2.3. Датчик Виганда
Принцип действия датчика основан на так называемом эффекте Виганда. Магниточувствительный элемент схематично показан на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Магниточувствительный элемент
Этот эффект проявляется в том, что если ферромагнитную проволоку, имеющую специальный химический состав и физическую структуру, внести в магнитное поле, то произойдет спонтанное изменение ее магнитной поляризации, как только напряженность поля превысит некоторое пороговое значение. Этот предел называется порогом зажигания. Изменение состояния проволоки можно регистрировать при помощи обмотки, намотанной вокруг проволоки или размещенной рядом с ней. Датчик Виганда представляет собой двухполюсник, реагирующий на магнитные поля и вырабатывающий сигналы до нескольких вольт при условии, что напряженность управляющего магнитного поля превышает величину напряженности порога зажигания.
Датчики Виганда не требуют какого-либо источника питания, их выходной сигнал практически не зависит от частоты изменения поля, и их можно использовать в широком диапазоне рабочих температур (-196…+175 °C).
Конструкция простого датчика Виганда приведена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Конструкция простого датчика Виганда
Датчик состоит из проволоки, изготовленной из ферромагнитного сплава типа викаллой (10 % ванадия, 52 % кобальта и железа), и обмотки. Точный состав материала проволоки, как правило, является секретом фирмы. Проволока Виганда представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки. Получить такую структуру удается за счет использования специальной технологии изготовления. Диаметр проволоки 0,2–0,3 мм, длина – 5–40 мм. Обмотка датчика обычно составляет 1000–2000 витков медного провода диаметром 0,05–0,1 мм.
Модульное исполнение датчика, состоящего из проволоки, обмотки и постоянного магнита, позволяет разрабатывать большое число вариантов датчиков перемещения. Область их применения простирается от задач измерения и контроля до систем управления доступом, в которых они служат носителями информации в идентификационных картах (cм. рис. 2.5, 2.6).
Способность проволоки Виганда хранить данные очень успешно используется в считываемых идентификационных картах. Они состоят из двух рядов коротких кусков проволоки, представляющих и 1 (максимальная емкость 56 бит), которые вставлены в пластиковые карты точно установленного размера. Перед тем как карта поступит на устройство считывания, все проволоки должны быть насыщены в одном и том же направлении магнитного насыщения. Следовательно, информация станет полностью независимой от воздействия внешних полей, которые могут изменять магнитное состояние проволок перед считыванием. Информация основана только на геометрической конфигурации проволок и поэтому не изменяется [5].
Рис. 2.5
Рис. 2.6. Иллюстрация датчика Виганда в двух вариантах транспортных карт
Схема восприятия вращательного движения поясняется тем, что проволока с обмоткой фиксируется, тогда как магнит насыщения и магнит гашения располагаются на вращающемся барабане, изготовленном из алюминия. Для датчика длиной 40 мм, установленном в промежутке от 1 до 2 мм между проволокой и вращающимся барабаном, используются два стержневых магнита с индукцией 80 и 30 мТл соответственно для генерации сигнала с амплитудой около 2 В при достаточной временной стабильности.
Чтобы исключить установку двух подвижных магнитов, магнит гашения (30 мТл) можно расположить очень близко к датчику. При фиксированном магните гашения в качестве подвижного магнита насыщения должен использоваться более «сильный» магнит, чтобы компенсировать поле магнита гашения.
На рис. 2.7 представлена схема датчика Виганда с указанием воздействующих на него сил. В этом заключается достоинство датчика, который всегда «видит» поле любого магнита и, следовательно, менее восприимчив к внешним полям.
Рис. 2.7. Схема датчика Виганда с указанием воздействующих на него сил
Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного датчика, который получил наименование магнитоиндуктивного датчика – MagnetoInductive (MI) sensors. Датчик представляет собой микроминиатюрную катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Катушка содержит всего одну обмотку и регистрирует магнитное поле в направлении только одной из осей. Фирмой Precision Navigation Inc. выпускаются три модификации таких датчиков. Внешний вид датчика представлен на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Внешний вид датчика Виганда
2.4. Магниточувствительные и магнитоуправляемые интегральные схемы
Эти схемы содержат в одном полупроводниковом кристалле интегральный преобразователь магнитного поля (элемент Холла, магнитотранзистор или магниторезистор и т. п.) и электронную схему усиления и обработки сигнала. За рубежом такие изделия называют схемами Холла (Halleffect integrated circuits).
