Magnetòmetre portàtil: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Un magnetòmetre, de vegades també anomenat Gaussmeter, mesura la força del camp magnètic. És una eina essencial per provar la força dels imants permanents i electroimants i per entendre la forma del camp de les configuracions d’imants no trivials. Si és prou sensible, també pot detectar si es van magnetitzar objectes de ferro. Es poden detectar camps que varien en el temps de motors i transformadors si la sonda és prou ràpida.

Els telèfons mòbils solen contenir un magnetòmetre de 3 eixos, però s’han optimitzat per al camp magnètic de la terra feble de ~ 1 Gauss = 0,1 mT i saturar-se en camps d’uns pocs mT. La ubicació del sensor al telèfon no és obvia i no és possible col·locar el sensor dins d’obertures estretes com el forat d’un electroimant. A més, és possible que no vulgueu apropar el vostre telèfon intel·ligent a imants forts.

Aquí descric com fer un magnetòmetre portàtil senzill amb components comuns: un sensor lineal de sala, un Arduino, una pantalla i un polsador. El cost total és inferior a 5 EUR i la sensibilitat de ~ 0,01 mT en un interval de -100 a + 100 mT és millor del que podríeu esperar ingènuament. Per obtenir lectures absolutes precises, l’haureu de calibrar: us descric com fer-ho amb un solenoide llarg de fabricació pròpia.

Pas 1: la sonda Hall

L’efecte Hall és una forma habitual de mesurar els camps magnètics. Quan els electrons flueixen a través d'un conductor en un camp magnètic, es desvien cap als costats i, per tant, creen una diferència de potencial als costats del conductor. Amb l’elecció adequada de material i geometria de semiconductors, es produeix un senyal mesurable que es pot amplificar i proporcionar una mesura d’un component del camp magnètic.

Faig servir el SS49E perquè és barat i està disponible. Algunes coses a destacar del seu full de dades:

• Tensió d'alimentació: 2,7-6,5 V, de manera perfectament compatible amb els 5V de l'Arduino.
• Sortida nul·la: 2,25-2,75 V, per tant, aproximadament a la meitat del camí entre 0 i 5 V.
• Sensibilitat: 1,0-1,75 mV / Gauss, de manera que caldrà un calibratge per obtenir resultats precisos.
• Voltatge de sortida 1,0V-4,0V (si funciona a 5V): ben cobert per l'Arduino ADC.
• Rang: + -650G mínim, + -1000G típic.
• Temps de resposta de 3mus, de manera que pot fer mostres a poques desenes de kHz.
• Corrent de subministrament: 6-10 mA, prou baix per funcionar amb bateria.
• Error de temperatura: ~ 0,1% per grau C. Sembla poc, però una derivació de desplaçament del 0,1% dóna un error de 3 mT.

El sensor és compacte, de ~ 4x3x2mm, i mesura el component del camp magnètic que és perpendicular a la seva cara frontal. Es produirà un positiu per als camps que apunten des del costat posterior cap al costat frontal, per exemple quan el frontal es porta a un pol sud magnètic. El sensor té 3 cables, + 5 V, 0 V i sortida d’esquerra a dreta, quan es veu des de la part frontal.

Pas 2: material obligatori

• Sensor Hall lineal SS49E. Aquests costen aproximadament 1 EUR per a un conjunt de 10 en línia.
• Arduino Uno amb placa prototip per prototip o Arduino Nano (sense capçaleres!) Per a la versió portàtil
• Pantalla OLED monocroma SSD1306 de 0,96”amb interfície I2C
• Un polsador momentani

Per construir la sonda:

• Un vell bolígraf o un altre tub buit resistent
• 3 fils de cadena prims una mica més llargs que el tub
• 12 cm de tub prim retràctil (1,5 mm)

Per fer-lo portàtil:

• Una caixa tic-tac gran (18x46x83mm) o similar
• Un clip de bateria de 9V
• Un interruptor d’encès / apagat

Pas 3: primera versió: utilitzar una placa de prototip Arduino

Sempre prototipeu primer per comprovar que tots els components funcionen i que el programari és funcional. Seguiu la imatge i connecteu la sonda Hall, la pantalla i el botó nul: la sonda Hall ha d'estar connectada a + 5V, GND, A0 (d'esquerra a dreta). La pantalla ha d’estar connectada a GND, + 5V, A5, A4 (d’esquerra a dreta). El botó ha de fer una connexió des de terra fins a A1 quan es prem.

El codi es va escriure i penjar mitjançant la versió 1.8.10 d’Arduino IDE. Cal instal·lar les biblioteques Adafruit_SSD1306 i Adafruit_GFX Pengeu el codi a l'esbós adjunt.

La pantalla ha de mostrar un valor de corrent continu i un valor de corrent altern.

Pas 4: alguns comentaris sobre el codi

No dubteu a ometre aquesta secció si no us interessa el funcionament intern del codi.

