سنسورهای مغناطیسی

بازدید: 2283

سنسورهای مغناطیسی نسبت به دیگر سنسورها متفاوت هستند؛ به این خاطر که خاصیت فیزیکی مد نظر را، به صورت مستقیم اندازه‌گیری نمی‌کنند

دستگاه‌هایی که پارامترهایی مانند دما، فشار و کشش یا جریان را نمایش می‌دهند، خروجی‌شان مستقیما پارامتر مدنظر را ارائه می‌دهد.

از طرف دیگر سنسورهای مغناطیسی تغییرات یا اختلالات ایجاد شده در میدان مغناطیسی را شناسایی می‌کنند و سپس بر اساس آن، اطلاعات مورد نیاز هم‌چون جهت، حضور، چرخش، زاویه یا جریان الکتریکی را استخراج می‌کنند. برای بدست‌آوردن پارامتر مدنظر، نیاز به پردازش سیگنال داده خروجی سنسور است.

سنسورهای مغناطیس را می‌توان بر اساس محدوده میدان حسگری‌شان ( پایین، متوسط و بالا ) دسته‌بندی کرد. دستگاه‌هایی که میدان‌های مغناطیسی کمتر از یک میکرو گوس را حس می‌کنند، به عنوان سنسورهای میدان‌ضعیف در نظر گرفته می‌شوند. سنسورهایی که محدوده بین یک تا 10 میکرو گاوس را حس می‌کنند، سنسورهای‌ میدان زمین در نظر می‌گیریم و سنسورهایی که میدان‌های مغناطیسی بزرگتر از 10 گوس را حس می‌کنند، به‌عنوان سنسورهای میدان متعادل در نظر گرفته می‌شوند‌. شکل زیر فهرست فناوری‌های سنسورهای مغناطیسی و محدوده حسگری‌شان را نشان می‌دهد.

میدان مغناطیسی، کمیتی برداری است که اندازه و جهت دارد. سنسورهای مغناطیسی این کمیت را به روش‌های مختلف، اندازه‌گیری می‌کنند. بعضی سنسورها فقط اندازه میدان را اندازه‌گیری می‌کنند و جهت آن را تعیین نمی‌کنند. بقیه اندازه میدان را در جهت محور حساسیت‌شان اندازه‌گیری می‌کنند و ممکن است جهت را نیز تعیین کنند. سنسورهای مغناطیسی برداری، دو یا سه سنسور دو جهته دارند. برخی یک آستانه داخلی دارند و هروقت عبوری از آن آستانه رخ دهد، خروجی می‌دهند.

انواع سنسور‌های مغناطیسی

سنسورهای مغناطیسی بر اساس محدوده حسگری‌شان به سه دسته تقسیم می‌شوند:

میدان کوچک

میدان زمین (متوسط)

میدان متعادل

سنسورهای میدان کوچک

سنسورهای میدان کوچک در مقایسه با سایر دستگاه‌های مغناطیسی، بزرگ و گران هستند. کاربرد آن‌ها دردستگاه‌های پزشکی و سامانه‌های نظارتی نظامی است.

سنسورهای میدان زمین (متوسط)

در محدوده سنسوری سنسورهای میدان متوسط، از میدان مغناطیسی زمین برای تعیین قطب‌های قطب‌نما درناوبری، تشخیص ناهنجاری‌های بوجود آمده برای حس کردن وسیله نقلیه و اندازه‌گیری مشتق تغییرات میدان برای تعیین نرخ انحراف، استفاده می‌شود.

سنسورهای میدان متعادل

بسیاری از سنسورهای صنعتی، برای تشخیص، از یک آهنربای دائمی به عنوان منبع میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند. این آهنرباها اشیا فرومغناطیسی نزدیک سنسور را، مغناطیس می‌کنند، سپس کل تغییرات اطرافش راحس می‌کنند. این سنسورها، میدان‌هایی که عموما بزرگتر از میدان مغناطیس زمین هستند را حس می‌کنند.

در ادامه چند مدل از حسگرهای مغناطیسی توضیح داده می‌شود.

