Меню

Геомагнетический датчик – Что такое датчики Акселерометр, Геомагнитный и Приближения в смартфоне? Зачем они нужны?

Leave a comment

Содержание

Магнитный датчик в смартфоне: как включить датчик магнитного поля

На смену кнопочным телефонам пришли смартфоны – умные телефоны. В отличие от предыдущих, они оснащены большим количеством датчиков, в том числе и магнитным, для выполнения ряда дополнительных функций.

Что такое магнитный датчик в смартфоне и для чего он нужен

Этот прибор еще называют датчиком Холла. Он представляет собой узкопрофильный прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля. Датчик расположен непосредственно в магнитомере смартфона. 

С помощью данного прибора можно определить положение устройства в пространстве. Для этого достаточно просто скачать приложение “Компас” из магазина Play Market (для ANDROID) или App Store (для IOS). После этого пользователь смартфона (айфона) сможет уверенно ориентироваться в пространстве с помощью электронного компаса.

Магнитометр имеет также другое предназначение. Он принимает непосредственное участие в блокировке/разблокировке устройства чехлом-книжкой на магнитном замке.

Как проверить его наличие

Практически все современные модели имеют встроенные магниты. П

роверить наличие прибора можно тремя способами:

  1. Просто заглянуть в технические характеристики устройства – там обязательно будет указано наличие магнита.
  2. Установить на гаджет приложение “Компас”. Если оно будет работать, значит, магнитометр есть.
  3. Поднести к экрану смартфона обыкновенный магнит. Если устройство отреагирует – все встроено.

Кстати, магнитометры использовали еще для некоторых моделей кнопочных телефонов. Те же “раскладушки” работают по принципу чехла-книжки.

Подключение и особенности использования

Магнитометр не требует специальных настроек. Он включается автоматически. Выключение происходит после завершения работы приложений или  аксессуаров, использующих магнит.

Сразу следует оговориться, что данный датчик абсолютно безвреден для устройств. Он не оказывает влияния на работу процессора, операционной системы, видеоадаптера, материнской платы и т.п.

Со встроенным магнитометром пользователь получает не только точное указание сторон света. Прибор также дает информацию о точном месте нахождения гаджета, корректирует вектор движения, организовывает корректную работу навигационных программ.

Когда пользователь открывает чехол-книжку, на котором расположен магнит, он срабатывает и экран гаджета автоматически разблокируется. Обратное действие происходит при закрытии чехла.

Если на книжке есть окошко, действие магнита на него не распространяется, что позволяет владельцу смартфона принимать звонки и выполнять еще несколько функций с заблокированным устройством.

Магнитный датчик выполняет несколько функций. Все они направлены на повышение уровня комфорта использования гаджета.

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Micropulse и Temposonics

Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений или, как их еще называют: измерители пути, датчики линейного положения и т.п. получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности для автоматизации производственных процессов. Определение положение объекта, движущегося вдоль одной оси – очень часто встречающаяся задача в автоматизации. При этом, положение необходимо чаще всего определять в самых тяжелых условиях эксплуатации: постоянной вибрации, ударных нагрузках, при высоком давлении, низких или высоких температурах, высокой влажности. Деревообрабатывающие станки, гидроцилиндры, инжекционное литье, термопластавтоматы, резка различных материалов, подвижная техника – вот неполный перечень конкретных примеров применения датчиков преобразователей линейных перемещений. И под все эти варианты прекрасно подходят измерители, функционирующие на магнитострикционном принципе измерения. На сегодня, самыми популярными на рынке являются датчики линейных перемещений от компаний Balluff (Германия), бренд Micropulse, Novotechnik (Германия) и MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Как они работают, расскажем доступным языком в нашей статье ниже.

Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства ферромагнитных материалов: железо, никель, кобальт, а так же их сплавов. При нахождении ферромагнетика в магнитном поле, оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, приводящее к изменению физических размеров ферромагнетика. Это является следствием структуры ферромагнитного материала, проще говоря, он состоит из огромного количества микроскопических элементарных магнитов, которые стремятся установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных областей, так называемых «доменах». В обычном состоянии направление доменов хаотично, однако, при наложении магнитного поля они выстраиваются по его направлению и выравниваются параллельно друг другу. При этом, возникают собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Вышеописанное приводит к тому, что если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень получит механическую деформацию, вследствие которой возникнет удлинение. Надо понимать, что на самом деле это удлинение очень мало (см. рисунок 1), однако, его возможно зарегистрировать. Кроме того, создавая специальные ферромагнитные сплавы и прилагая к ним постоянные направленные магнитные поля можно оптимизировать и управлять магнитострикционным эффектом.

