מגנטומטר נייד: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

מגנטומטר, המכונה לפעמים גם גאוסמטר, מודד את עוצמת השדה המגנטי. זהו כלי חיוני לבדיקת חוזקם של מגנטים קבועים ואלקטרומגנטים ולהבין את צורת השדה של תצורות מגנט לא טריוויאליות. אם הוא רגיש מספיק הוא יכול גם לזהות אם חפצי ברזל התמגנטו. ניתן לזהות שדות המשתנים בזמן ממונועים ושנאים אם החללית מהירה מספיק.

טלפונים ניידים מכילים בדרך כלל מגנטומטר בעל 3 צירים, אך הם מותאמים לשדה המגנטי של כדור הארץ החלש של ~ 1 Gauss = 0.1 mT ורווים בשדות של כמה mT. מיקום החיישן בטלפון אינו ברור, ואין אפשרות למקם את החיישן בתוך צמצמים צרים כגון חור של אלקטרומגנט. יתרה מכך, אולי לא תרצו לקרב את הסמארטפון שלכם למגנטים חזקים.

כאן אני מתאר כיצד להכין מגנטומטר נייד פשוט עם רכיבים נפוצים: חיישן אולם ליניארי, ארדואינו, תצוגה ולחצן. העלות הכוללת נמוכה מ- 5EUR, והרגישות של ~ 0.01mT בטווח של -100 עד +100mT טובה יותר ממה שניתן לצפות בתמימות. כדי לקבל קריאות אבסולוטיות מדויקות, יהיה עליך לכייל אותה: אני מתאר כיצד לעשות זאת באמצעות סולנואיד ארוך תוצרת בית.

שלב 1: בדיקת האולם

אפקט האולם הוא דרך נפוצה למדידת שדות מגנטיים. כאשר אלקטרונים זורמים דרך מוליך בשדה מגנטי הם מסיטים הצידה וכך יוצרים הבדל פוטנציאלי בצידי המוליך. עם בחירה נכונה של חומר מוליכים למחצה וגיאומטריה, נוצר אות מדיד שניתן להגביר ולספק מדידה של מרכיב אחד של השדה המגנטי.

אני משתמש ב- SS49E מכיוון שהוא זול וזמין באופן נרחב. כמה דברים שחשוב לשים לב אליהם מתוך גליון הנתונים שלו:

• מתח אספקה: 2.7-6.5 V, כל כך תואם בצורה מושלמת ל- 5V מהארדואינו.
• Null-output: 2.25-2.75V, אז בערך באמצע הדרך בין 0 ל 5V.
• רגישות: 1.0-1.75mV/Gauss, כך שנדרש כיול כדי לקבל תוצאות מדויקות.
• מתח יציאה 1.0V-4.0V (אם מופעל ב 5V): מכוסה היטב על ידי ה- ADC של Arduino.
• טווח: +-650G מינימום, +-1000G אופייני.
• זמן תגובה 3mus, כך שהוא יכול לדגום בכמה עשרות קילוהרץ.
• זרם אספקה: 6-10mA, נמוך מספיק כדי להפעיל את הסוללה.
• שגיאת טמפרטורה: ~ 0.1% לכל מעלה C. נראה מעט אך סחיפה קיזוז של 0.1% נותנת שגיאה של 3mT.

החיישן קומפקטי, ~ 4x3x2 מ מ, ומודד את מרכיב השדה המגנטי הניצב לפנים הקדמי שלו. הוא יפיק חיובי לשדות המצביעים מהצד האחורי לצד הקדמי, למשל כאשר החזית מובאת לקוטב דרום מגנטי. לחיישן 3 מוליכים, +5V, 0V ופלט משמאל לימין, במבט מלפנים.

