ББК 32.844я73
Б24
Бараночников М.Л.
Б24
Микромагнитоэлектроника. Т. 1. – М: ДМК Пресс, 2001. – 544 с. ил. (Серия
«Учебник»)
Электронная версия 373 с.
ISBN 5-94074-078-2
Посвящается новому направлению техники – микромагнитоэлектронике.
Состоит из двух частей. В первой части в доступной форме излагаются принципы работы
современных преобразователей магнитного поля (элементов Холла, магниторезисторов,
магнитодиодов, магнитотранзисторов и др.), а также изделий микромагнитоэлектроники,
создаваемых на их основе (магниточувствительных и магнитоуправляемых ИС, магнитных
датчиков и др.).
Приводятся схемы их сопряжения с др. электронными узлами. Рассматриваются некоторые
области применения изделий микромагнитоэлектроники в различных областях техники.
Во второй части приводятся справочные данные по более, чем 2500 типономиналам
изделий микромагнитоэлектроники, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами и
некоторыми отечественными производителями.
Рекомендуется для инженерно-технических работников, специализирующихся в областях
создания и эксплуатации современного оборудования и приборов, а также для студентов
технических ВУЗов и подготовленных радиолюбителей.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы
то ни было форме и какими бы то ни было средсвами без письменного разрешения владельцев
авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет
отвентственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
ISBN 5-94074-078-2
Бараночников М. Л., 2001
ДМК Пресс, 2001
Страница 3
Бараночников М.Л.
Микромагнитоэлектроника
ТОМ 1
ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ
ИЗДЕЛИЙ МИКРОМАГНИТОЭЛЕКТРОНИКИ
под общей редакцией
доктора физико-математических наук,
профессора Мордковича В.Н.
электронная авторская версия
г. Москва, 2002 г.
Страница 4
Предисловие
Среди современных технических средств немало устройств и объектов, работа которых основана на
взаимодействии с магнитным полем или в которых последнее используется в качестве управляющей среды.
За минувшие двадцать лет опубликовано множество статей, патентов и авторских свидетельств на изобретения, а также монографий, посвященных теории преобразователей магнитного поля и принципам работы приборов, созданных на их основе.
Большой вклад в разработку этой темы внесли такие отечественные авторы книг и статей, как О. К. Хомерики [16], В. И. Стафеева. [4, 10, 15], А. Н. Марченко [9, 11], Г. А. Егиазаряна [5, 6, 7, 8], М. М. Мирзаба-ева
[12], Ю. В. Афанасьев [3] и многие другие.
Одной из самых удачных признана монография коллектива авторов во главе с Д. И. Агейкиным, посвященная датчикам различного назначения [1].
Некоторую информацию общего характера о преобразователях магнитного поля можно найти в справочнике под редакцией А. В. Нефедова [13].
За последнее десятилетие совершенствовались и оттачивались отдельные вопросы теории преобразователей магнитного поля, разрабатывались и внедрялись новые принципы их конструирования и технология
производства. На мировом рынке появились принципиально новые приборы и устройства.
В результате синтеза микроэлектроники и интегральных магниточувствительных элементов (преобразователей магнитного поля) возникло новое научно-техническое направление – микромагнитоэлектроника.
Развитие микромагнитоэлектроники позволяет разрабатывать и производить, современные магнитоэлектронные устройства и приборы.
Изделия микромагнитоэлектроники используются в системах управления производственными процессами,
в автомобильной электронике, измерительной и вычислительной технике, в дефектоскопии, медицинских и
бытовых приборах и т.д. Зарубежные фирмы производят в год несколько миллиардов изделий
микромагнитоэлектроники.
Оценка возможностей и перспектив применения устройств и приборов микромагнитоэлектроники и их
очевидных преимуществ перед другими группами изделий электронной техники, выполняющих сходные
функции, показывает, что в России это научно-техническое направление практически не освоено.
Несмотря на быстрое развитие микромагнитоэлектроники и ее широкое внедрение в различные отрасли
науки и техники, в отечественной специальной литературе эти вопросы освещены слабо.
Такое положение объясняется как экономическими трудностями и стагнацией производства изделий
микроэлектроники, так и распадом творческих коллективов научных и инженерно--технических работников,
что привело к резкому снижению, начиная с 1991–92 гг., количества научно-технических публикаций и к вакууму
информации в данной области.
Одновременно с этим в России значительно возрос интерес молодежи к учебе в средних специальных и
высших образовательных заведениях и приобретению профессиональных навыков. Количество студентов
технических ВУЗов уже в 1997–98 гг. превысило уровень. 1991-92 гг.
В сложившейся ситуации возникла необходимость некоторого критического осмысления и обобщения
теоретических и практических результатов разработки и применения изделий микромагнитоэлектроники.
Одновременно с попыткой решить указанную задачу автор счел целесообразным в настоящей работе
познакомить читателей с новыми перспективными приборами, о которых еще нет сведений в специальной
литературе.
Материалы для книги взяты, из отечественных и зарубежных печатных изданий, а также использованы
работы самого автора.
В книге систематизированы и в доступной форме изложены основные сведения о различных типах современных преобразователей магнитного поля и о приборах, созданных на их основе.
Книга состоит из двух томов.
Первый том содержит восемь глав, в которых рассматриваются принципы функционирования основных
изделий микромагнитоэлектроники.
Глава 1 знакомит читателя с основными понятиями, направлениями и тенденциями развития микромагнитоэлектроники.
В главе 2 описаны физические основы функционирования наиболее известных типов преобразователей
магнитного поля (ПМП). Рассматриваются особенности применения различных ПМП (элементов Холла,
магниторезисторов, магнитодиодов, магнитотранзисторов и др.), приводятся схемы сопряжения приборов с
внешними цепями и устройствами.
Глава 3 знакомит с принципами работы магниточувствительных (МЧМС) и магнитоуправляемых (МУМ)
интегральных схем и особенностями их применения. В этой главе приводятся функциональные схемы,
параметры и характеристики МЧМС и МУМ.
В главе 4 приведены общие сведения о многоэлементных и многоканальных преобразователях магнитного
поля.
Страница 5
В главе 5 описаны принципы работы микроэлектронных магнитных датчиков различного назначения, в
том числе, датчиков перемещения, приближения, угла поворота и угла наклона, датчиков положения ротора
вентильных электродвигателей и датчиков скорости вращения. Даны характеристики датчиков тока и напряжения. Приведены функциональные схемы различных типов датчиков, реализуемых с применением преобразователей магнитного поля.
Глава 6 знакомит с принципами работы магнитоэлектронных устройств различного назначения: В главе 5
описаны принципы работы микроэлектронных магнитных датчиков различного назначения, в том числе,
датчиков перемещения, приближения, угла поворота и угла наклона, датчиков положения ротора вентиль-ных
электродвигателей и датчиков скорости вращения. Даны характеристики датчиков тока и бесконтакт-ных
концевыхм выключателей, клавишных модулей и переменных резисторов. Рассматриваются принципы
функционирования и примеры построения магнитоэлектронных устройств для определения направления на
источник магнитного поля (электронных компасов), для использования в аппаратуре неразрушающего контроля ферромагнитных изделий (дефектоскопии), а также в аппаратуре для предсказания магнитных бурь и др.
В главе 7 приводятся общие сведения об основных элементах изделий микромагнитоэлектроники и о
материалах, используемых для их изготовления .
В главе 8 рассмотрены принципы измерения основных параметров наиболее распространенных типов
преобразователей магнитного поля: элементов Холла, магниторезисторов, магнитодиодов, магниточувствительных и магнитоуправляемых интегральных микросхем. Содержание этой главы будет полезно при самостоятельной оценке параметров ПМП в «домашних» условиях.
Во втором томе книги содержатся справочные сведения о наиболее известных типах изделий микромагнитоэлектроники.
Второй том состоит из двадцати двух глав (9-31). В главах 9–25 приводятся основные параметры и
характеристики наиболее известных изделий микромагнитоэлектроники, выпускаемых отечественными и
зарубежными производителями,. в том числе преобразователей магнитного поля, магниточувствительных и
магнитоуправляемых ИС, датчиков положения, скорости вращения, угла поворота и угла наклона, датчиков
тока и напряжения и др. Даны рисунки их общего вида, функциональные схемы и таблицы назначения выводов.
В главе 26 рассмотрены характеристики некоторых типов постоянных магнитов, используемых в устройствах микромагнитоэлектроники.
В книге даны основные характеристики более чем на 2500 типономиналов изделий микромагнитоэлектроники.
В главе 27 приводятся сведения о бытовых и промышленных источниках магнитного поля, воздействующих на человека.
В главе 28 приводятся таблицы параметров и единиц, используемых отечественными и зарубежными
специалистами, работающими в области микромагнитоэлектроники, а также таблицы для взаимного перевода некоторых величин.
В главах 29 и 30 даны ориентировочные цены на некоторые типы изделий и перечень более 200 зарубежных фирм, работающих в области создания изделий микромагнитоэлектроники.
В главе 31 дается перечень изделий, сведения о которых приведены в настоящем издании.
Приведенные в книге сведения справочного назначения не только иллюстрируют возможности изделий
микромагнитоэлектроники, но и могут служить обобщенным информационным материалом для инженеров,
занимающихся проектированием и обслуживанием автоматизированного оборудования и современной бытовой
техники. Кроме того, эта информация, дает возможность российским специалистам применять зарубежные
изделия микромагнитоэлектроники для решения технических задач.
Книга рассчитана на подготовленного читателя, а потому содержит минимум теоретических материа-лов.
В издании более 1200 иллюстраций, свыше 100 схем включения изделий микромагнитоэлектроники в
составе узлов и приборов различного назначения. Некоторые примеры практического применения изделий
и электрические схемы приводятся без объяснений.
Приведенные в книге формулы могут использоваться читателем как обоснованный инструмент для простого
аналитического определения основных параметров преобразователей магнитного поля и приборов, создаваемых
с их применением. Это важно как при проектировании соответствующей аппаратуры, так и при использовании
изделий микромагнитоэлектроники в конкретных устройствах различного назначения.
Часть текста набрана петитом, и подготовленный читатель может его пропустить.
Надеюсь, что систематизированный и приведенный в книге материал удовлетворит интерес инженернотехнических работников, молодых специалистов и радиолюбителей к новому направлению техники и поможет
им совершенствовать существующие и создавать новые устройства на основе изделий микромагнитоэлектроники.
Автор выражает глубокую признательность рецензенту и научному редактору книги доктору физикоматематических наук В.Н. Мордковичу за множество ценных замечаний, поправок и за доброжелательную
критику, что в значительной степени помогло улучшить содержаниея книги.
Страница 6
Глава 1. Микромагнитоэлектроника – новое направление техники
Многие происходящие явления и процессы , так или иначе, связаны с магнитным полем (МП). В
современной технике существует немало различных объектов и устройств, работа которых основана на
взаимодействии с МП или в которых последнее используется в качестве управляющей среды.
Влияние магнитных полей настолько велико, что весьма актуальными являются задачи по контролю МП,
их изучению и эффективному применению в науке, технике и быту.
Основным элементом объектов и устройств, использующих магнитное поле, является ,преобразователь
магнитного поля (ПМП), который обеспечивает преобразование магнитного потока в электрический сигнал.
При создании ПМП используются различные физические явления, происходящие (возникающие) в
полупроводниках и металлах при взаимодействии с магнитным полем.
Эти явления, известные как эффекты Холла и Гаусса, были открыты в конце девятнадцатого векав (в1879
г.). Однако в практической деятельности их начали использовать спустя три четверти века, когда успехи в
материаловедении и технологии позволили наладить промышленный выпуск дискретных преобразователей
магнитного поля, (в основном, так называемых «монолитных» датчиков Холла и магниторезисторов), которые
стали широкое применяться в науке и технике.
Использование преобразователей магнитного поля первого поколения позволило существенно повысить
надежность и эксплуатационные характеристики многих устройств автоматики и вычислительной техники,
уменьшить их габариты и стоимость [16].
Стремительное развитие в последние три десятилетия точного машиностроенияе и «точной» металлургии,
автоматикиа и телемеханики, вычислительной и информационной техники, наряду с достижениями в области
технологии изготовления полупроводниковых приборов, привело к возникновению нового направления
техники, которое по аналогии с фотоэлектроникой [2] назвали магнитоэлектроникой.
Интенсивное развитие магнитоэлектроники объясняется такими достоинствами ПМП, как возможность
полной электрической развязки входных и выходных цепей аппаратуры, бесконтактное преобразование малых
механических перемещений в электрические сигналы, детектирование величины и направления индукции
магнитного поля с высокой локальностью, создание бесконтактных («неискрящих») коммутаторов
электрических цепей, бесконтактное измерение токов и напряжений и т.д.
Благодаря успехам магнитоэлектроники было создано второе поколение дискретных преобразователей
магнитного поля и, освоено их промышленное производство. К устройствам второго поколения,
характеризующимся высокими магнитоэлектрическими и эксплуатационными характеристиками, широкой
номенклатурой приборов и значительными объемами их производства, относятся интегральные элементы
Холла, тонкопленочные магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы и т.п.
Каждый из перечисленных дискретных преобразователей магнитного поля имеет определенный набор
параметров и характеристик, обладает установленными преимуществами и особенностями, которые
учитываются при проектировании магнитоэлектронной аппаратуры в зависимости от конкретных условий ее
применения.
Общим для всех указанных приборов (дискретных ПМП) является то, что каждый из них, по совокупности
параметров и возможностей, является всего-навсего магниточувствительным элементом электронного датчика,
то есть «Частью электронного датчика, осуществляющей функцию восприятия контролируемых параметров
среды или объекта и адекватного преобразования их значений в значения собственных электрических
параметров» [1].
Функции дискретных ПМП существенно ограничены, практически все они требуют специального источника
питания. Напряжение сигнала (или ток сигнала), снимаемое с выхода этих приборов, как правило,
характеризуется минимальной величиной (от долей до десятков милливольт или микроампер), что затрудняет
их использование в высокочувствительной аппаратуре и оборудовании.
Магнитная чувствительность ПМП в составе аппаратуры во многом зависит от правильного выбора его
режима работы и степени согласования преобразователя с последующим электронным трактом. Наличие
открытого входа электронного тракта, протяженных электрических соединений ПМП со схемой усиления
сигнала, неудачно выбранные температурный и электрический режимы, а также неоптимальное согласование
с нагрузкой часто не позволяют реализовать потенциально высокую чувствительность преобразователя
магнитного поля.
С повышением требований к параметрам и эксплуатационным характеристикам современной аппаратуры
и приборов в последние годы, на преобразователи магнитного поля нового поколения стали возлагаться
функции, которые ранее выполнялись элементами и узлами самой аппаратуры.
Совмещение нескольких функций в одном изделии, имеющем, как правило, единую конструкцию, дает
выигрыш не только в реализуемой магнитной чувствительности ПМП, но и приводит к значительному
уменьшению габаритов магнитоэлектронной аппаратуры, повышению надежности и снижению ее стоимости.
В настоящее время в сфере деятельности «сложных» преобразователей магнитного поля отсутствуют
Страница 7
многиех термины и понятия, обычно устанавливаемыех нормативными (государственными, отраслевыми)
документами. Однако, по аналогии с фотоприемными устройствами (ФПУ), выполняющими в ряде случаев
сходные с ПМП функции [2], попытаемся дать определение этому устройству.
Устройства, которые выполняют кроме преобразования магнитного поля и иные функции, и в которых в
одном корпусе размещаются магниточувствительный элемент, электронная схема обработки сигнала, а также
другие элементы, расширяющие функции указанных изделий, будем называть магнитоэлектронными
устройствами.
На рис. 1.1 в качестве примера приведена обобщенная функциональная схема простого одноканального
магнитоэлектронного устройства (МЭУ).
