Измерительные вычислительные системы Магнитные датчики и преобразователи магнитного поля Преподаватель: доцент кафедры радиофизики и радиоэлектроники Семенов Андрей Леонидович Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Области применения ПМП и ДМП Датчики, преобразователи, индикаторы Ø Ø Ø Ø Ø Ø Приближения Конечного положения Направления Линейного перемещения Углового перемещения Угла поворота Угла наклона Скорости вращения Ускорения Давления жидкости Расхода газа Механического напряжения Механической деформации Индукции магнитного поля Направления магнитного поля Момента искрообразования Электрического напряжения Электрического тока Электрической мощности … Измерительные вычислительные системы Возможные изделия с применением ПМП и ДПМ Ø Авто, вело и мотоспидометры Ø Бесконтактные: § Выключатели § Переключатели § Системы зажигания § Замки зажигания § Потенциометры Ø Кнопки (клавиатуры, . . ) Ø Вентильные электродвигатели Ø Головки считывающие (воспроизводящие) Ø Дефектоскопы стальных изделий Ø Звукосниматели и микрофоны Ø Измерители (тока, напряжения, мощности, скорости, . . ) Ø Измерители пульса Ø Магнитометры (промышленные и медицинские) Ø Обнаружители электропроводки Ø Электросчетчики Ø Электронные (предохранители, весы, компасы, . . ) Ø Электронные анализаторы периодических процессов Ø … ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Достоинства материалов магнитоэлектроники Ø Возможность полной электрической развязки входных и выходных цепей аппаратуры Ø Бесконтактное преобразование малых механических перемещений в электрический сигнал Ø Детектирование величины и направления индукции магнитного поля с высокой локальностью Ø Создание бесконтактных, неискрящих коммутаторов электрических цепей Ø Бесконтактное измерение напряжений, токов и т. д. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Обобщенная функциональная схема простого магнитоэлектронного устройства Источник управляющего магнитного поля Схема стабилизации режимов Магнитная система U упр Схема управления Преобразователь магнитного поля Согласующий каскад Предварительный усилитель Пороговое устройство Усилитель мощности U вых. 1 Измерительные вычислительные системы Усилитель мощности U вых. 2 U пит ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Преобразователи магнитного поля Ø Элементы Холла Ø Магниторезисторы Ø Магнитотранзисторы Ø Магнитодиоды Ø Магнитотиристоры Ø Приборы на полевых эффектах Ø ГМР преобразователи Ø Магнитиндуктивные преобразователи Ø Датчики Виганда Ø Микроферрозонды Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Преобразователи магнитного поля Функция преобразования ПМП Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Преобразователи магнитного поля Три группы ПМП В зависимости от режимов работы ПМП, магнитоэлектронные устройства можно условно разделить на три группы. 1. Назначением ПМП первой группы является индикация магнитной индукции. Функция преобразования может быть нелинейной, однако чувствительность ПМП к магнитному полю должна быть по возможности более высокой. В данной группе устройств используются элементы Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, ГМР преобразователи и магнитотранзисторы. Магнитоэлектронные устройства группы: Ø Ø Ø бесконтактные реле; индикаторы положения перемещающихся объектов; бесконтактные клавиши для ручного ввода информации; преобразователи угла поворота типа «угол–код» ; бесколлекторные двигатели постоянного тока; считывающие элементы в твердотельных запоминающих, переключающих и логических устройствах, использующих цилиндрические магнитные домены, бесконтактные коммутаторы и др. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Преобразователи магнитного поля Три группы ПМП В зависимости от режимов работы ПМП, магнитоэлектронные устройства можно условно разделить на три группы. 2. ПМП служат для измерения магнитной индукции, воздействующей на них. Выходной сигнал ПМП должен быть прямо пропорционален значению магнитной индукции. Исходя из свойств ПМП, наиболее предпочтительным для этой группы является использование элементов Холла, а также магниторезисторов и ГМР преобразователей. Магнитоэлектронные устройства группы: Ø Ø Ø измерители напряженности магнитных полей; измерители электрических токов и напряжений; измерители очень малых перемещений; устройства для магнитодефектоскопии; воспроизводящие магнитофонные головки; головки для считывания информации, записанной на магнитных носителях, и др. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Преобразователи магнитного поля Три группы ПМП В зависимости от режимов работы ПМП, магнитоэлектронные устройства можно условно разделить на три группы. 