Для определения параметров магнитного поля применяются датчики магнитного поля. Принцип их действия строиться на основе четырех физических явлений. В статье описаны устройство различных типов детекторов магнитного поля. Преимущества и недостатки каждой реализации.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Принцип работы твердомеров по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу» или «Что такое неразрушающий контроль, где и как он применяется».
Приборов детектирования и измерения параметров магнитного поля достаточно много, отчего они используются во многих сферах как чисто технических, так и бытовых. Эти детекторы используются в системах, связанных с задачами навигации, измерения угла поворота и направления движения, определения координат объекта, распознавания «свой — чужой» и т. д.
Широкая область применения таких датчиков требует использования различных свойств магнитного поля для их реализации. В данной работе рассмотрены принципы работы, которые заложены в датчики магнитного поля:
- использующие эффект Виганда;
- магниторезистивные;
- индукционные;
- работающие на эффекте Холла;
- Датчики Виганда
- Магниторезистивные датчики магнитного поля
- Индукционные датчики магнитного поля
- Датчики магнитного поля на эффекте Холла
- Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые перспективы. Часть 3. XMR (АМР/ГМР/ТМР) — конкуренты датчиков Холла
- Новые рыночные тенденции и технологии
- 2 Схемы
- Датчики магнитных полей
- Модуль датчика Холла KY-003
- Модуль на основе геркона KY-021
- Модуль датчика Холла (линейный) KY-024
- Модуль с герконом KY-025
- Модуль датчика Холла KY-035
- Полезные ссылки
- 🔥 Видео
Видео:Обзор датчиков. Датчики магнитного поляСкачать
Датчики Виганда
Работа датчика базируется на эффекте, открытом американским ученным Вигандом. Суть эффекта Виганда проявляется в следующем. При внесении ферромагнитной проволоки в магнитное поле, в ней происходит самопроизвольное изменение магнитной поляризации. Это явление наблюдается при выполнении двух условий. Первое – проволока должна иметь специальный химический состав (52% кобальта,10% ванадия — викаллой) и двухслойную структуру (рисунок справа). Второе – напряженность магнитного поля должна быть выше определенного порогового значения – порога зажигания.
Момент изменения поляризации проволоки можно наблюдать с помощью катушки индуктивности, расположенной рядом с проволокой. Индукционный импульс напряжения на ее выводах при этом достигает нескольких вольт. При изменении направления магнитного поля полярность индуктируемых импульсов изменяется. В настоящее время эффект объясняют различной скоростью переориентации элементарных магнитов в магнитомягкой сердцевине и магнитотвердой оболочке проволоки.
Конструкция датчиков Виганда содержит катушку индуктивности и проволоку Виганда. При смене полярицации проволоки, катушка, намотанная на неё, фиксирует это изменение.
Чувствительные элементы Виганда применяются в расходомерах, датчиках скорости, угла поворота и положения. Кроме того, одно из наиболее частых применений этого элемента – системы считывания идентификационных карт, которыми все мы пользуемся ежедневно. При прикладывании намагниченной карты меняется напряженность поля, на что реагирует датчик Виганда.
К достоинствам датчика Виганда следует отнести независимость от влияния внешних электрических и магнитных полей, широкий температурный диапазон работы (-80° … +260°C), работу без источника питания.
Видео:Индукция магнитного поля | Физика 9 класс #37 | ИнфоурокСкачать
Магниторезистивные датчики магнитного поля
Магниторезистивные датчики магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов.
Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.
В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.
Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.
Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.
Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках — ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.
С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино. Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется — под действием сил Лоренца пути тока искривляются.
Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.
Видео:Урок 271. Модуль вектора магнитной индукции. Закон АмпераСкачать
Индукционные датчики магнитного поля
Датчики этого типа относятся к генераторному типу датчиков. Конструкции и назначения таких датчиков различна. Они могут использоваться для определения параметров переменных и стационарных магнитных полей. В данном обзоре рассмотрен принцип работы датчика, работающего в постоянном магнитном поле.