Рисунок №2Теперь мы подошли вплотную к тому, что происходит в датчиках преобразователях линейных перемещений, таких как Temposonics или Micropulse. В данных измерителях пути применяется эффект Видемана, который описывает механическую деформацию ферромагнитного стержня, находящегося под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В магнитострикционных датчиках линейных перемещений MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается специальным позиционным магнитом, которое при пересечении с внутренним концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Рисунок №3

Физика процесса, изложенная выше, должна превратиться в надежную измерительную систему. И после долгих поисков и испытаний, магнитострикционные датчики получили общую конструкцию, схематично представленные на рисунке №3. Преобразователи линейных перемещений имеют несколько основных частей:

-измерительный элемент в виде волновода;
-блок электроники;
-позиционный магнит;
-преобразователь торсионного импульса;
-демпфер в конце стержня, в которой происходит гашение второй части торсионного импульса.

Измерительным элементом является ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна, детектируемая преобразователем торсионного импульса. Позиция объекта измерения определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Позиционный магнит связан с объектом измерения, однако, магнитом и измерительным элементом - волноводом, полностью отсутствует механическая связь. По сути, это бесконтактный принцип измерения, а значит он обладает высокой надежностью и не имеет механического износа. Если говорить о габаритах волновода, то его наружный диаметр составляет около 0.7 мм, а внутренний около 0.5 мм Внутри волновода находится медный проводник. Сам измерительный процесс начинается с короткого токового импульса по медному проводнику из блока электроники. С перемещением импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок №3). При пересечении с магнитным полем постоянного позиционного магнита, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, и ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов которая полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в блоке электроники. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципов измерения датчиков линейных перемещений Novotechnik, Temposonics и Micropulse, очевидны преимущества, которыми обладают эти преобразователи: измерение расстояния с максимальной точностью, долговременные и стабильные характеристики и параметры, высокая защищенность и стойкость к внешним воздействиям.

 Рисунок №4

Надо понимать, воплощение принципов и физических эффектов в конечный надежный и точный прибор, готовый к работе в самых тяжелых условиях, ставит самые высокие требования к возможностям и компетенции 

Temposonics логотип

производителя. Инженеры должны обладать фундаментальными физическими знаниями, накопленными за годы исследований и испытаний. К примеру, прежде чем подобрать оптимальный вариант схемы преобразователя торсионных импульсов, были исследованы и испытаны различные варианты, представленные на рисунке №4. Оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную волну, позволяет не Balluff Micropulse логотипбояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Производители магнитострикционных датчиков линейных перемещений Novotechnik, MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse постоянно совершенствуют материалы используемые в своих продуктах, а так же улучшают схемы и конструкцию. Правильность выбранного направления производителей и оптимальность первоначальной конструкции магнитострикционных преобразователей Temposonics и Micropulse, подтверждают регулярно встречающиеся работоспособные датчики, старых поколений, установленные и прослужившие от пяти до десяти лет в условиях постоянной промышленной эксплуатации.

Датчики магнитных полей | 2 Схемы

В продолжение обзоров по готовым модулям различных датчиков к Ардуино платформе, перейдём к датчикам магнитных полей.

Модуль датчика Холла KY-003

Данный модуль предназначен для обнаружения магнитного поля при помощи эффекта Холла. Этот эффект состоит в том, что в проводнике с постоянным током, помещенном в магнитное поле возникает поперечная разность потенциалов [1-3].

Габариты 28 х 15 мм, масса модуля 1,2 г. На плате имеется два крепежных отверстия диаметром 2 мм на расстоянии 10 мм друг от друга. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный. Когда индукция магнитного поля превышает заданное значение на информационном выходе модуля высокий логический уровень сменяется на низкий. На модуле имеется светодиод, который загорается при срабатывании датчика. В качестве иллюстрации можно загрузить на плату Arduino UNO программу LED_with_button [4], и подключить вместо кнопки данный модуль.

