Собираем недорогой магнитометр на Arduino

Термин «магнитометр» является чем-то вроде неправильного употребления. Прибор, который мы описываем, производит напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля (B), а не производит выходной сигнал в магнитных единицах. Причина этого двояка. Во-первых, к прибору можно подключить один из нескольких датчиков Холла, каждый со своей чувствительностью. Во-вторых, во многих случаях точное значение B не представляет интереса. Рассмотрим эксперимент, целью которого является определение того, как напряженность магнитного поля уменьшается с расстоянием. Можно было бы построить B-значения в зависимости от расстояния и изучить наклон. В качестве другого примера: при сравнении относительных B-полей магнитов не нужны абсолютные значения B. Что важно в этих экспериментах, так это линейная зависимость между выходным сигналом датчика и B-полем. Магнитометр, описанный в этой статье, предназначен для таких экспериментов. Тем не менее, можно выполнить преобразование напряжения в значения B с помощью эталонного магнитного поля или сравнения с калиброванным датчиком. Еще одной особенностью прибора является его базовый компьютерный интерфейс, позволяющий проводить эксперименты под управлением компьютера. Далее в этой статье я опишу, как я автоматизировал измерение кривой BH металлического стержня.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ОПИСАНИЕ СХЕМЫ

Как показано на рис. 1 , устройство состоит из Arduino Nano, ЖК-дисплея, двух переключателей, преобразователя постоянного тока в постоянный и трех разъемов Molex KK.

РИСУНОК 1. Устройство магнитометра.

На рис. 2 показан датчик Холла Honeywell SS495A и узел, который подключается к печатной плате.

РИСУНОК 2. Датчик Холла Honeywell SS495A.

Схема питается от пятивольтового блока питания. Общий потребляемый ток составляет 60 мА и может питаться от 4-х батареек типа АА или пятивольтового источника питания USB. Диод Шоттки (D1) обеспечивает защиту от обратной полярности. Для учета различных входных напряжений питания в схеме используется регулируемый повышающий DC/DC преобразователь Pololu 791. Выходное напряжение преобразователя постоянного тока установлено на 6,5 В, которое поступает на контакт V IN на Nano. Встроенный линейный стабилизатор на пять вольт питает остальную часть схемы. Контакты D2-D5, D11 и D12 (20-23, 29, 30) Arduino подключены к ЖК-дисплею 2x16 с подсветкой. Сама подсветка управляется тумблером, подключенным к блоку питания, а потенциометр 10K обеспечивает регулировку контрастности ЖК-дисплея. Переключатель режима управляет тем, как отображается ЖК-дисплей.

Схема цепи.

Режимы описаны далее в статье. Кнопочный переключатель имеет встроенный светодиод, который используется в качестве индикатора включения. Разъем последовательного ввода/вывода обеспечивает доступ к контактам последовательного COM-порта Nano.

ДАТЧИК

Эффект Холла был открыт Эдвином Холлом в 1879 году . На рис. 3 показан принцип.

РИСУНОК 3. Эффект Холла.

Когда проводник, проводящий электричество, помещается в магнитное поле, носители заряда испытывают силу, перпендикулярную как электрическому полю, так и направлению потока. Это приводит к тому, что носители собираются или «сбиваются в кучу» на одной стороне проводника, что приводит к небольшой разнице напряжений. Это напряжение Холла. Несмотря на то, что в металлических проводниках напряжение Холла чрезвычайно мало, в полупроводниках оно гораздо более выражено. Страница Википедии, посвященная эффекту Холла, служит отличной демонстрацией. В настоящее время датчики на эффекте Холла широко используются в качестве магнитных и токовых датчиков. Бесконтактные измерения переменного тока можно выполнить, намотав измерительную катушку на проводник с током. Переменный ток индуцирует напряжение в приемной катушке, которое затем можно измерить. Это основа трансформаторов тока. Постоянный (постоянный) ток не создает изменяющегося магнитного поля, и трансформаторы тока для этих токов не работают. Однако датчики Холла могут генерировать выходной сигнал в ответ на магнитное поле постоянного тока. Датчики тока на эффекте Холла широко используются там, где резисторы для измерения тока неуместны. Магнитные датчики Холла доступны в виде интегральных схем, которые объединяют чувствительный элемент и электронику обработки сигналов в одном блоке. Эти датчики доступны с цифровыми и аналоговыми выходами. Цифровой датчик обеспечивает высокий/низкий выходной сигнал, когда воспринимаемое магнитное поле превышает пороговое значение. Некоторые приложения включают магнитные переключатели и измерение скорости вращения машин. Аналоговые датчики на эффекте Холла обычно являются радиометрическими с выходными напряжениями, которые сильно линейны с воспринимаемым магнитным полем, а максимальные значения прямо пропорциональны напряжению источника питания. Поэтому для проведения точных магнитных измерений требуется регулируемый источник питания.

Датчик в нашем магнитометре представляет собой радиометрический аналоговый датчик Honeywell SS495A ( рис. 4 ).

РИСУНОК 4. Датчик Холла Honeywell SS495A.

Чувствительность датчика Холла обычно выражается либо в милливольтах на гаусс (мВ/Гс), либо в милливольтах на миллитесла (мВ/мТл). Чтобы преобразовать чувствительность из мВ/мТл в мВ/Гс, умножьте значение мВ/мТл на 10. Чувствительность SS495A составляет 3,125±0,125 мВ/Гс при напряжении питания 5 В. Неопределенность в чувствительности несколько велика и составляет 4%. Линейность выше при -1,5%, а зависимость от температуры также мала при ±0,06%/°C. Напряжение источника питания может варьироваться от 4,5 В до 6,5 В, потребляя примерно 6 мА. В схеме LM4040 работает как высокоточный стабилитрон и обеспечивает 4,096 В. Значение резистора R5 таково, что тока достаточно для питания датчика Холла и регулирования стабилитрона LM4040. C1 — это развязывающий конденсатор, обеспечивающий чистоту источника питания. Напряжение 4,096 поступает на контакт V REF на Nano.

