Technika sensorowa. Czujniki magnetyczne cz.1

Transkrypt

1 Technika sensorowa Czujniki magnetyczne cz.1 dr inż. Wojciech Maziarz, prof. dr hab. T. Pisarkiewicz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Kontakt: 1

2 Czujniki magnetyczne Czujniki magnetyczne to czujniki działające na zasadzie zmiany sprzężenia między obwodem elektrycznym i magnetycznym lub w wyniku wpływu pola magnetycznego na parametry materiałowe sensora. Materiały na czujniki: magnetyki (twarde i miękkie) oraz inne materiały (np. półprzewodniki) czułe na działanie pola magnetycznego. Elektroniczny kompas (Honeywell) HMC5843 Detektor pojazdu 2

3 Podział czujników Czujniki indukcyjne indukcyjnościowe (zmiana L) transformatorowe (zmiana M) elektromagnetyczne Czujniki magnetogalwaniczne hallotrony magnetorezystory magnetotranzystory Czujniki magnetoelastyczne - indukowana SEM - indukowane prądy wirowe Czujniki pola magnetycznego magnetometry z nasycanym rdzeniem z cewką indukcyjną SQUID-y (superconducting quantum interference device) 3

4 Czujniki indukcyjnościowe Definicja indukcyjności własnej L cewki: N B = L I Indukcyjność ta wynosi w przybliżeniu: L or N 2 A N 2 l R gdzie R jest tzw. oporem magnetycznym (reluktancją) R l A o r l - długość A - przekrój r - wzgl. przenikalność magnet. rdzenia Zmiany L uzyskuje się zmieniając N lub najczęściej R Cewka może stanowić część bardziej złożonego obwodu magnetycznego: NI NI B R R 1 2 l 1 A o l 2 A o r 4

5 5 O zmiennej szczelinie powietrznej Moduł impedancji L Z R R R L R Z Z Cu L L Dla małych strat p p 0 2 p 2 p Fe 2 l 1 Z A 2l 1 N R N R R N L Czujniki indukcyjnościowe

6 Czujniki indukcyjnościowe O zmiennym przekroju szczeliny 6

7 Czujniki indukcyjnościowe Czujnik różnicowy Dwa dławiki o impedancjach Z 1 i Z 2 ze wspólną zworą Szczeliny: l l 1 2 l 0 l 0 U wyj RI R Î 1 Î 2 R( I 1 I 2 ) I 1, 2 2 ( L 0 U ka ) l 0 2 R 2 S Dla 0 < δ < 0.4l 0 ΔI ~ δ Słaba zależność U wyj od częstości i napięcia zasilania 7

8 Czujniki indukcyjnościowe O zmiennym położeniu rdzenia 8

9 Czujniki indukcyjnościowe Układ z dwiema cewkami połączonymi mostkowo Przesunięcie rdzenia z położenia środkowego powoduje pojawienie się napięcia U wyj U U wyj we 1 2 L L 0 Dla małych przemieszczeń x L dl x dx Stąd U U wyj we 1 2L 0 dl dx x 9

10 Czujnik transformatorowy Transformator różnicowy (LVDT - linear variable differential transformer) Separacja obwodu zasilania i wyjściowego, duża liczba zwojów obwodu wtórnego. Kompensacja zakłóceń, szczególnie temperaturowych (praca w temp. od kriogenicznych do C). Z 1 i Z 2 połączone przeciwsobnie, w środkowym poł. rdzenia U wyj = 0 Duże czułości pomiaru przemieszczeń w zakresie od 10-7 m do 1 m, przy błędzie nieliniowości <3%. Uzyskuje się to przy specjalnej konstrukcji cewek. 10

11 Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEM Siła elektromotoryczna indukuje się na skutek zmiany strumienia magnetycznego (prawo Faradaya): df/dt W rozwiązaniach sensorowych na ogół stosuje się magnesy stałe, a zmienny strumień uzyskuje się przesuwając obwód elektryczny w polu B lub na odwrót przesuwając źródło pola B lub zmieniając opór magnetyczny przy spoczywającym obwodzie elektrycznym. Ruchomy obwód elektryczny w stałym polu B Czujnik prędkości liniowej N`BA d dt dx dt v N l x B A 11

