CC BY
171
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
УДК 531.771
А. Г. Дмитриенко, А. А. Трофимов
ДАТЧИКИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАГНИТОДИОДА
А. G. Dmitrienko, A. А. Trofimov SPEED SENSOR BASED ON MAGNITODIODA
Аннотация. Рассмотрены результаты разработки датчика частоты вращения с использованием магнитодиодного чувствительного элемента. Предложены конструкция датчика, схема его установки и приведены результаты испытаний на воздействие температуры окружающей среды.
Abstract. The results of the development of the speed sensor using magnitodiodnogo sensor. A design of the sensor, its installation and the results of tests on the effect of ambient temperature.
Ключевые слова: датчик, частота вращения, чувствительный элемент, магни-тодиод, ротор.
K e y words: sensor, speed sensor, magnitodiod, rotor.
Датчики частоты вращения (ДЧВ) нашли широкое применение в системах контроля, управления и автоматической защиты двигательных установок ракетной и авиационной техники.
Наибольшее распространение получили индукционные и гальваномагнитные (на эффекте Холла) датчики. Основным недостатком индукционных датчиков являются зависимость амплитуды выходного сигнала от скорости вращения и, как следствие, невозможность измерения малых чисел оборотов. ДЧВ с использованием элементов Холла позволяют измерять малые значения частоты вращения, однако имеют низкую температурную стабильность и низкую помехоустойчивость. Волоконно-оптические ДЧВ не нашли распространения, так как неработоспособны в условиях сред, не обладающих оптической прозрачностью (наличие паров компонентов топлива, задымленность и т.п.). В связи с этим несомненный интерес представляет использование магнитодиодных элементов, позволяющих измерять частоту вращения, начиная с 60 об/мин, и получать значение выходного сигнала, превышающее значение сигнала с элемента Холла и магниторезистора более чем на порядок.
Магнитодиоды, у которых сопротивление в магнитном поле увеличивается и изменение направления магнитного поля не оказывает влияния на значение сопротивления, изготавливаются из кремния, а магнитодиоды, у которых сопротивление в зависимости от направления поля уменьшается или увеличивается, - из германия.
Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с ^-«-переходом и невыпрямляющим контактом (омическим или антизапирающим), между которыми находится область высокоомного полупроводника (рис. 1,а). Отличие от обычных полупроводниковых ди-
одов состоит только в том, что магнитодиод изготавливается из высокоомного полупроводника с проводимостью, близкой к собственной, и длина базы й в несколько раз больше длины диффузионного смещения носителей Ь, в то время как в обычных диодах й < Ь. В «длинных» (с11Ь >> 1) диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от рекомбинации и движения неравновесных носителей в базе и на поверхности [1].
В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на р-п-переходе, как в диоде, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы. Сопротивление базы увеличивается и за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) магнитодиода приведена на рис. 1,6.
а) б)
Рис. 1. Конструктивная схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) «торцевого магнитодиода»
Свойства магнитодиодов характеризуются магниточувствительностями по напряжению и току.
Магниточувствительность по напряжению уи определяется изменением напряжения на магнитодиоде при изменении магнитного поля на 1 мТл и постоянном значении тока через магнитодиод:
Уи
АЦ
~Кб
(1)
где Ди - изменение напряжения на магнитодиоде; ДБ - изменение индукции магнитного поля.
Магниточувствительность по току у1 определяется изменением тока через магнитодиод при изменении магнитного поля на 1 мТл и постоянном напряжении на магнитодиоде:
АІ
УI= аб I,
(2)
где Д - изменение тока, протекающего через магнитодиод.
Обычно при больших скоростях поверхностной рекомбинации наблюдается зависимость времени жизни носителей от значения магнитного поля. Если скорость поверхностной рекомбинации на двух гранях одинакова, то время жизни носителей с увеличением магнитного поля уменьшается. Если на одной грани скорость поверхностной рекомбинации больше, чем на другой, то при отклонении носителей к первой наблюдается уменьшение, а ко второй -увеличение времени жизни. В соответствии с этим меняется и длина диффузионного смещения. Если изменение эффективного времени жизни достаточно велико, то оно может превысить влияние изменения подвижности и искривления линий тока и будет определять магнито-чувствительность магнитодиода.
