Draagbare magnetometer: 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een magnetometer, ook wel Gaussmeter genoemd, meet de sterkte van het magnetische veld. Het is een essentieel hulpmiddel om de sterkte van permanente magneten en elektromagneten te testen en om de veldvorm van niet-triviale magneetconfiguraties te begrijpen. Als het gevoelig genoeg is, kan het ook detecteren of ijzeren voorwerpen gemagnetiseerd zijn. Tijdsafhankelijke velden van motoren en transformatoren kunnen worden gedetecteerd als de sonde snel genoeg is.

Mobiele telefoons bevatten meestal een 3-assige magnetometer, maar ze zijn geoptimaliseerd voor het zwakke aardmagneetveld van ~1 Gauss = 0,1 mT en verzadigen bij velden van enkele mT. De locatie van de sensor op de telefoon is niet duidelijk en het is niet mogelijk om de sensor in nauwe openingen zoals de boring van een elektromagneet te plaatsen. Bovendien wil je je smartphone misschien niet in de buurt van sterke magneten brengen.

Hier beschrijf ik hoe je een eenvoudige draagbare magnetometer maakt met gemeenschappelijke componenten: een lineaire hall-sensor, een Arduino, een display en een drukknop. De totale kosten zijn minder dan 5 EUR, en de gevoeligheid van ~0,01mT op een bereik van -100 tot +100mT is beter dan wat je naïef zou verwachten. Om nauwkeurige absolute metingen te krijgen, moet je het kalibreren: ik beschrijf hoe je dat kunt doen met een zelfgemaakte lange solenoïde.

Stap 1: De Hall-sonde

Het Hall-effect is een veelgebruikte manier om magnetische velden te meten. Wanneer elektronen door een geleider in een magnetisch veld stromen, worden ze zijwaarts afgebogen en creëren zo een potentiaalverschil aan de zijkanten van de geleider. Met de juiste keuze van halfgeleidermateriaal en geometrie wordt een meetbaar signaal geproduceerd dat kan worden versterkt en dat een maat geeft voor één component van het magnetische veld.

Ik gebruik de SS49E omdat hij goedkoop en overal verkrijgbaar is. Een paar dingen om op te merken uit de datasheet:

• Voedingsspanning: 2,7-6,5 V, dus perfect compatibel met de 5V van de Arduino.
• Null-output: 2,25-2,75V, dus ongeveer halverwege tussen 0 en 5V.
• Gevoeligheid: 1,0-1,75 mV/Gauss, dus het vereist kalibratie om nauwkeurige resultaten te krijgen.
• Uitgangsspanning 1,0 V-4,0 V (indien gebruikt op 5 V): goed gedekt door de Arduino ADC.
• Bereik: +-650G minimaal, +-1000G typisch.
• Responstijd 3mus, zodat hij kan samplen op enkele tientallen kHz.
• Voedingsstroom: 6-10mA, laag genoeg om op batterijen te werken.
• Temperatuurfout: ~0,1% per graad C. Lijkt weinig, maar een afwijking van 0,1% geeft een fout van 3mT.

De sensor is compact, ~4x3x2mm, en meet de component van het magnetische veld die loodrecht op zijn voorkant staat. Het geeft een positief resultaat voor velden die van de achterkant naar de voorkant wijzen, bijvoorbeeld wanneer de voorkant naar een magnetische zuidpool wordt gebracht. De sensor heeft 3 kabels, +5V, 0V en uitgang van links naar rechts, van voren gezien.

Stap 2: Benodigd materiaal

• SS49E lineaire Hall-sensor. Deze kosten ~1EUR voor een set van 10 online.
• Arduino Uno met prototypebord voor prototype of Arduino Nano (zonder headers!) voor draagbare versie
• SSD1306 0,96” monochroom OLED-scherm met I2C-interface
• Een kortstondige drukknop

Om de sonde te construeren:

• Een oude balpen of een andere stevige holle buis
• 3 dunne gevlochten draden iets langer dan de buis
• 12 cm dunne (1,5 mm) krimpkous

Om het draagbaar te maken:

• Een grote tic-tac doos (18x46x83mm) of iets dergelijks
• Een 9V-batterijclip
• Een aan/uit schakelaar

Stap 3: Eerste versie: een Arduino-prototypebord gebruiken

Maak altijd eerst een prototype om te controleren of alle componenten werken en of de software functioneel is! Volg de afbeelding en om de Hall-sonde, het display en de nulknop aan te sluiten: De Hall-sonde moet worden aangesloten op +5V, GND, A0 (van links naar rechts). Het display moet worden aangesloten op GND, +5V, A5, A4 (van links naar rechts). De knop moet een verbinding maken van aarde naar A1 wanneer hij wordt ingedrukt.

De code is geschreven en geüpload met behulp van de Arduino IDE-versie 1.8.10. Het vereist de installatie van de Adafruit_SSD1306- en Adafruit_GFX-bibliotheken. Upload de code in de bijgevoegde schets.

Het display moet een DC-waarde en een AC-waarde weergeven.

Stap 4: Enkele opmerkingen over de code

Voel je vrij om deze sectie over te slaan als je niet geïnteresseerd bent in de innerlijke werking van de code.

Het belangrijkste kenmerk van de code is dat het magnetische veld 2000 keer achter elkaar wordt gemeten. Dit duurt ongeveer 0,2-0,3 seconden. Door de som en de gekwadrateerde som van de metingen bij te houden, is het mogelijk om zowel het gemiddelde als de standaarddeviatie te berekenen, die worden gerapporteerd als DC en AC. Door een groot aantal metingen te middelen, neemt de nauwkeurigheid toe, theoretisch met sqrt(2000)~45. Dus met een 10-bit ADC kunnen we de precisie van een 15-bit ADC bereiken! Het maakt een groot verschil: 1 ADC-telling is 5mV, dat is ~0,3mT. Dankzij de middeling verbeteren we de precisie van 0,3mT naar 0,01mT.