В данном устройстве происходят последовательные преобразования магнитного поля в выходной
электрический сигнал. В общем случае в простом МЭУ основные структурные элементы, выполняют следующие
функции:
Магнитная система формирует магнитный поток в соответствии с назначением устройства и (или)
обеспечивает защиту ПМП от воздействия посторонних магнитных полей.
Преобразователь магнитного поля осуществляет преобразование поля в изменение электрофизических
свойств или состояния магниточувствительного элемента.
Согласующий каскад обеспечивает оптимальное согласование ПМП с выходом электронного тракта
устройства и (или) предварительное усиление сигнала ПМП.;
Усилитель осуществляет дальнейшее усиление сигнала и его предварительную обработку (фильтрацию,
обеспечение заданной полосы пропускания и т.д).
Пороговое устройство осуществляет дискриминацию уровня сигнала (формирование сигнала с
прямоугольными фронтами).
Усилитель мощности обеспечивает усиление сигнала по току (или по напряжению) и оптимальное
согласование МЭУ с внешней нагрузкой.
Схема управления обеспечивает установку (регулировку) порога срабатывания (индукции срабатывания/
отпускания) и (или) регулировку магнитной чувствительности МЭУ.
Стабилизатор режимов работы обеспечивает стабильность параметров МЭУ при питании его от
нестабильного источника и неконтролируемом изменении температуры окружающей среды.
В современных, более сложных МЭУ могут содержаться и другие элементы, которые, кроме перечисленных
функций, осуществляют термостабилизацию магниточувствительного элемента; защиту устройства от
воздействия «сверхнизких» и «сверхвысоких» напряжений и коротких замыканий по выходу, защиту от перегрева
и ошибочного изменения полярности источников питания, аналого-цифровое и цифро-аналоговое
преобразование сигналов ПМП и сигналов управления магнитоэлектронным устройством и др.
Дальнейшее развитие технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем привело
к созданию третьего поколения преобразователей магнитного поля.
Технология изготовления подавляющего большинства современных преобразователей магнитного поля,
в одноэлементном и в многоэлементном исполнении базируется на тех же принципах, что и производство
полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (с использованием процессов диффузии, ионного
легирования, фотолитографии, микросварки и т.п.).
Преобразователь магнитного поля МЭУ третьего поколения и схемы электронного обрамления указанных
устройств, изготавливаются полностью с использованием технологии микроэлектроники, как на отдельных
полупроводниковых структурах, так и в одном кристалле с интегральным ПМП (магниточувствительным
элементом).
Сложные МЭУ кроме магниточувствительных элементов, могут содержать и элементы, реагирующие на
иные физические воздействия, например, фотоприемники, регистрирующие оптическое излучение. В этом
случае электронный тракт МЭУ реализует параметры двух чувствительных элементов. Кроме того, отдельные
типы ПМП сами являются фотоприемниками (например, элементы Холла, магнитодиоды и
магнитотранзисторы).
Кроме того, в состав сложных МЭУ могут входить, магнитные системы, а также электронные схемы,
производящие полную обработку поступившей информации: усиление сигнала ПМП, фильтрацию, аналогоцифровое преобразование, математическую обработку и согласование с аппаратурой потребителя (полный
интерфейс).
Таким образом, направление техники, возникшее на основе синтеза современной микроэлектроники,
интегральных магниточувствительных элементов (преобразователей магнитного поля), точного
машиностроения и микротехнологий, можно назвать микромагнитоэлектроникой.
Микромагнитоэлектроника является базой для разработки и производства современных
магнитоэлектронных устройств.
Это направление позволяет реализовать высокие параметры магниточувствительных элементов в
аппаратуре, расширить функции ПМП, а также успешно решать задачи микроминиатюризации
магнитоэлектронных приборов и оборудования, повышения их надежности, уменьшения габаритов, массы,
Страница 8
Рис. 1.1. Обобщенная функциональная схема простого одноканального магнитоэлектронного
устройства
Страница 9
потребляемой мощности и снижения себестоимости.
Конкретная реализация данного направления заключается в создании и обеспечении промышленного
производства микроминиатюрных магнитоэлектронных устройств (ММЭУ). Эти устройства, состоят из
магниточувствительного элемента и схемы обработки электрического сигнала, объединены единым корпусом,
и изготовлены с применением интегральной (гибридной или твердотельной) технологии.
Основные направления развития микромагнитоэлектроники показаны на рис. 1.2.. Из рисунка видно, что
микромагнитоэлектроника развивается по четырем основным направлениям. Это разработка и производство:
•
преобразователей магнитного поля (магниточувствительных элементов);
•
магнитоуправляемых и магниточувствительных интегральных схем;
•
магнитных датчиков;
•
функциональных магнитоэлектронных устройств.
Развитие технологии изготовления современных преобразователей магнитного поля идет не только по
пути интеграции совмещаемых с ними функций, но и в направлении наращивания числа магниточувствительных
элементов в одном изделии (устройстве).
Использование многоэлементных магниточувствительных преобразователей создает возможности для
разработки многоканальных магнитоэлектронных устройств, что обеспечивает решение целого ряда
принципиально иных задач, например:, для построения двух- и четырехкоординатных магнитных датчиков
положения и направления; многоразрядных высокоточных преобразователей типа «угол–код», многоканальных
МЭУ для комплектации портативных систем визуализации магнитного поля и др.
Многоканальные МЭУ могут содержать: коммутаторы каналов, цифро-аналоговые и аналого-цифровые
преобразователи, устройства памяти, выборки и хранения, схемы интерфейса, знаковые и графические
индикаторы и др.
Простейшими магнитоэлектронными устройствами являются магнитоуправляемые и
магниточувствительные микросхемы, а также современные магнитные датчики. Элементная база
магнитоэлектронных устройств показана на рис. 1.3.
Третьей большой группой изделий микромагнитоэлектроники являются функциональные
магнитоэлектронные устройства (ФМЭУ) – (см. рис. 1.4).
Функциональные магнитоэлектронные устройства – это сложные изделия электронной техники,
выполняющие самостоятельные и вполне определенные функции. .
В отличие от магнитных датчиков эти устройства могут выполнять не только преобразовательные функции,
но и использовать генерируемый сигнал непосредственно для управления объектом и (или) индицирования
его состояния.
ФМЭУ содержат дополнительные элементы (функциональные электронные узлы, валы, пружины, поводки,
кодирующие диски, тонармы, муфты и т.д.), которые обеспечивают выполнение заданных функций.
Функциональные магнитоэлектронные устройства сконструированы так, что все их узлы и детали «неразрывно»
связаны между собой и представляют единое целое.
Примером простого функционального магнитоэлектронного устройства может служитьь бесконтактный
кнопочный переключатель, содержащий: магнитную систему, магнитоуправляемую микросхему, арматуру
(плунжер, возвратная пружина и др.), выходные контакты и литой пластмассовый корпус. Это устройство
выполняет определенные и конкретные функции – замыкает или разрывает электрическую цепь при нажатии
на плунжер (или другой. приводной элемент).
Примером более сложного ФМЭУ, может служить бесконтактный преобразователь типа «угол–код».
В разряд ФМЭУ входит и, бесконтактный электронный предохранитель (реле тока), который разрывает
электрическую цепь при увеличении контролируемого тока за допустимые пределы.
Функциональные магнитоэлектронные устройства являются последним поколением изделий
микромагнитоэлектроники, создание которых стало возможным благодаря достижениям микроэлектроники,
точной механики и других отраслей техники.
В зарубежной технической литературе приводится немало примеров создания функциональных
магнитоэлектронных устройств различного назначения, (названия некоторых из них приведены на рис. 1.4).
1.1. Производство изделий микромагнитоэлектроники
Номенклатура изделий микромагнитоэлектроники и объемы их производства в мире достигли
внушительных размеров. Эти изделия используются в различных областях техники, в науке и бытовой
аппаратуре. Суммарный годовой объем их производства составляет несколько миллиардов штук..
В России и за ее пределами наибольшее распространение получили несколько групп изделий.
К ним относятся, прежде всего, дискретные преобразователи магнитного поля, которые представляют
собой основную группу изделий микромагнитоэлектроники (элементы Холла и магниторезисторы,
магнитодиоды и магнитотранзисторы), и интегральные приборы (магниточувствительные и
магнитоуправляемые ИС), а также магнитные датчики различного назначения.
Страница 10
Рис. 1.2. Основные направления развития микромагнитоэлектроники
Страница 11
Элементы Холла(ЭХ). В настоящее время они являются самыми распространенными изделиями
микромагнитоэлектроники.
Разработкой и выпуском элементов Холла занимаются несколько десятков зарубежных фирм. В этом
направлении работают и некоторые отечественные предприятия. Суммарный годовой объем производства
элементов Холла в мире превышает 1 млрд. шт. Номенклатура типов ЭХ насчитывает сотни наименований.
Магниторезисторы. Наибольшее распространение получили две группы магнито-резисторов: «монолитные»
и тонкопленочные. Имеются сведения о том, что некоторые предприятия в России осуществляют выпуск таких
приборов. Однако основными производителями магниторезисторов являются зарубежные фирмы, которые.
выпускают сотни миллионов этих изделий в год.
Магнитодиоды и магнитотранзисторы. Выпуском дискретных магнитодиодов и магнитотранзисторов
занимаются многие зарубежные фирмы. Эти приборы наиболее часто используются в составе интегральных
изделий микромагнитоэлектроники, например в магниточувствительных и магнитоуправляемых ИС. Сведений
о серийном производстве указанных изделий в России нет.
Магниточувствительные (МЧМС) и магнитоуправляемые (МУМ) интегральные схемы. За рубежом такие
схемы называются схемами Холла (Holl-effect integrated circuits). Зарубежные фирмы выпускают сотни типов
кремниевых магнитоуправляемых и магниточувствительных микросхем. Возобновляется выпуск МЧМС и
МУМ в нашей стране. По косвенной оценке суммарный годовой объем их производства превышает 100 млн.
шт.
Элементы Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы, МЧМС и МУМ используются,
как правило, в качестве магниточувствительных элементов более сложных изделий микромагнитоэлектроники.
Магнитные датчики составляют внушительную группу изделий микромагнитоэлектроники. Зарубежными
фирмами на основе интегральных преобразователей магнитного поля (магниточувствительных и
магнитоуправляемых интегральных схем, магниторезисторов и др.) серийно выпускается широкая номенклатура
микроэлектронных магнитных датчиков различного назначения, в том числе: датчиков приближения,
перемещения, скорости вращения валов и шестерен, преобразователей типа «угол–код» и т.д. Магнитные
датчики являются важнейшими элементами автоматизированных систем различного назначения. Эти
устройства, широко применяются в производстве, науке, технике, в бытовых приборах и т.п. На рис. 1.4
приведены некоторые области их применения.
Выпуском магнитных датчиков занимаются сотни зарубежных фирм и некоторые отечественные
предприятия. Суммарный годовой объем производства этих изделий составляет несколько сотен миллионов
штук.
Более подробные сведения о параметрах, особенностях и производстве дискретных преобразователей
магнитного поля, МЧМС, МУМ и магнитных датчиков приводятся в следующих главах.
Функциональные магнитоэлектронные устройства. Рассмотрим подробнее эту, группу приборов.
В отечественных источниках иногда встречается информация о создании ФМЭУ, однако в большинстве
своем эти изделия пока не вышли за рамки макетных и экспериментальных образцов.
Примером промышленной реализации простого ФМЭУ могут служить бесконтактные кнопочные
переключатели типа ПКБ (ПКБ1 – ПКБ5), годовой объем производства которых в 1989–90 гг. составлял в
СССР примерно полмиллиона штук. В зарубежной технической литературе можно найти немало примеров
создания функциональных магнитоэлектронных устройств различного назначения, (названия некоторых из
них приведены на рис. 1.4).
Номенклатура ФМЭУ, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами, значительно богаче отечественной.
Например, фирма Bosch (Германия) выпускает бесконтактные замки зажигания для автомобилей; фирма
Honeywell производит бесконтактные кнопочные переключатели, электронные предохранители и реле тока,
концевые выключатели; фирма Murata (США) освоила выпуск бесконтактных потенциометров, декодеров,
вакуумных переключателей, головок для считывания информации с магнитных карт и казначейских билетов;
фирма Allegro Micro System выпускает интегральные преобразователи частоты для непосредственного
управления обмотками статора бесколлекторного (вентильного) электродвигателя постоянного тока и т.д.
Фирмой Valvo (Германия) разработан и реализован в гибридном исполнении электронный магнитный
компас, используемый в автомобильном навигационном комплексе. Прибор содержит все необходимые
элементы для выдачи цифровой информации о всех трех составляющих магнитного поля Земли.
Фирмой Honeywell предлагается целая серия магнитоэлектронных устройств (НMC1001, HMC1002,
HMC2003 и HMR) для навигационных приборов и высокочувствительных магнитометров. Устройства также
могут выдавать информацию об одной, – двух – или трех – составляющих магнитного поля Земли. Приборы
выпускаются в гибридном исполнении.
Аналогичные по назначению, но еще более сложные устройства (TCM2, AX100, Vector-2X, Wayfinder-VR
и др.), выпускаются фирмой Precision Navigation Inc. (США).
Судя по многочисленным публикациям в зарубежных и отечественных источниках, дальнейшее развитие
функциональных магнитоэлектронных устройств идет по пути их промышленного освоения с внедрением
новых технологий, расширения номенклатуры, функций и сфер применения.
Страница 12
Рис. 1.3. Элементная база микромагнитоэлектроники
Страница 13
Примером такого развития могут служить интегральные полупроводниковые сенсоры.
Интегральные полупроводниковые сенсоры (ИПС) представляют собой один из классов твердотельных
датчиков, чья основная особенность – конструктивно-технологическая и функциональная интеграция различных
элементов измерительного канала на одном чипе с использованием микро- и нанотехнологий [14].
Конкретными примерами таких сенсоров могут служить магнитоуправляемая интегральная микросхема
типа AD22151, выпускаемая американской фирмой Analog Devices, и ориентационный датчик типа EMF-01
(фирма Xensor Integration bv).
В настоящее время ежегодные расходы в мире на научно-исследовательские и опытно-конструкторские
работы в области создания ИПС составляют более 10 млрд. долларов., в то время как на разработки других
типов выделяется около 1,5 млрд. долларов.
Объем продаж ИПС с каждым годом увеличивается: в 1990 г. он составлял 5,7 млрд. долларов., в 1995 г. –
10,2 млрд., а в 1997 г. – 14,6 млрд.. долларов.
В США, Японии и в странах Западной Европы в последнее десятилетие наблюдается резкое увеличение
доли ИПС в общем объеме продаж датчиков, составляющей сегодня около 35%.
На мировом рынке магнитные интегральные полупроводниковые сенсоры занимают второе место после
фоточувствительных ИПС. Примерно 30% магниточувствительных ИПС используются в робототехнике (в
стационарных и мобильных роботах).
Постоянные магниты. (ПМ). Постоянные магниты входят в состав большинства изделий микромагнитоэлектроники. Во многих случаях такие параметры ПМ, как: габариты, точность, стабильность, рабочий температурный диапазон и стоимость, – определяют параметры всего изделия микромагнитоэлектроники.
Производство постоянных магнитов является достаточно сложной задачей и требует использования современных материалов, технологий и оборудования
Зарубежные производители датчиков используют продукцию более чем 50-и специализированных фирм.
Объем выпуска этих ПМ эквивалентен объему выпуска магнитных датчиков.
В последующих главах будут рассмотрены принципы функционирования, основные параметры и особенности применения большинства известных изделий микромагнитоэлектроники
Страница 14
Рис. 1.4. Возможные области применения изделий микромагнитоэлектроники
Страница 15
Список литературы к главе 1
1. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. М.: Машиностроение, 1965. - 928 с.
2. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. -М.:
Энергоиздат, 1984-208 с.
3. Афанасьев Ю.В. и др. Средства измерения параметров магнитного поля. –Л: Энергия, 1979. –320 с.
4. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. – М.: Радио и связь, 1983. - 104
с.
5. Егиазарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение. -М. : Радио и связь, 1987.
-88 с.
6. Егиазарян Г.А., Манвелян Ю.С., Мнацакян Г.А., Саркисян А.С. Магнитодиод КД304 – простейшая функциональная схема // Электронная промышленность. 1980. -Вып.1 –с. 42-44
7. Егиазарян Г.А., Мнацакян Г.А., Саркисян А.С. Некоторые свойства кремниевых магнитодиодов // Изве-стия
.АН АрмССР. Физика.-1981. Т.16. -с. 222-225
8. Егиазарян Г.А., Саркисян А.С. Температурная зависимость кремниевых планарных магнитодиодов. // Известия АН АрмССР. Физика.-1982.-Т.17.- с .277-281
9. Зайцев Ю.В., Марченко А.Н., Ващенко В.И. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. -М. Энергоиздат, 1988, - 136 с.
10. Карпенко С.Х., Раков Б.М. Вопросы экранирования, расчета и применения тонкопленочных магнитных
элементов. //Зарубежная радиоэлектроника, 1977, № 10, с.39-56.
11. Марченко А.Н., Свечников С.В., Смовж А.К. Полупроводниковые сенсорные потенциометрические элементы. -М. Радио и связь,1988.-192 с.
12. Мирзабаев М.М., Потаенко К.Д. и др. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение. Ташкент. ФАН
Уз.ССР, 1986 , -214 с.
13. Нефёдов А.В. Зарубежные аналоговые микросхемы и их аналоги. Справочник. Справочник. Том 4. Ра-дио
Софт. 2000, с.232-254
14. Подлепецкий Б. Интегральные полупроводниковые сенсоры: состояние и перспективы разработок. //CHIP
NEWS, 1998, №5, c. 38-45.
15. Стафеев В.И., Каракушан Э.И. Магнитодиоды. –М.: Наука, 1975. -216 с.
16. Хомерики О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. -М.: Энергоиздат, 1986. -136 с.
Страница 16
Глава 2. Преобразователи магнитного поля
Преобразователь магнитного поля (ПМП) является основным элементом любого изделия микромагнитоэлектроники. ПМП преобразует магнитный поток в электрический сигнал.
Преобразователь магнитного поля представляет собой магниточувствительный элемент (МЧЭ), размещенный на подложке-держателе и снабженный выводами, необходимыми для соединения с электронной схемой
усиления и обработки сигнала (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Конструкция простейшего преобразователя
магнитного поля
«МЧЭ является частью изделия, осуществляющей функцию восприятия контролируемых параметров среды
или объекта и адекватного преобразования их значений в значения собственных электрических параметров».
[3]
Магниточувствительный элемент изготавливается из материала, изменяющего свои свойства при воздействии внешнего магнитного поля.
При создании магниточувствительных элементов используются различные физические явления, происходящие в полупроводниках и металлах при взаимодействии их с магнитным полем (МП).
Наиболее известны МЧЭ, использующие эффекты Холла и Гаусса, магнитосопротивления, эффект Суля, а
также магнитодиодный и магнитогальванорекомбинационный эффекты и др. [15, 24, 67].
Наибольшим спросом пользуются МЧЭ, реализованные в виде элементов Холла, магниторезисторов,
магнитодиодов и магнитотранзисторов.
Каждый из перечисленных магниточувствительных элементов имеет определенный набор параметров и
характеристик, преимуществ и особенностей, которые должны учитываться при проектировании, как
преобразователей магнитного поля, так и аппаратуры.
Рис. 2.2. Выходная характеристика преобразователя магнитного поля
Основным критерием, характеризующим преобразователь магнитного поля, является его выходная характеристика, определяющая зависимость выходного сигнала ПМП от величины индукции воздействующего
магнитного поля.
Коэффициент нелинейности преобразования ПМП определяют графическим путем, для чего используют
характеристику, приведенную на рис. 2.2.
Через начало координат выходной характеристики проводят прямую, таким образом, чтобы максимальное
отклонение (ε) над прямой и под ней, по возможности, было одинаковым (рис. 2.2в). Например, для элементов Холла это соответствует использованию оптимального сопротивления нагрузки, когда RН = Rопт. При
этом максимальное отклонение определяется по следующей формуле:
Коэффициент нелинейности
тельности (рис. 2.2):
∆F характеристики определяется по выходной характеристике чувстви(2.1)
где Uвых. макс - напряжение на выходе ПМП при В = Вмакс.
Страница 17
По характеристике, приведенной на рис. 2.2, определяют диапазон индукций магнитного поля, в котором
характеристика преобразователя линейна. Этот диапазон лежит в пределах от –Вмакс до Вмакс. Величина
динамического диапазона DB рассчитывается по формуле (2.2):
(2.2)
Рис. 2.3. К определению динамического диапазона преобразователя магнитного поля
Минимальный порог чувствительности преобразователя регламентируется, так называемой «мертвой
зоной», расположенной в диапазоне от –Вмин до Вмин.
Эта зона для различных типов преобразователей магнитного поля регламентируется различными их
параметрами и характеристиками. Например, для элемента Холла «мертвая зона» регламентируется величиной
его остаточного напряжения (UОСТ) и уровнем его собственных шумов.
На рис. 2.4 приведены наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля, используемые
в изделиях микромагнитоэлектроники.
Одно- и многоэлементные
преобразователи
магнитного поля
Рис. 2.4. Наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля, используемые в
изделиях микромагнитоэлектроники
Страница 18
Таблица 2.1. Определения основных параметров и терминов, общих для преобразователей
магнитного поля
Условное
обозначение
Наименование параметра,
(альтертермина.
нативное
обозначение)
Единица
измерения
Определение
В
Постоянное
напряжение, приложенное к входным выводам
преобразователя при котором обеспечиваются его номинальные
параметры при длительной работе.
Номинальное напряжение
питания
Uп.
(Uп.ном)
Ucc
Номинальное значение тока
управления
Iуп.ном
( I1ном)
(I1N)
(IУП)
мА
Максимальное значение
тока управления
Iуп.макс
(I1макс)
(I1)
мА
Максимальная
электрическая мощность,
рассеиваемая
преобразователем.
Номинальное значение
индукции управляющего
магнитного поля.
Магнитная чувствительность преобразователя
магнитного поля по току.
Магнитная
чувствительность
преобразователя магнитного
поля по напряжению.
Относительная магнитная
чувствительность
преобразователя магнитного
поля по току.
Температурный
коэффициент магнитной
чувствительности
Удельная магнитная
чувствительность
преобразователя
магнитного поля.
Максимальное значение
индукции управляющего
магнитного поля
(Динамический диапазон
по индукции)
Минимальное значение
индукции управляющего
магнитного поля.
Предельная рабочая частота
Значение тока управления, протекающего через преобразователь при
номинальном напряжениипитаания. Это такое значение тока,
протекание
которого через магниточувствительный элемент,
расположенный в среде неподвижного воздуха, не вызывает его нагрева
выше чем на 10…15 °С температуры окружающей среды.
Максимальный ток управления при котором возможна длительная
работа преобразователя. Максимально допустимое значение тока
управления в значительной степени определяется условиями
эксплуатации ПМП, т.е. условиями теплоотвода и температурой
окружающей среды, а также максимально допустимой температурой
нагрева магниточувствительного элемента.
Рмакс
(Ptot)
мВт
(Вт)
Мощность при которой отклонение параметров преобразователя от
номинальных значений не превышает установленных пределов при
длительной работе.
Вном(В)
мТл
(Тл)
Предельное значение индукции управляющего магнитного поля при
котором гарантируется заданная линейность преобразования.
γI
(KBO)
В/Тл (мВ/мТл)
Отношение выходного тока сигнала преобразователя к значению
номинальной индукции: γ I = Iвых/Вном
γu
(SU)
(KBO)
В/Тл (мВ/мТл)
Отношение напряжения выходного сигнала
значению номинальной индукции: γu=Uвых/Вном
γI0
( SI)
( Sri)
(S)
(SB)
% / Тл
Определяется по формуле: γ I0 = [(1/I0) x ( Iвых/В)] x 100
где I0 – ток через ПМП при В=0;
Iвых =∆I= IB – I0, IВ – ток через преобразователь при В=ВНОМ
%/град
Коэффициент, определяемый как: TКγ =(100/γT0) х (∆γ/∆T)
Где γT0 магнитная чувствительность при нормальной (комнатной)
температуре, ∆γ - изменение чувствительности, ∆T – изменение
температуры.
Отношение магнитной чувствительности
управляющего тока
Максимальное значение индукции управляющего магнитного поля при
котором нелинейность преобразования не превышает установленной в
паспорте нормы. Определяется графическим путем по энергетической
характеристике чувствительности ПМП, как Uвых = F (B).
Минимальное значение индукции магнитного поля регламентируется
требованиями технической документации на ПМП или определяется по
формулам: Вмин = 2U0 / γu Вмин = 2I0 / γI
Где, U0 - напряжение на выходе ПМП при В = 0; I0 - ток на выходе
ПМП при В=0; γu и γI магнитная чувствительность по току или
напряжению соответственно.
Предельная частота синусоидально модулиро-ванного магнитного
потока, при котором чувстви-тельность ПМП падает до значения 0,707
от чувствительности при немодулированном потоке.
Страница 19
Таблица 2.1. Определения основных параметров и терминов, общих для преобразователей
магнитного поля (продолжение)
Условное
обозначение
Наименование параметра,
(альтертермина.
нативное
обозначение)
Предельный интервал
индукций управляющего
магнитного поля
Bмакс
(Bmax)
Единица
измерения
Тл
(кгс)
мТл
(гс)
Определение
Максимальное значение индукции магнитного поля при котором
нелинейность преобразования не превышает установленной в паспорте
нормы. Определяется графическим путем по энергетической
харакристике ПМП в рабочем диапазоне индукций управляющего
магнитного поля от -Вмакс до +Вмакс .
Порог чувствительности
Вп
Тл
Среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на
МЧЭ модулированного магнитного потока, при котором среднее
квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала
МЧЭ равно среднему квадратическому значению напряжения (тока)
шума в заданной полосе на частоте модуляции потока
Обнаружительная
способность
D
Тл-1
Величина, обратная порогу чувствительности Вп: D = 1/ Вп
Порог чувствительности в
единичной полосе
пропускания
Вп1
%
Нелинейность ∆F характеристики определяется из выражения по
энергетической характеристике чувствительности , как :
∆F=(ε/Uвых.макс ) x 100 )
где Uвых.макс напряжение на выходе ПМП при В = Вмакс.
ε - отклонение Uвых от условной прямой определяемой, как Uвых2 - Uвых1
∆F
(FLIN)
(L)
Нелинейность
характеристики
преобразования
Интервал рабочих
температур
Траб
Предельная температура
Тпред
Тепловое сопротивление
конструкции
преобразователя
Тл x Гц –1/2
Порог
чувствительности
преобразователя
магнитного
поля,
приведенный к единичной полосе частот усилителя сигнала МЧЭ.
Порог чувствительности определяет минимальный уровень магнитного
излучения, регистрируемый преобразователем магнитного поля при
отношении сигнал/шум, равном единице.Вп1 = Вп / ∆f
(ТА)
(Тstg)
λ
(Gth)
0
С
(0К)
Интервал рабочих температур окружающей среды, при котором
гарантируются параметры преобразователя.
0
С
(0К)
Температура при которой не наступает отказ преобразователя, но не
гарантируются основные параметры прибора.
0
Вт/ С
(Вт/ 0K)
Показатель, который характеризует конструкцию ПМП и определяется
по формуле: λ = Рмакс / ( Тмакс – ТА )
Где -Тмакс , ТА - предельная и рабочая температура преобразователя;
Рмакс- максимально допустимая мощность, расссеиваемая
преобразователем.
Примечание. При разработке высокочувствительной аппаратуры для регистрации магнитных полей
наиболее существенными являются пороговые характеристики МЧЭ. В настоящее время практически не
существует стандартных терминов, определяющих пороговые характеристики. Однако, по аналогии с другими
приборами, регистрирующими электромагнитные излучения, например, в оптическом диапазоне, в табл. 2.1
приведены возможные варианты [5, 24, 51, 53, 67, 70].
В зависимости от режимов работы ПМП, согласно О. К. Хомерики. [67], магнитоэлектронные устройства можно условно разделить на
три группы.
Назначением ПМП первой группы является индикация магнитной индукции.
Функция преобразования может быть нелинейной, однако чувствительность ПМП к магнитному полю должна быть по возможности
более высокой. В данной группе устройств используются элементы Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, ГМР преобразователи и
магнитотранзисторы, причем нельзя однозначно сказать, что какой-либо из этих преобразователей более предпочтителен. Вопрос выбора
конкретного вида преобразователя решается на основании сопоставления функционального назначения магнитоэлектронного устройства, а
также конструктивных, технологических, экономических и других. соображений.
К первой группе магнитоэлектронных устройств относятся: бесконтактные реле; индикаторы положения перемещающихся объектов;
бесконтактные клавиши для ручного ввода информации; преобразователи угла поворота типа «угол–код»; бесколлекторные двигатели
постоянного тока; считывающие элементы в твердотельных запоминающих, переключающих и логических устройствах, использующих
цилиндрические магнитные домены, бесконтактные коммутаторы и др.
Ко второй группе относятся магнитоэлектронные устройства, в которых преобразователи магнитного поля служат для измерения магнитной
индукции, воздействующей на них. В этом случае выходной сигнал ПМП должен быть прямо пропорционален значению магнитной индукции.
Последнее требует линейности функции преобразования. Исходя из свойств ПМП, наиболее предпочтительным для этой группы является
использование элементов Холла, а также магниторезисторов и ГМР преобразователей.
Страница 20
К этой группе магнитоэлектронных устройств относятся измерители напряженности магнитных полей; измерители электрических токов
и напряжений; измерители очень малых перемещений; устройства для магнитодефектоскопии; воспроизводящие магнитофонные головки;
головки для считывания информации, записанной на магнитных носителях, и др.
К третьей группе относятся устройства, в которых используется свойство ПМП служить аналоговым перемножителем двух подаваемых
на его вход электрических сигналов.
Перемножительные свойства ПМП эффективно используются при построении аналоговых математических блоков, реализующих помимо
операции перемножения двух величин также операции возведения в степень, извлечения корня, деления.
К этой же группе относятся измерители электрической мощности и энергии; измерители механической мощности; измерители
электромагнитной мощности электрических машин; смесители и преобразователи частот; анализаторы периодических и случайных процессов
и др. [67].
2.1. Элементы Холла
Элементы Холла, часто называемые «датчиками Холла», являются самыми распространенными
преобразователями магнитного поля.
Действие этих элементов основано на эффекте Холла, который заключается в «возникновении поперечной
разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему магнитном поле».
Элемент Холла представляет собой пластину из полупроводникового материала толщиной d, по четырем
сторонам которой расположены контакты. Контакты 1 и 2 называются токовыми, а контакты 3, и 4 выходными
или измерительными (иногда эти контакты называют холловскими) – см. рис. 2.5.
Рис. 2.5. К пояснению принципа работы элемента
Холла
Rн
Принцип действия элемента Холла объясняется следующим образом.
Через контакты 1 и 2 пропускают управляющий ток Iуп, а с контактов 3 и ,4 снимают напряжение Холла
(VH)..
В общем виде выражение для напряжения Холла (VH) должно быть записано, как
, В/А х Тл
(2.3)
где RH - постоянная Холла (коэффициент Холла);
d – толщина элемента;
I – ток управления;
уп
B – индукция воздействующего магнитного поля.
Постоянная Холла определяется, значением
(2.4)
или
(2.5)
где RHp - постоянная Холла для дырок;
RHn - постоянная Холла для электронов;
q – заряд электрона;
p – концентрация дырок;
n – концентрация электронов.