Модуль срабатывает только на северный полюс магнита, порог срабатывания достаточно высокий, магнит нужно подносить вплотную. Потребляемый ток 6,3 мА в ждущем режиме и составляет 11 мА при срабатывании.

Из недостатков следует отметить, что довольно сложно найти взаимную конфигурацию магнита и датчика для надежного срабатывания.

Поскольку модуль реагирует на определенное пороговое значение магнитного поля, то самым очевидным применением такого датчика может быть использование этого датчика вместо геркона. Хотя геркон это весьма надежный прибор, все же в его конструкции имеются подвижные механические контакты, в отличие от него датчик Холла никаких подвижных деталей не имеет. К примеру, можно установить данный модуль на дверном косяке, на полотне двери напротив него установить магнит, получится датчик открывания двери для сигнализации или умного дома, аналогично можно организовать подсчет оборотов колеса, закрепив на нем магнит и поместив в непосредственной близости от него этот датчик.

Модуль на основе геркона KY-021

Датчик представляет собой нормально разомкнутый геркон с добавочным сопротивлением 10 кОм [5-6].

Габариты модуля 24 х 17 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный.

Потребляемый ток равен нулю в ждущем режиме и составляет 0,5 мА при срабатывании.

Модуль подключается и испытывается абсолютно аналогично тактовой кнопке [4,7]. Геркон можно использовать в системах сигнализации, для подсчета числа оборотов и т.п. Способов использования герконов великое множество [8-9].

Модуль датчика Холла (линейный) KY-024

Модуль предназначен для измерения напряженности постоянного магнитного поля [10-11].

Габариты модуля 44 х 15 х 13 мм, масса 2,8 г., в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Чувствительным элементом служит датчик Холла SS49E. Индикация подачи питания осуществляется светодиодом L1.

Датчик имеет четыре контакта. «A0» — аналоговый выход, напряжение на котором меняется в зависимости от индукции магнитного поля. Выводы питания «G» — общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, если напряженность магнитного поля не превышает заданного порога, при срабатывании датчика низкий уровень меняется на высокий. Порог срабатывания цифрового канала датчика можно менять многооборотным подстроечным резистором. При срабатывании датчика загорается светодиод L2.

Потребляемый ток 9 мА в ждущем режиме и 11 мА при срабатывании.

Модуль срабатывает только на северный полюс магнита. Максимальное расстояние срабатывания 6 мм.

Аналоговый канал позволяет организовать измерение количественных характеристик магнитного поля. Показания на аналоговом порте Arduino UNO меняются от 550 до 200 единиц в зависимости от расстояния до магнита (в память Arduino UNO была загружена программа AnalogInput2).

Модуль с герконом KY-025

Чувствительным элементом модуля является обычный геркон, работающий вместе с компаратором на микросхеме LM393YD, по заверениям продавцов [12-13] это позволяет уменьшить, ток, протекающий через контакты геркона, и тем самым увеличить его ресурс.

Габариты модуля 45 х 18 х 13 мм, масса 2,8 г., аналогично предыдущему случаю в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1.

При срабатывании геркона загорается светодиод L2. Потребляемый ток 3,7 мА в ждущем режиме и 5,8 мА при срабатывании.

Какой порог чувствительности должен регулироваться переменным резистором неясно, видимо данные модули с компаратором LM393YD являются стандартными и к ним припаивают различные датчики в зависимости от назначения конкретного модуля. Разумеется, модуль срабатывает дискретно как кнопка, в чем можно убедиться с помощью программы LED_with_button [4]. На выводе «A0» постоянно присутствует напряжение питания +5В. Выводы питания «G» — общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, при срабатывании геркона низкий уровень меняется на высокий. Целесообразность данного модуля, по мнению автора, спорна, учитывая, что и в простейшем случае включения геркона типа модуля KY-021 сила тока, протекающая через контакты геркона, существенно меньше одного миллиампера.

Модуль датчика Холла KY-035

Данный модуль представляет собой микросхему SS49E, без каких либо дополнительных устройств [14]. Установка микросхемы на плате в данном случае может быть объяснена, только требованиями унификации при создании данного набора датчиков.