3. используется свойство ПМП служить аналоговым перемножителем двух подаваемых на его вход электрических сигналов. Магнитоэлектронные устройства группы: Ø аналоговые математические блоки, реализующие помимо операции перемножения двух величин также операции возведения в степень, извлечения корня, деления. Ø измерители электрической мощности и энергии; Ø измерители механической мощности; Ø измерители электромагнитной мощности электрических машин; Ø смесители и преобразователи частот; Ø анализаторы периодических и случайных процессов и др. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Постоянная Холла Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Температурные зависимости сопротивления п/п материалов Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Температурные зависимости ЭДС Холла п/п материалов Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Температурная зависимость чувствительности кремниевого элемента Холла при постоянном напряжении питания и в равномерном поле. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Температурная зависимость чувствительности кремниевого элемента Холла при постоянном токе управления и в равномерном поле. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Типовая выходная характеристика интегрального кремниевого элемента Холла Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Классические топологии дискретных чувствительных элементов Холла а - крест, б - прямоугольник в - бабочка Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Варианты размещения элементов Холла в оригинальных корпусах: а – в керамическом корпусе; в – с использованием концентратора магнитного поля. 1 – магниточувствительный элемент; 3 – крышка; 4 – вывод; 6 – концентратор Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Структура горизонтального МОП элемента Холла: 1, 2 – p- типа диффузионные области «токовых» контактов; 3, 4 – p+ типа диффузионные области «измерительных» электродов; 5 – подзатворный диэлектрик; 6 – электрод затвора Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Элементы Холла Обобщенные параметры элементов Холла, серийно выпускаемых, зарубежными производителями Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики на эффекте Холла Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнетосопротивления выражен слабее. В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100 — 10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен тысяч процентов. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Рассмотрим траектории положительно заряженных частиц (например, дырок) в магнитном поле. Пусть через образец проходит ток j вдоль оси X. Частицы обладают тепловой скоростью или, если дырочный газ вырожден, то средняя скорость частиц равна фермиевской скорости, которые должны быть много больше скорости их направленного движения (дрейфа). Без магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно между двумя столкновениями. Во внешнем магнитном поле В (перпендикулярном току) траектория будет представлять собой в неограниченном образце участок циклоиды длиной l (длина свободного пробега), и за время свободного пробега (время между двумя столкновениями) вдоль поля частица пройдет путь меньший, чем l, а именно Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Поскольку за время свободного пробега τ частица проходит меньший путь вдоль поля B, то это равносильно уменьшению дрейфовой скорости, или подвижности, а тем самым и проводимости дырочного газа, то есть сопротивление должно возрастать. Разницу между сопротивлением при конечном магнитном поле и сопротивлением в отсутствие магнитного поля принято называть магнетосопротивлением. В трёхмерных ограниченных образцах на боковых гранях возникает разность потенциалов благодаря эффекту Холла, в результате чего носители заряда движутся прямолинейно, поэтому магнетосопротивление с этой точки зрения должно отсутствовать. На самом деле оно имеет место и в этом случае, поскольку холлово поле компенсирует действие магнитного поля лишь в среднем, как если бы все носители заряда двигались с одной и той же (дрейфовой) скоростью. Однако скорости электронов могут быть различны, поэтому на частицы, движущиеся со скоростями, большими средней скорости, магнитное поле действует сильнее, чем холлово. Наоборот, медленные частицы сильнее отклоняются под действием превалирующего холлова поля. В результате разброс частиц по скоростям приводит к увеличению сопротивления, но в значительно меньшей степени, чем в неограниченном образце. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Параметры магниторезисторов Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля, или «смещающим» постоянным микромагнитом Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Варианты монолитных МЧЭ Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Типичная зависимость МЧЭ, изготовленных из различных модификаций сплава In. Sb-Ni. Sb, от величины индукции управляющего магнитного поля Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Зависимость относительного изменения сопротивления «монолитного» МЧЭ от угла между вектором магнитной индукции и плоскостью магниторезистивного элемента, изготовленного из сплава In. Sb–-Ni. Sb. При использовании концентраторов и других элементов магнитных систем зависимость может быть иной. