دانلود گزارش کارآموزی اصول کار سنسورهای اثر هال و مگنتواستریکتیو و مگنتورزیستیو

مقدمه

بطور کلی موقعیت سنجی از روش های مختلف زیر قابل حصول است :

خازنی، جریان یورشی،  نوری،  مقاومتی، سونار، لیزری،  پیزوالکتریک، القایی،  مغناطیسی.

سنسور های مغناطیسی برای بیش از 2000سال است که در حال استفاده می باشند. کاربرد اخیر سنسورهای مغناطیسی در رهیابی یاناوبری(Navigation) می باشد.

سنسورهای  مغناطیسی از آهنربای دائمی و یا آهنربای الکتریکیِ تولید شده از جریان ac و dc استفاده می کند. سنسورهای مغناطیسی ، بطور کلی ، بر میدان مغناطیسی عمل می کنند و ویژگیهای آنها تحت تاثیر میدان مغناطیسی تغییر می کند. از ویژگیهای این سنسورها غیر تماسی بودن (Noncontact) آنهاست. در آنها هیچ اتصال مکانیکی میان قسمت های متحرک و قسمت های ثابت وجود ندارد. این خاصیت منجر به افزایش طول عمر آنها شده است. علاوه بر این لغزش قسمت های متحرک بر هم، در دیگر سنسورها مثل پتانسیومتر باعث ایجاد نویز می شود، که این مشکل در سنسورهای مغناطیسی رفع شده است.

سنسورهای مغناطیسی به سبب ساختار مناسبی که دارند در محیط های آلوده، چرب و روغنی بخوبی عمل می کنند و به همین علت در اتومبیل و کاربرد های این چنینی بسیار مفید هستند.

سنسورهای مغناطیسی بر مبنای رنج میدان اعمالی بصورت زیر تقسیم بندی می شوند:

Low field :  کمتر از 1mG

Medium field : ما بین 1mG و 10G

High field : بالاتر از 10G

جابجایی ( Displacement ) به معنی تغییر موقعیت است. سنسورهای جابحایی به دو نوع افزایشی ( Incremental ) و مطلق ( Absolute ) تقسیم می شوند. سنسور های افزایشی میزان تغییر بین موقعیت فعلی و قبلی را مشخص می کنند. چنانچه اطلاعات مربوط به موقعیت فعلی از دست برود، مثلا منبع تغذیه دستگاه قطع بشود، سیستم باید به مبدا خود منتقل شود.( reset شود.) در نوع مطلق موقعیت فعلی بدون نیاز به اطلاعات مربوط به موقعیت قبلی بدست می آید. نوع مطلق نیازی به انتقال به مرجع خود را ندارد. معمولا سنسورهای جابجایی مطلق را سنسورهای موقعیت  ( Position sensor ) می نامند.

( نمودارها و تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)

در این پروژه سعی شده است تا سنسورهای جابجایی ، موقعیت و مجاورتی ( Displacement , Position , Proximity ) ‌پوشش داده شود.

بطور کلی زمانی که بخواهیم کمیت های فیزیکی مانند جهت ،  حضور یا عدم حضور ، جریان ، چرخش و زاویه را اندازه گیری کنیم و از سنسورهای مغناطیسی استفاده کنیم ، ابتدا بایستی تا این کمیت ها یک میدان مغناطیسی را بوجود آورند و یا تغییری در میدان مغناطیسی یا در خصوصیات مغناطیسی سنسور ایجاد نمایند و در نهایت سنسور این تغییر را احساس نموده و آنرا با یک مدار بهسازی به جریان یا ولتاژ مناسب تغییر دهیم.

در ادامه اصطلاحاتی جهت یادآوری بیان می شود: 

شدت میدان مغناطیسی (Magnetic field intensity) : آنرا با H نمایش می دهند و نیرویی است که شار مغناطیسی را در ماده به حرکت در می آورد. به همین علت بدان نیروی مغناطیس کنندگی (Magnetizing force) نیز می گویند. واحد آن آمپر بر متر می باشد.

چگالی شار مغناطیسی (Magnetic flux density) :  آنرا با B  نمایش می دهند. میزان شار مغناطیسی است که در واحد سطح ماده توسط نیروی مغناطیس کنندگی بوجود آمده است. واحد آن نیوتن بر آمپر بر مترمربع می باشد.

نفوذپذیری مغناطیسی (Magnetic permeability) : آنرا با نمایش می دهند. توانایی و قابلیت ماده جهت نگهداشتن و عبور شار مغناطیسی است. در فضای آزاد

رابطه                          

بر قرار است که نفوذ پذیری مغناطیسی فضای آزاد است و برابر می باشد. درسایر مواد رابطه به شکل خواهد بود که و نفوذ پذیری مغناطیسی نسبی ماده می باشد.

