The use of magnetoresistive sensor for measuring magnetic fields. Zastosowanie czujnika magnetorezystancyjnego do pomiaru pól magnetycznych.

Transkrypt

1 Mateusz Szczepan IV rok Łukasz Wajdzik IV rok Koło Naukowe Techniki Cyfrowej dr inż. Wojciech Mysiński opiekun naukowy The use of magnetoresistive sensor for measuring magnetic fields The article presents some types of sensors for measuring of magnetic field. It focuses particularly on the magnetoresistive sensor. It shows their extensive practical applications, including the device using the sensor PHILIPS KMZ10B for measuring of the horizontal magnetic field component. Zastosowanie czujnika magnetorezystancyjnego do pomiaru pól magnetycznych. Artykuł prezentuje niektóre rodzaje czujników do pomiaru pola magnetycznego, skupiając się szczególnie na czujniku magnetorezystancyjnym. Przedstawia jego szerokie zastosowania praktyczne, w tym układ zbudowany z wykorzystaniem czujnika PHILIPS KMZ10B do pomiaru składowej poziomej pola magnetycznego. Keywords: The magnetic field sensor, magnetic field, magneto resistivesensor. Słowa kluczowe: Pole magnetyczne, czujnik pola magnetycznego, czujnik magnetorezystancyjny. 1. Pole magnetyczne- wprowadzenie Źródłami pola magnetycznego mogą być magnesy trwałe, jak również poruszające się ładunki i przewodniki z prądem. Wielkościami jakie charakteryzują pole magnetyczne są wektory natężenia pola magnetycznego H, oraz indukcji magnetycznej B. Wektor indukcji magnetycznej dla poruszającego się ładunku wyznaczony doświadczalnie można zapisać: gdzie: - przenikalność magnetyczna próżni, q- poruszający się ładunek elektryczny, v-wektor prędkości poruszającego się ładunku, r- wektor położenia punktu przestrzeni, w którym wyznaczamy wartość B, względem położenia ładunku q. Związek natężenia pola magnetycznego z indukcją magnetyczną przedstawia zależność: (w próżni lub powietrz) (2.1) (w dowolnym ośrodku) (2.2) gdzie: -przenikalność względna danego ośrodka odniesiona do przenikalności próżni. Jednostką indukcji magnetycznej w układzie SI jest tesla. (1)

2 Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska Nikoli Tesli. Z kolei jednostką natężenia pola magnetycznego w układzie SI jest.. Ze wzoru (2.1) wynika zależność dla powietrza: Pole magnetyczne występujące naturalnie wokół Ziemi. W pobliżu bieguna geograficznego południowego leży biegun magnetyczny północny, a magnetyczny biegun południowy umiejscowiony jest w pobliżu bieguna geograficznego północnego. Linia łącząca bieguny magnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt 11,3. Obszar występowania pola nazywamy ziemską magnetosferą. Natężenie stałego ziemskiego pola magnetycznego występującego przy powierzchni naszej planety zmienia się w zależności od lokalizacji w zakresie od około 15 A/m do 50 A/m. Obecnie najbardziej prawdopodobna teoria powstania ziemskiego pola mówi, że pole magnetyczne Ziemi wywołują wirowe prądy elektryczne płynące w płynnym jądrze Ziemi. Co ciekawe człowiek również, a w szczególności jego układ nerwowy, wytwarza pola magnetyczne. Obecne metody pomiarowe umożliwiają pomiar pola mózgu, nawet poniżej pojedynczych ft (fentotestli T). O czułości obecnych przyrządów niech świadczy przykład pole rzędu 10 fentotesli powstaje w odległości 20 km od przewodu przez który przepływa prąd zaledwie 1 ma. 2. Sposoby pomiaru pola magnetycznego Zadaniem czujników pola magnetycznego jest przetworzenie wielkości charakteryzujących pole tj. indukcji lub natężenia pola magnetycznego w powietrzu na sygnał elektryczny: napięcie, zmianę rezystancji, częstotliwość. Istnieje wiele rodzajów czujników różniących się budową, dokładnością i zakresem pomiarowym. Występują czujniki takie jak m.in.: Czujnik indukcyjny- najbardziej uniwersalny, posiadający wiele zalet. Prosty w konstrukcji i działaniu. Jest to po prostu nawinięta cewka, dlatego praktycznie każdy może go wykonać. Wykorzystuje on prawo Faraday a. Napięcie indukowane w cewce zależy od indukcji zmiennego pola magnetycznego stała przetwarzania zależy jedynie od wymiarów (powierzchni s), liczby zwojów z oraz częstotliwości f. Czujnik ten jest. Inne ważne zalety czujnika indukcyjnego to brak prądu wzbudzenia i elementów ferromagnetycznych co pozwala na badania pola magnetycznego praktycznie bezinwazyjne. Wady czujnika indukcyjnego to, relatywnie mała. Sygnał wyjściowy czujnika nie zależy wprost od indukcji B, ale od jej pochodnej db/dt. Konieczne jest więc stosowanie układu całkującego na wyjściu czujnika układy takie mogą być źródłem dodatkowych błędów. Czujnik transduktorowy- posiadają one dwa rdzenie z cienkiej blachy o wielkiej przenikalności, oraz dwie cewki nawinięte na tych rdzeniach. Strumień magnetyczny w rdzeniach powstaje jako wypadkowa zewnętrznego pola mierzonego (stałego), oraz pola cewek. Napięcie wyjściowe ma podwójną częstotliwość w stosunku do pomocniczego napięcia zasilającego, a jego wartość zależy od mierzonego pola magnetycznego. Przetwornik ten umożliwia pomiar małych pól od 0.1nT do ok. 1mT. Czujnik nadprzewodnikowy SQUID- czyli Nadprzewodzący Interferometr Kwantowy (Superconducting Quantum Interference Device) mierzy zmiany w polu

