Portativ magnitometr: 7 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:24

Magnitometr, ba'zida Gaussmetr deb ham ataladi, magnit maydonining kuchini o'lchaydi. Bu doimiy magnitlar va elektromagnitlarning kuchini sinash va nodavlat magnit konfiguratsiyalarining maydon shaklini tushunish uchun muhim vosita. Agar u sezgir bo'lsa, u temir buyumlar magnitlanganligini ham aniqlay oladi. Dvigatellar va transformatorlarning vaqt o'zgaruvchan maydonlari, agar zond etarlicha tez bo'lsa, aniqlanishi mumkin.

Mobil telefonlar odatda 3 o'qli magnitometrga ega, lekin ular ~ 1 Gauss = 0,1 mT kuchsiz er magnit maydoni uchun optimallashtirilgan va bir necha mT maydonlarda to'yingan. Sensorning telefonda joylashuvi aniq emas va sensorni elektromagnit teshigi kabi tor teshiklar ichiga joylashtirish mumkin emas. Bundan tashqari, siz smartfoningizni kuchli magnitlarga yaqinlashtirmasligingiz mumkin.

Bu erda men oddiy komponentli oddiy portativ magnitometrni qanday qilishni tasvirlayman: chiziqli zal sensori, Arduino, displey va tugma. Umumiy xarajat 5EURdan kam va -100 dan +100mT gacha bo'lgan diapazonda ~ 0.01mT sezuvchanligi siz kutganingizdan yaxshiroqdir. Aniq aniq o'qish uchun siz uni sozlashingiz kerak bo'ladi: men buni uyda ishlab chiqarilgan uzun solenoid bilan qanday qilishni tasvirlayman.

1 -qadam: Hall zond

Hall effekti-magnit maydonlarni o'lchashning keng tarqalgan usuli. Elektronlar magnit maydonida o'tkazgichdan o'tganda, ular yon tomonga burilib ketadi va shu sababli o'tkazgichning yon tomonlarida potentsial farq hosil qiladi. Yarimo'tkazgichli material va geometriyani to'g'ri tanlash bilan magnit maydonining bitta komponentini o'lchash uchun kuchaytirish mumkin bo'lgan o'lchovli signal ishlab chiqariladi.

Men SS49E -dan foydalanaman, chunki u arzon va keng tarqalgan. Ma'lumotlar varag'idan bir nechta narsalarga e'tibor qaratish lozim:

• Besleme zo'riqishida: 2,7-6,5 V, shuning uchun Arduino 5V ga juda mos keladi.
• Nol-chiqish: 2.25-2.75V, shuning uchun taxminan yarmi 0 dan 5V gacha.
• Sezuvchanlik: 1.0-1.75mV/Gauss, shuning uchun aniq natijalarga erishish uchun kalibrlash kerak bo'ladi.
• Chiqish kuchlanishi 1.0V-4.0V (agar 5V da ishlasa): Arduino ADC bilan yaxshi qoplangan.
• Diapazon: +-650G minimal, odatda +-1000G.
• Javob vaqti 3mus, shuning uchun u bir necha o'n kHz chastotada namuna olishi mumkin.
• Ta'minot oqimi: 6-10mA, batareya bilan ishlaydigan darajada past.
• Harorat xatosi: har bir daraja uchun ~ 0,1% C. Kichkina ko'rinadi, lekin 0,1% siljish 3 mT xato beradi.

Sensor ixcham, ~ 4x3x2 mm va magnit maydonining old yuzasiga perpendikulyar bo'lgan komponentni o'lchaydi. Bu orqa tomondan old tomonga yo'naltirilgan maydonlar uchun ijobiy natija beradi, masalan, old tomon magnitli janubiy qutbga keltirilganda. Sensor old tomondan ko'rilganda, +5V, 0V va chiqish chapdan o'ngga 3 ta simi bor.

