دانلود گزارش کارآموزی سنسور

بطور کلی موقعیت سنجی از روش های مختلف زیر قابل حصول است :
خازنی، جریان یورشی، نوری، مقاومتی، سونار، لیزری، پیزوالکتریک، القایی، مغناطیسی.
سنسور های مغناطیسی برای بیش از 2000سال است که در حال استفاده می باشند.

کاربرد اخیر سنسورهای مغناطیسی در رهیابی یاناوبری(Navigation) می باشد.
سنسورهای مغناطیسی از آهنربای دائمی و یا آهنربای الکتریکیِ تولید شده از جریان ac و dc استفاده می کند.

سنسورهای مغناطیسی ، بطور کلی ، بر میدان مغناطیسی عمل می کنند و ویژگیهای آنها تحت تاثیر میدان مغناطیسی تغییر می کند.

از ویژگیهای این سنسورها غیر تماسی بودن (Noncontact) آنهاست.

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.

علاوه بر این لغزش قسمت های متحرک بر هم، در دیگر سنسورها مثل پتانسیومتر باعث ایجاد نویز می شود، که این مشکل در سنسورهای مغناطیسی رفع شده است.
سنسورهای مغناطیسی به سبب ساختار مناسبی که دارند در محیط های آلوده، چرب و روغنی بخوبی عمل می کنند و به همین علت در اتومبیل و کاربرد های این چنینی بسیار مفید هستند.
سنسورهای مغناطیسی بر مبنای رنج میدان اعمالی بصورت زیر تقسیم بندی می شوند:
Low field : کمتر از 1mG
Medium field : ما بین 1mG و 10G
High field : بالاتر از 10G
جابجایی ( Displacement ) به معنی تغییر موقعیت است.

سنسورهای جابحایی به دو نوع افزایشی ( Incremental ) و مطلق ( Absolute ) تقسیم می شوند.

سنسور های افزایشی میزان تغییر بین موقعیت فعلی و قبلی را مشخص می کنند.

چنانچه اطلاعات مربوط به موقعیت فعلی از دست برود، مثلا منبع تغذیه دستگاه قطع بشود، سیستم باید به مبدا خود منتقل شود.( reset شود.) در نوع مطلق موقعیت فعلی بدون نیاز به اطلاعات مربوط به موقعیت قبلی بدست می آید.

نوع مطلق نیازی به انتقال به مرجع خود را ندارد.

معمولا سنسورهای جابجایی مطلق را سنسورهای موقعیت ( Position sensor ) می نامند.
در این پروژه سعی شده است تا سنسورهای جابجایی ، موقعیت و مجاورتی ( Displacement , Position , Proximity ) ‌پوشش داده شود.
بطور کلی زمانی که بخواهیم کمیت های فیزیکی مانند جهت ، حضور یا عدم حضور ، جریان ، چرخش و زاویه را اندازه گیری کنیم و از سنسورهای مغناطیسی استفاده کنیم ، ابتدا بایستی تا این کمیت ها یک میدان مغناطیسی را بوجود آورند و یا تغییری در میدان مغناطیسی یا در خصوصیات مغناطیسی سنسور ایجاد نمایند و در نهایت سنسور این تغییر را احساس نموده و آنرا با یک مدار بهسازی به جریان یا ولتاژ مناسب تغییر دهیم.

بطور کلی زمانی که بخواهیم کمیت های فیزیکی مانند جهت ، حضور یا عدم حضور ، جریان ، چرخش و زاویه را اندازه گیری کنیم و از سنسورهای مغناطیسی استفاده کنیم ، ابتدا بایستی تا این کمیت ها یک میدان مغناطیسی را بوجود آورند و یا تغییری در میدان مغناطیسی یا در خصوصیات مغناطیسی سنسور ایجاد نمایند و در نهایت سنسور این تغییر را احساس نموده و آنرا با یک مدار بهسازی به جریان یا ولتاژ مناسب تغییر دهیم.

در ادامه اصطلاحاتی جهت یادآوری بیان می شود: شدت میدان مغناطیسی (Magnetic field intensity) : آنرا با H نمایش می دهند و نیرویی است که شار مغناطیسی را در ماده به حرکت در می آورد.

به همین علت بدان نیروی مغناطیس کنندگی (Magnetizing force) نیز می گویند.

واحد آن آمپر بر متر می باشد.

چگالی شار مغناطیسی (Magnetic flux density) : آنرا با B نمایش می دهند.

میزان شار مغناطیسی است که در واحد سطح ماده توسط نیروی مغناطیس کنندگی بوجود آمده است.

