Портативті магнитометр: 7 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Магнитометр, кейде Гауссметр деп те аталады, магнит өрісінің кернеулігін өлшейді. Бұл тұрақты магниттер мен электромагниттердің беріктігін тексеруге және тривиальды емес магнит конфигурациясының өріс формасын түсінуге қажетті құрал. Егер ол жеткілікті сезімтал болса, ол темір заттардың магниттелгенін де анықтай алады. Егер зонд жеткілікті жылдам болса, қозғалтқыштар мен трансформаторлардан уақыт бойынша өзгеретін өрістерді анықтауға болады.

Ұялы телефондарда әдетте 3 осьті магнитометр бар, бірақ олар ~ 1 Гаусс = 0,1 мТ әлсіз жер магнит өрісі үшін оңтайландырылған және бірнеше мТ өрістерде қаныққан. Сенсордың телефондағы орны анық емес және сенсорды электрмагниттің саңылауы сияқты тар саңылауларға орналастыру мүмкін емес. Сонымен қатар, сіз смартфонды күшті магнитке жақындатқыңыз келмеуі мүмкін.

Мұнда мен қарапайым компоненттері бар қарапайым портативті магнитометрді қалай жасау керектігін сипаттаймын: сызықтық зал сенсоры, Arduino, дисплей және түйме. Жалпы құны 5EUR -дан аз, ал -100 -ден +100мТ диапазонында ~ 0.01mT сезімталдығы сіз күткеннен жақсы. Дәл абсолютті көрсеткіштерді алу үшін оны калибрлеу қажет: мен мұны үйде жасалған ұзын электромагнитті қалай жасау керектігін сипаттаймын.

1 -қадам: Холл зондтары

Холл эффектісі-магнит өрісін өлшеудің кең таралған әдісі. Электрондар магнит өрісінде өткізгіштен өткенде, олар бүйірге бұрылады және осылайша өткізгіштің екі жағында потенциалдар айырмашылығын тудырады. Жартылай өткізгіш материал мен геометрияны дұрыс таңдағанда, магнит өрісінің бір компонентінің өлшемін қамтамасыз ететін күшейтуге болатын өлшенетін сигнал шығарылады.

Мен SS49E қолданамын, себебі ол арзан және кеңінен таралған. Оның мәліметтер парағынан бірнеше нәрсені ескеру қажет:

• Қоректену кернеуі: 2,7-6,5 В, сондықтан Arduino 5V-мен тамаша үйлеседі.
• Нөлдік шығыс: 2.25-2.75В, сондықтан шамамен жартысы 0 мен 5В аралығында.
• Сезімталдық: 1.0-1.75мВ/Гаусс, сондықтан дәл нәтиже алу үшін калибрлеу қажет болады.
• Шығу кернеуі 1.0V-4.0V (егер 5В-да жұмыс жасаса): Arduino ADC-мен жақсы жабылған.
• Диапазон: минимум +-650G, +-1000G типтік.
• Жауап беру уақыты 3mus, сондықтан ол бірнеше ондаған кГц жиілікте сынама алады.
• Жеткізу тогы: 6-10мА, батареямен жұмыс істеуге жеткілікті төмен.
• Температура қателігі: ~ 0,1% градус C. Сәл көрінеді, бірақ 0,1% ауытқу 3мТ қате береді.

Сенсор ықшам, ~ 4x3x2мм және магнит өрісінің компонентін өлшейді, оның алдыңғы бетіне перпендикуляр. Ол артқы жағынан алдыңғы жағына бағытталған өрістер үшін оң нәтиже береді, мысалы, алдыңғы магниттік оңтүстік полюске жеткізілгенде. Сенсорда 3 сым бар, +5В, 0В және шығысы солдан оңға қарай, алдыңғы жағынан қарағанда.