12 Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEM Ruchomy obwód elektryczny w stałym polu B Czujnik prędkości kątowej N B Acos d dt N B A sin t N B Acos t Konieczna jest pewna minimalna prędkość kątowa. Dla dużych ω nie istnieje potrzeba wzmacniania sygnału. 12

13 Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEM Zmiana oporu magnetycznego obwodu Tachometr elektromagnetyczny 13

14 Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEM Ruch źródła B Tachogenerator Częstotliwość indukowanego napięcia: f ~ n p p - ilość biegunów n ilość obrotów Typowy zakres pracy: rpm Dla mniejszych obrotów zwiększa się ilość biegunów magnesów. Ogólnie czujniki z indukowaną SEM służą do: pomiaru prędkości obrotowych badania drgań: x vdt k dt dv d a k dt dt 14

15 Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEM Obróbka sygnału z tachometru EM z tarczą zębatą 15

16 Czujniki elektromagnetyczne z wykorzystaniem prądów wirowych Istotne są indukowane prądy, a nie siły elektromotoryczne B rot E t Zmienne pole magnetyczne indukuje wirowe pole elektryczne Wiroprądowe czujniki zbliżeniowe Dynamika 1 50 mm Rozdzielczość 0.1 mm Cewka jest częścią obwodu rezonansowego generatora LC 16

17 Czujniki elektromagnetyczne z wykorzystaniem prądów wirowych Wiroprądowe czujniki zbliżeniowe W zbliżającej się tarczy (przewodniku) indukują się prądy wirowe, co powoduje tłumienie i zmianę częst. drgań generatora. Tłumienie zależy od σ, µ tarczy oraz częst. ω generatora. Tarcza ferromagnetyczna daje silne tłumienie i działanie o większym zasięgu. Przewodniki (Cu, Al) tłumią słabiej. Rozwiązaniem optymalnym jest stal magnetyczna (duże σ oraz µ). Grubość tarczy d > δ (efekt naskórkowy) r dla stali: f (MHz) δ (mm) Bezkontaktowy pomiar zapewnia dobrą hermetyczność, co w efekcie daje odporność na korozję, szeroki zakres ΔT pracy (-40 0 C C), ciśnienie p ~ hpa. Zastosowania: obrabiarki, aut. spawarki, procesy przemysłowe. 17

18 Czujniki magnetogalwaniczne Służą do przetwarzania energii magnetycznej na energię elektryczną. Najpopularniejsze zastosowanie - pomiar pola magnetycznego. Hallotrony - czujniki, których zasada działania opiera się na klasycznym efekcie Halla. Efekt Halla - wystąpienie różnicy potencjałów w przewodniku, w którym płynie prąd elektryczny I, gdy przewodnik znajduje się w poprzecznym do płynącego prądu polu magnetycznym B. Napięcie Halla U H pojawia się między płaszczyznami ograniczającymi przewodnik, prostopadle do płaszczyzny wyznaczanej przez kierunek prądu I i wektor indukcji pola magnetycznego B. Jest ono spowodowane działaniem siły Lorentza F na ładunki poruszające się w polu 18 magnetycznym.

19 Efekt Halla Siła Lorentza: - prędkość unoszenia nośników prądu Na nośniki działa też siła kulombowska. Wypadkowa siła: W ogólności trzeba wprowadzić czynnik geometryczny g i napięcie niezrównoważenia: W stanie równowagi siła Lorentza i kulombowska równoważą się: U H = γ I B + U r U r napięcie niezrównoważenia (offset), stała lub wolnozmienna wartość dla B = 0. U H = I B/(nqd)= (R H /d) I B = γ I B dla próbki wydłużonej R H - stała Halla 19