Кремниевые планарные магнитодиоды обладают лучшей температурной стабильностью и значительно большим температурным рабочим диапазоном по сравнению с аналогичными характеристиками германиевых магнитодиодов. Зависимость тока от температуры при В = 0 имеет сложный характер. При малых уровнях инжекции (I < 1 мА) с ростом температуры наблюдается увеличение тока - прямая температурная зависимость. При больших уровнях
инжекции (I > 3 мА) ток с ростом температуры начинает уменьшаться - инверсная температурная зависимость.
Сущность магнитодиодного метода (эффекта) заключается в изменении концентрации носителей при изменении магнитного поля, пронизывающего тело полупроводника.
Характеристика магнитодиодов при диффузионной модели проводимости согласно теории В. И. Стафеева [1] описывается зависимостью
] = ]сещ>(еШк\ (3)
где ]с - константа, зависящая от характеристики исходного материала и толщины базы; и - напряжение, приложенное к магнитодиоду; е - заряд носителей; с - константа, зависящая от соотношения концентраций тока и геометрии магнитодиода; к - постоянная Больцмана; Т - температура.
Выражение (3) оценивает лишь качественную сторону явления и не позволяет использовать его при синтезе первичных преобразователей ДЧВ на основе магнитодиода.
Анализ известных конструкций ДЧВ на основе магнитодиодов (МД) показывает, что технические и эксплуатационные характеристики используемых МД определяются его магнитной системой.
Электрические характеристики МД определяются значением начального прямого напряжения иР на МД при постоянных значениях тока через магнитодиод, например, равных 1 или 3 мА, а также чувствительностью ки магнитодиода к магнитному полю по напряжению, которая определяется как отношение разности прямых падений напряжения на МД в магнитном поле иМ и без поля иО к величине магнитного поля В при постоянном токе, протекающем через магнитодиод:
ки = . (4)
В
Чувствительность МД зависит от значения тока, протекающего через него, и при увеличении тока чувствительность МД к магнитному полю возрастает.
К основным электрическим характеристикам МД следует отнести также диапазон частот ^ и обратное максимальное напряжение иобр тах.
Основной электрической характеристикой любого магнитодиода является семейство вольт-амперных характеристик, представляющих собой зависимость тока, протекающего через МД, при отсутствии магнитного поля и при различных значениях индукции магнитного поля.
По семейству вольт-амперных характеристик можно установить зависимость сопротивления МД от величины тока через МД и от магнитной индукции, воздействующей на МД.
Выбор магнитной системы магнитодиодного ДЧВ производится исходя из следующих соображений:
- обеспечение возможности большого перепада магнитной индукции, воздействующей на МД;
- обеспечение минимальных габаритов, веса и стоимости датчика;
- обеспечение сохраняемости характеристик в течение длительного времени в условиях воздействия внешних влияющих факторов (механические нагрузки, температура и т.д.).
Конструктивная схема магнитодиодного ДЧВ приведена на рис. 2 и содержит чувствительный элемент (ЧЭ), помещенный в корпус 4, кабельную перемычку 5 и разъем 6 [2]. ЧЭ состоит из постоянного магнита 3, концентратора 2 и магнитодиода 1.
I 12. И_ \А_ \5_ \_6
Рис. 2. Конструктивная схема гальваномагнитного ДЧВ
Материал корпуса - сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5949-75, обладающая требуемыми свойствами: немагнитная, коррозионно-стойкая, технологичная при механообработке и сварочных операциях. Концентратор имеет конусную форму и изготавливается их ферромагнитного материала.
В качестве материала для постоянного магнита выбран литой недеформируемый сплав на основе Бе-А1-№-Со марки ЮНДК25БА, обладающий большим значением остаточной индукции В;, = (1,28 - 1,33) Тл и сохраняющий свои магнитные характеристики в широком диапазоне температур (от 23 до 600) К.
