Magnetómetro portátil: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Un magnetómetro, a veces también llamado Gaussímetro, mide la fuerza del campo magnético. Es una herramienta esencial para probar la fuerza de los imanes permanentes y electroimanes y para comprender la forma del campo de configuraciones de imanes no triviales. Si es lo suficientemente sensible, también puede detectar si los objetos de hierro se magnetizaron. Se pueden detectar campos variables en el tiempo de motores y transformadores si la sonda es lo suficientemente rápida.

Los teléfonos móviles suelen contener un magnetómetro de 3 ejes, pero se han optimizado para el campo magnético terrestre débil de ~ 1 Gauss = 0,1 mT y se saturan en campos de unos pocos mT. La ubicación del sensor en el teléfono no es obvia y no es posible colocar el sensor dentro de aberturas estrechas como el orificio de un electroimán. Además, es posible que no desee acercar su teléfono inteligente a imanes potentes.

Aquí describo cómo hacer un magnetómetro portátil simple con componentes comunes: un sensor de pasillo lineal, un Arduino, una pantalla y un botón. El costo total es menos de 5EUR, y la sensibilidad de ~ 0.01mT en un rango de -100 a + 100mT es mejor de lo que podría esperar ingenuamente. Para obtener lecturas absolutas precisas, deberá calibrarlo: describo cómo hacerlo con un solenoide largo hecho en casa.

Paso 1: la sonda Hall

El efecto Hall es una forma común de medir campos magnéticos. Cuando los electrones fluyen a través de un conductor en un campo magnético, se desvían hacia los lados y, por lo tanto, crean una diferencia de potencial en los lados del conductor. Con la elección correcta de material semiconductor y geometría, se produce una señal medible que puede amplificarse y proporcionar una medida de un componente del campo magnético.

Utilizo el SS49E porque es barato y está ampliamente disponible. Algunas cosas a tener en cuenta de su hoja de datos:

• Voltaje de suministro: 2,7-6,5 V, por lo que es perfectamente compatible con los 5 V del Arduino.
• Salida nula: 2,25-2,75 V, aproximadamente a la mitad entre 0 y 5 V.
• Sensibilidad: 1.0-1.75mV / Gauss, por lo que requerirá calibración para obtener resultados precisos.
• Voltaje de salida 1.0V-4.0V (si se opera a 5V): bien cubierto por el Arduino ADC.
• Rango: + -650G mínimo, + -1000G típico.
• Tiempo de respuesta de 3mus, para que pueda muestrear a unas pocas decenas de kHz.
• Corriente de suministro: 6-10 mA, lo suficientemente baja como para funcionar con batería.
• Error de temperatura: ~ 0,1% por grado C. Parece poco, pero una desviación de desplazamiento del 0,1% da un error de 3 mT.

El sensor es compacto, ~ 4x3x2 mm y mide el componente del campo magnético que es perpendicular a su cara frontal. Producirá un positivo para los campos que apuntan desde la parte posterior hacia la parte frontal, por ejemplo, cuando la parte frontal se lleva a un polo sur magnético. El sensor tiene 3 cables, + 5V, 0V y salida de izquierda a derecha, visto desde el frente.

Paso 2: Material requerido

• Sensor Hall lineal SS49E. Estos cuestan ~ 1EUR por un juego de 10 en línea.
• Arduino Uno con placa prototipo para prototipo o Arduino Nano (¡sin encabezados!) Para versión portátil
• SSD1306 Pantalla OLED monocromática de 0.96”con interfaz I2C
• Un pulsador momentáneo

Para construir la sonda:

• Un bolígrafo viejo u otro tubo hueco resistente
• 3 alambres trenzados delgados algo más largos que el tubo
• 12 cm de tubo retráctil delgado (1,5 mm)

Para hacerlo portátil:

• Una caja de tic-tac grande (18x46x83mm) o similar
• Un clip de batería de 9V
• Un interruptor de encendido / apagado

Paso 3: Primera versión: uso de una placa prototipo Arduino

¡Siempre prototipo primero para verificar que todos los componentes funcionen y que el software sea funcional! Siga la imagen y para conectar la sonda Hall, la pantalla y el botón nulo: La sonda Hall debe conectarse a + 5V, GND, A0 (de izquierda a derecha). La pantalla debe estar conectada a GND, + 5V, A5, A4 (de izquierda a derecha). El botón debe hacer una conexión de tierra a A1 cuando se presiona.

El código fue escrito y cargado usando Arduino IDE versión 1.8.10. Requiere instalar las bibliotecas Adafruit_SSD1306 y Adafruit_GFX. Cargue el código en el boceto adjunto.

La pantalla debe mostrar un valor de CC y un valor de CA.

Paso 4: algunos comentarios sobre el código

No dude en omitir esta sección si no está interesado en el funcionamiento interno del código.