Определения специфических параметров и термины, используемыех при описании работы элементов Холла,
приведены в табл. 2.2.
Страница 21
Таблица 2.2. Термины и определения основных параметров элементов Холла
Наименованиепараметра,
термина.
Условное
обозначение
Единица
(альтер- измеренативное
ния
обозначение)
Температурный
коэффициент входного
сопротивления
Температурный
коэффициент выходного
сопротивления
Определение
Ом
Сопротивление между управляющими электродами элемента Холла,
измеренное при разомкнутых холловских электродах и отсутствии
магнитного поля. (В=0)
Ом
Сопротивление между холловскими электродами элемента при
разомкнутой входной цепи и при отсутствии магнитного поля. (В=0).
В
(мВ)
Напряжение на выходных электродах, возникающее при протекании тока
управления и при отсутствии магнитного поля (В=0) и RН - стремящимся к
бесконечности.
В/А
Для оценки элемента Холла с точки зрения мешающего действия Uост
пользуются показателем (R0), т.е. отношением остаточного напряжения к
номинальному значению тока управления R0 = Uост / I1ном
= (100 х ∆R ) / (R (T ) x ∆T)
Коэффициент, определяемый как: TК
ТКRвх
(TCR10)
Rвх
вх
вх o
%/
Где ∆Rвх - изменение входного сопротивления элемента; ∆T - изменение
град.
ТКRвых
(TCR20)
%/
град.
Rл
Ом
Сопротивление
линеаризации
В
(мВ)
UL
(AL)
Индукционное остаточное
напряжение
(см2)
температуры
Коэффициент, определяемый как TКRвых = (100 х ∆Rвых) / (Rвых(To) x ∆T)
Где ∆Rвых - изменение выходного сопротивления элемента, ∆T - изменение
температуры.
Сопротивление нагрузки элемента Холла при котором погрешность
спрямления (нелинейность) минимальна. Значение Rл может быть
определено расчетным путем или экспериментально, путем
последовательного снятия энергетических характеристик.
Это напряжение, индуцируемое переменным магнитным потоком управления
в витке, образованном выводами и самим элементом Холла.Значение этого
напряжения зависит от значения индукции магнитного поля, её частоты и
площади контура АL , в котором оно наводится.
UL =АL (dB/dt)
Основные параметры элементов Холла зависят от температуры. Эти зависимости имеют сложное физическое объяснение [67] и в наиболее простом виде могут быть проиллюстрированы двумя основными факторами: температурной зависимостью ЭДС -Холла (Vн) и температурной зависимостью сопротивления (R)
материала, из которого изготовлен МЧЭ. (см. рис. 2.6 и 2.7).
150
VH,%
Si
100
InAs
Ge
2
Ge
GaAs
Рис. 2.6. Температурная зависимость ЭДС Холла для различных полупроводниковых
материалов
1
InSb
50
0
Т, С
0
50
100
150
200
250
300
Si
Рис. 2.7. Температурная зависимость
сопротивления для различных полупроводниковых
материалов
200
GaAs
Ge2
100
Ge1
InAs
0
Т, С
InSb
0
50
100
150
200
Страница 22
Магнитная чувствительность элемента Холла является функцией угла α между вектором напряженности
электрического и магнитного полей:
(2.6)
Магнитная чувствительность элемента Холла достигает максимума при угле a, равном 90°. При использовании концентраторов и других. элементов магнитных систем зависимость (2.4) может быть иной.
Линейность элемента Холла определяется по характеристике, приведенной на рис. 2.2.
Более подробно с физикой работы элементов Холла можно ознакомиться в [5, 15, 24, 36, 44, 67].
Для изготовления МЧЭ элементов Холла наиболее широко используются: кремний (Si), германий (Ge),
арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), арсенид галлия (GaAs), то есть полупроводниковые материалы,
обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла.
Известно также применение для этих целей пластин и тонких пленок из селенистой ртути (HgSe) и
теллуристой ртути (HgTe), а также висмута (Bi) [3].
В последние годы некоторые фирмы ведут работы по использованию тройных соединений типа «кадмий–
ртуть–теллур» (CdxHgx-1Te). Элементы Холла на основе указанных соединений работают в интервале от
комнатных до гелиевых температур [24].
Конструктивное оформление элемента Холла зависит от используемого исходного полупроводникового
материала и от технологии изготовления.
Магниточувствительный элемент преобразователя Холла может быть изготовлен с использованием любой
современной технологии микроэлектроники: полупроводниковой биполярной и эпипланарной, пленочной,
МОП, КНС, КНИ и др. Наибольшее распространение получили кристаллические и пленочные МЧЭ.
На рис. 2.8 рассмотрены классические варианты топологии элементов Холла.
а)
б)
в)
Рис. 2.8. Классическая топология дискретных «кристаллических» чувствительных элементов: а –
«крест»; б – «прямоугольник»; в – «бабочка»
Каждая из топологий МЧЭ, приведенных на рис. 2.8, обладает своими особенностями и применяется с
учетом решения конкретных технических задач.
Конструктивно преобразователи Холла могут быть выполнены как в виде дискретных элементов, так и в
виде полупроводниковых структур, расположенных в кристалле полупроводникового материала, в том числе
и вместе с электронной схемой усиления и обработки сигнала ЭХ.
Конструкция ЭХ в значительной степени предопределяется областью их возможного применения. Не
существует единой универсальной конструкции, приемлемой для всех случаев технического использования
преобразователей.
Наибольшее распространение получили четыре вида конструкций, которые условно можно именовать
бескорпусной, бескорпусной на подложке, бескорпусной на подложке с использованием концентратора
магнитного поля и корпусной. Варианты конструктивного оформления элементов Холла приведены на рис.
2.9.
Бескорпусная (рис. 2.9а). Интегральный магниточувствительный элемент, сформированный
непосредственно в кристалле полупроводникового материала, одновременно является подложкой (основанием)
ЭХ. Тонкопленочные контактные площадки расположены на поверхности кристалла. Соединение МЧЭ с
внешними устройствами осуществляется проволочными или шариковыми выводами. Такой элемент может
размещаться в стандартном герметизированном корпусе ИС. В случае необходимости кристалл может
предварительно герметизироваться слоем защитного лака или эпоксидного компаунда.
Страница 23
B
B
B
a)
в)
б)
Рис. 2.9. Варианты бескорпусного исполнения элементов Холла: 1 – магниточувствительный элемент;
2 – проволочный вывод; 3 – покрытие из эпоксидной смолы; 4 – балочный вывод; 5 – подложка из
изолирующего материала; 6 – ферритовый концентратор
Бескорпусная на подложке (рис. 2.9.б). В этом случае МЧЭ размещается на специальной изолированной
подложке. В качестве подложки обычно используются ситалл, керамика, стеклотекстолит или полиамидная
пленка. На одной подложке могут размещаться два и более магниточувствительных элемента. Герметизация
прибора осуществляется слоем защитного лака или эпоксидной смолы.
Бескорпусная на подложке с использованием концентраторов магнитного поля (рис. 2.9.в). От предыдущих
вариантов (рис. 2.9а,б) отличается тем, что может размещаться на подложке из ферромагнитного материала
(феррита, пермаллоя и др.). В такой конструкции может быть использован миниатюрный концентратор
магнитного поля, выполненный в виде круглого или прямоугольного столбика. В этом случае магнитная
чувствительность МЧЭ повышается в 1,5–6 раз за счет концентрации управляющего магнитного поля на
активную часть элемента.
Корпусная (рис. 2.10 и 2.11). Магниточувствительный элемент размещается в герметичном оригинальном
(рис. 2.10) или стандартном (рис. 2.11) корпусе ИС. Для изготовления корпусов широко используются
пластмасса, керамика и немагнитные металлы. В одном корпусе можно разместить несколько МЧЭ. В случае
необходимости, в корпусе могут находиться пассивные концентраторы магнитного поля и миниатюрные
постоянные магниты.
Феррит
6
Феррит
1
м ик
а
1
Ф
ер
ри
т
Кер
а
1
Ке
ра
ми
ка
3
5
4
4
4
Рис. 2.10. Варианты размещения элементов Холла в оригинальных корпусах: а и б – в керамическом
корпусе; в – с использованием концентратора магнитного поля;. 1 – магниточувствительный элемент; 3 –
крышка; 4 – вывод; 6 – концентратор
Рис. 2.11. Варианты размещения элементов Холла в стандартных корпусах ИС: а – пластмассовом
DIP корпусе; б – в металлостеклянном корпусе
Конструкции ЭХ с ферромагнитными концентраторами не обеспечивают линейности характеристики
преобразования. Поэтому они, как правило, не используются для измерительных целей, а являются основным
элементом в устройствах индикации магнитной индукции.
В последние годы кристаллические элементы заменяются интегральными и тонкопленочными. Из новых
разработок можно отметить следующие.
Страница 24
2.1.1. Элементы Холла по технологии биполярных ИС
Большинство интегральных элементов Холла изготавливаются по, биполярной эпитаксиальной технологии.
Эта технология хорошо освоена в электронной промышленности, так как она широко используется при
изготовлении кремниевых интегральных микросхем. Поэтому для изготовления интегральных элементов Холла
практически не требуется дополнительного технологического оборудования.
Существенным недостатком приборов, изготовленных по биполярной технологии, является значительный
ток управления – 2–10 мА. Этот параметр особенно критичен при использовании приборов в устройствах с
автономными источниками питания, а также в энергосберегающих системах.
Стоимость приборов, изготовленных по биполярной эпитаксиальной технологии, остается достаточно
высокой, что обусловлено, главным образом, использованием дорогостоящих эпитаксиальных структур со
скрытыми высоколегированными слоями [9, 20].
Учитывая широкое распространение интегральных элементов Холла, изготовленных по биполярной
технологии, ниже приводится описание нескольких вариантов таких приборов.
Горизонтальный элемент Холла
Структура элемента Холла, изготавливаемого по типовой эпипланарной технологии кремниевых
интегральных микросхем, приведена на рис. 2.12. Элемент предназначен для регистрации магнитного потока,
перпендикулярного к поверхности кристалла.
2
B
Рис. 2.12. Эпитаксиальный горизонтальный элемент Холла: 1 – активная
область элемента Холла; 2 –
изолирующие диффузионные области p
типа; 3, 4 – области n + «токовых»
контактов; 5, 6 – «измерительные»
контакты; 7 – область эмиттера; 8 –
область базы
8
2
7
+
p
n
+
p
n
p
+
n
n+
n+
2
4
3 1 5,6
p
-
n
n+
+
n
p-
Геометрию активной области элемента Холла 1 определяют изолирующие диффузионные области p -типа
2, области n+ «токовых» 3, 4 и «измерительных» (холловских) 5, 6 контактов формируются одновременно с
изготовлением области эмиттера 7 биполярных транзисторов.
Структура эпитаксиального элемента Холла с четырьмя «измерительными» и «токовыми» контактами
обеспечивает получение величины магнитной чувствительности порядка 0,43 В/Тл при токе управления 5 мА
и остаточном напряжении не более 4 мВ [69].
Вертикальный элемент Холла
На рис. 2.13 приведена структура элемента Холла, чувствительного к составляющей магнитного поля,
направленной параллельно поверхности кристалла. Этот элемент также изготовлен по типовой эпитаксиальнопланарной технологии.
1
7
3
8
2
6
8
B
n+
n+
+
p
Рис. 2.13. Вертикальный элемент Холла,
сформированный по технологии биполярных
ИС: а – структура; б – топология
элемента; 1, 2, 3 – «токовые» электроды;
4, 5 – «измерительные» электроды; 6 –
эпитаксиальный слой; 7 – скрытый n+ слой;
8 – изолирующие p- области
n+
+
p
-
n
n+
p
а)
1
4
б)
2
3
5
Страница 25
Элемент имеет три «токовых» (1, 2, 3) и два «измерительных» (4, 5) электрода, расположенных в плоскости
кристалла в ортогональных направлениях. Смещение задается таким образом, что ток течет от центрального
токового контакта 2 к двум другим токовым контактам (1, 3) через эпитаксиальный слой 6 и скрытый n+ слой
7. В эпитаксиальном слое под центральным токовым электродом 1 ток течет перпендикулярно поверхности
кристалла. Если внешнее магнитное поле направлено параллельно оси расположения токовых электродов и
поверхности кристалла, то в активной области элемента генерируется ЭДС -Холла, которая фиксируется на
измерительных (холловских) электродах, расположенных около центрального токового электрода.
Удельная магнитная чувствительность такого элемента составляет примерно 47 В/ТлґА, и при дальнейшей
оптимизации топологии кристалла может быть увеличена до 1000–1300 В/ТлґА [69].
Трехполюсный элемент Холла
Представляет интерес преобразователь магнитного поля, предложенный Ч. С. Румени, П. Т. Костевым. и
названный авторами трехполюсным элементом Холла [63].
На самом деле данный преобразователь не является элементом Холла в классическом понимании. По
принципу действия прибор относится к полупроводниковым магниторезисторам. Структура преобразователя
магнитного поля приведена на рис. 2.14.
Преобразователь реализован в кремниевой подложке толщиной 300 мкм, на поверхности которой
сформированы три омических контакта (Н1, Н2, Н3). Электроды (контакты) имеют прямоугольную форму и
расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Напряжение питания прикладывается между электродом
Н1 и электродами Н2, Н3 (через резисторы Rб, R1 и R2).
Рис. 2.14. Структура и схема включения
«трехполюсного элемента Холла
Прибор функционирует следующим образом. При воздействии магнитного потока, параллельного плоскости
кристалла, напряжение сигнала возникает между крайними электродами, а дифференциальное напряжение
Uвых снимается непосредственно с электродов Н2, Н3..
При расстоянии между электродами Н2 – Н1 и Н3 – Н1, равном 300 мкм, и сопротивлении нагрузки, равном
R1 = R2 = 10 кОм, магнитная чувствительность элемента достигает 0,1–0,12 В/Тл при токе управления 15 мА.
Напряжение сигнала Uвых является линейной функцией магнитной индукции В и тока управления Iуп, при
смене полярности магнитного поля этот сигнал также меняет свой знак.
При помощи резистора Rб производится компенсация остаточного холловского напряжения Uост [63].
2.1.2. Элементы Холла по МОП технологии
В последние годы в России и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию и производству
магниточувствительных элементов и структур на основе кремниевой МОП -технологии. Эта технология не
требует применения дорогостоящих эпитаксиальных структур и позволяет значительно снизить ток управления
элементов. Кроме того, по МОП -технологии можно создавать дешевые микромощные магниточувствительные
и магнитоуправляемые ИС.
С учетом перспективности использования интегральных элементов Холла, изготовленных с применением
МОП -технологии, ниже приводится описание нескольких вариантов таких приборов.
Горизонтальный МОП элемент Холла
Структура кристалла горизонтального МОП элемента Холла приведена на рис. 2.15. Исходной подложкой
является кремниевая пластина n типа, на поверхности которой сформированы четыре диффузионные области
p+ типа проводимости, две из которых служат «токовыми» электродами 1, 2, а две другие – «измерительными»
(холловскими) электродами 3,, 4. Между областями сформирован подзатворный диэлектрик 5 и алюминиевый
электрод затвора 6.
Страница 26
B
1
p+
5
3,4 6
p+
2
p+
n
Рис. 2.15. Структура горизонтального МОП
элемента Холла: 1, 2 – p- типа диффузионные
области «токовых» контактов; 3, 4 – p+ типа
диффузионные области «измерительных»
электродов; 5 – подзатворный диэлектрик; 6 –
электрод затвора
Работает элемент Холла следующим образом. При подаче на затвор отрицательного относительно подложки
напряжения в подзатворной области возникает инверсный слой. Если при этом подать смещение на токовые
электроды, то между ними потечет ток дырок, а так как измерительные электроды выполнены симметрично
относительно друг друга, то разность потенциалов между ними в отсутствие магнитного поля равна нулю.
