Máy đo từ trường cầm tay: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Một từ kế, đôi khi còn được gọi là Gaussmeter, đo cường độ của từ trường. Nó là một công cụ thiết yếu để kiểm tra độ bền của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện và để hiểu hình dạng trường của các cấu hình nam châm tầm thường. Nếu nó đủ nhạy, nó cũng có thể phát hiện xem các vật bằng sắt có bị nhiễm từ hay không. Các trường thay đổi thời gian từ động cơ và máy biến áp có thể được phát hiện nếu đầu dò đủ nhanh.

Điện thoại di động thường có từ kế 3 trục nhưng chúng đã được tối ưu hóa cho từ trường trái đất yếu ~ 1 Gauss = 0,1 mT và bão hòa ở trường vài mT. Vị trí của cảm biến trên điện thoại không rõ ràng và không thể đặt cảm biến bên trong các khẩu độ hẹp như lỗ khoan của nam châm điện. Hơn nữa, bạn có thể không muốn để điện thoại thông minh của mình gần nam châm mạnh.

Ở đây tôi mô tả cách tạo một từ kế cầm tay đơn giản với các thành phần phổ biến: cảm biến sảnh tuyến tính, Arduino, màn hình và nút nhấn. Tổng chi phí thấp hơn 5EUR và độ nhạy ~ 0,01mT trên phạm vi -100 đến + 100mT tốt hơn những gì bạn có thể mong đợi một cách ngây thơ. Để có được kết quả đọc tuyệt đối chính xác, bạn sẽ cần phải hiệu chỉnh nó: Tôi mô tả cách thực hiện điều đó với một bộ điện từ dài sản xuất tại nhà.

Bước 1: Thăm dò hội trường

Hiệu ứng Hall là một cách phổ biến để đo từ trường. Khi các electron chạy qua một vật dẫn trong từ trường, chúng sẽ bị lệch sang một bên và do đó tạo ra sự chênh lệch điện thế trên các mặt của vật dẫn. Với sự lựa chọn phù hợp về vật liệu và hình học bán dẫn, một tín hiệu có thể đo được sẽ được tạo ra có thể được khuếch đại và cung cấp một số đo của một thành phần của từ trường.

Tôi sử dụng SS49E vì nó rẻ và có sẵn rộng rãi. Một số điều cần lưu ý từ biểu dữ liệu của nó:

• Điện áp cung cấp: 2,7-6,5 V, tương thích hoàn hảo với 5V từ Arduino.
• Ngõ ra rỗng: 2,25-2,75V, vì vậy khoảng nửa giữa 0 và 5V.
• Độ nhạy: 1,0-1,75mV / Gauss, vì vậy nó sẽ yêu cầu hiệu chuẩn để có được kết quả chính xác.
• Điện áp đầu ra 1.0V-4.0V (nếu hoạt động ở 5V): được che phủ tốt bởi Arduino ADC.
• Phạm vi: + -650G tối thiểu, + -1000G điển hình.
• Thời gian đáp ứng 3mus, vì vậy nó có thể lấy mẫu ở tần số vài chục kHz.
• Dòng điện cung cấp: 6-10mA, đủ thấp để hoạt động bằng pin.
• Sai số nhiệt độ: ~ 0,1% mỗi độ C. Có vẻ ít nhưng độ lệch chênh lệch 0,1% tạo ra sai số 3mT.

Cảm biến nhỏ gọn, ~ 4x3x2mm và đo thành phần của từ trường vuông góc với mặt trước của nó. Nó sẽ tạo ra một dương cho các trường hướng từ mặt sau sang mặt trước, ví dụ khi mặt trước được đưa đến một cực nam từ tính. Cảm biến có 3 đạo trình, + 5V, 0V và đầu ra từ trái sang phải, khi nhìn từ phía trước.

