سنسور مغناطیسی
سنسورهای مغناطیسی در مدت زمانی که طراحی و در بازار ها عرضه شده، کمک های فراوانی در کنترل و تحلیل عملکرد هزاران سیستم، به انسان نموده اند.در کامپیوترها، نزدیک به بینهایت سنسور مغناطیسی در دیسک های ذخیره سازی مغناطیسی استفاده شده است. پرواز هواپیما ها نیز با بالاترین استانداردهای ایمنی به دلیل قابلیت اطمینان بالا در عملکرد سوئیچینگ سنسورهای مغناطیسی می باشد.
این سنسورهای با سرعت بالا و عمر طولانی اغلب مستقیماً با سایر مدارهای الکترونیکی سازگار هستند و با تولید یک خروجی متناسب، به حضور یا قطع یک میدان مغناطیسی پاسخ می دهند. در حالت کلی زمانی که هدف، اندازه گیری دقیق کمیت های فیزیکی مانند جهت یا سرعت باشد، از سنسورهایی مثل سنسور مغناطیسی استفاده می شود که انواع متفاوتی هم دارند.
یک حسگر مغناطیسی وسیله ای است که به کمک آن میتوان به راحتی بزرگی خاصیت مغناطیسی و یا نیروی جاذبه زمین تولید شده توسط یک آهنربا و یا یک جریان الکتریکی را اندازه گیری نمود.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.
امروزه خط سنسورهای مغناطیسی شامل موارد زیر است:
- آی سی سنسورهای خطی و زاویه ای
- آی سی سنسور موقعیت
- آی سی سنسور سرعت و جهت
- حسگرهای بسته بندی شده با ارزش افزوده
- آهن ربا
کاربرد سنسور ها :
- شمارش وسایل
- تشخیص باز یا بسته بودن درب ها
- اندازه گیری سرعت چرخش
- کنترل موقعیت تجهیزات
ویژگی های سنسور مغناطیسی
سنسور مغناطیسی سنسوری است که میزان مغناطیس و نیروی مغناطیسی تولید شده توسط یک آهنربا یا جریان را تشخیص می دهد.انواع مختلفی از سنسورهای مغناطیسی وجود دارد که هر کدام از ویژگی های منحصر به فردی برخوردار هستند. سنسور مغناطیسی دارای قابلیت های زیر است:
- تشخیص اشیاء قابل اطمینان و بدون سایش
- تشخیص فواصل بزرگ سنجش تا 60 میلی متر
- موجود در مدل های استوانه ای و مستطیلی
ربات ها و خودکارسازی کارخانه ها
سازگاری ربات ها برای خودکار سازی کارخانه ها به شدت در حال گسترش می باشد. حسگرهای موقعیت یاب خطی و زاویه ای برای پیش بردن حرکت موتورهای پیچیده با دقت، قابلیت اطمینان و ظرافت بالا بسیار ضروری است. برای داشتن خط تولید سریعتر و کارآمدتر از سنسورهای موقعیت یاب خطی و زاویه ای، سوئیچهای ایمنی استفاده می شوند.
سنسور مغناطیسی پیچیده
سیم پیچ ها ساده ترین سنسورهای مغناطیسی هستند که می توانند تغییرات چگالی شار مغناطیسی را تشخیص دهند. هنگامی که یک آهنربا به سیم پیچ نزدیک می شود، چگالی شار مغناطیسی در سیم پیچ توسط ΔB افزایش می یابد.
سپس، یک نیروی الکتریکی القایی یا جریان القایی که شار مغناطیسی را در جهتی ایجاد می کند که مانع افزایش تراکم شار مغناطیسی می شود، در سیم پیچ تولید می شود. همچنین به صورت برعکس، دور کردن آهنربا از سیم پیچ چگالی شار مغناطیسی را در سیم پیچ کاهش می دهد، بنابراین نیروی الکتریکی و جریان القایی در سیم پیچ ایجاد می شود تا چگالی شار مغناطیسی افزایش یابد.
از آنجا که هنگام جابجایی آهنربا تغییری در چگالی شار مغناطیسی ایجاد نمی شود، هیچ نیروی الکتریکی یا جریان القایی ایجاد نمی شود. با اندازه گیری جهت و مقدار این نیروی الکتریکی، می توان تغییر چگالی شار مغناطیسی را تشخیص داد. سنسور مغناطیسی سیم پیچ یکی از پرمصرف ترین انواع سنسور مغناطیسی است.
به دلیل ساختار ساده، یک سیم پیچ به راحتی آسیب نمی بیند. با این حال، ولتاژ خروجی به سرعت تغییر شار مغناطیسی بستگی دارد. برای تشخیص آهنربا ثابت یا شار مغناطیسی که خیلی آهسته تغییر می کند، ممکن است استفاده از سیم پیچ مناسب نباشد.
