पोर्टेबल मैग्नेटोमीटर: 7 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

एक मैग्नेटोमीटर, जिसे कभी-कभी गॉसमीटर भी कहा जाता है, चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापता है। स्थायी चुंबक और विद्युत चुंबक की ताकत का परीक्षण करने और गैर-तुच्छ चुंबक विन्यास के क्षेत्र आकार को समझने के लिए यह एक आवश्यक उपकरण है। यदि यह पर्याप्त संवेदनशील है तो यह भी पता लगा सकता है कि लोहे की वस्तुएं चुम्बकित हुई हैं या नहीं। यदि जांच काफी तेज हो तो मोटर्स और ट्रांसफार्मर से समय-भिन्न क्षेत्रों का पता लगाया जा सकता है।

मोबाइल फोन में आमतौर पर एक 3-अक्ष मैग्नेटोमीटर होता है लेकिन उन्हें ~ 1 गॉस = 0.1 एमटी के कमजोर पृथ्वी चुंबकीय क्षेत्र के लिए अनुकूलित किया गया है और कुछ एमटी के क्षेत्रों में संतृप्त किया गया है। फोन पर सेंसर का स्थान स्पष्ट नहीं है, और सेंसर को संकीर्ण एपर्चर जैसे इलेक्ट्रोमैग्नेट के बोर के अंदर रखना संभव नहीं है। इसके अलावा, हो सकता है कि आप अपने स्मार्टफोन को मजबूत मैग्नेट के करीब नहीं लाना चाहें।

यहां मैं वर्णन करता हूं कि सामान्य घटकों के साथ एक साधारण पोर्टेबल मैग्नेटोमीटर कैसे बनाया जाता है: एक रैखिक हॉल सेंसर, एक Arduino, एक डिस्प्ले और एक पुश-बटन। कुल लागत 5EUR से कम है, और -100 से +100mT की सीमा पर ~ 0.01mT की संवेदनशीलता आपकी अपेक्षा से बेहतर है। सटीक पूर्ण रीडिंग प्राप्त करने के लिए, आपको इसे कैलिब्रेट करने की आवश्यकता होगी: मैं वर्णन करता हूं कि इसे घर में बने लंबे सोलनॉइड के साथ कैसे किया जाए।

चरण 1: हॉल जांच

हॉल-इफेक्ट चुंबकीय क्षेत्र को मापने का एक सामान्य तरीका है। जब एक चुंबकीय क्षेत्र में एक कंडक्टर के माध्यम से इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होते हैं तो वे बग़ल में विक्षेपित हो जाते हैं और इस प्रकार कंडक्टर के किनारों पर एक संभावित अंतर पैदा करते हैं। अर्धचालक सामग्री और ज्यामिति के सही विकल्प के साथ, एक मापने योग्य संकेत उत्पन्न होता है जिसे बढ़ाया जा सकता है और चुंबकीय क्षेत्र के एक घटक का माप प्रदान किया जा सकता है।

मैं SS49E का उपयोग करता हूं क्योंकि यह सस्ता और व्यापक रूप से उपलब्ध है। इसकी डेटाशीट से ध्यान देने योग्य कुछ बातें:

• आपूर्ति वोल्टेज: 2.7-6.5 वी, Arduino से 5V के साथ पूरी तरह से संगत।
• नल-आउटपुट: 2.25-2.75V, इसलिए लगभग आधा 0 और 5V के बीच।
• संवेदनशीलता: 1.0-1.75mV / गॉस, इसलिए सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे अंशांकन की आवश्यकता होगी।
• आउटपुट वोल्टेज 1.0V-4.0V (यदि 5V पर संचालित होता है): Arduino ADC द्वारा अच्छी तरह से कवर किया गया।
• रेंज: +-650G न्यूनतम, +-1000G विशिष्ट।
• प्रतिक्रिया समय 3mus, इसलिए यह कुछ दसियों kHz पर नमूना ले सकता है।
• आपूर्ति चालू: 6-10mA, बैटरी से चलने के लिए पर्याप्त कम।
• तापमान त्रुटि: ~ 0.1% प्रति डिग्री C. थोड़ा लगता है लेकिन 0.1% ऑफसेट बहाव 3mT त्रुटि देता है।

सेंसर कॉम्पैक्ट है, ~4x3x2mm, और चुंबकीय क्षेत्र के घटक को मापता है जो इसके सामने के चेहरे पर लंबवत है। यह उन क्षेत्रों के लिए एक सकारात्मक आउटपुट देगा जो पीछे की ओर से सामने की ओर इंगित करते हैं, उदाहरण के लिए जब सामने को चुंबकीय दक्षिणी ध्रुव पर लाया जाता है। सामने से देखे जाने पर सेंसर में 3 लीड, +5V, 0V और आउटपुट बाएं से दाएं होते हैं।

चरण 2: आवश्यक सामग्री

• SS49E रैखिक हॉल सेंसर। ऑनलाइन 10 के सेट के लिए इनकी कीमत ~ 1EUR है।
• प्रोटोटाइप के लिए प्रोटोटाइप बोर्ड के साथ Arduino Uno या पोर्टेबल संस्करण के लिए Arduino Nano (हेडर के बिना!)
• SSD1306 0.96”I2C इंटरफ़ेस के साथ मोनोक्रोम OLED डिस्प्ले
• एक क्षणिक पुश-बटन