Среди отечественных постоянных магнитов наибольшей остаточной индукцией обладают кобальт-самариевые магниты. Однако применение этих магнитов затруднено из-за жестких температурных условий эксплуатации и низкой технологичности, так как они не поддаются механической обработке. Кроме этого, кобальт-самариевые магниты очень хрупкие и их необходимо армировать для применения в условиях воздействия больших механических нагрузок.
Электрическая схема магнитодиодного датчика частоты вращения представлена на рис. 3.
Х1
Цепь Питание +
Питание -Выход 1
Выход 2
Корпус
Рис. 3. Схема электрическая принципиальная гальваномагнитного ДЧВ: - резистор С2-36; УБ1 - магнитодиод; Х1 - вилка 2РМТ18Б7Ш1В1
К контактам 1 и 2 разъема Х1 подключают источник питания постоянного тока, а с контактов 3 и 5 разъема Х1 снимается выходной сигнал в виде импульсов.
Магнитодиодный ДЧВ работает следующим образом.
При вращении ротора в момент прохождения магнитной вставки через ось датчика происходит резкое изменение индукции магнитного поля в месте установки магнитодиодного ДЧВ. В свою очередь изменение индукции магнитного поля вызывает изменение падения напряжения на магнитодиоде.
Частота следования выходных импульсов пропорциональна частоте вращения ротора с кратностью, равной количеству магнитных вставок на роторе в соответствии с формулой
МП
/ = —, (5)
60
где / - частота следования выходных импульсов, Гц; т - число вставок ротора; п - частота вращения ротора, об/мин.
Для магнитодиодного ДЧВ с минимальными габаритно-весовыми параметрами оптимальной компоновкой является такая, при которой источник магнитного поля (постоянный магнит) находится на перемещающемся объекте (рис. 4).
С ростом температуры окружающей среды чувствительность кы у всех МД уменьшается, а с понижением температуры их чувствительность возрастает, зависимость выходного сигнала датчика от температуры окружающей среды, полученная в результате проведенных испытаний, представлена на рис. 5.
Рис. 4. Конструктивная схема установки магнитодиодного ДЧВ
т
и
н
е
а
я
Температура, град
Рис. 5. Зависимость выходного сигнала датчика от температуры при зазоре А = 2 мм
Экспериментальные исследования разработанного магнитодиодного датчика частоты вращения подтвердили его работоспособность в широком диапазоне температур (от -196 до +80 °С), возможность измерения частоты вращения от 60 до 60 000 об/мин, а также применения в среде, загазованной парами агрессивных сред (компоненты ракетного топлива), за счет герметизации ЧЭ.
Полученные эксплуатационные характеристики в сочетании с простотой конструкции и высоким значением выходного сигнала позволяют рекомендовать разработанный датчик для применения в измерительных и управляющих системах ракетно-космической и авиационной техники.
Список литературы
1. Егиазарян, Г. А. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение / Г. А. Егиаза-рян, В. А. Стафеев. - М. : Радио и связь, 1987. - 468 с.
2. Трофимов, А. Н. Направление совершенствования датчиков перемещений и частоты вращения разработки НИИ физических измерений / А. Н. Трофимов, А. А. Трофимов // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий : сб. материалов науч.-техн. конф. - М. : РНИИКП, 2007. -С. 79-88.
Дмитриенко Алексей Геннадьевич
кандидат технических наук, генеральный директор, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: niifi@sura.ru
Трофимов Алексей Анатольевич
доктор технических наук, доцент, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: alex.t1978@mail.ru
Dmitrienko Aleksey Gennad'evich
candidate of technical sciences, director general,
Research Institute of Physical Measurements
Trofimov Aleksey Anatol'evich
doctor of technical sciences, associate professor, sub-department of information and measuring technique,
Penza State University
УДК 531.771 Дмитриенко, А. Г.
Датчики частоты вращения на основе магнитодиода / А. Г. Дмитриенко, А. А. Трофимов / / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. - № 2(4). - С. 38-43.