واحد آن نیوتن بر آمپر بر مترمربع می باشد.

نفوذپذیری مغناطیسی (Magnetic permeability) : آنرا با نمایش می دهند.

توانایی و قابلیت ماده جهت نگهداشتن و عبور شار مغناطیسی است.

در فضای آزاد رابطه بر قرار است که نفوذ پذیری مغناطیسی فضای آزاد است و برابر می باشد.

درسایر مواد رابطه به شکل خواهد بود که و نفوذ پذیری مغناطیسی نسبی ماده می باشد.

هیسترزیس ( Hysteresis ) : پدیده ای است که در آن حالت سیستم وارون پذیر نمی باشد.

در یک سنسور جابجایی یا موقعیت این پدیده باعث می شود تا مقدار خوانده شده در یک نقطه توسط سنسور هنگام رسیدن بدان از بالا و پایین تفاوت بکند.

شکل زیر این پدیده را نشان می دهد.

هیسترزیس مغناطیسی (Magnetic hystresis) : زمانی که یک ماده فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار می گیرد به سبب عقب افتادگی چگالی شار (B) از نیروی مغناطیس کنندگی (H) ، این پدیده رخ می دهد.

اشباع مغناطیسی (Magnetic saturation) : حد بالای توانایی یک ماده جهت عبور شار مغناطیسی از خود است.

سنسورهای اثرهال (Hall Effect Sensors) مقدمه یک عنصر هال از لایه نازکی ماده هادی با اتصالات خروجی عمود بر مسیر شارش جریان ساخته شده است وقتی این عنصر تحت یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ولتاژ خروجی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی تولید می کند.

این ولتاژ بسیار کوچک و در حدود میکرو ولت است.

بنابراین استفاده از مدارات بهسازی ضروری است.

اگر چه سنسور اثرهال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود.

در سنسورها، سنسور اثر هال میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند.

ویژگیهای عمومی ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند: 1 - حالت جامد ؛ 2 - عمر طولانی ؛ 3 - عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای 100KHZ ؛ 4 - عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛ 5 - اجزای غیر متحرک ؛ 6-ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic Compatible input and output ؛ 7 - بازه دمایی گسترده (-40C ~ +150C) ؛ 8 - عملکرد تکرار پذیرعالی Highly Repeatable Operation ؛ 9 - یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد.

تاریخچه اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin Hall) درسال 1879 در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود.

هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید.

او دریافت که این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است.

اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود 70 سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد.

با ورود مواد نیمه هادی در دهه 1950 اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد.

درسال 1965 Joe Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند.

علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود.

تئوری اثرهال اگر یک ماده هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی به شدت B که عمود برجهت جریان عبوری به مقدار I می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود.

این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در قطعات اثرهال تجارتی استفاده میشود.

ولتاژها به این علت پدید می آید که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)].

نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند حاملهای جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند، ضمن اینکه در لبه مخالف کمبود حامل اتفاق می افتد.

این عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند برای یک قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شکل با ضخامت t ولتاژهایV توسط رابطه زیر بدست می آید: ، KH ضریب هال برای ماده مورد نظر است که بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد.

آنتیمونید ایریدیم ترکیبی است که در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود.

ولتاژهال در رنج در سیلیکن بوجود می آید و تقویت کننده برای آن حتمی است.

سیلیکن اثر پیز و مقاومتی دارد و بنابراین براثر فشار مقاومت آن تغییر می کند.

در یک سنسور اثر هال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود.

این عمل با قرار دادن عنصر هال بریک IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام میشود.

بطوری که بر هر یک از دو بازوی مجاور مدار پل یک عنصر هال قرار گیرد، در یکی جریان بر میدان مغاطیسی عمود است و ولتاژ هال ایجاد می شود و در دیگری جریان موازی با میدان مغناطیسی می باشد و ولتاژ هال ایجاد نمی‌شود.

استفاده از 4 عنصر هال نیز مرسوم می باشد اساس سنسورهای اثرهال عنصرهال، سنسور میدان مغناطیسی است.

باتوجه به ویژگیهای ولتاژ خروجی این سنسور نیاز مندیک طبقه تقویت کننده و نیز جبران ساز حرارتی است.

چنانچه از منبع تغذیه با ریپل فراوان استفاده کنیم وجود یک رگولاتور ولتاژ حتمی است.

رگولاتور ولتاژ باعث می شود تا جریان I ثابت باشد بنابراین ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان مغناطیسی می باشد.

اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد ولتاژی تولید نمی شود.

با وجود این اگر ولتاژ هر ترمینال اندازه گیری شود مقداری غیر ا ز صفر به ما خواهد داد.

این ولتاژ که برای تمام ترمینال ها یکسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته می‌شود.

بنابراین تقویت کننده بکار گرفته شده می بایست یک تقویت کننده تفاضلی باشد تا تنها اختلاف پتانسیل را تقویت کند.

مطالبی اضافه در مورد مدارات بهسازی سنسورهای اثر هال سنسورهای هال دیجیتال در این سنسورها وقتی بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه مطلوبی رسید سنسور ON می شود و پس از اینکه بزرگی میدان از حد معینی کاهش یافت سنسور خاموش می شود.

لذا در این سنسورها خروجی تقویت کننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر می دهند تا این عمل را انجام دهد، برای جلوگیری از پرش های متوالی از تابع هسترزیس زیر استفاده می کنند.

سنسورهای آنالوگ سنسورهای آنالوگ ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود، تنظیم می کنند.

با توجه به کمیت های اندازه گیری این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد.

برای اینکه سنسورهای ولتاژ خروجی منفی تولید نکند و همواره خروجی تقویت کننده تفاضلی را با یک ولتاژ مثبت را پاس می کنند.

در شکل بالا توجه داریم که یک نقطه صفر وجود دارد که در آن ولتاژی تولید نمی شود .

از ویژگیهای اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحی اشباع در شکل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال می باشد .

معمولا خروجی تقویت کننده تفاضلی را به ترانزیستور پوش-پول می د هند.

سنسور آنالوگ اثر هال سیستم های مغناطیسی سنسور اثر هال درحقیقت بدین ترتیب عمل میکند که توسط یک سیستم مغناطیسی کمیت فیزیکی به میدان مغناطیسی تبدیل می شود.

حال این میدان مغناطیسی توسط سنسور اثر هال حس می شود.

بسیاری از کمیت های فیزیکی با حرکت یک آهنربا اندازه گیری می شوند.

مثلاً دما و فشار را می توان بوسیله انقباض و انبساط یک Bellows که به آهنربا متصل است اندازه گیری نمود.

روش های مختلفی جهت ایجاد میدان مغناطیسی وجود دارد.

Unipolar head-on mode * در این حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حرکت می کند.

همانطور که در شکل بالا دیده می شود منحنی تغییرات فاصله ومیدان مغناطیسی در این شکل آمده است (منحنی بدست آمده غیر خطی است) و دقت درحد متوسط است.

مثلاً اگر یک سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیریم در این حالت در فاصله أی که G1 حاصل می شود سوئیچ عمل می کند و On میشود و وقتی که فاصله به حدی رسید که G1 حاصل شود سوئیچ OFF میکند.

* Unipolar slide-by mode در این حالت آهنربا در یک مسیر افقی نسبت به سنسور تغییر مکان می کند.

منحنی تغییرات مکان نسبت به میدان مغناطیسی بازهم غیر خطی است- دقت این روش کم است و لی حالت تقارنی کاملاً دیده می شود.

مثلاً سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید که در اثر میدان G1 روشن شده و در میدان G2 خاموش می شود وقتی آهنربا از سمت راست حرکت می کند و به موقعیت +D1 می رسد آنگاه سنسور عمل میکند.

این حرکت ادامه می تواند داشته باشد تا به موقعیت –D2 برسد، در این هنگام سنسور آزاد می شود و به همین ترتیب.

* Bipolar Slide –By made در این حالت از 2 آهنربا که قطب S,N هر کدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده می کنیم.

دقت در این روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولی می توان در بخش هایی، از خاصیت خطی منحنی استفاده نمود.

اگر همان سنسور دیجیتالی قبلی را در نظر بگیریم در حرکت از راست به چپ وقتی که فاصله به D2 می رسد آنگاه سنسور عمل می کند و تا به مرحله D4 پیش می رود.

بنابراین در یک حرکت پیوسته از راست به چپ سنسور در بخش شیب تند عمل می کند و در بخش شیب کند رها میکند.

جهت حذف شیب تند در بخش مبدأ از یک تکنیک دیگر استفاده می شود.

بدین ترتیب که در میان ایندو آهنربا فاصله معینی قرار می دهند.

این عمل بطور چشمگیری دقت را افزایش می دهد.

حالت دیگری نیز به کار می‌رود که در آن منحنی حاصل بصورت یک تابع پالس است.

