1 CZUJNIKI MAGNETYCZNE WstępCzujniki 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

2 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

3 Czujniki indukcyjnościoweDef. 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:

4 Czujniki indukcyjnościoweO zmiennej szczelinie powietrznej Moduł impedancji Dla małych strat

5 Czujniki indukcyjnościoweO zmiennym przekroju szczeliny

6 Czujniki indukcyjnościoweCzujnik 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

7 Czujniki indukcyjnościoweO zmiennym położeniu rdzenia

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

9 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

10 Czujniki elektromagnetyczne z indukowaną SEMSiła 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

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

12 Zmiana oporu magnetycznego obwoduTachometr elektromagnetyczny

13 Ruch źródła B TachogeneratorCzęstotliwość 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:

14 Obróbka sygnału z tachometru EM z tarczą zębatą

15 Czujniki elektromagnetyczne z wykorzystaniem prądów wirowychIstotne 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

16 Wiroprądowe czujniki zbliżenioweW 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) 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.

17 Czujniki magnetogalwaniczneHallotrony 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.

18 Hallotrony RH = ± r/ nq EH/Ex = µBzStała 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

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

20 Technologia hallotronówkształtki 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).

21 Technologia hallotronówIzolację 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+.

22 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.

23 Zastosowania hallotronówBezkontaktowe pomiary położenia

24 Bezkontaktowe pomiary położeniaróżnicowe połączenie czujników holowskich

25 Bezkontaktowy pomiar prąduWokół 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.

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

27 Bezkontaktowy pomiar mocyKorzysta 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.