Ein Magnetometer, manchmal auch Gaussmeter genannt, misst die Stärke eines Magnetfeldes. Dies ist ein wichtiges Werkzeug zur Überprüfung von Permanentmagneten und Elektromagneten und zum Verständnis der Feldform von nicht standardmäßigen Magnetkonfigurationen. Mit ausreichender Empfindlichkeit kann es auch magnetisierte Eisenobjekte erkennen. Zeitvariable Felder von Motoren und Transformatoren können erkannt werden, wenn die Sonde ausreichend empfindlich ist.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie ein einfaches tragbares Magnetometer mit gemeinsamen Komponenten herstellen: einem linearen Hallsensor, Arduino, Anzeige und Taste. Die Gesamtkosten betragen weniger als 5 Euro und die Empfindlichkeit beträgt ~ 0,01 mT im Bereich von -100 bis + 100 mT. Dies ist besser als Sie es von einem solchen Gerät erwarten würden. Um genaue Messwerte zu erhalten, müssen Sie das Instrument kalibrieren. Der Assistent beschreibt diesen Vorgang ebenfalls.
Werkzeuge und Materialien:
-SS49E linearer Hallsensor;
-Arduino Uno;
-SSD1306 - 0,96-Zoll-Monochrom-OLED-Display mit I2C-Schnittstelle;
-Mikro-Taste;
-Kugelschreiber;
-3 dünne Litzen;
-12 cm dünnes (1,5 mm) Schrumpfrohr;
-Plastikbox (18x46x83 mm);
-Schalter;
-Batterie 9V;
-Batteriehalter;
Erster Schritt: Theorie
Sie können ein Smartphone verwenden, um das Magnetfeld zu messen. Smartphones enthalten normalerweise ein 3-Achsen-Magnetometer, es ist jedoch normalerweise für ein schwaches Magnetfeld der Erde optimiert ~ 1 Gauß = 0,1 mT. Die Position des Sensors am Telefon ist nicht bekannt, und es ist nicht möglich, den Sensor in engen Löchern wie dem Loch eines Elektromagneten zu platzieren.
Der Hall-Effekt ist eine übliche Methode zur Messung von Magnetfeldern. Wenn Elektronen in einem Magnetfeld durch einen Leiter fließen, werden sie seitwärts abgelenkt und erzeugen so eine Potentialdifferenz an den Seiten des Leiters. Mit der richtigen Materialwahl und der Geometrie des Halbleiters wird ein messbares Signal erhalten, das verstärkt werden kann und die Messung einer Komponente des Magnetfeldes ermöglicht.
Der Assistent verwendet einen billigen und weit verbreiteten SS49E-Sensor.
Hier sind seine Eigenschaften:
• Energieeffizient
• Praktische Leiterplattenschnittstelle
• Stabiler rauscharmer Ausgang
• Versorgungsspannungsbereich von 2,7 V DC bis 6,5 V DC
• Empfindlichkeit 1,4 mV / G.
• Reaktionszeit: 3mks
• Linearität (% des Bereichs) 0,7%
• Betriebstemperaturbereich von -40 ° C bis 100 ° C.
Der Sensor ist kompakt, ~ 4x3x2 mm. Misst die Komponente des Magnetfelds senkrecht zu seiner Vorderseite. Der Sensor ist bipolar und hat 3 Pins - Vcc Gnd Out
Schritt zwei: Steckbrett
Zuerst baut der Assistent die Schaltung auf einem Steckbrett zusammen. Verbindet den Hallsensor, das Display und die Taste: Der Hallsensor muss an + 5V, GND, A1 (von links nach rechts) angeschlossen werden. Das Display muss an GND, + 5V, A5, A4 (von links nach rechts) angeschlossen sein. Wenn die Taste gedrückt wird, muss an A0 eine Erdungsverbindung hergestellt werden.
Der Code wurde mit der Arduino IDE Version 1.8.10 geschrieben und heruntergeladen. Erfordert die Installation der Bibliotheken Adafruit_SSD1306 und Adafruit_GFX.
Das Display sollte den Gleichstromwert und den Wechselstromwert anzeigen.