La característica clau del codi és que el camp magnètic es mesura 2000 vegades seguides. Això triga uns 0,2-0,3 segons. Seguint la suma i la suma al quadrat de les mesures, és possible calcular tant la mitjana com la desviació estàndard, que s’informen com DC i AC. Mitjançant la mitjana d’un gran nombre de mesures, la precisió augmenta, teòricament en sqrt (2000) ~ 45. Així doncs, amb un ADC de 10 bits, podem assolir la precisió d’un ADC de 15 bits. Fa una gran diferència: un recompte d'ADC és de 5 mV, que és de ~ 0,3 mT. Gràcies a la mitjana, millorem la precisió de 0,3 mT a 0,01 mT.

Com a bonificació, també obtenim la desviació estàndard, de manera que els camps fluctuants s’identifiquen com a tals. Un camp que fluctua a 50Hz fa ~ 10 cicles complets durant el temps de mesura, de manera que es pot mesurar bé el seu valor AC.

Després de compilar el codi, obtinc els comentaris següents: Sketch utilitza 16852 bytes (54%) d'espai d'emmagatzematge del programa. El màxim és de 30720 bytes. Les variables globals utilitzen 352 bytes (17%) de memòria dinàmica, deixant 1696 bytes per a variables locals. El màxim és de 2048 bytes.

Les biblioteques d'Adafruit ocupen la major part de l'espai, però hi ha molt d'espai per a una major funcionalitat

Pas 5: Preparació de la sonda

La sonda es munta millor a la punta d’un tub estret: d’aquesta manera es pot col·locar fàcilment i mantenir en posició fins i tot dins d’obertures estretes. Farà qualsevol tub buit d’un material no magnètic. Vaig utilitzar un bolígraf antic que donava un ajust perfecte.

Prepareu 3 fils flexibles fins que siguin més llargs que el tub. He utilitzat 3cm de cable de cinta. No hi ha cap lògica en els colors (taronja per a + 5V, vermell per a 0V, gris per a senyal), però amb només 3 cables recordo.

Per utilitzar la sonda al prototip, soldeu algunes peces de filferro de connexió de nucli sòlid pelat de l’extrem i protegiu-les amb un tub retràctil. Més tard, es pot tallar perquè els cables de la sonda es puguin soldar directament a l'Arduino.

Pas 6: construir un instrument portàtil

Una bateria de 9 V, la pantalla OLED i un Arduino Nano caben còmodament dins d’una (gran) caixa Tic-Tac. Té l'avantatge de ser transparent, ja que la pantalla es pot llegir fins i tot a l'interior. Tots els components fixos (la sonda, l’interruptor d’encès / apagat i el polsador) s’uneixen a la part superior, de manera que es pot treure tot el conjunt de la caixa per canviar la bateria o actualitzar el codi.

Mai no vaig ser fan de les bateries de 9V: són cares i tenen poca capacitat. Però el meu supermercat local va vendre de sobte la versió recarregable de NiMH per 1 EUR cadascun, i vaig trobar que es poden carregar fàcilment mantenint-los a 11V mitjançant una resistència de 100 Ohm durant la nit. Vaig demanar clips a bon preu, però no van arribar mai, així que vaig desmuntar una antiga bateria de 9V per convertir la part superior en un clip. El bo de la bateria de 9V és que és compacta i l’Arduino funciona bé connectant-la a Vin. A + 5V hi haurà un 5V regulat disponible per a l'OLED i per a la sonda Hall.

La sonda Hall, la pantalla OLED i el polsador estan connectats de la mateixa manera que per al prototip. L’única addició és un botó d’encès / apagat entre la bateria de 9V i l’Arduino.

Pas 7: calibració

La constant de calibratge del codi correspon al nombre indicat al full de dades (1,4 mV / Gauss), però el full de dades permet un ampli rang (1,0-1,75 mV / Gauss). Per obtenir resultats precisos, haurem de calibrar la sonda.

La forma més directa de produir un camp magnètic amb una força ben determinada és utilitzar un solenoide: la intensitat del camp d’un solenoide llarg és: B = mu0 * n * I. La permeabilitat al buit és una constant de la naturalesa: mu0 = 1,2566x10 ^ -6 T / m / A. El camp és homogeni i només depèn de la densitat de bobinats n i del corrent I, que es poden mesurar amb una bona precisió (~ 1%). La fórmula citada es deriva per a un solenoide infinitament llarg, però és una molt bona aproximació per al camp del centre, sempre que la proporció longitud-diàmetre, L / D> 10.

Per fer un solenoide adequat, agafeu un tub cilíndric buit amb L / D> 10 i apliqueu bobinats regulars amb filferro esmaltat. He utilitzat un tub de PVC amb un diàmetre exterior de 23 mm i he enrotllat 566 bobinats, que abastaven 20,2 cm, donant com a resultat n = 28 / cm = 2800 / m. La longitud del cable és de 42 m i la resistència de 10,0 Ohm.

Subministra energia a la bobina i mesura el flux de corrent amb un multímetre. Utilitzeu una font de tensió variable o una resistència de càrrega variable per mantenir el corrent sota control. Mesureu el camp magnètic per a alguns paràmetres actuals i compareu-lo amb les lectures.

Abans del calibratge, mesurava 6,04 mT / A mentre la teoria prediu 3,50 mT / A. Així que vaig multiplicar la constant de calibratge a la línia 18 del codi per 0,58. El magnetòmetre ja està calibrat.

Subcampió en el repte dels imants