هیسترزیس  ( Hysteresis ) : پدیده ای است که در آن حالت سیستم وارون پذیر نمی باشد. در یک سنسور جابجایی یا موقعیت این پدیده باعث می شود تا مقدار خوانده شده در یک نقطه توسط سنسور هنگام رسیدن بدان از بالا و پایین تفاوت بکند. شکل زیر این پدیده را نشان می دهد.

هیسترزیس مغناطیسی (Magnetic hystresis) : زمانی که یک ماده فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار می گیرد به سبب عقب افتادگی چگالی شار (B) از نیروی مغناطیس کنندگی (H) ، این پدیده رخ می دهد.

 اشباع مغناطیسی (Magnetic saturation) : حد بالای توانایی یک ماده جهت عبور شار مغناطیسی از خود است.

سنسورهای اثرهال       (Hall Effect Sensors)

مقدمه

یک عنصر هال از لایه نازکی ماده هادی با اتصالات خروجی عمود بر مسیر شارش جریان ساخته شده است وقتی این عنصر تحت یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ولتاژ خروجی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی تولید می کند. این ولتاژ بسیار کوچک و در حدود میکرو ولت است. بنابراین استفاده از مدارات بهسازی ضروری است. اگر چه سنسور اثرهال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود. در سنسورها، سنسور اثر هال میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند.

ویژگیهای عمومی

ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند:

1 - حالت جامد ؛ 2 - عمر طولانی ؛ 3 - عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای 100KHZ ؛ 4 - عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛ 5 - اجزای غیر متحرک ؛ 6-ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic  Compatible  input and output ؛ 7 - بازه  دمایی گسترده  (-40C ~ +150C) ؛ 8 - عملکرد تکرار پذیرعالی Highly  Repeatable  Operation ؛ 9 - یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث
می شود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد.

تاریخچه

اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin   Hall) درسال 1879 در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns  Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود.

هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید.

او دریافت که این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است. اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود 70 سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد.

با ورود مواد نیمه هادی در دهه 1950 اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال 1965 Joe  Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود.

تئوری اثرهال

اگر یک ماده هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی به شدت B که عمود برجهت جریان عبوری به مقدار I می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود.

این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در قطعات اثرهال تجارتی استفاده میشود. ولتاژها به این علت پدید می آید که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند

حاملهای جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند، ضمن اینکه در لبه مخالف کمبود حامل اتفاق می افتد. این  عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند

برای یک قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شکل با ضخامت t ولتاژهایV توسط رابطه زیر بدست می آید:

 ،

KH ضریب هال برای ماده مورد نظر است که بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد.

آنتیمونید ایریدیم ترکیبی است که در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود.

ولتاژهال در رنج  در سیلیکن بوجود می آید و تقویت کننده برای آن حتمی است. سیلیکن اثر پیز و مقاومتی دارد و بنابراین براثر فشار مقاومت آن تغییر می کند. در یک سنسور اثر هال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود. این عمل با قرار دادن عنصر هال بریک IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام میشود. بطوری که بر هر یک از دو بازوی مجاور مدار پل یک عنصر هال قرار گیرد، در یکی جریان بر میدان مغاطیسی عمود است و ولتاژ هال ایجاد می شود و در دیگری جریان موازی با میدان مغناطیسی می باشد و ولتاژ هال ایجاد نمی‌شود. استفاده از 4 عنصر هال نیز مرسوم می باشد

ولتاژهال در رنج در سيليكن بوجود مي آيد و تقويت كننده براي آن حتمي است. سيليكن اثر پيز و مقاومتي دارد و بنابراين براثر فشار مقاومت آن تغيير مي كند. در يك سنسور اثر هال بايد اين خصوصيت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گيري افزوده شود. اين عمل با قرار دادن عنصر هال بريك IC براي به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام ميشود. بطوري كه بر هر يك از دو بازوي مجاور مدار پل يك عنصر هال قرار گيرد، در يكي جريان بر ميدان مغاطيسي عمود است و ولتاژ هال ايجاد مي شود و در ديگري جريان موازي با ميدان مغناطيسي مي باشد و ولتاژ هال ايجاد نمي‌شود. استفاده از 4 عنصر هال نيز مرسوم مي باشد

اساس سنسورهاي اثرهال

عنصرهال، سنسور ميدان مغناطيسي است. باتوجه به ويژگيهاي ولتاژ خروجي اين سنسور نياز منديك طبقه تقويت كننده و نيز جبران ساز حرارتي است. چنانچه از منبع تغذيه با ريپل فراوان استفاده كنيم وجود يك رگولاتور ولتاژ حتمي است.

رگولاتور ولتاژ باعث مي شود تا جريان I ثابت باشد بنابراين ولتاژ هال تنها تابعي از شدت ميدان مغناطيسي مي باشد.

