Bärbar magnetometer: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

En magnetometer, ibland även kallad Gaussmeter, mäter magnetfältets styrka. Det är ett viktigt verktyg för att testa styrkan hos permanentmagneter och elektromagneter och för att förstå fältformen hos icke -diskreta magnetkonfigurationer. Om den är tillräckligt känslig kan den också upptäcka om järnföremål har magnetiserats. Tidsvarierande fält från motorer och transformatorer kan detekteras om sonden är tillräckligt snabb.

Mobiltelefoner innehåller vanligtvis en 3-axlig magnetometer men de har optimerats för det svaga jordmagnetfältet ~ 1 Gauss = 0,1 mT och mättas vid fält på några mT. Sensorns placering på telefonen är inte uppenbar, och det är inte möjligt att placera sensorn inuti smala bländare, till exempel en elektromagnet. Dessutom kanske du inte vill ta din smartphone nära starka magneter.

Här beskriver jag hur man gör en enkel bärbar magnetometer med vanliga komponenter: en linjär hallsensor, en Arduino, en display och en tryckknapp. Den totala kostnaden är mindre än 5EUR, och känsligheten på ~ 0.01mT på ett intervall på -100 till +100mT är bättre än vad du kan förvänta dig naivt. För att få exakta absoluta avläsningar måste du kalibrera det: Jag beskriver hur man gör det med en hemgjord lång solenoid.

Steg 1: Hallproben

Hall-effekten är ett vanligt sätt att mäta magnetfält. När elektroner flyter genom en ledare i ett magnetfält avböjs de i sidled och skapar därmed en potentialskillnad på ledarens sidor. Med rätt val av halvledarmaterial och geometri produceras en mätbar signal som kan förstärkas och ge ett mått på en komponent i magnetfältet.

Jag använder SS49E eftersom den är billig och allmänt tillgänglig. Några saker att notera från databladet:

• Matningsspänning: 2,7-6,5 V, så perfekt kompatibel med 5V från Arduino.
• Nollutgång: 2,25-2,75V, så ungefär halvvägs mellan 0 och 5V.
• Känslighet: 1,0-1,75mV/Gauss, så det kommer att krävas kalibrering för att få exakta resultat.
• Utgångsspänning 1.0V-4.0V (om den drivs vid 5V): täcks väl av Arduino ADC.
• Område: +-650G minimum, +-1000G typiskt.
• Svarstid 3mus, så det kan sampla vid några tiotals kHz.
• Matningsström: 6-10mA, tillräckligt låg för att vara batteridriven.
• Temperaturfel: ~ 0,1% per grad C. Verkar lite men en 0,1% offset drift ger ett 3mT fel.

Sensorn är kompakt, ~ 4x3x2mm, och mäter komponenten i magnetfältet som är vinkelrätt mot dess framsida. Det kommer att ge en positiv för fält som pekar från baksidan till framsidan, till exempel när fronten förs till en magnetisk sydpol. Sensorn har 3 ledare, +5V, 0V och utgång vänster till höger, sett framifrån.

Steg 2: Obligatoriskt material

• SS49E linjär hallsensor. Dessa kostar ~ 1EUR för en uppsättning av 10 online.
• Arduino Uno med prototypkort för prototyp eller Arduino Nano (utan rubriker!) För bärbar version
• SSD1306 0,96”monokrom OLED -skärm med I2C -gränssnitt
• En tillfällig tryckknapp

För att konstruera sonden:

• En gammal kulpenna eller annat robust ihåligt rör
• 3 tunnsträngade trådar något längre än röret
• 12 cm tunt (1,5 mm) krymprör

För att göra den bärbar:

• En stor tic-tac-låda (18x46x83mm) eller liknande
• En 9V-batteriklämma
• En strömbrytare

Steg 3: Första versionen: Användning av ett Arduino -prototypkort

Alltid prototypa först för att kontrollera att alla komponenter fungerar och att programvaran fungerar! Följ bilden och för att ansluta Hall-sonden, displayen och null-knappen: Hall-sonden måste anslutas till +5V, GND, A0 (vänster till höger). Displayen måste anslutas till GND, +5V, A5, A4 (vänster till höger). Knappen måste ansluta från marken till A1 när den trycks in.

Koden skrevs och laddades upp med Arduino IDE version 1.8.10. Det kräver att du installerar Adafruit_SSD1306- och Adafruit_GFX -biblioteken Ladda upp koden i den bifogade skissen.

Displayen ska visa ett DC -värde och ett AC -värde.

Steg 4: Några kommentarer om koden

Hoppa gärna över det här avsnittet om du inte är intresserad av kodens inre funktioner.