سنسورهای مگنتو رزیستیو(Magnetoresistive sensor):
سنسورهای مگنتورزیستیو بر اساس اثر مگنتورزیستیو فعالیت می نمایند، تغییر مقاومت در مواد فرومغناطیسی در اثر اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی را اثر مگنتورزیستیو می گویند.همچنین می توان این سنسورها را مقاومت کنترل شده با میدان مغناطیسی نیز معرفی کرد. هنگامی که یک جریان از درون مواد فرومغناطیس رد می شود، بردار مغناطیسی داخلی مواد فرومغناطیس با جریان عبوری از آن در یک راستا خواهند بود.
به این ترتیب با تغییر جهت بردار مغناطیسی داخلی مقاومت مواد تغییر زیادی خواهد داشت. زمانی که زاویه جریان و بردار مغناطیسی داخلی 90 درجه باشد مقاومت به شکل کم ترین حالت و در وضعیت موازی بودن جریان و بردار مغناطیسی داخلی، می توان بیشترین مقاومت را از مواد مشاهده نمود.
سنسور مغناطیسی سوئیچ
سوئیچ نی نوعی سنسور است که در آن قطعات فلزی که از دو طرف چپ و راست امتداد یافته اند در یک لوله شیشه ای با شکاف در موقعیت همپوشانی، نی ها محصور شده اند. وقتی یک میدان مغناطیسی از خارج اعمال شود، این نی ها مغناطیسی می شوند. وقتی نی ها مغناطیسی می شوند، قسمت های همپوشان یکدیگر را جذب می کنند و با هم برخورد می کنند. پس از اتمام این مراحل، کلید روشن می شود.
سنسور مغناطیسی هال
سنسور هال، وسیله ای است که از اثر هال استفاده می کند. بر اساس این پدیده است که هنگام اعمال یک میدان مغناطیسی عمود بر جریان به جسمی که جریان از آن عبور می کند، نیروی الکتروموتور در جهت متعامد جریان و میدان مغناطیسی ظاهر می شود.
وقتی جریان به نیمه هادی سطح نازک اعمال می شود، ولتاژ مربوط به تراکم شار مغناطیسی و جهت آن توسط اثر هال خارج می شود. از اثر هال برای تشخیص میدان مغناطیسی استفاده می شود. سنسور مغناطیسی ژئومغناطیسی از خاصیت اثر هال به صورت عمده استفاده می کند.
این سنسورها می توانند یک میدان مغناطیسی را تشخیص دهند. این نکته حتی در مورد یک میدان مغناطیسی ثابت بدون تغییر در چگالی شار مغناطیسی هم صدق می کند؛ بنابراین، از عناصر هال در کاربردهای مختلفی مانند سوئیچ های غیر لمسی که در ترکیب با آهن ربا، حسگرهای زاویه ای و سنسورهای جریان به کار می رود، استفاده می شود. سنسورهای ژئومغناطیسی با استفاده از اثر هال، به طور گسترده ای در تلفن های هوشمند و سایر موارد استفاده می شود.
سنسور مغناطیسی MR
عنصری که میدان مغناطیسی را با استفاده از ماده ای شناسایی می کند و هنگامی که نیروی مغناطیسی اعمال می شود، مقاومت آن تغییر می کند، عنصر مغناطیسی (MR) نامیده می شود.به غیر از عنصر مغناطیسی نیمه رسانا، سه نوع سنسور وجود دارد که به عنوان نمونه هایی از سنسور مغناطیسی با استفاده از یک ماده فیلم نازک فرومغناطیسی مانند عنصر مغناطیسی ناهمسانگرد یا (AMR)، عنصر مغناطیسی غول پیکر، (GMR) ، و عنصر مغناطیسی تونل یا (TMR) است. سنسور های MR هر کدام در موقعیت های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند.
عنصر مغناطیسی نیمه هادی (SMR)
در حالی که سنسور مغناطیسی هال، سنسوری است که ولتاژ هال تولید شده توسط نیروی لورنتس را اندازه گیری می کند. سنسور مغناطیسی یا MR حسگری است که از تغییر مقدار مقاومت ناشی از نیروی لورنتس استفاده می کند. این عنصر مقاومت یک عنصر مغناطیسی نیمه هادی را در شرایط خاص تغییر می دهد. الکترودهای فلزی بر روی فیلم نازک نیمه هادی در ساختار SMR قرار می گیرند.
