Magnetometer Portabel: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Magnetometer, terkadang juga disebut Gaussmeter, mengukur kekuatan medan magnet. Ini adalah alat penting untuk menguji kekuatan magnet permanen dan elektromagnet dan untuk memahami bentuk medan konfigurasi magnet nontrivial. Jika cukup sensitif juga dapat mendeteksi jika benda besi termagnetisasi. Medan yang berubah-ubah waktu dari motor dan transformator dapat dideteksi jika probe cukup cepat.

Ponsel biasanya berisi magnetometer 3-sumbu tetapi telah dioptimalkan untuk medan magnet bumi lemah ~1 Gauss = 0,1 mT dan jenuh pada medan beberapa mT. Lokasi sensor di telepon tidak jelas, dan tidak mungkin menempatkan sensor di dalam lubang sempit seperti lubang elektromagnet. Selain itu, Anda mungkin tidak ingin membawa ponsel cerdas Anda dekat dengan magnet yang kuat.

Di sini saya menjelaskan cara membuat magnetometer portabel sederhana dengan komponen umum: sensor hall linier, Arduino, layar, dan tombol tekan. Total biaya kurang dari 5EUR, dan sensitivitas ~0,01mT pada kisaran -100 hingga +100mT lebih baik daripada yang mungkin Anda harapkan secara naif. Untuk mendapatkan pembacaan absolut yang akurat, Anda harus mengkalibrasinya: Saya menjelaskan cara melakukannya dengan solenoida panjang buatan sendiri.

Langkah 1: Penyelidikan Aula

Efek Hall adalah cara umum untuk mengukur medan magnet. Ketika elektron mengalir melalui konduktor dalam medan magnet, mereka dibelokkan ke samping dan dengan demikian menciptakan perbedaan potensial di sisi konduktor. Dengan pilihan bahan semikonduktor dan geometri yang tepat, sinyal terukur dihasilkan yang dapat diperkuat dan memberikan ukuran satu komponen medan magnet.

Saya menggunakan SS49E karena murah dan tersedia secara luas. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dari datasheetnya:

• Tegangan suplai: 2,7-6,5 V, sangat kompatibel dengan 5V dari Arduino.
• Null-output: 2.25-2.75V, jadi kira-kira setengah jalan antara 0 dan 5V.
• Sensitivitas: 1.0-1.75mV/Gauss, sehingga akan membutuhkan kalibrasi untuk mendapatkan hasil yang presisi.
• Tegangan keluaran 1.0V-4.0V (jika dioperasikan pada 5V): tertutup dengan baik oleh ADC Arduino.
• Rentang: +-650G minimum, +-1000G tipikal.
• Response time 3mus, sehingga dapat mengambil sampel pada beberapa puluh kHz.
• Arus suplai: 6-10mA, cukup rendah untuk dioperasikan dengan baterai.
• Kesalahan suhu: ~0,1% per derajat C. Tampaknya sedikit tetapi penyimpangan offset 0,1% memberikan kesalahan 3mT.

Sensornya ringkas, ~4x3x2mm, dan mengukur komponen medan magnet yang tegak lurus dengan muka depannya. Ini akan menghasilkan positif untuk medan yang mengarah dari sisi belakang ke sisi depan, misalnya ketika bagian depan dibawa ke kutub selatan magnet. Sensor memiliki 3 lead, +5V, 0V dan output dari kiri ke kanan, jika dilihat dari depan.

Langkah 2: Bahan yang Diperlukan

• Sensor Hall linier SS49E. Ini biaya ~1EUR untuk satu set 10 online.
• Arduino Uno dengan papan prototipe untuk prototipe atau Arduino Nano (tanpa header!) untuk versi portabel
• SSD1306 Layar OLED monokrom 0,96” dengan antarmuka I2C
• Tombol tekan sesaat

Untuk membangun probe:

• Pena bolpoin tua atau tabung berongga kokoh lainnya
• 3 kabel terdampar tipis agak lebih panjang dari tabung
• 12cm tabung menyusut tipis (1.5mm)

Untuk membuatnya portabel:

• Kotak tic-tac besar (18x46x83mm) atau serupa
• Klip baterai 9V
• Sakelar hidup/mati

Langkah 3: Versi Pertama: Menggunakan Papan Prototipe Arduino

Selalu buat prototipe terlebih dahulu untuk memeriksa apakah semua komponen berfungsi dan perangkat lunak berfungsi! Ikuti gambar dan untuk menghubungkan probe Hall, layar dan tombol null: Probe Hall harus terhubung ke +5V, GND, A0 (kiri ke kanan). Layar harus terhubung ke GND, +5V, A5, A4 (kiri ke kanan). Tombol perlu membuat koneksi dari ground ke A1 saat ditekan.

Kode ditulis dan diunggah menggunakan Arduino IDE versi 1.8.10. Diperlukan untuk menginstal pustaka Adafruit_SSD1306 dan Adafruit_GFX Unggah kode dalam sketsa terlampir.

Layar harus menunjukkan nilai DC dan nilai AC.

Langkah 4: Beberapa Komentar Tentang Kode

Jangan ragu untuk melewati bagian ini jika Anda tidak tertarik dengan cara kerja bagian dalam kode.

Fitur utama dari kode ini adalah bahwa medan magnet diukur 2000 kali berturut-turut. Ini membutuhkan waktu sekitar 0,2-0,3 detik. Dengan melacak jumlah dan jumlah kuadrat dari pengukuran, adalah mungkin untuk menghitung mean dan standar deviasi, yang dilaporkan sebagai DC dan AC. Dengan rata-rata sejumlah besar pengukuran, presisi meningkat, secara teoritis dengan sqrt(2000)~45. Jadi dengan ADC 10-bit, kita bisa mencapai presisi ADC 15-bit! Itu membuat perbedaan besar: 1 hitungan ADC adalah 5mV, yaitu ~0,3mT. Berkat rata-rata, kami meningkatkan presisi dari 0,3mT menjadi 0,01mT.

