Magnetômetro portátil: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Um magnetômetro, às vezes também chamado de Gaussmeter, mede a força do campo magnético. É uma ferramenta essencial para testar a força de ímãs permanentes e eletroímãs e para compreender a forma do campo de configurações de ímã não triviais. Se for sensível o suficiente, também pode detectar se objetos de ferro foram magnetizados. Campos variáveis no tempo de motores e transformadores podem ser detectados se a sonda for rápida o suficiente.

Os telefones celulares geralmente contêm um magnetômetro de 3 eixos, mas eles foram otimizados para o campo magnético terrestre fraco de ~ 1 Gauss = 0,1 mT e saturam em campos de alguns mT. A localização do sensor no telefone não é óbvia e não é possível colocar o sensor dentro de aberturas estreitas, como o orifício de um eletroímã. Além disso, você pode não querer aproximar seu smartphone de ímãs fortes.

Aqui eu descrevo como fazer um magnetômetro portátil simples com componentes comuns: um sensor hall linear, um Arduino, um display e um botão de pressão. O custo total é inferior a 5EUR e a sensibilidade de ~ 0,01mT em uma faixa de -100 a + 100mT é melhor do que o que você poderia ingenuamente esperar. Para obter leituras absolutas precisas, você precisará calibrá-lo: eu descrevo como fazer isso com um solenóide longo feito em casa.

Etapa 1: A Sonda Hall

O efeito Hall é uma forma comum de medir campos magnéticos. Quando os elétrons fluem através de um condutor em um campo magnético, eles são desviados para os lados e, portanto, criam uma diferença de potencial nas laterais do condutor. Com a escolha certa do material semicondutor e da geometria, é produzido um sinal mensurável que pode ser amplificado e fornecer uma medida de um componente do campo magnético.

Eu uso o SS49E porque é barato e amplamente disponível. Algumas coisas a serem observadas em sua folha de dados:

• Tensão de alimentação: 2,7-6,5 V, portanto perfeitamente compatível com os 5V do Arduino.
• Saída nula: 2,25-2,75 V, então aproximadamente na metade entre 0 e 5 V.
• Sensibilidade: 1,0-1,75mV / Gauss, portanto, exigirá calibração para obter resultados precisos.
• Tensão de saída 1,0 V-4,0 V (se operado a 5 V): bem coberta pelo Arduino ADC.
• Faixa: + -650G mínimo, + -1000G típico.
• O tempo de resposta é 3mus, para que possa amostrar em algumas dezenas de kHz.
• Corrente de alimentação: 6-10mA, baixa o suficiente para funcionar com bateria.
• Erro de temperatura: ~ 0,1% por grau C. Parece pouco, mas um desvio de 0,1% fornece um erro de 3mT.

O sensor é compacto, ~ 4x3x2mm, e mede o componente do campo magnético que é perpendicular à sua face frontal. Ele emitirá um positivo para campos que apontam do lado posterior para o lado frontal, por exemplo, quando a frente é trazida para um pólo sul magnético. O sensor tem 3 condutores, + 5V, 0V e saída da esquerda para a direita, quando visto de frente.

Etapa 2: Material necessário

• Sensor Hall linear SS49E. Estes custam cerca de 1EUR para um conjunto de 10 online.
• Arduino Uno com placa de protótipo para protótipo ou Arduino Nano (sem cabeçalhos!) Para versão portátil
• SSD1306 Tela OLED monocromática de 0,96 "com interface I2C
• Um botão momentâneo

Para construir a sonda:

• Uma esferográfica velha ou outro tubo oco resistente
• 3 fios finos trançados um pouco mais longos do que o tubo
• 12 cm de tubo retrátil fino (1,5 mm)

Para torná-lo portátil:

• Uma grande caixa de tic-tac (18x46x83mm) ou semelhante
• Um clipe de bateria de 9V
• Um botão liga / desliga

Etapa 3: Primeira versão: usando uma placa de protótipo Arduino

Sempre faça o protótipo primeiro para verificar se todos os componentes funcionam e se o software está funcional! Siga a figura e para conectar a sonda Hall, o display e o botão nulo: A sonda Hall precisa ser conectada a + 5V, GND, A0 (da esquerda para a direita). O display precisa ser conectado a GND, + 5V, A5, A4 (da esquerda para a direita). O botão precisa fazer uma conexão do solo para A1 quando pressionado.

O código foi escrito e carregado usando o IDE Arduino versão 1.8.10. Requer a instalação das bibliotecas Adafruit_SSD1306 e Adafruit_GFX. Carregue o código no esboço em anexo.

O display deve mostrar um valor DC e um valor AC.

Etapa 4: alguns comentários sobre o código

Sinta-se à vontade para pular esta seção se não estiver interessado no funcionamento interno do código.

