معرفی سنسورهای مجاورتی مغناطیسی

فناوری سنجش میدان مغناطیسی نیاز به افزایش حساسیت، اندازه کوچکتر و سازگاری با سیستم های الکترونیکی پیشرفته دارد. بررسی اجمالی انواع مختلف و کاربردهای حسگرهای مغناطیسی، نیازمند توجه ویژه به مواد مغناطیسی است. در حقیقت سنسورهای مجاورتی مغناطیسی تغییرات در میدان های مغناطیسی را تشخیص می دهند و از آنها اطلاعاتی در مورد خصوصیات فیزیکی بدست می آورند

نکات مؤثر در رابطه با سنسورهای مجاورتی مغناطیسی

سنسورهای مجاورتی مغناطیسی با اکثر آشکارسازهای دیگر تفاوت دارند، زیرا آنها مستقیماً ویژگی فیزیکی وسیله را اندازه گیری نمی کنند. دستگاه هایی که خصوصیاتی مانند دما، فشار یا جریان را کنترل می کنند، خروجی ای را ارائه می دهند که پارامتر مورد نظر را مستقیماً گزارش می کند.

از طرف دیگر، حسگرهای مغناطیسی تغییرات یا اختلالات موجود در میدان های مغناطیسی ایجاد شده یا اصلاح شده را تشخیص می دهند و از آنها اطلاعاتی در مورد خصوصیاتی مانند جهت، حضور، چرخش، زاویه یا جریان های الکتریکی بدست می آورند. سیگنال خروجی این سنسورها برای ترجمه به پارامتر مورد نظر به پردازش سیگنال نیاز دارد. اگرچه استفاده از آشکارسازهای مغناطیسی تا حدودی دشوارتر است، اما داده های دقیق و قابل اطمینان را فراهم می کند.

سنسورهای مغناطیسی را می توان بر اساس محدوده سنجش کم یا متوسط و میدان طبقه بندی کرد. در واقع دستگاه هایی که میدان های مغناطیسی را تشخیص می دهند، سنسورهای میدان کم محسوب می شوند و آن های که دامنه آنها از 1 G تا 10 G است، سنسورهای میدان زمین هستند.

فناوری سنسورهای مجاورتی مغناطیسی

میدان مغناطیسی یک میدان مشخص است که هم دارای اندازه و هم جهت است. سنسور اسکالر اندازه کل میدان را اندازه گیری می کند، اما جهت آن را اندازه نمی گیرد. سنسور همه جهته اندازه اجزای مغناطیسی را که در محور حساس آن قرار دارد، را اندازه گیری می کند. سنسور دو طرفه جهت گیری را در اندازه گیری های خود دارد. سنسورهای مجاورتی مغناطیسی شامل دو یا سه آشکارساز دو طرفه است. بعضی ازسنسورهای مغناطیسی آستانه داخلی دارند و فقط در صورت عبور، از آن خروجی تولید می کنند.

• سنسورهای میدان

سنسورهایی با میدان کم در مقایسه با سایر دستگاه های مغناطیسی، بزرگ و پرهزینه هستند. این دستگاه ها برای کاربردهای پزشکی و نظارت نظامی استفاده می شوند.  SQUID حساس ترین سنسور میدان کم دستگاه است. در حدود سال 1962 توسعه یافته است و براساس کار برایان جوزفسون در محل اتصال نقطه تماس طراحی شده و برای اندازه گیری جریان های بسیار کم، مناسب است.

مغناطیس سنج SQUID می تواند زمینه هایی را از چندین فمتوتسلا تا 9 تسلا، تشخیص دهد. این امر در کاربردهای پزشکی ضروری است، زیرا میدان عصبی مغناطیسی مغز انسان تنها چند دهم فمتوتسلا است.  از دیگر فن آوری های سنسور میدان کم می توان به میدان هسته ای، مغناطیس سنج پمپ شده نوری و فیبر نوری اشاره کرد.

