📳 👨‍👧 👨🏾‍🤝‍👨🏽 Merakit magnetometer portabel 👩🏼‍⚕️ ♟️ 🤹🏼

Terjemahan sebuah artikel dari situs materi pelatihan Instructables. Sebuah

magnetometer , terkadang juga disebut gaussometer, mengukur kekuatan medan magnet [ dalam hal ini, induksi magnetik / kira-kira. perev. ] Ini adalah perangkat yang diperlukan untuk mengukur kekuatan magnet permanen dan elektromagnet, serta untuk menetapkan bentuk medan kombinasi magnet yang tidak sepele. Cukup sensitif untuk mendeteksi magnetisasi benda logam. Jika probe bekerja cukup cepat, itu akan dapat mendeteksi bidang yang bervariasi waktu dari motor dan transformator.

Ponsel biasanya memiliki magnetometer tiga sumbu, tetapi dioptimalkan untuk medan magnet Bumi yang lemah dengan kekuatan 1 Gauss = 0,1 mT [ mililiter] dan jenuh di bidang dengan induksi beberapa mT. Biasanya tidak jelas di mana tepatnya sensor ini berada di telepon, dan seringkali tidak mungkin untuk menempatkannya di dalam kemacetan seperti potongan magnet. Selain itu, lebih baik tidak membawa smartphone ke magnet yang kuat sama sekali.

Pada artikel ini saya akan menjelaskan cara membuat magnetometer portabel paling sederhana dari komponen umum: kita memerlukan sensor Hall linear, Arduino, layar dan tombol. Total biaya perangkat tidak melebihi € 5, dan itu akan mengukur induksi dari -100 hingga +100 mT dengan kesalahan 0,01 mT - jauh lebih baik daripada yang Anda harapkan. Untuk mendapatkan indikator absolut yang akurat, Anda perlu mengkalibrasi: Saya akan menjelaskan bagaimana hal ini dilakukan dengan bantuan solenoid buatan rumah yang panjang.

Langkah 1: Sensor Hall

Efek Hall sering digunakan untuk mengukur medan magnet. Ketika elektron melewati konduktor yang ditempatkan dalam medan magnet, mereka dibawa ke samping, sebagai akibatnya perbedaan potensial transversal muncul dalam konduktor. Dengan memilih bahan dan geometri semikonduktor dengan benar, Anda bisa mendapatkan sinyal yang dapat diukur, yang kemudian dapat diperkuat dan menghasilkan pengukuran satu komponen medan magnet.

Saya menggunakan SS49E karena murah dan terjangkau. Apa yang perlu diperhatikan dari dokumentasinya :

Power: 2,7 - 6,5 V, yang sangat kompatibel dengan 5 V untuk Arduino.
Sinyal nol: 2.25-2.75 V, sekitar setengah antara 0 dan 5 V.
Sensitivitas: 1,0-1,75 mV / G, sehingga kalibrasi diperlukan untuk mendapatkan hasil yang akurat.
Tegangan output: 1.0 - 4.0 V (untuk operasi dari 5 V): kisaran dicakup oleh Arduino ADC.
Kisaran: minimum ± 650 Gs, biasanya + / 1 1000 Gs.
Waktu respons: 3 μs, yaitu, dimungkinkan untuk melakukan pengukuran dengan frekuensi puluhan kHz.
Saat operasi: 6-10 mA, cukup untuk baterai.
Kesalahan suhu: 0,1% per derajat Celcius. Tampaknya sedikit, tetapi penyimpangan 0,1% memberikan kesalahan 3 mT.

Sensornya kompak, 4x3x3 mm, dan mengukur komponen medan magnet yang tegak lurus terhadap sisi depannya. Ini memberikan nilai positif untuk bidang yang bergerak dari belakang ke depan - misalnya, ketika menghadap kutub selatan magnet. Sensor memiliki tiga kontak, +5 V, 0 V dan output dari kiri ke kanan jika dilihat dari wajah.

Langkah 2: Bahan yang Diperlukan

Sensor Efek Linear Hall SS49E. € 1 untuk 10 buah.
Arduino Uno dengan papan prototyping atau Arduino Nano tanpa pin untuk versi portabel.
Layar Monochrome OLED SSD1306 0,96 "dengan antarmuka I2C.
Tombol.

Untuk penyelidikan:

Pulpen atau tabung tahan lama lainnya.
3 kabel tipis sedikit lebih panjang dari tabung.
Panas menyusut 12 cm dengan diameter 1,5 mm.

Untuk versi portabel:

Kotak Tic-Tac besar (18x46x83) atau yang serupa.
Kontak baterai 9V
Beralih.

Langkah 3: Versi Pertama - Menggunakan Papan Prototyping

Pertama, selalu buat prototipe untuk menguji operasi semua komponen dan perangkat lunak! Koneksi terlihat pada gambar: sensor Hall terhubung ke kontak Arduino + 5V, GND, A1 (dari kiri ke kanan). Layar terhubung ke GND, + 5V, A5, A4 (dari kiri ke kanan). Tombol, ketika ditekan, harus menutup tanah dan A0.

Kode ditulis dalam Arduino IDE v. 1.8.10. Membutuhkan pemasangan perpustakaan Adafruit_SSD1306 dan Adafruit_GFX.

Jika semuanya dilakukan dengan benar, layar akan memberikan nilai DC dan AC.

Langkah 4: Sedikit tentang kode

Jika Anda tidak tertarik dengan kode ini, Anda dapat melewati bagian ini.

