Magnetometro portatile: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Un magnetometro, a volte chiamato anche Gaussmeter, misura la forza del campo magnetico. È uno strumento essenziale per testare la forza di magneti permanenti ed elettromagneti e per comprendere la forma del campo di configurazioni magnetiche non banali. Se è abbastanza sensibile, può anche rilevare se gli oggetti di ferro si sono magnetizzati. Se la sonda è sufficientemente veloce, è possibile rilevare i campi variabili nel tempo provenienti da motori e trasformatori.

I telefoni cellulari di solito contengono un magnetometro a 3 assi, ma sono stati ottimizzati per il debole campo magnetico terrestre di ~1 Gauss = 0,1 mT e saturano a campi di pochi mT. La posizione del sensore sul telefono non è ovvia e non è possibile posizionare il sensore all'interno di aperture strette come il foro di un elettromagnete. Inoltre, potresti non voler avvicinare il tuo smartphone a forti magneti.

Qui descrivo come realizzare un semplice magnetometro portatile con componenti comuni: un sensore di hall lineare, un Arduino, un display e un pulsante. Il costo totale è inferiore a 5 EUR e la sensibilità di ~0.01mT su un intervallo da -100 a +100mT è migliore di quanto ci si potrebbe ingenuamente aspettare. Per ottenere letture assolute accurate, dovrai calibrarlo: descrivo come farlo con un lungo solenoide fatto in casa.

Passaggio 1: la sonda di sala

L'effetto Hall è un modo comune per misurare i campi magnetici. Quando gli elettroni fluiscono attraverso un conduttore in un campo magnetico, vengono deviati lateralmente e quindi creano una differenza di potenziale ai lati del conduttore. Con la giusta scelta del materiale e della geometria del semiconduttore, viene prodotto un segnale misurabile che può essere amplificato e fornire una misura di un componente del campo magnetico.

Uso l'SS49E perché è economico e ampiamente disponibile. Alcune cose da notare dalla sua scheda tecnica:

• Tensione di alimentazione: 2,7-6,5 V, quindi perfettamente compatibile con i 5 V di Arduino.
• Uscita nulla: 2,25-2,75 V, quindi circa a metà tra 0 e 5 V.
• Sensibilità: 1,0-1,75 mV/Gauss, quindi sarà necessaria la calibrazione per ottenere risultati precisi.
• Voltaggio in uscita 1.0V-4.0V (se operato a 5V): ben coperto dall'Adc Arduino.
• Intervallo: +-650G minimo, +-1000G tipico.
• Tempo di risposta 3mus, quindi può campionare a poche decine di kHz.
• Corrente di alimentazione: 6-10 mA, sufficientemente bassa per funzionare a batteria.
• Errore di temperatura: ~0,1% per grado C. Sembra poco, ma una deriva offset dello 0,1% dà un errore di 3mT.

Il sensore è compatto, ~4x3x2mm, e misura la componente del campo magnetico perpendicolare alla sua faccia frontale. Emetterà un positivo per i campi che puntano dal lato posteriore al lato anteriore, ad esempio quando il fronte viene portato a un polo sud magnetico. Il sensore ha 3 cavi, +5V, 0V e uscita da sinistra a destra, se visto di fronte.

Passaggio 2: Materiale richiesto

• Sensore lineare di Hall SS49E. Questi costano ~ 1 EUR per un set di 10 online.
• Arduino Uno con scheda prototipo per prototipo o Arduino Nano (senza header!) per versione portatile
• SSD1306 Display OLED monocromatico da 0,96" con interfaccia I2C
• Un pulsante momentaneo

Per costruire la sonda:

• Una vecchia penna a sfera o un altro tubo cavo robusto
• 3 fili a trefoli sottili un po' più lunghi del tubo
• 12 cm di tubo termoretraibile sottile (1,5 mm)

Per renderlo portatile:

• Una grande scatola di tic-tac (18x46x83mm) o simile
• Una clip per batteria da 9V
• Un interruttore on/off

Passaggio 3: Prima versione: utilizzo di una scheda prototipo Arduino

Prototipa sempre prima per verificare che tutti i componenti funzionino e che il software sia funzionante! Seguire l'immagine e collegare la sonda Hall, il display e il pulsante null: La sonda Hall deve essere collegata a +5V, GND, A0 (da sinistra a destra). Il display deve essere collegato a GND, +5V, A5, A4 (da sinistra a destra). Il pulsante deve effettuare una connessione da terra ad A1 quando viene premuto.

Il codice è stato scritto e caricato utilizzando l'IDE Arduino versione 1.8.10. Richiede l'installazione delle librerie Adafruit_SSD1306 e Adafruit_GFX Carica il codice nello sketch allegato.

Il display dovrebbe mostrare un valore DC e un valore AC.

Passaggio 4: alcuni commenti sul codice

Sentiti libero di saltare questa sezione se non sei interessato al funzionamento interno del codice.

La caratteristica fondamentale del codice è che il campo magnetico viene misurato 2000 volte di seguito. Questo richiede circa 0,2-0,3 secondi. Tenendo traccia della somma e della somma al quadrato delle misurazioni, è possibile calcolare sia la media che la deviazione standard, che vengono riportate come DC e AC. Facendo la media di un gran numero di misurazioni, la precisione aumenta, teoricamente di sqrt(2000)~45. Quindi, con un ADC a 10 bit, possiamo raggiungere la precisione di un ADC a 15 bit! Fa una grande differenza: 1 conteggio ADC è 5 mV, che è ~ 0,3 mT. Grazie alla media, miglioriamo la precisione da 0,3 mT a 0,01 mT.