जांच का निर्माण करने के लिए:

• एक पुराना बॉलपेन या अन्य मजबूत खोखली ट्यूब
• 3 पतले फंसे हुए तार ट्यूब से कुछ अधिक लंबे होते हैं
• 12 सेमी पतली (1.5 मिमी) सिकुड़ ट्यूब

इसे पोर्टेबल बनाने के लिए:

• एक बड़ा टिक-टैक बॉक्स (18x46x83mm) या समान
• एक 9वी-बैटरी क्लिप
• एक चालू/बंद स्विच

चरण 3: पहला संस्करण: एक Arduino प्रोटोटाइप बोर्ड का उपयोग करना

हमेशा यह जांचने के लिए पहले प्रोटोटाइप करें कि सभी घटक काम करते हैं और यह कि सॉफ्टवेयर कार्यात्मक है! चित्र का अनुसरण करें और हॉल प्रोब, डिस्प्ले और नल-बटन को जोड़ने के लिए: हॉल प्रोब को +5V, GND, A0 (बाएं से दाएं) से कनेक्ट करने की आवश्यकता है। डिस्प्ले को GND, +5V, A5, A4 (बाएं से दाएं) से कनेक्ट करना होगा। दबाए जाने पर बटन को जमीन से A1 तक कनेक्शन बनाने की आवश्यकता होती है।

कोड Arduino IDE संस्करण 1.8.10 का उपयोग करके लिखा और अपलोड किया गया था। इसके लिए Adafruit_SSD1306 और Adafruit_GFX पुस्तकालयों को स्थापित करने की आवश्यकता है, संलग्न स्केच में कोड अपलोड करें।

डिस्प्ले को DC मान और AC मान दिखाना चाहिए।

चरण 4: कोड के बारे में कुछ टिप्पणियाँ

यदि आप कोड के आंतरिक कामकाज में रुचि नहीं रखते हैं तो इस अनुभाग को छोड़ने के लिए स्वतंत्र महसूस करें।

कोड की प्रमुख विशेषता यह है कि चुंबकीय क्षेत्र को लगातार 2000 बार मापा जाता है। इसमें लगभग 0.2-0.3 सेकंड का समय लगता है। माप के योग और वर्ग योग का ट्रैक रखकर, माध्य और मानक विचलन दोनों की गणना करना संभव है, जिन्हें डीसी और एसी के रूप में रिपोर्ट किया जाता है। माप की एक बड़ी संख्या के औसत से, सटीकता बढ़ जाती है, सैद्धांतिक रूप से sqrt(2000)~45 द्वारा। तो 10-बिट ADC के साथ, हम 15-बिट ADC की सटीकता तक पहुँच सकते हैं! इससे बहुत फर्क पड़ता है: 1 ADC गिनती 5mV है, जो ~ 0.3mT है। औसत के लिए धन्यवाद, हम 0.3mT से 0.01mT की सटीकता में सुधार करते हैं।

एक बोनस के रूप में, हमें मानक विचलन भी मिलता है, इसलिए उतार-चढ़ाव वाले क्षेत्रों की पहचान इस प्रकार की जाती है। 50 हर्ट्ज पर उतार-चढ़ाव वाला क्षेत्र माप समय के दौरान ~ 10 पूर्ण चक्र करता है, इसलिए इसका एसी मान अच्छी तरह से मापा जा सकता है।

कोड संकलित करने के बाद मुझे निम्नलिखित प्रतिक्रिया मिलती है: स्केच प्रोग्राम स्टोरेज स्पेस के 16852 बाइट्स (54%) का उपयोग करता है। अधिकतम 30720 बाइट्स है। वैश्विक चर गतिशील स्मृति के 352 बाइट्स (17%) का उपयोग करते हैं, स्थानीय चर के लिए 1696 बाइट्स छोड़ते हैं। अधिकतम 2048 बाइट्स है।

अधिकांश स्थान Adafruit पुस्तकालयों द्वारा कब्जा कर लिया गया है, लेकिन आगे की कार्यक्षमता के लिए बहुत जगह है

चरण 5: जांच की तैयारी

जांच एक संकीर्ण ट्यूब की नोक पर सबसे अच्छी तरह से घुड़सवार होती है: इस तरह इसे आसानी से रखा जा सकता है और संकीर्ण एपर्चर के अंदर भी स्थिति में रखा जा सकता है। गैर-चुंबकीय सामग्री की कोई भी खोखली नली काम करेगी। मैंने एक पुराने बॉलपेन का इस्तेमाल किया जो एकदम सही फिट देता था।

3 पतले लचीले तार तैयार करें जो ट्यूब से लंबे हों। मैंने 3 सेमी रिबन केबल का इस्तेमाल किया। रंगों में कोई तर्क नहीं है (+5V के लिए नारंगी, 0V के लिए लाल, सिग्नल के लिए ग्रे) लेकिन सिर्फ 3 तारों के साथ मुझे याद है।

