Типы датчиков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Типы датчиков

Среди датчиков магнитного поля различают датчики трех типов, использующие различные физические эффекты, а именно: магниторезистивные датчики, датчики Холла и датчики Виганда.

Датчик холла

Датчики магнитного поля, использующие эффект Холла, относятся к активным датчикам, так как они сами вырабатывают измерительное напряжение, связанное с магнитным полем.

В 19 веке ам. физик Эдвин Холл обнаружил, что при пропускании постоянного тока через пластинку золота и поднеся к ней перпендикулярно постоянный магнит, возникла разность потенциалов на гранях А и С, т.е. напряжение. Это и есть эффект Х. Напряжение на гранях А и С зависит от силы магнитного поля, кот. Задается либо постоянным магнитом либо электромагнитом, толщиной пластинки и силой тока.

Обычно сенсор Холла представляет собой небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на всем протяжении стороны прямоугольника. А те, с которых снимается сигнал - самые обычные, точечные.

Функциональная схема датчиков магнитного поля на эффекте Холла:

датчики состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора его питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. В зависимости от модели датчика, выходной каскад представляет собой усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с открытым коллектором (PNP). датчик магниторезистивный холл

Благодаря им были построены приборы позволяющие измерять силу тока в проводнике, не касаясь самих проводников. А также приборы, с помощью которых можно измерять напряженность м.п. в них линейные датчики холла.

Позже стали делать радиоэлементы на данном эффекте. И назвали эти элементы датчиками Холла. Как только наступила эра цифровой электроники в один корпус с датчиками холла стали помещать различные логические элементы. В результате стали выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном эти датчики делятся на 3 типа.

Датчики Холла бывают: униполярными, биполярными, омниполярными.

1. Реагируют лишь на 1 магнитный полюс, а на противоположный не обращают внимания. Т.е. поднося южный полюс магнита, срабатывает датчик, на противоположный - нет.

2. Подносим магнит одним полюсом - датчик сработал. И продолжает работать даже когда мы убираем магнит от датчика. И чтоб его выключить надо подать другую полярность магнита.

3. Включаются/выключаются на любой полюс.

Короче их можно подключить к микроконтроллерам и другим логическим элементам. Они используются также в ноутбуках: при закрытии крышки ноутбука - экран гаснет. Также они используются в старых телефонах.

Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:

1. Долгий срок службы (для клавиатуры это 30 млрд. нажатий).

2. Отсутствие подвижных частей (твердотельная электроника), что значительно упрощает конструирование с высокими требованиями к вибрациям и ударам.

3. Возможность работы на частотах изменения магнитного поля до 100 кГц.

4. Достаточно простое совмещение с логическими уровнями сигналов цифровой техники.

5. Достаточно широкий диапазон рабочих температур (от минус 40 до плюс 150 градусов Цельсия).

6. Высокая повторяемость измерений, что позволяет достаточно просто тарировать приборы на основе датчиков Холла.

Эффект Виганда

1975г. Американский ученный Джон Ричард Виганд. Воздействие полей на различные типы проводников.

Эффект: если к катушке из ФМ проволоки внести в постоянное магнитное поле, то возникает спонтанное изменение ее магнитной поляризации, как только напряженность поля превысит определенное пороговое значение. Этот предел называется порогом зажигания.

Если поле в одну сторону, то возникает положительный индукционный ток, а если в противоположную - отрицательный. Изменение состояние можно регистрировать с помощью обмотки вокруг проволоки. Одна из областей применения - системы контроля. В которой используются датчики Виганда.

Конструкция простейшего датчика Виганда.

Датчик состоит из проволоки, изготовленной из ферромагнитного сплава типа викаллой (10% ванадия, 52% кобальта и железа), и обмотки. Точный состав материала проволоки, как правило, является секретом фирмы. Проволока Виганда представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки. Диаметр проволоки 0,2-0,3 мм, длина - 5 - 40 мм. Обмотка датчика обычно составляет 1000-2000 витков медного провода диаметром 0,05-0,1 мм.

Датчики Виганда не требуют какого-либо источника питания, их выходной сигнал практически не зависит от частоты изменения поля, и их можно использовать в широком диапазоне рабочих температур (-196…+175 °С).

Область их применения:

- задачи измерения и контроля,

- системы управления доступом, в которых они служат носителями информации в идентификационных картах.

Для машинки:

Такой датчик реагирует на магнитные поля и вырабатывает сигнал в диапазоне нескольких вольт, при условии, что напряженность окружающего м.п. превышает пороговое зажигание.

Индификационные карты:

Способность проволоки Виганда хранить данные очень успешно используется в считываемых идентификационных картах. Они состоят из двух рядов коротких кусков проволоки, представляющих 0 и 1 (максимальная емкость 56 бит), которые вставлены в пластиковые карты точно установленного размера. Перед тем как карта поступит на устройство считывания, все проволоки должны быть насыщены в одном и том же направлении магнитного насыщения. Следовательно, информация станет полностью независимой от воздействия внешних полей, которые могут изменять магнитное состояние проволок перед считыванием. Информация основана только на геометрической конфигурации проволок и поэтому не изменяется

Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного датчика, который получил наименование магнитоиндуктивного датчика - MagnetoInductive (MI) sensors. Датчик представляет собой микроминиатюрную катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Катушка содержит всего одну обмотку и регистрирует магнитное поле в направлении только одной из осей.

Магниторезистивные датчики

Магниторезистивный эффект, обнаруженный Томсоном (лордом Кельвином) в 1856 г., он основан на отклонении линий тока под действием магнитного поля, которое используется здесь непосредственно. В магниторезистивных устройствах длина намного больше ширины, поэтому эффектом Холла можно пренебречь

МР - пп. Резистор, в котором используется зависимость сопротивления от м.п.

Принцип действия основан на магниторезистивном эффекте. Изменение сопротивления при внесении м.п.

Некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой (80 % Ni и 20 % Fe), изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. С помощью современной тонкопленочной технологии можно изготовить небольшие и очень дешевые магниторезистивные датчики.

Представляет собой изоляционную подложку на которую наклеен слой вещества. К пп пластине подпаиваются токоподводы. Часто для увеличения активного сопротивления и получения небольших габаритов пп пластина изготавливается в форме меандра. резистивный элемент в форме меандра сопротивлением от 30 Ом до 1 кОм.

Для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста с алюминиевыми перемычками формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке. Такие мостовые датчики с зазубренными полосами применяются для измерения скорости, углов поворота, тока и слабых полей. Их основные характеристики: высокая чувствительность; линейность; возможность определить направление поля.

К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:

* отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;

* широкий диапазон рабочих температур (от -55 до 150°С);

* датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;

* долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.

Размещено на Allbest.ru