➗ 🌖 🍂 تجميع مقياس مغناطيسي محمول 👩🏼‍💻 🕚 🅰️

ترجمة مقال من موقع مواد التدريب Instructables

مقياس مغناطيسي ، يسمى أحيانًا مقياس غاوس ، يقيس قوة المجال المغناطيسي [ في هذه الحالة ، الحث المغناطيسي / تقريبًا. perev. ]. هذا جهاز ضروري لقياس قوة المغناطيس الدائم والمغناطيسات الكهربائية ، وكذلك لتحديد شكل المجال للمجموعات غير العادية من المغناطيس. إنها حساسة بما يكفي للكشف عن مغنطة الأجسام المعدنية. إذا كان المسبار يعمل بسرعة كافية ، فسيكون قادرًا على اكتشاف المجالات المتغيرة بمرور الوقت من المحركات والمحولات.

عادةً ما تحتوي الهواتف المحمولة على مقياس مغناطيسي ثلاثي المحاور ، ولكن تم تحسينه لمجال مغناطيسي ضعيف للأرض بقوة 1 Gauss = 0.1 mT [ ملليلتر] ومشبعة في الحقول مع تحريض عدة طن متري. عادةً ما يكون من غير الواضح مكان وجود هذا المستشعر بالضبط في الهاتف ، وغالبًا ما يكون من المستحيل وضعه داخل عنق الزجاجة مثل قطع المغناطيس. علاوة على ذلك ، من الأفضل عدم جلب الهاتف الذكي إلى مغناطيس قوي على الإطلاق.

في هذه المقالة سأصف كيفية صنع أبسط مقياس مغناطيسي محمول من المكونات الشائعة: نحتاج إلى مستشعر Hall خطي ، Arduino ، وشاشة وزر. لا تتجاوز التكلفة الإجمالية للجهاز 5 يورو ، وسوف تقيس الحث من -100 إلى +100 طن متري مع خطأ 0.01 طن متري - أفضل بكثير مما تتوقع. للحصول على مؤشرات مطلقة دقيقة ، ستحتاج إلى معايرتها: سأصف كيف يتم ذلك بمساعدة ملف لولبي طويل منزلي الصنع.

الخطوة 1: مستشعر القاعة

غالبًا ما يستخدم تأثير هول لقياس المجالات المغناطيسية. عندما تمر الإلكترونات عبر موصل يوضع في مجال مغناطيسي ، يتم حملها إلى الجانب ، ونتيجة لذلك يظهر فرق الجهد العرضي في الموصل. من خلال اختيار مادة وشكل أشباه الموصلات بشكل صحيح ، يمكنك الحصول على إشارة تم قياسها ، والتي يمكن بعد ذلك تضخيمها وإعطاء قياس لمكون واحد من المجال المغناطيسي.

أستخدم SS49E لأنه رخيص وبأسعار معقولة. ما تجدر ملاحظته من توثيقه :

الطاقة: 2.7 - 6.5 فولت ، وهي متوافقة تمامًا مع 5 فولت لـ Arduino.
إشارة صفر: 2.25-2.75 فولت ، في منتصف الطريق تقريبًا بين 0 و 5 فولت.
الحساسية: 1.0-1.75 mV / G ، لذا ستكون المعايرة مطلوبة للحصول على نتائج دقيقة.
جهد الخرج: 1.0 - 4.0 فولت (للتشغيل من 5 فولت): يتم تغطية النطاق بواسطة Arduino ADC.
المدى: الحد الأدنى ± 650 جيجا ، عادة + / 1 1000 جيجا.
زمن الاستجابة: 3 μs ، أي أنه من الممكن إجراء قياسات بتردد عشرات kHz.
تيار التشغيل: 6-10 مللي أمبير ، يكفي للبطارية.
خطأ في درجة الحرارة: 0.1٪ لكل درجة مئوية. يبدو قليلا ، ولكن انحراف 0.1 ٪ يعطي خطأ 3 طن متري.

المستشعر مدمج ، 4 × 3 × 3 مم ، ويقيس مكون المجال المغناطيسي عموديًا على جانبه الأمامي. يعطي قيمة إيجابية للحقول التي تنتقل من الخلف إلى الأمام - على سبيل المثال ، عندما يواجه القطب الجنوبي للمغناطيس. يحتوي المستشعر على ثلاث جهات اتصال ، +5 فولت ، 0 فولت ، ويكون الإخراج من اليسار إلى اليمين عند عرضها من الوجه.

