مقياس مغناطيسي محمول: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

يقيس مقياس المغناطيسية ، الذي يُطلق عليه أحيانًا مقياس Gaussmeter ، قوة المجال المغناطيسي. إنها أداة أساسية لاختبار قوة المغناطيس الدائم والمغناطيسات الكهربائية وفهم شكل المجال لتكوينات المغناطيس غير التافهة. إذا كانت حساسة بدرجة كافية ، فيمكنها أيضًا اكتشاف ما إذا كانت الأجسام الحديدية ممغنطة. يمكن اكتشاف الحقول المتغيرة بمرور الوقت من المحركات والمحولات إذا كان المسبار سريعًا بدرجة كافية.

عادةً ما تحتوي الهواتف المحمولة على مقياس مغناطيسي ثلاثي المحاور ، ولكن تم تحسينها لتناسب المجال المغناطيسي الأرضي الضعيف البالغ حوالي 1 غاوس = 0.1 طن متري وتشبع في مجالات تبلغ بضعة طن متري. موقع المستشعر على الهاتف غير واضح ولا يمكن وضع المستشعر داخل فتحات ضيقة مثل تجويف مغناطيس كهربائي. علاوة على ذلك ، قد لا ترغب في تقريب هاتفك الذكي من المغناطيس القوي.

أصف هنا كيفية صنع مقياس مغناطيسي بسيط محمول بمكونات مشتركة: مستشعر القاعة الخطية ، واردوينو ، وشاشة وزر ضغط. التكلفة الإجمالية أقل من 5 يورو ، وحساسية ~ 0.01 مليون طن على نطاق من -100 إلى + 100 مليون طن أفضل مما قد تتوقعه بسذاجة. للحصول على قراءات مطلقة دقيقة ، ستحتاج إلى معايرتها: أصف كيفية القيام بذلك باستخدام ملف لولبي طويل مصنوع منزليًا.

الخطوة 1: مسبار القاعة

يعتبر تأثير هول طريقة شائعة لقياس المجالات المغناطيسية. عندما تتدفق الإلكترونات عبر موصل في مجال مغناطيسي فإنها تنحرف بشكل جانبي وبالتالي تخلق فرق جهد على جانبي الموصل. مع الاختيار الصحيح لمادة أشباه الموصلات والهندسة ، يتم إنتاج إشارة قابلة للقياس يمكن تضخيمها وتوفير مقياس لمكون واحد من المجال المغناطيسي.

أستخدم SS49E لأنه رخيص ومتوفر على نطاق واسع. بعض الأشياء التي يجب ملاحظتها من ورقة البيانات الخاصة بها:

• جهد الإمداد: 2.7-6.5 فولت ، لذلك فهو متوافق تمامًا مع 5 فولت من Arduino.
• Null-output: 2.25-2.75V ، لذلك في منتصف المسافة تقريبًا بين 0 و 5V.
• الحساسية: 1.0-1.75mV / Gauss ، لذلك يتطلب الأمر معايرة للحصول على نتائج دقيقة.
• جهد الخرج 1.0 فولت - 4.0 فولت (إذا تم تشغيله عند 5 فولت): مغطى جيدًا بواسطة Arduino ADC.
• النطاق: + -650 جم كحد أدنى ، + -1000 جم نموذجي.
• وقت الاستجابة 3m ، حتى يتمكن من أخذ عينات في بضع عشرات من كيلوهرتز.
• تيار الإمداد: 6-10mA ، منخفض بما يكفي ليتم تشغيله بالبطارية.
• خطأ في درجة الحرارة: ~ 0.1٪ لكل درجة مئوية.

المستشعر مضغوط ، ~ 4x3x2mm ، ويقيس مكون المجال المغناطيسي المتعامد على وجهه الأمامي. سيخرج موجبًا للحقول التي تشير من الجانب الخلفي إلى الجانب الأمامي ، على سبيل المثال عندما يتم إحضار الجبهة إلى القطب الجنوبي المغناطيسي. يحتوي المستشعر على 3 خيوط ، + 5 فولت ، 0 فولت وإخراج من اليسار إلى اليمين ، عند رؤيته من الأمام.

