Как сделать датчик магнитного поля
Измеритель магнитного поля: схема для проверки силы магнита
Это небольшое устройство представляет собой измеритель Гаусса (единица измерения магнитной индукции) или силы магнита. По сути, он чувствует магнитные поля. Используя датчик Холла, измеритель может измерять полярность магнита. Для этого нужно всего несколько деталей, поэтому схема столь проста, что можно собрать и без печатной платы.
Измеритель Гаусса удобен когда хотите узнать, какой полюс магнита является северным или южным и когда требуется проверить магниты на силу, особенно если они могли быть повреждены нагревом.
Основой счетчика является датчик Холла UGN3503U или аналогичный. UGN3503U — это линейный датчик, его выходной уровень изменяется с изменением магнитной индукции.
Схема измерителя силы магнита
Схема использует батарейку 9 В для питания и кнопочный переключатель, чтобы включить его (без фиксации, чтоб не забыть выключить прибор). Стабилизатор LM7805 обеспечивает 5 В для датчика. Элементы C1, C2 и R1 помогают стабилизировать регулятор. Значения C1 и C2 не являются критическими, используйте например 22 мкФ для C1 и 0,47 мкФ для C2. Напряжение С1 и С2 должно быть 15 В или выше.
Схема измерителя магнита на датчике Холла
Эти стабильные 5 вольт поступают на контакты 1 и 2 датчика Холла, а его выход (контакт 3), является контрольным для обнаруженного уровня силы магнита. При отсутствии магнита датчик Холла будет подавать 2,5 В (половина питания) на выход. Если поместим магнитный полюс N на заднюю часть датчика Холла (задняя сторона является стороной без надписи), напряжение поднимется выше 2,5 В. Если повернуть магнит так, чтобы S-полюс находился сзади датчика Холла, выходное напряжение упадет ниже 2,5 В.
То, насколько повышается или падает напряжение, зависит от измеренной магнитной индукции. В спецификации UGN3503 указано 1,3 мВ на Гаусс, так что, например, если получим показание 3 вольт, то у нас на 500 мВ выше нашей нулевой точки (2,5 В) и по формуле 500 мВ / 1,3 = 385 Гаусс.
Конечно профессиональный цифровой измеритель будет работать намного лучше и давать более точные показания, но как правило достаточно использовать то, что есть. Резистор R1 был выбран методом проб и ошибок, а VR1 используется для установки измерителя на среднее деление, когда магнит отсутствует.
Всё собирается в коробке. Поскольку компонентов всего пару штук, можете не использовать печатную плату. Батарея 9 В хранится в своем маленьком отсеке, поэтому она не может столкнуться с другими компонентами и замкнуть их.
Датчик и плата вмонтированы в старый маркер. Задняя поверхность сенсора находится на одном уровне с отверстием в торце. Кабельная стяжка удерживает его на месте.
Чтобы выполнить калибровку, нажмите кнопку включения питания и отрегулируйте VR1, чтобы индикатор считал нулевую точку. Убедитесь что рядом с датчиком холла нет магнитов. Советуем пометить на шкале S и N, чтобы сразу знать к какому полюсу магнита обращен датчик.
Тестирование с небольшим магнитом N полюс и S полюс смотрите на фотографиях:
Если же надо точно измерить силу Гаусса, подключите цифровой мультиметр чтобы получить точные показания напряжения. Допустим показывает 4,24 вольт. Таким образом это полюс N, и его значение 1,74 В или 1740 мВ выше нашей нулевой точки. 1740 / 1,3 Гаусс = 1338, что примерно соответствует неодимовому магниту.
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Датчики магнитных полей
В продолжение обзоров по готовым модулям различных датчиков к Ардуино платформе, перейдём к датчикам магнитных полей.
Модуль датчика Холла KY-003
Данный модуль предназначен для обнаружения магнитного поля при помощи эффекта Холла. Этот эффект состоит в том, что в проводнике с постоянным током, помещенном в магнитное поле возникает поперечная разность потенциалов 1.
Габариты 28 х 15 мм, масса модуля 1,2 г. На плате имеется два крепежных отверстия диаметром 2 мм на расстоянии 10 мм друг от друга. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный. Когда индукция магнитного поля превышает заданное значение на информационном выходе модуля высокий логический уровень сменяется на низкий. На модуле имеется светодиод, который загорается при срабатывании датчика. В качестве иллюстрации можно загрузить на плату Arduino UNO программу LED_with_button [4], и подключить вместо кнопки данный модуль.
Модуль срабатывает только на северный полюс магнита, порог срабатывания достаточно высокий, магнит нужно подносить вплотную. Потребляемый ток 6,3 мА в ждущем режиме и составляет 11 мА при срабатывании.
Из недостатков следует отметить, что довольно сложно найти взаимную конфигурацию магнита и датчика для надежного срабатывания.
