Портативдүү магнитометр: 7 кадам (Сүрөттөр менен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:39

Магнитометр, кээде Гауссметр деп да аталат, магнит талаасынын күчүн өлчөйт. Бул туруктуу магниттердин жана электр магниттердин күчүн текшерүү жана анча маанилүү эмес магнит конфигурацияларынын талаа формасын түшүнүү үчүн маанилүү курал. Эгер ал жетишерлик сезимтал болсо, темир нерселер магниттелгенин да аныктай алат. Моторлордон жана трансформаторлордон убакыттын өтүшү менен өзгөргөн талаалар, эгерде иликтөө жетишерлик ылдам болсо, табылышы мүмкүн.

Уюлдук телефондордо адатта 3 огу бар магнитометр бар, бирок алар ~ 1 Гаусс = 0.1 мТ жердин алсыз магнит талаасы үчүн оптималдаштырылган жана бир нече мТ талааларында каныккан. Телефондогу сенсордун орду ачык эмес жана сенсорду электр магниттин тешиги сыяктуу тар тешиктердин ичине коюу мүмкүн эмес. Мындан тышкары, смартфонуңузду күчтүү магнитке жакындаткыңыз келбеши мүмкүн.

Бул жерде мен жалпы компоненттери бар жөнөкөй көчмө магнитометрди кантип жасоону сүрөттөйм: линиялык залдын сенсору, Arduino, дисплей жана баскыч. Жалпы наркы 5EURдан азыраак, жана -100дөн +100mTге чейинки диапазондо ~ 0.01mT сезгичтиги сиз күткөндөн жакшыраак. Так абсолюттук көрсөткүчтөрдү алуу үчүн, сиз аны калибрлешиңиз керек: Мен муну үйдө жасалган узун соленоид менен кантип жасоону сүрөттөп берем.

1 -кадам: Холл зонду

Холл эффекти-магниттик талааларды өлчөөнүн жалпы жолу. Электрондор магнит талаасындагы өткөргүч аркылуу өткөндө, алар капталга бурулуп кетет жана ошентип өткөргүчтүн капталдарында потенциалдуу айырмачылыкты пайда кылат. Жарым өткөргүч материалды жана геометрияны туура тандоо менен, күчөтүлө турган жана магнит талаасынын бир компонентинин ченемин берүү үчүн өлчөнүүчү сигнал чыгарылат.

Мен SS49E колдоном, анткени ал арзан жана кеңири жеткиликтүү. Анын маалымат барагынан бир нече нерселерди белгилей кетүү керек:

• Жеткирүү чыңалуусу: 2.7-6.5 V, ошондуктан Arduino 5V менен толук шайкеш келет.
• Null-чыгаруу: 2.25-2.75V, Ошентип, болжол менен жарымы 0 жана 5V ортосунда.
• Сезгичтик: 1.0-1.75mV/Gauss, ошондуктан так жыйынтыктарды алуу үчүн калибрлөө талап кылынат.
• Чыгуу чыңалуусу 1.0V-4.0V (эгер 5Вде иштесе): Arduino ADC менен жакшы жабылган.
• Аралыгы: +-650G минималдуу, +-1000G типтүү.
• Жооп берүү убактысы 3mus, андыктан ал бир нече ондогон кГцте үлгү ала алат.
• Жеткирүү агымы: 6-10мА, батарея менен иштөө үчүн жетишерлик төмөн.
• Температура катасы: ~ 0.1% даражада C. Аз көрүнөт, бирок 0.1% ордунан жылышы 3мТ ката берет.

Сенсор компакт, ~ 4x3x2mm жана магниттик талаанын алдыңкы бетине перпендикуляр болгон компонентин өлчөйт. Бул арт жагын алдыңкы жагына көрсөткөн талаалар үчүн оң натыйжа берет, мисалы, алдыңкы магниттик түштүк полюсуна алып келгенде. Сенсордо 3 коргошун бар, +5V, 0V жана чыгаруу солдон оңго карай, маңдайынан көрүнгөндө.