در این روش در میان دو آهنربا، آهنربای دیگری قرار می دهند که پهنای پالس متناسب با پهنای این آهنربا می باشد.

Bipolar Slide –By mode (ring magnet) در این حالت از یک آهنربای حلقه استفاده می شود آهنربای حلقه ای یک قطعه آهنربای دیسک مانند است که قطب های آن در پیرامون آن قرار دارند.

در شکل زیر آهنربای حلقه ای با دو جفت قطب نمایش داده می شود.

به منحنی حاصل شیبه به یک منحنی سینوسی است.

هرچه تعداد قطبهای آهنربای حلقه ای بیشتر باشد مقدار پیک حاصل در اندازه میدان کمتر خواهد بود.

تعداد پالس های حاصل در این روش برابر با جفت قطبهای آهنربا می باشد.

محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطبهای زیاد، محدودیت این روش محسوب می شود.

مقایسه ای از این سیستمها در زیر آمده است : منظور از All حرکتهای چرخشی، پیوسته و رفت و برگشتی است.

هم اکنون به تشریح برخی از کاربرد های سنسورهای اثرهال می پردازیم .

سنسورهای موقعیت تشخیص پره ( Vane Operated Position Sensor) این سنسورها گاهاً تحت عنوان سنسورهای پره شناخته می شوند و شامل یک آهنربا و یک سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی می باشند.

شکل زیر این دو بخش را در یک بسته نشان میدهد.

این سنسور دارای یک فاصله هوایی میان آهنربا و سنسور اثرهال می باشد و توانایی موقعیت سنجی خطی و نیز موقعیت سنجی زاوایه ای را نیز دارد.

پره دایروی سنسور موقعیت پیستون (Piston detection sensors) در شکل مقابل روشی جهت موقعیت سنجی پیستون در یک سیلندر غیر آهنی داده شده است.

درحالت نخست آهنربا هایی را در درون پیستون به گونه ای قرار می دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجی خطی دریافت شوند.

در حالت دوم از یک پیستون آهنی و آهنربا و سنسور اثرهال استفاده می شود.

در این حالت نیاز است تا مشخصات سیستم مغناطیسی بطور مطلوبی در دسترس باشد.

برقراری های استفاده از اثرهال در این موقعیت سنجی به شرح زیر می باشد: 1- ابعاد کوچک سنسورها 2 - عدم نیاز به منبع قدرت خارجی برای آهنرباها3 - رنج دمایی بزرگ از 40c تا 150c 4 - توانایی عمل در محیط کثیف و آلوده برخی از نمونه ها در این بخش برخی از سنسورهای شرکت Honeywell به همراه اطلاعات کلی آنها آمده است.

سنسورهای مگنتواستریکتیو ( Magnetostrictive sensors) معـــــــرفی تکنولوژی سنسورهای مگنتواستریکتیو از حدود سال 1970 میلادی توسط شرکت MTS TEMPOSONIC بدست آمده است.

هم اکنون نیز تقریبا بخش عمده سنسورهای تولیدی با این تکنولوژی را این شرکت تهیه می کند.

سنسورهای مگنتو استریکتیو غیر تماسی و مطلق هستند.

غیر تماسی بودن آ‌نها باعث عمر طولانی و عدم فرسودگی زود هنگام آنها می شود.

وقتی یک سنسور تماسی مانند پتانسیومتر را بررسی کنیم متوجه می شویم که با حرکت لغزنده بر عنصر مقاومتی، لغزش های کوچکی رخ میدهد که عامل ایجاد نویز، هیسترزیس و عمر محدود آن می باشد.

بنابراین با گذشت زمان و فرسوده شدن پتانسیومتر نسبت سیگنال به نویز کاهش می یابد و نیز می تواند نقاط مرده ای بر عنصر مقاومتی تولید شود، که تعویض عنصر سنسور را قطعی می کند.

سنسورهای مگنتواستریکتیو در دو مسیر متفاوت رشد کرده اند یکی بسوی سنسورهای هوشمند توانا در اندازه های کوچکی دومی بسوی سنسورهای ارزان قیمت طراحی شده جهت کاربردهای ویژه در صنایع.

تئـــــــــوری Magnetostriction یک خاصیت مواد فرو مغناطیسی مانند آهن، نیکل و کبالت می باشد.

وقتی این مواد در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند تغییر شکل و یا تغییر اندازه می دهند.

وقتی یک ماده فرو مغناطیسی، در میدان مغناطیسی قرار نگرفته باشد و به اصطلاح آهنربا نشده باشد، این حفره ها بطور دلخواه قرار گرفته اند.

