Портативный магнитометр: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Магнитометр, иногда также называемый гауссметром, измеряет силу магнитного поля. Это важный инструмент для проверки силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для понимания формы поля нетривиальных конфигураций магнитов. Если он достаточно чувствителен, он также может обнаружить намагничивание железных предметов. Изменяющиеся во времени поля от двигателей и трансформаторов могут быть обнаружены, если датчик работает достаточно быстро.

Мобильные телефоны обычно содержат 3-осевой магнитометр, но они оптимизированы для слабого магнитного поля Земли ~ 1 Гаусс = 0,1 мТл и насыщаются при полях в несколько мТл. Расположение датчика на телефоне неочевидно, и невозможно разместить датчик внутри узких отверстий, таких как отверстие электромагнита. Более того, возможно, вам не захочется подносить свой смартфон к сильным магнитам.

Здесь я описываю, как сделать простой портативный магнитометр с общими компонентами: линейным датчиком Холла, Arduino, дисплеем и кнопкой. Общая стоимость составляет менее 5 евро, а чувствительность ~ 0,01 мТл в диапазоне от -100 до + 100 мТл лучше, чем вы могли наивно ожидать. Чтобы получить точные абсолютные показания, вам необходимо откалибровать его: я описываю, как это сделать с помощью самодельного длинного соленоида.

Шаг 1: зонд Холла

Эффект Холла - распространенный способ измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник в магнитном поле, они отклоняются в сторону и, таким образом, создают разность потенциалов по бокам проводника. При правильном выборе полупроводникового материала и геометрии создается измеряемый сигнал, который можно усилить и измерить одну из составляющих магнитного поля.

Я использую SS49E, потому что он дешев и широко доступен. Несколько вещей, на которые следует обратить внимание из его таблицы:

• Напряжение питания: 2,7-6,5 В, поэтому идеально совместимо с 5 В от Arduino.
• Нулевой выход: 2,25–2,75 В, то есть примерно посередине между 0 и 5 В.
• Чувствительность: 1,0–1,75 мВ / Гаусс, поэтому для получения точных результатов потребуется калибровка.
• Выходное напряжение 1,0-4,0 В (при работе от 5 В): хорошо покрывается АЦП Arduino.
• Диапазон: минимум + -650G, типичный + -1000G.
• Время отклика 3 мс, поэтому он может производить выборку на нескольких десятках кГц.
• Ток питания: 6-10 мА, достаточно низкий, чтобы работать от батареи.
• Температурная погрешность: ~ 0,1% на градус Цельсия. Кажется незначительным, но дрейф смещения 0,1% дает ошибку 3 мТл.

Датчик компактный, ~ 4x3x2 мм, и измеряет составляющую магнитного поля, перпендикулярную его передней поверхности. Он будет выдавать положительный сигнал для полей, которые направлены с задней стороны на переднюю, например, когда передняя часть подводится к южному магнитному полюсу. Датчик имеет 3 вывода, + 5 В, 0 В и выход слева направо, если смотреть спереди.

Шаг 2: Необходимый материал

• Линейный датчик Холла SS49E. Они стоят ~ 1 евро за набор из 10 онлайн.
• Arduino Uno с прототипной платой для прототипа или Arduino Nano (без заголовков!) Для портативной версии
• SSD1306 0,96-дюймовый монохромный OLED-дисплей с интерфейсом I2C
• Кнопка мгновенного действия

Чтобы построить зонд:

• Старая шариковая ручка или прочная полая трубка.
• 3 тонких многожильных провода немного длиннее трубки
• 12 см тонкой (1,5 мм) термоусадочной трубки

Чтобы сделать его портативным:

• Большая коробка для крестиков-ноликов (18x46x83 мм) или аналогичная
• Зажим для батареи 9 В
• Переключатель включения / выключения

Шаг 3: Первая версия: использование платы прототипа Arduino

Всегда сначала создавайте прототип, чтобы убедиться, что все компоненты работают и программное обеспечение работает! Следуйте рисунку и для подключения датчика Холла, дисплея и нулевой кнопки: Датчик Холла необходимо подключить к + 5V, GND, A0 (слева направо). Дисплей необходимо подключить к GND, + 5V, A5, A4 (слева направо). При нажатии кнопки необходимо подключить заземление к A1.

Код был написан и загружен с использованием Arduino IDE версии 1.8.10. Требуется установить библиотеки Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX. Загрузите код в прилагаемом скетче.

На дисплее должно отображаться значение постоянного и переменного тока.

Шаг 4: некоторые комментарии о коде

Не стесняйтесь пропустить этот раздел, если вас не интересует внутренняя работа кода.