שלב 2: חומר נדרש

• חיישן הול ליניארי SS49E. אלה עולים ~ 1EUR עבור סט של 10 באינטרנט.
• Arduino Uno עם לוח אב טיפוס לאב טיפוס או Arduino Nano (ללא כותרות!) לגרסה ניידת
• תצוגת OLED מונוכרום מסוג SSD1306 בגודל 0.96 אינץ 'עם ממשק I2C
• לחצן רגעי

לבניית החללית:

• עט כדורי ישן או צינור חלול חסון אחר
• 3 חוטים דקים תקועים מעט יותר מהצינור
• 12 ס"מ של צינור כיווץ דק (1.5 מ"מ)

כדי להפוך אותו לנייד:

• קופסת טיק-טק גדולה (18x46x83 מ"מ) או דומה
• קליפ 9V סוללה
• מתג הפעלה/כיבוי

שלב 3: גרסה ראשונה: שימוש בלוח אב טיפוס של Arduino

תמיד קודם כל אב טיפוס כדי לבדוק שכל הרכיבים עובדים ושהתוכנה מתפקדת! עקוב אחר התמונה וכדי לחבר את בדיקת האולם, התצוגה ולחצן null: יש לחבר את בדיקת האולם ל- +5V, GND, A0 (משמאל לימין). התצוגה צריכה להיות מחוברת ל- GND, +5V, A5, A4 (משמאל לימין). הכפתור צריך ליצור חיבור מהקרקע ל- A1 בלחיצה.

הקוד נכתב והועלה באמצעות גירסת 1.8.10 של Arduino IDE. זה דורש להתקין את ספריות Adafruit_SSD1306 ו- Adafruit_GFX העלה את הקוד בסקיצה המצורפת.

התצוגה אמורה להציג ערך DC וערך AC.

שלב 4: כמה הערות לגבי הקוד

אל תהסס לדלג על סעיף זה אם אינך מעוניין בפעולותיו הפנימיות של הקוד.

המאפיין המרכזי של הקוד הוא שהשדה המגנטי נמדד 2000 פעמים ברציפות. זה לוקח בערך 0.2-0.3 שניות. על ידי מעקב אחר הסכום וסכום הריבוע של המדידות, ניתן לחשב גם את הממוצע וגם את סטיית התקן, המדווחים כ- DC ו- AC. על ידי ממוצע מספר גדול של מדידות, הדיוק גדל, תיאורטית ב- sqrt (2000) ~ 45. אז עם ADC של 10 סיביות, אנו יכולים להגיע לדיוק של ADC של 15 סיביות! זה עושה הבדל גדול: ספירת ADC אחת היא 5mV, שזה ~ 0.3mT. הודות לממוצע, אנו משפרים את הדיוק שבין 0.3mT ל- 0.01mT.

כבונוס, אנו מקבלים גם את סטיית התקן, כך ששדות משתנים מזוהים ככאלה. שדה המשתנה ב 50 הרץ עושה ~ 10 מחזורים מלאים במהלך זמן המדידה, כך שניתן למדוד היטב את ערך AC שלו.

לאחר חיבור הקוד אני מקבל את המשוב הבא: Sketch משתמש ב- 16852 בתים (54%) של שטח אחסון התוכניות. המקסימום הוא 30720 בתים. משתנים גלובליים משתמשים ב -352 בתים (17%) של זיכרון דינאמי, ומשאירים 1696 בתים למשתנים מקומיים. המקסימום הוא 2048 בתים.

רוב המקום תופס ספריות Adafruit, אך יש מספיק מקום לפונקציונליות נוספת

שלב 5: הכנת הבדיקה

החללית מותקנת בצורה הטובה ביותר בקצה צינור צר: כך ניתן למקם אותה בקלות ולשמור על מיקומה גם בתוך פתחים צרים. כל צינור חלול של חומר לא מגנטי יעשה. השתמשתי בבלול ישן שנתן התאמה מושלמת.

הכינו 3 חוטים גמישים דקים ארוכים מהצינור. השתמשתי בכבל סרט בגודל 3 ס מ. אין היגיון בצבעים (כתום עבור +5V, אדום עבור 0V, אפור לאות) אבל רק עם 3 חוטים אני זוכר.