الخطوة 2: المواد المطلوبة

• مستشعر القاعة الخطية SS49E. هذه تكلف حوالي 1 يورو لمجموعة من 10 عبر الإنترنت.
• Arduino Uno مع لوحة النموذج الأولي للنموذج الأولي أو Arduino Nano (بدون رؤوس!) للإصدار المحمول
• SSD1306 شاشة OLED أحادية اللون مقاس 0.96 بوصة بواجهة I2C
• زر ضغط مؤقت

لإنشاء المسبار:

• قلم حبر قديم أو أنبوب مجوف قوي آخر
• 3 أسلاك رفيعة مجدولة أطول نوعًا ما من الأنبوب
• أنبوب شرنك رفيع 12 سم (1.5 مم)

لجعلها محمولة:

• صندوق تيك تاك كبير (18 × 46 × 83 ملم) أو ما شابه
• مقطع بطارية 9 فولت
• مفتاح تشغيل / إيقاف

الخطوة 3: الإصدار الأول: استخدام لوحة Arduino Prototype Board

قم دائمًا بعمل نموذج أولي أولاً للتحقق من أن جميع المكونات تعمل وأن البرنامج يعمل! اتبع الصورة وربط مسبار القاعة والشاشة والزر الفارغ: يجب توصيل مسبار القاعة بـ + 5V ، GND ، A0 (من اليسار إلى اليمين). يجب توصيل الشاشة بـ GND ، + 5V ، A5 ، A4 (من اليسار إلى اليمين). يحتاج الزر إلى إجراء اتصال من الأرض إلى A1 عند الضغط عليه.

تمت كتابة الكود وتحميله باستخدام الإصدار 1.8.10 من Arduino IDE. يتطلب تثبيت مكتبات Adafruit_SSD1306 و Adafruit_GFX قم بتحميل الكود في الرسم المرفق.

يجب أن تُظهر الشاشة قيمة التيار المستمر وقيمة التيار المتردد.

الخطوة 4: بعض التعليقات حول المدونة

لا تتردد في تخطي هذا القسم إذا لم تكن مهتمًا بالإجراءات الداخلية للكود.

السمة الرئيسية للرمز هي أن المجال المغناطيسي يقاس 2000 مرة على التوالي. يستغرق هذا حوالي 0.2-0.3 ثانية. من خلال تتبع المجموع والمجموع التربيعي للقياسات ، من الممكن حساب كل من المتوسط والانحراف المعياري ، اللذين يتم تسجيلهما على أنهما DC و AC. من خلال حساب متوسط عدد كبير من القياسات ، تزداد الدقة ، نظريًا بمقدار sqrt (2000) ~ 45. لذلك مع ADC 10 بت ، يمكننا الوصول إلى دقة 15 بت ADC! إنه يحدث فرقًا كبيرًا: 1 ADC هو 5mV ، وهو ~ 0.3mT. بفضل المتوسط ، قمنا بتحسين الدقة من 0.3mT إلى 0.01mT.

كمكافأة ، نحصل أيضًا على الانحراف المعياري ، لذلك يتم تحديد الحقول المتقلبة على هذا النحو. يقوم المجال المتذبذب عند 50 هرتز بحوالي 10 دورات كاملة أثناء وقت القياس ، لذلك يمكن قياس قيمة التيار المتردد بشكل جيد.

بعد تجميع الكود ، أحصل على الملاحظات التالية: يستخدم Sketch 16852 بايت (54٪) من مساحة تخزين البرنامج. الحد الأقصى 30720 بايت. تستخدم المتغيرات العامة 352 بايت (17٪) من الذاكرة الديناميكية ، تاركة 1696 بايت للمتغيرات المحلية. الحد الأقصى 2048 بايت.

تشغل مكتبات Adafruit معظم المساحة ، ولكن هناك مساحة كبيرة لمزيد من الوظائف

الخطوة الخامسة: تجهيز المسبار

من الأفضل تركيب المسبار عند طرف أنبوب ضيق: بهذه الطريقة يمكن وضعه بسهولة والاحتفاظ به في موضعه حتى داخل الفتحات الضيقة. أي أنبوب مجوف من مادة غير مغناطيسية سيفي بالغرض. لقد استخدمت قلم حبر جاف قديم كان مناسبًا تمامًا.

قم بإعداد 3 أسلاك مرنة رفيعة أطول من الأنبوب. لقد استخدمت 3 سم من كابل الشريط. لا يوجد منطق في الألوان (برتقالي لـ + 5 فولت ، أحمر لـ 0 فولت ، رمادي للإشارة) ولكن مع 3 أسلاك فقط يمكنني تذكرها.

