CZUJNIKI MAGNETYCZNE Wstęp 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 mat. (np. półprzewodniki) czułe na działanie pól magnet. Elektroniczny kompas (Honeywell) Detektor pojazdu

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

Czujniki indukcyjnościowe Def. indukcyjności własnej L cewki: NB = L I Indukcyjność ta wynosi w przybliżeniu: gdzie R jest tzw. oporem magnetycznym (reluktancją) 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:

Czujniki indukcyjnościowe O zmiennej szczelinie powietrznej Moduł impedancji Dla małych strat

Czujniki indukcyjnościowe O zmiennym przekroju szczeliny

Czujniki indukcyjnościowe Czujnik różnicowy Dwa dławiki o impedancjach Z1 i Z2 ze wspólną zworą Szczeliny: Dla 0 < δ < 0.4l0 ΔI ~ δ Słaba zależność Uwyj od częstości i napięcia zasilania

Czujniki indukcyjnościowe O zmiennym położeniu rdzenia

Czujniki indukcyjnościowe Układ z dwiema cewkami połączonymi mostkowo Przesunięcie rdzenia z położenia środkowego powoduje pojawienie się napięcia Uwyj Dla małych przemieszczeń x Stąd

Czujnik transformatorowy Transformator różnicowy (LVDT) Separacja obwodu zasilania i wyjściowego, duża liczba zwojów obwodu wtórnego. Kompensacja zakłóceń, szczególnie temperaturowych (praca w temp. od kriogenicznych do 1500C). Duże czułości pomiaru przemieszczeń w zakresie od 10-7m do 1 m, przy błędzie nieliniowości <3%. Uzyskuje się to przy specjalnej konstrukcji cewek. Z1 i Z2 połączone przeciwsobnie, w środkowym poł. rdzenia Uwyj = 0

Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEM Siła elektromotoryczna indukuje się na skutek zmiany strumienia magnetycznego (prawo Faradaya): ε = -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

Ruchomy obwód elektryczny w stałym polu B Czujnik prędkości kątowej Konieczna jest pewna minimalna prędkość kątowa. Dla dużych ω nie istnieje potrzeba wzmacniania sygnału.

Zmiana oporu magnetycznego obwodu Tachometr elektromagnetyczny

Ruch źródła B Tachogenerator Częstotliwość indukowanego napięcia: f ~ n · p p - ilość biegunów n – ilość obrotów Typowy zakres pracy: 150 – 3000 rpm Dla mniejszych obrotów zwiększa się ilość biegunów magnesów. Ogólnie czujniki z indukowaną SEM służą do: pomiaru prędkości obrotowych badania drgń:

Obróbka sygnału z tachometru EM z tarczą zębatą

Czujniki elektromagnetyczne z wykorzystaniem prądów wirowych Istotne są indukowane prądy a nie siły elektromotoryczne 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

Wiroprądowe czujniki zbliżeniowe W zbliżającej się tarczy (przewodniku) indukują się prądy wirowe, co powoduje tłumienie i zmianę częst. drgań generatora. Tłumienie zal. od σ, µ tarczy oraz częst. ω generatora. Tarcza ferromagnet. 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) dla stali: f(MHz) 0.1 1 δ (mm) 0.15 0.05 Bezkontaktowy pomiar zapewnia dobrą hermetyczność, co w efekcie daje odporność na korozję, szerokie ΔT (-400C – 1250C), ciśnienie p ~5·105 hPa. Zastosowania: obrabiarki, aut. spawarki, procesy przemysłowe.

Czujniki magnetogalwaniczne Hallotrony Siła Lorentza: F = q v x B  UH = (RH/d) I B = γ I B dla próbki wydłużonej W ogólności trzeba wprowadzić czynnik geometryczny G i napięcie niezrównoważenia: UH = γ G I B + Ur Ur – napięcie niezrównoważenia (offset), stała lub wolnozmienna wartość dla B=0.

Hallotrony RH = ± r/ nq EH/Ex = µBz Stała Halla dla próbki z nośnikami jednego znaku wynosi: RH = ± r/ nq r – wsp. zależny od mechanizmu rozpraszania nośników n – koncentracja nośników q – ładunek elementarny Duży sygnał UH uzyskuje się dla próbek o dużej ruchliwości nośników µ ( InSb, GaAs ): EH/Ex = µBz EH – pole Halla Ex – pole wymuszające prąd

Kształty hallotronów CC/HC –zamienne kontakty CC - prądowe symbol hallotronu CC/HC –zamienne kontakty CC - prądowe HC - holowskie Technologia IC (pionowa) Pole B styczne do powierzchni płytki

Technologia hallotronów 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).

Technologia hallotronów 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+.

Parametry hallotronu czułość bezwzględna: SA = ∂ UH / ∂ B dla I = const czułość względem prądu zasilania: SI = SA / I czułość względem nap. zasilania: SU = SA / U offset: równoważne pole Bo wytwarzające napięcie niezrównoważenia Uo : Bo = Uo / S.A.

Zastosowania hallotronów Bezkontaktowe pomiary położenia

Bezkontaktowe pomiary położenia różnicowe połączenie czujników holowskich

Bezkontaktowy pomiar prądu Wokół przewodnika z prądem ( prostoliniowego ) istnieje koncentryczne pole magnetyczne B= μoI/(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.

Bezkontaktowy pomiar prądu Strumień pola B: N – ilość zwojów Rµ, Rδ – opory magnetyczne rdzenia, szczeliny Pole B w szczelinie: Zakres pomiaru prądu: 10A – kilka kA

Bezkontaktowy pomiar mocy Korzysta się z faktu, że czujnik Halla wykazuje własności multiplikacyjne Prąd obciążenia iL wytwarza pole B i mierzony jest jak poprzednio: B ~ iL Napięcie uL jest transformowane i wytworzony prąd iin zasila hallotron: iin ~ uL Napięcie wskazywane przez hallotron: Dla obciążenia rezystancyjnego: Stosując filtr dolnoprzepustowy otrzymuje się sygnał prop. do mocy średniej.