3 magnetycznym, wykrywając przejście złączy ze stanu nie-nadprzewodnikowego do nadprzewodnikowego. Czujniki typu GMI (gigantyczna magneto impedancja)- W czujnikach tych wykorzystuje się zmianę impedancji cienkiej warstw lub cienkiego drutu zasilanego prądem o częstotliwości kilkadziesiąt kilkaset MHz. Ta zmiana impedancji wynika ze zmiany głębokości efektu naskórkowego i zmiany przenikalności materiału magnetycznego wraz ze zmianą zewnętrznego pola magnetycznego. Zmiana indukcyjności czujnika powoduje zmianę napięcia wyjściowego rzędu kilkuset %. Ponadto do uzyskania tej zmiany wystarczy niewielkie pole zewnętrzne. Czujnik rezonansowy- stanowi naczynie wypełnione cieczą o dużej zawartości atomów wodoru, na przykład woda. Naczynie umieszczone jest wewnątrz cewki o osi skierowanej prostopadle do mierzonego pola magnetycznego. W pierwszym cyklu pomiaru przez cewkę przepuszcza się prąd stały polaryzujący ciecz polem o natężeniu rzędu kilku ka/m. Następnie po wyłączeniu prądu cewkę podłącza się do wzmacniacza. Moment magnetyczny protonów wraca do położenia wyjściowego (zgodnie z kierunkiem mierzonego pola magnetycznego) co objawia się indukowaniem w cewce napięcia o malejącej amplitudzie i stałej częstotliwości. Częstotliwość ta zależy od wartości mierzonego pola przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest współczynnik żyromagnetyczny. Hallotrony- mechanizm zjawiska Halla polega na wykorzystaniu zmiany drogi przepływu prądu w elemencie na skutek oddziaływania pola magnetycznego (oddziaływania siły Lorenza). W wyniku tego oddziaływania na jednym brzegu elementu gromadzą się ładunki dodatnie, na drugim ujemne. Powstała różnica potencjału jest mira pola magnetycznego. Zalet jest nieinwazyjny charakter pomiaru, ponieważ sam element jest niemagnetyczny. Sensory magnetorezystancyjne (AMR)- zasada działania czujnika AMR jest następująca. Jeśli pole zewnętrzne H y = 0 cienka warstwa jest namagnesowana w kierunku paska (na skutek wpływu anizotropii indukowanej w procesie wytwarzania warstwy). Mierzone pole H y jest skierowane prostopadle do osi paska (w płaszczyźnie warstwy) i powoduje obrót wektora namagnesowania H x. Zmiana rezystancji: R = R0 + R0 cos2α (3) -gdzie R0 i R0 są parametrami materiału, zależy od kąta α między kierunkiem wektora namagnesowania, a kierunkiem przepływu prądu.