ولی در اثر حضور میدان مغناطیسی، حوزه ها منظم گشته و در یک جهت قرار می گیرند.

بدین ترتیب خاصیت مغناطیسی حوزه ها تقویت شده و ماده از خود خواص مغناطیسی نشان میدهد.

این ویژگی با خواص آلیاژ، شدت میدان مغناطیسی و شرایط گرم و سرد کردن در حین قالب گیری و ذوب کردن متناسب می باشد.

وقتی اسپین های الکترون بر اثر میدان مغناطیسی تغییر جهت دهند، برهم کنش بین اسپین الکترون و اوربیت منجر می شود تا انرژی الکترون تغییر کند.

در نهایت ماده کش می آید تا الکترون ها در آخرین سطح انرژی به سطح انرژی کمتری رسیده و درحالت آرامش قرار گیرند.(پایداری) مواد می توانند دارای خاصیت های باشند.

وقتی دارای خاصیت PM باشند براثر اعمال مغناطیسی اندازه آنها بزرگتر می شود.

خاصیت NM باعث کوچکتر شدن ماده در حضور میدان مغناطیسی می شود.

مگنتو استریکتیو در عناصر پایه و آلیاژهای ساده تغییر اندازه های کوچکی را باعث می شود.

Positive Magnetostriction (PM) Negetive Magnetostriction (NM) عکس اثر مگنتواستریکتیو، اثر ویلاری می باشد.(Villary Effect) یعنی با اعمال فشار بریک ماده مگنتواستریکتیو خصوصیات مغناطیسی آن مانند نفوذپذیری مغناطیسی آن تغییر می کند.

وقتی یک میدان مغناطیسی محوری بر یک سیم مگنتو استریکتیو که جریانی از آن می گذرد اعمال می شود، در میدان مغناطیسی اعوجاجی براثر برهم کنش میدان مغناطیسی (مثلاً حاصل از یک آهنربای دایمی) و میدان مغناطیسی حاصل از عبور جریان الکتریکی بوجود می آید.

جریان اعمالی را یک پالس با پهنای پالس کوچک( 1 تا 2 میکروثانیه) در نظر بگیریم.

در این حالت اثر پوستی کاملاً تاثیر گذار خواهد بود و باعث می گردد تا حداقل چگالی جریان از مرکز سیم عبور کند و حداکثر چگالی جریان از سطح سیم بگذرد.

بنابراین شدت میدان مغناطیسی در سطح سیم بزرگتر است این امر اعوجاج سیم را افزایش می دهد.

بنابراین این اعوجاج مکانیکی تبدیل به یک موج اولتراسونیک می شود و در طول سیم حرکت می کند.

این موج با سرعت 340 متر بر ثانیه در سیم حرکت می کند.

بنابراین عبور جریان پالسی با عرض پالس کوچک از یک سیم مگنتو استریکتیو در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی باعث اعوجاجی در میدان مغناطیسی آهنربا شده و این اعوجاج بوسیله امواج اولتراسونیک تغییر شکل سیم را سبب می شود.

نحوه عملکرد موقعیت سنج این موقعیت سنج دارای یک آهنربا است که به قسمت متحرک دستگاه وصل می شود.

سیمی نیز که بوسیله پوششی محافظت می شود به بخش ثابت دستگاه متصل است.

موقعیت سنج بدین ترتیب عمل می کند که با جاری شدن پالس جریان در سیم، شمارنده ای شروع به شمارش می کند.

پالس جریان در محلی که آهنربای متصل به جسم قرار دارد یک موج اولتراسونیک تولید می کند.

(اثرو ایدمن) این موج در طول سیم عبور می کند تا بوسیله یک محرک (pick-up) دریافت شود و در این هنگام به سبب ولتاژ تولید شده در بخش محرک (pick-up) تایمر متوقف می شود.

زمان سپری شده توسط تایمر نشاندهنده موقعیت آهنربا می باشد.

از آنجاییکه موج صوتی در جهت مخالف نیز می تواند حرکت کند، برای جلوگیری از برگشت موج از یک دامپر(Damper) استفاده می کنیم تا انرژی آنرا جذب کند.

بخش محرک یا (pick-up) از اثر ویلاری استفاده می کند.

این بخش از یک آهنربا تشکیل شده است.

ماده مگنتواستریکتیو کوچکی به قسمت انتهایی سیم متصل گشته است و بوسیله این آهنرا مگنتیزه می شود.

این ماده مگنتواستریکتیو در درون سیم پیچ کوچکی قرار گرفته است.