2 -қадам: Қажетті материал

• SS49E сызықтық Холл сенсоры. Бұл Интернетте 10 жиынтыққа ~ 1EUR тұрады.
• Прототипке арналған прототип тақтасы бар Arduino Uno немесе портативті нұсқа үшін Arduino Nano (тақырыпсыз!)
• IDC интерфейсі бар SSD1306 0,96 дюймдік монохромды OLED дисплей
• Бір сәттік түйме

Зондты құру үшін:

• Ескі шарик немесе басқа берік қуыс түтік
• 3 жұқа бұрандалы сым түтікке қарағанда біршама ұзын
• 12 см жұқа (1,5 мм) қысқаратын түтік

Оны портативті ету үшін:

• Үлкен tic-tac (18x46x83mm) немесе ұқсас
• 9В батареялық қысқыш
• Қосу/өшіру қосқышы

3 -қадам: Бірінші нұсқа: Arduino прототиптік тақтасын пайдалану

Барлық компоненттердің жұмыс істейтінін және бағдарламалық жасақтаманың жұмыс істейтінін тексеру үшін әрқашан алдымен прототип жасаңыз! Суретті орындаңыз және Холл зондын, дисплей мен нөлдік түймені қосу үшін: Холл зондты +5V, GND, A0 (солдан оңға) қосу керек. Дисплей GND, +5V, A5, A4 (солдан оңға) қосылуы керек. Түйме басылған кезде жерден A1 -ге қосылу керек.

Код Arduino IDE 1.8.10 нұсқасы арқылы жазылған және жүктелген. Ол үшін Adafruit_SSD1306 және Adafruit_GFX кітапханаларын орнату қажет Қосылған нобайға кодты жүктеңіз.

Дисплейде тұрақты ток пен айнымалы ток мәні көрсетілуі керек.

4 -қадам: Кодекс туралы кейбір түсініктемелер

Егер сіз кодтың ішкі жұмысына қызығушылық танытпасаңыз, бұл бөлімді өткізіп жіберіңіз.

Кодтың басты ерекшелігі - магнит өрісі қатарынан 2000 рет өлшенеді. Бұл шамамен 0,2-0,3 секундты алады. Өлшеудің қосындысы мен квадраттық қосындысын қадағалай отырып, орташа және стандартты ауытқуды есептеуге болады, олар тұрақты және айнымалы ток ретінде есептеледі. Үлкен мөлшердегі орташа есеппен дәлдік теориялық тұрғыдан sqrt (2000) ~ 45 артады. 10 биттік ADC көмегімен біз 15 биттік ADC дәлдігіне жете аламыз! Бұл үлкен айырмашылықты тудырады: 1 ADC саны 5мВ, бұл ~ 0.3мТ. Орташа мәннің арқасында біз дәлдікті 0,3мТ -тен 0,01мТ -ға дейін жақсартамыз.

Бонус ретінде біз стандартты ауытқуды аламыз, сондықтан өзгермелі өрістер анықталады. 50 Гц жиіліктегі өріс өлшеу уақытында ~ 10 толық циклді құрайды, сондықтан оның айнымалы мәнін жақсы өлшеуге болады.

Кодты құрастырғаннан кейін мен келесі кері байланысты аламын: Sketch бағдарламаны сақтау үшін 16852 байтты (54%) пайдаланады. Ең үлкені - 30720 байт. Жаһандық айнымалылар 352 байтты (17%) динамикалық жады қолданады, ал жергілікті айнымалылар үшін 1696 байт қалады. Максимум - 2048 байт.

Кеңістіктің көп бөлігін Adafruit кітапханалары алады, бірақ одан әрі жұмыс істеу үшін көп орын бар

5 -қадам: Зондты дайындау

Зонд тар түтіктің ұшына жақсы орнатылады: осылайша оны тіпті тар тесіктердің ішінде де оңай орналастыруға және ұстауға болады. Магнитті емес материалдың кез келген қуыс түтігі жасайды. Мен ескі шарикті қолдандым, ол жақсы үйлеседі.

Түтіктен ұзын 3 жұқа иілгіш сым дайындаңыз. Мен 3 см таспалы кабель қолдандым. Түстерде логика жоқ (+5В үшін қызғылт сары, 0В үшін қызыл, сигнал үшін сұр), бірақ менің есімде тек 3 сым бар.