الخطوة 2: المواد المطلوبة

مستشعر تأثير القاعة الخطية SS49E. 1 يورو لكل 10 قطع.
اردوينو اونو مع لوحة النماذج الأولية أو اردوينو نانو بدون دبابيس للنسخة المحمولة.
شاشة OLED أحادية اللون SSD1306 0.96 بوصة مع واجهة I2C.
زر.

للمسبار:

قلم حبر جاف أو أنبوب متين آخر.
3 أسلاك رفيعة أطول بقليل من الأنبوب.
انكماش حراري 12 سم بقطر 1.5 مم.

للنسخة المحمولة:

صندوق Tic-Tac كبير (18x46x83) أو شيء مماثل.
9V اتصالات البطارية
مفتاح كهربائي.

الخطوة 3: الإصدار الأول - استخدام لوحة النماذج الأولية

أولاً ، قم دائمًا ببناء نموذج أولي لاختبار تشغيل جميع المكونات والبرامج! الاتصال مرئي في الصورة: مستشعر القاعة متصل بجهات الاتصال Arduino + 5V ، GND ، A1 (من اليسار إلى اليمين). تتصل الشاشة بـ GND ، + 5V ، A5 ، A4 (من اليسار إلى اليمين). يجب أن يغلق الزر عند الضغط عليه الزر A0.

كود مكتوب في Arduino IDE v. 1.8.10. يتطلب تثبيت مكتبات Adafruit_SSD1306 ومكتبات Adafruit_GFX.

إذا تم كل شيء بشكل صحيح ، يجب أن تعطي الشاشة قيم DC و AC.

الخطوة 4: القليل عن الكود

إذا لم تكن مهتمًا بالكود ، يمكنك تخطي هذا الجزء.

السمة الرئيسية للكود هي أن المجال المغناطيسي يقاس 2000 مرة على التوالي. يستغرق 0.2 - 0.3 ثانية. من خلال تتبع مجموع ومجموع مجموع القياسات ، من الممكن حساب المتوسط والانحرافات المعيارية ، التي يتم إعطاؤها كـ DC و AC. عند حساب متوسط عدد كبير من القياسات ، نزيد من الدقة نظريًا بمقدار by2000 ≈ 45. وتبين أنه باستخدام ADC 10 بت ، نحصل على دقة ADC 15 بت! وهو مهم: خطوة واحدة من ADC هي 4 mV ، أي ~ 0.3 mT. بسبب المتوسط ، قمنا بتقليل الخطأ من 0.3 طن متري إلى 0.01 طن متري.

كمكافأة ، نحصل على الانحراف المعياري ، وبالتالي تحديد المجال المتغير. يمر الحقل المتذبذب بتردد 50 هرتز خلال 10 دورات تقريبًا أثناء القياس ، بحيث يمكنك قياس قيمة التيار المتردد.

بعد التجميع ، حصلت على الإحصائيات التالية: يستخدم Sketch 16852 بايت (54٪) من مساحة تخزين البرنامج. الحد الأقصى هو 30720 بايت. تستخدم المتغيرات العامة 352 بايت (17٪) من الذاكرة الديناميكية ، تاركة 1696 بايت للمتغيرات المحلية. الحد الأقصى هو 2048 بايت.

تشغل مكتبات Adafruit معظم المساحة ، ولكن لا يزال هناك متسع كبير لإضافة الوظائف.

الخطوة 5: طهي المسبار

من الأفضل تثبيت المسبار في نهاية الأنبوب الضيق: سيتم ببساطة وضعه في أماكن ضيقة. أي أنبوب مصنوع من مادة غير مغناطيسية سيفعل. كان قلم الحبر القديم مثاليًا بالنسبة لي.

قم بإعداد ثلاثة أسلاك مرنة رقيقة أطول بقليل من الأنبوب. في كبلتي لا يوجد منطق في ألوان الأسلاك (برتقالي +5 فولت ، أحمر 0 فولت ، رمادي - إشارة) ، من الأسهل بالنسبة لي أن أتذكرها.