لاستخدام المسبار في النموذج الأولي ، قم بلحام بعض القطع من سلك التوصيل ذو النواة الصلبة المجردة من النهاية وحمايتها باستخدام أنبوب الانكماش. في وقت لاحق يمكن قطع هذا بحيث يمكن لحام أسلاك المجس مباشرة في Arduino.

الخطوة 6: بناء آلة محمولة

تتلاءم بطارية 9V وشاشة OLED و Arduino Nano بشكل مريح داخل صندوق Tic-Tac (كبير). تتميز بالشفافية ، فالشاشة يمكن قراءتها جيدًا حتى من الداخل. يتم توصيل جميع المكونات الثابتة (المسبار ، ومفتاح التشغيل / الإيقاف ، وزر الضغط) بالأعلى ، بحيث يمكن إخراج المجموعة بالكامل من الصندوق لتغيير البطارية أو تحديث الكود.

لم أكن أبدًا معجبًا ببطاريات 9 فولت: فهي باهظة الثمن وذات سعة قليلة. لكن السوبر ماركت المحلي الخاص بي باع فجأة نسخة NiMH القابلة لإعادة الشحن مقابل 1 يورو لكل منها ، ووجدت أنه يمكن شحنها بسهولة عن طريق إبقائها على 11 فولت من خلال المقاوم 100 أوم طوال الليل. لقد طلبت المقاطع بثمن بخس لكنها لم تصل أبدًا ، لذلك قمت بفك بطارية 9 فولت قديمة لتحويل الجزء العلوي إلى مقطع. الشيء الجيد في بطارية 9 فولت هو أنها مضغوطة ويعمل Arduino جيدًا عليها من خلال توصيلها بـ Vin. في + 5V ، سيكون هناك 5V منظم متاحًا لـ OLED ومسبار القاعة.

يتم توصيل مسبار القاعة وشاشة OLED وزر الضغط بنفس طريقة توصيل النموذج الأولي. الإضافة الوحيدة هي زر تشغيل / إيقاف بين بطارية 9V و Arduino.

الخطوة 7: المعايرة

يتوافق ثابت المعايرة في الكود مع الرقم الوارد في ورقة البيانات (1.4mV / Gauss) ، لكن ورقة البيانات تسمح بنطاق كبير (1.0-1.75mV / Gauss). للحصول على نتائج دقيقة ، سنحتاج إلى معايرة المسبار!

الطريقة الأكثر مباشرة لإنتاج مجال مغناطيسي لقوة محددة جيدًا هي استخدام ملف لولبي: شدة المجال لملف لولبي طويل هي: B = mu0 * n * I. نفاذية الفراغ ثابتة في الطبيعة: mu0 = 1.2566x10 ^ -6 T / m / A. المجال متجانس ويعتمد فقط على كثافة اللفات n ، والتيار I ، وكلاهما يمكن قياسهما بدقة جيدة (~ 1٪). الصيغة المقتبسة مشتقة من الملف اللولبي الطويل بلا حدود ، ولكنها تقريب جيد جدًا للحقل في المركز طالما أن نسبة الطول إلى القطر ، L / D> 10.

لعمل ملف لولبي مناسب ، خذ أنبوبًا أسطوانيًا مجوفًا بـ L / D> 10 وقم بتطبيق لفات منتظمة بسلك مطلي بالمينا. لقد استخدمت أنبوبًا بولي كلوريد الفينيل بقطر خارجي يبلغ 23 مم و 566 ملفًا ، من 20.2 سم ، مما أدى إلى n = 28 / سم = 2800 / م. طول السلك 42 م والمقاومة 10.0 أوم.

قم بتزويد الملف بالطاقة وقياس التدفق الحالي بمقياس متعدد. استخدم إما مصدر جهد متغير أو مقاوم تحميل متغير للحفاظ على التيار تحت السيطرة. قم بقياس المجال المغناطيسي لعدد قليل من الإعدادات الحالية وقارنه بالقراءات.

قبل المعايرة ، قمت بقياس 6.04 طن متري / أ بينما تتوقع النظرية 3.50 طن متري / أ. لذلك قمت بضرب ثابت المعايرة في السطر 18 من الكود في 0.58. يتم الآن معايرة مقياس المغناطيسية!

الوصيف في تحدي المغناطيس