При воздействии внешнего магнитного поля, перпендикулярного к поверхности кристалла, в инверсном слое
МОП структуры возникает поперечная холловская ЭДС, значение и знак которой определяются величиной и
направлением вектора магнитной индукции.
Основными отличительными чертами данного элемента являются:
· - полная совместимость его формирования с типовыми МОП транзисторными структурами;
· - возможность получения очень тонкой активной области элемента Холла (10–20 нм), которая в данной
конструкции определяется толщиной инверсионного слоя,. что, в свою очередь, позволяет повысить
удельную магнитную чувствительность элемента до 80 В/ТлґА.
При формировании подобной структуры на кремниевой подложке p типа проводимости удельная магнитная
чувствительность может быть увеличена до 400 В/ ТлґА [69].
Вертикальный МОП элемент Холла
На рис. 2.16 приведена структура и топология «вертикального» элемента Холла, выполненного по МОП
технологии кремниевых ИС.
Исходной подложкой является кремниевая пластина n типа. Активная область элемента ограничивается
глубокой кольцевой областью p типа проводимости 7.
Поликремневый затвор располагается на тонком подзатворном окисле кремния, что позволяет при подаче
на него смещения обеспечивать стабилизацию поверхностного потенциала и поверхностной плотности заряда.
Рис. 2.16. Структура вертикального
элемента Холла: 1, 2, 3 – «токовые»
контакты; 4, 5 – «измерительные»
контакты; 6 – поликремневый электрод
затвора; 7 – изолирующая кольцевая
область p типа проводимости
В данной структуре токовые и измерительные (холловские) контакты выполнены в виде параллельных
полосок. В отсутствие магнитного поля ток распределяется равномерно между контактами 1-2 и
2-3,следовательно, значения потенциалов на измерительных контактах 4, 5 практически равны. При воздействии
внешнего магнитного поля в активной области элемента возникает компенсирующее поле Холла, которое
является мерой напряженности магнитного поля [69].
2.1.3. Элементы Холла по технологии молекулярной эпитаксии
В последние годы ведущими зарубежными фирмами ведутся интенсивные работы по созданию элементов
Холла с использованием молекулярной эпитаксии (Molecular beam epitaxy - MBE).
В отечественной научно-технической литературе подобная технология носит название молекулярно-лучевой
эпитаксии (МЛЭ).
Элементы Холла, изготовленные по MBE технологии, представляют собой многослойные структуры,
сформированные на полупроводниковой подложке. Например, на подложке из GaAs последовательно
формируются слои: AlGaAsSb – InAs – AlGaAsSb – GaAsAl. [87]
Страница 27
Использование этой технологии позволяет создавать интегральные элементы Холла со сложной топологией
магниточувствительных элементов, обладающих очень высокой магнитной чувствительностью. При этом
топология магниточувстви-тельного элемента и конструктивное оформление приборов могут быть самыми
разнообразными.
Представляют интерес тонкопленочные элементы Холла, изготовленные японской фирмой Asahi с
применением MBE -технологии. Приборы имеют весьма высокие магнитоэлектрические параметры. Они
снабжены ферритовым концентратором, что увеличивает магнитную чувствительность в 2–6 раз.
Основные параметры опытных образцов элементов Холла, изготовленных фирмой Asahi с применением
MBE, приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Основные параметры опытных образцов элементов Холла, изготовленных фирмой Asahi с
применением MBE
Входное
Материал сопротивление
0
МЧЭ
при 20 С,
Rвх,Ом
InSb
240…550
InAs
400…700
Ток
управления
Iуп,
мА
1,8...4,1
8,6… 15
Магнитная
чувствительность,
γ, В/Тл
при В=50 мТл
3…6,4
2…6
Остаточное напряжение,
приведенное к значению тока
управления,
Uост, В/А
± (1,7…3,9)
± (1,1…1,7)
Основной недостаток приборов, изготовленных с помощью MBE, – высокая трудоемкость их изготовления
и высокая стоимость [87].
2.1.4. Полевые элементы Холла
В последние годы, благодаря достижениям микроэлектроники, связанным с внедрением структур типа
«кремний на изоляторе», появилась возможность разработки принципиально новых магниточувствительных
элементов, использующих эффект Холла.
Такие приборы получили условное наименование «полевые датчики Холла» (ПДХ).
В зарубежной аппаратуре эти приборы известны под названием «FEHS-Field-effect, Holl sensor.»
Структура и топология ПДХ даны на рис. 2.17. На рис. 2.18 рассмотрены типичные зависимости основных
параметров ПДХ от напряжения на затворе.
Выход
Выход
Вход
Вход
Затвор
а)
в)
Рис. 2.17. Полевой элемент Холла: а – топология; б – структура; в – схематическое изображение
Принцип действия ПДХ основан на широко известном эффекте Холла и понятен из рис. 2.17. Рабочее тело
датчика сформировано внутри кремниевого кристалла. Прибор снабжен затвором (управляющим электродом),
а также входными и выходными контактами. Кроме того, имеются выводы от подложки и специального
экранирующего электрода, обеспечивающего работоспособность прибора при малых токах управления.
Подложка может быть использована в качестве второго затвора.
При использовании полевых датчиков Холла необходимо учитывать некоторые особенности их
функционирования. Изменяя потенциал затворов (верхнего или нижнего), можно регулировать остаточное
напряжение в ПДХ, то есть изменять разность потенциалов между холловскими контактами, возникающую
при протекании тока через датчик в отсутствиеи магнитного поля. Указанное обстоятельство выгодно отличает
ПДХ от традиционных датчиков Холла. Кроме того, поскольку толщина слоя Si в КНИ структуре (примерно
200 нм), что в несколько раз меньше, чем в стандартных кремниевых датчиках Холла, изготавливаемых по
эпитаксиальной технологии, постольку и чувствительность ПДХ пропорционально выше. Уменьшение
толщины проводящего канала с помощью полевого эффекта обеспечивает возможность управления магнитной
чувствительностью ПДХ (см. рис. 2.18), величина которой сопоставима с таковой для ЭХ на основе GaAs.
Омическое сопротивление «открытого» канала ПДХ составляет от 10 до 120 кОм, что – при стандартных
значениях напряжения источника питания (5 или 9В) – определяет весьма низкое значение тока управления
(50–400 мкА), которое, по крайней мере, на порядок величины меньше, чем у традиционных полупроводниковых
ЭХ. Последнее обуславливает не только рекордно высокую удельную магнитную чувствительность ПДХ (до
10000 В/А ґ Тл), но и существенно более низкий уровень его собственных шумов, то есть высокую пороговую
чувствительность прибора.
Страница 28
Рис. 2.18. Выходные характеристики ПДХ на КНИ
При использовании полевых датчиков Холла необходимо учитывать некоторые особенности их
функционирования. Изменяя потенциал затворов (верхнего или нижнего), можно регулировать остаточное
напряжение в ПДХ, то есть изменять разность потенциалов между холловскими контактами, возникающую
при протекании тока через датчик в отсутствиеи магнитного поля. Указанное обстоятельство выгодно отличает
ПДХ от традиционных датчиков Холла. Кроме того, поскольку толщина слоя Si в КНИ структуре (примерно
200 нм), что в несколько раз меньше, чем в стандартных кремниевых датчиках Холла, изготавливаемых по
эпитаксиальной технологии, постольку и чувствительность ПДХ пропорционально выше. Уменьшение
толщины проводящего канала с помощью полевого эффекта обеспечивает возможность управления магнитной
чувствительностью ПДХ (см. рис. 2.18), величина которой сопоставима с таковой для ЭХ на основе GaAs.
Омическое сопротивление «открытого» канала ПДХ составляет от 10 до 120 кОм, что – при стандартных
значениях напряжения источника питания (5 или 9В) – определяет весьма низкое значение тока управления
(50–400 мкА), которое, по крайней мере, на порядок величины меньше, чем у традиционных полупроводниковых
ЭХ. Последнее обуславливает не только рекордно высокую удельную магнитную чувствительность ПДХ (до
10000 В/А ґ Тл), но и существенно более низкий уровень его собственных шумов, то есть высокую пороговую
чувствительность прибора.
Конструкция ПДХ позволяет осуществлять измерения ЭДС -Холла в режиме цифровой или аналоговой
модуляции потенциала на полевых электродах (затворах), что существенно облегчает возможность регистрации
7
слабых сигналов. ПДХ позволяют уверенно регистрировать магнитные поля с индукцией около 10- Тл.
Конструктивное оформление приборов весьма разнообразно. Кремниевый кристалл размещается в
стандартном или оригинальном корпусе.
B
Контакт
подложки
Рис. 2.19. Варианты конструкции
кристаллов ПДХ
Контактные
площадки
Al - 0,1х0,1 мм
1
б)
Контакт подложки
0,65 max
DX1
а)
Чувствительная область
1,15 x 1,15 max
0,65 x 0,65 max
Чувствительная Контактные площадки
Al - 0,14 х 0,14 мм
область
B
0,65 max
Страница 29
Активная зона
Активные зоны
Активные зоны
Активная зона
3
2
Активныее зоны
Кроме магнитной чувствительности ПДХ обладают достаточно высокой чувствительностью к
инфракрасному (0,7–0,85 мкм) и радиационному излучениям. Эти приборы могут использоваться могут
использоваться в качестве датчиков ИК-излучения или датчиков радиации.
Предельная рабочая температура ПДХ при соответствующей упаковке достигает 250 °С.
Варианты конструкции и топологии кристаллов ПДХ приведены на рис. 2.19 и 2.20.
1
Рис. 2.20. Варианты топологии кристаллов ПДХ: а – двухэлементный; б – четырехэлементный
(матрица); в – четырехэлементный (линейка); г – трехэлементный (линейка)
Возможные варианты герметизации кристаллов ПДХ приведены на рис. 2.21.
Они могут размещаться в стандартных металлостеклянных корпусах типа 401.14--5 без крышки (рис. 2.21а).
«Колодец» корпуса герметизирован прозрачным или непрозрачным кремнеорганическим компаундом.
Возможно размещение кристаллов в DIP корпусе (рис. 2.21б) или на печатной микроплате (рис. 2.21в).
ПДХ отличаются высокой удельной магнитной чувствительностью, минимальным энергопотреблением,
малой постоянной времени, высоким геометрическим разрешением и расширенным рабочим температурным
диапазоном [4, 48, 58, 110].
Основные параметры разработанных АОЗТ «ЛБС» вариантов ПДХ приведены в главе 9 тома 2.
B
B
10 max
1,25
8
6,7 max
5,9 max
6 x 1,25 = 7,6
0,43 max
10 max
1,25
6 x 1,25 = 7,6
0,43 max
7
8
6,7 max
0,62
0,1
0,62
0,1
14
14
7
1,75 max
б)
1,75 max
а)
5,9 max
18 max
18 max
B
B
0,59 max (8 выв.)
2,5
7,5
10,5 max
1,25
1,0
0,3 max
7
в)
13 max
4
2,0
1
3,5 max
5
7 max
6,5 max
2,0
1
8
2,5
10
15 max
г)
Рис. 2.21. Возможные варианты герметизации кристаллов ПДХ: а – в металлостеклянном корпусе; б –
в пластмассовом DIP корпусе; в – на печатной микроплате
Страница 30
2.1.5. Производство и образцы элементов Холла
В Советском Союзе разработкой и выпуском элементов Холла занималось более 30 организаций, среди
которых наиболее известными являются: ОВНИИЭМ в г. Истра Московской области (приборы типа ДХГ-0,5,
ДХГ-0,5с, ДХГ-0,5м, ДХГ-2С, ДХК-7АК, ДХК-14, ДХК-74, ДПК-1, ХАГ-П4, ХИМ, ХИМ-С2, ХИМ и др.);
НПО «Вега» в г. Бердске (приборы серий ДХК и ПХЭ); ИФТТ и ПП АН БССР в г. Минске (приборы типа ИП);
ОКБ ФТИ АН УзССР в г. Ташкенте (приборы типа ХАГЭ-1, ХАГЭ-2, ХАГЭ-3 и др.); завод чистых металлов
в г. Светловодске (приборы типа Х101, Х112, Х201, Х212, Х501, Х511); СКТБ ФТИ АН СССР в г. Ленинграде
и др.
Самую большую группу отечественных элементов Холла представляют приборы на основе геттероэпитаксиальных пленок InSb–GaAs, выпускаемые НПО «Вега» (г. Бердск) и НПО «Домен» (г. С.-Петербург)
[67, 55, 62].
Наиболее известными отечественными приборами являются элементы Холла серии ПХЭ 602 – ПХЭ 606 и
ДХК-0,5.
Среди сравнительно новых изделий можно отметить: ХИМ-С2, ДХК-7АК и ДХК-12 ПК, разработанные
ОВНИИЭМ. Прибор ХИМ-С2 выполнен с системой дублирования, состоящей из двух магниточувствительных
элементов (основного и резервного), расположенных симметрично относительно друг друга и параллельно
друг другу и имеющих идентичные магнитоэлектрические параметры, что позволяет, в случае необходимости,
заменить основной элемент резервным.
Элементы ДХК-7АК и ДХК-12 ПК обладают повышенной эксплуатационной надежностью и удобны при
монтаже в аппаратуру за счет использования металлического корпуса и гибкой печатной платы в качестве
внешней коммутационной цепи.
Среди зарубежных исследователей и производителей работы в данном направлении ведутся несколькими
десятками фирм. Ведущими производителями элементов Холла являются японские фирмы Asahi Kasel Electronics
(InSb), Matsushita Electronic Corp. (Si, Ge, GaAs, InSb), Denki Onkyo (InSb), Rohm Co. Ltd. (InSb, GaAs – до 1
млн. шт. в месяц), Toshiba (GaAs – до 700 тыс. шт. в месяц); американские фирмы IBM (Si), Radio Frequency
(InAs), Texsas Instrument (Si), Sprague Electric (Si), Allegro, F. W. Bell, фирмы Германии AEG Telefunken, Siemens
(Si, InSb, GaAs, InAsP), Ebeco, F.W. Bell и др.
Суммарный годовой объем производства элементов Холла в мире превышает 1 млрд. шт. Номенклатура типов
ЭХ насчитывает сотни наименований.
Особенностью зарубежных элементов Холла является то, что, как правило, большая часть приборов
ориентируется на решение конкретныхе техническихе задачи, например:, для регистрации магнитного потока,
использования в качестве датчиков скорости вращения зубчатых колес и в датчиках линейного перемещения и
т.д. Поэтому, все приборы имеют определенные конструктивные отличаются друг от друга как своими
конструктивным исполнением, так и особенностями практического использования. Зарубежная
промышленность выпускает очень широкую номенклатуру этих приборов.
Из новейших образцов приборов можно отметить элемент Холла типа HS-100 с максимальной толщиной
0,3 мм, разработанный фирмой Bell Technologies (США). Приборы поставляются в flip-chip исполнении. Цена
прибора составляет всего 0,3 доллара при покупке партии болеьше 100 шт.
Во второй части книги приведены основные параметры и габариты элементов Холла, выпускаемых наиболее
известными отечественными предприятиями и ведущими зарубежными фирмами.
Обобщенные параметры элементов Холла на основе различных материалов сведены в табл. 2.4 и 2.5. В
табл. 2.4 сгруппированы данные по ~200 типам промышленных образцов ЭХ, а в табл. 2.5 – по ~20 типам
приборов, изготовленных по новым и новейшим технологиям.
Чувствительность большинства элементов Холла лежит в пределах от 0,05 до 10 В/Тл, ток управления – от
1 до 200 мА, нелинейность преобразования обычно составляет от 0,1 до 5,0%, температурный коэффициент
чувствительности – от 0,03 до 0,5% на градус Цельсия.
Большинство элементов Холла обладает достаточно
UВЫХ,мВ
высокой линейностью преобразования. Например,
кремниевые ЭХ показывают хорошую линейность при
индукции магнитного поля до 1–1,5 Тл.