Габариты модуля 29 х 15 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» — общий, контакт «S» — информационный.

Потребляемый модулем ток составляет около 6 мА и не зависит от состояния датчика.

При отсутствии внешнего магнитного поля на информационном выходе присутствует напряжение равное половине напряжения питания. Внешнее постоянное магнитное поле приводит к тому, что напряжение на информационном выходе начнет увеличиваться или уменьшатся в зависимости от полярности магнита. В этом легко убедиться, используя программу AnalogInput2

С помощью данного модуля можно организовать контроль расстояния до источника магнитного поля, подсчет числа оборотов и т.п. Микросхема чувствительна к магнитному полю с индукцией в диапазоне 600-1000 Гс [15].

Полезные ссылки

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
  2. http://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla
  3. http://www.14core.com/wiring-hall-effect-sensor-switch-magnet-detector-module/
  4. http://robocraft.ru/blog/arduino/57.html
  5. http://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-na-osnove-gerkona
  6. http://www.zi-zi.ru/module/module-ky021
  7. http://2shemi.ru/mehanicheskie-datchiki-dlya-arduino/
  8. https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/gerkony/
  9. http://electrik.info/main/school/419-gerkony-sposoby-upravleniya.html
  10. http://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla-_lineynyiy_
  11. http://www.zi-zi.ru/module/module-ky024
  12. http://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-magnitnyiy-datchik-s-gerkonom
  13. http://www.zi-zi.ru/module/module-ky025
  14. http://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla_
  15. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гаусс_(единица_измерения)

Все файлы документации и программ находятся в общем архиве. Обзор подготовил Denev.

Магнитоупругие датчики — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Магнитоупругие датчики (магнитоупругие преобразователи) — преобразователи механических усилий (изгиба, кручения, сжатия, растяжения), деформаций или давления в электрические величины — напряжение или ток. Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте.

Ферромагнитные материалы, используемые в магнитоупругих датчиках имеют разную зависимость магнитной проницаемости μ{\displaystyle \mu } от механического напряжения σ{\displaystyle \sigma }: так у пермаллоя с увеличением усилия растяжения магнитная упругость уменьшается, а у никеля — увеличивается. Это объясняется различной магнитострикцией: пермаллой имеет положительную магнитострикцию (удлиняется под воздействием магнитного поля), а никель — отрицательную магнитострикцию, а некоторые ферромагнетики (например железо) имеет знак магнитострикции в зависимости от направления магнитного потока по отношению к кристаллографическому направлению материала. Количественно чувствительность магнитоупругого датчика выражается коэффициентом чувствительности Sm{\displaystyle S_{m}}:

Sm=±dμμ⋅σk{\displaystyle S_{m}={\frac {\pm d\mu }{\mu \cdot \sigma _{k}}}},

где dμ{\displaystyle d\mu } — приращение магнитной проницаемости μ{\displaystyle \mu } — абсолютная величина магнитной проницаемости σk{\displaystyle \sigma _{k}} — механическое напряжение растяжения (сжатия).

Разновидности магнитоупругих датчиков[править | править код]

Магнитоупругие датчики разделяются:

  • по принципу действия:
    • реагирующие на механические напряжения изменением магнитной проницаемости в одном направлении (дроссельного и трансформаторного типа)
    • реагирующие на механические напряжения изменением магнитной проницаемости в двух взаимно перпендикулярных направлениях (магнитоанизатропные преобразователи, называемые иначе «прессдукторы»).
  • по конструкции:
    • обмоточные
    • безобмоточные (электрического сопротивления)
    • сельсинного типа (c появлением вращающего момента)
  • по виду воспринимаемых усилий:
    • линейные
    • линейные в нескольких плоскостях
    • вращательные

Дроссельный магнитоупругий датчик[править | править код]

Представляет собой обмотку, надетую на собой сердечник из ферромагнитного материала броневого или стержневого типа. При внешнем механическом воздействии и возникновении в сердечнике механических напряжений происходит изменение магнитной проницаемости μ{\displaystyle \mu }, индуктивности обмотки L{\displaystyle L} и индуктивного сопротивления jωL{\displaystyle j\omega L}. При включении такого датчика последовательно в цепь между источником переменной ЭДС и нагрузкой и приложении механического воздействия на сердечник будет наблюдаться изменение тока I{\displaystyle I} в цепи и как следствие — изменение напряжения U{\displaystyle U} на нагрузке.

