Externer Magnetfeldsensor

Externer Magnetfeldsensor

Experiment	Externer Magnetfeldsensor
Category	Arduino library experiments
Used sensors	Magentic Field

Magnetfeldern von Permanentmagneten oder stromdurchflossenen Spulen lassen sich mit den in Smartphones integrierten Magnetfeldsensoren praktisch nicht messen. Das liegt daran, dass die eingebauten Sensoren für sehr schwache Magnetfelder ausgelegt sind, um eine Kompassfunktion zu ermöglichen. In der Regel geht der Messbereich bis maximal 5 mT. Möchte man z. B. das Magnetfeld einer Spule entlang der Spulenachse ausmessen, muss der Messbereich eine Größenordnung darüberliegen. Im Folgenden Versuch wird mittels eines Hallsensors (Typ 49e) ein einfach zu benutzender Magnetfeldsensor verwendet, der auch von Oberstufenschülern selbst gebaut werden kann (aktuelle Sicherheitsrichtlinien nach RISU beachten!).

Das grüne Kabel unten im Bild ist ein Relikt eines anderen Versuchs und hat hier keine Bewandtnis. Die Platine kann man mit dickem (Kurzschlussgefahr!) dppelseitigen Klebeband aufs ESP-Board kleben. Als Packaging hat sich transparenter Schumpfschlauch bewährt.

Aufbau

Bei B = 0 beträgt die ausgegebene Spannung die Hälfte der angelegten Spannung. Somit ist die Differenz zwischen Ausgegebene Spannung und halber angelegter Spannung Proportional zum Magnetfeld: V_out-V_DD∼B . Die Steigung der Geraden beträgt ca. (3 V)/(200 mT). Wie bereits in der Einleitung erwähnt, haben die ADCs des ESP32 eine Auflösung von 12 Bit. Bei einer anliegenden Spannung U wird somit der Zahlenwert Messwert= U/(3,3 V)⋅4096 herausgegeben. In unserer Schaltung liegt die Ausgangsspannung am Pin 27 des ESP32 an. Dieser gibt den eben erläuterten zur Spannung proportionalen Messwert als Zahl heraus. Die magnetische Feldstärke berechnet sich dann zu B=(Messwert-4096/2)⋅(200 mT)/4096=(Messwert-2048)⋅0,049 mT .

V_out geht an Pin 27, + an 3,3 V und – an Gnd. Der Hallsensor wurde hier noch nach oben gebogen, da so z. B. das Magnetfeld einer Spule vermessen werden kann. Um das Rauschen zu verringern, empfiehlt es sich, die Vout-Leitung mit einem 10-kOhm-Widerstand auf Masse zu ziehen.

Das grüne Kabel unten im Bild ist ein Relikt eines anderen Versuchs und hat hier keine Bewandtnis. Die Platine kann man mit dickem (Kurzschlussgefahr!) dppelseitigen Klebeband aufs ESP-Board kleben. Als Packaging hat sich transparenter Schumpfschlauch bewährt.

Programmierung

Der ESP32 wird über die Arduino IDE programmiert. Es müssen die Definitionen für den ESP32 und die phyphox-Bibliothek installiert sein. Siehe dazu das Video unter Category: Arduino library experiments.

Es ist darauf zu achten, dass jeder ESP32 eine eigene Kennung hat (diese wird in PhyphoxBLE::start("Magnetfeldsensor_01") festgelegt). Anschließend kann über das Plus-Symbol in phyphox ein Bluetooth-Experiment hinzugefügt werden, das Experiment wird dann automatisch geladen.

#include <phyphoxBle.h>
int AnalogPin=27;
float Messwert;
float Magnetfeld;
void setup() {
PhyphoxBLE::start("Magnetfeldsensor_01");
//Experiment
PhyphoxBleExperiment experiment;
experiment.setTitle("Magnetfeld");
experiment.setCategory("Arduino Experiments");
experiment.setDescription("Plot the magnetic field of time");
//View
PhyphoxBleExperiment::View view;
//Graph
PhyphoxBleExperiment::Graph graph;
graph.setLabel("B over time");
graph.setUnitX("s");
graph.setUnitY("mT");
graph.setLabelX("time");
graph.setLabelY("B");
+
-
Vout
view.addElement(graph);
experiment.addView(view);
PhyphoxBLE::addExperiment(experiment);
}
void loop() {
Messwert=analogRead(AnalogPin);
Magnetfeld=(Messwert-1972)*(-0.064);
PhyphoxBLE::write(Magnetfeld);
delay(50);
}

Probleme und Lösungen

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