В мире освоен выпуск двух больших групп ИС: магниточувствительных и магнитоуправляемых микросхем [3].
2.4.1. Магниточувствительные интегральные схемы
Выходной сигнал преобразователя магнитного поля (элемента Холла или магниторезистора) очень небольшой и составляет единицы милливольт. Для дальнейшего использования такого сигнала его необходимо усилить. Проще всего это сделать путем интегрирования на одном и том же кристалле усилителя сигнала и, к примеру, элемента Холла. Устройства такого рода называют магниточувствительными интегральными микросхемами.
Магниточувствительные схемы (МЧМС) относятся к аналоговым (линейным) интегральным микросхемам и являются преобразователями магнитного поля в выходной сигнал (напряжение, ток), пропорциональный величине индукции воздействующего магнитного поля. При использовании в качестве ПМП элемента Холла в зарубежных источниках магниточувствительные ИС иногда называют LOHET (Linear Output Hall Effect Transducer – преобразователь с линейным выходом на основе эффекта Холла) [12].
Функциональные схемы МЧМС весьма разнообразны и основаны на использовании схемотехники и технологии современных операционных усилителей и других более сложных устройств (АЦП, микропроцессоров и пр.). Функционально их работа представлена на рис. 2.9.
2.4.2. Магниточувствительные микросхемы
Зарубежные фирмы выпускают широкую номенклатуру магниточувствительных (аналоговых) микросхем. В доступных источниках приводятся сведения о нескольких десятках типов МЧМС. Ведущими производителями магниточувствительных интегральных схем являются фирмы Sprague, Allegro MicroSystems Inc., Honeywell, Analog Devices, Texas Instruments Inc. (США), Matsushita Electric, Sharp, Densi (Япония), Micronas Intermetal, Melexis, Siemens A.G., Ebeco (Германия) и др.
Рис. 2.9. Функциональная схема магниточувствительного датчика с элементом Холла
Наиболее совершенными образцами современных магниточувствительных микросхем признаны МЧМС типа AD22151 (фирма Analog Devices), микросхемы серий SS490 (фирма Honeywell), UGN 3501M (фирма Sprague), А3507 – А3517 (фирма Allegro MicroSystems Inc.), КМОП микросхемы серий HAL400 и HAL800 (фирма Micronas Intermetal), микросхемы серии TLE 4910 (фирма Siemens A. G.), программируемые КМОП микросхемы типа MLX90215 (фирма Melexis) и др. [5].
Конструктивное оформление зарубежных магниточувствительных интегральных микросхем весьма разнообразно. Как правило, большинство МЧМС размещается в стандартных пластмассовых или металлокерамических корпусах типа SIP, SOIC, DIP, SSO, SOT, TO226, Micropack и т. д.
Магниточувствительные ИС и микросхемы серии SS490
Среди современных магниточувствительных микросхем наиболее известны МЧМC серии SS490, выпускаемые фирмой Honeywell. Микросхемы этой серии предназначены для прецизионных измерений индукции магнитного поля. Они делятся на пять типов: SS495A, SS495A1, SS495A2, SS496A и SS496A1, – которые отличаются высокой точностью калибровки основного параметра SU и хорошей линейностью характеристики преобразования.
На рис. 2.10 приведены упрощенная функциональная схема и выходная характеристика МУМС серии SS490. Микросхемы серии SS490 выпускаются в малогабаритных пластмассовых корпусах, в том числе и в варианте, предназначенном для автоматизированной установки на поверхность печатных плат.
Рис. 2.10. МЧМС серии SS490, упрощенная функциональная схема
Основные параметры МЧМС серии SS490, выпускаемых фирмой Honeywell:
• напряжение питания, В: 4,5–10,5;
• ток потребления, мА: 7,0–8,7;
• выходной ток, мА: не более 1,5;
• чувствительность по напряжению, мВ/мТл: 25–31;
• рабочая полоса частот преобразования, Гц: 0–25000