La característica clave del código es que el campo magnético se mide 2000 veces seguidas. Esto tarda entre 0,2 y 0,3 segundos. Al realizar un seguimiento de la suma y de la suma al cuadrado de las mediciones, es posible calcular tanto la media como la desviación estándar, que se informan como CC y CA. Al promediar un gran número de mediciones, la precisión aumenta, teóricamente en sqrt (2000) ~ 45. Entonces, con un ADC de 10 bits, ¡podemos alcanzar la precisión de un ADC de 15 bits! Hace una gran diferencia: 1 recuento de ADC es 5 mV, que es ~ 0,3 mT. Gracias al promedio, mejoramos la precisión de 0.3mT a 0.01mT.

Como beneficio adicional, también obtenemos la desviación estándar, por lo que los campos fluctuantes se identifican como tales. Un campo que fluctúa a 50 Hz hace ~ 10 ciclos completos durante el tiempo de medición, por lo que su valor de CA se puede medir bien.

Después de compilar el código, obtengo los siguientes comentarios: Sketch usa 16852 bytes (54%) del espacio de almacenamiento del programa. El máximo es 30720 bytes. Las variables globales utilizan 352 bytes (17%) de memoria dinámica, dejando 1696 bytes para las variables locales. El máximo es 2048 bytes.

La mayor parte del espacio lo ocupan las bibliotecas de Adafruit, pero hay mucho espacio para una mayor funcionalidad.

Paso 5: preparación de la sonda

La sonda se monta mejor en la punta de un tubo estrecho: de esta manera se puede colocar y mantener fácilmente en posición incluso dentro de aberturas estrechas. Cualquier tubo hueco de un material no magnético servirá. Usé un viejo bolígrafo que encajaba perfectamente.

Prepare 3 alambres delgados y flexibles que sean más largos que el tubo. Usé 3 cm de cable plano. No hay lógica en los colores (naranja para + 5V, rojo para 0V, gris para señal) pero con solo 3 cables que puedo recordar.

Para usar la sonda en el prototipo, suelde algunos trozos de cable de conexión de núcleo sólido pelado en el extremo y protéjalos con un tubo retráctil. Más tarde, esto se puede cortar para que los cables de la sonda se puedan soldar directamente al Arduino.

Paso 6: construcción de un instrumento portátil

Una batería de 9V, la pantalla OLED y un Arduino Nano caben cómodamente dentro de una caja Tic-Tac (grande). Tiene la ventaja de ser transparente, ya que la pantalla es bien legible incluso en el interior. Todos los componentes fijos (la sonda, el interruptor de encendido / apagado y el pulsador) están unidos a la parte superior, de modo que se puede sacar todo el conjunto de la caja para cambiar la batería o actualizar el código.

Nunca fui fanático de las baterías de 9V: son caras y tienen poca capacidad. Pero mi supermercado local vendió repentinamente la versión recargable de NiMH por 1 EUR cada una, y descubrí que se pueden cargar fácilmente manteniéndolos en 11 V a través de una resistencia de 100 ohmios durante la noche. Pedí clips a bajo precio pero nunca llegaron, así que desmonté una batería vieja de 9V para convertir la tapa en un clip. Lo bueno de la batería de 9V es que es compacta y el Arduino funciona bien conectándolo a Vin. En + 5V habrá 5V regulados disponibles para el OLED y para la sonda Hall.

La sonda Hall, la pantalla OLED y el pulsador están conectados de la misma forma que para el prototipo. La única adición es un botón de encendido / apagado entre la batería de 9V y el Arduino.

Paso 7: Calibración

La constante de calibración en el código corresponde al número dado en la hoja de datos (1.4mV / Gauss), pero la hoja de datos permite un rango grande (1.0-1.75mV / Gauss). Para obtener resultados precisos, ¡tendremos que calibrar la sonda!

La forma más sencilla de producir un campo magnético de una intensidad bien determinada es utilizar un solenoide: la intensidad de campo de un solenoide largo es: B = mu0 * n * I. La permeabilidad al vacío es una constante de la naturaleza: mu0 = 1.2566x10 ^ -6 T / m / A. El campo es homogéneo y depende solo de la densidad de los devanados n y de la corriente I, los cuales se pueden medir con buena precisión (~ 1%). La fórmula citada se deriva para un solenoide infinitamente largo, pero es una muy buena aproximación para el campo en el centro siempre que la relación entre la longitud y el diámetro, L / D> 10.

Para hacer un solenoide adecuado, tome un tubo cilíndrico hueco con L / D> 10 y aplique bobinados regulares con alambre esmaltado. Utilicé un tubo de PVC con un diámetro exterior de 23 mm y enrolle 566 devanados, que se extendieron por 20,2 cm, lo que resultó en n = 28 / cm = 2800 / m. La longitud del cable es de 42 my la resistencia de 10,0 ohmios.

Suministre energía a la bobina y mida el flujo de corriente con un multímetro. Utilice una fuente de voltaje variable o una resistencia de carga variable para mantener la corriente bajo control. Mida el campo magnético para algunas configuraciones actuales y compárelo con las lecturas.

Antes de la calibración, medí 6.04 mT / A mientras que la teoría predice 3.50 mT / A. Entonces multipliqué la constante de calibración en la línea 18 del código por 0.58. ¡El magnetómetro ahora está calibrado!

Finalista en el desafío Magnets