وقتی موج صوتی به آن می رسد برمبنای اثر ویلاری، ضریب نفوذپذیری مغناطیسی آن تغییر می کند.

به سبب تغییر میدان در سیم پیچی، ولتاژی در پایانه های آن ایجاد می گردد.(اثر فارادی) این ولتاژ باعث خاموش شدن تایمر می گردد.

مشخصات کلی و مقایسه سنسورهای موقعیت مگنتواستریکتیو خطی از ابعاد 10mm تا 20m ساخته می شوند.

درصد غیر خطی بودن این سنسورها کمتر از 0.02% است.

رزولوشن آنها نیز در حدود یک میکرومتر می باشد.

سنسورهای بلندتر از نظر هزینه بسیار مطلوب می باشند، چون تنها سیم و بخش بدنه آن بلند تر خواهد شد و سایر قسمت ها تغییر چندانی نخواهد کرد.

سیم مگنتواستریکتیو برای موقعیت سنجی خطی بطور مستقیم قرار می گیرد و برای حرکت های چرخشی یا زاویه ای یا منحنی الخط می تواند شکل مناسبی را به خود بگیرد.

البته هنوز کاربرد چرخشی این نوع سنسورها فراگیر نشده است.

در مقایسه با LVDT ها که برای اندازه گیری 1mm با درصد غیر خطی 0.1% و اندازه گیری 25mm با درصد غیر خطی 1% تا 0.2% به کار می روند، خروجی بهتری دارند.

در عین حال تولید LVDT برای اندازه گیری تغییرات بیشتر از 100mm گران و دشوار است.

سنسورهای مگنتورزیستیو Magnetoresistive sensors کاربرد ها و انواع همانطور که گفته شد، این تکنولوژی متعلق به شرکت MTS TEMPOSONIC بوده است و هم اکنون نیز بخش عمده ای از محصولات مگنتواستریکتیو توسط این شرکت تولید می گردد.

شرکت MTS دارای تولیدات در مجموعه های E ,R,L,S می باشد.

پیدا می کنند.

این سنسورها دارای کاربرد های خطی هستند که گاها با تغییر شکل سیم‌کاربردچرخشی نیز پیدا می کنند.

برخی از کاربرد های آنها این چنین است .

سنسورهای مگنتورزیستیو Magnetoresistive sensors معرفی و تاریخچه ویلیام تامپسون و بعداً لورد کلوین، برای اولین بار اثر مگنتور زیستیو در سال 1856 در مواد فرومغناطیسی مشاهده نمودند.

این کشف تا حدود 100 سال بعد که تکنولوژی ساخت فیلم های نازک بدست آمد بدون استفاده باقی ماند.

همانطور که از نام آن برمی آید ، با تغییر میدان مغناطیسی مقاومت الکتریکی این مواد تغییر می کند.

در بیشتر مواد مغناطیسی، زمانی که یک میدان مغناطیسی اعمال می شود و( H ) عمود بر جهت جریان باشد مقاومت الکتریکی کاهش می یابد.

کاهش مقاومت در ازای افزایش چگالی شار مغناطیسی( B ) است و تا زمانی که ماده به اشباع برود ادامه می یابد.

وقتی میدان مغناطیسی موازی جهت جریان الکتریکی است با افزایش شدت میدان مغناطیسی مقاومت افزایش می یابد.

به این پدیده مگنتورزیستیو(MR ) می گویند.

این پدیده نتیجه دو عمل است: 1- کاهش سرعت حاملهای مقدم به سبب مجبور شدن حاملها به حرکت از یک طرف.

2- کاهش مقطع عرضی مؤثر هادی به سبب حرکت گروهی حاملها در یک طرف.

در حقیقت: (Resistivity = Voltage / ( Carrier density * Carrier velocity برمبنای اندازه تغییرات مقاومت الکتریکی در ازای تغییر میدان مغناطیسی به سه دسته تقسیم می شوند : Anisotr Giant Magnetoresistive (GMR) Colossal Magnetoresistance (CMR) opic Magnetoresistive (AMR) پرکاربرد ترین دسته سنسورهای MR ، دسته AMR می باشد که پهنای باند بین 1 - 5 مگاهرتز دارند و عکس العمل آنها بسیار سریع است کاربرد های MRسنسورهای در هدهای خواندن نوارهای صوتی، سرعت چرخ اتومبیل و میل لنگ، در ناوبری، شناسایی وسیله نقلیه (Vehicle Deteetion) وسنسورهای جریان و ...

می باشد.