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Характерная зависимость магнитной чувствительности МЧЭ, изготовленного из сплава In. Sb–-Ni. Sb, от индукции управляющего магнитного поля при различной температуре Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (анизотропный магниторезистивный эффект) AMR Для создания МЧЭ используют тонкие одно- и многослойные пленки никелькобальтовых (Ni-Co), никель-железных (Ni-Fe) и других сплавов. В ферромагнитных материалах наподобие железа, кобальта, никеля и их сплавов, электрическое сопротивление зависит от угла между направлением намагниченности образца и внешним магнитным полем. Причиной этого является спин-орбитальное взаимодействие электронов, приводящее к спин-зависимому рассеянию электронов (коэффициент рассеяния для спинов сонаправленных и противонаправленных по отношению к намагниченности образца будет различный). Эффект достаточно слабый: величина магнитосопротивления в нем на практике не превосходит нескольких процентов. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (анизотропный магниторезистор) Для создания МЧЭ используют тонкие одно- и многослойные пленки никелькобальтовых (Ni-Co), никель-железных (Ni-Fe) и других сплавов. анизотропное электрическое сопротивление r материала МЧЭ в зависимости от угла Θ между направлением электрического тока через МЧЭ (I) и направлением управляющего магнитного поля (H) постоянной величины выражается следующей формулой (Фойгта– Томпсона): Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы Зависимость сопротивления (r) тонкопленочного магниточувствительного элемента – от напряженности (H) магнитного поля – от угла падения (θ ) магнитного потока Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (гигантский магнеторезистивныый эффект) GMR Гигантский магниторезистивный эффект (Giant Magnetoresistance – GMR) в 1988 году независимо друг от друга описали ученый Университета Париж-11 Альберт Ферт и профессор Института физики твердого тела при Научно-исследовательском центре в Юлихе (ФРГ) Петер Грюнберг. В 2007 году работы А. Ферта и П. Грюнберга были отмечены Нобелевской премией по физике. Суть эффекта – существенное уменьшение (на 10– 20%) удельного сопротивления многослойных структур магнитных и немагнитных металлов даже при незначительном изменении внешнего магнитного поля. Рассеяние зависит от ориентации спина электрона по отношению к магнитным моментам атомов. Обычно предполагается, что электроны проводимости минимально взаимодействуют с атомами, чей магнитный момент имеет параллельное их спину направление и максимально, если они антипараллельны. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (гигантский магнеторезистивныый эффект) GMR Простейшая GMR сэндвич-структура с нефиксированной ориентацией собственного магнитного поля содержит два слоя мягкого магнитного материала (сплавы железа, никеля, кобальта) толщиной от 4 до 6 нм, разделенных слоем немагнитного проводящего материала (например, меди) обычно толщиной 3– 5 нм. Ориентации магнитных полей слоев ферромагнетиков вследствие возникновения антиферромагнитной связи противоположны. При прохождении тока в такой структуре спин электронов в одном из слоев ферромагнетика совпадает с ориентацией его собственного магнитного поля. Во втором ферромагнитном слое, ориентация магнитного поля которого противоположна спину, электроны активно рассеиваются, и полное электрическое сопротивление структуры будет большим, поскольку электроны с "правильным" для этого слоя спином уже почти все рассеяны в первом слое. Если же такую сэндвич-структуру поместить в достаточно сильное внешнее магнитное поле (35– 50 Э), преодолевающее антиферромагнитную связь, магнитные поля обоих ферромагнитных слоев окажутся однонаправленными, и вклад электронов, спин которых ориентирован по полю, в общий ток существенно увеличится. Для них структура практически окажется коротко замкнутой. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (гигантский магнеторезистивныый эффект) GMR ∆R/R = 4– 20% Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (гигантский магнеторезистивныый эффект) GMR Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (гигантский магнеторезистивныый эффект) GMR Типичные зависимости напряжения на выходе магниторезисторных мостов серии AAxxx-2 (GMR-эффект): а – от расстояния при перемещении вдоль источника магнитного поля; б – поперек «чувствительной» оси; в – от индукции воздействующего магнитного поля Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы (спин-зависимые туннельные (Spin Dependent Tunneling) структуры) SDT В таких структурах слои ферромагнетиков разделены тонким слоем диэлектрика, и их сопротивление определяется значением тока, туннелирующего через барьер. Значение туннельного тока, направленного перпендикулярно слоям структуры, определяется направлениями векторов магнитных полей слоев ферромагнетиков. Согласно последним данным специалистов компании Nonvolatile Electronics (NVE), США, отношение магнитосопротивления этих элементов с пленкой окиси алюминия в качестве туннельного барьера составляет 70%, а исследователи Университета Тохоку (Япония) использовали в качестве барьера пленку оксида магния и получили отношение 355%! Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магниторезисторы Тонкопленочные магниторезисторы Высокоплотная матрица GMR-датчика, интегрированной со стандартной КМОПмикросхемой. Прибор предназначен для обнаружения гибридизации ДНК и может примененяться в обычных врачебных кабинетах, а не больших централизованных лабораториях. В предлагаемом методе иммобилизованные на поверхности GMRдатчиков рецепторы отлавливают изучаемые ДНК, после чего в систему лаборатории на кристалле вводятся магнитные наночастицы со специальным покрытием, используемым для выявления ДНК при нерадиоактивной гибридизации insitu (на месте). Эти частицы захватываются гибридизованными ДНК, и GMR-элементы фиксируют вызванное наночастицами изменение магнитного поля. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитодиоды Магнитодиодом (МД) называется преобразователь магнитного поля, принцип действия которого основан на магнитодиодном эффекте. Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n – переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника - база. В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжение происходит не на p-nпереходе, как в обычном диоде, а на высокоомной базе. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей заряда. Свойства магнитодиодов характеризуются вольтовой и токовой магниточувствительностью. Вольтовая магниточувствительность γU определяется изменением напряжения на магнитодиоде при изменении магнитного поля на 1 м. Тл и постоянном значении тока через магнитодиод. Токовая магниточувствительность γI определяется изменением тока через магнитодиод при изменении магнитного поля на 1 м. Тл и при постоянном (неизменном) напряжении на магнитодиоде. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитодиоды Типичная ВАХ германиевого магнитодиода Измерительные вычислительные системы Хар-ка 2 последовательно включенных германиевых магнитодиода ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитодиоды Варианты схем включения магнитодиодов Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитотранзисторы (МТ) Магнитотранзистор - транзистор, конструктивные и рабочие параметры которого оптимизированы для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю. Ø Эффект отклонения носителей, обусловленный действием силы Лоренца на неосновные носители в базовой области, в обедненном слое перехода база-коллектор и в слаболегированной области коллектора МТ. Ø Эффект Холла, относится к любым воздействиям, создаваемыми холловским электрическим полем (возникающем под действием силы Лоренца на основные носители в базовой области МТ). Ø Магнитоконцентрационный эффект, результат действия силы Лоренца на носители обоих типов, выражающийся в изменении равновесной концентрации носителей. (Скорость поверхностной рекомбинации носителей в полупроводниках значительно больше, чем скорость объемной рекомбинации. Происходящая в объеме генерация не успевает компенсировать их повышенную рекомби нацию на его поверхности. В итоге генерационно-рекомбинационное равновесие смещается в область меньших стационарных концентраций носителей. Если скорости генерации рекомбинации на обеих поверхностях полупроводника одинаковы и отклонения от равновесия невелики, то повышение рекомбинации на одной поверхности, к которой отклоняются носители, практически полностью компенсируется уменьшением рекомбинации на противоположной поверхности, от которой носители «отсасываются» . В результате проводимость полупроводника изменяется незначительно. Если магнитное поле отклоняет носители к поверхности, где скорость рекомбинации намного больше скорости генерации носителей на поверхности, от которой происходит их удаление, то создается отрицательная неравновесная проводимость полупроводника и его сопротивление увеличивается, и наоборот) Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитотранзисторы (МТ) Двухколлекторные МТ. Двухколлекторный магнитотранзистор: а, б – структура; в – схема включения Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитотранзисторы (МТ) Двухколлекторные МТ. Структура двухколлекторного биполярного вертикального n-p-n- магнитотранзистора: 1 – эмиттер; 2 – база; 3, 4 – коллекторные области; 5 - эпитаксиальная область коллектора Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитотранзисторы (МТ) Двухколлекторные МТ. «Торцевой» германиевый двухколлекторный магнитотранзистор: а – структура; б – статические выходные характеристики Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики Виганда Проволока Виганда представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки, окружающей сердцевину. Диаметр проволоки составляет порядка 0, 2… 0, 3 мм. Длина от 5 до 40 мм. Обмотка датчика, обычно, составляет порядка 1000. . . 