Магниточувствительные датчики положения

Размещено на http://www.allbest.ru

Магниточувствительные датчики положения разделяются на две группы по чувствительному элементу: на основе механических контактов - герконов и немеханических на эффекте Холла, индуктивные, магниторезистивные и пр.

I. Датчики на основе механических контактов

Магниточувствительные датчики положения на основе механических контактов устроены следующим образом:

Геркон реагирует на изменения напряженности постоянного магнитного поля и производит коммутацию электрического тока.

Схема индикации обеспечивает работу индикатора при срабатывании геркона.

Светодиодный индикатор показывает состояние датчика, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.

магниточувствительный датчик сопротивление компенсация

Рис.1

Устройство магниточувствительного датчика положения с механическим чувствительным элементом

 

Преимущества магниточувствительных датчиков положения с герконом:

простота;

возможность работы при переменном и постоянном напряжении до 300 В;

низкое (близкое к нулю) падение напряжения.

II. Датчики на основе эффетка Холла

Принцип работы магнитoчувствительногo датчика положения на эффекте Холла основан на изменении характеристик чувствительного элемента при воздействии внешнего магнитного поля. 

Рис.2

Устройство магниточувствительного датчика положения с немеханическим чувствительным элементом

Чувствительный элемент на эффекте Холла воспринимает изменение магнитного поля.

Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.

Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.

Светодиодный индикатор показывает состояние датчика, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

Корпус обеспечивает монтаж датчика, защищает от механических воздействий.

При увеличении напряженности внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния датчика. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля не влияет на состояние датчика.

Рис.3. Увеличение напряженности магнитного поля

 

При уменьшении напряженности магнитного поля происходит обратный процесс и датчик возвращается в исходное состояние.

Рис.4. Уменьшение напряженности магнитного поля

 

При входе в чувствительную зону (Рис.4) управляющего объекта из ферромагнитного материала, уменьшается напряженность внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния датчика. Дальнейшее уменьшение напряженности магнитного поля не влияет на состояние датчика. При выходе управляющего объекта из чувствительной зоны, напряженность магнитного поля возрастает и происходит обратный процесс - датчик возвращается в исходное состояние.

Преимущества магниточувствительных датчиков положения на эффекте Холла:

больший ресурс срабатывания из-за отсутствия механических контактов.

большая частота коммутации.

III. Датчики на основе магниторезистивного эффекта

Магниторезистивный эффект основан на том, что некоторые полупроводниковые материалы под воздействием внешнего магнитного поля начинают изменять свое внутреннее сопротивление.

К таким материалам, в частности, относятся вещества на основе смесей InSb, InAs, GaAs, Ge, Si.

Наиболее подходящим материалом для использования в магнитных датчиках на сегодняшний день является смесь InSb, обладающая наибольшей подвижностью основных носителей заряда.

Сопротивление полупроводника в магнитном поле описывается формулой:

где R0 -- сопротивление полупроводника вне магнитного поля, сb-- удельное сопротивление в магнитном поле, с0 -- удельное сопротивление вне магнитного поля, B -- плотность магнитного потока ,m-геометрический фактор (отношение длины к ширине).

Рис. 1. Поведение магниторезиста в магнитном поле

Вне магнитного поля направление движения носителей заряда в теле полупроводника осуществляется по наименьшему пути. При внесении пластины в магнитное поле сила Лоренца будет искривлять траекторию движения электронов, тем самым изменяя общее сопротивление магниторезиста.

Изменение сопротивления магниторезистивного материала представлено на рис. 2.

Рис. 2. Магниторезистивная характеристика

На основании этого явления инженеры компании Murata разработали серию магниточувствительных датчиков, использующихся для распознавания информации, нанесенной посредством тонкого слоя магнитного вещества.

Благодаря хорошей динамике, стабильности параметров и высокому уровню выходного сигнала датчики реагируют как на

магнитные, так и на ферромагнитные материалы.

Устройство магниточувствительного датчика представлено на рис.

3.

Рис. 3. Устройство магниточувствительного датчика

Датчик представляет собой закрытую конструкцию, состоящую из металлического корпуса, с размещенным внутри магниторезистивным элементом и постоянным магнитом.

Рис. 4. Структура магниточувствительного датчика

Применение герметичного железного корпуса позволяет значительно повысить надежность устройства.

Датчики выпускаются как со сдвоенным элементом, так и мостовые (рис. 5).