4 Permalloy y + Hy Magnetyzacja Hr Prąd - x Rys.1. Wektory magnetyzacji czujnika Równanie (3) jest równaniem kwadratowym, dlatego zależność zmiany rezystancji R od pola magnetycznego jest nieliniowa. W celu linearyzacji stosuje się odpowiednie ułożenie pasków aluminium (ang. Barber poles) na powierzchni paska permalloy u pod kątem 45 st. do krawędzi paska (rys. 2). Ponieważ aluminium ma znacznie wyższą przewodność niż permalloy, zadaniem biegunów Barber a (ang. Barber pole) jest obrócenie kierunku przepływu prądu o 45st. (przepływ prądu przyjmuje kształt zębów piły ). Rys.2. Przepływ prądu przez paski aluminium i permalloy u. Zastosowanie w linearyzacji magnetorezystora ma także mostek Wheatstone'a. W jednej parze diagonalnie przeciwnych elementów,,barber poles są skierowane pod kątem +45 st. do osi paska, podczas gdy następna para jest pod kątem -45st. W ten sposób w jednej parze elementów rezystancja rośnie w zależności od zewnętrznego pola, a drugiej obniża się. W rezultacie niezrównoważenie mostka jest liniową funkcją amplitudy zewnętrznego pola magnetycznego w płaszczyźnie paska permalloyu prostopadle do jego osi.

5 3. Zastosowanie czujników magneto rezystancyjnych Detekcja ruchu Pierwszym z przykładowych zastosowań jest detekcja ruchu. Wzrost liczby pojazdów na zatłoczonych już ulicach powoduje że systemy kontroli ruchu stają się niezbędne w celu uniknięcia czasochłonnych korków. Monitorowanie ruchu daje nam możliwość wskazywania punktów w których potencjalnie istnieje podwyższone ryzyko wystąpienia utrudnień w ruchu drogowym. Aby takie systemy działały optymalnie pojawia się potrzeba badania, przeciętnej szybkości i gęstości ruchu. Praktycznie każdy wyprodukowany pojazd poruszający się po drogach wykonany jest w dużej mierze z aluminium a także zawiera wysoką liczbę elementów ferromagnetycznych. Taka budowa powoduje że wytwarza on mierzalne zmiany w natężenia pola magnetycznego. Zmiany te mogą zostać zarejestrowane za pomocą czujników magneto rezystancyjnych.poniższy rysunek przedstawia próby pomiaru zmian pola magnetycznego przejeżdżającego pojazdu.na pierwszym rysunku zaprezentowany jest pojazd osobowy maki opel kadet. Czujnik zostaje umieszczony na drodze pod pojazdem i skalibrowany do zera w taki sposób aby wpływ na jego wskazania miało tylko zaburzenia pola wywołane poprze przejeżdżający pojazd. Rys.3. Widmo zmian pola magnetycznego w czasie dla samochodu osobowego Podobny efekt możemy obserwować na drugim rysunku z tym że obiektem który powoduje zaburzenia pola magnetycznego jest tym razem motocykl. Czujnik w tym

6 przypadku zostaje usytuowany w okolicach pobocza 20 cm od kół roweru.na wykresie podobnie jak w poprzednim przypadku możemy obserwować zmiany pola magnetycznego rejestrowane podczas przejazdu pojazdu. Rys.4. Widmo zmian pola magnetycznego w czasie dla motocykla Łatwo zauważyć że zmiany pola magnetycznego są ściśle zależne od rodzaju przejeżdżającego pojazdu. Łatwo można wywnioskować że na podstawie tych wykresów w łatwy sposób można identyfikować rodzaj przejeżdżającego pojazdu. Pomiar prądu Kolejnym przykładem zastosowania czujników magneto rezystancyjnych jest pomiar prądu elektrycznego. Prąd płynący przez przewód powoduje wytworzenie się wokół niego polmagnetycznego.