На рис. 2.22 приведена типовая выходная
характеристика интегрального кремниевого элемента
Холла.
Рис. 2.22. Типовая выходная характеристика
интегрального кремниевого элемента Холла
УдельТемпера
ТемпеМагнитная
турный
Остаточрат.
Коэф- Диапазон
Размер Входное ВыходТок
ная
магниткоэфное
коэффициент рабочих
чувстви- сопроное
управле- чувствиная
фициент
напряже- фициент
нелиней- температельной
тивле сопротивния,
тель-чувствисопроление,
ние,
ЭДС
ности,
тур,
зоны,
ние,
мА
ность,
тельтивлеОм
В/А
Холла,
%
°С
мм
Ом
В/Тл
ность,
ния,
%/ °С
В/Тл*А
%/ °С
От
30 …
1,8 х 0,6
24….650
2…45 0,01…0,77 2,5…100
1800
До
12 х 6
От
500…
500…
0,22…
2,6 х 1,6
3…15
45…90
3000
3000
1,35
До
12 х 6
От 1,4 х
0,7
0,075…
До 4 х 2
0,5…15
0,5…160 0,5…360 10…200
0,66
От
0,056…
1…2
1…2
100…300 0,0056..
∅=0,76
0,11
0,011
До
∅=1,02
От
0,055…
0,5 x 0,5
5…30
3…70
25…200
0,88…4
0,29
До
1x1
От
0,2 х 0,2
10…530 10…530 6…100
0,08…3 0,85…500
До
6,5 х 2
От
0,5 x 0,5
10…100 10…100
180
0,1…0,23 0,55…1,3
До
1x1
От
0,127 x
100…
100…
0,127
1…40
0,09…3 20…280
1500
1500
До
1x1
От
3х1
6…50
2…50
20…150 0,4…0,6
2…30
До
4х1
От
3 x 1,5
200…
200…
3…15
0,5…0,7 230…330
До
3000
3000
4x2
От
0,2 x 0,05
2…15
2…15
100
0,01…0,5 0,1 …5
До
2 x 0,5
От 1
до
35…90
35…90
15…30
18…550
22 мм2
В табл. 2.6 даны основные параметры трех групп элементов Холла, выпускаемых ведущим зарубежным
производителем – фирмой F. W. Bell.
Таблица 2.6. Основные параметры трех групп элементов Холла, выпускаемых фирмой F. W. Bell
Наименование серии
прибора
RH
FH
GH
Материал
МЧЭ
InAs
InSb
GaAs
Ток управления,
мА
100…200
До 10
До 5
Входное
сопротивление,
Ом
Выходное
сопротивление,
Ом
Магнитная
чувствительность,
В/Тл
Температурный
коэффици-ент
ЭДС Холла,
% / 0С
1…6
20…60
450…900
1…6
40…480
580…1700
0,008…0,5
0,04…0,25
0,5…1,4
-0,05
-0,05
-0,08
Диапазон
рабочих
температур,
0
С
-269…+100
-55…+100
-55…+175
Интервал рабочих температур для ЭХ, изготовленных из германия, в пределах от –60 до +70 °С, для
кремниевых – от –60 до +120 °С.
Предельная рабочая температура для элементов Холла из арсенида галлия составляет 250–300 °С при TCg
= 0,05% /на градус Цельсия. Элементы из InSb и InAs могут применяться при температурах от 4,2 до 300 °К
при TCg = 0,05–0,5% на градус Цельсия.
С точки зрения устойчивости к воздействию температуры окружающей среды материалы располагаются в
следующей последовательности: Ge, Si, GaAs.
2.1.6. Частотные характеристики элементов Холла
Элементы Холла обладают очень малой инерционностью.
Быстродействие ЭХ определяется временем пролета носителей через активную область кристалла. При
правильном выборе исходного полупроводникового материала с высокой подвижностью носителей заряда и
субмикронных размерах МЧЭ верхняя граничная частота может составить порядка 1 ГГц. Однако, при высоких
частотах модуляции магнитного поля индукционные помехи и наводки практически сужают полосу рабочих
частот до 1 МГц.
Особое значение имеет конструкция элемента Холла, так как активная область и холловские выводы
образуют виток, на котором переменное магнитное поле наводит ЭДС (так называемую квадратурную помеху),
величина которой зависит от площади витка. В приборе с малой площадью витка «активная область–выводы
Холла» квадратурная помеха стремится к нулю, в результате чего появляется возможность значительного
увеличения рабочей частоты.
Страница 33
2.1.7. Ориентационная характеристика элемента Холла
Ориентационная характеристика элемента Холла определяется диаграммой направленности. Под
диаграммой направленности подразумевают зависимость γ (α), где γ – выходная величина преобразователя
магнитного поля, а α – угол между магнитной индукцией В и магнитной осью преобразователя –i0м.
Обычно с целью удобства сопоставления диаграмм направленности, определенных при различных
значениях В, на графиках откладывают не значение γ, а значение величины:
(2.7)
где S – относительная чувствительность ПМП, другими словами производится нормирование диаграмм.
Для точного измерения составляющих магнитной индукции желательно иметь диаграмму направленности
ПМП, симметричную относительно оси X. Именно такую диаграмму направленности имеют элементы Холла
в слабых магнитных полях при условии полной компенсации их нулевого сигнала.
Вместе с тем замечено , что с увеличением В симметрия диаграммы направленности нарушается. Это
обстоятельство приводит при определенных условиях к погрешностям измерения, как модуля, так и
составляющих магнитной индукции. (Подробнее см. [81]).
В качестве примера на рис.2.23.а. приведена диаграмма отечественного элемента Холла типа Х112,
определенная при различных значениях В и при скомпенсированном нулевом сигнале. [7]
Y
B=1,2 Тл
B=0,6 Тл
B
а)
λ
λмакс(+В)
B=0
λмакс(-В)
X
B=0
B=0,6 Тл
B=1,2 Тл
B
Y
B=0
B=1,2 Тл
X
б)
B=0
B=1,2 Тл
Рис. 2.23. Диаграмма направленности элемента Холла типа Х112
Страница 34
Начальный участок этой диаграммы показан на рис. 2.23.б.
Из рисунка видно, что рост асимметрии диаграммы относительно оси X с увеличением В проявляется в
изменении отношения.
(2.8)
где
– максимальные значения нормируемой выходной величины при
и
направлении магнитной оси элемента Холла i0м, совпадающем с направлением В и противоположном ему),
а также в приращении угла β = 90°−α между осью Х и направлением i0м, соответствующем α=0 (при
идеальной диаграмме направленности, когда
и β =0). (Подробнее см.[7])
2.1.8. Применение элементов Холла
Дискретные элементы Холла используются для измерения магнитных полей, исследования свойств
магнитных материалов, измерения электрических и неэлектрических величин, исследования характеристик
электрических машин; для применения в качестве активных элементов в различных вычислительных
устройствах (например, для выполнения элементов счета: сложения и вычитания, умножения и деления,
возведения в степень и извлечения корня); для выполнения функций отдельных элементов различных
радиотехнических цепей (линейные и квадратичные детекторы, модуляторы, смесители, демодуляторы,
перемножители и удвоители, генераторы, усилители и др.), а также в качестве чувствительных элементов при
создании различного рода бесконтактных реле, компенсаторов, компараторов и всевозможных систем
регулирования. Благодаря своим уникальным свойствам элементы Холла могут использоваться как датчики
механических деформаций и напряжений, а также в качестве ориентационных датчиков.
Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного
поля на основе элементов Холла, которые могут группироваться в линейные и в матричные
магниточувствительные структуры с различным способом их организации.
Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и
устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).
Подробнее о способах организации многоканальных и многоэлементных магниточувствительных структур,
а так же о возможных областях их применения можно прочитать в главах 4 и 6.
Особенности применения дискретных элементов Холла
При использовании дискретных элементов Холла следует учитывать некоторые их особенности, а именно:
относительно высокое остаточное напряжение (до 10 мВ и более), и зависимость параметров ЭХ от температуры
окружающей среды.
Кроме того, необходимо помнить о том, что величина остаточного напряжения (UОСТ), как правило, зависит
от направления и значения тока управления, а также от температуры элемента.
Способы стабилизации основных параметров элементов Холла
Известны различные способы стабилизации параметров ЭХ и уменьшения влияния остаточного напряжения
на параметры аппаратуры, как за счет применения определенных конструктивных решений, так и в результате
использования схемотехнических мер.
Компенсация остаточного напряжения (UОСТ) осуществляется использованием специальных схем питания
элементов Холла. Простейший вариант схемотехнического решения – включение дополнительного переменного
резистора R (см. рис. 2.24). Варианты включения, показанные на рис. 2.24.а, 2.24.б и 2.24.е, не влияют на
термостабильность ЭХ. Более термостабильными являются варианты рис. 2.24.г и 2.24.д. Для повышения
термостабильности на одном конце МЧЭ выделяется два токовых электрода и внешним потенциометром R
устанавливается соотношение токов через них (рис. 2.24.е).
R
R
R
R
R
R
Uвых.
Iупр.
Uвых.
а)
Uвых.
Iупр. Uвых.
б)
Uвых. Iупр.
в)
Iупр.
Uвых. Uвых.
г)
Uвых.
Uвых.
Uвых.
Iупр.
Uвых.
д)
Рис. 2.24. Схемы компенсации остаточного напряжения элементов Холла
Iупр.
е)
Uвых.
Страница 35
Аналогично можно заменить один их «холловских» электродов двумя, разделенными по длине (рис. 2.24.г).
Указанная термокомпенсация осуществима лишь в относительно узком интервале температур. Во-первых,
вследствие разной зависимости от температуры удельного сопротивления материала МЧЭ и компенсирующего
элемента (резистора R) и, во-вторых, из-за зависимости сопротивления контактов МЧЭ от температуры, что
особенно заметно при больших значениях тока управления.
Питание элементов Холла
В зависимости от решаемых задач питание элементов Холла может осуществляться от источника
напряжения (UП = const.) или от источника тока (IУП = const.).
В качестве примера на рис. 2.25 показан характер изменения чувствительности кремниевого ЭХ при питании
его от источника напряжения. В этом случае температурный коэффициент чувствительности (TCg) практически
постоянен в приведенном интервале температур и составляет –0,25% на градус Цельсия.
γ, мВ/мТл
UП=const=5 B
В=50 мТл
TCg=-0,25% / 0C
Рис. 2.25. Температурная зависимость чувствительности кремниевого элемента Холла при постоянном
напряжении питания и в равномерном магнитном поле
Характер изменения чувствительности кремниевого ЭХ при питании его от источника тока показан на
рис. 2.26. Коэффициент TCg в данном случае от образца к образцу имеет некоторый разброс и составляет
+0,04% на градус Цельсия [47].
γ, мВ/мТл
IУП=const=7 мА
В=50 мТл
Образец №2
Образец №3
0
TCg=+0,04 % / C
Рис. 2.26. Температурная зависимость чувствительности кремниевого элемента Холла при постоянном
токе управления и в равномерном магнитном поле
Однако применение постоянного тока для питания ЭХ имеет ряд недостатков, ограничивающих
использование ЭХ в высокоточной аппаратуре.
Питание элементов Холла может осуществляться и переменным синусоидальным или импульсным током.
При этом каждая из схем питания имеет свои особенности и выбирается исходя из конкретных условий
применения ЭХ.
В большинстве случаев при практическом использовании элементы Холла питаются от источников
переменного напряжения (или тока). Существует множество вариантов таких схем питания.
Страница 36
На рис. 2.27 и 2.28 без подробных разъяснений приведены возможные варианты питания элементов Холла.
Питание ЭХ осуществляется от источников прямоугольных или синусоидальных импульсов.
а)
ЭХ
Генератор
прямоугольных
импульсов
Фильтр
Измерительный
блок
б)
ЭХ
Генератор
прямоугольных
импульсов
Фильтр
Измерительный
блок
Рис. 2.27. Схемы питания дискретных элементов Холла: а – однополярными прямоугольными
импульсами; б – двухполярными прямоугольными импульсами
ЭХ
Генератор
прямоугольных
импульсов
Фильтр
Фильтр
Измерительный
блок
Рис. 2.28. Схемы питания дискретных элементов Холла током, изменяющимся во времени по
гармоническому закону
Используются два варианта питания элемента Холла прямоугольными импульсами: однополярными и
разнополярными симметричными. В первом случае (рис. 2.27.а) через ЭХ протекают не только гармонические,
но и постоянные составляющие импульсов тока питания. Во втором случае (рис. 2.27б) на элемент Холла
поступают только переменные составляющие тока питания, что осуществляется применением разделительного
конденсатора СР или трансформатора во входных цепях ЭХ.
Источники прямоугольных импульсов обеспечивают стабильные импульсы по амплитуде и длительности
в широком диапазоне рабочих температур и при более простых схемных решениях.
В большинстве промышленных магнитометров отечественного и зарубежного производства используют
схемы питания дискретных элементов Холла синусоидальным током (рис. 2.28). Это связано с необходимостью
увеличения отношения сигнал/шум, что достигается введением избирательных элементов в схему обработки
сигнала ЭХ. При питании ЭХ током, изменяющимся во времени по синусоидальному закону, требуется
использование генераторов сигналов синусоидальной формы, высокостабильных как по амплитуде, так и по
частоте (подробнее см. [8]).
Температурная компенсация функции преобразования элементов Холла
сигналом из входной цепи
При питании элемента Холла от источника напряжения стабилизируется остаточное напряжение UОСТ,
однако появляется температурная зависимость чувствительности прибора. Погрешность, вызванная
температурной зависимостью чувствительности, носит мультипликативный характер. Следовательно,
компенсация такой погрешности может быть получена нелинейными операциями, что ограничивает точность
компенсации [46].
При питании от источника тока стабилизируется чувствительность элемента Холла, остаточное напряжение
имеет сильную температурную зависимость, которая, однако, может быть компенсирована линейными
способами.
Следующей особенностью метода компенсации является то, что компенсирующий сигнал из входной цепи
ЭХ не должен создавать гальванической связи с его входной цепью, так как элемент Холла является
четырехполюсником, вход и выход которого не имеют общей точки. От качества гальванической развязки и
стабильности развязывающего звена в той или иной степени зависит точность работы схемы компенсации.
Страница 37
Схемы температурной компенсации при питании элемента Холла
от источника напряжения
Из множества схем наиболее широко применяются схемы:
•
•
•
•
с оптронной гальванической развязкой;
с гальванической развязкой на логометре . [Под логометром в данном случае понимается
измерительный прибор, показания которого пропорциональны отношению двух электрических величин
(обычно сил тока)];
с трансформаторной гальванической развязкой;
с питанием элемента Холла от импульсного источника питания.
Схемы температурной компенсации при питании элемента Холла
от источника тока
•
•
При питании ЭХ от источника тока используются схемы:
с оптронной гальванической развязкой;
с гальванической развязкой на дифференциальном усилителе.
На рис. 2.29 в качестве примера дана структурная схема температурной компенсации элемента Холла с
оптронной развязкой при питании ЭХ от источника напряжения.
Рис. 2.29. Схема температурной
компенсации с оптронной развязкой
при питании ЭХ от источника
напряжения:
DA1,
DA2 –
операционные усилители: Е1, Е2 –
источники напряжения; U1, U2 –
оптроны; Р1 – регистрирующее
устройство
Схема (рис. 2.29) работает следующим образом. Выходной сигнал с ЭХ поступает на регистрирующее
устройство Р1 через усилитель сигнала DA1. Коэффициент передачи усилителя сигнала определяется
сопротивлениями отрицательной обратной связи операционного усилителя DA1 – резистором R2 и выходным
сопротивлением оптрона U1. Изменение последнего компенсирует мультипликативную составляющую
температурного изменения выходного сигнала ЭХ, компенсация аддитивной составляющей осуществляется
цепью, состоящей из источника напряжения Е1, выходного сопротивления оптрона U2 и резистора R1.
