🧚🏽 🖊️ 👩🏽‍🌾 Montagem de um magnetômetro portátil 🐎 🧕🏽 🦖

Tradução de um artigo do site de materiais de treinamento da Instructables Um

magnetômetro , às vezes também chamado de gaussômetro, mede a força de um campo magnético [ neste caso, indução magnética / aprox. perev. ] Este é um dispositivo necessário para medir a força de ímãs permanentes e eletroímãs, bem como para estabelecer a forma de campo de combinações não triviais de ímãs. É sensível o suficiente para detectar a magnetização de objetos metálicos. Se a sonda funcionar com rapidez suficiente, ela poderá detectar campos variáveis no tempo de motores e transformadores.

Os telefones celulares geralmente têm um magnetômetro de três eixos, mas é otimizado para um campo magnético fraco da Terra com uma força de 1 Gauss = 0,1 mT [ mililitros] e está saturado em campos com indução de vários mT. Geralmente, não está claro onde exatamente esse sensor está localizado no telefone e, muitas vezes, é impossível colocá-lo dentro de um gargalo, como um corte de ímã. Além disso, é melhor não levar o smartphone a ímãs fortes.

Neste artigo, descreverei como criar o magnetômetro portátil mais simples a partir de componentes comuns: precisamos de um sensor Hall linear, Arduino, uma tela e um botão. O custo total do dispositivo não excede € 5 e medirá a indução de -100 a +100 mT com um erro de 0,01 mT - muito melhor do que você imagina. Para obter indicadores absolutos precisos, será necessário calibrá-lo: descreverei como isso é feito com a ajuda de um longo solenóide caseiro.

Etapa 1: Sensor Hall

O efeito Hall é frequentemente usado para medir campos magnéticos. Quando os elétrons passam através de um condutor colocado em um campo magnético, eles são transportados para o lado, como resultado da qual uma diferença de potencial transversal aparece no condutor. Ao escolher o material e a geometria do semicondutor corretamente, você pode obter um sinal mensurável, que pode ser amplificado e produzir uma medida de um componente do campo magnético.

Eu uso o SS49E, pois é barato e acessível. O que vale a pena notar em sua documentação :

Potência: 2,7 - 6,5 V, que é perfeitamente compatível com 5 V para Arduino.
Sinal zero: 2,25-2,75 V, aproximadamente a meio caminho entre 0 e 5 V.
Sensibilidade: 1,0-1,75 mV / G, portanto, a calibração será necessária para obter resultados precisos.
Tensão de saída: 1,0 - 4,0 V (para operação de 5 V): a faixa é coberta pelo Arduino ADC.
Faixa: mínimo ± 650 Gs, geralmente + / 1 1000 Gs.
Tempo de resposta: 3 μs, ou seja, é possível realizar medições com uma frequência de dezenas de kHz.
Corrente de operação: 6-10 mA, suficiente para uma bateria.
Erro de temperatura: 0,1% por grau Celsius. Parece um pouco, mas um desvio de 0,1% dá um erro de 3 mT.

O sensor é compacto, 4x3x3 mm, e mede o componente do campo magnético perpendicular ao lado frontal. Ele fornece um valor positivo para os campos que vão da parte traseira para a frente - por exemplo, quando está voltado para o pólo sul de um ímã. O sensor possui três contatos, +5 V, 0 V e a saída é da esquerda para a direita quando vista de frente.

Etapa 2: Materiais Necessários

Sensor de efeito de corredor linear SS49E. 1 € por 10 peças.
Arduino Uno com placa de prototipagem ou Arduino Nano sem pinos para a versão portátil.
Visor OLED monocromático SSD1306 de 0,96 ”com interface I2C.
Botão.

Para sonda:

Caneta esferográfica ou outro tubo durável.
3 fios finos um pouco mais longos que o tubo.
Encolhimento térmico de 12 cm com um diâmetro de 1,5 mm.

Para versão portátil:

Uma grande caixa Tic-Tac (18x46x83) ou algo semelhante.
Contatos da bateria de 9V
Interruptor.

Etapa 3: Primeira Versão - Usando a Placa de Prototipagem

Primeiro, sempre crie um protótipo para testar a operação de todos os componentes e software! A conexão é visível na figura: o sensor Hall está conectado aos contatos Arduino + 5V, GND, A1 (da esquerda para a direita). O visor se conecta a GND, + 5V, A5, A4 (da esquerda para a direita). O botão, quando pressionado, deve fechar o chão e A0.

Código escrito no Arduino IDE v. 1.8.10 Requer a instalação das bibliotecas Adafruit_SSD1306 e Adafruit_GFX.

Se tudo for feito corretamente, o display deve fornecer os valores DC e AC.

Etapa 4: um pouco sobre o código

Se você não está interessado no código, pode pular esta parte.