لاستخدام مسبار بنموذج أولي ، قطع لحام الأسلاك إلى نهاية الكبل وعزلها بالانكماش الحراري. في وقت لاحق يمكن قطعها ولحامها مباشرة إلى Arduino.

الخطوة 6: تجميع الأداة المحمولة

تتناسب بطارية 9V وشاشة OLED و Arduino Nano بشكل مريح داخل صندوق Tic-Tac كبير. ميزتها هي الشفافية - الشاشة سهلة القراءة ، حتى عندما تكون في الداخل. يتم وضع جميع المكونات الثابتة (المسبار والمفتاح والزر) على الغلاف بحيث يمكن إزالة كل شيء من الصندوق لاستبدال البطارية أو تحديث الرمز.

لم أحب أبدًا بطاريات 9V - فهي تتمتع بسعر مرتفع وقدرة منخفضة. ولكن في السوبر ماركت الخاص بي ، بدأوا فجأة في بيع نسختهم القابلة لإعادة الشحن من NiMH مقابل 1 يورو ، ووجدت أنها كانت سهلة الشحن إذا تم تغذية 11 فولت من خلال 100 أوم المقاوم وتركت بين عشية وضحاها. لقد طلبت موصلات البطارية الرخيصة لنفسي ، لكنهم لم يرسلوها إلي ، لذلك قمت بتفكيك البطارية القديمة 9 فولت لعمل موصل منها. بالإضافة إلى بطاريات 9V في حجمها ، وفي ذلك Arduino يعمل بشكل جيد عليها عند الاتصال بـ Vin. عند +5 فولت ، سيكون هناك جهد قابل للضبط يبلغ 5 فولت ، والذي سيكون مطلوبًا لـ OLED ومستشعر القاعة.

يتم توصيل مستشعر Hall والشاشة والزر بنفس الطريقة كما في النموذج الأولي. يتم إضافة زر الطاقة فقط ، بين البطارية و Arduino.

الخطوة 7: المعايرة

يتوافق ثابت المعايرة في الرمز مع الرقم الموصوف في الوثائق (1.4 مللي فولت / جي) ، ومع ذلك ، يُسمح بنطاق هذه القيمة (1.0-1.75 مللي فولت / جي) في الوثائق. للحصول على نتائج دقيقة ، تحتاج إلى معايرة المسبار.

أسهل طريقة للحصول على مجال مغناطيسي محدد جيدًا هي استخدام ملف لولبي. الحث المغناطيسي للحقل اللولبي هو B = μ ₀ * n * I. الثابت المغناطيسي (أو النفاذية المغناطيسية للفراغ) هو ثابت طبيعي: μ ₀ = 1.2566 × 10 ^-6T / م / أ. المجال موحد ويعتمد فقط على كثافة اللف n والتيار I ، والتي يمكن قياسها بخطأ حوالي 1٪. تعمل الصيغة على ملف لولبي بطول لانهائي ، ولكنها تعمل كتقريب جيد جدًا للحقل في مركزها إذا تجاوزت نسبة طوله إلى قطر 10.

لتجميع ملف لولبي مناسب ، خذ أنبوب أسطواني مجوف أطول 10 مرات من القطر ولفه من عازل الأسلاك. استخدمت أنبوب PVC بقطر خارجي يبلغ 23 مم وقمت بعمل 566 دورة ممتدة 20.2 سم ، وهو ما يعطينا n = 28 / سم = 2800 / م ، ويبلغ طول السلك 42 مترًا ، والمقاومة 10 أوم.

تطبيق السلطة على الملف وقياس التيار باستخدام جهاز متعدد. استخدم إما مصدر تيار قابل للتعديل أو مقاوم متغير للتحكم في التيار. قم بقياس المجال المغناطيسي لقيم التيار المختلفة وقارن القراءات.

قبل المعايرة ، تلقيت 6.04 طن متري / أ ، على الرغم من الناحية النظرية كان يجب أن تكون 3.50 طن متري / أ. لذلك ، قمت بضرب ثابت المعايرة في السطر الثامن عشر من الشفرة بمقدار 0.58. تم - يتم معايرة مقياس المغناطيسية!

تجميع مقياس مغناطيسي محمول