Portable Magnetometer: 7 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:11

Ang isang magnetometer, kung minsan ay tinatawag ding Gaussmeter, ay sumusukat sa lakas ng magnetic field. Ito ay isang mahalagang kasangkapan upang masubukan ang lakas ng permanenteng mga magnet at electromagnet at upang maunawaan ang hugis ng patlang ng mga hindi kumpay na pag-configure ng magnet. Kung ito ay sapat na sensitibo maaari din itong tuklasin kung ang mga bagay na bakal ay na-magnetize. Ang mga patlang na nag-iiba-iba ng oras mula sa mga motor at transformer ay maaaring napansin kung ang pagsisiyasat ay sapat na mabilis.

Ang mga mobile phone ay karaniwang naglalaman ng isang 3-axis magnetometer ngunit ang mga ito ay na-optimize para sa mahinang earth magnetic field ng ~ 1 Gauss = 0.1 mT at mababad sa mga patlang ng ilang mT. Ang lokasyon ng sensor sa telepono ay hindi halata, at hindi posible na ilagay ang sensor sa loob ng makitid na mga aperture tulad ng pagkakaroon ng isang electromagnet. Bukod dito, maaaring hindi mo nais na ilapit ang iyong smartphone sa malalakas na mga magnet.

Inilalarawan ko dito kung paano gumawa ng isang simpleng portable magnetometer na may mga karaniwang bahagi: isang linear hall sensor, isang Arduino, isang display at isang push-button. Ang kabuuang gastos ay mas mababa sa 5EUR, at ang pagkasensitibo ng ~ 0.01mT sa isang saklaw na -100 hanggang + 100mT ay mas mahusay kaysa sa maaari mong asahan na naively. Upang makakuha ng tumpak na ganap na pagbabasa, kakailanganin mong i-calibrate ito: Inilalarawan ko kung paano gawin iyon sa isang mahabang solenoid na gawa sa bahay.

Hakbang 1: Ang Hall Probe

Ang Hall-effect ay isang pangkaraniwang paraan upang masukat ang mga magnetic field. Kapag ang mga electron ay dumadaloy sa pamamagitan ng isang konduktor sa isang magnetikong patlang na-deflected sila pailid at sa gayon ay lumikha ng isang potensyal na pagkakaiba sa mga gilid ng conductor. Sa tamang pagpili ng materyal na semiconductor at geometry, ang isang nasusukat na signal ay ginawa na maaaring mapalakas at upang magbigay ng isang sukat ng isang bahagi ng magnetic field.

Ginagamit ko ang SS49E sapagkat ito ay mura at malawak na magagamit. Ilang bagay na dapat tandaan mula sa datasheet nito:

• Supply boltahe: 2.7-6.5 V, kaya perpektong katugma sa 5V mula sa Arduino.
• Null-output: 2.25-2.75V, kaya humigit-kumulang na kalahati sa pagitan ng 0 at 5V.
• Sensitivity: 1.0-1.75mV / Gauss, kaya mangangailangan ito ng pagkakalibrate upang makakuha ng tumpak na mga resulta.
• Output boltahe 1.0V-4.0V (kung pinamamahalaan sa 5V): mahusay na sakop ng Arduino ADC.
• Saklaw: + -650G minimum, + -1000G tipikal.
• Oras ng pagtugon 3mus, kaya maaari itong sample sa ilang sampu ng kHz.
• Kasalukuyang supply: 6-10mA, sapat na mababa upang mapatakbo ang baterya.
• Pagkakamali sa temperatura: ~ 0.1% bawat degree C. Mukhang kaunti ngunit isang 0.1% na offset na naaanod ay nagbibigay ng isang 3mT error.

Ang sensor ay siksik, ~ 4x3x2mm, at sinusukat ang bahagi ng magnetic field na patayo sa harapan nitong harapan. Ito ay maglalabas ng positibo para sa mga patlang na tumuturo mula sa likurang bahagi hanggang sa harap na panig, halimbawa kapag ang harap ay dinala sa isang magnetikong poste sa timog. Ang sensor ay may 3 lead, + 5V, 0V at output pakaliwa pakanan, kapag nakita mula sa harap.