Схема печатной платы Eagle.

Поскольку это радиометрический датчик, SS495A выдает выходное напряжение от 0 до 4,096 В. Без приложенного магнитного поля выходное напряжение составляет 2,048 В. При наличии магнитного поля в одном направлении напряжение увеличивается и достигает значения 4,096 В в присутствии сильного магнитного поля. Когда поле меняется на противоположное, выходное напряжение уменьшается с 2,048 до 0 В в присутствии сильного магнитного поля. Выход SS495A подключен к контакту A0 (5) на Arduino, который является входным контактом ADC0 Nano.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Программное обеспечение достаточно простое. Мы будем использовать библиотеку LiquidCrystal LCD Arduino. Назначение контактов для ЖК-дисплея и аналоговых входов находится в блоке настройки , а выходной сигнал датчика оцифровывается, масштабируется, форматируется и отправляется на ЖК-дисплей в блоке контура .

СЕНСОРНЫЙ КАБЕЛЬ

Датчик SS495A подключается к плоскому ленточному кабелю с трехконтактным разъемом KK, который подключается к печатной плате. Ленточный кабель отделен от стандартного ленточного кабеля. После припайки проводов к штырям датчика термоусадочная трубка с клеевым покрытием надевается на соединения и нагревается. В результате получается прочный, небольшой, водонепроницаемый датчик с гибким соединением с печатной платой. Процесс сборки показан на рисунке 5 .

РИСУНОК 5. Процесс сборки датчика Холла.

КАЛИБРОВКА

Как упоминалось во введении, цель магнитометра не в том, чтобы обеспечивать измерения в магнитных единицах (т. е. Гаусс), а выходные данные в значениях напряжения. Однако при желании эти значения можно преобразовать в B-значения следующим образом:

где VB — выходной сигнал магнитометра, а KS — чувствительность SS495A. Если имеется профессиональный магнитометр, можно измерить некоторые значения B с помощью обоих инструментов и сравнить.

ДЕМОНСТРАЦИЯ

Чтобы проиллюстрировать полезность магнитометра, он был использован для измерения кривой BH короткого стержня из мягкой стали. На рис. 6 показана установка, состоящая из следующего: опорная плита с двумя прорезями для удержания катушки на месте; люлька для стального стержня; и кронштейн для фиксации датчика Холла на месте.

РИСУНОК 6. Вид с высоты птичьего полета на опорную плиту в сборе.

Катушка состоит из 1313 витков магнитного провода 22 AWG, намотанного на пластиковую катушку размером примерно 2×0,8 дюйма.

На рис. 7 представлена ​​блок-схема электронной установки.

РИСУНОК 7. Блок-схема электронной установки. Обратите внимание на направление тока.

Магнитометр подключается к компьютеру через последовательный порт. Батарея 12 В и программируемая нагрузка постоянного тока BK Precision 8500 используются для подачи постоянного тока от 0 до 3,5 А через катушку. Эта схема постоянного тока необходима для борьбы с эффектами повышения температуры и, как следствие, увеличения сопротивления катушки при больших токах. Нагрузка также контролируется компьютером. Чтобы изменить направление тока через катушку, я использовал Arduino Micro для активации реле DPDT, подключенного для изменения полярности. Он подключен к третьему последовательному порту на компьютере. Физический обзор показан на рисунке 8 .

РИСУНОК 8. Полная экспериментальная установка.

Сценарий MATLAB управляет сбором данных. Он изменяет ток от 0 А до 3,5 А с шагом 100 мА. Затем он уменьшает ток с шагом 100 мА, пока ток не станет равным нулю. Затем скрипт активирует реле для изменения полярности, а затем оно увеличивает и уменьшает ток, как и раньше.

На рис. 9 показан результат автоматического измерения, выполненного с помощью описанной установки.

РИСУНОК 9. Экспериментальная кривая BH. Отдельные пути обозначены цветом для ясности.

Есть пять путей. P 1 — начальная намагниченность стержня. B увеличивается линейно с H , но около H = 0,5x105 ат/м стержень насыщается, и B не увеличивается при увеличении H.

Затем H уменьшается ( P 2 ), но, поскольку магнитные домены стержня были перестроены во время P 1 , B не следует по тому же пути во время P 2 , как это было в P 1 .

Когда H достигает 0, остается остаток B. Затем направление H меняется на противоположное ( P 3 ) и величина B увеличивается до тех пор, пока стержень не насыщается при H = 0,5x10 5 ат/м. Когда величина H уменьшается, кривая соответствует P 4 . При H = 0 в стержне снова имеется остаток B.

Наконец, когда полярность H меняется на противоположную и амплитуда увеличивается, кривая повторяет P 5 . Крупный план кривой BH вокруг начала координат показан на рисунке 10 .

РИСУНОК 10. Крупный план кривой BH вокруг начала координат, показывающий коэрцитивную силу и удерживающую способность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье мы описали магнитометр на основе эффекта Холла. В нем используется недорогой аналоговый датчик Холла, Arduino и ЖК-дисплей. Линейность магнитометра удивительно хороша по сравнению с коммерческим магнитометром. Магнитометр может управляться вручную или производить измерения под управлением компьютера. Затем я использовал магнитометр в управляемой компьютером установке для измерения кривой BH небольшого образца магнитного материала.

Детали

DOWNLOADS

 download