هنگامی که جریان عقربه های ساعت، از لایه نازک نیمه هادی عبور می کند، الکترون هایی که ناقل نیمه هادی نوع N هستند، در خلاف جهت عقربه های ساعت جریان می یابند و سرعت بردار "v" فرض می شود. هنگام اعمال یک میدان مغناطیسی B جهت دار، الکترون ها تحت نیروی لورنتس قرار می گیرند و در نهایت خم شدن مسیر باعث طولانی تر شدن آن می شود، به طوری که مقدار مقاومت افزایش می یابد. سنسور مغناطیسی SMR برای تشخیص چرخش چرخ دنده استفاده می شوند.
سنسور مغناطیسی (AMR) ، (GMR) و (TMR)
درجه پراکندگی الکترود، در قسمت a، جایی که جهت مغناطیسی فیلم فرو مغناطیسی با جهت جریان موازی است و قسمت b که جهت مغناطیس عمودی جهت جریان است، تغییر می کند؛ بنابراین، مقدار مقاومت نیز تغییر می کند.
سنسور مغناطیسی GMR شامل ورقه ای از ماده فرومغناطیسی، فلز غیر مغناطیسی و ماده فرومغناطیسی است. در واقع مابین این قطعات، درجه پراکندگی الکترون تغییر می کند. با توجه به اینکه جهت مغناطیس لایه پین شده و لایه آزاد غیر موازی یا موازی است، مقدار مقاومت تغییر می کند.
این سنسور از ماده فرومغناطیسی (لایه پین شده) عایق و ماده فرومغناطیسی (لایه آزاد) تشکیل می شود. نسبت الکترون هایی که از این طریق عبور می کنند، به دلیل اثر تونل تغییر می کند و مقدار مقاومت با توجه به جهت تغییر می کند. در این سنسور هم لایه ها موازی یا غیر موازی هستند.
سنسور مغناطیسی چگونه کار می کند؟
سنسورهای میدان مغناطیسی یا از یک آهنربای داخلی استفاده می کنند یا مستقیماً یک میدان دائمی یا الکترومغناطیسی را تشخیص می دهند. سنسورهای آهن ربا، فولاد آهنی را تشخیص می دهند و یا یک خروجی آنالوگ یا دیجیتال تولید می کنند.
سوئیچ های هال، رید سوئیچ ها و سایر حسگرهای آهن ربای خارجی، میدان مغناطیسی را از یک آهنربا یا سیم پیچ الکترو تشخیص می دهند. آن ها همچنین در نسخه های آنالوگ و دیجیتال موجود هستند. همه این سنسورها را می توان در موقعیت های مناسب استفاده کرد. البته ابتدا باید تشخیص داده شود که سنسور مغناطیسی مناسب برای موقعیت مورد نیاز کدام است.
بهترین روش برای یافتن حسگر مغناطیسی مورد نیاز، مشورت با یک متخصص است. فروشندگان فرآیند مختلف برای انتخاب حسگرهای مغناطیسی را به خوبی ارائه می دهد. همه سنسورهای طبقه بندی شده را می توان در فهرست سنسورهای مغناطیسی فروشگاه ها پیدا کرد.
البته بهتر است که از سنسورهای جدید و با عملکرد بالا استفاده شود. برای تهیه سنسور، ابتدا باید هدف مشخصی در نظر گرفته شود. بعد از آن باید سنسور با عملکرد مناسب را تهیه کرد. قبل از این کار باید با متخصصان در این زمینه تماس گرفته و راهنمایی گرفته شود. در صورتی که خرید اشتباه صورت بگیرد، مجدداً باید هزینه ای برای جایگزین کردن سنسور نامناسب پرداخت شود.
مشخصات سنسور مغناطیسی
با کاهش فاصله از میدان، میدان مغناطیسی به طور تصاعدی کاهش می یابد. سنسورهای تشخیص دهنده باید در فاصله مناسبی از هدف قرار بگیرند. قدرتمندترین سنسورهای مجاورت فلزات آهنی می توانند اهداف فولادی را در فاصله چند متری از سنسور تشخیص دهند.
برای انتخاب بهتر باید اندازه های مشخصی در نظر گرفته شود. برای استفاده از سنسورهای مختلف، می توان از جایگزین های آن ها هم استفاده کرد. این سنسورها هم خروجی دقیق و مرتبطی را ارائه می دهند. سنسور مغناطیسی در اندازه ها و مدل های مختلفی وجود دارد که باید برای کسب اطمینان از انتخاب مناسب، بیشتر تحقیق کرد.
سنسور باید با توجه به مراحل شرح داده شده در دفترچه خرید، نصب و راه اندازی شود. در غیر این صورت عملکرد مناسبی نخواهد داشت؛ بنابراین برای رسیدن به هدف دلخواه باید کاتالوگ دنبال شود. سنسور مغناطیسی در قیمت های مختلفی وجود دارد.
