مغناطیس سنج قابل حمل: 7 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

مغناطیس سنج ، که گاهی اوقات گاوس متر نیز نامیده می شود ، قدرت میدان مغناطیسی را اندازه گیری می کند. این یک ابزار ضروری برای آزمایش قدرت آهنرباهای دائمی و الکترومغناطیس و درک شکل میدان پیکربندی آهنرباهای غیرحرفه ای است. اگر به اندازه کافی حساس باشد ، می تواند تشخیص دهد که اجسام آهن مغناطیسی شده اند یا خیر. اگر پروب به اندازه کافی سریع باشد ، می توان زمینه های متغیر زمان را از موتورها و ترانسفورماتورها تشخیص داد.

تلفن های تلفن همراه معمولاً دارای مغناطیس سنج 3 محور هستند اما برای میدان مغناطیسی ضعیف of 1 Gauss = 0.1 mT بهینه شده اند و در میدانهای چند mT اشباع شده اند. مکان سنسور روی گوشی مشخص نیست و نمی توان سنسور را در داخل دیافراگم های باریک مانند حفره یک آهنربای الکتریکی قرار داد. علاوه بر این ، ممکن است مایل نباشید تلفن هوشمند خود را به آهنرباهای قوی نزدیک کنید.

در اینجا من نحوه ساخت یک مغناطیس سنج قابل حمل ساده با اجزای مشترک را شرح می دهم: سنسور سالن خطی ، آردوینو ، صفحه نمایش و دکمه فشاری. هزینه کل کمتر از 5EUR است و حساسیت 0.01mT ~ در محدوده -100 تا +100mT بهتر از چیزی است که شما می توانید ساده لوحانه انتظار داشته باشید. برای دریافت دقیق قرائت مطلق ، باید آن را تنظیم کنید: من نحوه انجام این کار را با یک شیر برقی بلند خانگی توضیح می دهم.

مرحله 1: کاوشگر هال

اثر هال یک روش معمول برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی است. هنگامی که الکترونها از طریق یک هادی در میدان مغناطیسی عبور می کنند ، به پهلو منحرف می شوند و در نتیجه اختلاف بالقوه ای در کناره های هادی ایجاد می کنند. با انتخاب صحیح مواد نیمه هادی و هندسه ، یک سیگنال قابل اندازه گیری تولید می شود که می تواند تقویت شود و اندازه گیری یک جزء از میدان مغناطیسی را ارائه دهد.

من از SS49E استفاده می کنم زیرا ارزان و در دسترس است. چند نکته در برگه داده آن قابل توجه است:

• ولتاژ منبع تغذیه: 2.7-6.5 ولت ، بنابراین کاملاً با 5 ولت آردوینو سازگار است.
• خروجی تهی: 2.25-2.75V ، بنابراین تقریباً در نیمه راه بین 0 تا 5V.
• حساسیت: 1.0-1.75mV/Gauss ، بنابراین برای به دست آوردن نتایج دقیق به کالیبراسیون نیاز دارد.
• ولتاژ خروجی 1.0V-4.0V (در صورت کار با 5V): به خوبی توسط آردوینو ADC پوشانده شده است.
• محدوده: +-650G حداقل ، +-1000G معمولی.
• زمان پاسخگویی 3mus ، بنابراین می تواند در چند ده کیلوهرتز نمونه برداری کند.
• جریان تغذیه: 6-10 میلی آمپر ، کم به اندازه کافی برای کار با باتری.
• خطای دما: ~ 0.1 per در هر درجه سانتی گراد کمی به نظر می رسد اما 0.1 درصد جابجایی افست خطای 3mT می دهد.

این سنسور جمع و جور ، x 4x3x2 میلی متر است و جزء میدان مغناطیسی را که عمود بر قسمت جلویی آن است اندازه می گیرد. برای زمینه هایی که از سمت عقب به طرف جلو اشاره می کنند ، مثلاً وقتی جلو را به قطب جنوب مغناطیسی می رسانیم ، خروجی مثبتی خواهد داشت. سنسور دارای 3 سیم ، +5V ، 0V و خروجی از چپ به راست است ، هنگامی که از جلو دیده می شود.