Поскольку модуль реагирует на определенное пороговое значение магнитного поля, то самым очевидным применением такого датчика может быть использование этого датчика вместо геркона. Хотя геркон это весьма надежный прибор, все же в его конструкции имеются подвижные механические контакты, в отличие от него датчик Холла никаких подвижных деталей не имеет. К примеру, можно установить данный модуль на дверном косяке, на полотне двери напротив него установить магнит, получится датчик открывания двери для сигнализации или умного дома, аналогично можно организовать подсчет оборотов колеса, закрепив на нем магнит и поместив в непосредственной близости от него этот датчик.
Модуль на основе геркона KY-021
Датчик представляет собой нормально разомкнутый геркон с добавочным сопротивлением 10 кОм 5.
Габариты модуля 24 х 17 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный.
Потребляемый ток равен нулю в ждущем режиме и составляет 0,5 мА при срабатывании.
Модуль подключается и испытывается абсолютно аналогично тактовой кнопке [4,7]. Геркон можно использовать в системах сигнализации, для подсчета числа оборотов и т.п. Способов использования герконов великое множество 9.
Модуль датчика Холла (линейный) KY-024
Модуль предназначен для измерения напряженности постоянного магнитного поля 10.
Габариты модуля 44 х 15 х 13 мм, масса 2,8 г., в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Чувствительным элементом служит датчик Холла SS49E. Индикация подачи питания осуществляется светодиодом L1.
Датчик имеет четыре контакта. «A0» — аналоговый выход, напряжение на котором меняется в зависимости от индукции магнитного поля. Выводы питания «G» — общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, если напряженность магнитного поля не превышает заданного порога, при срабатывании датчика низкий уровень меняется на высокий. Порог срабатывания цифрового канала датчика можно менять многооборотным подстроечным резистором. При срабатывании датчика загорается светодиод L2.
Потребляемый ток 9 мА в ждущем режиме и 11 мА при срабатывании.
Модуль срабатывает только на северный полюс магнита. Максимальное расстояние срабатывания 6 мм.
Аналоговый канал позволяет организовать измерение количественных характеристик магнитного поля. Показания на аналоговом порте Arduino UNO меняются от 550 до 200 единиц в зависимости от расстояния до магнита (в память Arduino UNO была загружена программа AnalogInput2).
Модуль с герконом KY-025
Чувствительным элементом модуля является обычный геркон, работающий вместе с компаратором на микросхеме LM393YD, по заверениям продавцов 12 это позволяет уменьшить, ток, протекающий через контакты геркона, и тем самым увеличить его ресурс.
Габариты модуля 45 х 18 х 13 мм, масса 2,8 г., аналогично предыдущему случаю в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1.
При срабатывании геркона загорается светодиод L2. Потребляемый ток 3,7 мА в ждущем режиме и 5,8 мА при срабатывании.
Какой порог чувствительности должен регулироваться переменным резистором неясно, видимо данные модули с компаратором LM393YD являются стандартными и к ним припаивают различные датчики в зависимости от назначения конкретного модуля. Разумеется, модуль срабатывает дискретно как кнопка, в чем можно убедиться с помощью программы LED_with_button [4]. На выводе «A0» постоянно присутствует напряжение питания +5В. Выводы питания «G» — общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, при срабатывании геркона низкий уровень меняется на высокий. Целесообразность данного модуля, по мнению автора, спорна, учитывая, что и в простейшем случае включения геркона типа модуля KY-021 сила тока, протекающая через контакты геркона, существенно меньше одного миллиампера.
Модуль датчика Холла KY-035
Данный модуль представляет собой микросхему SS49E, без каких либо дополнительных устройств [14]. Установка микросхемы на плате в данном случае может быть объяснена, только требованиями унификации при создании данного набора датчиков.
Габариты модуля 29 х 15 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный.
Потребляемый модулем ток составляет около 6 мА и не зависит от состояния датчика.
При отсутствии внешнего магнитного поля на информационном выходе присутствует напряжение равное половине напряжения питания. Внешнее постоянное магнитное поле приводит к тому, что напряжение на информационном выходе начнет увеличиваться или уменьшатся в зависимости от полярности магнита. В этом легко убедиться, используя программу AnalogInput2
С помощью данного модуля можно организовать контроль расстояния до источника магнитного поля, подсчет числа оборотов и т.п. Микросхема чувствительна к магнитному полю с индукцией в диапазоне 600-1000 Гс [15].
Полезные ссылки
Все файлы документации и программ находятся в общем архиве. Обзор подготовил Denev.
Собираем переносной магнитометр
Перевод статьи с сайта обучающих материалов Instructables
Магнитометр, который иногда ещё называют гауссометром, измеряет силу магнитного поля [в данном случае магнитную индукцию / прим. перев.]. Это прибор, необходимый при измерении силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для установления формы поля нетривиальных комбинаций из магнитов. Он достаточно чувствительный для того, чтобы определить намагниченность металлических предметов. В случае, если зонд будет работать достаточно быстро, он сможет определять изменяющиеся во времени поля от моторов и трансформаторов.
Шаг 1: датчик Холла
Эффект Холла часто применяется для измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник, помещённый в магнитное поле, их относит в сторону, в результате чего в проводнике появляется поперечная разность потенциалов. Правильно выбрав материал и геометрию полупроводника, можно получить измеряемый сигнал, который затем можно будет усилить и выдать измерение одной компоненты магнитного поля.
