Первичные изм. преобразователи. Часть 2

влиянию окружающей температуры, в технических данных оговариваются минимальные и максимальные индукции магнитного поля для этих точек. Так, максимальная точка включения соответствует индукции магнитного поля, которое уверенно переводит выход прибора во включенное состояние при любых дестабилизирующих факторах. Минимальная точка выключения соответствует индукции магнитного поля, при котором происходит уверенное выключение прибора. На рисунке 4.8.6 приведена характеристика преобразования для типового униполярного датчика. Датчик считается униполярным, если обе максимальные точки (включения и выключения) соответствуют положительному диапазону значений магнитных полей рабочей характеристики, т.е. южному полюсу магнитного поля. Биполярным считается датчик, у которого максимальная точка включения соответствует положительному диапазону рабочих магнитных полей, т.е. южному полюсу, а минимальная точка выключения — северному полюсу. На рисунке 4.8.7 приведены несколько характеристик биполярных датчиков.

. Рис. 4.8.4. Примеры использования датчиков магнитного поля с

линейным выходом: а) измерение давления (усилия); б) контроль положения дроссельной заслонки; в) датчик тока с гальванической развязкой

140

Рис. 4.8.5. Функциональная схема датчиков

магнитного поля с логическим выходом

Рис. 4.8.6. Типовая характеристика

преобразования униполярного датчика магнитного поля с логическим выходом

141

Рис. 4.8.7. Типовая характеристика

преобразования биполярного датчика магнитного поля

И еще об одной интересной модели. Это датчик SS526DT (см. рис. 4.8.8),объединяющий в одном корпусеSOT-89 два независимых сенсора Холла, центры которых удалены друг от друга строго на 1,4 мм. Уникальность прибора заключается в том, что он позволяет одновременно контролировать и скорость, и направление вращения. Оценка скорости вращения производится путем измерения частоты (длительности при малых оборотах) импульсов на соответствующем выходе. Выход «направление» в зависимости от направления вращения зубчатого колеса принимает либо высокий, либо низкий уровень. На рисунке 4.8.9 приведены несколько примеров использования датчиков магнитного поля с логическим выходом. Для построения сенсорных систем определения положения, расстояния, угла поворота, вибрации, перемещения на базе вышерассмотренных датчиков— как линейных, так и с логическим выходом — необходим источник внешнего магнитного поля. Как правило, для этого используются постоянные магниты,

142

которые закрепляются на контролируемые объекты. Точные габариты, диапазон рабочих температур, зависимость величины магнитного поля от расстояния и рекомендации по применению подробно отражены в технической документации на изделия. В отдельную группу следует отнести специализированные датчики положения, предназначенные для определения скорости вращения зубчатых колес. Это законченные устройства, объединяющие в одном корпусе элемент Холла, усилитель, триггер Шмидта, стабилизатор питания и постоянный магнит. Принцип действия основан на детектировании изменения плотности распределения или прерывания магнитного потока в момент, когда ферромагнитный материал (зубец шестерни или метка) проходит вдоль чувствительной поверхности датчика (см. рис.4.8.10). Постоянство амплитуды выходного сигнала датчика, не зависящей от скорости вращения шестерни, позволяет фиксировать бесконечно малые перемещения и скорости. Логический выход с открытым коллектором на биполярном n-p-n-транзисторе обеспечивает высокую нагрузочную способность приборов и гибкость при согласовании со входами ИМС стандартной логики и микроконтроллеров. Кроме этого, датчики характеризуются повышенной помехоустойчивостью, хорошим отношением сигнал/шум, наличием встроенных цепей защиты от переполюсовки и резких выбросов напряжения по линии питания.

143

Рис. 4.8.8. Датчик скорости и направления вращения SS526DT и

временная диаграмма работы

Рис. 4.8.9. Примеры использования датчиков магнитного поля с

логическим выходом: а) счетчик оборотов изолированной лопасти расходомера; б) определение точки остановки информационного фрагмента; в) определение положения и скорости вращения оси

144

Рис.4.8.10. Принцип действия датчиков скорости вращения

4.9. Магнитоомические датчики перемещения

Датчики этого типа основаны на изменении омического сопротивления некоторых материалов в магнитном поле. При перемещении проводника из такого материала в однородном магнитном поле величина сопротивления проводника изменяется в зависимости от его расположения. Как известно, висмут является одним из таких материалов, который изменяет свое сопротивление в магнитном поле. Чувствительность магнитоомического датчика

S =	R / R	,	(4.9.1)
	H

где R / R — относительное изменение сопротивлния; Н — напряженность магнитного поля, А/м.