2000 витков медного провода диаметром 0, 05. . . 0, 1 мм. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики Виганда Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Феррозондовые ПМП Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10 -4 – 10 -5 А/м (~10 -10– 10 -11 Тл). Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Феррозондовые ПМП Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью. На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 к. Гц до 300 к. Гц. (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора). В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля (Н~), создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле (Н 0), то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, . величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Феррозондовые ПМП При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на измерительных обмотках будет отсутствовать, поскольку изменение магнитного потока в этом случае вызывает появление в точках S 1 и S 2 сердечника напряжений противоположной полярности, которые компенсируют друга. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Феррозондовые ПМП Если перпендикулярно измерительной обмотке X воздействует магнитное поле с напряженностью Н, то оно складывается с магнитным полем возбуждения и изменения магнитного потока становятся асимметричными. В результате этого появляется выходное напряжение, пропорциональное производной разности магнитных потоков. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Распределение поля рассеяния постоянного магнита (а), и влияние концентратора - (б) Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения В ~ 1/D 2 Зависимость индукции ПМ от расстояния до МЧЭ (а), и при использовании концентратора магнитного поля - (б) Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Зависимость индукции ПМ от расстояния до МЧЭ при использовании смещающих магнитов разной полярности Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Зависимость индукции магнитного поля при боковом перемещении ПМ Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Устройство датчика перемещения с встроенным постоянным магнитом Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики линейного перемещения Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики линейного перемещения Датчик перемещения с использованием магниторезистора типа СМ 4 -1: а - магнитная система; б -выходная характеристика Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики приближения Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики приближения Датчик приближения с использованием магниторезистора типа СМ 4 -1: а - магнитная система; б - выходная характеристика Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики приближения Датчик приближения с использованием магниторезистора типа СМ 4 -1: а - электрическая схема ; б - выходная характеристика Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Координаточувствительные датчики Схема двухкоординатного магнитного датчика линейного перемещения с применением двух магниторезисторов. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Координаточувствительные датчики Схема четырехкоординатного магнитного датчика с применением магниторезисторов. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Щелевые датчики Конструкция щелевого магнитного датчика. Конструкция шторок-замыкателей, используемых в щелевых магнитных датчиках: а - колесо-обтюратор; б - «гребенка» ; в - цилиндр Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Многоканальные щелевые датчики Устройство многоканального щелевого магнитного датчика на коде Грея. кодовая пластиназамыкатель; структурная схема. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики угла поворота «Кольцевой» магниторезистор (мост): - внешний вид; - функциональная характеристика: 1, 3 - выводы входа; 2, 4 - выводы выхода Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики скорости вращения Датчик скорости вращения: а - схематическое устройство; б -зависимость индукции в зазоре от положения зуба; в -вид сигнала в аналоговой форме; г - вид сигнала в цифровой форме Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики скорости вращения, основанные на считывании магнитного поля полюсов многополюсных магнитов Датчик скорости вращения с применением дифференциального тонкопленочного магниторезистора: а - схематическое устройство; б - эпюры напряжений получаемых на выходе датчика при различных положениях магнита-модулятора Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики скорости вращения, использующие вихревые токи Измеритель частоты вращения, использующий вихревые токи: 1 - диск из проводящего материала; 2 - постоянные магниты; 3 - магнитопровод; 4 - дифференциальные магниторезисторы. При вращении алюминиевого диска диаметром 70 мм с частотой 3000 об/мин в магнитном поле с индукцией порядка 0, 5 Тл сигнал в диагонали моста составляет 160 м. В при напряжении питания, равном 5 В. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики скорости вращения, использующие вихревые токи Магнитный датчик скорости вращения медного диска: а - вариант конструкции; б выходная характеристика Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики угла наклона Простейшый датчик угла наклона: а - конструкция: б - принцип действи: 1 -корпус датчика; 2 - подвес; 3 - постоянный магнит; 4 -магниточувствительный элемент; 5 -основание корпуса; 6 - демфифирующая жидкость Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики перемещения Датчики угла наклона Датчик угла наклона типа PMP-STX и его выходная характеристика. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики для считывания информации с магнитных носителей Традиционная индукционная воспроизводящяя головка Схематическое изображение традиционной индукционной воспроизводящей головки. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики для считывания информации с магнитных носителей Магнитоэлектронные воспроизводящие головки Конструкция звуковоспроизводящих головок, реализованных с применением элементов Холла: а - с ЭХ в дополнительном зазоре; б - с ЭХ в рабочем зазоре По сравнению с традиционными индукционными головками, головки с применением МЧЭ, имеют широкую полосу воспроизводимых частот, начиная с постоянного тока до 50 к. Гц и более. В результате отпадает необходимость использования специальных схем, корректирующих (выравнивающих) их частотную характеристику. Такие головки являются одним из перспективных направлений, отвечающих важному требованию, предъявляемому к современным приборам, требованию микроминиатюризации (ширина одной дорожки равна 0, 3– 1, 0 мкм). Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики для считывания информации с магнитных носителей Магнитные датчики распознавания образов Справа конструкция магнитной головки, предназначенной для считывания магнитных знаков и рисунков. а - упрощенная электрическая схема; б - форма сигнала на выходе. При считывании информации с банкноты достоинством в 1000 иен на выходе датчика генерируется сигнал примерно 0, 5 м. В, что гарантирует высокую достоверность распознавания. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Датчики тока и напряжения последнего поколения представляют собой магнитоэлектронные устройства, принцип действия которых основан на измерении магнитной индукции, создаваемой проходящим током и регистрируемый преобразователем магнитного поля. В качестве преобразователей магнитного поля, в принципе, могут использоваться любые типы преобразователей магнитного поля: элементы Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы и др. Однако наибольшее распространение для указанных целей получили два типа ПМП: магниторезисторы - для регистрации малых токов (до 0, 5 А) и элементы Холла - для измерения больших токов (до 1000 А и более). Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Схема измерения тока с использованием магнитного поля рассеяния RB – безопасное расстояние от центра проводника до центра магниточувствительного элемента Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Измерение тока при использовании: а – концентратора магнитного поля; б – концентратора и токовой обмотки Измерительные вычислительные системы Потоки рассеяния и магнитная проницаемость материала концентратора являются функциями магнитной индукции и связь между измеряемым током и индукцией в воздушном зазоре в той или иной мере отклоняется от линейной. ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Графики индукции в зазоре для колец: из пермаллоя; из феррита Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Компенсационная схема измерения тока В этой схеме преобразователь магнитного поля используется как индикатор нулевого магнитного поля в воздушном зазоре Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Компенсационная схема измерения тока Принципиальная электрическая схема датчика тока, реализованного с применением полевого элемента Холла Выходная характеристика датчика тока, реализованного с применением полевого элемента Холла Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Датчики измерения тока и напряжения Компенсационная схема измерения тока Функциональная схема датчика тока с компенсационной обмоткой (Компенсационная обмотка содержит, как правило, порядка 1000. . . 