Я использую SS49E, поскольку он дешёвый и доступный. Что стоит отметить из его документации:
Шаг 2: Требуемые материалы
Шаг 3: Первая версия – с использованием доски для прототипирования
Сначала всегда собирайте прототип, чтобы проверить работу всех компонентов и софта! Подключение видно на картинке: датчик Холла соединяется с контактами Arduino +5V, GND, A1 (слева направо). Дисплей соединяется с GND, +5V, A5, A4 (слева направо). Кнопка при нажатии должна замыкать землю и A0.
Код написан в Arduino IDE v. 1.8.10. Требуется установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX.
Если всё сделано правильно, то дисплей должен выдавать значения DC и AC.
Шаг 4: Немного о коде
Если вам неинтересен код, эту часть можно пропустить.
Ключевая особенность кода состоит в том, что магнитное поле измеряется 2000 раз подряд. На это уходит 0,2 – 0,3 сек. Отслеживая сумму и квадрат суммы измерений, можно вычислять среднее и стандартное отклонения, которые выдаются как DC и AC. Усредняя по большому количеству измерений мы увеличиваем точность, теоретически на √2000 ≈ 45. Получается, что используя 10-битное АЦП, мы получаем точность 15-битного АЦП! И это имеет значение: 1 шаг АЦП – 4 мВ, то есть,
0,3 мТл. Благодаря усреднению, мы уменьшаем ошибку от 0,3 мТл до 0,01 мТл.
В качестве бонуса мы получаем стандартное отклонение, определяя таким образом изменяющееся поле. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц проходит порядка 10 циклов за время измерения, поэтому можно измерить величину AC.
У меня после компиляции получилась следующая статистика: Sketch uses 16852 bytes (54%) of program storage space. Maximum is 30720 bytes. Global variables use 352 bytes (17%) of dynamic memory, leaving 1696 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.
Большую часть места занимают библиотеки Adafruit, однако ещё полно места для добавления функциональности.
Шаг 5: Готовим зонд
Зонд лучше всего закреплять на конце узкой трубки: так его просто будет помещать и удерживать в узких местах. Подойдёт любая трубка из немагнитного материала. Мне идеально подошла старая шариковая ручка.
Подготовьте три тонких гибких провода чуть длиннее трубки. В моём кабеле логики в цветах проводов нет (оранжевый +5 В, красный 0 В, серый – сигнал), просто так мне их проще запомнить.
Чтобы использовать зонд с прототипом, припаяйте кусочки проводов на конец кабеля и заизолируйте их термоусадкой. Позже их можно отрезать и припаять провода прямо к Arduino.
Шаг 6: Собираем переносной прибор
Батарейка на 9В, OLED-экран и Arduino Nano с комфортом умещаются внутри большой коробки Tic-Tac. Её преимущество в прозрачности – экран легко читается, даже находясь внутри. Все фиксированные компоненты (зонд, выключатель и кнопка) ставятся на крышку, чтобы всё можно было вынимать из коробки для замены батареи или обновления кода.
Я никогда не любил батарейки на 9В – у них высокая цена и малая ёмкость. Но в моём супермаркете внезапно стали продавать их перезаряжаемую версию NiMH по €1, и я обнаружил, что их легко зарядить, если подать 11 В через резистор на 100 Ом и оставить на ночь. Я заказал себе дешёвые разъёмы для батареек, но мне их так и не прислали, поэтому я разобрал старую батарейку на 9 В, чтобы сделать из неё коннектор. Плюс батарейки на 9В в её компактности, и в том, что на ней хорошо работает Arduino при подключении её к Vin. На +5 В будет регулируемое напряжение в 5 В, которое понадобится для OLED и датчика Холла.
Датчик Холла, экран и кнопка подсоединяются так же, как было на прототипе. Добавляется только кнопка выключения, между батарейкой и Arduino.
Шаг 7: Калибровка
Калибровочная константа в коде соответствует числу, прописанному в документации (1,4 мВ/Гс), однако в документации разрешён диапазон этого значения (1.0-1.75 мВ/Гс). Чтобы получать точные результаты, нужно откалибровать зонд.
Чтобы собрать подходящий соленоид, возьмите полую цилиндрическую трубу, длина которой в 10 раз больше диаметра, и сделайте намотку из изолированного провода. Я использовал ПВХ-трубку с внешним диаметром 23 мм и сделал 566 витков, протянувшихся на 20,2 см, что даёт нам n = 28/см = 2800 / м. Длина провода 42 м, сопротивление – 10 Ом.
Подайте питание на катушку и измерьте ток мультиметром. Используйте либо регулируемый источник тока, либо переменный резистор, чтобы управлять током. Измерьте магнитное поле для разных значений тока и сравните показания.
Перед калибровкой я получил 6,04 мТл/A, хотя по теории должно было быть 3,50 мТл/A. Поэтому я умножил константу калибровки в 18-й строчке кода на 0,58. Готово – магнитометр откалиброван!