Погрешности этих датчиков определяются влиянием температуры на сопротивление рабочего проводника и на величину чувствительности материала к магнитному полю. Некоторое уменьшение погрешностей может быть достигнуто применением дифференциальных схем. Здесь выгодно

145

применять компенсационные схемы, так как они полностью устраняют температурные погрешности.

В компенсационных датчиках перемещения магнитоомического типа индикатор рассогласования сравнивает измеряемое и компенсирующее воздействие (в форме перемещений или усилий) и преобразует их разность в электрическую величину.

На рис. 4.9.1 приведена принципиальная схема такого магнитоомического датчика перемещения.

Рис. 4.9.1. Магнитоомический (висмутовый) датчик перемещения

Магниторезистивные датчики предназначены для решения различных задач магнитометрии, определения курса объекта по магнитному полю Земли, измерения бесконтактным способом угла поворота и линейного перемещения, детектирования скорости и направления вращения зубчатых колес, распознавания образа ферромагнитных объектов и работы в составе датчиков тока с гальванической развязкой [2].

Функциональная организация и принцип действия

В основе принципа действия датчиков лежит анизотропный магниторезистивный эффект (АМР), который заключается в способности длинной пермаллоевой (NiFe) пленки изменять свое сопротивление в

146

зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направления ее вектора намагниченности (рис. 4.9.2). Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки М на угол q. Величина qзависит от направления и величины этого поля. При этом сопротивление пленки R = Ro + DR×cos2q. Для построения датчика четыре идентичных магниторезистивных пленки соединяются по мостовой схеме и образуют плечи моста. Пленки формируются осаждением тонкого слоя пермаллоя на кремниевую пластину в форме ромба. На практике, для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке, последовательно между собой соединенных при помощи алюминиевых перемычек и защищенных сверху слоем нитрида тантала. После подачи питания (1,8…12 В) датчик начинает измерять внешнее магнитное поле, действующее вдоль его чувствительной оси. Это поле вызывает изменение сопротивления [10].

Рисунок 4.9.2. Пермаллоевая магниторезистивная пленка

Большинство АМР-датчиков предназначено для работы в линейном режиме. Одноосевые (одномостовые) линейные датчики чаще всего применяются просто для определения присутствия магнитного поля и оценки его величины. Очень распространенным применением таких датчиков является измерение скорости вращения зубчатых колес и определение

147

предельного положения(приближения) движущихся деталей станков и машин. В этом случае датчик работает как пороговый элемент, его характеристика имеет всего два значения — высокий или низкий уровни, которые соответствуют присутствию или отсутствию ферромагнитного объекта(зубец шестерни, магнитная метка, шторка и т.п.) около чувствительной поверхности сенсора (рис. 4.9.3).Вместе с этим на основе одноосевых датчиков строятся современные бесконтактные датчики тока с гальванической развязкой (рис. 4.9.4).Принцип действия основан на измерении величины магнитного поля проводника с током, значение которого прямо пропорционально величине протекающего через проводник тока. В датчике тока компенсационного типа действует отрицательная обратная связь по току через компенсационную катушку. Любое поле, создаваемое контролируемым проводником в сердечнике, компенсируется полем катушки так, что результирующее поле всегда равно нулю. Поэтому ток в цепи ООС прямо пропорционален измеряемому току. Такой метод обеспечивает повышенную линейность измерения и исключает влияние температуры. Двух- и трехосевые сенсоры главным образом предназначены для построения датчиков курса по магнитному полю Земли в автомобильных, морских и авиационных приложениях. Принцип действия основан на измерении горизонтальных составляющих поля Земли и определения угла наклона транспортного средства(рис. 4.9.5). Имея двухкоординатный датчик магнитного поля, датчик крена и учитывая несовпадение географического меридиана с магнитным, можно построить высокоточный датчик курса на север. Для построения электронного компаса фирма выпускает специальный компасный набор HMC1055, включающий2- и одноосевой датчики магнитного поля, а также M-датчик ускорения для определения крена объекта. Линейка датчиков Honeywell включает два прибора (HMC1501 и HMC1512),которые предназначены для работы в сильном магнитном поле (80 Гаусс и более) в режиме насыщения без деградации характеристики. Только в этом режиме вектор намагниченности датчика способен

148

ориентироваться строго по направлению внешнего магнитного поля, которое создается, как правило, внешним двухполюсным магнитом. Эти датчики предназначены для высокоточного бесконтактного измерения угла поворота оси в пределах ±45° и ±90°, а также линейного перемещения в пределах нескольких сантиметров.

Рисунок 4.9.3. Датчик скорости вращения

149