Зондты прототипте қолдану үшін, кейбір үзілген қатты ядролы сымның ұштарын дәнекерлеңіз және оларды қысқыш түтікпен қорғаңыз. Кейінірек бұл зонд сымдарын тікелей Arduino -ға дәнекерлеуге болатындай етіп кесілуі мүмкін.

6 -қадам: Портативті құрал құру

9В аккумуляторы, OLED экраны және Arduino Nano үлкен (үлкен) Tic-Tac қорапшасына ыңғайлы орналасқан. Оның мөлдір болуының артықшылығы бар, экран тіпті іште жақсы оқылады. Барлық бекітілген компоненттер (зонд, қосу/өшіру қосқышы және түймесі) жоғарғы жағына бекітілген, осылайша батареяны ауыстыруға немесе кодты жаңартуға арналған қораптан шығаруға болады.

Мен ешқашан 9В батареяларының жанкүйері болмадым: олар қымбат және сыйымдылығы аз. Бірақ менің жергілікті супермаркетім кенеттен қайта зарядталатын NiMH нұсқасын әрқайсысын 1 евроға сатты, мен оларды бір түнде 100 Ом резистор арқылы 11В токта зарядтауға болатынын білдім. Мен клиптерді арзанға тапсырыс бердім, бірақ олар ешқашан келмеді, сондықтан мен 9В ескі батареяны бөлшектедім, оның жоғарғы жағын клипке айналдыру үшін. 9В аккумуляторының жақсы жағы - бұл жинақы және Arduino оны Винге қосу арқылы жақсы жұмыс істейді. +5В -да OLED және Hall зондына арналған реттелетін 5В болады.

Холл зонды, OLED экраны және басу түймесі прототип сияқты дәл осылай қосылған. Жалғыз қосымша - 9В батарея мен Arduino арасындағы қосу/өшіру түймесі.

7 -қадам: калибрлеу

Кодтағы калибрлеу константасы деректер кестесінде берілген санға сәйкес келеді (1.4мВ/Гаусс), бірақ деректер парағы үлкен ауқымға рұқсат береді (1.0-1.75мВ/Гаусс). Дәл нәтиже алу үшін бізге зондты калибрлеу қажет!

Мықты магниттік өрісті шығарудың ең қарапайым әдісі соленоидты қолдану болып табылады: ұзын соленоидтың өріс кернеулігі: B = mu0*n*I. Вакуумды өткізгіштік-табиғаттың тұрақты шамасы: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Өріс біртекті және тек орамалардың тығыздығына байланысты n, және ток I, екеуін де жақсы дәлдікпен өлшеуге болады (~ 1%). Келтірілген формула шексіз ұзын соленоид үшін шығарылған, бірақ ұзындығы мен диаметрінің қатынасы L/D> 10 болған жағдайда орталықтағы өріс үшін өте жақсы жуықтау болып табылады.

Тиісті электромагнитті жасау үшін L/D> 10 қуыс цилиндрлік түтікті алыңыз және эмальданған сыммен тұрақты ораманы қолданыңыз. Мен сыртқы диаметрі 23 мм ПВХ түтігін қолдандым және орамасы 566, орамасы 20,2 см, нәтижесінде n = 28/см = 2800/м. Сымның ұзындығы 42 м, кедергісі 10,0 Ом.

Катушкаға қуат беріңіз және мультиметрмен ток ағынын өлшеңіз. Тоқты бақылауда ұстау үшін айнымалы кернеуді немесе айнымалы жүктеме резисторын қолданыңыз. Бірнеше ағымдағы параметрлер үшін магнит өрісін өлшеңіз және оны көрсеткіштермен салыстырыңыз.

Калибрлеу алдында мен 6,04 мТ/А өлшедім, ал теория 3,50 мТ/А болжайды. Мен кодтың 18 -жолындағы калибрлеу константасын 0,58 -ге көбейттім. Магнитометр қазір калибрленген!

Магниттер шақыруында екінші орын