1 Technika sensorowa 3 Sensory indukcyjnościowe

2 Technika sensorowa Zagadnienia: 1. Podstawy fizyczne 2. Materiały magnetycznie miękkie i twarde 3. Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne 4. Przetworniki AMR 5. Czujniki indukcyjne i transduktorowe 6. Kontaktrony 7. Magnetometry oparte na efekcie Overhauser’a 8. Czujniki SQUID 9. Czujniki GMI 10. Systemy przemysłowe Literatura: 1. Mioduski A., Czujniki magnetyczne, projekt Leonardo da Vinci ZSE Rzeszów 2003 2. Rawa H., Elektryczność i magnetyzm w technice, PWN, Warszawa 2001 3. Gonet B., Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe, PZWL 2003 4. Wróblewski A.K., Zakrzewski J.A., Wstęp do fizyki, PWN Warszawa 1991 3 Sensory indukcyjnościowe

3 B=  H (10.02) Gdzie: H – natężenie pola magnetycznego H= Technika sensorowa Podstawy fizyczne B=  0  rI/2  r(10.01) Gdzie: B – indukcja magnetyczna I – prąd płynący w przewodniku r – odległość µ0 – przenikalność próżni (  0 = 4  10-7 H/m )  r – przenikalność względna danego środowiska odniesiona do przenikalności próżni.  =  r  o  – przenikalność bezwzględna środowiska (10.02) (10.03) Gdzie α stanowi kąt między wektorami indukcji magnetycznej i kierunkiem prądu. (10.04) Gdzie: r – odległość między osiami przewodów F - siła

4 Technika sensorowa Podstawy fizyczne Rys. 10.04 Pole magnetyczne Ziemi Rys. 10.07 Sposób mnemotechnicznego wyznaczania kierunku działania siły Lorentza Równanie (10.3) może być również zapisane w formie wektorowej: (10.07) (10.08)

5 (10.09) Jeżeli v jest prędkością elektronów, to przepłyną one przez przewodnik o długości v·t w czasie t, a ogólna ilość elektronów na długości v·t wyniesie n·v·t. Ogólny ładunek równa się teraz Technika sensorowa Podstawy fizyczne (10.10) Gdzie: e jest ładunkiem jednego elektronu natomiast n jest ilością elektronów na jednostkę długości, n=N/l (10.11) (10.12) Gdzie N jest całkowitą ilością elektronów na długości 1. (10.13) Siła działająca na każdy elektron w przewodniku wynosi: (10.14) (10.15) (10.16) (10.17) Dana substancja ferromagnetyczna traci swoje właściwości jeżeli jest podgrzewana do pewnej, określonej temperatury. Temperatura ta, tzw. Punkt Curie jest różna dla różnych substancji. Punkt Curie dla: żelaza wynosi 770°C niklu 354°C.

6 Technika sensorowa Podstawy fizyczne Rys. 10.08 Schematyczne przedstawienie losowego ułożenia domen magnetycznych. Rys. 10.10 Krzywa histerezy – pierwszego magnesowania i zmniejszanie natężenia. Rys 10.11 Pętla histerezy magnetycznej –

7 Technika sensorowa Materiały magnetycznie miękkie i twarde Ferryty miękkie. Ferryty zawierają: 70 % tlenku żelaza (Fe 2 O 3 ) 30 % tlenków innych materiałów (n.p: tlenek manganu (MnO), tlenek magnezu (MgO), tlenek niklu (NiO), tlenek miedzi (CuO) tlenek żelaza (FeO)). Ferryty dla częstotliwości mikrofalowych są: izolatorami, mają niską przenikalność magnetyczną. przenikalność magnetyczną do 10 000. Niski poziom nasycenia magnetycznego średnia przenikalność magnetyczna duży zakres częstotliwości pracy, niski koszt i łatwość produkcji rdzeni. Ferryty twarde posiadają wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej są magnetostrykcyjne Magnetostrykcja to zjawisko powstawania sprężystych odkształceń ciała pod wpływem jego namagnesowania oraz zmian przenikalności dielektrycznej wywoływanych odkształceniami fizycznymi ciała. Materiały cienkowarstwowe Folie cienkowarstwowe z Permalloy (FeNi) używanie są obecnie w aplikacjach czujników z powodu niskiej anizotropii magnetokryształów

8 Technika sensorowa Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne Czujniki oparte na efekcie Halla (10.20) Gdzie: qładunek elektryczny przewodnika vszybkość przemieszczania się ładunku Enatężenie pola elektrycznego Bgęstość strumienia magnetycznego Rys. 10.12 Czujnik Halla

9 Technika sensorowa Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne czujnik położenia wału korbowego 0...75VZakres sygnału 540 ohm ? 10%Rezystancja (przy 20° C) 1200 m/s 2 Maksymalne mierzalne przyspieszenie -40...+150° CTemperatura pracy 20...7000 obr/min Zakres pomiarowy

10 Technika sensorowa Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne czujnik położenia wału korbowego Cinquecento 900

11 Technika sensorowa Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne Norma IEC/EN 60947-5-2 rozróżnia kilka stref wykrywania dla czujników zbliżeniowych. Znamionowa odległość wykrywania Sn Wartość standardowa wyznaczona dla produktu. Nie bierze pod uwagę rozrzutu parametrów produkcji, zmian temperatury otoczenia, napięcia zasilania, itd. Rzeczywista odległość wykrywania Sr Wartość zmierzona przy znamionowym napięciu zasilania (Un) znamionowej temperaturze otoczenia (Tn). Musi zawierać się pomiędzy 90% i 110% znamionowej odległości wykrywania Sn. Użyteczna odległość wykrywania Su Wartość zmierzona przy dopuszczalnych granicach zmian napięcia zasilania (Un) i temperatury otoczenia (Tn). Musi zawierać się pomiędzy 90% i 110% rzeczywistej odległości wykrywania Sr. Robocza odległość wykrywania Sa To obszar w którym urządzenie pracuje. Zawiera się w granicach od 0 do 81 % znamionowej odległości wykrywania Sn.