مرحله 2: مواد مورد نیاز

• سنسور هال خطی SS49E اینها برای مجموعه 10 نفره آنلاین 1 یورو هزینه دارند.
• Arduino Uno با برد نمونه برای نمونه اولیه یا Arduino Nano (بدون سربرگ!) برای نسخه قابل حمل
• SSD1306 صفحه نمایش OLED تک رنگ 0.96 اینچی با رابط I2C
• یک دکمه لحظه ای

برای ساخت کاوشگر:

• یک گیره قدیمی یا لوله توخالی محکم دیگر
• 3 سیم رشته نازک تا حدودی بلندتر از لوله
• 12 سانتی متر لوله جمع کننده نازک (1.5 میلی متر)

برای قابل حمل کردن آن:

• یک جعبه بزرگ تیک تاک (18x46x83mm) یا مشابه آن
• گیره باتری 9 ولت
• یک کلید روشن/خاموش

مرحله 3: نسخه اول: استفاده از برد نمونه اولیه آردوینو

همیشه ابتدا نمونه اولیه را بررسی کنید تا بررسی کنید که همه اجزاء کار می کنند و نرم افزار عملکردی دارد! تصویر را دنبال کنید و برای اتصال پروب Hall ، صفحه نمایش و دکمه null: پروب Hall باید به +5V ، GND ، A0 (از چپ به راست) متصل شود. صفحه نمایش باید به GND ، +5V ، A5 ، A4 (از چپ به راست) متصل شود. هنگامی که دکمه را فشار می دهید ، باید از زمین به A1 متصل شود.

کد با استفاده از Arduino IDE نسخه 1.8.10 نوشته و بارگذاری شده است. لازم است کتابخانه های Adafruit_SSD1306 و Adafruit_GFX را نصب کنید کد را در طرح پیوست بارگذاری کنید.

صفحه نمایش باید یک مقدار DC و یک مقدار AC را نشان دهد.

مرحله 4: برخی نظرات درباره کد

اگر به کارکردهای داخلی کد علاقه ای ندارید ، می توانید این بخش را رها کنید.

ویژگی اصلی کد این است که میدان مغناطیسی 2000 بار متوالی اندازه گیری می شود. این مدت زمان 0.2-0.3 ثانیه طول می کشد. با پیگیری مجموع و مجموع مربع اندازه گیری ها ، می توان میانگین و انحراف معیار را که به صورت DC و AC گزارش شده اند ، محاسبه کرد. با میانگین گیری تعداد زیادی از اندازه گیری ها ، دقت از لحاظ نظری با sqrt (2000) 45 ~ افزایش می یابد. بنابراین با ADC 10 بیتی ، می توانیم به دقت ADC 15 بیتی برسیم! تفاوت بزرگی ایجاد می کند: 1 شمارش ADC 5mV است که 0.3mT ~ است. با توجه به میانگین گیری ، ما دقت 0.3mT را به 0.01mT بهبود می دهیم.

به عنوان یک امتیاز ، ما همچنین انحراف استاندارد را دریافت می کنیم ، بنابراین زمینه های نوسان دار چنین مشخص می شوند. یک میدان با نوسان در 50 هرتز 10 چرخه کامل را در طول زمان اندازه گیری انجام می دهد ، بنابراین مقدار AC آن را می توان به خوبی اندازه گیری کرد.

پس از گردآوری کد ، بازخورد زیر را دریافت می کنم: Sketch از 16852 بایت (54٪) از فضای ذخیره سازی برنامه استفاده می کند. حداکثر 30720 بایت است. متغیرهای سراسری از 352 بایت (17٪) حافظه پویا استفاده می کنند و 1696 بایت برای متغیرهای محلی باقی می ماند. حداکثر 2048 بایت است.

بیشتر فضا توسط کتابخانه های Adafruit اشغال شده است ، اما فضای زیادی برای عملکردهای بیشتر وجود دارد

مرحله 5: آماده سازی کاوشگر

کاوشگر بهتر است در نوک یک لوله باریک نصب شود: به این ترتیب می توان آن را به راحتی قرار داد و حتی در داخل دیافراگم های باریک در موقعیت خود نگه داشت. هر لوله توخالی از یک ماده غیر مغناطیسی کار می کند. من از یک گیره قدیمی استفاده کردم که تناسب کاملی داشت.

3 سیم انعطاف پذیر نازک که طول لوله بیشتر است آماده کنید. من از کابل روبان 3 سانتی متری استفاده کردم. هیچ منطقی در رنگ ها وجود ندارد (نارنجی برای +5 ولت ، قرمز برای 0 ولت ، خاکستری برای سیگنال) اما فقط با 3 سیم به خاطر دارم.