این ابزار دقیق در آزمایشگاه ها و کاربردهای پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال، پایداری طولانی مدت مغناطیس سنجش هسته ای می تواند تا 50 pT / yr باشد. سنسورهای میدان زمین (میدان متوسط) نمونه دیگر سنسورهای مجاورتی مغناطیسی هستند. دامنه مغناطیسی سنسورهای میدان متوسط، به خوبی می تواند از میدان مغناطیسی زمین برای تعیین عناوین قطب نما برای ناوبری، تشخیص ناهنجاری ها در آن برای سنجش وسیله نقلیه و اندازه گیری تغییر میدان استفاده کند.

Flux Gate(مغناطیس سنج ورودی جریان)، پرکاربردترین سنسور برای سیستم های ناوبری مبتنی بر قطب نما است که در حدود سال 1928 ساخته شد و بعداً توسط ارتش برای تشخیص زیردریایی استفاده شد. این دستگاه ها همچنین برای کاوش ژئوفیزیکی و عملیات نقشه برداری میدان مغناطیسی موجود در هوا مورد استفاده قرار گرفته اند.

متداول ترین نوع مغناطیس سنج شار، متشکل از دو سیم پیچ است که به دور یک هسته فرو مغناطیسی با نفوذ پذیری زیاد پیچیده شده اند که القای مغناطیسی آنها در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی تغییر می کند. یک مغناطیس سنج شار، که به خوبی طراحی شده است می تواند سیگنالی را در دهها محدوده میکروگاوس حس کند و همچنین اندازه و جهت میدان های مغناطیسی استاتیک را اندازه گیری کند. حداکثر محدوده باند فرکانس ~ 1 کیلوهرتز است. این دستگاه ها معمولاً حجیم بوده و از ناهمواری های فن آوری سنسور کوچکتر و یکپارچه برخوردار نیستند.

بررسی انواع سنسورهای مجاورتی مغناطیسی

• مغناطیس سنج مغناطیسی

نسبتاً جدید است و اولین اختراع ثبت شده در سال 1989 است. این سنسور به سادگی یک سیم پیچ است. یک سنسورهای مجاورتی مغناطیسی به سادگی یک سیم پیچ در هسته فرومغناطیسی است که نفوذ پذیری را در میدان زمین تغییر می دهد. سیم پیچ بر روی هسته فرومغناطیسی که نفوذ پذیری را در میدان زمین تغییر می دهد، قرار دارد.

همانطور که سنسور از میدان مغناطیسی اعمال شده 90 درجه می چرخد، تغییر فرکانس مشاهده شده می تواند تا 100٪ باشد. این مغناطیس سنج ها از نظر طراحی ساده، ارزان و دارای قدرت کم هستند. دامنه دمای آنها -20 C تا 70 C است و تا 4 میلی گرم قابل تکرار هستند.

• ناهمسانگرد مغناطیسی

ویلیام تامپسون، اولین بار در سال 1856 اثر مغناطیسی فلزات فرو مغناطیسی را مشاهده کرد. کشف وی موجب شد بیش از 100 سال زمان ببرد تا فناوری فیلم نازک بتواند آن را به یک حسگر عملی تبدیل کند. سنسورهای مغناطیسی در اشکال مختلف وجود دارند و در خواندن با چگالی بالا برای درایو های نوار و دیسک و همچنین برای اندازه گیری سرعت چرخ و میل لنگ خودرو، ناوبری قطب نما، تشخیص وسیله نقلیه و سنجش جریان استفاده می شوند.

سنسورهای AMR برای اندازه گیری موقعیت خطی و زاویه ای و جابجایی در میدان مغناطیسی زمین بسیار مناسب هستند.  حسگرهای مغناطیسی ناهمسانگرد، که برای اندازه گیری موقعیت و تغییر شکل زاویه ای در میدان مغناطیسی زمین استفاده می شود، از یک فیلم نازک آهن نیکل که روی بخش سیلیکون رسوب کرده و به صورت نواری مقاوم ساخته می شود، تهیه شده است.