Трансформаторный магнитоупругий датчик[править | править код]

Данный датчик состоит из двух обмоток, намотанных на сердечник с необходимыми магнитоупругими свойствами и представляет собой трансформатор, при этом одна из обмоток (первичная) подключается к источнику переменной ЭДС, а другая (вторичная) — к нагрузке. Возникновение механических напряжений в сердечнике приводит к изменению магнитной проницаемости μ{\displaystyle \mu } и значит к изменению взаимной индуктивности M{\displaystyle M} между обмотками и разному напряжению, индуцируемому во вторичной обмотке.

Имеется и другая разновидность трансформаторного магнитоупругого датчика — шунтовой трансформаторный магнитоупругий датчик, в котором на одно стержне сердечника находится первичная обмотка, на другом — вторичная, средний стержень сердечника не имеет обмотки (шунтовой стержень) и поскольку путь для магнитного потока через шунтирующий стержень короче, а сечение шунтирующего стержня больше, тот магнитный поток Φ{\displaystyle \Phi } от первичной обмотки практически не попадает в стержень со вторичной обмоткой, но при приложения усилия на шунтовой стержень (с положительной магнитострикцией) его магнитная проницаемость уменьшается и поток начинает замыкаться через стержень со вторичной обмоткой, в которой появляется напряжение U{\displaystyle U}.

В дифференциально — трансформаторном магнитоупругом датчике первичная обмотка находится на среднем стержне, а на двух боковых стержнях — две вторичные с одинаковыми параметрами, при этом вторичные обмотки включаются встречно, поэтому на нагрузке (без приложения механического напряжения к датчику) суммарное напряжение равно нулю, при возникновении механического напряжения σ{\displaystyle \sigma } на одном из стержней баланс нарушается и на нагрузке появляется электрическое напряжение U{\displaystyle U}.

Для определения механических напряжений в нескольких плоскостях обмотки с сердечниками устанавливают в различных направлениях в магнитной системе.

Магнитоанизотропные преобразователи (прессдукторы)[править | править код]

В прессдукторах усилие прилагается к сердечнику в направлении 45° к осям первичной и вторичной обмоток (которые между собой расположены перпендикулярно). При такой конструкции в не нагруженном сердечнике поток Φ{\displaystyle \Phi } первичной обмотки не охватывает витки w{\displaystyle w} вторичной и в последней не наводится ЭДС, при приложении усилия к сердечнику магнитный поток охватывает витки вторичной обмотки и на нагрузке появляется сигнал.

Электродно-катушечные магнитоизоторопные преобразователи[править | править код]

Электродно-катушечные магнитоизотропные преобразователи используются для определения скручивающих механических усилий. Для этого к ферромагнитному сердечнику подключаются электроды и при подаче тока к ним от внешней цепи создаются циркулирующие магнитные потоки, которые не пересекают вторичную обмотку, расположенную на сердечнике. При приложении скручивающих усилий во вторичной обмотке наводится ЭДС.

Магнитоупругие датчики электрического сопротивления (безобмоточные)[править | править код]

В таких датчиках измеряется падение напряжения на самом ферромагнитном сердечнике: на одни электроды, расположенные по краям подаётся от внешнего источника питания ток I{\displaystyle I}, а из пары других, установленных ближе к середине снимается падение напряжения U{\displaystyle U}, пропорциональное внешнему механическому усилию.

Сельсинные магнитоупругие датчики[править | править код]

Сельсинные датчики имеют две взаимноперпендикулярные обмотки возбуждения, одна из которых расположена на чувствительном элементе, к которому прикладывается усилие; управляющая обмотка также расположена в пазах на чувствительном элементе в виде диска. При воздействии усилия на чувствительный элемент возникает фазовый небаланс между обмотками и ротор датчика поворачивается.

  • В. Б. Гинзбург. Магнитоуправляемые датчики. — Москва: Энергия, 1970.