Принцип работы индукционных датчиков базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.
Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.
По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.
Конструкция датчика показана на рисунке. Он состоит из проводника в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенной на валу электродвигателя. Съем напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.
Видео:ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ сила Ампера правило левой рукиСкачать
Датчики магнитного поля на эффекте Холла
Датчики магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.
Суть эффекта поясняется рисунком. Через полупроводниковую пластину пластину протекает ток от внешнего источника.
Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока.
В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, т.е. возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения – напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля (рисунок слева).
Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.
Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.
Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже
Видео:Датчик Холла простыми словами с практикойСкачать
Датчики магнитного поля.
Ключевые технологии и новые перспективы.
Часть 3. XMR (АМР/ГМР/ТМР) — конкуренты датчиков Холла
Видео:Магнитное поле. Магнитная индукция | Физика 11 класс #1 | ИнфоурокСкачать
Новые рыночные тенденции и технологии
По общему уровню развития измерительных технологий датчики Холла превосходят все остальные интегральные и неинтегральные датчики — в особенности в плане интеграции и благодаря наличию обширного набора коммерческих автомобильных CMOS ASIC-решений типичных автомобильных задач. Датчики Холла доминируют в автоэлектронике и во всех остальных сферах применения измерительных технологий датчиков магнитного поля — промышленной, потребительской/мобильной, медицинской [1–3].
Автомобильная электроника — ведущая сфера для датчиков магнитного поля как с точки зрения объемов выпуска (свыше 50% от общего объема рынка), так и в технологическом плане [1–9, 11–17]. Требования более высокой точности и надежности работы электронных систем в автомобильных условиях являются неизменными вызовами для усовершенствований датчиков с сохранением того же или более низкого уровня стоимости порядка нескольких долларов или даже центов. Недостатки датчиков Холла включают присущее им смещение, ограниченную чувствительность и температурную стабильность, вследствие чего для стандартных датчиков ограничены разрешение, механические и магнитные допуски в системе, линейность и в конечном итоге точность. Кроме того, датчики Холла имеют сравнительно высокое энергопотребление, что немаловажно для батарейных систем и потребительской электроники — второго по величине (примерно 37%) сегмента рынка датчиков магнитного поля. Достижение высоких измерительных характеристик ASIC Холла производится путем улучшений как сенсорных микросистем, так и схем обработки сигнала и обусловливает непрерывный выпуск новых, более совершенных версий датчиков.
В настоящее время современные технологии датчиков Холла полностью перекрывают все свои нативные недостатки. Смещение, например, эффективно устраняется на уровне элемента и в усилительной части схемотехническими методами переключаемой стабилизации (chopper-stabilization) и spinning current.
Для повышения чувствительности стандартного элемента Холла приложенное магнитное поле обычно усиливается с помощью концентратора магнитного поля, хотя это также увеличивает общий размер и вес датчика.
В свою очередь данный недостаток устраняется тем, что разработаны версии датчиков с интегрированными магнитными концентраторами (ИМК) датчиков положения и компасов [1, 12, 14, 32]. Датчики с вертикальными элементами Холла также позволяют обеспечивать более высокую чувствительность именно к рабочим компонентам магнитного поля, преобладающим в системах детектирования положения магнита [1, 12, 25, 32].
Нелинейность компенсируется при программировании в энергонезависимой памяти передаточной характеристики с множественными точками уставок (на сегодняшний день максимально известное значение — до 33). Стандартные линейные датчики Холла имеют узкий угловой диапазон линейности менее 90° (70–80°), но современные дифференциальные или дважды синусно-косинусные энкодеры позволили расширить линейный диапазон до полных 360° [1, 12].