प्रोटोटाइप पर जांच का उपयोग करने के लिए, स्ट्रिप्ड सॉलिड-कोर हुकअप वायर के कुछ टुकड़े ओ अंत में मिलाप करें और उन्हें सिकुड़ ट्यूब से सुरक्षित रखें। बाद में इसे काटा जा सकता है ताकि जांच के तारों को सीधे Arduino में मिलाया जा सके।

चरण 6: एक पोर्टेबल उपकरण का निर्माण

एक 9वी बैटरी, ओएलईडी स्क्रीन और एक अरुडिनो नैनो एक (बड़े) टिक-टैक बॉक्स के अंदर आराम से फिट हो जाती है। इसका पारदर्शी होने का फायदा है, स्क्रीन को अंदर से भी अच्छी तरह से पढ़ा जा सकता है। सभी निश्चित घटक (जांच, चालू/बंद स्विच और पुश-बटन) शीर्ष से जुड़े होते हैं, ताकि बैटरी बदलने या कोड को अपडेट करने के लिए पूरी असेंबली को बॉक्स से बाहर निकाला जा सके।

मैं कभी भी 9वी बैटरी का प्रशंसक नहीं था: वे महंगी हैं और उनकी क्षमता बहुत कम है। लेकिन मेरे स्थानीय सुपरमार्केट ने अचानक 1 EUR प्रत्येक के लिए रिचार्जेबल NiMH संस्करण बेच दिया, और मैंने पाया कि उन्हें रात भर 100Ohm रोकनेवाला के माध्यम से 11V पर रखकर आसानी से चार्ज किया जा सकता है। मैंने सस्ते में क्लिप का ऑर्डर दिया लेकिन वे कभी नहीं आए, इसलिए मैंने ऊपर की क्लिप में बदलने के लिए एक पुरानी 9वी बैटरी ली। 9वी बैटरी के बारे में अच्छी बात यह है कि यह कॉम्पैक्ट है और इसे विन से जोड़कर Arduino इस पर अच्छी तरह से चलता है। +5V पर OLED और हॉल जांच के लिए एक विनियमित 5V उपलब्ध होगा।

हॉल प्रोब, OLED स्क्रीन और पुश बटन उसी तरह से जुड़े हुए हैं जैसे प्रोटोटाइप के लिए। एकमात्र जोड़ 9V बैटरी और Arduino के बीच एक चालू / बंद बटन है।

चरण 7: अंशांकन

कोड में कैलिब्रेशन स्थिरांक डेटाशीट (1.4mV/Gauss) में दी गई संख्या से मेल खाता है, लेकिन डेटाशीट एक बड़ी रेंज (1.0-1.75mV/Gauss) के लिए अनुमति देता है। सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए, हमें जांच को जांचना होगा!

एक अच्छी तरह से निर्धारित ताकत के चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करने का सबसे सीधा तरीका एक सोलनॉइड का उपयोग करना है: एक लंबी सोलनॉइड की क्षेत्र की ताकत है: बी = एमयू 0 * एन * आई। निर्वात पारगम्यता प्रकृति का एक स्थिरांक है: mu0=1.2566x10^-6 T/m/A। क्षेत्र समरूप है और केवल वाइंडिंग्स के घनत्व पर निर्भर करता है, और वर्तमान I, दोनों को अच्छी सटीकता (~ 1%) के साथ मापा जा सकता है। उद्धृत सूत्र असीम रूप से लंबे सोलनॉइड के लिए व्युत्पन्न है, लेकिन केंद्र में क्षेत्र के लिए एक बहुत अच्छा सन्निकटन है, जब तक कि लंबाई से व्यास का अनुपात, एल/डी> 10।

एक उपयुक्त परिनालिका बनाने के लिए, L/D > 10 वाली एक खोखली बेलनाकार ट्यूब लें और तामचीनी तार के साथ नियमित वाइंडिंग लगाएं। मैंने 23 मिमी के बाहरी व्यास के साथ एक पीवीसी ट्यूब का उपयोग किया और 20.2 सेमी की तुलना में 566 वाइंडिंग घाव किया, जिसके परिणामस्वरूप n = 28/cm = 2800/m। तार की लंबाई 42 मीटर और प्रतिरोध 10.0 ओम है।

कॉइल को बिजली की आपूर्ति करें और एक मल्टीमीटर के साथ वर्तमान प्रवाह को मापें। करंट को नियंत्रण में रखने के लिए या तो वेरिएबल वोल्टेज सप्लाई या वेरिएबल लोड रेसिस्टर का इस्तेमाल करें। कुछ वर्तमान सेटिंग्स के लिए चुंबकीय क्षेत्र को मापें और इसकी तुलना रीडिंग से करें।

अंशांकन से पहले, मैंने 6.04 एमटी/ए मापा जबकि सिद्धांत 3.50 एमटी/ए की भविष्यवाणी करता है। इसलिए मैंने कोड की पंक्ति 18 में अंशांकन स्थिरांक को 0.58 से गुणा किया। मैग्नेटोमीटर अब कैलिब्रेट किया गया है!

मैग्नेट चैलेंज में उपविजेता