Собираем переносной магнитометр. Как измерить магнитное поле?

В качестве бонуса мы получаем стандартное отклонение и можем таким образом определить изменяющееся поле. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц, проходит около 10 циклов за время измерения, поэтому можно измерить значение переменного тока.

Собираем переносной магнитометр

Магнитометр, иногда называемый гауссметром, измеряет силу магнитного поля — в данном случае магнитную индукцию. Это незаменимый прибор для измерения силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для определения формы поля нетривиальных комбинаций магнитов. Он достаточно чувствителен, чтобы определить намагниченность металлических предметов. Если датчик достаточно быстрый, он может обнаружить изменяющиеся во времени поля от двигателей и трансформаторов.

Мобильные телефоны обычно имеют трехосевой магнитометр, но он оптимизирован для слабого земного магнитного поля 1 Гаусс = 0,1 мТл милли-тесла и насыщается в полях с индуктивностью в несколько мТл. Где именно этот датчик расположен на телефоне, обычно неясно, а найти его в узком месте, например, в магнитном отсекателе, часто невозможно. Также следует держать смартфон подальше от сильных магнитов. В этой статье я описываю, как построить простой портативный магнитометр из обычных компонентов: Нам нужен линейный датчик Холла, Arduino, дисплей и кнопка. Прибор стоит не более 5 евро и измеряет индуктивность о т-100 до +100 мТл с точностью 0,01 мТл — гораздо лучше, чем можно было ожидать. Для проведения точных абсолютных измерений прибор необходимо откалибровать: Я опишу, как это делается с помощью длинного самодельного магнита.

Шаг 1: датчик Холла

Эффект Холла часто используется для измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник в магнитном поле, они увлекаются, в результате чего в проводнике возникает поперечная разность потенциалов. Выбрав правильный материал и геометрию полупроводника, можно получить измеримый сигнал, который затем может быть усилен для получения выходного измерения компонента магнитного поля.

Я использую SS49E, потому что он дешевый и доступный. В документации указано, на что следует обратить внимание:

  • Питание: 2.7 — 6.5 В, что прекрасно совместимо с 5 В для Arduino.
  • Нулевой сигнал: 2.25-2.75 В, примерно посередине между 0 и 5 В.
  • Чувствительность: 1.0-1.75 мВ/Гс, поэтому для получения точных результатов потребуется калибровка.
  • Выходное напряжение: 1,0 – 4,0 В (при работе от 5 В): диапазон покрывается АЦП Arduino.
  • Диапазон: минимум ± 650 Гс, обычно +/1 1000 Гс.
  • Время отклика: 3 мкс, то есть можно проводить измерения с частотой в десятки кГц.
  • Рабочий ток: 6-10 мА, достаточно немного для батарейки.
  • Температурная ошибка: 0,1% на градус Цельсия. Вроде немного, однако отклонение на 0,1% даёт ошибку в 3 мТл.

Шаг 2: Требуемые материалы

  • Линейный датчик Холла SS49E. €1 за 10 штук.
  • Arduino Uno с доской для прототипирования или Arduino Nano без штырьков для портативного варианта.
  • Монохромный OLED дисплей SSD1306 0.96” с интерфейсом I2C.
  • Кнопка.
  • Шариковая ручка или другая прочная трубка.
  • 3 тонких провода чуть длиннее трубки.
  • 12 см термоусадки диаметром 1,5 мм.
  • Большая коробка Tic-Tac (18x46x83) или нечто похожее.
  • Контакты для батарейки на 9 В.
  • Выключатель.
  Маска хамелеон для сварки: классификация светофильтров и выбор маски. Маска сварочная хамелеон как выбрать?

Электромагнитное излучение (ЭМИ): что это?

Динамические поля, возникающие вблизи источников питания или нагрузок, являются электромагнитным излучением. Он воздействует на все окружающие предметы, людей и животных. Степень воздействия этих сигналов напрямую зависит от частоты и длины волны.

Воздействие ЭМИ на человека, от обычных лампочек до гамма-излучения, отличается только уровнем единовременного воздействия. Уровень воздействия и расположение опасных зон можно определить с помощью измерителя ЭМП. Рекомендуется проводить проверки не только в компаниях, но и в частных домах.

Основные причины появления излучения

Чтобы избежать превышения пределов радиации, необходимо принять соответствующие меры для защиты жизни и здоровья человека. Основными источниками электромагнитных помех являются следующие:

  • Мобильная связь и радиоволны.
  • Линии электропередач.
  • Источники электричества.
  • Рентгеновские и схожие с ними аппараты.