تـــئـــــوری با توجه به کاربرد وسیع AMR ها در صنعت به بیان اساس و تئوری این دسته می‌پردازیم سنسورهایAMR می توانند میدانهای استاتیک را از نظر قدرت و جهت میدان احساس کنند.

این سنسورها از فیلم نازک پرمالوی قرار گرفته بر یک ویفرسیلیکن تشکیل می شود.پرمالوی آلیاژی است از آهن و نیکل.

در طول ساختن AMR یک میدان مغناطیسی قوی برآن اعمال می کنند که موجب جهت گیری حوزه ها و تشکیل بردار مغناطیسی شوندگی در پرمالوی می شود.

بردار مغناطیسی شوندگی موازی با طول AMR قرار می گیرد.

اگر جریانی از AMR با زوایه 45درجه نسبت به طول قطعه عبور نماید، زوایه ای() بین بردار مغناطیسی شوندگی و جریان پدید می آید مقاومت AMR زمانی که جریان موازی بردار مغناطیسی شوندگی باشد بیشترین مقدار را خواهد داشت.

زمانی که یک میدان مغناطیسی خارجی بر AMR عمل کند بردار مغناطیسی شوندگی می چر خد و  تغییر می کند.

این امر باعث تغییر مقاومت و در نهایت باعث تغییر ولتاژ خروجی در مدار پل می شود.

شکل زیر تغییرات مقاومت را به ازای تغییر زوایه نشان میدهد.

محدوده خطی پیرامون زوایه 45O است.

روش تولید جریان با زوایه Barber Pole Biasing ، 45O نامیده می شود.

در این روش برمبنای شکل بالا در AMR و در عرض آن از مانعهای کوتاهی (Shorting Bar) با مقاومت کم استفاده می شود.

از آنجائیکه این مانعها با زوایه 45 قرار گرفته اند و نیز جریان مسیر با حداقل مقاومت را طی می کند، جریان با زوایه45 از طول AMR عبور می کند.

شکل نشان داده شده AMR چهار را در مدار پل نشان می دهد.حساسیت این سنسورها در محدوده میلی ولت به ازای اعمال یک اورستد میدان و یک ولت تغذیه مدار پل می باشد.

3 کاربرد عملی برای افزایش حساسیت سنسور های مگنتورزیستیو وجود دارد.

1- سنسور و میدان مغناطیسی باید در یک میدان مغناطیسی باشند.

2- فاصله هوایی بین سنسور و میدان مغناطیسی به حداقل ممکن برسد تا سطح گوسی بر سنسور افزایش یابد.

3- شدت میدان مغناطیسی افزایش یابد.

نکته مهم در مورد AMR سنسور این است که در صورت قرار گیری در یک میدان مغناطیسی آشفته بردار مغناطیسی شوندگی ( هم سویی حوزه‌های مغناطیسی ) از بین مورد.

جهت بازسازی این بردار از یک میدان مغناطیسی قوی استفاده می کنیم.

کافی است تا AMR درحدود 10 نانو ثانیه تحت این میدان قرار گیرد.

شکل زیر در صد تغییرات dR/R شکل زیر یک ماده مگنتورزیستیو را در حضور یک میدان خارجی نشان می دهد.

طبق این شکل میدان مثبت یا منفی تاثیر یکسانی در تغییر مقاومت ماده دارد.

در عین حال یک منطقه خطی در این شکل دیده می شود.

توجه داشته باشید که این خاصیت دارای منطقه اشباع می باشد.

( تقریبا 80 گاوس ) مواد فرو مغناطیسی دارای جزء مغناطیسی در واحد حجم می باشند که کمیتی برداری است که برای هر نقطه تعریف می شود.

چرخش این بردار مغناطیس شوندگی از راستای جریان الکتریکی در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی منجر به تغییر در مقاومت میشود.

برای کاربرد حساس به جهت، لایه مورد نظر را در منطقه خطی قرار می دهیم سپس با تغییر جهت میدان خارجی باعث تغییر جهت بردار مغناطیس شوندگی نسبت به جریان شویم و یا جهت جریان را نسبت به جهت بردار مغناطیس شوندگی تغییر دهیم.

شکل زیر یک لایه نازک، طولانی از پرمالوی را که جریان از آن می گذرد نشان می دهد.

وقتی میدان خارجی بر این ماده اعمال شود مقاومت با ضریب Sin ( زاویه بین بردار جریان I بردار مغناطیس کنندگی M است.

) تغییر می کند.