Hakbang 2: Kinakailangan na Materyal

• SS49E linear Hall sensor. Ang gastos na ito ~ 1EUR para sa isang hanay ng 10 online.
• Ang Arduino Uno na may prototype board para sa prototype o Arduino Nano (walang mga header!) Para sa portable na bersyon
• Ang display ng SSD1306 0.96 "monochrome OLED na may interface ng I2C
• Isang pansamantalang push-button

Upang maitayo ang probe:

• Isang lumang ballpen o iba pang matibay na guwang na tubo
• 3 manipis na maiiwan tayo na mga wire medyo mas mahaba kaysa sa tubo
• 12cm ng manipis (1.5mm) na shrink tube

Upang gawin itong portable:

• Isang malaking tic-tac box (18x46x83mm) o katulad
• Isang clip na 9V-baterya
• Isang on / off switch

Hakbang 3: Unang Bersyon: Paggamit ng isang Arduino Prototype Board

Palaging prototype muna upang suriin na gumagana ang lahat ng mga sangkap at gumagana ang software! Sundin ang larawan at upang ikonekta ang Hall probe, ang display at ang null-button: Ang Hall probe ay kailangang ikonekta sa + 5V, GND, A0 (kaliwa pakanan). Ang display ay kailangang konektado sa GND, + 5V, A5, A4 (kaliwa pakanan). Ang pindutan ay kailangang gumawa ng isang koneksyon mula sa lupa patungong A1 kapag pinindot.

Ang code ay isinulat at na-upload gamit ang Arduino IDE bersyon 1.8.10. Kinakailangan nitong mai-install ang mga aklatan ng Adafruit_SSD1306 at Adafruit_GFX Mag-upload ng code sa naka-attach na sketch.

Ang display ay dapat magpakita ng isang halaga ng DC at isang halaga ng AC.

Hakbang 4: Ang ilang mga Komento Tungkol sa Code

Huwag mag-atubiling laktawan ang seksyong ito kung hindi ka interesado sa mga panloob na paggana ng code.

Ang pangunahing tampok ng code ay ang magnetic field ay sinusukat ng 2000 beses sa isang hilera. Tumatagal ito ng halos 0.2-0.3 segundo. Sa pamamagitan ng pagsubaybay sa kabuuan at ng parisukat na kabuuan ng mga sukat, posible na kalkulahin ang parehong mean at ang karaniwang paglihis, na iniulat bilang DC at AC. Sa pamamagitan ng pag-average ng isang malaking bilang ng mga sukat, tumataas ang katumpakan, teoretikal ng sqrt (2000) ~ 45. Kaya sa isang 10-bit ADC, maaabot namin ang katumpakan ng isang 15-bit ADC! Gumagawa ito ng isang malaking pagkakaiba: Ang bilang ng 1 ADC ay 5mV, na kung saan ay ~ 0.3mT. Salamat sa pag-average, pinapabuti namin ang katumpakan mula 0.3mT hanggang 0.01mT.

Bilang isang bonus, nakukuha rin namin ang karaniwang paglihis, kaya't ang mga pabagu-bagong patlang ay kinikilala na tulad nito. Ang isang patlang na nagbabagu-bago sa 50Hz ay ~ 10 buong siklo sa oras ng pagsukat, kaya't ang halaga ng AC ay maaaring masusukat nang mabuti.

Matapos maipon ang code nakukuha ko ang sumusunod na puna: Gumagamit ang Sketch ng 16852 bytes (54%) ng espasyo sa imbakan ng programa. Ang maximum ay 30720 bytes. Ang mga pandaigdigang variable ay gumagamit ng 352 bytes (17%) ng pabago-bagong memorya, naiwan ang 1696 bytes para sa mga lokal na variable. Ang maximum ay 2048 bytes.

Karamihan sa puwang ay kinukuha ng mga aklatan ng Adafruit, ngunit mayroong maraming puwang para sa karagdagang pagpapaandar

Hakbang 5: Paghahanda ng Probe

Ang probe ay pinakamahusay na naka-mount sa dulo ng isang makitid na tubo: sa ganitong paraan madali itong mailagay at maitago sa posisyon kahit sa loob ng makitid na mga siwang. Magagawa ang anumang guwang na tubo ng isang materyal na hindi magnetik. Gumamit ako ng isang lumang ballpen na nagbigay ng isang perpektong akma.

Maghanda ng 3 manipis na nababaluktot na mga wire na mas mahaba kaysa sa tubo. Gumamit ako ng 3cm ng ribbon cable. Walang lohika sa mga kulay (orange para sa + 5V, pula para sa 0V, kulay abong para sa signal) ngunit sa 3 mga wire lamang na naaalala ko.