Sebagai bonus, kami juga mendapatkan standar deviasi, sehingga bidang yang berfluktuasi diidentifikasi seperti itu. Medan yang berfluktuasi pada 50Hz melakukan ~10 siklus penuh selama waktu pengukuran, sehingga nilai AC-nya dapat diukur dengan baik.

Setelah mengkompilasi kode, saya mendapatkan umpan balik berikut: Sketch menggunakan 16852 byte (54%) ruang penyimpanan program. Maksimum adalah 30720 byte. Variabel global menggunakan 352 byte (17%) memori dinamis, menyisakan 1696 byte untuk variabel lokal. Maksimum adalah 2048 byte.

Sebagian besar ruang digunakan oleh perpustakaan Adafruit, tetapi ada banyak ruang untuk fungsionalitas lebih lanjut

Langkah 5: Mempersiapkan Probe

Probe paling baik dipasang di ujung tabung sempit: cara ini dapat dengan mudah ditempatkan dan disimpan di posisinya bahkan di dalam lubang sempit. Setiap tabung berongga dari bahan nonmagnetik dapat digunakan. Saya menggunakan bolpoin tua yang pas.

Siapkan 3 kabel fleksibel tipis yang lebih panjang dari tabung. Saya menggunakan kabel pita 3cm. Tidak ada logika dalam warna (oranye untuk +5V, merah untuk 0V, abu-abu untuk sinyal) tetapi hanya dengan 3 kabel yang dapat saya ingat.

Untuk menggunakan probe pada prototipe, solder beberapa potong kawat penghubung inti padat yang dilucuti di ujungnya dan lindungi dengan tabung menyusut. Nantinya ini bisa dipotong sehingga kabel probe bisa disolder langsung ke Arduino.

Langkah 6: Membangun Instrumen Portabel

Baterai 9V, layar OLED, dan Arduino Nano pas dengan nyaman di dalam kotak Tic-Tac (besar). Ini memiliki keuntungan menjadi transparan, ke layar dapat dibaca dengan baik bahkan di dalam. Semua komponen tetap (probe, sakelar hidup/mati, dan tombol tekan) dipasang di bagian atas, sehingga seluruh unit dapat dikeluarkan dari kotak untuk mengganti baterai atau memperbarui kode.

Saya tidak pernah menyukai baterai 9V: harganya mahal dan kapasitasnya kecil. Tetapi supermarket lokal saya tiba-tiba menjual versi NiMH yang dapat diisi ulang masing-masing seharga 1 EUR, dan saya menemukan bahwa mereka dapat dengan mudah diisi dengan menyimpannya pada 11V melalui resistor 100Ohm semalaman. Saya memesan klip dengan harga murah tetapi tidak pernah sampai, jadi saya membongkar baterai 9V lama untuk mengubah bagian atas menjadi klip. Hal yang baik tentang baterai 9V adalah kompak dan Arduino berjalan dengan baik dengan menghubungkannya ke Vin. Pada +5V akan ada 5V teregulasi yang tersedia untuk OLED dan untuk probe Hall.

Probe Hall, layar OLED, dan tombol tekan terhubung dengan cara yang sama seperti prototipe. Satu-satunya tambahan adalah tombol on/off antara baterai 9V dan Arduino.

Langkah 7: Kalibrasi

Konstanta kalibrasi dalam kode sesuai dengan angka yang diberikan dalam lembar data (1.4mV/Gauss), tetapi lembar data memungkinkan untuk rentang yang besar (1.0-1.75mV/Gauss). Untuk mendapatkan hasil yang akurat, kita perlu mengkalibrasi probe!

Cara paling mudah untuk menghasilkan medan magnet dengan kekuatan yang ditentukan dengan baik adalah dengan menggunakan solenoida: kekuatan medan solenoida panjang adalah: B=mu0*n*I. Permeabilitas vakum adalah konstanta alam: mu0=1,2566x10^-6 T/m/A. Medannya homogen dan hanya bergantung pada kerapatan belitan n, dan arus I, yang keduanya dapat diukur dengan akurasi yang baik (~1%). Rumus yang dikutip diturunkan untuk solenoida yang panjangnya tak terhingga, tetapi merupakan perkiraan yang sangat baik untuk medan di tengah selama rasio panjang terhadap diameter, L/D>10.

Untuk membuat solenoida yang sesuai, ambil tabung silinder berongga dengan L/D > 10 dan pasang gulungan biasa dengan kawat berenamel. Saya menggunakan tabung PVC dengan diameter luar 23mm dan melilitkan 566 lilitan, kemudian membentang 20,2 cm, menghasilkan n=28/cm=2800/m. Panjang kawat 42m dan hambatan 10,0 Ohm.

Pasokan daya ke koil dan ukur aliran arus dengan multimeter. Gunakan suplai tegangan variabel atau resistor beban variabel untuk menjaga arus tetap terkendali. Ukur medan magnet untuk beberapa pengaturan saat ini dan bandingkan dengan pembacaan.

Sebelum kalibrasi, saya mengukur 6,04 mT/A sedangkan teori memprediksi 3,50 mT/A. Jadi saya mengalikan konstanta kalibrasi pada baris 18 kode dengan 0,58. Magnetometer sekarang dikalibrasi!

Runner Up dalam Tantangan Magnet