سنسورهای AMR می توانند به صورت فله ای روی بخش سیلیکونی تولید شده و در بسته های IC تجاری نصب شوند و اجازه مونتاژ خودکار با مدارهای دیگر را بدهند. حسگرهای مغناطیسی ناهمسانگرد حساسیت زیاد، اندازه کوچک و مصونیت در برابر سر و صدا را ارائه می دهند و اجزای سیستم آنها همچنین دارای حساسیت بالا، اندازه کوچک و مصونیت از صدا هستند.

• سنسورهای میدان مغناطیسی بایاس

بیشتر سنسورهای مجاورتی مغناطیسی از آهن ربا های دائمی به عنوان منبع میدان مغناطیسی برای شناسایی استفاده می کنند. این آهن ربا، اشیا فرومغناطیسی نزدیک به سنسور را مغناطیسی می کند و سپس تغییرات کل میدان اطراف خود را تشخیص می دهد.

سنسورهای میدان بایاس باید زمینه هایی را تشخیص دهند که به طور معمول بزرگتر از میدان زمین هستند، اما نباید به طور موقت از یک میدان بزرگ استفاده کنند یا به طور دائمی تحت تأثیر قرار گیرند. اگرچه برخی از این سنسورها، مانند مغناطیسیستورها، قادر به اندازه گیری میدان های مختلف تا چندین تسلا هستند، اما برخی دیگر مانند دستگاه های GMR می توانند با تحقیق در مورد توانایی های آنها در منطقه میکروگاوس، زمینه هایی را تا منطقه میلیگاوس تشخیص دهند.

• سوئیچ های نی

سوئیچ نی را می توان ساده ترین حسگر مغناطیسی برای تولید یک خروجی قابل استفاده برای کنترل صنعتی در نظر گرفت. این شامل یک جفت تماس انعطاف پذیر و فرومغناطیسی است که به طور متقاطع در یک ظرف شیشه ای پر از گاز بی اثر، قرار گرفته است. میدان مغناطیسی در امتداد محور طولانی کنتاکت ها، باعث مغناطیسی شدن کنتاکت ها شده و باعث می شود تا آنها یکدیگر را جذب کرده و مدار را ببندند.

از آنجا که معمولاً پسماند قابل ملاحظه ای بین زمینه های بسته و آزاد کننده وجود دارد، سوئیچ ها کاملاً در برابر نوسانات کوچک در این زمینه مصون هستند. کلیدهای نی بدون تعمیر و نگهداری هستند و در برابر آلودگی بسیار ایمن هستند. تماس های روکش شده با عنصر رادیم، عمر طولانی تماس را تضمین می کند. قابلیت های معمول 0.1-0.2 جریان سوئیچینگ و ولتاژ سوئیچینگ 100-200 ولت است.

کم هزینه بودن سادگی، قابلیت اطمینان و مصرف صفر انرژی باعث محبوبیت سوئیچ های نی در بسیاری از برنامه ها شده است. افزودن یک آهنربای دائمی کوچک جداگانه، یک سوئیچ مجاورتی ساده ایجاد می کند که اغلب در سیستم های امنیتی برای نظارت بر باز شدن درها یا پنجره ها استفاده می شود. آهن ربا که روی قسمت متحرک چسبانده می شود، سوئیچ نی را به اندازه کافی نزدیک می کند یا آن را فعال می کند.

سخن پایانی

سنسورهای مجاورتی مغناطیسی بسیار گسترده شده است، زیرا صنعت از حسگرهای مغناطیسی مختلفی برای تشخیص حضور، قدرت یا جهت میدان های مغناطیسی از زمین، آهن رباهای دائمی، آهن رباهای مغناطیسی شده و میدان های مغناطیسی مرتبط با جریان استفاده کرده است. از این سنسورها به عنوان سنسورهای مجاورت، وسایل اندازه گیری سرعت و مسافت، قطب نمای ناوبری و سنسورهای جریان استفاده می شود. آنها می توانند این خصوصیات را بدون تماس واقعی با محیط ، اندازه گیری کنند و به صورت بسیاری از سیستم های کنترلی تبدیل شده اند که کاربردهای فراوانی را در صنعت دارند و این امر موجب شده که به راحتی به شناسایی و تشخیص بپردازند تا محدوده موردنظر را تشخیص دهند.