اگر ميدان مغناطيسي وجود نداشته باشد ولتاژي توليد نمي شود. با وجود اين اگر ولتاژ هر ترمينال اندازه گيري شود مقداري غير ا ز صفر به ما خواهد داد. اين ولتاژ  كه براي تمام ترمينال ها يكسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته مي‌شود. بنابراين تقويت كننده بكار گرفته شده مي بايست يك تقويت كننده تفاضلي باشد تا تنها اختلاف پتانسيل را تقويت كند.

مطالبي اضافه در مورد مدارات بهسازي سنسورهاي اثر هال

سنسورهاي هال ديجيتال

در اين سنسورها وقتي بزرگي ميدان مغناطيسي به اندازه مطلوبي رسيد سنسور ON مي شود و پس از اينكه بزرگي ميدان از حد معيني كاهش يافت سنسور خاموش مي شود. لذا در اين سنسورها خروجي تقويت كننده تفاضلي را به مدار اشميت تريگر مي دهند تا اين عمل را انجام دهد، براي جلوگيري از پرش هاي متوالي از تابع هسترزيس زير استفاده مي كنند.

سنسورهاي آنالوگ

سنسورهاي آنالوگ ولتاژ خروجي خود را متناسب با اندازه ميدان مغناطيسي عمود بر سطح خود، تنظيم مي كنند. با توجه به كميت هاي اندازه گيري اين ولتاژ مي تواند مثبت يا منفي باشد. براي اينكه سنسورهاي ولتاژ خروجي منفي توليد نكند و همواره خروجي تقويت كننده تفاضلي را با يك ولتاژ مثبت را پاس مي كنند.

در شكل بالا توجه داريم كه يك نقطه صفر وجود دارد كه در آن ولتاژي توليد نمي شود . از ويژگيهاي اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحي اشباع در شكل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال مي باشد . معمولا خروجي تقويت كننده تفاضلي را به ترانزيستور پوش-پول مي د هند.

سنسور آنالوگ اثر هال

سيستم هاي مغناطيسي

سنسور اثر هال درحقيقت بدين  ترتيب عمل ميكند كه توسط يك سيستم مغناطيسي كميت فيزيكي به ميدان مغناطيسي تبديل مي شود. حال اين ميدان مغناطيسي توسط سنسور اثر هال حس مي شود. بسياري از كميت هاي فيزيكي با حركت يك آهنربا اندازه گيري مي شوند.

مثلاً  دما و فشار را مي توان بوسيله انقباض و انبساط يك Bellows كه به آهنربا  متصل است اندازه گيري نمود.

روش هاي مختلفي جهت ايجاد ميدان مغناطيسي وجود دارد.

Unipolar head-on  mode *

در اين حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حركت مي كند.

همانطور كه در شكل بالا ديده مي شود منحني تغييرات فاصله وميدان مغناطيسي در اين شكل آمده است (منحني بدست آمده غير خطي است) و دقت درحد متوسط است. مثلاً اگر يك سنسور اثرهال ديجيتالي را در نظر بگيريم در اين حالت در فاصله أي كه G1 حاصل مي شود سوئيچ عمل مي كند و On ميشود و وقتي كه فاصله به حدي رسيد كه G1 حاصل شود سوئيچ OFF ميكند.

*   Unipolar   slide-by  mode

در اين حالت آهنربا در يك مسير افقي نسبت به سنسور تغيير مكان مي كند.

منحني تغييرات مكان نسبت به ميدان مغناطيسي بازهم غير خطي است- دقت اين روش كم است و لي حالت تقارني كاملاً ديده مي شود. مثلاً سنسور اثرهال ديجيتالي را در نظر بگيريد كه در اثر ميدان G1 روشن شده و در ميدان G2 خاموش مي شود وقتي آهنربا از سمت راست حركت مي كند و به موقعيت +D1 مي رسد آنگاه سنسور عمل ميكند. اين حركت ادامه مي تواند داشته باشد تا به موقعيت –D2 برسد، در اين هنگام سنسور آزاد مي شود و به همين ترتيب.

*   Bipolar  Slide –By  made

در اين حالت از 2 آهنربا كه قطب S,N هر كدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده مي كنيم.

دقت در اين روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولي مي توان در بخش هايي، از خاصيت خطي منحني استفاده نمود. اگر همان سنسور ديجيتالي قبلي را در نظر بگيريم در حركت از راست به چپ وقتي كه فاصله به D2 مي رسد آنگاه سنسور عمل مي كند و تا به مرحله D4 پيش مي رود. بنابراين در يك حركت پيوسته از راست به چپ سنسور در بخش شيب تند عمل مي كند و در بخش شيب كند رها ميكند. جهت حذف شيب تند در بخش مبدأ از يك تكنيك ديگر استفاده مي شود. بدين ترتيب كه در ميان ايندو آهنربا فاصله معيني قرار مي دهند.