12 Technika sensorowa Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne XS6 12 -  12 (Sn = 4 mm) XS6 18 -  18 (Sn = 8 mm) XS6 30 -  30 (Sn = 15 mm) XS8 E - 26 x 26 (Sn = 15 mm) XS8 C - 40 x 40 (Sn = 25 mm) XS8 D - 80 x 80 (Sn = 60 mm) Obiekt poruszający się poprzecznie do czoła czujnika Programowanie: - pierwsze wciśnięcie przycisku - czujnik uczy się otoczenia - drugie wciśnięcie przycisku - czujnik uczy się wykrywania pozycji obiektu XS 8 Montaż zagłębiony XS 8 Montaż zagłębiony z tłem XS 8 Montaż niezagłębiony XS 8 Obiekt zbliżający się do czoła czujnika

13 Technika sensorowa Indukcyjnościowe (10.55) Gdzie: A jest powierzchnią przekroju rdzenia. Czujniki indukcyjne (10.56)

14 Technika sensorowa Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne Przetworniki AMR Magnetorezystory anizotropowe (AMR) są w ogólności wykorzystywane do pomiarów pól magnetycznych w średnim ich zakresie, do 200 mT. Efekt magnetorezystancji opisany został już w 1857 roku przez W. Thomsona Rys.10.13 Działanie czujnika opartego na efekcie magnetorezystancji

15 Technika sensorowa Przetworniki AMR Rys. 10.14 Przetwornik AMR, sposób linearyzacji Rys. 10.15 Przetwornik AMR w konfiguracji pomiarowej mostka Wheatstona (10.48) R1 = R3 = R0 +  R0 i R2 = R4 = R0 -  R0 (10.50)

16 Technika sensorowa Czujniki transduktorowe (10.56) Czujniki transduktorowe.

17 Technika sensorowa Indukcyjne i kontaktronowe Rys. 10.20 Indukcyjny czujnik rotacji z magnesem stałym Rys 10.21 Indukcyjny czujnik położenia zębów przekładniowych ( "czujnik wychwytujący - magnetic pickup"). Rys 10.23 Zestyki kontaktronowe: strefy przełączania dla magnesu równoległego do osi czujnika.

18 Technika sensorowa Rezonans magnetyczny Czujniki NMR oparte na magnetycznym rezonansie jądrowym (NMR – nuclear magnetic resonance). Czujniki ESR oparte na rezonansie spinowym elektronów. ESR, czyli Rezonans Spinowy Elektronów (Electron Spin Resonance) Magnetometry oparte na efekcie Overhauser’a Protonowe magnetometry oparte na efekcie Overhauser’a łącza w swym działaniu dwa zjawiska. Używa on sygnału magnetycznego wysokiej częstotliwości dla wzbudzenia rezonansowego elektronów (ESR), które następnie przez zderzenia przekazują wzbudzenie protonom. W ten sposób otrzymuje się ciągłe wzbudzenie protonów, co z kolei pozwala na otrzymanie ciągłego rezonansowego sygnału protonowego. Magnetometry Overhauser’a pracują w polach o większych zakresach zmian i dokonują szybszych pomiarów niż tradycyjne magnetometry protonowe. Czujniki SQUID Nadprzewodzący Interferometr Kwantowy (Superconducting Quantum Interference Device) mierzy zmiany w polu magnetycznym, wykrywając przejście złączy ze stanu nie-nadprzewodnikowego do nadprzewodnikowego Czujniki GMI efekcie Olbrzymiej MagnetoImpedancji (GMI – Giant MagnetoImpedance): wysokoczęstotliwościowa impedancja przewodu magnetycznego zależy od zewnętrznego pola magnetycznego. Efekt ten jest związany z efektem naskórkowości:.

19 Technika sensorowa Systemy przemysłowe

20 Technika sensorowa Systemy przemysłowe

21 Technika sensorowa Systemy przemysłowe Architektura klasyczna : Informacje scentralizowane w PLC. Informacje (kod ciężarówki,...) są wprowadzane ręczne (ryzyko błędu, strata czasu). Rozległa architektura sieci (duże odległości między rejonami). Dyspozytor Załadunek Ważenie Załadunek I/O Terminal Centralny PLC

22 Technika sensorowa LITERATURA: 1.Mioduski A., Czujniki magnetyczne, projekt Leonardo da Vinci ZSE Rzeszów 2003 2.Rawa H., Elektryczność i magnetyzm w technice, PWN, Warszawa 2001 3.Gonet B., Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe, PZWL 2003 4.Wróblewski A.K., Zakrzewski J.A., Wstęp do fizyki, PWN Warszawa 1991