سنسورهای مگنتورزیستیو
Magnetoresistive sensors
کـــــاربـــرد ها
این سنسور ها برای پیدا کردن اشیاء
مغناطیسی در هواپیماها، قطار واتومبیل ها که میدان مغناطیسی زمین را به هم
می زنند به کار می روند.
از کاربردهای دیگر آنها در قطب نمای مغناطیسی، سنسورهای زوایه ای و چرخشی موقعیت، ردیابی و هدایت مته در زیر زمین می تواند یادکرد
برخلاف دیگر سنسورهای AMR سنسور موقعیت
AMR باید توسط میدان خارجی به حالت اشباع در آید یعنی با افزایش بزرگی
میدان تغییری در مقدار مقاومت AMR پدید نیاید و تنها عاملی از موقعیت میدان
بر مبنای زاویه حاصل بین بردارمغناطیس کنندگی و جریان باشد. بنابراین این
سنسورهای موقعیت سنجی درناحیه اشباع عمل می کنند.
رخلاف سنسورهای اثرهال که نیاز به میدان
مغناطیسی درحد کیلوگارس نیاز دارند، AMR به این شدت میدان مغناطیسی نیازی
ندارد. با استفاده از چند سنسور خاصیت براحتی افزایش می یابد.
برای توضیح کاربرد ها ، از دو سنسور صنعتی شرکت Honeywell با نامهای HMC1501 و HMC1512 می کنیم .
سنسورهای HMC1501 و HMC1512 به ترتیب
دارای مقاومت 5 و 2.1 کیلواهم در مدار پل می باشند. ضریب حساسیت آنها بین
می باشد. ( در ناحیه خطی عملکرد) ولتاژ خروجی تقریباً 120mv می باشد.
پهنای باند درحدود 5MHZ می باشد.
HMC1501 دسته ازموقعیت سنجهای AMR هستند که دارای یک پل وتستون برای موقعیت سنجی می باشند خروجی مدار پل به شرح زیر است:
HMC1512 دسته ای دیگر از موقعیت سنجهای
AMR است که دارای دو پل وتستون برای رنج می باشد. که خروجی هر یک از
مدارهای پل بصورت و می باشد.
رزولوشن و رنج کاری هریک در Data sheet آمده است.
کاربردهای خطی
دیاگرام زیر 2 دوره متناوب از خروجی مدار
پل را نشان می دهد، ناحیه خطی در بازه ای در اطراف زوایای
180-،90-،0،90،180 درجه قرار دارد. در نقاط 0 و شیب مثبت و در بقیه شیب
منفی است.
خروجی سنسورهای موقعیت AMR نیازمند مدار
بهسازی است. چنانچه تغییرات دمایی زیاد باشد باید از جبرانساز دمایی نیز
استفاده نماییم. همینطور اگر از چند مدار پل استفاده نماییم، خطای دیگری
که باید آنرا بطریقی جبران نماییم تلورانس بخش به بخش در مواد است.
شکل زیر یکی از کاربردهای موقعیت سنجی خطی را نشان میدهد.
IC بکار گرفته شده HMC1501 است که دارای
یک مدار پل می باشد و می تواند را در رنج تغییرات خطی تعیین کند. با فرض
منبع تغذیه 5 ولت این سنسور دربازه میلی ولت تغییرات ولتاژ خواهد داشت.
شکل موج خروجی بر حسب زوایه در زیرآمده است.