اين عمل بطور چشمگيري دقت را افزايش مي دهد.

حالت ديگري نيز به كار مي‌رود كه در آن منحني حاصل بصورت يك تابع پالس است. در اين روش در ميان دو آهنربا، آهنرباي ديگري قرار مي دهند كه پهناي پالس متناسب با پهناي اين آهنربا مي باشد.

Bipolar  Slide –By  mode (ring  magnet)

در اين حالت از يك آهنرباي حلقه استفاده مي شود آهنرباي حلقه اي يك قطعه آهنرباي ديسك مانند است كه قطب هاي آن در پيرامون آن قرار دارند. در شكل زير آهنرباي حلقه اي با دو جفت قطب نمايش داده مي شود. به منحني حاصل شيبه به يك منحني سينوسي است.  هرچه تعداد قطبهاي آهنرباي حلقه اي بيشتر باشد مقدار پيك حاصل در اندازه ميدان كمتر خواهد بود. تعداد پالس هاي حاصل در اين روش برابر با جفت قطبهاي آهنربا مي باشد. محدوديت در ساخت آهنرباي حلقه اي با جفت قطبهاي زياد،  محدوديت اين روش محسوب مي شود.

مقايسه اي از اين سيستمها در زير آمده است :

منظور از All حركتهاي چرخشي، پيوسته و رفت و برگشتي است.

هم اكنون به تشريح برخي از كاربرد هاي سنسورهاي اثرهال مي پردازيم .

سنسورهاي موقعيت تشخيص پره ( Vane Operated Position Sensor)

اين سنسورها گاهاً تحت عنوان سنسورهاي پره شناخته مي شوند و شامل يك آهنربا و يك سنسور اثرهال با خروجي ديجيتالي مي باشند. شكل زير اين دو بخش را در يك بسته نشان ميدهد.

اين سنسور داراي يك فاصله هوايي ميان آهنربا و سنسور اثرهال مي باشد و توانايي موقعيت سنجي خطي و نيز موقعيت سنجي زاوايه اي را نيز دارد.

پره دايروي

سنسور موقعيت پيستون (Piston detection sensors)

در شكل مقابل روشي جهت موقعيت سنجي پيستون در يك سيلندر غير آهني داده شده است. درحالت نخست آهنربا هايي را در درون پيستون به گونه اي قرار مي دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجي خطي دريافت شوند.

در حالت دوم از يك پيستون آهني و آهنربا و سنسور اثرهال استفاده مي شود. در اين حالت نياز است تا مشخصات سيستم مغناطيسي بطور مطلوبي در دسترس باشد.

برقراري هاي استفاده از اثرهال در اين موقعيت سنجي به شرح زير مي باشد:

1- ابعاد كوچك سنسورها 2 - عدم نياز به منبع قدرت خارجي براي آهنرباها3 - رنج دمايي بزرگ از 40c تا 150c

4 - توانايي عمل در محيط كثيف و آلوده

برخي از  نمونه ها

در اين بخش برخي از سنسورهاي شركت Honeywell به همراه اطلاعات كلي آنها آمده است.

سنسورهاي مگنتواستريكتيو ( Magnetostrictive sensors)

معـــــــرفي

تكنولوژي سنسورهاي مگنتواستريكتيو از حدود سال 1970 ميلادي توسط شركت MTS TEMPOSONIC بدست آمده است. هم اكنون نيز تقريبا بخش عمده سنسورهاي توليدي با اين تكنولوژي را اين شركت تهيه مي كند.

سنسورهاي مگنتو استريكتيو غير تماسي و مطلق هستند. غير تماسي بودن آ‌نها باعث عمر طولاني و عدم فرسودگي زود هنگام آنها مي شود. وقتي يك سنسور تماسي مانند پتانسيومتر را بررسي كنيم متوجه مي شويم كه با حركت لغزنده بر عنصر مقاومتي، لغزش هاي كوچكي رخ ميدهد كه عامل ايجاد نويز، هيسترزيس و عمر محدود آن مي باشد. بنابراين با گذشت زمان و فرسوده شدن پتانسيومتر نسبت سيگنال به نويز كاهش مي يابد و نيز مي تواند نقاط مرده اي بر عنصر مقاومتي توليد شود، كه تعويض عنصر سنسور را قطعي مي كند.

سنسورهاي مگنتواستريكتيو در دو مسير متفاوت رشد كرده اند يكي بسوي سنسورهاي هوشمند توانا در اندازه هاي كوچكي دومي بسوي سنسورهاي ارزان قيمت طراحي شده جهت كاربردهاي ويژه در صنايع.