При питании ЭХ от источника напряжения Е2 падение напряжения на резисторе R3 пропорционально
входному току при условии R3
U1
ЭХ
Е2
>
Рис. 2.30. Схема температурной компенсации с
оптронной развязкой при питании ЭХ от источника
тока: DA1 – операционный усилитель; Е1 – источник
тока; Е2 – регулируемый источник тока; U1 – оптрон;
Р1 – регистрирующее устройство
R1
P1
Схема (рис. 2.30) работает следующим образом. При начальной температуре элемента Холла и рабочем
токе генератора тока Е2 на выходе усилителя DA1 существует сигнал, величина которого выбором режима
работы усилителя DA1 устанавливается так, чтобы рабочая точка оптрона U1 находилась на линейном участке
передаточной характеристики. Изменяя напряжение регулируемого источника Е1, можно добиться того, чтобы
падение напряжения на резисторе R1 было равно по величине и противоположно по знаку нулевому напряжению
UОСТ элемента Холла.
Компенсация температурного изменения остаточного напряжения UОСТ происходит следующим образом.
При отклонении температуры от начальной изменение электрического сопротивления элемента Холла
последовательно изменяет падение напряжения на самом ЭХ, выходное сопротивление оптрона и величину
компенсирующего напряжения на резисторе R1.
Звеном, ограничивающим точность компенсации в рассматриваемой схеме, является, в основном, оптрон
U1, обеспечивающией гальваническую развязку цепей компенсации, связанных с входом и выходом элемента
Холла. (Подробнее см. [46].)
Любая термокомпенсация выполняется лишь в относительно узком диапазоне температур, во-первых,
вследствие разной зависимости от температуры удельного сопротивления полупроводника и компенсирующего
элемента и, во-вторых, из-за зависимости сопротивления контактов ЭХ от температуры.
Например, для ЭХ из сурьмянистого индия (InSb) температурная компенсация с точностью 2% достигается
подключением токовой цепи к источнику постоянного напряжения, при этом используется то обстоятельство,
что для этого материала зависимость постоянной Холла (КH ) и удельного сопротивления (r) от температуры
практически одинаковы.
Кроме того, для температурной компенсации ухода параметров элементов Холла используются
полупроводниковые или металлические терморезисторы, включаемые параллельно или последовательно в
цепь питания ЭХ или в его выходную цепь. Расчет схем для устранения температурной погрешности приведен
в работе [67, 46].
Температурная погрешность может быть устранена термостатированием элемента, а также питанием его
от источника переменного тока. Для этой цели элемент снабжается нагревателем и датчиком температуры.
При разделении цепей питания по частоте сам ЭХ может быть использован как нагреватель, а в некоторых
случаях и как термодатчик.
При проектировании магнитоэлектронных устройств следует учитывать влияние максимального тока
управления на параметры и характеристики элементов Холла, что особенно важно при использовании
низкоомных МЧЭ, функционирующих при IУП> 50 мА.
Страница 39
Максимально допустимое значение тока управления в значительной степени определяется условиями
эксплуатации ЭХ, то есть условиями теплоотвода и температурой окружающей среды, а также максимально
допустимой температурой нагрева магниточувствительного элемента.
Обычно в паспорте на прибор задается максимально допустимое значение тока управления для случая
эксплуатации элемента Холла в среде неподвижного воздуха.
Превышение указанного в паспорте значения этого тока без принятия специальных мер по дополнительному
улучшению условий теплоотдачи приводит к перегреву элемента и выводу его из строя.
Улучшением условий теплоотвода можно значительно повысить как номинальное, так и максимально
допустимое значение тока управления. Так, например, если элемент Холла с обеих сторон привести в
соприкосновение с металлическими полюсами магнитопровода, то ток управления можно увеличить в 1,5–2
раза [67].
Сведения об основных параметрах дискретных элементов Холла, выпускаемых отечественными и
зарубежными производителями, приведены в главе 9 тома 2.
Использование элементов Холла совместно с операционными усилителями
На рис. 2.31 и 2.32 в качестве примера приведены две достаточно простые схемы магнитоприемных
устройств с использованием дискретных элементов Холла и операционных и инструментальных усилителей.
Эти схемы не требуют дополнительных пояснений. Они не содержат специальных элементов для
термостабилизации и предназначены для использования в лабораторных условиях или в демонстрационных
целях.
+UП. (12 В)
C1 1,0
C2 0,033
R2 150k
B
3
5
6
DА2
В1
4
7
8
R3
1,0
C3
1,0
+
C6
1000,0-
Экран
3
-
2
Установка рабочего тока
4
+
7
R1* 3,3k
Подложка
C5
1000,0
-U П. (12 В)
1
6
Затвор
Вход затвора
R4
330k
Общий
Баланс “точно” Баланс “грубо”
R5 1,5k
R6 150k
4
2
5
DА1
3
6
Выход
8
7
1
R7 10k
R8
10k
Чувствительность
Рис. 2.31. Электрическая схема магнитоприемного устройства с использованием полевого элемента
Холла (ПДХ) и инструментального усилителя
В схеме, приведенной на рис. 2.31, в качестве преобразователя магнитного поля используется полевой
датчик Холла (ПДХ), который питается от источника тока, выполненного на операционном усилителе (DA2).
В качестве усилителя сигнала ЭХ используется интегральная схема инструментального усилителя АМР04 (или INA 118). Магнитная чувствительность устройства устанавливается резистором R7.
Рабочий ток элемента Холла устанавливается при помощи резисторов R1 и R2.
Страница 40
Балансировка «0» производится резисторами R5 и R6.
Схема предусматривает модуляцию входного сигнала путем подачи управляющих (или модулирующих)
импульсов на затвор ПДХ.
Устройство питается от двухполярного источника питания. Ток потребления составляет не более ±10 мА
при напряжении питания 12 В.
+UП = (10...15) В
В1
B
Рис.
2.32.
Схема
входного
каскада
магнитоприемного устройства с использованием
кремниевого элемента Холла и операционного
усилителя
+UП = (10...15) В
В схеме, приведенной на рис. 2.32, в качестве преобразователя магнитного поля используется кремниевый
элемент Холла типа ДХК-0,5, который подключается к цепи питания через два ограничительных резистора
(R1, R2). В качестве усилителя сигнала ЭХ применяется микросхема операционного усилителя 740УД2Б в
бескорпусном исполнении. Чувствительность магнитоприемного устройства устанавливается резистором R3
и резисторами R1, R2.
Особенности использования интегральных элементов Холла
В последнее время все более широкое распространение получают элементы Холла, выполненные в едином
технологическом цикле и на одном кристалле вместе с другими элементами интегральных схем,
обеспечивающими усиление и обработку сигнала ЭХ.
Проектирование, изготовление и применение, интегральных элементов Холла имеет ряд особенностей,
связанных с получением максимальной магнитной чувствительности при минимальных значениях остаточного
напряжения (UОСТ ) и заданной стабильности указанных параметров.
Повышенное значение величины остаточного напряжения (UОСТ ), объясняется факторами, в числе которых
можно отметить градиент удельного сопротивления исходного материала, деформации, несовмещение
фотошаблона, определяющего геометрию прибора, и т.д.
Одной из причин изменения остаточного напряжения (UОСТ ) при отсутствии магнитного поля является
чувствительность кремния к механическим напряжениям. Это ведет к появлению нежелательного выходного
напряжения и проявляется как погрешность в регистрации ЭДС Холла.
Ощутимые погрешности возникают и вследствие изменения уровней деформаций при осуществлении
контакта с пластиной, при резке пластины и разделении ее на кристаллы, при корпусировании, а также при
эксплуатации изделия. Изменения в уровнях напряжений появляются, например, за счет различий в тепловых
коэффициентах расширенияи кристалла и материала корпуса при повышении или понижении температуры
окружающей среды.
Помимо этого кремний обладает сильно выраженным пьезорезистивным эффектом, и ЭХ, будучи
четырехполюсником, реагирует на сдвиговые напряжения. И эта реакция тоже проявляется через указанный
эффект. Влияние этого эффекта можно минимизировать, но нельзя исключить полностью, ориентируя
соответствующим образом слиток кремния при резке его на пластины.
Определенные противоречия, возникающие при формировании элементов Холла совместно с другими
элементами интегральных микросхем, разрешаются технологическими и схемотехническими методами. Из
них наиболее известны такие, как использование симметричной топологии элемента Холла (обычно,
представляющей квадрат) и применение нескольких элементов, соединенных и повернутых определенным
образом. Варианты соединений интегральных ЭХ приведены на рис. 2.33.
.
.
.
Страница 41
а)
б)
+U П
+UП
ВВН => 5 кОм.
Страница 57
На рис. 2.58 приведена схема использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с двумя
операционными усилителями.
+UП (5 В)
R6 200
С3
0,1
С1
0,1
3
8
B
С2 0,1
5
Выход
2
6
4
DA1
7
3
1
4
7
DA3
2
DA2
U ВЫХ.
R1
6
R2
4
Общ.
R3
R4
Рис. 2.58. Подключение магниторезисторного моста серии ААххх-02
к схеме, с двумя операционными
усилителями
R5*
UОП
DA1 - магниторезисторный мост серии ААххх-02;
DA2, DA3 - операционные усилители.
. Напряжение на выходе ОУ (DA3) в этом случае (рис. 2.58) определяется, как:
(2.14)
где (R1/R2) = (R3/R4) и UIN = (UВЫХ+) - (UВЫХ-)
На рис. 2.59 приведена схема использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с тремя
операционными усилителями. Схема отличается высокой линейностью и точностью преобразования.
+UП (5 В)
R8 200
C2 0,1
3
Рис. 2.59. Схема использова-ния
магниторезисторного моста
серии ААххх-0 2 с тремя операционными усилителями
C1 0,1
R6
4
R2
R4
7
8
B
6
DA2
-
2
UОП
7
+
+5 B
UВЫХ+
R7*
3
C3 0,1
2
5
DA1 U
ВЫХ 4
3
+
1
2
7
6
DA3
-
R3
+
-
Выход
6
DA4
4
UВЫХ.
R5
4
Общ.
R1
DА1 - магниторезисторная ИС серии АAxxx-02 (фирмы “NVE”);
DА2,DA3,DA4 - операционный усилитель типа LMC7101A/NS.
Напряжение на выходе ОУ (DA4) в этом случае (рис. 2.59) определяется, как
(2.15)
где R1 = R2; R3 = R5; R4 = R6 и UIN = (UВЫХ+) – (UВЫХ-).
На рис. 2.60 приводится схема использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с
инструментальным усилителем. Схема отличается простотой и высокими магнитоэлектрическими
характеристиками. При применении схемы для приема модулированного магнитного потока, желательно
использовать дополнительные частотнозависимые элементы (С1, С2, R1, R2). Напряжение на выходе схемы
(DA2) определяется по формуле:
(2.16)
где R1=R2; С1=С2 и U
IN
= (U
) - (U
),
ВЫХ+
ВЫХ-
Страница 58
+UП (5 В)
R4 200
C3
0,1
C4
0,1
7
R1
8
C1
UВЫХ -
B
DA1
2
1
UВЫХ+
3
5
-DA2
Выход
6
1
+
UВЫХ.
R3*
Рис. 2.60. Схема использования
магниторезисторного моста серии
ААххх-02 с инструментальным
усилителем
C2
4
R2
8
4
UОП
Общ.
DА1 - магниторезисторная ИС серии АAxxx-02 (фирмы “NVE”);
DА2 - инструментальный усилитель типа INA118/BB.
При этом полоса пропускания (F) устройства (рис. 2.60) определяется формулой:
(2.17)
На рис. 2.61 приведена схема порогового устройства использования магниторезисторного моста серии
ААххх-02 с инструментальным усилителем и компаратором. При этом напряжение срабатывания компаратора
UКОМП определяется, значением:
(2.18)
R5 200
B
C3
0,1
C2
0,1
7
8
Рис. 2.61. Схема порогового
устройства использования
магниторезисторного моста
серии ААххх-02 с инструментальным усилителем и
компаратором
+UП (5 В)
R6 200
C1
0,1
UВЫХ+
DA1
3
5
UВЫХ -
2
1
4
5
6
+
DA2
-
4
1
8
3
R4*
R3
8
7
DA3
+
Выход
UВЫХ.
1
4
R1
+2,5B
UОП
2
-
Общ.
R2
DА1 - магниторезисторная ИС серии АAxxx-02 (фирмы “NVE”);
DА2 - инструментальный усилитель типа INA 118/BB;
DА3 - компаратор типа IM311.
Фазосдвигающее
устройство
DA1
8
Генератор
B
1
5
OУ
+
4
Выход
RФ
RОС
СФ
DА1 - магниторезисторная ИС серии АAxxx-02 (фирмы “NVE”).
Рис. 2.62. Упрощенная функциональная схема магнитоприемного устройства с модуляцией по цепи
питания моста
Страница 59
Для приема слабых магнитных полей рекомендуется использование магнитоприемных устройств с
модуляцией по цепи питания моста и последующей демодуляцией сигнала на выходе ОУ. На рис. 2.62 приведена
упрощенная функциональная схема такого устройства. (Подробнее см. [83].).
+UП (5 B)
DD1
2
1
14
R9
390
VD1
R11 390
R8 1k
4
R4 50k
VT1
TIS92
3
7
R10 390
В
R1 47
СМ4-1
R3
10k
R6 1k
B
R7 1k
R2* 470k
VD2
VD3
R12
390
VD4
9
13
10
11
5
12
R5 1k
Общий
DA1 - компаратор типа LМ339;
R1 - магниторезистор типа СМ4-1.
Рис. 2.63. Электрическая схема четырехуровневого магнитоприемного устройства
На рис. 2.63 дана электрическая схема четырехуровневого магнитоприемного устройства, выполненного с
использованием «монолитного» магниторезистора и компаратора. Эта схема не требует особых пояснений.
Дополнительную информацию см. в [2, 11, 12, 13, 30, 34, 35, 36, 39, 43, 45, 66, 67, 68, 75, 76, 77, 83, 91, 92,
95, 99, 103, 175].
Страница 60
2.3. Магнитодиоды
Отдельную большую, группу преобразователей магнитного поля представляют магнитодиоды.
Магнитодиодом (МД) называется преобразователь магнитного поля, принцип действия которого основан
на магнитодиодном эффекте [15, 24, 67].
I
U
ι
d
а)
RH
I
I0
n+
UП
B 0
B=0
p+
В
+
IB
UД
U0
б)
UB
UВЫХ
Общий
в)
Рис. 2.64. К пояснению принципа действия магнитодиода: а – конструкция перехода; б – вольт –
амперная характеристика; в – схема включения
Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n – переходом и невыпрямляющими
контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника (рис. 2.64а). Отличие от
обычных полупроводниковых диодов состоит в том, что магнитодиод изготавливается из высокоомного
полупроводникового материала, проводимость которого близка к собственной, ширина базы d в несколько раз
больше диффузионной длины пробега носителей L, в то время как в обычных диодах d < L. В «длинных»
диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от
рекомбинации и движения неравновесных носителей заряда в базе и на поверхности [24].
В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется
инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на p-n переходе,
как в диоде, а на высокоомной базе.
Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет
увеличение сопротивления базы.
Сопротивление базы увеличивается и за счет повышения роли поверхностной рекомбинации, отклоняющихся
к поверхности полупроводника носителей заряда.
Эквивалентную схему магнитодиода можно представить в виде магниторезистора с последовательно
включенным усилителем. Типичная вольт-амперная характеристика «торцевого» магнитодиода приведена на
рис. 2.64.б.
Определения специфических параметров и терминов, используемых при описании работы магнитодиодов,
даны в табл. 2.10.
Для изготовления МЧЭ элементов магнитодиодов в основном используются германий (Ge) и кремний
(Si).