سنسورهای مگنتورزیستیو Magnetoresistive sensors GMR در سال 1988 پدیده دیگری مشاهده شد که در آن تغییر مقاومت براثر میدان مغناطیسی بیش از 70% بود در مقایسه با تغییر مقاومت کوچک AMR ها، این پدیده را GMR نامیده اند.

ساختار های چند لایه از مواد عجیب ( گاها تا10 لایه ) منجر به تولید دسته ای دیگر از مواد مگنتور زیستیو شده است که خاصیت MR بزرگتری از خود نشان می دهند و تحت میدان های بزرگتری به اشباع می روند.

به این دسته از MR ها (GMR) Giant Magnetoresistive می گویند.

مقاومت 2 لایه نازک از مواد فرو مغناطیسی که بوسیله یک لایه از مواد غیر مغناطیسی ازهم جدا شده اند، بر مبنای موازی بودن یا ناموازی بودن بردارهای مغناطیس شوندگی تغییر می کند.

یکی از لایه های مغناطیسی به سختی مغناطیسی می شود و همانند یک آهنربای دائمی نیز باقی می ماند.

لایه مغناطیسی دیگر به راحتی مغناطیسی می شود.

وقتی این لایه ها دارای بردارهای مغناطیس شوندگی موازی هم باشند، دارای پراکندگی کمی در فاصله میان لایه می باشند و در نهایت مقاومت GMR در کمترین مقدار قرار دارد در حالت بردارهای غیر موازی، پراکندگی در بیشترین مقدار آن است و درنتیجه دارای بیشترین مقدار مقاومت می باشد.

زمانی که بردار مغناطیس شوندگی لایه دوم (Soft) براثر تغییر جهت میدان مقاومت متناسب با زوایه بین بردارهای مغناطیس شوندگی تغییر می کند.

بنابراین سنسور می تواند زمانی که یک آهنربای دایمی در بالای سنسور قرار گیرد جهت اندازه گیری تغییر زوایه یک شفت به کار آید.

رزولوشن با این طرح تنها بر مبنای هیسترزین موجود برای حرکت های ساعتگرد و پاد ساعتگرد به 2 درجه محدود می شود.

بوسیله 2 سنسور که عمود برهم قرار گیرند موقعیت مطلق را میتوان بدست آورد.

حساسیت این نوع سنسور ها با توجه به میدان مغناطیسی خارجی تعیین می شود، چرا که میدان خارجی باید به حدی قوی باشد تا لایه نرم را مغناطیسه کند ولی نباید به حدی باشد که بر بردار مغناطیس شوندگی لایه سخت تاثیر بگذارد.

این میدان در بازه 200G - 50G می باشد.

ضخامت این لایه به حد نانومتر می باشد.

کاربردهای GMR 1 - سنسورهای مجاورتی 2 - سنسورهای موقعیت CMR این مواد از GMR هم پیشی گرفته اند و زمانی که در یک میدان بزرگ و شرایط دمایی نیتروژن مایع (درحدود OC 190) قرار گرفته باشد، تغییرات مقاومتی در حدود 103 تا %108 ایجاد می کند.

به تازگی درتحقیقات توانسته اند تا GMR را نیز دردمای معمولی استفاده کنند.

کاربرد چندانی در صنعت نداشته و تنها در آزمایشگاه ها استفاده می شود.

مقایسه حال به مقایسه ای میان اثرهال در سیلیکن و نیز اثر مگنتور زیستیو در پرمالوی می پردازیم.

هر دو تکنولوژی قابل مجتمع شدن در یک چیپ می باشند.

هر دو برای میدان مغناطیسی تغییر ناپذیر با زمان ایجاد می شوند و پاسخ سریع دارند.

بار بیشتر نسبت به اثرهال حساس است و حساسیت آن مطابق با ضخامت و پهنای انتخابی فیلم است.

سنسورهای MR وقتی با آهنربای حلقه ای (جهت شمارش) بکار می روند، روزولوشن سنسور 2 برابر می شود.

که این خاصیت در اثرهال موجود نمی باشد.

سنسورهای اثرهال دارای خاصیت خطی بیشتری هستند و دارای منطقه اشباع نیز(حتی تحت میدان مغناطیسی بزرگ) نمیباشند.

سنسورهای اثرهال به میدان های عمود بر خود و سنسورهای MR به میدان های موازی با خود پاسخ می دهند.

در شکل زیر میدان کاری چند تکنولوژی ای که تا کنون مطالعه کرده ایم را نشان می دهد.

همانطور که ملاحظه می شود میدان کاری AMR کوچکتر از میدان لازم برای GMR و هال می باشد.

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.