2 -кадам: Керектүү материал

• SS49E линиялык Hall сенсору. Бул 10 онлайн топтому үчүн ~ 1EUR турат.
• Arduino Uno прототиби үчүн прототип тактасы менен же портативдүү версиясы үчүн Arduino Nano (башсыз!)
• IDC интерфейси бар SSD1306 0,96”монохромдуу OLED дисплей
• Бир заматта баскыч

Зондду куруу үчүн:

• Эски шарик же башка бекем көңдөй түтүк
• 3 жука зым түтүктөн бир аз узун
• 12см ичке (1,5мм) кичирейтүүчү түтүк

Аны портативдүү кылуу үчүн:

• Чоң тик куту (18x46x83mm) же ушуга окшош
• 9В батареясы бар клип
• Күйгүзүү/өчүрүү

3 -кадам: Биринчи версия: Arduino прототип тактасын колдонуу

Бардык компоненттердин иштешин жана программалык камсыздоонун иштешин текшерүү үчүн ар дайым биринчи прототип! Сүрөттү ээрчиңиз жана Hall иликтөөчүсүн, дисплейди жана нөлдүк баскычты туташтыруу үчүн: Hall probe +5V, GND, A0 (солдон оңго) туташуусу керек. Дисплей GND, +5V, A5, A4 (солдон оңго) туташуусу керек. Баскыч басылганда жерден A1ге туташуу керек.

Код Arduino IDE 1.8.10 версиясы аркылуу жазылган жана жүктөлгөн. Бул Adafruit_SSD1306 жана Adafruit_GFX китепканаларын орнотууну талап кылат. Тиркелген эскизге кодду жүктөңүз.

Дисплейде DC жана AC мааниси көрсөтүлүшү керек.

4 -кадам: Кодекске байланыштуу кээ бир пикирлер

Эгерде сиз коддун ички иштешине кызыкпасаңыз, анда бул бөлүмдү өткөрүп жибериңиз.

Коддун негизги өзгөчөлүгү - магнит талаасынын катары менен 2000 жолу өлчөнүшү. Бул болжол менен 0,2-0,3 секунд талап кылынат. Ченөөлөрдүн суммасын жана квадрат суммасын көзөмөлдөө менен, DC жана AC катары билдирилген орточо жана стандарттык четтөөнү да эсептөөгө болот. Чоң өлчөмдөгү орточо эсеп менен тактык теориялык жактан sqrt (2000) ~ 45ке көбөйөт. Ошентип, 10-бит ADC менен, биз 15-бит ADCтин тактыгына жете алабыз! Бул чоң айырманы түзөт: 1 ADC саны 5мВ, бул ~ 0.3mT. Орточо көрсөткүчтүн жардамы менен биз тактыкты 0.3mTден 0.01mTге чейин жакшыртабыз.

Бонус катары биз стандарттык четтөөнү алабыз, андыктан өзгөрмөлүү талаалар ушундай деп аныкталат. 50 Гцте өзгөрмөлүү талаа өлчөө убагында ~ 10 толук циклди түзөт, андыктан анын AC маанисин жакшы өлчөөгө болот.

Кодду түзгөндөн кийин мен төмөнкүдөй пикирге ээ болом: Sketch программаны сактоочу жайдын 16852 байтын (54%) колдонот. Максимум 30720 байт. Глобалдык өзгөрмөлөр 352 байтты (17%) динамикалык эс тутумун колдонуп, жергиликтүү өзгөрмөлөр үчүн 1696 байтты калтырат. Максимум 2048 байт.

Көбүнчө мейкиндикти Adafruit китепканалары ээлейт, бирок андан ары иштеши үчүн көп орун бар

5 -кадам: Зондду даярдоо

Зонд эң жакшы тар түтүктүн учуна орнотулат: ушундай жол менен аны оңой эле койсо болот жана тар оюкчалардын ичинде да абалда кармаса болот. Магниттик эмес материалдын кандайдыр бир көңдөй түтүгү жасайт. Мен эски шарикти колдондум, ал эң сонун дал келет.

Түтүктөн узун 3 жука ийкемдүү зым даярдаңыз. Мен 3см лента кабелин колдондум. Түстөрдө логика жок (+5В үчүн кызгылт сары, 0V үчүн кызыл, сигнал үчүн боз), бирок 3 зым менен эстей алам.