כדי להשתמש בחיישן על אב הטיפוס, הלחם כמה חתיכות של חוט חיבור ליבה מוצקה בקצה והגן עליהם בעזרת צינור כיווץ. מאוחר יותר ניתן לנתק זאת כך שניתן יהיה להלחם את חוטי הבדיקה ישירות לארדואינו.

שלב 6: בניית מכשיר נייד

סוללת 9V, מסך OLED ו- Arduino Nano מתאימים בנוחות בתוך קופסת טיק-טק (גדולה). יש לו יתרון בכך שהוא שקוף, למסך הוא קריא היטב גם בפנים. כל הרכיבים הקבועים (החללית, מתג ההפעלה/כיבוי ולחיצת הכפתור) מחוברים לחלק העליון, כך שניתן להוציא את כל המכלול מהקופסה לצורך החלפת סוללה או עדכון הקוד.

מעולם לא הייתי חובב סוללות 9V: הן יקרות ובעלות קיבולת מועטה. אבל הסופרמרקט המקומי שלי מכר לפתע את גרסת ה- NiMH הנטענת תמורת 1 יורו כל אחד, ומצאתי שניתן לטעון אותם בקלות על ידי שמירה על 11V דרך נגד 100Ohm למשך הלילה. הזמנתי קליפים בזול אבל הם מעולם לא הגיעו, אז פירקתי סוללה ישנה של 9V כדי להפוך את החלק העליון לקליפ. הדבר הטוב בסוללת 9V הוא שהיא קומפקטית והארדואינו פועל עליה היטב על ידי חיבורו ל- Vin. על 5V יהיה זרם 5V מוסדר עבור ה- OLED ולחינת האולם.

בדיקת האולם, מסך OLED ולחצן הלחיצה מחוברים באותו אופן כמו לאב טיפוס. התוספת היחידה היא כפתור הפעלה/כיבוי בין סוללת 9V לארדואינו.

שלב 7: כיול

קבוע הכיול בקוד תואם את המספר שניתן בגליון הנתונים (1.4mV/Gauss), אך גליון הנתונים מאפשר טווח גדול (1.0-1.75mV/Gauss). כדי לקבל תוצאות מדויקות, נצטרך לכייל את הבדיקה!

הדרך הפשוטה ביותר לייצר שדה מגנטי בעל חוזק מוגדר היטב היא שימוש בסולנואיד: חוזק השדה של סולנואיד ארוך הוא: B = mu0*n*I. חדירות הוואקום היא קבוע של טבע: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. השדה הוא הומוגני ותלוי רק בצפיפות הפיתולים n, ובזרם I, שניתן למדוד את שניהם בדיוק טוב (~ 1%). הנוסחה המצוטטת נגזרת עבור סולנואיד ארוך לאין שיעור, אך היא קירוב טוב מאוד לשדה במרכז כל עוד היחס בין אורך לקוטר, L/D> 10.

להכנת סולנואיד מתאים, קח צינור גלילי חלול עם L/D> 10 והנח סלילים רגילים עם חוט אמייל. השתמשתי בצינור PVC עם קוטר חיצוני של 23 מ"מ ופצע 566 פיתולים, על פני 20.2 ס"מ, וכתוצאה מכך n = 28/ס"מ = 2800/מ '. אורך החוט הוא 42 מ 'וההתנגדות 10.0 אוהם.

ספק כוח לסליל ומדוד את זרימת הזרם בעזרת מודד. השתמש באספקת מתח משתנה או בנגד עומס משתנה כדי לשמור על זרם תחת שליטה. מדוד את השדה המגנטי לכמה הגדרות נוכחיות והשווה אותו לקריאות.

לפני הכיול, מדדתי 6.04 mT/A בעוד התאוריה מנבאת 3.50 mT/A. אז הכפלתי את קבוע הכיול בשורה 18 של הקוד ב- 0.58. המגנומטר מכויל כעת!

סגנית האתגר במגנטים