7 Rys.5. Rozkład pola magnetycznego w przewodzie Wykorzystując nasze czujniki dokonując pomiaru tego pola w pewnej odległości od przewodu możemy wyliczyć wartość prądu korzystając z zależności na związek prądu i pola magnetycznego. Rys.6. Pomiar prądu za pomocą dwóch czujników Pomiar prądu za pomocą jednego czujnika nie jest jednak doskonały co jest wynikiem względu na działania zewnętrznych pól magnetyczny zakłócających nasz pomiar np. takich jak : Ziemskie pole magnetyczne.osiągana dokładność pomiaru prądu za pomocą czujników jest silnie uzależniona od konkretnego zastosowania.czynniki

8 wpływające na dokładność pomiaru to np. odległość między czujnikiem a przewodem, temperatura, czułość elektroniki.jednak można osiągnąć dokładność w granicach 1 % Aby uniknąć błędów z tego wynikających wykorzystuje się do pomiaru dwa czujniki ustawione do siebie przeciwnie jak na rysunku co powoduje skompensowanie tych pól zewnętrznych. Jeden czujnik mierzy oba pola w kierunku dodatnim natomiast drugi pola zakłóceń w kierunku ujemny natomiast pole przewodu w dodatnim.ich suma powoduje wyeliminowanie wartości pola zakłóceń. 4. Układ do pomiaru składowej poziomej pola magnetycznego Rysunki poniżej przedstawiają układ wykonany przez nas służący do pomiaru składowej poziomej pola magnetycznego: Rys. 7. Wygląd układu Do budowy układu użyto następujące elementy: mikrokontroler ATmega8535, 2 czujniki pola magnetycznego PHILIPS KMZ10B, kondensatory filtrujące 100nF, kondensator 10nF, rezystory,

9 potencjometr, gniazdo zasilające, 2 przyciski, LCD 4x16, gniazda w tym złącze SPI. Całość została złożona na płytce uniwersalnej. Oprogramowanie do układu zostało napisane w języku C w środowisku AVRstudio. Miernik potrafie zmierzyć pole z zakresu od 0 do ok. 0,74 mt. Dokładoność wskazań waha się w granicach +-0,006mT. Wskazania miernika podlegają wahaniom, wynikają one z bardzo dużej czułości czujników, jak i niewielkiej (8 bitowej) dokładności pomiaru napięcia przez mikrokontroler. Dokładość przetwornika ADC mikrokontrolera przy pomiarze napięć podawanych przez miernik wynosi 0,1mV. Rys. 8. Schemat układu w programie Proteus Professional

10 Zastosowany czujnik magnetorezystancyjny PHILIPS KMZ10B odznacza się następującymi parametrami: Tabelka 1. Parametry czujnika KMZ10B [4] Jeden z problemów stanowił stały offset każdego z mierników mierników, który dodawał się do każdego wyniku napięcia. Problem został rozwiązany poprzez znalezienie środka rotacji wskazań tak, aby miernik pokazywał w jednym punkcie w płaszczyźnie poziomej po odpowiednim ustawieniu napięcie dodatnie maksymalne i później po obrocie o 180 stopni taką samą wartość napięcia tylko ujemną. Zależność stosowana do przeliczania wielkości zmierzonej napięcia pola H dla magnetorezystora wyraża się wzorem: na wartość natężenia W naszym przypadku V= 5[V]. Dalsze przeliczenia opierają się na zależnościach: 1 ka/m = 1,25 mt (militesla, w powietrzu) 1 mt = 10 G (gaus). Obliczenie wartości wektora pola H:

11 W układzie są 2 przyciski. Jeden z nich służy do resetowania układu, natomiast za pomocą drugiego możemy zmieniać jednostki w jakich jest wyświetlany wynik. 5. Bibliografia [1] Czujniki pola magnetycznego, Sławomir Tumański [2] Sensory i systemy pomiarowe, Robert Czabanowski [3] f) [4] DATA SHEET General Magnetic field sensors, PHILIPS [5] [6] [7]