Als bonus krijgen we ook de standaarddeviatie, dus fluctuerende velden worden als zodanig geïdentificeerd. Een veld dat fluctueert met 50 Hz doet ~10 volledige cycli tijdens de meettijd, dus de AC-waarde ervan kan goed worden gemeten.

Na het compileren van de code krijg ik de volgende feedback: Sketch gebruikt 16852 bytes (54%) aan programma-opslagruimte. Het maximum is 30720 bytes. Globale variabelen gebruiken 352 bytes (17%) dynamisch geheugen, waardoor er 1696 bytes overblijven voor lokale variabelen. Het maximum is 2048 bytes.

De meeste ruimte wordt ingenomen door de Adafruit-bibliotheken, maar er is voldoende ruimte voor verdere functionaliteit

Stap 5: De sonde voorbereiden

De sonde kan het beste aan het uiteinde van een smalle buis worden gemonteerd: op deze manier kan hij zelfs in nauwe openingen gemakkelijk worden geplaatst en op zijn plaats worden gehouden. Elke holle buis van niet-magnetisch materiaal is voldoende. Ik gebruikte een oude balpen die perfect paste.

Bereid 3 dunne flexibele draden voor die langer zijn dan de buis. Ik heb 3 cm lintkabel gebruikt. Er zit geen logica in de kleuren (oranje voor +5V, rood voor 0V, grijs voor signaal) maar met slechts 3 draden kan ik me herinneren.

Om de sonde op het prototype te gebruiken, soldeert u een aantal stukken gestripte, massieve aansluitdraad aan het uiteinde en beschermt u ze met een krimpkous. Later kan dit worden afgeknipt, zodat de sondedraden direct aan de Arduino kunnen worden gesoldeerd.

Stap 6: Een draagbaar instrument bouwen

Een 9V-batterij, het OLED-scherm en een Arduino Nano passen comfortabel in een (grote) Tic-Tac-doos. Het heeft het voordeel dat het transparant is, voor het scherm is het zelfs van binnen goed leesbaar. Alle vaste componenten (de sonde, de aan/uit-schakelaar en de drukknop) zijn aan de bovenkant bevestigd, zodat het geheel uit de doos kan worden gehaald voor het vervangen van de batterij of het bijwerken van de code.

Ik was nooit een fan van 9V-batterijen: ze zijn duur en hebben weinig capaciteit. Maar mijn plaatselijke supermarkt verkocht plotseling de oplaadbare NiMH-versie voor 1 EUR per stuk, en ik ontdekte dat ze gemakkelijk kunnen worden opgeladen door ze 's nachts op 11V te houden via een weerstand van 100 Ohm. Ik bestelde clips goedkoop, maar ze zijn nooit aangekomen, dus heb ik een oude 9V-batterij uit elkaar gehaald om van de bovenkant een clip te maken. Het goede aan de 9V-batterij is dat hij compact is en dat de Arduino er goed op werkt door hem aan te sluiten op Vin. Op +5V zal er een gereguleerde 5V beschikbaar zijn voor de OLED en voor de Hall-sonde.

De Hall-sonde, het OLED-scherm en de drukknop worden op dezelfde manier aangesloten als bij het prototype. De enige toevoeging is een aan/uit knop tussen de 9V batterij en de Arduino.

Stap 7: Kalibratie

De kalibratieconstante in de code komt overeen met het getal in de datasheet (1,4mV/Gauss), maar de datasheet laat een groot bereik toe (1,0-1,75mV/Gauss). Om nauwkeurige resultaten te krijgen, moeten we de sonde kalibreren!

De eenvoudigste manier om een magnetisch veld met een welbepaalde sterkte te produceren, is door een solenoïde te gebruiken: de veldsterkte van een lange solenoïde is: B=mu0*n*I. De vacuümdoorlaatbaarheid is een natuurconstante: mu0=1,2566x10^-6 T/m/A. Het veld is homogeen en hangt alleen af van de dichtheid van de wikkelingen n en de stroom I, die beide met een goede nauwkeurigheid kunnen worden gemeten (~ 1%). De geciteerde formule is afgeleid voor oneindig lange solenoïde, maar is een zeer goede benadering voor het veld in het midden zolang de verhouding van lengte tot diameter, L/D>10.

Om een geschikte solenoïde te maken, neemt u een holle cilindrische buis met L/D > 10 en brengt u regelmatige windingen aan met geëmailleerde draad. Ik gebruikte een PVC-buis met een buitendiameter van 23 mm en wikkelde 566 windingen, dan 20,2 cm overspannen, resulterend in n=28/cm=2800/m. De draadlengte is 42m en de weerstand 10,0 Ohm.

Voorzie de spoel van stroom en meet de stroom met een multimeter. Gebruik een variabele voedingsspanning of een variabele belastingsweerstand om de stroom onder controle te houden. Meet het magnetische veld voor een paar huidige instellingen en vergelijk het met de metingen.

Voor de kalibratie heb ik 6,04 mT/A gemeten, terwijl de theorie 3,50 mT/A voorspelt. Dus vermenigvuldigde ik de kalibratieconstante in regel 18 van de code met 0,58. De magnetometer is nu gekalibreerd!

Tweede plaats in de Magneten Challenge