Широкие магнитные и механические допуски в системе обеспечиваются посредством дифференциальных схем, а высокая измерительная точность достигается благодаря возможности запасания в перепрограммируемой памяти различных корректирующих коэффициентов [1, 3, 11, 12, 32]. Производители выпускают широкий набор микросхем с различными типами готового, избирательного или программируемого выходного интерфейса с функциями калибровки и диагностики, со всеми необходимыми схемами защиты от помех, короткого замыкания и обрывов по цепи питания и выхода — часто с интегрированными конденсаторами фильтров и выходными резисторами. Микросхемы датчиков Холла имеют высокий динамический диапазон измерений магнитных полей, широкий рабочий температурный диапазон, а также обладают высокой устойчивостью к электростатическому разряду и электромагнитной совместимостью.
Для соответствия новым автомобильным требованиям надежности и функциональной безопасности разработаны двухкристальные версии датчиков Холла в избыточных конфигурациях.
На данный момент датчики Холла создали обширную базу стандартов де-факто в плане уровня исполнения, интеграции сенсорной части с ASIC, доступным опциям интерфейса, избыточности и изобилию предложений, которые требуют соответствия любых новых предложений — как самих вновь выпускаемых версий датчиков Холла, так и альтернативных компонентов.
Тем не менее такие недостатки датчиков Холла, как ограниченная чувствительность, низкий уровень первичного сигнала и, как следствие, малый SNR (соотношение «сигнал-шум»), ограниченные разрешение, точность, воздушные зазоры и механические допуски в системах автоэлектроники вместе с малым энергопотреблением, актуальным для мобильных и носимых устройств, вынуждают рассматривать альтернативные способы достижения более высоких измерительных характеристик датчиков на основе других технологий датчиков магнитного поля. В последнее время разработчики автомобильной, потребительской и прочей электроники обратились к поиску решений на основе других технологий, объединенных общим названием XMR, где сочетание MR указывает на принадлежность к магниторезистивному типу датчиков, а X после подстановки уточняет тип магниторезистивного эффекта [9–12, 32, 33].
Коммерческие XMR-технологии включают анизотропные магниторезистивные (AMR/АМР), гигантские магниторезистивные (GMR/ГМР) и датчики на основе туннельного магниторезистивного (TMR/ТМР) эффекта. Для обозначения ТМР-чувствительного элемента также используется термин «магнитный туннельный переход» — Magnetic Tunnel Junction (MTJ).
АМР-элементы имеют гораздо более высокую чувствительность, чем элемент Холла, но в узком линейном диапазоне до 45°. Перекрыть этот недостаток позволяет размещение нескольких АМР-элементов с угловым смещением относительно друг друга, что еще больше осложняет их интеграцию с ASIC, так как даже для одного пермаллоевого АМР-элемента интеграция со CMOS-схемой обработки и формирования сигнала в одном корпусе или на кристалле затруднена. Сенсорные элементы АМР-датчиков магнитного поля нуждаются в использовании катушки настройки/сброса, чтобы задать постоянную магнитную ориентацию доменов — например, скорректировать смещение вследствие фоновых шумов. Это приводит к увеличению сложности производственного процесса, а также размера датчика и потребления мощности.
Чувствительность ГМР-магнитных сенсорных элементов выше, чем АМР, соответственно, выше и разрешение, и SNR, и магнитные и механические допуски, но линейный и динамический диапазон ниже, чем у датчиков Холла. Проблема CMOS-интеграции изначально не была столь значительна, как для АМР, и в настоящем полностью решена.
ТМР (туннельные магниторезистивные) чувствительные элементы показывают еще более высокие изменения в удельном сопротивлении в зависимости от индукции приложенного магнитного поля, чем разработанные ранее технологии АМР и ГМР, более высокую чувствительность, разрешение, отсутствие потребности в усилителях сигнала, в том числе в структурах концентраторов магнитного потока и в катушке пресета/сброса, лучшую температурную стабильность, меньшее потребление энергии, лучшую линейность, широкий диапазон линейности [10, 33].
В таблице сравниваются основные технические характеристики датчиков Холла, АМР, ГМР и ТМР, последовательно формирующих несколько поколений магнитной сенсорной технологии.