Самостоятельно провести точные измерения нелегко. Высокоточные измерители электромагнитного поля и излучения (такие как PZ-31) обеспечивают наиболее точные показания силы и характера волн. В продаже имеются различные бытовые дозиметры и детекторы. Однако они имеют большую погрешность.

Бытовой прибор для измерения электромагнитного излучения

Эти устройства в основном производятся в Китае. В то же время они не располагают точными данными. Если требуется специальная помощь в этой области, лучше доверить работу профессионалам, обладающим соответствующими знаниями и оборудованием. Эти сертифицированные лаборатории оснащены высокоточным оборудованием, которое позволяет проводить качественное тестирование и всестороннюю оценку результатов.

Читайте также: Удаление солей из нержавеющей стали

Методы испытаний выбираются в каждом конкретном случае в зависимости от концентрации энергии, частоты волн и напряженности поля. Все условия и нормы указаны в СанПиН. Полученные результаты измерений отображаются на специальной шкале. Частота электромагнитных сигналов зависит от спектральных параметров. Длина излучения может варьироваться от 103 метров до нескольких миллиметров. ЭМИ измеряется в ГГц, а длина волны — в мегаметрах (Мм). При проведении комплексного обследования учитываются электрические и магнитные аспекты.

Принцип работы

Конфигурация магнитометра может быть самой разной, но в любом случае он работает по одному и тому же методу. Магнитное поле можно охарактеризовать следующим образом:

  • вектор напряженности;
  • горизонтальная составляющая напряженности;
  • магнитное склонение;
  • магнитное наклонение.

Но есть еще одно важное свойство магнитного поля: магнитная индукция. Направление его вектора определяет направление силы, действующей на северный полюс магнита. Чтобы понять, как все это работает, полезно рассмотреть конструкцию магнитометрического датчика Honeywell HMC5883L. Различное усиление влияет на чувствительность датчика. Для чтения данных имеется 12 регистров с размером бита 8.

Регистр режима определяет основной сценарий: непрерывное измерение или однократное измерение и переход в режим ожидания. Если запрос не программный, а аппаратный, то для копирования данных используется вывод DRDY. Однако все не так просто — необходимо учитывать не только показания датчиков, но и влияние на них различных помех.

Если проигнорировать это, может оказаться, что модуль смещен и измеряет неправильно.

Предположим, вы хотите измерить удельную намагниченность насыщения. Исследуемый образец и постоянный магнит прикрепляются к тонкому стержню, который соединен с вибрационным устройством. Стержень может вибрировать на разных частотах, но всегда под углом 90 градусов к полю, создаваемому электромагнитом. Радиокомпоненты системы предназначены для эффективного усиления, очистки и обработки сигнала. Когда постоянный магнит и образец колеблются, в специальных катушках возникает электродвижущая сила. Сами катушки располагаются относительно постоянного магнита таким образом, что их положение не зависит от вибраций.

  Лопаты для уборки снега: виды и советы по выбору. Для чего на снеговой лопате выемка сверху.

Однако, как легко понять из некоторых отрывков, описанное устройство может быть использовано в основном в лабораторных условиях. Возможности использования «в поле» значительно ограничены. Для полевых измерений разрабатываются совершенно другие магнитометры, которые не требуют подготовки и выделения образцов. Точный режим работы этих устройств является коммерческой тайной производителей. Независимо от того, проводите ли вы измерения остаточной намагниченности или вам нужно сделать что-то другое, важно знать алгоритм калибровки по методу наименьших квадратов.

Чтобы как можно проще выразить суть этого метода (который основан на высшей математике), можно сказать, что он предполагает выбор функции, максимально приближенной к значениям, полученным в результате эксперимента. Сумма квадратов отклонений во всех критически важных точках должна быть как можно меньше, в идеале — нулевой. Необходимым условием для применения такого алгоритма является знание вектора магнитного поля земли. Если вернуться к математической стороне вопроса, то можно сказать, что нам нужно линейное матричное преобразование в трехмерном пространстве. Это означает, что нам необходимо проводить измерения по трем осям одновременно.

Разновидности

Разницу между обзорными и исследовательскими магнитометрами нетрудно увидеть в том, как организована работа. Для съемки используются приборы, которые составляют геофизическую карту магнитного поля. Поскольку размер объекта, интересующего геологов, может варьироваться от 100 метров до нескольких сотен километров, шаг измерения также сильно отличается. Но в археологии (даже «черной») и кладоискательстве такие параметры неприемлемы. Сканирование местности с помощью точек не дает никакой информации о том, что находится между точками.