Прототипте пробаны колдонуу үчүн, кээ бир бөлүктөрү ажыратылган катуу өзөктүү зымдын учтарын ширетип, аларды труба менен коргоңуз. Кийинчерээк муну кесип салса болот, андыктан иликтөө зымдары Arduinoго түз туташтырылышы мүмкүн.

6 -кадам: Портативдүү инструментти куруу

9V батарейкасы, OLED экраны жана Arduino Nano (чоң) Tic-Tac кутусунун ичине ыңгайлуу келет. Анын ачык -айкындыгынын артыкчылыгы бар, экран экранда да жакшы окулат. Бардык бекитилген компоненттер (иликтөө, күйгүзүү/өчүрүү жана баскыч) үстүнө тиркелет, ошондуктан бүтүндөй батареяны алмаштыруу же кодду жаңыртуу үчүн кутудан чыгарылышы мүмкүн.

Мен эч качан 9В батареяларынын күйөрманы болгон эмесмин: алар кымбат жана кубаттуулугу аз. Бирок менин жергиликтүү супермаркетим күтүлбөгөн жерден кайра заряддалуучу NiMH версиясын 1 еврого сатты, жана мен аларды түн ичинде 100Ohm резистор аркылуу 11Вда кармап заряддоого болорун таптым. Мен клиптерди арзанга заказ кылдым, бирок алар келген жок, ошондуктан үстүн клипке айландыруу үчүн эски 9В батареяны бөлүп алдым. 9V батарейкасынын жакшы жери - бул чакан жана Arduino аны Винге туташтыруу менен жакшы иштейт. +5Vда OLED жана Hall иликтөө үчүн жеткиликтүү 5V болот.

Холл иликтөөчүсү, OLED экраны жана баскыч баскычы прототипке окшош туташкан. Жалгыз кошумча - 9В батарейкасы менен Arduino ортосундагы күйгүзүү/өчүрүү баскычы.

7 -кадам: Калибрлөө

Коддогу калибрлөө константасы маалымат барагында берилген санга дал келет (1.4мВ/Гаусс), бирок маалымат барагы чоң диапазонго мүмкүндүк берет (1.0-1.75мВ/Гаусс). Так натыйжаларды алуу үчүн, биз иликтөөнү калибрлешибиз керек!

Жакшы аныкталган күчтүн магнит талаасын чыгаруунун эң оңой жолу соленоидди колдонуу болуп саналат: узун соленоиддин талаа күчү: B = mu0*n*I. Вакуумдук өткөрүмдүүлүк табияттын константасы: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Талаа бир тектүү жана ороонун тыгыздыгынан гана көз каранды, жана ток I, экөө тең жакшы тактык менен өлчөнүшү мүмкүн (~ 1%). Келтирилген формула чексиз узун соленоид үчүн алынган, бирок борбордун талаасы үчүн узундуктун диаметрине болгон катышы абдан жакшы жакындатылган, L/D> 10.

Ылайыктуу электромагнити жасоо үчүн L/D> 10 менен көңдөй цилиндр түрүндөгү түтүктү алып, эмальданган зым менен кадимки ороомду колдонуңуз. Мен ПВХ түтүгүн колдонгом жана тышкы диаметри 23мм жана 566 ороомо, 20.2 смге караганда, натыйжада n = 28/cm = 2800/м. Зымдын узундугу 42м жана каршылыгы 10.0 Ом.

Катушкага электр энергиясын берүү жана токтун агымын мультиметр менен өлчөө. Токту көзөмөлдөп туруу үчүн өзгөрүлмө чыңалуу берүүнү же өзгөрүлмө жүк каршылыгын колдонуңуз. Бир нече учурдагы орнотуулар үчүн магнит талаасын өлчөп, аны көрсөткүчтөр менен салыштырыңыз.

Калибрлөө алдында мен 6.04 мТ/А ченедим, ал эми теория 3.50 мТ/А болжолдойт. Ошентип, мен коддун 18 -сапындагы калибрлөө константасын 0,58ге көбөйттүм. Магнитометр азыр калибрленген!

Магниттер чакырыгында Runner Up