2 -qadam: kerakli materiallar

• SS49E chiziqli Hall sensori. Bu 10 ta onlayn to'plam uchun ~ 1EUR.
• Arduino Uno prototipi uchun taxtali yoki portativ versiyasi uchun Arduino Nano (sarlavhasiz!)
• I2C interfeysli SSD1306 0,96 dyuymli monoxrom OLED displey
• Bir lahzali tugma

Probni qurish uchun:

• Eski to'p yoki boshqa mustahkam ichi bo'sh quvur
• Naychadan biroz uzunroq bo'lgan 3 ta ingichka sim
• 12 sm ingichka (1,5 mm) qisqaruvchi quvur

Portativ qilish uchun:

• Katta tik-tac qutisi (18x46x83mm) yoki shunga o'xshash
• 9V batareyali qisqich
• Yoqish/o'chirish tugmasi

3 -qadam: Birinchi versiya: Arduino prototiplar taxtasidan foydalanish

Hamma komponentlarning ishlashini va dasturiy ta'minotning ishlashini tekshirish uchun har doim birinchi bo'lib prototip qiling! Rasmga rioya qiling va Hall probini, displeyni va null tugmachasini ulash uchun: Hall probini +5V, GND, A0 ga (chapdan o'ngga) ulash lozim. Displey GND, +5V, A5, A4 ga ulangan bo'lishi kerak (chapdan o'ngga). Tugma bosilganda erdan A1 ga ulanishi kerak.

Kod Arduino IDE 1.8.10 versiyasi yordamida yozilgan va yuklangan. Adafruit_SSD1306 va Adafruit_GFX kutubxonalarini o'rnatish talab qilinadi Kodni biriktirilgan eskizga yuklang.

Displeyda DC va AC qiymatlari ko'rsatilishi kerak.

4 -qadam: Kod haqida ba'zi sharhlar

Agar kodning ichki ishi sizni qiziqtirmasa, ushbu bo'limni o'tkazib yuboring.

Kodning asosiy xususiyati shundaki, magnit maydoni ketma -ket 2000 marta o'lchanadi. Bu taxminan 0,2-0,3 soniya davom etadi. O'lchovlarning yig'indisi va kvadrati yig'indisini kuzatib borish orqali siz o'rtacha va standart og'ishlarni hisoblashingiz mumkin, ular doimiy va o'zgaruvchan oqim sifatida bildiriladi. O'rtacha ko'p sonli o'lchovlar yordamida aniqlik nazariy jihatdan sqrt (2000) ~ 45 ga oshadi. Shunday qilib, 10-bitli ADC yordamida biz 15-bitli ADC aniqligiga erishishimiz mumkin! Bu katta farq qiladi: 1 ADC soni 5 mV, bu ~ 0,3 mT. O'rtacha ko'rsatkich tufayli biz aniqlikni 0,3 mT dan 0,01 mT gacha yaxshilaymiz.

Bonus sifatida biz standart og'ishni ham olamiz, shuning uchun o'zgaruvchan maydonlar aniqlanadi. 50 Gts chastotali maydon o'lchash vaqtida ~ 10 to'liq tsiklni bajaradi, shuning uchun uning AC qiymatini yaxshi o'lchash mumkin.

Kodni tuzganimdan so'ng, men quyidagi fikrlarni olaman: Sketch 16852 bayt (54%) dasturni saqlash joyidan foydalanadi. Maksimal 30720 bayt. Global o'zgaruvchilar 352 bayt (17%) dinamik xotiradan foydalanadi, mahalliy o'zgaruvchilar uchun 1696 bayt qoladi. Maksimal 2048 bayt.

Joyning katta qismini Adafruit kutubxonalari egallaydi, lekin keyingi funksiyalar uchun joy juda ko'p

5 -qadam: zondni tayyorlash

Zondni tor trubaning uchiga o'rnatgan ma'qul: shu tariqa uni tor teshiklar ichida ham osongina joylashtirish va ushlab turish mumkin. Magnit bo'lmagan materialning har qanday ichi bo'sh naychasi shunday qiladi. Men eski koptokdan foydalanardim.

Quvurdan uzunroq bo'lgan 3 ta ingichka moslashuvchan sim tayyorlang. Men 3 sm uzunlikdagi lenta kabelidan foydalanardim. Ranglarda mantiq yo'q (+5V uchun to'q sariq, 0V uchun qizil, signal uchun kulrang), lekin faqat 3 ta sim bilan eslayman.