تئـــــــــوري

Magnetostriction يك خاصيت مواد فرو مغناطيسي مانند آهن، نيكل و كبالت مي باشد. وقتي اين مواد در يك ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند تغيير شكل و يا تغيير اندازه مي دهند.

وقتي يك ماده فرو مغناطيسي، در  ميدان مغناطيسي قرار نگرفته باشد و به اصطلاح آهنربا نشده باشد، اين حفره ها بطور دلخواه قرار گرفته اند. ولي در اثر حضور ميدان مغناطيسي، حوزه ها منظم گشته و در يك جهت قرار مي گيرند. بدين ترتيب خاصيت مغناطيسي حوزه ها تقويت شده و ماده از خود خواص مغناطيسي نشان ميدهد. اين ويژگي با خواص آلياژ، شدت ميدان مغناطيسي و شرايط گرم و سرد كردن در حين قالب گيري و ذوب كردن متناسب مي باشد.

وقتي اسپين هاي الكترون بر اثر ميدان مغناطيسي تغيير جهت دهند، برهم كنش بين اسپين الكترون و اوربيت منجر مي شود تا انرژي الكترون تغيير كند. در نهايت ماده كش مي آيد تا الكترون ها در آخرين سطح انرژي به سطح انرژي كمتري رسيده و درحالت آرامش قرار گيرند.(پايداري)

مواد مي توانند داراي خاصيت هاي باشند. وقتي داراي خاصيت PM باشند براثر اعمال مغناطيسي اندازه آنها بزرگتر مي شود. خاصيت NM باعث كوچكتر شدن ماده در حضور ميدان مغناطيسي مي شود. مگنتو استريكتيو در عناصر پايه و آلياژهاي ساده تغيير اندازه هاي كوچكي را باعث مي شود.

Positive Magnetostriction (PM)

Negetive  Magnetostriction (NM)

عكس اثر مگنتواستريكتيو، اثر ويلاري مي باشد.(Villary Effect) يعني با اعمال فشار بريك ماده مگنتواستريكتيو خصوصيات مغناطيسي آن مانند نفوذپذيري مغناطيسي آن تغيير مي كند.

وقتي يك ميدان مغناطيسي محوري بر يك سيم مگنتو استريكتيو كه جرياني از آن مي گذرد اعمال مي شود، در ميدان مغناطيسي اعوجاجي براثر برهم كنش ميدان مغناطيسي (مثلاً حاصل از يك آهنرباي دايمي) و ميدان مغناطيسي حاصل از عبور جريان الكتريكي بوجود مي آيد. جريان اعمالي را يك پالس با پهناي پالس كوچك( 1 تا 2 ميكروثانيه) در نظر بگيريم.

در اين حالت اثر پوستي كاملاً تاثير گذار خواهد بود و باعث مي گردد تا حداقل چگالي جريان از مركز سيم عبور كند و حداكثر چگالي جريان از سطح سيم بگذرد. بنابراين شدت ميدان مغناطيسي در سطح سيم بزرگتر است اين امر اعوجاج سيم را افزايش مي دهد. بنابراين اين اعوجاج مكانيكي تبديل به يك موج اولتراسونيك مي شود و در طول سيم حركت مي كند. اين موج با سرعت 340 متر بر ثانيه در سيم حركت مي كند.

بنابراين عبور جريان پالسي با عرض پالس كوچك از يك سيم مگنتو استريكتيو در حضور يك ميدان مغناطيسي خارجي باعث اعوجاجي در ميدان مغناطيسي آهنربا شده و اين اعوجاج بوسيله امواج اولتراسونيك تغيير شكل سيم را سبب مي شود.

نحوه عملكرد موقعيت سنج

اين موقعيت سنج داراي يك آهنربا است كه به قسمت متحرك دستگاه وصل مي شود. سيمي نيز كه بوسيله پوششي محافظت مي شود به بخش ثابت دستگاه متصل است.

موقعيت سنج بدين ترتيب عمل مي كند كه با جاري شدن پالس جريان در سيم، شمارنده اي شروع به شمارش مي كند. پالس جريان در محلي كه آهنرباي متصل به جسم قرار دارد يك موج اولتراسونيك توليد مي كند. (اثرو ايدمن) اين موج در طول سيم عبور مي كند تا بوسيله يك محرك (pick-up) دريافت شود و در اين هنگام به سبب ولتاژ توليد شده در بخش محرك (pick-up) تايمر متوقف مي شود. زمان سپري شده توسط تايمر نشاندهنده موقعيت آهنربا مي باشد. از آنجاييكه موج صوتي در جهت مخالف نيز مي تواند حركت كند، براي جلوگيري از برگشت موج از يك دامپر(Damper) استفاده مي كنيم تا انرژي آنرا جذب كند.

بخش محرك يا (pick-up) از اثر ويلاري استفاده مي كند. اين بخش از يك آهنربا تشكيل شده است. ماده مگنتواستريكتيو كوچكي به قسمت انتهايي سيم متصل گشته است و بوسيله اين آهنرا مگنتيزه مي شود. اين ماده مگنتواستريكتيو در درون سيم پيچ كوچكي قرار گرفته است. وقتي موج صوتي به آن مي رسد برمبناي اثر ويلاري، ضريب نفوذپذيري مغناطيسي آن تغيير مي كند. به سبب تغيير ميدان در سيم پيچي، ولتاژي در پايانه هاي آن  ايجاد مي گردد.(اثر فارادي) اين ولتاژ باعث خاموش شدن تايمر مي گردد.

مشخصات كلي و مقايسه

سنسورهاي موقعيت مگنتواستريكتيو خطي از ابعاد 10mm تا 20m ساخته مي شوند. درصد غير خطي بودن اين سنسورها كمتر از 0.02% است. رزولوشن آنها نيز در حدود يك ميكرومتر مي باشد. سنسورهاي بلندتر از نظر هزينه بسيار مطلوب مي باشند، چون تنها سيم و بخش بدنه آن بلند تر خواهد شد و ساير قسمت ها تغيير چنداني نخواهد كرد. سيم مگنتواستريكتيو براي موقعيت سنجي خطي بطور مستقيم قرار مي گيرد و براي حركت هاي چرخشي يا زاويه اي يا منحني الخط مي تواند شكل مناسبي را به خود بگيرد. البته هنوز كاربرد چرخشي اين نوع سنسورها  فراگير نشده است.

در مقايسه با LVDT ها كه براي اندازه گيري 1mm با درصد غير خطي 0.1% و اندازه گيري 25mm با درصد غير خطي 1% تا 0.2% به كار مي روند،  خروجي بهتري دارند. در عين حال توليد LVDT براي اندازه گيري تغييرات بيشتر از 100mm گران و دشوار است.

سنسورهاي مگنتورزيستيو

Magnetoresistive sensors

كاربرد ها و انواع

همانطور كه گفته شد، اين تكنولوژي متعلق به شركت MTS TEMPOSONIC  بوده است و هم اكنون نيز بخش عمده اي از محصولات مگنتواستريكتيو توسط اين شركت توليد مي گردد.

شركت MTS داراي توليدات در مجموعه هاي E ,R,L,S مي باشد. پيدا مي كنند.

اين سنسورها داراي كاربرد هاي خطي هستند كه گاها با تغيير شكل سيم‌كاربردچرخشي نيز پيدا مي كنند.

برخي از كاربرد هاي آنها اين چنين است .

سنسورهاي مگنتورزيستيو

Magnetoresistive sensors

معرفي و تاريخچه

ويليام تامپسون و بعداً لورد كلوين، براي اولين بار اثر مگنتور زيستيو در سال 1856 در مواد فرومغناطيسي مشاهده نمودند. اين كشف تا حدود 100 سال بعد كه تكنولوژي ساخت فيلم هاي نازك بدست آمد بدون استفاده باقي ماند.

همانطور كه از نام آن برمي آيد ، با تغيير ميدان مغناطيسي مقاومت الكتريكي اين مواد تغيير مي كند.

در بيشتر مواد مغناطيسي، زماني که يک ميدان مغناطيسي اعمال مي شود و( H ) عمود بر جهت جريان باشد مقاومت الکتريکي کاهش مي يابد. کاهش مقاومت در ازاي افزايش چگالي شار مغناطيسي( B ) است و تا زماني که ماده به اشباع برود ادامه مي يابد. وقتي ميدان مغناطيسي موازي جهت جريان الکتريکي است با افزايش شدت ميدان مغناطيسي مقاومت افزايش مي يابد. به اين پديده مگنتورزيستيو(MR  ) مي گويند.

اين پديده نتيجه دو عمل است:

1- کاهش سرعت حاملهاي مقدم به سبب مجبور شدن حاملها به حرکت از يک طرف.

2- کاهش مقطع عرضي مؤثر هادي به سبب حرکت گروهي حاملها در يک طرف.

در حقيقت:

(Resistivity = Voltage / (  Carrier density  *  Carrier velocity

برمبناي اندازه تغييرات مقاومت الكتريكي در ازاي تغيير ميدان مغناطيسي به سه دسته تقسيم مي شوند :

Anisotr

Giant Magnetoresistive (GMR)

Colossal Magnetoresistance (CMR) opic Magnetoresistive (AMR)

پركاربرد ترين دسته سنسورهاي MR  ، دسته AMR مي باشد كه پهناي باند بين 1 - 5 مگاهرتز دارند و عكس العمل آنها بسيار سريع است كاربرد هاي MRسنسورهاي در هدهاي خواندن نوارهاي صوتي، سرعت چرخ اتومبيل و ميل لنگ، در ناوبري، شناسايي وسيله نقليه (Vehicle  Deteetion) وسنسورهاي جريان و  ...  مي باشد.