Рис. 5. Эквивалентные схемы магнитных датчиков

Смена полярности выходного напряжения в датчике приходится на момент перехода магнитной полосы между магниторезистивными элементами (рис. 6).

Рис. 6. Принцип работы магниточувствительного датчика

Напряжение, снимаемое с выхода датчиков, рассчитывается по эмпирической формуле и зависит от сопротивления магниторезистов:

где Rmr -- сопротивление одиночного элемента, Vin -- напряжение питания.

Температурная характеристика и схемы конпенсации

Одной из особенностей магниторезистивных датчиков является зависимость выходного напряжения, а также входного и выходного сопротивлений от температуры.

На рис. 7 представлена типовая зависимость выходного напряжения в диапазоне температур от -20 до +80 °С.

Температурный коэффициент равен 0,4%/°С. На рис. 8 представлена зависимость входного и выходного сопротивления в диапазоне температур от-20 до +80°С. Температурный коэффициент -- 2%/°С.

Рис. 7. Зависимость выходного напряжения от температуры

Рис. 8. Зависимость входного и выходного сопротивления от температуры

Для компенсации этого явления применяют специальные схемы, содержащие термистор с отрицательной температурной характеристикой (рис. 9).

Рис. 9. Схема температурной компенсации с NTC-термистором

Важной особенностью сенсоров является так называемая азимутная характеристика. Суть ее заключается в изменении уровня выходного сигнала в зависимости от угла перемещения магнитного слоя относительно магниторезистивного слоя.

Рис. 10. Перемещение магнитного носителя под разными углами относительно магниторезистивного элемента датчика

Наибольший уровень выходного сигнала обеспечивается лишь при условии параллельного перемещения магнитного носителя относительно магниторезистивного элемента (рис. 11).

Рис. 11. Азимутная характеристика

Монтаж магниточувствительных датчиков

Наиболее распространенными являются два основных типа монтажа для магниторезистивных датчиков. Отличия заключаются в способе установки тела датчика внутри устройства.

Первый способ подразумевает жесткую установку датчика на печатную плату, когда отсутствуют какие-либо амортизационные элементы (рис. 12)

Рис. 12. «Жесткая» установка датчика на печатной плате

К достоинствам этого способа можно отнести простоту установки и легкость в регулировке, а к недостаткам -- чувствительность к внешним и внутренним воздействиям, таким, как вибрации.

Второй способ подразумевает «мягкую» установку датчика на пружинах (рис. 13).

Рис. 13. «Мягкая» установка датчика

К достоинствам этого способа относится нечувствительность датчика к вибрациям.

Типовая схема включения представлена на рис. 14.

Рис. 14. Типовая схема включения магниточувствительного датчика

Типы магниточувствительных датчиков

Есть несколько типов магнитных сенсоров , принципиальное различие которых заключается в площади и устройстве считывающей поверхности (табл. 1-2).

Табл.1.Типы магниточувствительных датчиков

Таблица 2. Основные параметры магниточувствительных датчиков

Стандартный компактный тип

Особенности:

1) высокая чувствительность и превосходная стабильность

характеристик;

2) уровень выходного напряжения не зависит от скорости сканирования;

3) компактные размеры и легкий вес позволяют использовать датчики в миниатюрных устройствах;

4) большая наработка на отказ, достигнутая благодаря использованию металлического корпуса;

5) нечувствительность к внешним магнитным полям, таким, как трансформаторы и электродвигатели.

Сферы применения:

-счетчики банкнот;

-считыватели магнитных карт;

-датчики положения зубчатого колеса;

Датчики с широким чувствительным элементом

Особенности:

1) широкий магниторезистивный элемент позволяет повысить точность считывания информации при сканировании магнитных полос;

2) повышенная наработка на отказ (благодаря металлическому корпусу), что позволяет использовать датчики в высокоскоростных счетчиках банкнот;

3) высокая чувствительность и стабильность временных характеристик.

4) выходное напряжение не зависит от скорости сканирования.

Сферы применения:

-высокоскоростные счетчики банкнот, считыватели магнитных карт.

IV.Индуктивные датчики

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления  Rm магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.

Индуктивные датчики относятся к классу параметрических. Измеряемое перемещение на входе датчика вызывает изменение параметров магнитной и электрической цепей, что, в свою очередь, вызывает изменение выходной величины - электрического тока I или напряжения U.

С помощью индуктивных датчиков можно контролировать механические перемещения, силы, температуру, свойства магнитных материалов, определять наличие дефектов, контролировать диаметр стальной проволоки, толщину немагнитных покрытий на стали и др.

