Магнитометр, иногда называемый также гауссметром, измеряет силу магнитного поля. Это важный инструмент для проверки постоянных магнитов и электромагнитов и для понимания формы поля конфигураций нестандартных магнитов. При достаточной чувствительности, он также может обнаружить, намагниченные железные объекты. Изменяющиеся во времени поля от двигателей и трансформаторов могут быть обнаружены, если зонд достаточно чувствительный.
В этой статье мастер-самодельщик расскажет, как сделать простой портативный магнитометр с общими компонентами: линейным датчиком Холла, Arduino, дисплеем и кнопкой. Общая стоимость составляет менее 5 евро, а чувствительность ~ 0,01 мТл в диапазоне от -100 до + 100 мТл. Это лучше, чем можно было ожидать от такого прибора. Чтобы получить точные показания, необходимо откалибровать прибор, и мастер также описывает этот процесс.
Инструменты и материалы:
-SS49E линейный датчик Холла;
-Arduino Uno;
-SSD1306 — 0,96” монохромный OLED-дисплей с интерфейсом I2C;
-Микрокнопка;
-Шариковая ручка;
-3 тонких многожильных провода;
-12см тонкой (1,5 мм) термоусадочной трубки;
-Пластиковая коробка (18x46x83 мм);
-Переключатель;
-Батарея 9В;
-Держатель батареи;
Шаг первый: теория
Для измерения магнитного поля можно использовать смартфон. Смартфоны обычно содержат 3-осевой магнитометр, но он, как правило, оптимизирован для слабого магнитного поля Земли ~ 1 Гаусс = 0,1 мТл. Расположение сенсора на телефоне не известно, и невозможно разместить сенсор внутри узких отверстий, таких как отверстие электромагнита.
Эффект Холла является распространенным способом измерения магнитных полей. Когда электроны протекают через проводник в магнитном поле, они отклоняются вбок и, таким образом, создают разность потенциалов на сторонах проводника. При правильном выборе материала и геометрии полупроводника получается измеримый сигнал, который можно усилить и обеспечить измерение одного компонента магнитного поля.
Мастер использует дешевый и широкодоступный датчик SS49E.
Вот его характеристики:
• Энергетически эффективный
• Удобный PCB интерфейс
• Стабильный выходной сигнал с малым шумом
• Диапазон напряжения питания от 2.7В DC до 6.5В DC
• Чувствительность 1.4мВ/Гс
• Время отклика: 3мкс
• Линейность (% от диапазона) 0.7%
• Диапазон рабочей температуры от -40°C до 100°C
Датчик компактен, ~ 4x3x2 мм. Измеряет компонент магнитного поля, перпендикулярный его передней поверхности. Датчик биполярен и имеет 3 вывода — Vcс Gnd Out
Шаг второй: макетная плата
Сначала мастер собирает схему на макетной плате. Подключает датчик Холла, дисплей и кнопку: датчик Холла должен быть подключен к + 5В, GND, A1 (слева направо). Дисплей должен быть подключен к GND, + 5V, A5, A4 (слева направо). При нажатии кнопки необходимо установить соединение с землей на A0.
Код был написан и загружен с использованием Arduino IDE версии 1.8.10. Требуется установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX.
На дисплее должно отображаться значение постоянного тока и значение переменного тока.
Код можно скачать ниже.
Magnetometer.ino
Шаг третий: датчик
Датчик Холла лучше всего устанавливать на конце узкой трубки. Такое расположение очень удобно и его можно будет легко разместить внутри узких отверстий. Подойдет любая полая трубка из немагнитного материала. Мастер использовал старую шариковую ручку.
Нужно подготовить три тонких гибких провода, которые длиннее трубки. Припаял провода к ножкам датчика, заизолировал.
Шаг четвертый: сборка
Батарея 9 В, OLED-экран и Arduino Nano удобно помещаются в коробку Tic-Tac. Преимущество в том, что он прозрачный, поэтому значения на экране хорошо читаются внутри. Все фиксированные компоненты (датчик, выключатель и кнопка) прикреплены к верхней части, так что весь блок можно вынуть из коробки для замены батареи или обновления кода.
Мастер не был поклонником 9 В аккумуляторов, они дорогие и имеют небольшую емкость. Но местный супермаркет внезапно продал перезаряжаемую версию NiMH по 1 евро каждая. Их можно легко зарядить, если подать на них питание 11 В через резистор 100 Ом в течении ночи. Для подключения батареи мастер использует контакты от старой 9 В батареи. 9 В батарея компактна. От батареи + подается на Vin Arduino, минус на GND. На выходе +5 В будет иметься регулируемое напряжение 5 В для дисплея и для датчика Холла.
Зонд Холла, OLED-экран и кнопка подключаются так же, как на макетной плате. Единственное дополнение — кнопка включения / выключения устанавливается между батареей 9 В и Arduino.
Шаг пятый: калибровка
Калибровочная константа в коде соответствует числу, указанному в техническом описании (1,4 мВ / гаусс), но техническое описание допускает большой диапазон (1,0-1,75 мВ / гаусс). Чтобы получить точные результаты, нам нужно откалибровать зонд.
Самый простой способ создать магнитное поле с точно определенной силой — это использовать соленоид.
Для расчета берется следующая формула: B = mu0 * n * I. Магнитная постоянная является константой mu0 = 1.2566×10 ^ -6 Т / M / A. Поле является однородным и зависит только от плотности обмоток n и тока I, которые можно измерить с хорошей точностью (~ 1%). Приведенная формула в данном случае работает если отношение длины к диаметру L / D> 10.
Чтобы сделать подходящий соленоид, нужно взять полую цилиндрическую трубу с L / D> 10 и намотать обмотку. Мастер использовал трубку из ПВХ с наружным диаметром 23 мм. Количество витков — 566. Сопротивление 10 Ом.
Далее подает питание на катушку и измеряет ток с помощью мультиметра. Для контроля тока использует источник переменного напряжения или резистор переменной нагрузки. Измеряет магнитное поле для нескольких текущих настроек и сравнивает его с показаниями.
До калибровки датчик показывал 6,04 мТл, в то время как по теории 3,50 мТл. Поэтому мастер умножил калибровочную константу в строке 18 кода на 0,58. Магнитометр теперь откалиброван.