20 Efekt Halla Stała Halla dla próbki z nośnikami jednego znaku wynosi: R H = r/ nq r wsp. zależny od mechanizmu rozpraszania nośników n koncentracja nośników q ładunek elementarny Duży sygnał U H uzyskuje się dla próbek o dużej ruchliwości nośników µ ( InSb, GaAs, InAs): E H /E x = µb z E H pole Halla E x pole wymuszające prąd 20

21 Dobre źródło informacji: 21 Czujniki Halla Kształty płytek symbol hallotronu CC/HC zamienne kontakty CC - prądowe HC - holowskie Technologia IC (pionowa) Pole B styczne do powierzchni płytki

22 Czujniki Halla Technologia - kształtki z materiałów litych - cienkie warstwy - mikrostruktury scalone: - struktury MOS - struktury epitaksjalne GaAs - supersieci w technologii MBE (Molecular Beam Epitaxy) - struktury bipolarne IC Większość obecnie produkowanych hallotronów stosowanych komercyjnie wytwarzana jest w technologii bipolarnej obwodów scalonych (IC). Wykonywane są na bazie materiałów półprzewodnikowych (najczęściej InAs, InSb), z materiałów litych (Ge) oraz w technologii warstwowej. 22

23 Czujniki Halla Technologia Izolację struktury holowskiej od reszty układu uzyskuje się w wyniku istnienia przeciwnie spolaryzowanych złącz p/n Aktywną część struktury stanowi naniesiona epitaksjalnie warstwa n, gdzie wdyfundowano izolacyjne obszary p oraz obszary kontaktów n +. 23

24 Czujniki Halla Parametry czułość bezwzględna: S A = U H / B dla I = const czułość względem prądu zasilania: S I = S A / I czułość względem nap. zasilania: S U = S A / U offset: równoważne pole B o wytwarzające napięcie niezrównoważenia U o : B o = U o / S A 24

25 Czujniki Halla - zastosowania 25

26 Czujniki Halla - zastosowania Bezkontaktowe pomiary położenia 26

27 Czujniki Halla - zastosowania Bezkontaktowe pomiary położenia różnicowe połączenie czujników holowskich Wykorzystanie hallotronu do pomiaru prędkości obrotowej. Czerwone krążki oznaczają magnesy, niebieski prostopadłościan - czujnik hallotronowy 27

28 Czujniki Halla - zastosowania Bezkontaktowy pomiar prądu Wokół przewodnika z prądem ( prostoliniowego ) istnieje koncentryczne pole magnetyczne: B= μ o I/(2πr), czyli B ~ I dla r = const Prosta konstrukcja, dobra liniowość wskazań Dużą czułość uzyskuje się stosując rdzeń magnetyczny ze szczeliną δ ~ 1 mm, w której umieszczony jest hallotron. 28

29 Czujniki Halla - zastosowania Bezkontaktowy pomiar prądu Strumień pola B: R B N I R R lfe A R A 0 r 0 Pole B w szczelinie: B 0 N I lfe 0 r N I U H I N ilość zwojów R µ, R δ opory magnetyczne (reluktancje) rdzenia, szczeliny Zakres pomiaru prądu: 10 A kilka ka 29

30 Czujniki Halla - zastosowania Bezkontaktowy pomiar mocy Korzysta się z faktu, że czujnik Halla wykazuje własności multiplikacyjne. Prąd obciążenia i L wytwarza pole B i mierzony jest jak poprzednio: B ~ i L Napięcie u L jest transformowane i wytworzony prąd i in zasila hallotron: i in ~ u L i Napięcie wskazywane przez hallotron: Dla obciążenia rezystancyjnego: u L u ( t ) U u L ( t ) U ( t ) I r H 0L 0L 0r cos t cos t cos t 1 ( t ) k U 2 0L I 0L ( 1 cos 2 t ) U 0r cos t u H g i in B u r ( t ) k u L i L u r ( t ) k p L u r ( t ) Stosując filtr dolnoprzepustowy otrzymuje się sygnał proporcjonalny do mocy średniej. 30