Принцип действия датчиков магнитного поля

 О чем эта статья

Приборов детектирования и измерения параметров магнитного поля достаточно много, отчего они используются во многих сферах как чисто технических, так и бытовых. Эти детекторы используются в системах, связанных с задачами навигации, измерения угла поворота и направления движения, определения координат объекта, распознавания «свой - чужой» и т. д.

Широкая область применения таких датчиков требует использования различных свойств магнитного поля для их реализации. В данной работе рассмотрены принципы работы, которые заложены в датчики магнитного поля:

  • использующие эффект Виганда;
  • магниторезистивные;
  • индукционные;
  • работающие на эффекте Холла;

Датчики Виганда

Работа датчика базируется на эффекте, открытом американским ученным Вигандом. Суть эффекта Виганда проявляется в следующем. При внесении ферромагнитной проволоки в магнитное поле, в ней происходит самопроизвольное изменение магнитной поляризации. Это явление наблюдается при выполнении двух условий. Первое – проволока должна иметь специальный химический состав (52% кобальта,10% ванадия - викаллой) и двухслойную структуру (рисунок справа). Второе – напряженность магнитного поля должна быть выше определенного порогового значения – порога зажигания.

Момент изменения поляризации проволоки можно наблюдать с помощью катушки индуктивности, расположенной рядом с проволокой. Индукционный импульс напряжения на ее выводах при этом достигает нескольких вольт. При изменении направления магнитного поля полярность индуктируемых  импульсов изменяется. В настоящее время эффект объясняют различной скоростью переориентации элементарных магнитов в магнитомягкой сердцевине и магнитотвердой оболочке проволоки.

Конструкция датчиков Виганда содержит катушку индуктивности и проволоку Виганда. При смене полярицации проволоки, катушка, намотанная на неё, фиксирует это изменение.

Чувствительные элементы Виганда применяются в расходомерах, датчиках скорости, угла поворота и положения. Кроме того, одно из наиболее частых применений этого элемента – системы считывания идентификационных карт, которыми все мы пользуемся ежедневно. При прикладывании намагниченной карты меняется напряженность поля, на что реагирует датчик Виганда.

К достоинствам датчика Виганда следует отнести независимость от влияния внешних электрических и магнитных полей, широкий температурный диапазон работы (-80° … +260°C), работу без источника питания.

Магниторезистивные датчики магнитного поля

Магниторезистивные датчики магнитного поля в 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.

Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают  отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента  равносильно изменению его сопротивления.

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами  поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

 Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино. Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

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.

По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.

Конструкция датчика показана на рисунке. 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

Датчики магнитного поля  на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.

Суть эффекта поясняется рисунком. Через полупроводниковую пластину пластину протекает ток от внешнего источника.

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.

Опубликована 14-12-12.


Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

виды, принцип работы, схема подключения, как проверить

Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.

Общее описание и назначение

Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.

Индуктивный датчик

Виды

По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.

Одинарные

Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.

Дифференциальные

Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.

Датчик

Устройство и схема

Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.

Генератор

Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.

Усилитель

Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.

Схема индуктивного датчика

Специальный индикатор

Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.

Компаунд

Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.

Принцип работы

Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.

В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.

Параметры

Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.

Напряжение питания

Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.

Минимальный ток переключения

Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.

Рабочие расстояния

Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.

Датчик индуктивный

Частота переключения

Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.

Способ подключения

Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.

Трехпроводные

Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.

Четырехпроводные

Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.

Двухпроводные

Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.

Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.

Пятипроводные

Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.

Цветовая маркировка

Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:

  • минус обычно указывается синим;
  • плюс — красным;
  • выход — черным;
  • белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.

Погрешности

Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.

Датчик индуктивный

Электромагнитная

Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.

От температуры

Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.

Индуктивные датчики

Магнитной упругости

Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.

Деформация элементов

Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.

Кабеля

Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.

Старение

Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.

Технологии

Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.

Сферы использования

Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.

Датчик индуктивный с кабелем

Медицинские аппараты

Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.

Бытовая техника

В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».

Автомобильная промышленность

Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.

Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.

Датчик

Робототехническое оборудование

В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.

Промышленная техника регулирования и измерения

Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.

Составляющие датчика индуктивного

Индукционные датчики следующего поколения

Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.

К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:

  • снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
  • возможность выбора практически любых форм-факторов;
  • повышение точности реагирования на металлические объекты;
  • возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
  • упрощение конструкции;
  • возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.

Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *