestää noin 0,2-0,3 sekuntia. Kun seurataan mittausten summaa ja neliösummaa, on mahdollista laskea sekä keskiarvo että keskihajonta, jotka ilmoitetaan DC: nä ja AC: nä. Laskemalla keskimäärin suuri määrä mittauksia, tarkkuus kasvaa teoriassa neliömetreillä (2000) ~ 45. Joten 10-bittisellä ADC: llä voimme saavuttaa 15-bittisen ADC: n tarkkuuden! Sillä on suuri ero: 1 ADC -määrä on 5 mV, mikä on ~ 0,3 mT. Keskiarvoistamisen ansiosta parannamme 0,3 mT: n ja 0,01 mT: n tarkkuutta.

Bonuksena saamme myös keskihajonnan, joten vaihtelevat kentät tunnistetaan sellaisiksi. Kenttä, joka vaihtelee 50 Hz: llä, tekee ~ 10 täyttä sykliä mittausajan aikana, joten sen AC -arvo voidaan mitata hyvin.

Koodin kääntämisen jälkeen saan seuraavan palautteen: Sketch käyttää 16852 tavua (54%) ohjelman tallennustilasta. Enintään 30720 tavua. Globaalimuuttujat käyttävät 352 tavua (17%) dynaamista muistia, jättäen 1696 tavua paikallisille muuttujille. Enimmäiskoko on 2048 tavua.

Suurin osa tilasta on Adafruit -kirjastojen käytössä, mutta lisätoiminnoille on runsaasti tilaa

Vaihe 5: Mittapään valmistelu

Mittapää on parasta asentaa kapean putken kärkeen: näin se voidaan helposti sijoittaa ja pitää paikallaan myös kapeiden aukkojen sisällä. Mikä tahansa ontto putki ei -magneettisesta materiaalista tekee. Käytin vanhaa kuulakärkikynää, joka antoi täydellisen istuvuuden.

Valmistele 3 ohutta joustavaa johtoa, jotka ovat pidempiä kuin putki. Käytin 3 cm nauhakaapelia. Värissä ei ole logiikkaa (oranssi +5 V: lle, punainen 0 V: lle, harmaa signaalille), mutta muistan vain 3 johtoa.

Jos haluat käyttää anturia prototyypissä, juota joitakin irrotetun kiinteän ytimen kytkentäjohdon paloja päähän ja suojaa ne kutisteputkella. Myöhemmin tämä voidaan katkaista niin, että anturin johdot voidaan juottaa suoraan Arduinolle.

Vaihe 6: Kannettavan laitteen rakentaminen

9 V: n akku, OLED-näyttö ja Arduino Nano mahtuvat mukavasti (suuren) Tic-Tac-laatikon sisään. Sen etuna on läpinäkyvyys, koska näyttö on hyvin luettavissa myös sisältä. Kaikki kiinteät komponentit (anturi, virtakytkin ja painike) on kiinnitetty yläosaan, jotta koko kokoonpano voidaan ottaa pois laatikosta pariston vaihtamista tai koodin päivittämistä varten.

En ole koskaan ollut 9 V: n paristojen fani: ne ovat kalliita ja niissä on vähän kapasiteettia. Mutta paikallinen supermarketini myi yhtäkkiä ladattavan NiMH -version hintaan 1 EUR / kpl, ja huomasin, että ne voidaan ladata helposti pitämällä ne 11 V: n jännitteellä 100 ohmin vastuksen läpi yön yli. Tilasin leikkeet halvalla, mutta ne eivät koskaan saapuneet, joten purin vanhan 9 V: n akun, jotta yläosa muuttuisi leikkeeksi. 9 V: n akun hyvä puoli on se, että se on kompakti ja Arduino toimii hyvin sillä yhdistämällä se Viniin. +5 V: n jännitteellä on säädetty 5 V OLEDille ja Hall -anturille.

Hall -anturi, OLED -näyttö ja painike on kytketty samalla tavalla kuin prototyyppi. Ainoa lisäys on on/off -painike 9 V: n akun ja Arduinon välillä.

Vaihe 7: Kalibrointi

Koodin kalibrointivakio vastaa lomakkeessa annettua lukua (1,4 mV/Gauss), mutta tietolomake sallii suuren alueen (1,0-1,75 mV/Gauss). Tarkkojen tulosten saamiseksi meidän on kalibroitava anturi!

Yksinkertaisin tapa tuottaa hyvin määritellyn voimakkuuden omaava magneettikenttä on käyttää solenoidia: pitkän solenoidin kentänvoimakkuus on: B = mu0*n*I. Tyhjiön läpäisevyys on luontainen vakio: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Kenttä on homogeeninen ja riippuu vain käämien n tiheydestä ja virrasta I, jotka molemmat voidaan mitata hyvällä tarkkuudella (~ 1%). Lainattu kaava on johdettu äärettömän pitkälle solenoidille, mutta se on erittäin hyvä likimäärä keskellä olevalle kentälle, kunhan pituuden ja halkaisijan suhde L/D> 10.

Sopivan solenoidin valmistamiseksi ota ontto lieriömäinen putki, jonka L/D> 10, ja käytä säännöllisiä käämejä emaloidulla langalla. Käytin PVC -putkea, jonka ulkohalkaisija oli 23 mm, ja käämin 566 käämiä, joiden pituus oli 20,2 cm, tuloksena n = 28/cm = 2800/m. Johdon pituus on 42 m ja vastus 10,0 ohmia.

Syötä kelalle virta ja mittaa nykyinen virtaus yleismittarilla. Käytä joko vaihtelevaa jännitelähdettä tai muuttuvaa kuormitusvastusta pitääksesi virran hallinnassa. Mittaa magneettikenttä muutamille nykyisille asetuksille ja vertaa sitä lukemiin.

Ennen kalibrointia mittasin 6,04 mT/A, kun taas teoria ennustaa 3,50 mT/A. Joten kerroin tt kalibrointivakion koodin rivillä 18 0,58: lla. Magnetometri on nyt kalibroitu!

Toinen sija Magnets Challengessa