شکل زیر یک تقویت کننده ابزار دقیق را
نشان می دهد. یک تقویت کننده تفاضلی وانتگرالی. گین ولتاژ این تقویت کننده
تقریباً 25 ولت است. بنابراین مقدار پیک - پیک خروجی را از 120 میلی ولت به
3 ولت تغییر می ده
ضریب ولتاژ آفست مدار پل و با منبع
تغذیه 5 ولت آفست مدار پل 35mV خواهد بود که در نهایت با وجود تقویت کننده
به 850mv خواهدرسید. بنابراین باید بگونه ای آفست مدار را تضعیف نمود. یک
روش برای مقابله با آفست مدار تغییر زمین مدار با استفاده از یک پتانسیومتر
می باشد
روش دیگری برای حذف خطای آفست وجود دارد و
آن این است تا بوسیله آزمایش کالیبراسیون مقدار خطا را بدست آورده و از
مقدار نهایی کم کنیم. این عمل با کاهش متعلقات مدار بهسازی از افزایش حجم،
قیمت و تاثیر نویز جلوگیری می کند. ولی از آن جهت که طراح را مجبور می کند
تا بهره تقویت کننده را جهت تعادل در آفست و ضریب حساسیت کاهش دهد چندان
جالب نمی باشد.
جهت افزایش رنج موقعیت سنجی از به از 2 سنسور HMC1501 و یا یک سنسور HMC1512 (با 2 مدار پل) استفاده می کنیم.
برای افزایش رنج اندازه گیری موقعیت خطی
معمولاً از چند سنسور استفاده می کنیم. جهت افزایش ویژگی خطی سیستم معمولاً
رنج خطی هر سنسور را کمتر از حد نامی در نظر می گیرند. به خاطر داریم که
برای موقعیت سنج خطی می بایست AMR در ناحیه اشباع قرار گیرد. بنابراین
فاصله آهنربای متحرک از مقابل سنسورها بازای میدان یک کیلو گاوسی حداکثر
25/0 اینج خواهد بود که با افزایش فاصله به 5/0 اینج میدان می بایست به
حدود 3 کیلوگاوس افزایش یابد. همانطور که در شکل زیر
مشخص است با عبور آهنربا از مقابل
سنسورها بازای 4 سنسور 4 موج بوجود خواهد آمد. بازای یک موقعیت سنج 2 اینچی
نمودار تغییرات ولتاژ خروجی برحسب موقعیت برای یک سنسور و 4 سنسور رسم شده
است.
رزولوشن برای این سنسور در حدود 002/0 اینچ است و دقت در حدود %0.1 می باشد.
در حاصل از هر مدار پل سنسور، باید
بدانیم که هر سنسور جهت حذف خطای آفست واندازه گیری ولتاژ پیک-پیک خروجی
کالیبره شده است تا خروجی نهایی در یک رنج مشابه تنظیم گردد. پس از
کالیبراسیون ولتاژ خود را تشکیل می دهد و عمل مقایسه ما بین ولتاژهای خروجی
تصحیح شده انجام می شود و شیب هایی را در میان سنسورهای مجاور هم تولید می
کند. درنهایت تنها از شیب های مثبت استفاده می شود (رنج خطی هر سنسور) و
مقدار کوچک برشیب یا شیب های مثبت قرار داده می شود. با فرض اینکه هر
سنسور به یک میکروکنترلر 8 بیتی متصل باشد، می تواند 256 نقطه را برای رنج
خطی خود در نظر بگیرد. بنابراین برای کل رنج 1024 نقطه خواهیم داشت.
برای افزایش رنج موقعیت سنجی خطی روش دیگری مطرح است. شکل زیر کاربرد خطی را نمایش می دهد.
دو آهنربا را نشان می دهد که نسبت به هم
در وضعیت ناموازی قرار گرفته اند و در فاصله میان آنها سنسور در طول
دوآهنربا حرکت می کند. در موقعیت های نزدیک زوایه شار روبه پایین است و در
فاصله های دور زاویه شار رو به بالا قرار دارد. بنابراین با یک سنسور AMR
می توان موقعیت سنجی نمود. در این حالت هم آهنربا، هم سنسور می توانند
نسبت به هم حرکت کنند.