Bước 2: Vật liệu cần thiết

• Cảm biến Hall tuyến tính SS49E. Những chi phí này ~ 1EUR cho một bộ 10 trực tuyến.
• Arduino Uno với bảng nguyên mẫu cho nguyên mẫu hoặc Arduino Nano (không có tiêu đề!) Cho phiên bản di động
• Màn hình OLED đơn sắc SSD1306 0,96”với giao diện I2C
• Một nút nhấn tạm thời

Để xây dựng đầu dò:

• Một cây bút bi cũ hoặc ống rỗng cứng cáp khác
• 3 sợi dây mảnh dài hơn ống một chút
• 12cm ống co mỏng (1,5mm)

Để làm cho nó di động:

• Hộp tic-tac lớn (18x46x83mm) hoặc tương tự
• Kẹp pin 9V
• Một công tắc bật / tắt

Bước 3: Phiên bản đầu tiên: Sử dụng Bảng nguyên mẫu Arduino

Luôn tạo nguyên mẫu trước để kiểm tra xem tất cả các thành phần hoạt động và phần mềm có hoạt động không! Làm theo hình và để kết nối đầu dò Hall, màn hình và nút null: Đầu dò Hall cần được kết nối với + 5V, GND, A0 (từ trái sang phải). Màn hình cần được kết nối với GND, + 5V, A5, A4 (từ trái sang phải). Nút cần tạo kết nối từ mặt đất đến A1 khi được nhấn.

Mã được viết và tải lên bằng Arduino IDE phiên bản 1.8.10. Nó yêu cầu cài đặt các thư viện Adafruit_SSD1306 và Adafruit_GFX Tải lên mã trong bản phác thảo đính kèm.

Màn hình sẽ hiển thị giá trị DC và giá trị AC.

Bước 4: Một số nhận xét về mã

Vui lòng bỏ qua phần này nếu bạn không quan tâm đến hoạt động bên trong của mã.

Đặc điểm chính của mã là từ trường được đo 2000 lần liên tiếp. Quá trình này mất khoảng 0,2-0,3 giây. Bằng cách theo dõi tổng và tổng bình phương của các phép đo, có thể tính cả giá trị trung bình và độ lệch chuẩn, được báo cáo là DC và AC. Bằng cách lấy trung bình một số lượng lớn các phép đo, độ chính xác tăng lên, về mặt lý thuyết là sqrt (2000) ~ 45. Vì vậy, với ADC 10 bit, chúng ta có thể đạt đến độ chính xác của ADC 15 bit! Nó tạo ra một sự khác biệt lớn: số lượng 1 ADC là 5mV, là ~ 0,3mT. Nhờ lấy trung bình, chúng tôi cải thiện độ chính xác từ 0,3mT đến 0,01mT.

Như một phần thưởng, chúng tôi cũng nhận được độ lệch chuẩn, vì vậy các trường dao động được xác định như vậy. Một trường dao động ở tần số 50Hz thực hiện ~ 10 chu kỳ đầy đủ trong thời gian đo, vì vậy giá trị AC của nó có thể được đo tốt.

Sau khi biên dịch mã, tôi nhận được phản hồi sau: Sketch sử dụng 16852 byte (54%) không gian lưu trữ chương trình. Tối đa là 30720 byte. Các biến toàn cục sử dụng 352 byte (17%) bộ nhớ động, để lại 1696 byte cho các biến cục bộ. Tối đa là 2048 byte.

Hầu hết không gian được sử dụng bởi các thư viện Adafruit, nhưng có rất nhiều không gian cho các chức năng khác

Bước 5: Chuẩn bị đầu dò

Tốt nhất nên gắn đầu dò ở đầu của một ống hẹp: bằng cách này, nó có thể dễ dàng được đặt và giữ ở vị trí ngay cả bên trong các khẩu độ hẹp. Bất kỳ ống rỗng nào bằng vật liệu không từ tính sẽ làm được. Tôi đã sử dụng một cây bút bi cũ có độ vừa vặn hoàn hảo.

Chuẩn bị 3 sợi dây mềm mỏng có chiều dài hơn ống. Tôi đã sử dụng 3cm cáp ruy-băng. Không có logic trong màu sắc (màu cam cho + 5V, màu đỏ cho 0V, màu xám cho tín hiệu) nhưng chỉ với 3 dây tôi có thể nhớ.