Индуктивные датчики отличает ряд достоинств: простота и прочность конструкции, надежность в работе, отсутствие скользящих контактов, большая величина мощности на выходе (до нескольких десятков ватт), высокая чувствительность (до 100 В/мм).

Рассмотрим работу однотактного индуктивного преобразователя (рис. 5.7, а). Выходной сигнал получают в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки RH, включенного в цепь обмотки 2, помещенной на сердечнике 1. Питание осуществляется переменным напряжением U c частотой от 50 до нескольких тысяч герц. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяется зазор 5. Выходное напряжение датчика

Среднее значение тока в рабочей цепи преобразователя

где R - суммарное активное сопротивление цепи, R = RH + R0; R0 - сопротивление обмотки - реактивное сопротивление цепи; щ - круговая частота.

Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора с магнитным сопротивлением rд:

где w - число витков обмотки; м0 - магнитная проницаемость воздуха в зазоре; S - площадь поперечного сечения зазора.

Учитывая, что на практике для индуктивных преобразователей выполняется условие R << XL и подставляя выражение (5.6) в (5.5), получаем

Коэффициент преобразования K = URH/(wм0Sw2) - величина постоянная, поэтому статическая характеристика UBblx = f(д) должна представлять собой прямую, проходящую через начало координат под углом б = arctgK  к оси абсцисс (рис. 5.7, б, штриховая линия). Реальная характеристика преобразователя, показанная на рисунке сплошной линией, отличается от идеальной. Это объясняется тем, что при малых значениях д допущение rm << rд становится неверным, так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи rт становится соизмеримым с магнитным сопротивлением зазора rд; при больших значениях 5 падает индуктивность обмотки L и реактивное сопротивление XL становится соизмеримым с активным сопротивлением магнитной цепи, т.е. R ? XL. Это несоблюдение принятых в начале рассмотрения допущений и приводит к искажению статической характеристики.

Анализ принципа действия и статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить следующие его недостатки: фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря; для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор д0, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения Uвых0 (см. рис. 5.7, б); на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящаяся притянуть его к ярму. При большой мощности сигнала выходной цепи она может принимать существенные значения, что требует введения компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, а это значительно усложняет устройство.

Непосредственно для измерительных целей применяют двухтактные измерительные преобразователи, которые могут включаться по дифференциальной или мостовой схемам.

Дифференциальная схема включения индуктивного измерительного преобразователя требует использования трансформатора со средней точкой (рис. 5.8). Оба сердечника идентичны по своим конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки w1 и w2 имеют также одинаковые параметры и включены последовательно-встречно. Сопротивление нагрузки RH включается между средней точкой трансформатора и средней точкой обмоток преобразователя.

В такой схеме ток Iвых, протекающий по сопротивлению нагрузки,

равен разности токов правой и левой половин схемы. В векторной форме это равенство примет следующий вид:

а выходное напряжение

При отсутствии входного сигнала зазоры д1 и д2 между якорем и ярмом одинаковы: д1 = д2 = д0. Равны и индуктивности L1 и L2 обеих половин датчика, определяемые размерами зазоров. Следовательно, выходное напряжение преобразователя Uвых равно нулю (рис. 5.9, а).

При перемещении якоря на расстояние X зазоры д1 и д2 становятся неравными:

Изменение зазоров приводит к изменению индуктивностей: увеличение д1 ведет к уменьшению L1 а уменьшение д1 - к увеличению L2. Изменение индуктивностей плечей датчика приводит к дисбалансу токов I1 и I2, в результате чего через сопротивление нагрузки потечет ток Iн = Iвых, и появится выходное напряжение (рис. 5.9, б).

Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 180° относительно напряжения питания, являющегося опорным (рис. 5.9, в).

Принцип действия мостовой схемы индуктивного преобразователя (рис. 5.10) аналогичен принципу действия дифференциальной схемы. Выходное напряжение мостовой схемы

В исходном состоянии при д1 = д2 = д0, L1 = L2 = Lo, Uвых = 0, так как l1 = l2. Перемещение якоря вправо на расстояние X приводит к изменению зазоров: д1 = д0 + X; д2 = д0 - X, а также индуктивностей плечей моста:

Считая, что активное сопротивление обмоток мало по сравнению с их индуктивным сопротивлением, можно записать комплексные выражения величин l1 и l2 в следующий алгебраической форме:

где j - мнимая единица.

