Датчики магнитного поля

Среди датчиков магнитного поля различают датчики трех типов, использующие различные физические эффекты, а именно: магниторезистивные датчики, датчики Холла и датчики Виганда.

В общем случае датчики магнитного поля отли­чаются простотой устройства и связанной с этим на­дежностью. Благодаря таким свойствам они особенно пригодны для применения в автомобилях и в бытовой технике. Важными и интересными применениями маг­нитных датчиков являются, например, измерения по­ложения, скорости вращения, давления и линейной скорости.

Магниторезистивные датчики. Некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой (80 % Ni и 20 % Fe), изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. С по­мощью современной тонкопленочной технологии можно изготовить небольшие и очень дешевые магниторезистивные датчики.

Они состоят из резистивного элемента в форме меандра (рисунок 4.12) сопротивлением от 30 Ом до 1 кОм. Поскольку получать сигнал с помощью таких датчиков наиболее целесообразно в мостовой схеме, в датчике располагают две меандровые структуры (H/В)различной ориентации. На рисунок 4.12, б продемонстрирована возможность применения такого датчика для измерения скорости

Рисунок 4.12 – Чувствительный элемент магниторезистивного датчика (а), устройство для измерения скорости вращения или числа оборотов датчиком с магниторезистивным элементом (б), измерительная схема (в) и форма сигнала на выходе (г)

Датчики Холла. Датчики магнитного поля, использующие эффект Холла, относятся к активным датчикам, так как они сами вырабатывают измерительное напряжение, свя­занное с магнитным полем. На рисунок 4.13 схемати­чески показаны устройство и принцип действия датчика Холла.

Под действием тока 1 и магнитной индукции В, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение U_h. Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины l и толщины d) датчика, тока I, коэффициента Холла R_h и магнитной индукции В. Материалом для изготовления датчика Холла чаще всего служат кремний, арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb).

Рисунок 4.13 – Принцип действия холловского чувствительного эле­мента (а), устройство датчика перемещения с холловским чувствительным элементом (б) и изменение сигнала в зависимости от перемещения (в)

Оптические датчики

Бесконтактное измерение ряда физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры и т. д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация пере­дается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве и благодаря этому оказываются пригодными для полу­чения и передачи информации. Чрезвычайно простым оптическим датчиком является, например, известная фотоячейка.

Фотоячейка состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фото­диода или фоторезистора). Нарушение передачи све­та от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число им­пульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить ин­формацию о количестве деталей, изготовленных за час или за день.

Преобразование оптического сигнала в электриче­ский осуществляется детекторами излучения, исполь­зующими различные физические эффекты.

Фотодиоды. При облучении кремниевых фотодиодов светом в них возникает напряжение, определенным образомзависящее от силы света. Эффект, вызывающий воз­никновение этого напряжения, называется внутренним фотоэффектом.

На практике чаще всего применяют р/n-диоды. Эти диоды имеют слоистую структуру (рисунок 4.14), в которой тонкие проводящие слои р/n-типа разде­лены областью нелегированного высокоомного крем­ния (i). При попадании на р/n-переход световых лучей достаточно высокой энергии (Е=hv)возникает фототок I_sh (ток короткого замыкания) порядка 0,1..1 А/Вт. Чувствительность такого фотодиода очень сильно зависит от длины волны (цвета) ис­пользуемого излучения.

Рисунок 3.14 – Структура светодиода

Е квантовая эффек­тивность характеризует отношение числа фотонов, попавших на диод, к числу электронов, возникших в виде фототока I_Sh. Фототок I_Sh изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света при ее изменении в пределах более 6 порядков, так что возможна пря­мая индикация интенсивности света.

Фоторезисторы. У некоторых материалов (например, CdS, CdSe, PbS, PbSe) электрическое сопротивление изменяется под действием света из-за образования электронно-дырочных пар. Возникающие при этом свободные но­сители заряда вызывают резкое снижение сопротив­ления. На рисунок 4.15 показана зависимость сопротив­ления такого датчика при различной освещенности (измеренной в люксах). В зависимости от силы света оно изменяется от 100 до 1 кОм. Спектральная чув­ствительность определяется выбором материала. Так, CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра и поэтому осо­бенно пригоден для применения в измерителях освещенности. В противоположность этому максимум спектральной чувствительности CdSe находится в красной области, а у фоторезисторов из PbS/PbSe – даже в ИК-области.

Рисунок 4.15 – Характеристики р/n-диодов

Промышленный фоторезистор состоит из тонкой пленки светочувствительного материала (CdSe/CdS) в форме меандра. Этот фотопроводящий слой, расположен­ный на керамической основе с соединительными про­водами, для защиты от влаги и грязи покрыт слоем прозрачного полимера. На рисунок 4.16 показаны также наиболее распространенные конструктивные формы, обеспечивающие разнообразие возможностей приме­нения фоторезисторов.

Рисунок 4.16 – Конструктивные исполнения фоторезисторов

Датчики положения

С помощью датчиков положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы перемещения и управлять ими. Пример применения такого датчика показан на рисунок 4.17. Например, нужно зарегистрировать изменение положения ка­кого-либо механизма в процессе работы. Для этого на нем в характерном ме­сте устанавливают светодиод (излучатель). Излучение этого светодиода с помощью отображающей оп­тики (например, линзы) фокусируется на датчике по­ложения.

Рисунок 4.17 – Схема устройства для регистрации изменения положения механизма в процессе работы

В принципе такой датчик состоит из удлиненного p/n-диода с двумя выходными электродами с одной стороны и одним электродом с противоположной стороны (рисунок 4.18). При неработающем механизме отображающая оп­тика юстируется таким образом, чтобы на обе части светодиода попадало излучение одинаковой интенсивности. Как только светодиод начинает перемешаться из-за вибраций механизма, интенсивность перераспределяется и нарушается равенство токов Iаи Iв. В итоге разность Д=Iа-Iв оказы­вается мерой уровня вибрации механизма, которую можно оценивать при разных режимах работы.

Рисунок 4.18 – Структура датчика положения: подложка из высокочистого кремния является областью с собственной проводимостью

Линейность измерения положения означает откло­нение выходного сигнала от номинального значения (в процентах) при линейном смешении по всей длине датчика (в данном случае 30 мм).

При обработке сигналов датчика, формируется отношение раз­ности отдельных сигналов к их сумме. Достоинство этого метода заключается в том, что при этом исключается влия­ние на точность измере­ния таких факторов, как изменение мощности из­лучения светодиода или изменение чувствитель­ности детектора. Во из­бежание искажения ре­зультатов измерений из-за дрейфа нуля или дру­гих подобных причин в качестве операционных усилителей 1...4 необхо­димо использовать ин­тегральные схемы, отве­чающие высоким требо­ваниям к качеству обра­ботки сигнала.

Типичными примерами применения оптиче­ских датчиков положе­ния являются измерения протяженных объектов (например, туннелей, зданий, конструкций) с помощью луча лазера, на­правляемого на датчик. Отклонение луча от цен­тра датчика вследствие перемещении или вибраций может быть измерено с большой точностью.

Двухкоордннатное измерение положения добав­ляет еще одну степень свободы при определении по­ложения или размещении (позиционировании) объекта. Датчик этого типа состоит из активной поверхности в форме квадрата, на каждой стороне которого имеется по электроду. Противоположные электроды предназначены соответственно для определения смещений по осям X и Y.

Линейность ХУ-позиционирования показана на рисунок 4.19. Она представляет собой меру точности определения положения. Область применения датчиков этого типа в принципе та же, что и у линейных.

Рисунок 4.19 – Типичная линейность измерения положения