En magnetometer, ibland även kallad en gaussmeter, mäter styrkan hos ett magnetfält. Detta är ett viktigt verktyg för att kontrollera permanentmagneter och elektromagneter och för att förstå formen på fältkonfigurationerna för icke-standardmagneter. Med tillräcklig känslighet kan den också upptäcka magnetiserade järnföremål. Tidsvarierande fält från motorer och transformatorer kan detekteras om sonden är tillräckligt känslig.
I den här artikeln kommer guiden att berätta hur du gör en enkel bärbar magnetometer med vanliga komponenter: en linjär Hall-sensor, Arduino, display och knapp. Den totala kostnaden är mindre än 5 euro och känsligheten är ~ 0,01 mT i området från -100 till + 100 mT. Detta är bättre än du skulle förvänta dig av en sådan enhet. För att få korrekt avläsning måste du kalibrera instrumentet, och guiden beskriver också denna process.
Verktyg och material:
-SS49E linjär Hall-sensor;
-Arduino Uno;
-SSD1306 - 0,96 ”monokrom OLED-skärm med I2C-gränssnitt;
-Mikroknapp;
- Kulspetspenna;
-3 tunnsträngade trådar;
-12 cm tunn (1,5 mm) krymprör;
-Plastbox (18x46x83 mm);
-Pereklyuchatel;
-Batteri 9V;
-Batterihållare;
Steg ett: Teori
Du kan använda en smartphone för att mäta magnetfältet. Smartphones innehåller vanligtvis en 3-axlig magnetometer, men den är vanligtvis optimerad för ett svagt magnetfält på jorden ~ 1 Gauss = 0,1 mT. Platsen för sensorn på telefonen är inte känd, och det är inte möjligt att placera sensorn i smala hål, t.ex. hålet på en elektromagnet.
Hall-effekten är ett vanligt sätt att mäta magnetfält. När elektroner flyter genom en ledare i ett magnetfält avviker de i sidled och skapar således en potentialskillnad på ledarens sidor. Med rätt materialval och halvledarens geometri erhålls en mätbar signal som kan förstärkas och mätningen av en komponent i magnetfältet kan säkerställas.
Guiden använder en billig och allmänt tillgänglig SS49E-sensor.
Här är dess egenskaper:
• Energieffektiv
• Bekvämt PCB-gränssnitt
• Stabil utgång med lågt brus
• Matningsspänningsområdet från 2,7V DC till 6,5V DC
• Känslighet 1,4 mV / G
• Svarstid: 3m
• Linearitet (% av intervallet) 0,7%
• Driftstemperaturområde från -40 ° C till 100 ° C
Sensorn är kompakt, ~ 4x3x2 mm. Mäter komponenten i magnetfältet vinkelrätt mot dess främre yta. Sensorn är bipolär och har 3 stift - Vcc Gnd Out
Steg två: brödskiva
Först monterar guiden kretsen på en brödskiva. Ansluter Hall-sensorn, displayen och knappen: Hall-sensorn måste vara ansluten till + 5V, GND, A1 (från vänster till höger). Displayen måste vara ansluten till GND, + 5V, A5, A4 (från vänster till höger). När du trycker på knappen är det nödvändigt att upprätta en jordanslutning vid A0.
Koden skrevs och laddades ner med Arduino IDE version 1.8.10. Kräver installation av Adafruit_SSD1306- och Adafruit_GFX-bibliotek.
Displayen ska visa likströmsvärdet och växelströmsvärdet.
Koden kan laddas ner nedan.
Magnetometer.ino
Steg tre: Sensor
Hall-sensorn installeras bäst i slutet av ett smalt rör. Detta arrangemang är mycket bekvämt och kan enkelt placeras i smala hål. Alla ihåliga rör tillverkade av icke-magnetiskt material kommer att göra. Befälhavaren använde en gammal kulspetspenna.
Du måste förbereda tre tunna flexibla ledningar som är längre än röret. Löd trådarna på sensorns ben, isolerade.
Steg fyra: Bygg
9V-batteriet, OLED-skärmen och Arduino Nano passar bekvämt i en Tic-Tac-låda. Fördelen är att den är transparent, så värdena på skärmen läses väl inuti. Alla fasta komponenter (sensor, strömbrytare och knapp) är fästa på toppen så att hela enheten kan tas bort från lådan för att byta ut batteriet eller uppdatera koden.
Befälhavaren var inte en fan av 9 V-batterier, de är dyra och har en liten kapacitet. Men den lokala stormarknaden sålde plötsligt en laddningsbar version av NiMH för 1 euro vardera. De kan lätt laddas om de levereras med 11 V-kraft genom ett 100 Ohm-motstånd över natten. För att ansluta batteriet använder befälhavaren kontakterna från det gamla 9 V-batteriet. 9V-batteri är kompakt. Från batteri + serveras på Vin Arduino, minus på GND. Vid utgången på +5 V finns det en justerbar spänning på 5 V för displayen och för Hall-sensorn.
Hall-sonden, OLED-skärmen och knappen är anslutna på samma sätt som på brädskivan. Det enda tillskottet är att på / av-knappen är installerad mellan 9V-batteriet och Arduino.
Steg fem: Kalibrering
Kalibreringskonstanten i koden motsvarar antalet som anges i den tekniska beskrivningen (1,4 mV / gauss), men den tekniska beskrivningen tillåter ett brett intervall (1,0-1,75 mV / gauss). För att få exakta resultat måste vi kalibrera sonden.
Det enklaste sättet att skapa ett magnetfält med en exakt definierad kraft är att använda en magnetventil.
För beräkningen tas följande formel: B = mu0 * n * I. Magnetkonstanten är konstant mu0 = 1,2566x10 ^ -6 T / M / A. Fältet är enhetligt och beror endast på viklingens n och ström I, som kan mätas med bra noggrannhet (~ 1%). Ovanstående formel fungerar i detta fall om förhållandet mellan längd och diameter L / D> 10.
För att skapa en lämplig magnetventil måste du ta ett ihåligt cylindriskt rör med L / D> 10 och linda lindningen. Befälhavaren använde ett PVC-rör med en ytterdiameter på 23 mm. Antalet varv är 566. Motståndet är 10 ohm.
Den levererar sedan ström till spolen och mäter strömmen med en multimeter. För att kontrollera strömmen använder den en växelspänningskälla eller ett motstånd med variabel belastning. Mät magnetfältet för flera aktuella inställningar och jämför det med avläsningarna.
Före kalibreringen visade sensorn 6,04 mT, medan den i teorin var 3,50 mT. Därför multiplicerade befälhavaren kalibreringskonstanten i rad 18 i koden med 0,58. Magnetometern är nu kalibrerad.