Come bonus, otteniamo anche la deviazione standard, quindi i campi fluttuanti vengono identificati come tali. Un campo che fluttua a 50Hz fa ~10 cicli completi durante il tempo di misurazione, quindi il suo valore CA può essere misurato bene.

Dopo aver compilato il codice ottengo il seguente feedback: Sketch utilizza 16852 byte (54%) dello spazio di archiviazione del programma. Il massimo è 30720 byte. Le variabili globali utilizzano 352 byte (17%) di memoria dinamica, lasciando 1696 byte per le variabili locali. Il massimo è 2048 byte.

La maggior parte dello spazio è occupato dalle librerie Adafruit, ma c'è molto spazio per ulteriori funzionalità

Passaggio 5: Preparazione della sonda

La sonda viene montata al meglio sulla punta di un tubo stretto: in questo modo può essere facilmente posizionata e tenuta in posizione anche all'interno di aperture strette. Andrà bene qualsiasi tubo cavo di materiale non magnetico. Ho usato una vecchia penna a sfera che si adattava perfettamente.

Preparare 3 fili flessibili sottili più lunghi del tubo. Ho usato 3 cm di cavo a nastro. Non c'è logica nei colori (arancione per +5V, rosso per 0V, grigio per segnale) ma con solo 3 fili posso ricordare.

Per utilizzare la sonda sul prototipo, saldare all'estremità alcuni pezzi di filo di collegamento a nucleo solido spelato e proteggerli con un tubo termoretraibile. Successivamente questo può essere tagliato in modo che i fili della sonda possano essere saldati direttamente all'Arduino.

Passaggio 6: costruire uno strumento portatile

Una batteria da 9V, lo schermo OLED e un Arduino Nano stanno comodamente all'interno di una (grande) scatola Tic-Tac. Ha il vantaggio di essere trasparente, allo schermo è ben leggibile anche all'interno. Tutti i componenti fissi (la sonda, l'interruttore on/off e il pulsante) sono fissati alla parte superiore, in modo che l'intero gruppo possa essere estratto dalla scatola per la sostituzione della batteria o l'aggiornamento del codice.

Non sono mai stato un fan delle batterie da 9V: sono costose e hanno poca capacità. Ma il mio supermercato locale ha improvvisamente venduto la versione NiMH ricaricabile per 1 euro l'una, e ho scoperto che possono essere facilmente caricati tenendoli a 11V attraverso un resistore da 100Ohm durante la notte. Ho ordinato le clip a buon mercato ma non sono mai arrivate, quindi ho smontato una vecchia batteria da 9 V per trasformare la parte superiore in una clip. La cosa buona della batteria da 9 V è che è compatta e l'Arduino funziona bene collegandolo a Vin. Su +5V ci sarà un 5V regolato disponibile per l'OLED e per la sonda Hall.

La sonda Hall, lo schermo OLED e il pulsante sono collegati allo stesso modo del prototipo. L'unica aggiunta è un pulsante di accensione/spegnimento tra la batteria da 9V e l'Arduino.

Passaggio 7: Calibrazione

La costante di calibrazione nel codice corrisponde al numero indicato nella scheda tecnica (1,4 mV/Gauss), ma la scheda tecnica consente un ampio intervallo (1,0-1,75 mV/Gauss). Per ottenere risultati accurati, dovremo calibrare la sonda!

Il modo più semplice per produrre un campo magnetico di intensità ben determinata è utilizzare un solenoide: l'intensità di campo di un solenoide lungo è: B=mu0*n*I. La permeabilità al vuoto è una costante di natura: mu0=1.2566x10^-6 T/m/A. Il campo è omogeneo e dipende solo dalla densità degli avvolgimenti n e dalla corrente I, entrambi misurabili con buona precisione (~1%). La formula citata è derivata per un solenoide infinitamente lungo, ma è un'approssimazione molto buona per il campo al centro finché il rapporto tra lunghezza e diametro, L/D>10.

Per realizzare un solenoide adatto, prendere un tubo cilindrico cavo con L/D > 10 e applicare avvolgimenti regolari con filo smaltato. Ho usato un tubo in PVC con un diametro esterno di 23 mm e avvolto 566 avvolgimenti, che si estendevano per 20,2 cm, risultando in n=28/cm=2800/m. La lunghezza del cavo è di 42 m e la resistenza di 10,0 Ohm.

Alimentare la bobina e misurare il flusso di corrente con un multimetro. Utilizzare un'alimentazione a tensione variabile o un resistore di carico variabile per mantenere la corrente sotto controllo. Misurare il campo magnetico per alcune impostazioni correnti e confrontarlo con le letture.

Prima della calibrazione, ho misurato 6,04 mT/A mentre la teoria prevede 3,50 mT/A. Quindi ho moltiplicato la costante di calibrazione nella riga 18 del codice per 0,58. Il magnetometro è ora calibrato!

Secondo classificato nella sfida dei magneti