Upang magamit ang pagsisiyasat sa prototype, maghinang ng ilang piraso ng hinubad na solid-core na hookup wire o ang dulo at protektahan ang mga ito ng shrink tube. Mamaya maaari itong putulin upang ang mga wire ng probe ay maaaring solder direkta sa Arduino.

Hakbang 6: Pagbuo ng isang Portable Instrument

Ang isang 9V na baterya, ang OLED screen at isang Arduino Nano ay umaangkop nang kumportable sa loob ng isang (malaking) kahon ng Tic-Tac. Mayroon itong kalamangan na maging transparent, sa screen ay nababasa nang mabuti kahit sa loob. Ang lahat ng mga nakapirming sangkap (ang pagsisiyasat, ang on / off switch at ang push-button) ay nakakabit sa tuktok, upang ang buong pagpupulong ay maaaring makuha sa labas ng kahon para sa pagbabago ng baterya o pag-update ng code.

Hindi ako naging fan ng 9V na baterya: ang mga ito ay mahal at may maliit na kapasidad. Ngunit biglang ipinagbili ng aking lokal na supermarket ang rechargeable na bersyon ng NiMH para sa 1 EUR bawat isa, at nalaman kong madali silang masisingil sa pamamagitan ng pagpapanatili sa kanila sa 11V sa pamamagitan ng isang resistor na 100Ohm magdamag. Umorder ako ng murang mga clip ngunit hindi na sila dumating, kaya't pinaghiwalay ko ang isang lumang 9V na baterya upang gawing isang clip ang tuktok. Ang magandang bagay tungkol sa baterya ng 9V ay na ito ay siksik at mahusay na tumatakbo ang Arduino dito sa pamamagitan ng pagkonekta nito sa Vin. Sa + 5V magkakaroon ng isang kinokontrol na 5V na magagamit para sa OLED at para sa pagsisiyasat sa Hall.

Ang Hall probe, ang OLED screen at ang push button ay konektado sa parehong paraan tulad ng para sa prototype. Ang tanging karagdagan ay isang on / off na butones sa pagitan ng 9V na baterya at ng Arduino.

Hakbang 7: Pagkakalibrate

Ang calibration pare-pareho sa code ay tumutugma sa bilang na ibinigay sa datasheet (1.4mV / Gauss), ngunit pinapayagan ng datasheet para sa isang malaking saklaw (1.0-1.75mV / Gauss). Upang makakuha ng tumpak na mga resulta, kakailanganin naming i-calibrate ang pagsisiyasat!

Ang pinaka-prangkang paraan upang makabuo ng isang magnetikong larangan ng isang mahusay na natukoy na lakas ay ang paggamit ng isang solenoid: ang lakas ng patlang ng isang mahabang solenoid ay: B = mu0 * n * I. Ang vacuum pagkamatagusin ay isang pare-pareho ng kalikasan: mu0 = 1.2566x10 ^ -6 T / m / A. Ang patlang ay homogenous at nakasalalay lamang sa density ng paikot-ikot n, at ang kasalukuyang I, na kapwa masusukat na may mahusay na kawastuhan (~ 1%). Ang sinipi na formula ay nagmula para sa walang katapusang mahabang solenoid, ngunit ito ay isang napakahusay na pamamaraang para sa patlang sa gitna hangga't ang ratio ng haba sa diameter, L / D> 10.

Upang makagawa ng isang angkop na solenoid, kumuha ng isang guwang na cylindrical tube na may L / D> 10 at maglapat ng regular na paikot-ikot na may enameled wire. Gumamit ako ng isang tubo ng PVC na may at panlabas na diameter na 23mm at sugat ng 566 windings, kaysa sa naitala na 20.2 cm, na nagreresulta sa n = 28 / cm = 2800 / m. Ang haba ng kawad ay 42m at ang paglaban 10.0 Ohm.

Pag-supply ng lakas sa likaw at sukatin ang kasalukuyang daloy ng isang multimeter. Gumamit ng alinman sa isang variable na supply ng boltahe o isang variable na resistor ng pagkarga upang mapanatili ang kasalukuyang kontrol. Sukatin ang magnetic field para sa ilang kasalukuyang mga setting at ihambing ito sa mga pagbasa.

Bago ang pagkakalibrate, sinukat ko ang 6.04 mT / A habang hinuhulaan ng teorya ang 3.50 mT / A. Kaya pinarami ko ang palaging pagkakalibrate sa linya 18 ng code ng 0.58. Ang magnetometer ay naka-calibrate na ngayon!

Runner Up sa Hamon ng Magneto