Để sử dụng đầu dò trên mẫu thử nghiệm, hãy hàn một số đoạn của dây móc lõi rắn đã tước ở đầu và bảo vệ chúng bằng ống co. Sau đó, điều này có thể được cắt bỏ để các dây thăm dò có thể được hàn trực tiếp vào Arduino.

Bước 6: Xây dựng một thiết bị cầm tay

Pin 9V, màn hình OLED và Arduino Nano vừa vặn thoải mái bên trong hộp Tic-Tac (lớn). Nó có ưu điểm là trong suốt, màn hình có thể đọc được ngay cả bên trong. Tất cả các thành phần cố định (đầu dò, công tắc bật / tắt và nút nhấn) được gắn vào phía trên, để có thể lấy toàn bộ cụm ra khỏi hộp để thay pin hoặc cập nhật mã.

Tôi chưa bao giờ là một fan hâm mộ của pin 9V: chúng đắt tiền và dung lượng ít. Nhưng siêu thị địa phương của tôi đột nhiên bán phiên bản NiMH có thể sạc lại với giá 1 EUR mỗi chiếc và tôi thấy rằng chúng có thể được sạc dễ dàng bằng cách giữ chúng trên 11V thông qua điện trở 100Ohm qua đêm. Tôi đã đặt hàng kẹp với giá rẻ nhưng họ không bao giờ đến, vì vậy tôi đã tháo rời một cục pin 9V cũ để quay đầu thành một chiếc kẹp. Điểm tốt về pin 9V là nó nhỏ gọn và Arduino chạy tốt trên nó bằng cách kết nối nó với Vin. Trên + 5V, sẽ có một nguồn 5V được điều chỉnh cho OLED và cho đầu dò Hall.

Đầu dò Hall, màn hình OLED và nút nhấn được kết nối giống như đối với nguyên mẫu. Sự bổ sung duy nhất là một nút bật / tắt giữa pin 9V và Arduino.

Bước 7: Hiệu chuẩn

Hằng số hiệu chuẩn trong mã tương ứng với số được đưa ra trong biểu dữ liệu (1,4mV / Gauss), nhưng biểu dữ liệu cho phép một phạm vi lớn (1,0-1,75mV / Gauss). Để có được kết quả chính xác, chúng tôi sẽ cần hiệu chỉnh đầu dò!

Cách đơn giản nhất để tạo ra từ trường có cường độ được xác định rõ là sử dụng một điện từ: cường độ trường của một điện từ dài là: B = mu0 * n * I. Độ từ thẩm của chân không là một hằng số có tính chất: mu0 = 1,2566x10 ^ -6 T / m / A. Trường là đồng nhất và chỉ phụ thuộc vào mật độ của cuộn dây n và dòng điện I, cả hai đều có thể được đo với độ chính xác tốt (~ 1%). Công thức được trích dẫn được suy ra cho điện từ dài vô hạn, nhưng là một giá trị gần đúng rất tốt cho trường ở trung tâm miễn là tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính, L / D> 10.

Để chế tạo điện từ phù hợp, lấy một ống hình trụ rỗng có L / D> 10 và áp dụng các cuộn dây thông thường bằng dây tráng men. Tôi đã sử dụng một ống PVC có và đường kính ngoài là 23mm và quấn 566 cuộn dây, dài hơn 20,2 cm, dẫn đến n = 28 / cm = 2800 / m. Chiều dài dây là 42m và điện trở 10,0 Ohm.

Cấp nguồn cho cuộn dây và đo cường độ dòng điện bằng đồng hồ vạn năng. Sử dụng một nguồn cung cấp điện áp thay đổi hoặc một điện trở tải thay đổi để giữ cho dòng điện được kiểm soát. Đo từ trường cho một vài cài đặt hiện tại và so sánh nó với các kết quả đọc được.

Trước khi hiệu chuẩn, tôi đo 6,04 mT / A trong khi lý thuyết dự đoán 3,50 mT / A. Vì vậy, tôi đã nhân hằng số hiệu chuẩn ở dòng 18 của mã với 0,58. Từ kế hiện đã được hiệu chỉnh!

Về nhì trong Thử thách nam châm