Portatif Manyetometre: 7 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bazen Gaussmetre olarak da adlandırılan bir manyetometre, manyetik alanın gücünü ölçer. Kalıcı mıknatısların ve elektromıknatısların gücünü test etmek ve önemsiz olmayan mıknatıs konfigürasyonlarının alan şeklini anlamak için önemli bir araçtır. Yeterince hassassa, demir nesnelerin manyetize olup olmadığını da algılayabilir. Prob yeterince hızlıysa motorlardan ve transformatörlerden zamanla değişen alanlar tespit edilebilir.

Cep telefonları genellikle 3 eksenli bir manyetometre içerir, ancak bunlar ~1 Gauss = 0.1 mT'lik zayıf toprak manyetik alanı ve birkaç mT'lik alanlarda doygunluk için optimize edilmiştir. Sensörün telefondaki yeri belli değil ve sensörü elektromıknatıs deliği gibi dar açıklıkların içine yerleştirmek mümkün değil. Ayrıca, akıllı telefonunuzu güçlü mıknatısların yakınına getirmek istemeyebilirsiniz.

Burada, ortak bileşenlere sahip basit bir taşınabilir manyetometrenin nasıl yapıldığını açıklıyorum: doğrusal bir salon sensörü, bir Arduino, bir ekran ve bir basma düğmesi. Toplam maliyet 5EUR'dan azdır ve -100 ila +100mT aralığında ~0.01mT'lik hassasiyet safça beklediğinizden daha iyidir. Kesin mutlak okumalar elde etmek için kalibre etmeniz gerekir: Bunu ev yapımı bir uzun solenoidle nasıl yapacağınızı anlatıyorum.

Adım 1: Salon Sondası

Hall etkisi, manyetik alanları ölçmenin yaygın bir yoludur. Elektronlar bir manyetik alanda bir iletkenden geçerken yanlara doğru saparlar ve böylece iletkenin yanlarında potansiyel bir fark yaratırlar. Doğru yarı iletken malzeme ve geometri seçimiyle, büyütülebilen ve manyetik alanın bir bileşeninin ölçüsünü sağlayan ölçülebilir bir sinyal üretilir.

SS49E'yi ucuz ve yaygın olarak bulunabildiği için kullanıyorum. Veri sayfasından not edilmesi gereken birkaç şey:

• Besleme voltajı: 2,7-6,5 V, Arduino'dan 5V ile mükemmel uyumlu.
• Boş çıkış: 2,25-2,75V, yani yaklaşık olarak 0 ile 5V arasındadır.
• Duyarlılık: 1.0-1.75mV/Gauss, bu nedenle kesin sonuçlar elde etmek için kalibrasyon gerekir.
• Çıkış voltajı 1.0V-4.0V (5V'de çalıştırılırsa): Arduino ADC tarafından iyi bir şekilde kaplanmıştır.
• Aralık: +-650G minimum, +-1000G tipik.
• Tepki süresi 3mus, böylece birkaç on kHz'de örnekleme yapabilir.
• Besleme akımı: 6-10mA, pille çalışacak kadar düşük.
• Sıcaklık hatası: °C başına ~%0,1. Küçük görünüyor ancak %0,1'lik bir sapma kayması 3mT hata veriyor.

Sensör kompakttır, ~4x3x2mm ve ön yüzüne dik olan manyetik alan bileşenini ölçer. Örneğin ön taraf bir manyetik güney kutbuna getirildiğinde, arka taraftan ön tarafa işaret eden alanlar için bir pozitif çıktı verecektir. Sensör, önden bakıldığında +5V, 0V olmak üzere 3 kabloya ve soldan sağa çıkışa sahiptir.