Ключевой особенностью кода является то, что магнитное поле измеряется 2000 раз подряд. Это занимает около 0,2-0,3 секунды. Отслеживая сумму и возведенную в квадрат сумму измерений, можно вычислить как среднее значение, так и стандартное отклонение, которые представлены как постоянный и переменный ток. При усреднении большого количества измерений точность теоретически увеличивается на sqrt (2000) ~ 45. Таким образом, с 10-битным АЦП мы можем достичь точности 15-битного АЦП! Это имеет большое значение: 1 отсчет АЦП равен 5 мВ, что составляет ~ 0,3 мТл. Благодаря усреднению мы улучшаем точность с 0,3 мТл до 0,01 мТл.

В качестве бонуса мы также получаем стандартное отклонение, поэтому колеблющиеся поля идентифицируются как таковые. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц, делает ~ 10 полных циклов за время измерения, поэтому его значение переменного тока может быть хорошо измерено.

После компиляции кода я получаю следующую обратную связь: Sketch использует 16852 байта (54%) места для хранения программ. Максимум 30720 байт. Глобальные переменные используют 352 байта (17%) динамической памяти, оставляя 1696 байтов для локальных переменных. Максимум 2048 байт.

Большую часть места занимают библиотеки Adafruit, но есть много места для дальнейшей функциональности.

Шаг 5: Подготовка зонда

Лучше всего установить зонд на конце узкой трубки: так его можно легко разместить и удерживать на месте даже внутри узких отверстий. Подойдет любая полая трубка из немагнитного материала. Я использовал старую шариковую ручку, которая идеально подошла.

Подготовьте 3 тонких гибких провода, которые длиннее трубки. Я использовал 3-сантиметровый ленточный кабель. В цветах нет логики (оранжевый для + 5 В, красный для 0 В, серый для сигнала), но всего с 3 проводами, которые я помню.

Чтобы использовать зонд на прототипе, припаяйте к концу несколько отрезков зачищенного сплошного соединительного провода и защитите их термоусадочной трубкой. Позже его можно отрезать, чтобы провода зонда можно было припаять непосредственно к Arduino.

Шаг 6: создание портативного инструмента

Батарея на 9 В, OLED-экран и Arduino Nano удобно поместились в (большой) коробке Tic-Tac. Он имеет то преимущество, что он прозрачен, на экране хорошо читается даже внутри. Все фиксированные компоненты (зонд, переключатель включения / выключения и кнопка) прикреплены к верхней части, так что всю сборку можно вынуть из коробки для замены батареи или обновления кода.

Я никогда не был поклонником 9-вольтовых аккумуляторов: они дорогие и имеют небольшую емкость. Но в моем местном супермаркете внезапно появилась версия с аккумулятором NiMH по 1 евро за штуку, и я обнаружил, что их можно легко зарядить, оставив на ночь напряжение 11 В через резистор 100 Ом. Я заказал зажимы дешево, но они так и не пришли, поэтому я разобрал старую батарею на 9 В, чтобы превратить верхнюю часть в зажим. Батарея на 9 В хороша тем, что она компактна, и Arduino хорошо работает от нее, подключив ее к Vin. На +5 В будет доступно регулируемое напряжение 5 В для OLED и датчика Холла.

Зонд Холла, OLED-экран и кнопка подключаются так же, как и в прототипе. Единственное дополнение - это кнопка включения / выключения между батареей 9 В и Arduino.

Шаг 7: Калибровка

Константа калибровки в коде соответствует числу, приведенному в таблице данных (1,4 мВ / Гаусс), но таблица допускает большой диапазон (1,0–1,75 мВ / Гаусс). Чтобы получить точные результаты, нам нужно откалибровать зонд!

Самый простой способ создать магнитное поле определенной силы - использовать соленоид: напряженность поля длинного соленоида равна: B = mu0 * n * I. Вакуумная проницаемость является постоянной природой: mu0 = 1,2566x10 ^ -6 Т / м / А. Поле однородно и зависит только от плотности обмоток n и тока I, которые можно измерить с хорошей точностью (~ 1%). Приведенная формула получена для бесконечно длинного соленоида, но является очень хорошим приближением для поля в центре, пока отношение длины к диаметру, L / D> 10.

Чтобы сделать подходящий соленоид, возьмите полую цилиндрическую трубку с L / D> 10 и наложите обычные обмотки с эмалированным проводом. Я использовал трубку из ПВХ с внешним диаметром 23 мм и намотал 566 витков, чем охватил 20,2 см, в результате получилось n = 28 / см = 2800 / м. Длина провода 42 м, сопротивление 10,0 Ом.

Подайте питание на катушку и измерьте ток с помощью мультиметра. Используйте либо источник переменного напряжения, либо резистор переменной нагрузки, чтобы контролировать ток. Измерьте магнитное поле для нескольких текущих настроек и сравните его с показаниями.

Перед калибровкой я измерил 6,04 мТл / А, тогда как теория предсказывает 3,50 мТл / А. Поэтому я умножил калибровочную константу в строке 18 кода на 0,58. Магнитометр откалиброван!

Финалист конкурса Magnets Challenge