تـــئـــــوري

با توجه به كاربرد وسيع AMR ها در صنعت به بيان اساس و تئوري اين دسته مي‌پردازيم

سنسورهايAMR  مي توانند ميدانهاي استاتيك را از نظر قدرت و جهت ميدان احساس كنند. اين سنسورها از فيلم نازك پرمالوي قرار گرفته بر يك ويفرسيليكن تشكيل مي شود.پرمالوي آلياژي است از آهن و نيكل.

در طول ساختن AMR يك ميدان مغناطيسي قوي برآن اعمال مي كنند كه موجب جهت گيري حوزه ها و تشكيل بردار مغناطيسي شوندگي در پرمالوي مي شود. بردار مغناطيسي شوندگي موازي با طول AMR قرار مي گيرد.

اگر جرياني از AMR با زوايه 45درجه نسبت به طول قطعه عبور نمايد، زوايه اي() بين بردار مغناطيسي شوندگي و جريان پديد مي آيد مقاومت AMR زماني كه جريان موازي بردار مغناطيسي شوندگي باشد بيشترين مقدار را خواهد داشت.

زماني كه يك ميدان مغناطيسي خارجي بر AMR عمل كند بردار مغناطيسي شوندگي مي چر خد و  تغيير مي كند. اين امر باعث تغيير مقاومت و در نهايت باعث تغيير ولتاژ خروجي در مدار پل مي شود.

شكل زير تغييرات مقاومت را به ازاي تغيير زوايه  نشان ميدهد. محدوده خطي پيرامون زوايه 45O است.

روش توليد جريان با زوايه Barber Pole  Biasing ، 45O ناميده مي شود.

در اين روش برمبناي شكل بالا در AMR و در عرض آن از مانعهاي كوتاهي (Shorting  Bar) با مقاومت كم استفاده مي شود. از آنجائيكه اين مانعها با زوايه 45 قرار گرفته اند و نيز جريان مسير با حداقل مقاومت را طي مي كند، جريان با زوايه45 از طول AMR عبور مي كند. شكل نشان داده شده AMR چهار را در مدار پل نشان مي دهد.حساسيت اين سنسورها در محدوده ميلي ولت به ازاي اعمال يك اورستد ميدان و يك ولت تغذيه مدار پل مي باشد.

3 کاربرد عملي براي افزايش حساسيت سنسور هاي مگنتورزيستيو وجود دارد.

1- سنسور و ميدان مغناطيسي بايد در يك ميدان مغناطيسي باشند. 2- فاصله هوايي بين سنسور و ميدان مغناطيسي به حداقل ممکن برسد تا سطح گوسي بر سنسور افزايش يابد. 3- شدت ميدان مغناطيسي افزايش يابد.

نكته مهم در مورد AMR سنسور اين است كه در صورت قرار گيري در يك ميدان مغناطيسي آشفته بردار مغناطيسي شوندگي ( هم سويي حوزه‌هاي مغناطيسي ) از بين مورد.

جهت بازسازي اين بردار از يك ميدان مغناطيسي قوي استفاده مي كنيم. كافي است تا AMR  درحدود 10 نانو ثانيه تحت اين ميدان قرار گيرد.

شکل زير در صد تغييرات dR/R شكل زير يک ماده مگنتورزيستيو را در حضور يک ميدان خارجي نشان مي دهد.

طبق اين شکل ميدان مثبت يا منفي تاثير يکساني در تغيير مقاومت ماده دارد. در عين حال يک منطقه خطي در اين شکل ديده مي شود. توجه داشته باشيد که اين خاصيت داراي منطقه اشباع مي باشد. ( تقريبا 80 گاوس )

مواد فرو مغناطيسي داراي جزء مغناطيسي در واحد حجم مي باشند که کميتي برداري است که براي هر نقطه تعريف مي شود. چرخش اين بردار مغناطيس شوندگي از راستاي جريان الکتريکي در حضور يک ميدان مغناطيسي خارجي منجر به تغيير در مقاومت میشود. براي کاربرد حساس به جهت، لايه مورد نظر را در منطقه خطي قرار مي دهيم سپس با تغيير جهت ميدان خارجي باعث تغيير جهت بردار مغناطيس شوندگي نسبت به جريان شويم و يا جهت جريان را نسبت به جهت بردار مغناطيس شوندگي تغيير دهيم. شکل زير يک لايه نازک، طولاني از پرمالوي را که جريان از آن مي گذرد نشان مي دهد. وقتي ميدان خارجي بر اين ماده اعمال شود مقاومت با ضريب Sin   (  زاويه بين بردار جريان I بردار مغناطيس کنندگي M است. ) تغيير مي کند.