Uma característica importante do código é que o campo magnético é medido 2.000 vezes seguidas. Demora 0,2 - 0,3 segundos. Ao rastrear a soma e o quadrado da soma das medições, é possível calcular a média e os desvios padrão, que são apresentados em CC e CA. Em média, em um grande número de medições, aumentamos a precisão teoricamente em √2000 ≈ 45. Acontece que, usando um ADC de 10 bits, obtemos a precisão de um ADC de 15 bits! E importa: 1 passo do ADC é de 4 mV, ou seja, ~ 0,3 mT. Devido à média, reduzimos o erro de 0,3 mT para 0,01 mT.

Como bônus, obtemos o desvio padrão, determinando assim o campo de mudança. Um campo oscilando com uma frequência de 50 Hz passa por cerca de 10 ciclos durante a medição, para que você possa medir o valor de CA.

Após a compilação, obtive as seguintes estatísticas: O Sketch usa 16852 bytes (54%) do espaço de armazenamento do programa. O máximo é 30720 bytes. As variáveis globais usam 352 bytes (17%) de memória dinâmica, deixando 1696 bytes para variáveis locais. O máximo é 2048 bytes.

A maior parte do espaço é ocupada por bibliotecas da Adafruit, mas ainda há muito espaço para adicionar funcionalidade.

Etapa 5: cozinhar a sonda

A sonda é melhor fixada no final de um tubo estreito: simplesmente será colocada e mantida em locais apertados. Qualquer tubo feito de material não magnético serve. A velha caneta esferográfica era perfeita para mim.

Prepare três fios finos e flexíveis um pouco mais que o tubo. No meu cabo não há lógica nas cores dos fios (laranja + 5 V, vermelho 0 V, cinza - sinal), é mais fácil para mim lembrá-los.

Para usar uma sonda com um protótipo, solde pedaços de fio até a extremidade do cabo e isole-os com termorretratação. Mais tarde, eles podem ser cortados e soldados diretamente no Arduino.

Etapa 6: Montagem do instrumento portátil

A bateria de 9V, a tela OLED e o Arduino Nano se encaixam confortavelmente em uma grande caixa Tic-Tac. Sua vantagem é a transparência - a tela é fácil de ler, mesmo quando está dentro. Todos os componentes fixos (sonda, chave e botão) são colocados na tampa para que tudo possa ser removido da caixa para substituir a bateria ou atualizar o código.

Eu nunca gostei de baterias de 9V - elas têm um preço alto e baixa capacidade. Mas no meu supermercado, de repente, eles começaram a vender sua versão recarregável do NiMH por € 1, e eu achei que seria fácil cobrar se eu alimentasse 11 V através de um resistor de 100 Ohm e saísse da noite para o dia. Encomendei conectores de bateria baratos para mim, mas eles não os enviaram para mim, então desmontei a bateria de 9V antiga para fazer um conector com ela. Além disso, as baterias de 9V são compactas e o Arduino funciona bem quando conectado ao Vin. A +5 V, haverá uma tensão ajustável de 5 V, que será necessária para o OLED e o sensor Hall.

O sensor Hall, a tela e o botão são conectados da mesma maneira que no protótipo. Somente o botão liga / desliga é adicionado, entre a bateria e o Arduino.

Etapa 7: Calibração

A constante de calibração no código corresponde ao número prescrito na documentação (1,4 mV / G), no entanto, a faixa desse valor (1,0-1,75 mV / G) é permitida na documentação. Para obter resultados precisos, é necessário calibrar a sonda.

A maneira mais fácil de obter um campo magnético bem definido é usar um solenóide. A indução magnética do campo solenóide é B = μ ₀ * n * I. A constante magnética (ou permeabilidade magnética do vácuo) é uma constante natural: μ ₀ = 1,2566 x 10 ^-6T / m / A. O campo é uniforme e depende apenas da densidade do enrolamento n e da corrente I, que pode ser medida com um erro de cerca de 1%. A fórmula funciona para um solenóide de comprimento infinito, mas serve como uma aproximação muito boa para o campo em seu centro, se a razão entre seu comprimento e diâmetro exceder 10.

Para montar um solenóide adequado, pegue um tubo cilíndrico oco 10 vezes maior que o diâmetro e enrole-o de um isolado fios. Usei um tubo de PVC com diâmetro externo de 23 mm e fiz 566 voltas com 20,2 cm, o que nos dá n = 28 / cm = 2800 / m.O comprimento do fio é de 42 m, a resistência é de 10 ohms.

Aplique energia à bobina e meça a corrente com um multímetro. Use uma fonte de corrente ajustável ou um resistor variável para controlar a corrente. Meça o campo magnético para diferentes valores de corrente e compare as leituras.

Antes da calibração, recebi 6,04 mT / A, embora em teoria devesse ter sido 3,50 mT / A. Portanto, multipliquei a constante de calibração na 18ª linha do código por 0,58. Concluído - o magnetômetro está calibrado!

Montagem de um magnetômetro portátil