Приближение точек друг к другу (например, с шагом 0,5 метра) делает задачу излишне утомительной — при этом сохраняется риск «проглядеть» наиболее интересные объекты. Протонные магнитометры не предназначены для мобильного использования. С момента нажатия кнопки до записи распознаваемого изображения на экране проходит 2-10 секунд, в зависимости от модификации и условий записи. Конечно, вы можете вернуться и просмотреть одни и те же детали несколько раз, но это значительно усложнит вашу работу. Наконец, точность съемки неизбежно снижается во время движения по сравнению с нормальной работой.

Есть еще одна хитрость: протонный магнитометр не может сказать, в каком направлении копать и нужно ли копать достаточно глубоко, чтобы найти цель. Полноценное устройство для археологических работ и поиска сокровищ должно работать непрерывно, как миноискатель или металлоискатель. Поэтому правильным выбором являются инклинометры иностранного производства. Их датчики малы и не чувствительны к очень сильным «сбивающим» полям.

  Молоток Шмидта. Доверяй, но проверяй. Молоток шмидта что это.

Вернемся к протонным устройствам: Они работают путем измерения частоты перехода ядер протонов (которая зависит исключительно от внешнего магнетизма). Квантовые устройства работают иначе — они полагаются на эффект Зеемана. Этот эффект заключается в том, что атомы испаренных металлических частиц при воздействии магнитного поля определенным образом реагируют на поляризованный монохроматический луч света. Под этим светом атомы переходят на более высокий энергетический уровень. Магнитометр FerroProbe имеет в качестве основного компонента электрическую катушку с сердечником из магнитомягкого материала. Катушка, принимающая электрический ток, и есть рассматриваемый железный детектор.

Индукционный магнитометр, как легко понять, работает за счет электромагнитной индукции. Пассивное индукционное устройство отличается тем, что ЭЭД в катушке создается внешним магнетизмом. Активное устройство работает по-другому: на катушку возбуждения подается импульс переменного тока. Катушка переменного тока насыщается индуцированной ЭЭД. Прямые гармоники результирующего поля пропорциональны продольной составляющей внешнего поля.

Кварцевый магнитометр датируется 1940-ми годами. Главная особенность прибора заключается в том, что магнитный блок подвешен к кварцевому проводу. Это надежная и совершенная техника, которая и сегодня используется в геомагнитных съемках. Цифровой вибрационный магнитометр отличается тем, что способен учитывать не только изменения внешнего магнетизма, но и температурные изменения магнитных свойств рассматриваемых объектов.

Модели

Рассмотрим подробнее известные модели магнитометров.

  • Внимания заслуживает трехкомпонентный малогабаритный МТМ-01. Это устройство не поможет особо кладоискателям, зато способно определить опасные для человека природные магнитные поля. А также он позиционируется как средство определения эффективности магнитных экранов и других средств защиты.

Его можно использовать при испытании трансформаторов и другого электрооборудования.

  • МФ-24 ФМ относится к другой категории — это микротесламетр-градиентометр. Он определяет, каково качество размагничивания различных деталей и элементов после сварочных работ. Может быть дана характеристика деталям, подвергнутым магнитным методам неразрушающего контроля.

Коммунальные службы используют его для определения намагниченности счетчиков, он также применяется в судостроении, авиастроении и других критически важных отраслях промышленности.

  • ИМАГ 400-Ц – магнитометр, предназначенный для контроля намагниченности металла в ходе магнитопорошковой дефектоскопии. Производитель гарантирует наработку на отказ не менее 5000 часов.

  • Очень хорошие позиции занимает и магнитометр дефектоскопический 23-ИМ. Этот аппарат используется в дефектоскопии ферромагнитных изделий. Дополнительной областью его применения является определение уровня промышленных магнитных помех. Вместе с батареей масса устройства не превышает 0,15 кг.

  • А вот магнитометр-градиентометр «Магнум» – как раз тот аппарат, который нужен поисковикам, кладоискателям. Он сумеет обнаружить и мелкие вещи, и большую военную технику. Гарантируется работа при суровом морозе. В последних версиях повышена надежность кабеля.

  • Если нужно использовать магнитометр сразу в нескольких делах, подойдет универсальный «Техномаг». Он измеряет остаточную намагниченность и находит локальные полюса, контролирует намагничивание.

Оцените статью
Ремонт до и после