سنسورهاي مگنتورزيستيو

Magnetoresistive sensors

GMR

در سال 1988 پديده ديگري مشاهده شد كه در آن تغيير مقاومت براثر ميدان مغناطيسي بيش از 70% بود در مقايسه با تغيير مقاومت كوچك AMR ها، اين پديده را GMR ناميده اند.

ساختار هاي چند لايه از مواد عجيب ( گاها تا10 لايه ) منجر به توليد دسته اي ديگر از مواد مگنتور زيستيو شده است که خاصيت MR بزرگتري از خود نشان مي دهند و تحت ميدان هاي بزرگتري به اشباع مي روند. به اين دسته از MR ها (GMR) Giant Magnetoresistive  مي گويند. مقاومت 2 لايه نازك از مواد فرو مغناطيسي كه بوسيله يك لايه از مواد غير مغناطيسي ازهم جدا شده اند، بر مبناي موازي بودن يا ناموازي بودن بردارهاي مغناطيس شوندگي تغيير مي كند.

يكي از لايه هاي مغناطيسي به سختي مغناطيسي مي شود و همانند يك آهنرباي دائمي نيز باقي مي ماند. لايه مغناطيسي ديگر به راحتي مغناطيسي مي شود. وقتي اين لايه ها داراي بردارهاي مغناطيس شوندگي موازي هم باشند، داراي پراكندگي كمي در فاصله ميان لايه مي باشند و در نهايت مقاومت GMR در كمترين مقدار قرار دارد

در حالت بردارهاي غير موازي، پراكندگي در بيشترين مقدار آن است و درنتيجه داراي بيشترين مقدار مقاومت مي باشد.

زماني كه بردار مغناطيس شوندگي لايه دوم (Soft) براثر تغيير جهت ميدان مقاومت متناسب با زوايه بين بردارهاي مغناطيس شوندگي تغيير مي كند. بنابراين سنسور مي تواند زماني كه يك آهنرباي دايمي در بالاي سنسور قرار گيرد جهت اندازه گيري تغيير زوايه يك شفت به كار آيد.

رزولوشن با اين طرح تنها بر مبناي هيسترزين موجود براي حركت هاي ساعتگرد و پاد ساعتگرد به  2 درجه محدود مي شود. بوسيله 2 سنسور كه عمود برهم قرار گيرند موقعيت مطلق را ميتوان بدست آورد.

حساسيت اين نوع سنسور ها با توجه به ميدان مغناطيسي خارجي تعيين مي شود، چرا كه ميدان خارجي بايد به حدي قوي باشد تا لايه نرم را مغناطيسه كند ولي نبايد به حدي باشد كه بر بردار مغناطيس شوندگي لايه سخت تاثير بگذارد. اين ميدان در بازه  200G - 50G مي باشد. ضخامت اين لايه به حد نانومتر مي باشد.

كاربردهاي GMR

1 - سنسورهاي مجاورتي

2 - سنسورهاي موقعيت

CMR

اين مواد از GMR هم پيشي گرفته اند و زماني كه در يك ميدان بزرگ و شرايط دمايي نيتروژن مايع (درحدود OC 190) قرار گرفته باشد، تغييرات مقاومتي در حدود 103 تا %108 ايجاد مي كند. به تازگي درتحقيقات توانسته اند تا GMR را نيز دردماي معمولي استفاده كنند. كاربرد چنداني در صنعت نداشته و تنها در آزمايشگاه ها استفاده مي شود.

مقايسه

حال به مقايسه اي ميان اثرهال در سيليكن و نيز اثر مگنتور زيستيو در پرمالوي مي پردازيم.

هر دو تكنولوژي قابل مجتمع شدن در يك چيپ مي باشند. هر دو براي ميدان مغناطيسي تغيير ناپذير با زمان ايجاد مي شوند و پاسخ سريع دارند.

بار بيشتر نسبت به اثرهال حساس است و حساسيت آن مطابق با ضخامت و پهناي انتخابي فيلم است.

سنسورهاي MR وقتي با آهنرباي حلقه اي (جهت شمارش) بكار مي روند،

روزولوشن سنسور 2 برابر مي شود. كه اين خاصيت در اثرهال موجود نمي باشد.

سنسورهاي اثرهال داراي خاصيت خطي بيشتري هستند و داراي منطقه اشباع نيز(حتي تحت ميدان مغناطيسي بزرگ) نميباشند.

سنسورهاي اثرهال به ميدان هاي عمود بر خود و سنسورهاي MR به ميدان هاي موازي با خود پاسخ مي دهند.

در شكل زير ميدان كاري چند تكنولوژي اي كه تا كنون مطالعه كرده ايم را نشان مي دهد.

همانطور كه ملاحظه مي شود ميدان كاري AMR كوچكتر از ميدان لازم براي GMR و هال  مي باشد.