Тогда разность токов

На основании выражения (5.8) можно записать: L2 - L1 = 2ДL; L2 + L1 = 2L0; L2L1 = L02 - ДL2 = ДL2. При малых изменениях зазора 5 функция L = f(x) практически линейна, и для нее справедливо отношение ДL = (L0/д0)X; соответственно выражение (5.9) будет иметь вид

Умножив и разделив последнее выражение на (R - jwL0)2 и выделив действительную и мнимую части, получим модуль разности токов I1 и I2:

а выходное напряжение согласно формуле (5.7) запишем в виде

Так как все параметры за исключением X являются постоянными, то выражение (5.10) можно привести к виду

где K = 2UwL0R/[д0(R2 + w2L02)] -коэффициент преобразования индуктивного датчика.

Таким образом, статическая характеристика двухтактного индуктивного измерительного преобразователя представляет собой функцию вида Uвых= KX1 что соответствует прямой, проходящей через начало координат под углом б = arctg K (рис. 5.11).

Как видно из рисунка, при изменении направления перемещения входной величины X фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Кроме того, с увеличением входного сигнала наблюдается отклонение выходной характеристики от линейной, что объясняется уменьшением индуктивного сопротивления wLи приближением его значения к сопротивлению нагрузки. В связи с этим значение ДX для реверсивных индуктивных датчиков не должно превышать (0,3...0,4)д0. В этом случае выходную характеристику можно считать линейной.

Двухтактные измерительные преобразователи с плоскопараллельным воздушным зазором используют при измерении малых перемещений от сотых долей микрометра до 3...5 мм.

Трансформаторные измерительные преобразователи. Схема трансформаторного измерительного преобразователя приведена на рис. 5.12. Обмотки цепи питания w1 и w2 одинаковы и включены таким образом, что, когда по ним протекает рабочий ток, создаваемые ими магнитные потоки Ф) и Ф2направлены встречно в центральном стержне, на котором расположена выходная обмотка w0. В этом случае выходное напряжение

где f - частота питающего напряжения. Если считать ток /в цепи питания постоянным, что достигается включением в цепь питания дополнительного дросселя для однотактных датчиков или соответствующим включением обмоток питания двухтактных датчиков, то магнитные потоки пропорциональны индуктивностям обмоток w1 и w2:

Так как в рассматриваемой конструкции преобразователя зазор остается постоянным, а якорь перемещается вдоль зазора, то значение индуктивности зависит от сечения магнитного сердечника, определяемого площадью перекрытия S стержней, которая изменяется при перемещении якоря.

В нейтральном положении при X = 0 площади перекрытия стержней равны: S1 = S2 = S0, что приводит к равенству потоков: Ф1 = Ф2 и, следовательно, Uвых = 0.

При перемещении якоря влево на расстояние X площадь перекрытия правого крайнего стержня изменится на ДS, и для потоков в крайних стержнях можно записать:

Выходное напряжение датчика можно описать линейной зависимостью Uвых = KДS = K1X, так как площади перекрытия стержней пропорциональны перемещению якоря X, Коэффициент преобразования на основании приведенных выше выражений можно записать в виде

Из сравнения формул (5.10) и (5.11) видно, что все приведенные ранее соображения о влиянии конструктивных параметров на характеристики индуктивного датчика справедливы и для трансформаторных датчиков.

К достоинствам рассмотренных индуктивных трансформаторных датчиков следует отнести достаточно высокую выходную мощность, позволяющую во многих случаях обойтись без усилительных устройств; высокие чувствительность и разрешающую способность; сравнительную простоту конструкции; высокую надежность; малые массу и размеры при расчете на напряжение повышенной частоты; невысокую стоимость.

Недостатками рассмотренных измерительных преобразователей являются трудность регулировки и компенсации начального напряжения на их выходе; необходимость экранирования для уменьшения уровня помех, что обусловливает увеличение размеров и массы; возможность работы только на переменном токе; ограниченность диапазона линейной статической характеристики.

Список использованных источников

1. Магнитоэлектрический прибор,  http://dic.academic.ru/dic.nsf.

2. Учебное пособие "Электромеханические устройства автоматики" , http://uiits.miem.edu.ru/.

3. Теоретические основы электроники http://toe-kgeu.ru/.

4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 2. - М:2002. - 691 с Том II.

5. Под редакцией Готры З. Ю., Чайковского О. И. Датчики. Справочник. Издательство "Каменяр", Львов, 1995.

Размещено на www.allbest.

...