Fitur utama dari kode ini adalah bahwa medan magnet diukur 2.000 kali berturut-turut. Dibutuhkan 0,2 - 0,3 detik. Dengan melacak jumlah dan kuadrat dari jumlah pengukuran, dimungkinkan untuk menghitung simpangan rata-rata dan standar, yang dikeluarkan sebagai DC dan AC. Rata-rata pengukuran dalam jumlah besar, kami meningkatkan akurasi, secara teoritis dengan √2000 ≈ 45. Ternyata dengan menggunakan ADC 10-bit, kami mendapatkan akurasi dari ADC 15-bit! Dan itu penting: 1 langkah ADC adalah 4 mV, yaitu, ~ 0,3 mT. Karena rata-rata, kami mengurangi kesalahan dari 0,3 mT menjadi 0,01 mT.

Sebagai bonus, kami mendapatkan standar deviasi, sehingga menentukan bidang yang berubah. Bidang yang berosilasi dengan frekuensi 50 Hz melewati sekitar 10 siklus selama pengukuran, sehingga Anda dapat mengukur nilai AC.

Setelah dikompilasi, saya mendapatkan statistik berikut: Sketch menggunakan 16852 byte (54%) ruang penyimpanan program. Maksimal 30720 byte. Variabel global menggunakan 352 byte (17%) memori dinamis, meninggalkan 1.696 byte untuk variabel lokal. Maksimum adalah 2048 byte.

Sebagian besar ruang ditempati oleh perpustakaan AdWords, tetapi masih ada banyak ruang untuk menambahkan fungsionalitas.

Langkah 5: Memasak Probe

Probe paling baik dipasang di ujung tabung sempit: itu hanya akan ditempatkan dan dipegang di tempat yang ketat. Setiap tabung yang terbuat dari bahan non-magnetik akan berfungsi. Pena ballpoint tua itu sempurna untukku.

Siapkan tiga kabel fleksibel tipis sedikit lebih panjang dari tabung. Dalam kabel saya tidak ada logika dalam warna kabel (oranye + 5 V, merah 0 V, sinyal abu-abu), hanya lebih mudah bagi saya untuk mengingatnya.

Untuk menggunakan probe dengan prototipe, solder potongan kawat ke ujung kabel dan mengisolasi mereka dengan panas menyusut. Nantinya mereka dapat dipotong dan disolder langsung ke Arduino.

Langkah 6: Merakit Instrumen Portable

Baterai 9V, layar OLED, dan Arduino Nano cocok dengan nyaman di dalam kotak besar Tic-Tac. Keuntungannya adalah transparansi - layarnya mudah dibaca, bahkan ketika di dalam. Semua komponen tetap (probe, sakelar dan tombol) ditempatkan pada penutup sehingga semuanya dapat dilepas dari kotak untuk mengganti baterai atau memperbarui kode.

Saya tidak pernah menyukai baterai 9V - harganya mahal dan kapasitasnya rendah. Tetapi di supermarket saya, mereka tiba-tiba mulai menjual versi NiMH yang dapat diisi ulang seharga € 1, dan saya menemukan bahwa mereka mudah diisi jika saya memberi makan 11 V melalui resistor 100 Ohm dan pergi semalaman. Saya memesan konektor baterai murah untuk diri saya sendiri, tetapi mereka tidak mengirimkannya kepada saya, jadi saya membongkar baterai 9 V lama untuk membuat konektor. Ditambah baterai 9V dalam kekompakannya, dan dalam hal itu Arduino bekerja dengan baik ketika terhubung ke Vin. Pada +5 V akan ada tegangan yang dapat diatur sebesar 5 V, yang akan dibutuhkan untuk sensor OLED dan Hall.

Sensor, layar, dan tombol Hall terhubung dengan cara yang sama seperti pada prototipe. Hanya tombol daya yang ditambahkan, antara baterai dan Arduino.

Langkah 7: Kalibrasi

Konstanta kalibrasi dalam kode sesuai dengan angka yang ditentukan dalam dokumentasi (1,4 mV / G), namun kisaran nilai ini (1,0-1,75 mV / G) diperbolehkan dalam dokumentasi. Untuk mendapatkan hasil yang akurat, Anda harus mengkalibrasi probe.

Cara termudah untuk mendapatkan medan magnet yang terdefinisi dengan baik adalah dengan menggunakan solenoid. Induksi magnetik bidang solenoid adalah B = μ ₀ * n * I. Konstanta magnetik (atau permeabilitas magnetik vakum) adalah konstanta alami: μ ₀ = 1,2566 x 10 ^-6T / m / A. Medannya seragam dan hanya bergantung pada kerapatan belitan n dan arus I, yang dapat diukur dengan kesalahan sekitar 1%. Rumus ini berfungsi untuk solenoida dengan panjang tak hingga, tetapi berfungsi sebagai perkiraan yang sangat baik untuk bidang di pusatnya jika rasio panjangnya terhadap diameter melebihi 10.

Untuk merakit solenoida yang cocok, ambil pipa silinder berlubang 10 kali lebih panjang dari diameter dan putar dari isolasi kabel. Saya menggunakan tabung PVC dengan diameter luar 23 mm dan membuat 566 putaran memanjang 20,2 cm, yang memberi kita n = 28 / cm = 2800 / m. Panjang kawat 42 m, resistansi 10 ohm.

Berikan daya pada koil dan ukur arus dengan multimeter. Gunakan sumber arus yang dapat disesuaikan atau resistor variabel untuk mengontrol arus. Ukur medan magnet untuk nilai arus yang berbeda dan bandingkan bacaannya.

Sebelum kalibrasi, saya menerima 6,04 mT / A, meskipun secara teori seharusnya 3,50 mT / A. Oleh karena itu, saya mengalikan konstanta kalibrasi pada baris ke-18 kode dengan 0,58. Selesai - magnetometer dikalibrasi!

Merakit magnetometer portabel