2000 витков) Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитные датчики в современных электродвигателях вентильные (ВЭД) или прямовыводные (ПДПТ) электродвигатели постоянного тока Бесколлекторные двигатели постоянного тока обладают следующими преимуществами: • плавностью хода и бесшумностью работы вплоть до очень высоких оборотов, обусловленные отсутствием щеток и пазов (как в статоре, так и в роторе); • более чем десятикратным увеличение срока эксплуатации, определяемого сроком службы подшипников, а не коллектора, как у обычных двигателей постоянного тока (до 10 тыс. часов); • отсутствием щеток и коллектора, предопределяющее очень легкие условия запуска двигателя; • отсутствием контактных шумов и, следовательно, помехозащитных устройств; • отсутствием искрообразования, делающие двигатель пригодным для работы во взрывоопасной среде; • отсутствием в двигателе элементов, свойства которых меняются с течением времени, что позволяет даже после многолетней эксплуатации двигателя сохранять неизменными свои исходные характеристики. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитные датчики в современных электродвигателях вентильные (ВЭД) или прямовыводные (ПДПТ) электродвигатели постоянного тока Элемент Холла, как датчик положения ротора: а - эквивалентная схема; б - эпюры напряжений на выходе Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитные датчики в современных электродвигателях Простейший бесколлекторный электродвигатель постоянного тока: а - принципиальная схема; б - конструкция Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитные датчики в современных электродвигателях Создание электромагнитного момента и коммутация обмоток бесколлекторного ЭД при трех основных положениях ротора. а – элемент Холла определяет северный полюс постоянного магнита N ротора и подключает обмотку w 2 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, вызывающий вращение ротора против часовой стрелки б – элемент Холла выходит из-под действия магнитного поля, что приводит к запиранию обоих транзисторов VT 1, VT 2 и обесточиванию обеих обмоток. Ротор продолжает по инерции вращаться против часовой стрелки; в – элемент Холла определяет южный полюс S ротора и подключает обмотку w 1 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, притягивающий северный полюс S ротора, продолжая вращение ротора против часовой стрелки. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Магнитные датчики в современных электродвигателях Двухфазный двигатель с применением одного элемента Холла и двух обмоток является самым простым и, следовательно, самым дешевым типом ВЭД. Однако такой электродвигатель имеет следующие недостатки: • наличие двух «мертвых точек» , при которых элемент Холла не может определить направление магнитного поля, а значит, в обмотках не протекают токи, создающие электромагнитный момент. Следовательно, если двигатель имеет фрикционную нагрузку, то существует вероятность остановки его ротора в «мертвой точке» . При этом отсутствует возможность запуска двигателя; при малом значении момента трения ротор может пройти по инерции «мертвую точку» ; • при малом значении электромагнитного момента мала и противо-ЭДС, что вызывает увеличение тока и значительные потери в обмотках. Поэтому падает КПД двигателя, являющийся отношением выходной механической мощности к потребляемой электрической мощности двигателя. Для устранения «мертвых точек» используются специальные методы. Один из методов связан с использованием многофазной конструкции ВЭД, другой – с использованием пространственного гармонического магнитного поля и т. д. Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Различные магнитные датчики Вариант конструкции лопастного датчика расхода жидкости Измерительные вычислительные системы Вариант конструкции анемометра ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Различные магнитные датчики Вариант конструкции манипулятора типа «джойстик» : 1 – рукоятка; 2 – постоянный магнит; 3 – преобразователь магнитного поля Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Различные магнитные датчики Конструкция (а) и схема (б) датчика наклона: 1 - магнитопровод; 2 - кольцевой магнит; 3 - стойка; 4 - магниторезисторы; 5 - воронка; 6 - стальной шарик Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Преобразователи магнитного поля и датчики магнитного поля Различные магнитные датчики Электрическая схема простейшего определителя направления на локальный источник магнитного поля, реализованного с применением тонкопленочного магниторезистора типа Ав-2 Измерительные вычислительные системы ИГУ-2014 доц. Семенов А. Л.
Скачать презентацию Измерительные вычислительные системы Магнитные датчики и преобразователи магнитного
ИВС_Лекция_4_манитные_датчики.pptx