Der Code kann unten heruntergeladen werden.
Magnetometer.ino
Schritt drei: Sensor
Der Hallsensor wird am besten am Ende eines schmalen Rohrs installiert. Diese Anordnung ist sehr praktisch und kann leicht in engen Löchern platziert werden. Jedes Hohlrohr aus nichtmagnetischem Material reicht aus. Der Meister benutzte einen alten Kugelschreiber.
Sie müssen drei dünne flexible Drähte vorbereiten, die länger als der Schlauch sind. Löten Sie die Drähte isoliert an die Beine des Sensors.
Schritt vier: Bauen
Die 9-V-Batterie, der OLED-Bildschirm und der Arduino Nano passen bequem in eine Tic-Tac-Box. Der Vorteil ist, dass es transparent ist, sodass die Werte auf dem Bildschirm im Inneren gut gelesen werden können. Alle festen Komponenten (Sensor, Schalter und Taste) sind oben angebracht, sodass die gesamte Einheit aus der Verpackung genommen werden kann, um die Batterie auszutauschen oder den Code zu aktualisieren.
Der Master war kein Fan von 9-V-Batterien, sie sind teuer und haben eine geringe Kapazität. Aber der örtliche Supermarkt verkaufte plötzlich eine wiederaufladbare Version von NiMH für jeweils 1 Euro. Sie können leicht aufgeladen werden, wenn sie über Nacht über einen 100-Ohm-Widerstand mit 11 V versorgt werden. Zum Anschließen der Batterie verwendet der Master die Kontakte der alten 9-V-Batterie. 9V Batterie ist kompakt. Von Batterie + auf Vin Arduino serviert, minus auf GND. Am Ausgang von +5 V liegt eine einstellbare Spannung von 5 V für das Display und den Hallsensor an.
Die Hall-Sonde, der OLED-Bildschirm und die Taste sind auf die gleiche Weise wie auf dem Steckbrett verbunden. Die einzige Ergänzung ist, dass der Ein- / Ausschalter zwischen der 9-V-Batterie und dem Arduino installiert ist.
Fünfter Schritt: Kalibrierung
Die Kalibrierungskonstante im Code entspricht der in der technischen Beschreibung angegebenen Zahl (1,4 mV / Gauß), die technische Beschreibung erlaubt jedoch einen weiten Bereich (1,0-1,75 mV / Gauß). Um genaue Ergebnisse zu erhalten, müssen wir die Sonde kalibrieren.
Der einfachste Weg, ein Magnetfeld mit einer genau definierten Kraft zu erzeugen, ist die Verwendung eines Magneten.
Für die Berechnung wird die folgende Formel verwendet: B = mu0 * n * I. Die magnetische Konstante ist konstant mu0 = 1,2566x10 ^ -6 T / M / A. Das Feld ist gleichmäßig und hängt nur von der Dichte der Wicklungen n und dem Strom I ab, die mit gut gemessen werden können Genauigkeit (~ 1%). Die obige Formel funktioniert in diesem Fall, wenn das Verhältnis von Länge zu Durchmesser L / D> 10 ist.
Um einen geeigneten Magneten herzustellen, müssen Sie ein hohlzylindrisches Rohr mit L / D> 10 nehmen und die Wicklung aufwickeln. Der Meister verwendete ein PVC-Rohr mit einem Außendurchmesser von 23 mm. Die Anzahl der Windungen beträgt 566. Der Widerstand beträgt 10 Ohm.
Anschließend versorgt es die Spule mit Strom und misst den Strom mit einem Multimeter. Zur Steuerung des Stroms wird eine Wechselspannungsquelle oder ein Widerstand mit variabler Last verwendet. Misst das Magnetfeld für mehrere Stromeinstellungen und vergleicht es mit den Messwerten.
Vor der Kalibrierung zeigte der Sensor 6,04 mT, während er theoretisch 3,50 mT betrug. Daher multiplizierte der Master die Kalibrierungskonstante in Zeile 18 des Codes mit 0,58. Das Magnetometer ist jetzt kalibriert.