سنسورهای AMR

ویلیام تامسون بعد از لرد کلوین، اولین کسی بود که در سال 1856، اثر مگنتورزیست را در فلزات فرومغناطیس مشاهده کرد. کشف او به مدت 100 سال بلا استفاده ماند تا این که تکنولوژی فیلم نازك، آن را تبدیل به یک حسگر کاربردی کرد. حسگرهای مگنتورزیست انواع و شکل‌های مختلفی داشته و در زمینه‌های مختلفی هم‌چون هدر ضبط صوت و دیسک درایورها، سرعت سنج خودرو و موقعیت میل‌لنگ، قطب‌نما، تشخیص خودرو و تشخیص جریان، کاربرد دارند.

حسگرهای AMR به خوبی می‌توانند موقعیت خطی و زاویه‌ای و جابجایی در میدان مغناطیسی زمین را اندازه‌گیری کنند. این حسگرها از فیلم نازك نیکل آهن، نشانیده شده بر روی یک ویفر سیلیکونی، به شکل یک نوار مقاومتی ساخته شده‌اند. به‌خاطر خاصیت فیلم، مقاومت در حضور یک میدان مغناطیسی 2 تا 3 درصد تغییر می‌کند. در یک پیکربندی متداول، چهار تا از این مقاومت‌ها به صورت پل واتسون به یکدیگر متصل شده‌اند تا بتوان اندازه و جهت میدان را حول یک محور اندازه‌گیری کرد. پهنای باند آن حدود 1 الی 5 مگاهرتز است. واکنش اثر مگنتورزیست بسیار سریع است و توسط سیم‌پیچ‌ها یا فرکانس‌های نوسان محدود نمی‌شود.

معمولا حسگرهای AMR، به صورت عمده بر روی ویفرهای سیلیکونی ساخته و در بسته‌بندی‌های IC تجاری قرار می‌گیرند. از این رو می‌توان آنها را با دیگر مدارات و اجزای سیستم‌ها مونتاژ کرد. هم‌چنین حساسیت بالا، اندازه کوچک و نویز کمتری دارند. این حسگرها در مواردی هم‌چون شناسایی اشیا آهنی که سبب بر هم زدن میدان مغناطیسی زمین می‌شوند، مانند هواپیماها، قطار و خودروها، کاربرد دارند. کاربرد دیگرشان در قطب‌نما، حسگر چرخشی، حسگر جریان، ناوبری حفاری زیرزمینی، حسگر موقعیت خطی، حسگرهای سرعت حرکت و ردیابی سر برای واقعیت مجازی، می‌باشد.

سنسورهای اثر هال

سنسورهای اثر هال، به خاطر کاهش هزینه‌ها از سیلیکون نوع n و از GaAs به خاطر ظرفیت حرارتی بالای آن استفاده می‌کنند. علاوه بر این، InAs، InSb و دیگر نیمه‌رساناها به خاطر موبیلیتی بالای حامل‌ها، که منجر به حساسیت بالا و پاسخ فرکانسی بالای 20-10 کیلوهرتز می‌شوند، محبوبیت دارند. سازگاری مواد سازنده سنسور هال با سطح نیمه‌هادی بسیار مهم است. زیرا این حسگرها به طور مجتمع با دیگر ساختارهای نیمه‌هادی ساخته می‌شود.

سنسور فلاکس گیت (Fluxgate)

مگنتومترهای فلاکس گیت، در بسیاری از سامانه‌های ناوبری، کاربرد داشته‌اند. این حسگرها در سال 1928 توسعه یافتند و بعدا توسط ارتش برای شناسایی زیر دریایی‌ها استفاده شدند. همچنین برای جست‌وجوهای ژئوفیزیکی و نقشه برداری‌های هوایی استفاده می‌شوند. معمولا به آن‌ها دستگاه‌های هارمونیک دوم می‌گویند و از دو سیم‌پیچ پیچیده شده به دور یک هستنه فرومغناطیسی تشکیل شده‌اند.

در حضور میدان مغناطیسی خارجی، القای مغناطیسی هسته تغییر می‌کند. یک سیگنال راه‌انداز به سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود و منجر به نوسان هسته حول نقاط اشباع می‌شود. سیم‌پیچ ثانویه سیگنالی را در خروجی ارائه می‌دهد. سیگنال خروجی متاثر از تغییرات تراوایی هسته است و به صورت تغییرات دامنه ظاهر می‌شود. می‌توان سیگنال را توسط یک آشکار ساز فاز و یک فیلتر پایین گذر دمدوله کرد تا مقدار میدان مغناطیسی بدست آید.