کاربرد های زاویه ای
شکل زیر یک آهنربای متصل به انتهای شفت را
نشان می دهد که در برابر یک سنسور HMC1512 قرار گرفته است. زمانی که شفت
می چرخد دو ولتاژ سینوسی وکیسنوسی در خروجیهای سنسور قرار می گیرد
پس از حذف ولتاژ آفست با تقسیم خروجیها برهم توسط میکروکنترلر خواهیم داشت:
باتوجه به ویژگی که تابعی از معکوس تانژانت است حالت زیر رخ می دهد:
شکل زیر مدار ارتباطی با میکروکنترلر را
نشان می دهد. توجه داریم که چنانچه زوایه چرخش بیشتر از 90 باشد با ز هم
خروجی برمبنای ورودی محدود خود تعیین می شود یعنی خروجی هیچگاه از بازه
90 خارج نمی شود.
چنانچه انتهای شفت قابل استفاده یا در
دسترس نباشد از یک آهنربای حلقه ای با قطب هایی که بصورت قطاع قرار گرفته
اند. شکل زیر از یک آهنربا و دو سنسور HMC1501 تشکیل شده است.
این روش نمی تواند تمام محیط شفت را در
برگیرد ( ) و در عین حال باید محافظتی از میدان مغناطیسی موتور نیز در
نظرگرفته شود. نکته دیگری که باید در نظر گرفت این است که تداخلی در موقعیت
دو سنسور وجود دارد تا اینکه یک یا هر دو به اشباع برسند.
برای ایجاد حسگر چرخشی 360 درجه از یک
سنسور HMC1512 به همراه سنسور هال استفاده می کنیم. سنسورهای هال برای
موقعیت سنجی دقیق و حساس پیشنهاد نمی گردند. در این روش از آنها جهت تعیین
پلا ریته که کدام نیمه از سنسور AMR در مقابل آهنربا می باشد، استفاده می
شود.
وقتی که آهنربای متصل به شفت بدور
سنسورهای هال و AMR می چرخند، پلاریته ولتاژ سنسور اثرهال تغییر می کند. با
به بکاربردن یک مدار مقایسه گر درخروجی سنسوراثرهال، موقعیت، تبدیل به 2
حالت 180 درجه می شود که با موقعیت سنجی از سنسور AMR یک موقعیت سنجی
خواهیم داشت.
برای حالت زوایه ای شکل زیر 2 آهنربای حلقه ای که به یک شفت قرار گرفته اند را نشان می دهد.
آهنربا ها بصورت غیر هم مرکز با شفت قرار
گرفته اند. هر آهنربا با دیگری 180 فاصله از مرکز دارد. 2 موقعیت سنج به
گونه ای قرار گرفته اند.تا 360 درجه چرخش را پوشش دهد.
میدان مغناطیسی زمین در یک سطح وسیع (چند کیلومتر مربع) یکنواخت است. مطابق شکل زیر
یک شی مغناطیسی آشفتگی موضعی در میدان زمین ایجاد می کند. سنسورهای AMR تغییرات و آشفتگی میدان زمین را احساس می کند
یک سنسور یک محوره AMR می تواند حضور یا
عدم حضور اتومبیل را تا فاصله 15متری، وابسته به جنس، درک کند. از این
ویژگی در پارکینگ ها جهت در اختیار قراردادن راننده از فضاهای کافی استفاده
می شود. کاربرد دیگری در کنترل ترافیک، وجود دارد که معمولاً 3 سنسور AMR
را در یک مسیر باریک قرار می دهند. ا ین سنسورها زمانی که وسیله نقلیه ای
از بالای آنها عبور کند سیگنال هایی را ایجاد می کند.
قطب نمای الکتریکی با استفاده از AMR
میدان مغناطیسی زمین در حدود 0.5 تا 0.6
گوس می باشد و تقریباً موازی سطح زمین است و همیشه درجهت قطب جنوب می باشد.
اینها اساس قطب نماها می باشند. AMR گزینه مناسبی برای قطب نماست، چون رنج
حساسیت آن در بزرگی میدان زمین متمرکز است.
word: نوع فایل
سایز:140 KB
تعداد صفحه:22