A principal característica do código é que o campo magnético é medido 2.000 vezes consecutivas. Isso leva cerca de 0,2-0,3 segundos. Ao manter o controle da soma e da soma quadrada das medidas, é possível calcular a média e o desvio padrão, que são relatados como DC e AC. Calculando a média de um grande número de medições, a precisão aumenta, teoricamente em sqrt (2000) ~ 45. Portanto, com um ADC de 10 bits, podemos alcançar a precisão de um ADC de 15 bits! Isso faz uma grande diferença: a contagem de 1 ADC é 5mV, que é ~ 0,3mT. Graças à média, melhoramos a precisão de 0,3mT para 0,01mT.

Como bônus, também obtemos o desvio padrão, portanto, os campos flutuantes são identificados como tal. Um campo flutuando em 50 Hz faz ~ 10 ciclos completos durante o tempo de medição, então seu valor AC pode ser bem medido.

Depois de compilar o código, recebo o seguinte feedback: Sketch usa 16852 bytes (54%) de espaço de armazenamento do programa. O máximo é 30720 bytes. Variáveis globais usam 352 bytes (17%) de memória dinâmica, deixando 1696 bytes para variáveis locais. O máximo é 2.048 bytes.

A maior parte do espaço é ocupada pelas bibliotecas Adafruit, mas há muito espaço para outras funcionalidades

Etapa 5: Preparando a Sonda

A sonda é montada melhor na ponta de um tubo estreito: desta forma, pode ser facilmente colocada e mantida em posição, mesmo dentro de aberturas estreitas. Qualquer tubo oco de um material não magnético serve. Usei uma esferográfica velha que encaixou perfeitamente.

Prepare 3 fios flexíveis finos que são mais longos que o tubo. Usei 3 cm de cabo de fita. Não há lógica nas cores (laranja para + 5V, vermelho para 0V, cinza para sinal) mas com apenas 3 fios que me lembro.

Para usar a sonda no protótipo, solde alguns pedaços de fio de conexão de núcleo sólido descascado na extremidade e proteja-os com tubo retrátil. Posteriormente, isso pode ser cortado para que os fios da sonda possam ser soldados diretamente ao Arduino.

Etapa 6: Construindo um Instrumento Portátil

Uma bateria de 9 V, a tela OLED e um Arduino Nano cabem confortavelmente dentro de uma caixa (grande) Tic-Tac. Tem a vantagem de ser transparente, pois a tela é bem legível mesmo por dentro. Todos os componentes fixos (a sonda, o botão liga / desliga e o botão de pressão) são fixados na parte superior, de modo que todo o conjunto pode ser retirado da caixa para trocar a bateria ou atualizar o código.

Nunca fui fã de baterias de 9V: são caras e têm pouca capacidade. Mas meu supermercado local repentinamente vendeu a versão recarregável de NiMH por 1 EUR cada, e descobri que eles podem ser facilmente carregados mantendo-os em 11 V através de um resistor de 100 ohm durante a noite. Encomendei clipes baratos, mas eles nunca chegaram, então desmontei uma velha bateria de 9V para transformar a parte superior em um clipe. O bom da bateria de 9 V é que ela é compacta e o Arduino funciona bem com ela ao conectá-la ao Vin. Em + 5 V, haverá um 5 V regulado disponível para o OLED e para a sonda Hall.

A sonda Hall, a tela OLED e o botão de pressão são conectados da mesma forma que para o protótipo. A única adição é um botão liga / desliga entre a bateria de 9V e o Arduino.

Etapa 7: Calibração

A constante de calibração no código corresponde ao número fornecido na folha de dados (1,4mV / Gauss), mas a folha de dados permite uma grande faixa (1,0-1,75mV / Gauss). Para obter resultados precisos, precisaremos calibrar a sonda!

A maneira mais direta de produzir um campo magnético com uma intensidade bem determinada é usar um solenóide: a intensidade do campo de um solenóide longo é: B = mu0 * n * I. A permeabilidade ao vácuo é uma constante da natureza: mu0 = 1,2566x10 ^ -6 T / m / A. O campo é homogêneo e depende apenas da densidade dos enrolamentos n e da corrente I, os quais podem ser medidos com boa precisão (~ 1%). A fórmula citada é derivada para solenóide infinitamente longo, mas é uma boa aproximação para o campo no centro, desde que a razão entre comprimento e diâmetro, L / D> 10.

Para fazer um solenóide adequado, pegue um tubo cilíndrico oco com L / D> 10 e aplique enrolamentos regulares com fio esmaltado. Usei um tubo de PVC com diâmetro externo de 23mm e enrolei 566 enrolamentos, que mediram 20,2cm, resultando em n = 28 / cm = 2800 / m. O comprimento do fio é de 42m e a resistência de 10,0 Ohm.

Forneça energia à bobina e meça o fluxo de corrente com um multímetro. Use uma fonte de tensão variável ou um resistor de carga variável para manter a corrente sob controle. Meça o campo magnético para algumas configurações atuais e compare-o com as leituras.

Antes da calibração, medi 6,04 mT / A enquanto a teoria prevê 3,50 mT / A. Então, multipliquei a constante de calibração na linha 18 do código por 0,58. O magnetômetro agora está calibrado!

Vice-campeão no Desafio de Ímãs