CC BY
34
УДК 537.63
Ходанова Д.А. студент
5 курс, факультет «Очное отделение» научный руководитель: Колмаков В.О., к.т.н., доцент
доцент
кафедра «Системы обеспечения движения поездов» Красноярский институт железнодорожного транспорта
Россия, г. Красноярск
ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Аннотация: Статья посвящена разбору принципа работы датчиков магнитного поля, а также определения наиболее простого и надежного датчика магнитного поля.
Ключевые слова: датчики магнитного поля, в системах, используют явление, катушки, микросхемы, магнитный поток.
Khodanova D.A.
student
5 course, faculty «internal branch» scientific adviser: Kolmakov V.O., can.of technical, associate professor
associate Professor department «systems of ensuring the movement of trains» Krasnoyarsk Institute of railway transport
Russia, Krasnoyarsk
MAGNETIC FIELD SENSOR
Annotation: The article is devoted to the analysis of the principle of operation of magnetic field sensors, as well as the definition of the most simple and reliable magnetic field sensor.
Key words: magnetic field sensors, in systems, use phenomenon, coils, chips, magnetic flux.
С развитием автоматических систем управления датчики стали элементами обобщений логической концепции «датчик устройство управления - исполнительное устройство - объект управления». Они классифицируются по измеряемому параметру (датчик давления, расхода, концентрации, уровня, температуры, перемещения, вибрации и т.д.) и по принципу действия- оптические, емкостные, пьезоэлектрические и магнитные (магниторезистивные и на эффекте Холла). Магнитные датчики широко применяются в банкоматах, детекторах валют, любых аппаратах для считывания магнитной полосы на карте, магнитных сканерах, компьютерах, сотовых телефонах и т.д. В машиностроении и автомобилестроении они
применяются для определения скорости, положения вращающегося вала электродвигателя, изменения линейного и углового положения.
Датчики магнитного поля - это компактные и надежные устройства для определения положения деталей или инструментов, которые реагируют на изменение магнитного поля.
Датчикам магнитного поля можно доверить обеспечение работы важных узлов и механизмов благодаря высокой степени защиты, широкому диапазону рабочих температур.
Область применения датчиков магнитного поля
Датчики магнитного поля обладают отличными эксплуатационными характеристиками за счет надежной конструкции, что позволяет им находить применение во многих отраслях промышленности и производства, например:
• энергетика;
• химическая промышленность;
• производственная промышленность;
• фармакологическая промышленность;
• гражданская отрасль и др.
Назначение датчиков магнитного поля
Датчики магнитного поля применяют для решения многих задач, таких
как:
• контроль скорости вращения различных механизмов;
• контроль положения;
• распознавание объектов;
• контроль направления вращения/перемещения объектов;
• подсчёт металлических изделий;
• контроль наличия объекта.
Достоинства и преимущества датчиков магнитного поля
К достоинствам датчиков магнитного поля относятся:
• высокая точность срабатывания;
• компактность и отличные эргономические характеристики;
• небольшое энергопотребление, необходимое для работы;
• помехоустойчивость;
• прочная и надёжная конструкция;
• наличие защиты от переплюсовки.
Недостатки
Стоит отметить, что некоторые из моделей обладают гистерезисом, значение которого может достигать 10%.
Принцип работы датчиков магнитного поля
Основными видами датчиков магнитного поля, применяемых в настоящее время, являются: индукционные, датчики холла и магниторезистивные.
Магниторезистивные датчики магнитного поляв качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия
датчика заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов. Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.
Индукционные датчики магнитного поля, датчики этого типа относятся к генераторному типу датчиков. Конструкции и назначения таких датчиков различна. Они могут использоваться для определения параметров переменных и стационарных магнитных полей. В данном обзоре рассмотрен принцип работы датчика, работающего в постоянном магнитном поле. Принцип работы индукционных датчиков базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него. Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.
Замкнутый парвадник
Щетки
Рисунок 1 - Конструкция индукционного датчика магнитного поля Конструкция датчика показана на рисунке 1. Он состоит из проводника, в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенной на валу электродвигателя. Съем напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.
Датчики магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем. Суть эффекта поясняется рисунком 2. Через полупроводниковую пластину протекает ток от внешнего источника.
Рисунок 2 - Принцип работы датчика магнитного поля на эффекте Холла
Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока. В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, т.е. возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения - напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля (рисунок слева). Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений. Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.
Среди причин широкой популярности интегрированных датчиков Холла можно выделить следующие:
• эффект Холла не подвержен влиянию пыли грязи, потока, радиопомех;
• он неизменен в широком диапазоне температур;
• интегральные микросхемы, кроме преобразователя, содержат дополнительные блоки для предварительной обработки сигнала и защиты;
• обеспечивают высокую степень повторяемости измерения магнитного поля;
• бесконтактное применение.
Датчик Холла представляет собой собственно элемент Холла и интегрированную электронную схему, обеспечивающую предварительную обработку выходного сигнала преобразовательного элемента и защиту от внешних электрических воздействий. Малые размеры датчиков Холла в сочетании с их характеристиками и ценой позволяют использовать их для
таких применений, как бесконтактные выключатели, бесконтактные датчики, бесконтактное измерение тока в проводниках, управление двигателями и тому подобное. За счет своей повышенной надежности и малого влияния внешних воздействий на функционал датчики Холла можно использовать вместо механических реле (герконов), оптических и индуктивных датчиков.
Заключение
В данной статье рассмотрены три основных вида датчиков магнитного поля: индукционные, датчики холла и магниторезистивные. Можно сделать вывод о том, что простота и надежность использования датчиков Холла делает их наиболее популярными и позволят использовать их для решений, где раньше использовались механические или оптические системы. А сочетание малых размеров с низкой стоимостью делают их «рабочими лошадками» в мире датчиков. Новые микросхемы позволяют реализовать весь спектр решений с применением магнитных датчиков (от простейших датчиков присутствия и местоположения до систем управления двигателями) для изделий, где важно обеспечить надежную работу системы в условиях экстремальных температур, повышенного загрязнения, радиопомех, пыли, грязи, РЧ-шума или механических повреждений.
Использованные источники:
1. URL: http://www.devicesearch.ru.com/article/datchiki_magnitnogo_polya -«Принцип действия датчиков магнитного поля»
2. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. — М.: Мир, 1989. — 196 с, ил.