Adım 2: Gerekli Malzeme

• SS49E lineer Hall sensörü. Bu, çevrimiçi olarak 10'luk bir set için ~ 1 EUR tutarındadır.
• Prototip için prototip panosuna sahip Arduino Uno veya taşınabilir sürüm için Arduino Nano (başlıksız!)
• I2C arayüzlü SSD1306 0,96” monokrom OLED ekran
• Bir anlık buton

Probu oluşturmak için:

• Eski bir tükenmez kalem veya başka bir sağlam içi boş tüp
• Tüpten biraz daha uzun 3 ince telli tel
• 12 cm ince (1,5 mm) daralan makaron

Taşınabilir hale getirmek için:

• Büyük bir tic-tac kutusu (18x46x83mm) veya benzeri
• 9V pil klipsi
• Bir açma/kapama anahtarı

Adım 3: İlk Versiyon: Arduino Prototip Kartı Kullanmak

Tüm bileşenlerin çalıştığını ve yazılımın işlevsel olup olmadığını kontrol etmek için her zaman önce prototip yapın! Resmi takip edin ve Hall probunu, ekranı ve null düğmesini bağlamak için: Hall probunun +5V, GND, A0'a (soldan sağa) bağlanması gerekir. Ekranın GND, +5V, A5, A4'e (soldan sağa) bağlanması gerekir. Düğmeye basıldığında topraktan A1'e bağlantı yapması gerekir.

Kod, Arduino IDE 1.8.10 sürümü kullanılarak yazılmış ve yüklenmiştir. Adafruit_SSD1306 ve Adafruit_GFX kitaplıklarının kurulmasını gerektirir. Kodu ekteki çizime yükleyin.

Ekran bir DC değeri ve bir AC değeri göstermelidir.

Adım 4: Kod Hakkında Bazı Yorumlar

Kodun iç işleyişiyle ilgilenmiyorsanız bu bölümü atlamaktan çekinmeyin.

Kodun temel özelliği, manyetik alanın arka arkaya 2000 kez ölçülmesidir. Bu yaklaşık 0.2-0.3 saniye sürer. Ölçümlerin toplamını ve kare toplamını takip ederek, DC ve AC olarak rapor edilen hem ortalamayı hem de standart sapmayı hesaplamak mümkündür. Çok sayıda ölçümün ortalamasını alarak, kesinlik teorik olarak sqrt(2000)~45 oranında artar. Yani 10 bitlik bir ADC ile 15 bitlik bir ADC'nin hassasiyetine ulaşabiliriz! Büyük bir fark yaratır: 1 ADC sayısı 5mV'dir, bu da ~0.3mT'dir. Ortalama alma sayesinde hassasiyeti 0,3mT'den 0,01mT'ye yükseltiyoruz.

Bir bonus olarak, standart sapmayı da alırız, bu nedenle dalgalı alanlar bu şekilde tanımlanır. 50Hz'de dalgalanan bir alan, ölçüm süresi boyunca ~10 tam döngü yapar, böylece AC değeri iyi ölçülebilir.

Kodu derledikten sonra aşağıdaki geri bildirimi alıyorum: Sketch, 16852 bayt (%54) program depolama alanı kullanıyor. Maksimum 30720 bayttır. Global değişkenler, yerel değişkenler için 1696 bayt bırakarak 352 bayt (%17) dinamik bellek kullanır. Maksimum 2048 bayttır.

Alanın çoğu Adafruit kitaplıkları tarafından kaplanır, ancak daha fazla işlevsellik için bolca alan vardır.

Adım 5: Probun Hazırlanması

Prob en iyi şekilde dar bir tüpün ucuna monte edilir: bu şekilde dar açıklıkların içinde bile kolayca yerleştirilebilir ve yerinde tutulabilir. Manyetik olmayan bir malzemeden yapılmış herhangi bir içi boş tüp yapacaktır. Mükemmel bir uyum sağlayan eski bir tükenmez kalem kullandım.

Tüpten daha uzun 3 ince esnek tel hazırlayın. 3 cm şerit kablo kullandım. Renklerde mantık yok (+5V için turuncu, 0V için kırmızı, sinyal için gri) ama sadece 3 kablo ile hatırlayabiliyorum.