برای استفاده از کاوشگر در نمونه اولیه ، قطعاتی از سیم اتصال قوی هسته ای را در انتها لحیم کرده و با لوله کوچک از آنها محافظت کنید. بعداً می توان آن را قطع کرد تا سیم های پروب مستقیماً به آردوینو لحیم شوند.

مرحله 6: ساختن یک ابزار قابل حمل

یک باتری 9 ولت ، صفحه نمایش OLED و یک آردوینو نانو به راحتی در داخل یک جعبه (بزرگ) Tic-Tac قرار می گیرند. این مزیت شفافیت را دارد ، حتی در داخل صفحه نیز به خوبی قابل خواندن است. تمام اجزای ثابت (پروب ، سوئیچ روشن/خاموش و دکمه) در بالا متصل شده اند ، به طوری که کل مجموعه را می توان برای تغییر باتری یا به روز رسانی کد از جعبه بیرون آورد.

من هرگز طرفدار باتری های 9 ولت نبودم: آنها گران هستند و ظرفیت کمی دارند. اما سوپرمارکت محلی من ناگهان نسخه NiMH قابل شارژ را به ازای هر یورو به فروش رساند و من دریافتم که می توان آنها را به راحتی با نگه داشتن آنها روی 11 ولت از طریق مقاومت 100 اهم در طول شب شارژ کرد. من کلیپ ها را ارزان سفارش دادم اما هرگز نیامد ، بنابراین باتری قدیمی 9 ولت را جدا کردم تا قسمت بالایی آن به گیره تبدیل شود. خوبی باتری 9 ولت این است که جمع و جور است و آردوینو با اتصال آن به Vin به خوبی روی آن کار می کند. در +5V 5 ولت تنظیم شده برای OLED و کاوشگر Hall وجود خواهد داشت.

کاوشگر Hall ، صفحه OLED و دکمه فشاری همانند نمونه اولیه به هم متصل هستند. تنها مورد اضافه شده یک دکمه روشن/خاموش بین باتری 9 ولت و آردوینو است.

مرحله 7: کالیبراسیون

ثابت کالیبراسیون در کد مربوط به عددی است که در برگه داده (1.4mV/Gauss) آمده است ، اما برگه داده محدوده وسیعی (1.0-1.75mV/Gauss) را امکان پذیر می کند. برای به دست آوردن نتایج دقیق ، باید پروب را کالیبره کنیم!

ساده ترین راه برای تولید میدان مغناطیسی با قدرت تعیین شده ، استفاده از شیر برقی است: قدرت میدان یک شیر برقی بلند این است: B = mu0*n*I. نفوذپذیری خلا ثابت طبیعت است: mu0 = 1.2566x10^-6 T/m/A. میدان همگن است و فقط به چگالی سیم پیچ n و جریان I بستگی دارد ، که هر دو را می توان با دقت خوب (~ 1)) اندازه گیری کرد. فرمول نقل شده برای یک شیر برقی بی نهایت بلند مشتق شده است ، اما تقریب بسیار خوبی برای میدان در مرکز به شرط نسبت طول به قطر ، L/D> 10 است.

برای ساخت یک شیر برقی مناسب ، یک لوله استوانه ای توخالی با L/D> 10 بردارید و سیمهای معمولی را با سیم میناکاری شده اعمال کنید. من از یک لوله PVC با قطر بیرونی 23 میلی متر و پیچاندن 566 سیم پیچ به طول 20.2 سانتی متر استفاده کردم که نتیجه آن n = 28/cm = 2800/m بود. طول سیم 42 متر و مقاومت 10.0 اهم است.

تغذیه سیم پیچ و اندازه گیری جریان با مولتی متر. برای کنترل جریان ، از منبع تغذیه ولتاژ متغیر یا مقاومت بار متغیر استفاده کنید. میدان مغناطیسی را برای چند تنظیم فعلی اندازه گیری کرده و آن را با قرائت ها مقایسه کنید.

قبل از کالیبراسیون ، من 6.04 mT/A اندازه گیری کردم در حالی که نظریه 3.50 mT/A را پیش بینی می کند. بنابراین ثابت کالیبراسیون را در خط 18 کد در 0.58 ضرب کردم. مغناطیس سنج در حال حاضر کالیبره شده است!

نفر دوم در چالش آهن ربا