31 Czujniki Halla - zastosowania Bezszczotkowy silnik prądu stałego Rotor ma wbudowany magnes stały. W skład statora wchodzą cewki napędzające, sterowane dwoma hallotronami. Hallotrony rejestrują względne położenia rotora i poprzez tranzystory sterują prądami cewek. Prądy w statorze zmieniają się łagodnie. Silniki te posiadają szereg zalet: wydłużony czas życia (istotne tylko zużycie łożysk) niskie szumy brak iskrzenia Chętnie stosowane w urządzeniach HiFi. 31

32 Źródło: Klub Konstruktorów (czujnik halotronowy): Hallotron przykład czujnika KSY 14 (Siemens, Infineon) wytwarzany z GaAs z wykorzystaniem implantacji jonami 32

33 !!! Hallotron rozwiązania praktyczne Napięcie Halla najczęściej kilkadziesiąt µv (dla ferromagnetyków rzędu 1 mv) przy polu B w zakresie 1 gaussa (1 gauss = 10-4 T) Stosuje się wzmacniacze, np. różnicowe na tranzystorach bipolarnych (wysoki CMRR, duże Ku, niskie szumy, duża Zwe) Konieczny stabilny prąd I (regulator) 33

34 Hallotron zastosowania cyfrowe Licznik impulsów Czujnik podłączony do dzielnika /2 Przełącznik (normalnie wył.) Przełącznik analogowy 34

35 Hallotron zastosowania cyfrowe Czujnik kierunku obrotów w wyjściem cyfrowym Interfejs wired OR 35

36 Hallotron zastosowania cyfrowe Wykrywanie elementów ferromagnetycznych (np. położenia na kole zębatym) Sygnał wyjściowy 36

37 Hallotron zastosowania cyfrowe Czujnik Halla w układzie dwuprzewodowej pętli prądowej Zdalna lokalizacja czujnika i układów elektronicznych. Zmiana z 3 przewodów na 2-przewodowa pętlę prądową. Gdy czujnik nie pobudzony, prąd w pętli = prądowi zasilania czujnika + prąd upływu. Gdy pobudzony, prąd w pętli prądowej = prądowi zasilania czujnika + prąd w tranzystorze wyjściowym. Różnica prądu w pętli zmienia napięcie na R2. Komparator wykrywa tę zmianę porównując ją z napięciem Uref. Czujnik obecności papieru 37

38 Hallotron zastosowania analogowe Typowy sposób podłączenia z obciążeniem Czujniki bliskości Analogowy czujnik Halla połączony z komparatorem 38

39 Hallotron zastosowania analogowe Regulowany czujnik prądu Czujnik liniowy w sprzężeniu zwrotnym Czujnik poziomu/przechyłu Czujnik temperatury/ciśnienia 39

40 Hallotron zastosowania analogowe Czujnik prędkości obrotowej Kontrola prędkości Sterowanie zależnościami czasowymi silnika Wykrywanie bezruchu, zbyt niskiej, zbyt wysokiej prędkości Detekcja prędkości obrotowej dysku Element regulacji obrotów wiatraka Wiertarki, zliczanie butelek Detekcja pozycji migawki aparatu Czujnik przepływu Tachometry Czytnik kart magnetycznych 40

41 Hallotron zastosowania analogowe Czujnik położenia/kąta przepustnicy I naprawdę wiele, wiele innych zastosowań - wykrywacze metalu (złamanie symetrii pola w obecności metalu) - manipulatory i dźwignie mechaniczne do kontroli urządzeń (dźwigi, wózki widłowe, koparki) - kompasy 41

42 Hallotron zalety Odporny na warunki atmosferyczne, kurz, wodę, brud (czyli można go użyć tam, gdzie metody np. optyczne nie zdają egzaminu). Prosty w budowie (wyłącznie ciało stałe) Tani, długi czas życia Brak ruchomych części Powtarzalne działanie Szeroki zakres temp. pracy (-40 to +150 C) Z pomiaru napięcia Halla można określić też: - typ przewodnictwa (elektronowe n lub dziurowe p) - ruchliwość nośników - koncentrację nośników n - szerokość przerwy energetycznej Eg 42