Nyckelfunktionen i koden är att magnetfältet mäts 2000 gånger i rad. Detta tar cirka 0,2-0,3 sekunder. Genom att hålla reda på summan och den kvadratiska summan av mätningarna är det möjligt att beräkna både medelvärdet och standardavvikelsen, som rapporteras som DC och AC. Genom ett genomsnitt av ett stort antal mätningar ökar precisionen, teoretiskt sett med sqrt (2000) ~ 45. Så med en 10-bitars ADC kan vi nå precisionen hos en 15-bitars ADC! Det gör stor skillnad: 1 ADC -tal är 5mV, vilket är ~ 0,3mT. Tack vare medelvärdet förbättrar vi precisionen från 0,3 mT till 0,01 mT.

Som en bonus får vi också standardavvikelsen, så fluktuerande fält identifieras som sådana. Ett fält som fluktuerar vid 50Hz gör ~ 10 hela cykler under mättiden, så dess AC -värde kan mätas väl.

Efter att ha sammanställt koden får jag följande feedback: Sketch använder 16852 byte (54%) av programlagringsutrymme. Maximalt är 30720 byte. Globala variabler använder 352 byte (17%) av dynamiskt minne, vilket ger 1696 byte för lokala variabler. Maximalt är 2048 byte.

Det mesta av utrymmet tas upp av Adafruit -biblioteken, men det finns gott om plats för ytterligare funktioner

Steg 5: Förbereda proben

Sonden är bäst monterad på spetsen av ett smalt rör: på så sätt kan den enkelt placeras och hållas på plats även inuti smala öppningar. Alla ihåliga rör av ett icke -magnetiskt material kommer att göra. Jag använde en gammal kulpenna som gav en perfekt passform.

Förbered 3 tunna flexibla trådar som är längre än röret. Jag använde 3 cm bandkabel. Det finns ingen logik i färgerna (orange för +5V, rött för 0V, grått för signal) men med bara 3 trådar kan jag komma ihåg.

För att använda sonden på prototypen, löd några bitar av avskalad fastkärnig anslutningstråd i änden och skydda dem med krymprör. Senare kan detta klippas av så att sondtrådarna kan lödas direkt till Arduino.

Steg 6: Bygga ett bärbart instrument

Ett 9V-batteri, OLED-skärmen och en Arduino Nano passar bekvämt inuti en (stor) Tic-Tac-låda. Det har fördelen av att vara transparent, för skärmen är väl läsbar även inuti. Alla fasta komponenter (sonden, på/av-knappen och tryckknappen) är fästa på toppen, så att hela enheten kan tas ur lådan för att byta batteri eller uppdatera koden.

Jag var aldrig ett fan av 9V -batterier: de är dyra och har liten kapacitet. Men min lokala stormarknad sålde plötsligt den uppladdningsbara NiMH -versionen för 1 EUR styck, och jag fann att de enkelt kan laddas genom att hålla dem på 11V genom ett 100Ohm -motstånd över natten. Jag beställde klipp billigt men de kom aldrig, så jag tog isär ett gammalt 9V -batteri för att förvandla toppen till ett klipp. Det som är bra med 9V -batteriet är att det är kompakt och Arduino kör bra på det genom att ansluta det till Vin. På +5V kommer det att finnas en reglerad 5V tillgänglig för OLED och för Hall -sonden.

Hall -sonden, OLED -skärmen och tryckknappen är anslutna på samma sätt som för prototypen. Det enda tillägget är en på/av -knapp mellan 9V -batteriet och Arduino.

Steg 7: Kalibrering

Kalibreringskonstanten i koden motsvarar numret i databladet (1,4 mV/Gauss), men databladet tillåter ett stort intervall (1,0-1,75 mV/Gauss). För att få exakta resultat måste vi kalibrera sonden!

Det enklaste sättet att producera ett magnetfält med en välbestämd styrka är att använda en solenoid: fältstyrkan för en lång solenoid är: B = mu0*n*I. Vakuumpermeabiliteten är en konstant av naturen: mu0 = 1,2566x10^-6 T/m/A. Fältet är homogent och beror endast på lindningstätheten n och strömmen I, som båda kan mätas med god noggrannhet (~ 1%). Den citerade formeln härleds för oändligt lång solenoid, men är en mycket bra approximation för fältet i mitten så länge förhållandet mellan längd och diameter, L/D> 10.

För att göra en lämplig solenoid, ta ett ihåligt cylindriskt rör med L/D> 10 och applicera regelbundna lindningar med emaljerad tråd. Jag använde ett PVC -rör med en ytterdiameter på 23 mm och lindade 566 lindningar än 20,2 cm, vilket resulterade i n = 28/cm = 2800/m. Trådlängden är 42m och motståndet 10,0 Ohm.

Mata spolen och mät strömflödet med en multimeter. Använd antingen en variabel spänningsmatning eller ett variabelt belastningsmotstånd för att hålla strömmen under kontroll. Mät magnetfältet för några aktuella inställningar och jämför det med avläsningarna.

Före kalibrering mätte jag 6,04 mT/A medan teorin förutsäger 3,50 mT/A. Så jag multiplicerade kalibreringskonstanten i rad 18 i koden med 0,58. Magnetometern är nu kalibrerad!

Tvåa i Magnets Challenge