Probu prototip üzerinde kullanmak için, soyulmuş katı çekirdekli bağlantı telinin bazı parçalarını uçlarına lehimleyin ve bunları büzülme borusuyla koruyun. Daha sonra bu, prob kablolarının doğrudan Arduino'ya lehimlenebilmesi için kesilebilir.

Adım 6: Taşınabilir Bir Enstrüman Oluşturma

9V pil, OLED ekran ve Arduino Nano (büyük) bir Tic-Tac kutusunun içine rahatça sığar. Şeffaf olma avantajına sahiptir, ekranın içinde bile iyi okunabilir. Tüm sabit bileşenler (prob, açma/kapama düğmesi ve basma düğmesi) üste takılıdır, böylece tüm düzenek pili değiştirmek veya kodu güncellemek için kutudan çıkarılabilir.

Hiçbir zaman 9V pillerin hayranı olmadım: pahalıdırlar ve kapasiteleri azdır. Ancak yerel süpermarketim aniden şarj edilebilir NiMH versiyonunu her biri 1 EUR'ya sattı ve gece boyunca 100Ohm'luk bir dirençle 11V'de tutularak kolayca şarj edilebileceğini gördüm. Klipsleri ucuza sipariş ettim ama hiç gelmediler, bu yüzden üst kısmı bir klipse dönüştürmek için eski bir 9V pili söktüm. 9V pilin iyi yanı, kompakt olması ve Arduino'nun Vin'e bağlayarak üzerinde iyi çalışmasıdır. +5V'de, OLED ve Hall probu için düzenlenmiş bir 5V olacaktır.

Hall probu, OLED ekran ve basma düğmesi, prototipte olduğu gibi bağlanır. Tek ekleme, 9V pil ve Arduino arasında bir açma/kapama düğmesidir.

Adım 7: Kalibrasyon

Koddaki kalibrasyon sabiti, veri sayfasında verilen sayıya (1.4mV/Gauss) karşılık gelir, ancak veri sayfası geniş bir aralığa (1.0-1.75mV/Gauss) izin verir. Doğru sonuçlar elde etmek için probu kalibre etmemiz gerekecek!

İyi belirlenmiş bir kuvvete sahip bir manyetik alan üretmenin en basit yolu bir solenoid kullanmaktır: uzun bir solenoidin alan kuvveti: B=mu0*n*I'dir. Vakum geçirgenliği bir doğa sabitidir: mu0=1.2566x10^-6 T/m/A. Alan homojendir ve yalnızca her ikisi de iyi bir doğrulukla (~%1) ölçülebilen sargıların n yoğunluğuna ve I akımına bağlıdır. Alıntılanan formül sonsuz uzun solenoid için türetilmiştir, ancak uzunluğun çapa oranı L/D>10 olduğu sürece merkezdeki alan için çok iyi bir yaklaşımdır.

Uygun bir solenoid yapmak için L/D > 10 olan içi boş silindirik bir boru alın ve emaye telle düzenli sarımlar uygulayın. Dış çapı 23 mm olan bir PVC boru kullandım ve 20,2 cm yayıldığından 566 sargı sardım, sonuçta n=28/cm=2800/m oldu. Kablo uzunluğu 42m ve direnç 10.0 Ohm'dur.

Bobine güç sağlayın ve bir multimetre ile akım akışını ölçün. Akımı kontrol altında tutmak için değişken bir voltaj kaynağı veya değişken bir yük direnci kullanın. Birkaç akım ayarı için manyetik alanı ölçün ve okumalarla karşılaştırın.

Kalibrasyondan önce, teori 3,50 mT/A'yı tahmin ederken 6,04 mT/A ölçtüm. Bu yüzden kodun 18. satırındaki kalibrasyon sabitini 0,58 ile çarptım. Manyetometre artık kalibre edilmiştir!

Mıknatıslar Yarışmasında İkincilik