Zondni prototipda ishlatish uchun bir necha bo'lakli qattiq yadroli paychalarining uchini lehimlang va ularni qisish trubkasi bilan saqlang. Keyinchalik, bu simni to'g'ridan -to'g'ri Arduino -ga lehimlanishi uchun kesilishi mumkin.

6 -qadam: Portativ asbob yaratish

9V kuchlanishli batareya, OLED-displey va Arduino-Nano (katta) Tic-Tac qutisiga qulay joylashadi. Shaffof bo'lishning afzalligi shundaki, ekranni ichkarida ham yaxshi o'qish mumkin. Barcha o'rnatilgan komponentlar (prob, yoqish/o'chirish tugmasi va tugma) yuqori qismga biriktirilgan, shuning uchun batareyani almashtirish yoki kodni yangilash uchun qutini butun yig'indidan chiqarish mumkin.

Men hech qachon 9V batareyalarga muxlis bo'lmaganman: ular qimmat va sig'imi kam. Ammo mening mahalliy supermarketim kutilmaganda NiMH -ning qayta zaryadlanuvchi versiyasini har birini 1 evroga sotdi va men ularni bir kecha -kunduzda 100 ohmli rezistor orqali 11V kuchlanishli ushlab turish orqali zaryadlash mumkinligini topdim. Men kliplarga arzon buyurtma berdim, lekin ular hech qachon kelmadi, shuning uchun men tepadagi klipga aylantirish uchun eski 9V batareyani oldim. 9V batareyasining yaxshi tomoni shundaki, u ixcham va Arduino uni Vinga ulab yaxshi ishlaydi. +5V da OLED va Hall probi uchun 5V tartibga solinadi.

Hall probi, OLED ekrani va tugmachasi prototipda bo'lgani kabi ulanadi. Bitta qo'shimcha - 9V batareyasi va Arduino o'rtasida yoqish/o'chirish tugmasi.

7 -qadam: Kalibrlash

Koddagi kalibrlash konstantasi ma'lumotlar jadvalida berilgan raqamga to'g'ri keladi (1.4mV/Gauss), lekin ma'lumotlar varag'i katta diapazonga (1.0-1.75mV/Gauss) ruxsat beradi. Aniq natijalarga erishish uchun biz zondni sozlashimiz kerak!

Yaxshi aniqlangan magnit maydonni ishlab chiqarishning eng to'g'ri usuli-solenoiddan foydalanish: uzun solenoidning maydon kuchi: B = mu0*n*I. Vakuum o'tkazuvchanligi tabiatning doimiyidir: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. Dala bir hil va faqat sarg'ishlarning zichligiga bog'liq va oqim I, ikkalasini ham yaxshi aniqlik bilan o'lchash mumkin (~ 1%). Ko'rsatilgan formulalar cheksiz uzun solenoid uchun olingan, lekin markazning uzunligi diametrga nisbati L/D> 10 ga teng bo'lgan maydon uchun juda yaxshi yaqinlashuvdir.

Tegishli solenoidni tayyorlash uchun, L/D> 10 bo'lgan, ichi bo'sh silindrsimon trubkani oling va sirlangan simli oddiy o'rashlarni qo'llang. Men tashqi diametri 23 mm bo'lgan va diametri 20,2 sm bo'lgan 566 ta o'rashli PVX naychadan foydalandim, natijada n = 28/sm = 2800/m. Tel uzunligi 42 m va qarshilik 10,0 Ohm.

Bobini quvvat bilan ta'minlang va oqim oqimini multimetr bilan o'lchang. Oqimni nazorat ostida ushlab turish uchun o'zgaruvchan kuchlanish manbai yoki o'zgaruvchan yuk qarshiligidan foydalaning. Bir nechta joriy sozlamalar uchun magnit maydonni o'lchab, uni o'qishlar bilan solishtiring.

Kalibrlashdan oldin men 6,04 mT/A ni o'lchagan edim, nazariyada 3,50 mT/A bashorat qilingan. Shunday qilib, men kodning 18 -satridagi kalibrlash konstantasini 0,58 ga ko'paytirdim. Endi magnitometr sozlangan!

Magnitlar musobaqasida yuguruvchi