В настоящее время существует широкая номенклатура магнитодиодов, отличающихся технологией их
изготовления и разнообразием конструктивного оформления. При производстве магнитодиодов используются
сплавная, биполярная, МОП и другие технологии.
Конструкции магнитодиодов и «обычных диодов во многом похожи. Принципиальная разница заключается
в том, что корпус магнитодиодов выполняется из немагнитного материала.
2.3.1. Кремниевые магнитодиоды
Кремниевые магнитодиоды составляют отдельную группу преобразователей магнитного поля. Первые
магнитодиоды изготавливались по отработанным в свое время сплавной и планарной технологиям, широко
применяемым при изготовлении обычных (выпрямительных) диодов.
На основе типовых технологий в СССР были разработаны и серийно выпускались кремниевые
магнитодиоды серий КД301, КД303 и КД304.
«Торцевые» магнитодиоды КД301А..КД301Ж.
Магнитодиоды КД301А…КД301Ж изготавливались по сплавной технологии с использованием методов
ионного легирования.
Магниточувствительный элемент магнитодиода выполнен из высокоомного кремния и представляет собой
кристалл размером 1ґ0,5ґ0,5 мм. К контактным площадкам кристалла припаяны плоские проволочные выводы.
Вся конструкция защищена эпоксидным компаундом ЭП-91.
Магнитодиоды серии КД301 обладают одинаковой чувствительностью к магнитной индукции независимо
от ее направления.
Страница 61
Таблица 2.10. Специфические термины и определения основных параметров магнитодиодов
Условное
обозначение
(альтернативное
обозначение)
Единица
измерения
Прямое напряжение
Uм
(UF)
В
Прямой рабочий ток
Iном
А
(мА)
Значение прямого (неизменного во времени) тока через магнитодиод,
длительное протекание которого не вызывает его недопустимого
перегрева прибора.
Максимально
допустимыйпрямой
импульсный ток
Iном.имп.
А
(мА)
Ток, определяемый из условий, что длительность импульса должна быть
не более 6 мс, а средняя рассеиваемая мощность на магнитодиоде не
превышает допустимую.
Максимально допустимый
постоянный обратный ток
Iобр.
А
(мА)
Ток, равный значению обратного тока при приложении к магнитодиоду
обратного напряжения в 100 В.
Максимально
допустимаярассеиваемая
мощность
Рмакс
(Ptot)
Вт
(мВт)
Наименование параметра,
термина.
Выходной сигнал
(по напряжению)
Магнитная
чувствительность
магнитодиодаполя по
напряжению.
Выходной сигнал (по току)
Магнитнаячувствительность
магнитодиода по току.
Разность
магниточувствительностей
(степень ассиметрии)
магнитодиода
Определение
Падение напряжения на магнитодиоде впроводящем направлении при
пропускании через него номинального прямого тока Iном и в отсутствии
поперечного магнитного поля.
Мощность, определяемая из условий, что магнитодиод помещен в среду
неподвижного воздуха при темпера-туре 250С, а температура р-п
перехода магнитодиода при этом не превышает допустимую.
Uвых
В
Представляет собой разность выходных напряжений:∆U = Uвых = UB U0 , где UB – напряжение на выходе магнитодиода при номинальном
значении индукции магнитного поля; U0 – напряжение на выходе
магнитодиода при отсутствии магнитного поля.(В=0)
γu
(KBO)
В/Тл
мВ/мТл
Отношение напряжения выходного сигнала магнитодиода к значению
номинальной индукции: γu=Uвых/Вном
где Uвых - напряжение сигнала на выходе магнитодиода.
Iвых
А
(мА)
γΙ
(KBO)
А/Тл
мА/мТл
∆γu
В/Тл
мВ/мТл
Представляет собой разность выходныхтоков: ∆I =Iвых = IB - I ,
где IB–ток, протекающий через маг-нитодиод при номинальном значении
индукции магнитного поля; I0–ток, протекающий через магнитодиод при
отсутствии магнитного поля и (В=0)
Отношение выходного тока сигнала магнито диода к значению
номинальной индукции:
γ I =Iвых/Вном
Определяется как разность магнитнойчувствительности магнитодиода
возникающая при изменении направления управляющего магнитного
поля: ∆γu = γu+ - γu- ,
где γu+ - чувствительность при «положительном» направлении
магнитногополя; γu- чувствительность при «отрицательном»
направлении магнитного поля.
Планарные магнитодиоды серии КД303А – КД303Ж.изготавливались по планарной технологии.
Магниточувствительный элемент магнитодиода выполнен из высокоомного кремния и представляет собой
кристалл размером 2ґ1ґ0,4 мм. К контактным площадкам кристалла припаяны плоские проволочные выводы.
Вся конструкция защищена эпоксидным компаундом ЭП-91.
Структура МЧЭ магнитодиодов КД303А – КД303Ж не симметрична и при обоих направлениях тока ВАХ
и магнитная чувствительность приборов не одинаковы.
Планарные магнитодиоды серии КД304А-1 – КД304Ж-1 изготавливались по планарной технологии с
использованием ионного легирования. Конструкция этих магнитодиодов аналогична конструкции КД303.
Структура МЧЭ магнитодиодов КД304А-1 – КД304Ж-1 симметрична и при обоих направлениях тока ВАХ и
магнитная чувствительность приборов примерно одинаковы.
Планарные магнитодиоды КД304А1-1 – КД304Ж1-1 являются модифицированным вариантом
магнитодиодов КД304А-1 – КД304Ж-1. Они выпускались по упрощенной технологии. Конструкция
магнитодиодов КД304А1-1 – КД304Ж1-1 идентична конструкции магнитодиодов КД304А-1 – КД304Ж-1.
Параметры и конструкция (рис. 2.65) отечественных кремниевых магнитодиодов, в основном, соответствуют
показателям их зарубежных аналогов [24, 27, 54, 42].
Страница 62
Рис. 2.65. Внешний вид кремниевых магнитодиодов отечественного производства
Основные параметры и характеристики кремниевых магнитодиодов отечественного производства
приведены в главе 11 тома 2.
Кроме магнитодиодов серии КД303 – КД304 в России и за рубежом разрабатываются новые приборы,
основанные на использовании современных технологических процессов. Ниже рассматриваются некоторые
варианты магнитодиодов, выпускаемых по новым технологиям.
Магнитодиоды на основе МОП -технологии
На рис. 2.66 приведена одна из структур интегрального магнитодиода, изготовленного с использованием
типовой МОП -технологии.
Интегральный магнитодиод формируется по МОП технологии в процессе изготовления интегральных
микросхем.
2
B
Рис. 2.66. Структура магнитодиода,
изготовленного с использованием МОПтехнологии: 1 – область эмиттера; 2 – контакт
к коллектору магнитодиода; 3 – базовая область
магнитодиода; 4 – контакт к базовой области;
5 – граница раздела оксид кремния – кремний
5
4
3
+
p
+
n
1
n+
p
n
Область эмиттера 1 и контакт к коллектору 2 магнитодиода реализованы на основе n+ областей стока–
истока n МОП транзистора, базовая область 3 формируется на основе диффузионной области кармана p типа,
контакт к базовой области 4 – на основе p+ областей стока–истока p МОП транзистора, коллектором является
подложка n типа.
В данной конструкции граница раздела окисел–кремний 5 играет роль поверхности с низкой скоростью
рекомбинации, а обратносмещенный p-n переход база–коллектор – роль поверхности с высокой скоростью
рекомбинации носителей заряда.
Отличительные особенности данного прибора: магниточувствительный элемент эффективно работает
при высоком уровне инжекции; полезный сигнал снимается между электродами эмиттер–база [69].
Магнитодиоды на основе технологии «кремний на сапфире»
С. Кордичем [12] предложена оригинальная конструкция магнитодиода, изготовленного по технологии
«кремний на сапфире» (КНС). На рис. 2.67 приведен один из вариантов структуры такого прибора.
Вывод 1
Вывод 2
SiO2
B
S1
+
p
n - Si
+
n
S2
подложка - Al2O3
Рис. 2.67. Структура магнитодиода, изготовленного по технологии «кремний на сапфире»
Страница 63
Принцип действия магнитодиода (рис. 2.67) заключается в следующем.
Электроны и дырки из n+ и p+ областей в слаболегированную n область, где они дрейфуют под воздействием
электрического поля. Поверхность раздела (Si–SiO2) в пластине имеет низкую скорость рекомбинации S1 по
сравнению со скоростью рекомбинации S2 нижней границы раздела (Si–Al2O3). Магнитное поле в плоскости
отклоняет носители заряда к одной из плоскостей, и в вольтамперной характеристике происходят
соответствующие изменения. Прибор имеет высокую магнитную чувствительность. Однако есть и некоторые
недостатки.
Основным недостатком считается сильная нелинейность энергетической характеристики чувствительности,
которая зависит от направления воздействующего магнитного поля. Дополнительной проблемой является и
сильная зависимость параметров прибора от температуры [37].
Температурные характеристики кремниевых магнитодиодов
Параметры магнитодиодов зависят от температуры окружающей среды.
Температурные зависимости магнитной чувствительности кремниевых магнитодиодов приведены на рис. 2.68.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) при малых токах имеет отрицательное значение, а
при больших (UД > UИНВ) – положительное. Вработах Г. А. Егизаряна и др. [28, 29] рассмотрены зависимости
ТКС от индукции магнитного поля при различных температурах. В области слабых магнитных полей
наблюдается прямая температурная зависимость сопротивления, а в области сильных – инверсная.
Рис. 2.68. Типичные температурные зависимости: а – вольтовой магнитной чувствительности; б –
токовой магнитной чувствительности .(в магнитном поле В = ±0,3 Тл.)
Для каждого значения тока, протекающего через магнитодиод, существует такое значение магнитной
индукции, при котором температурная зависимость тока меняет знак. Это значение индукции, убывает с ростом
напряжения смещения (UД). Вблизи этих значений магнитной индукции обеспечивается слабая зависимость
от температуры, как вольтамперной характеристики, так и магнитной чувствительности.
Каждая группа магнитодиодов имеет несколько различающиеся оптимальные значения магнитной индукции
в рабочем диапазоне температур. Это следует учитывать при разработке аппаратуры с применением кремниевых
магнитодиодов.
Для магнитодиодов КД301А – КД301Ж область слабой температурной зависимости тока при I = 1 мА
расположена в интервале значений В = 0,12–0,17 Тл, а при токе I = 3 мА – в интервале значений В = 0,11–0,13
Тл. Для магнитодиодов КД304А-1 – КД304Ж-1 при токе I = 1 мА эта область расположена в интервале при В
= 0,12–0,17 Тл [24, 54].
Кремниевые магнитодиоды обладают лучшей температурной стабильностью и значительно более широким
температурным рабочим диапазоном по сравнению с германиевыми магнитодиодами [28, 29].
Страница 64
Частотные характеристики кремниевых магнитодиодов
Магнитная чувствительность магнитодиодов зависит и от частоты переменного магнитного поля. В
магнитном поле происходит изменение распределения инжектированных в базу носителей и изменение
инжекции из p-n -перехода. Инерционностью этих процессов и определяется зависимость магнитной
чувствительности от частоты модуляции магнитного поля.
10
Рис. 2.69. Частотная зависимость эффективного
значения переменной составляющей приложенного
к магнитодиоду напряжения смещения (Uэф) под
действием поперечного переменного магнитного
поля в режиме малого сигнала для магнитодиодов
КД301А – КД301Ж
Uвых.эф.,мВ
I=3мА
I=3мА
I=2мА
5
0
I=1мА
10
2
10
3
10
4
10
fмакс,Гц
На рис. 2.69 приведена частотная зависимость эффективного значения переменной составляющей
приложенного к магнитодиоду напряжения смещения (Uэф) под действием поперечного переменного магнитного
поля в режиме малого сигнала для магнитодиодов КД301А – КД301Ж. Из рис. 2.69 видно, что сигнал не
зависит от частоты до частот, равных нескольким килогерцам [24].
Uвых.эф.,мВ
3
2
I=3мА
Рис. 2.70. Зависимость эффективного
значения переменной составляющей
напряжения на магнитодиоде от частоты
модуляции магнитного потока для диодов
КД304А-1 – КД304Ж-1
Bэф.= 1 мТл
1
lg fмакс,Гц
-1
0
1
В магнитодиодах КД304А-1 – КД304Ж-1 частотная зависимость Uэф имеет сложный вид: после «плато»
наблюдается минимум (рис. 2.70), а затем (на частоте 20–30 кГц) – максимум. Поскольку прямая и обратная
ветви ВАХ магнитодиодов КД304А-1 – КД304Ж-1 имеют симметричный вид, то аналогичный вид имеет и
частотная зависимость для обратной ветви ВАХ.
Частотная характеристика магнитодиодов КД304А1-1 – КД304Ж1-1 аналогична частотным зависимостям
магнитодиодов КД304А-1 – КД304Ж-1. Граничная частота для магнитодиодов – примерно 10 кГц [22, 24].
Пороговые характеристики кремниевых магнитодиодов
Пороговые характеристики магнитодиодов определяются уровнем собственных шумов. Составляющие
этих шумов рассматриваются в литературе [5, 10, 21].
Условно уровень шумов характеризуется коэффициентом шума К, определяемым отношением наблюдаемых
флюктуаций к амплитуде тепловых шумов.
На рис. 2.71 приведены частотные зависимости коэффициента шума (К) магнитодиодов в отсутствие
магнитного поля при различных значениях прямого тока.
Из рис. 2.71 видно, что в области низких частот (f < 103 Гц) величина К практически не зависит от частоты.
При этом в области токов порядка 1 мА уровень шумов магнитодиода превышает уровень тепловых шумов. В
области f > 103 Гц коэффициент К уменьшается и при частотах порядка в пределах 10 МГц для всех значений
токов принимает значение порядка единицы. С увеличением тока через магнитодиод коэффициент шума (К)
сильно растет, особенно в области низких частот.
Страница 65
4
10
I=1мА
K
I=0,1мА
3
10
102
Рис. 2.71. Типовая зависимость коэффициента
шума (K) кремниевых магнитодиодов от частоты
при В = 0
I=0,01мА
10
f,Гц
3
10
4
10
10
5
6
10
Пороговая чувствительность ВП (см. табл. 2.1) характеризуется минимальной магнитной индукцией, которую
можно обнаружить с помощью магнитодиода. На рис. 2.72 приведены результаты расчета пороговой
чувствительности при различных значениях прямого тока через магнитодиод для частоты модуляции магнитного
потока 1кГц, при полосе пропускания измерительного тракта 10 Гц и отношении сигнал/шум, равном единице
[24].
Рис. 2.72. Зависимости от тока через магнитодиод: 1 – пороговой чувствительности; 2 –
среднего квадрата шумового напряжения
2.3.2. Полярные магнитодиоды
Полярными называют магнитодиоды, в которых знак изменения тока зависит от направления магнитного поля. Типичная
вольт-амперная характеристика кремниевого магнитодиода с полярной чувствительностью приведена на рис. 2.73.а [24].
а)
Рис. 2.73. Типичные характеристики кремниевого магнитодиода с полярной чувствительностью: а –- вольтамперная; б – вольт-тесловая
Страница 66
Зависимость тока, протекающего через диод, от напряжения при малых смещениях близка к линейной. В рабочей области
токов ВАХ можно аппроксимировать степенным законом IД, где показатель степени a > 2. Показатель степени a зависит от
конструкции магнитодиода, а также от направления и значения индукции управляющего магнитного поля. В поле В- он
несколько возрастает, а в поле В+ _ убывает.
Полярная магниточувствительность наблюдается в широком диапазоне токов и значений индукций магнитного поля
(рис. 2.73.б). При слабых магнитных полях В < 0,1 Тл отрицательная и положительная магниточувствительности примерно
равны. Минимум вольт--тесловой характеристики полярных магнитодиодов смещен в область отрицательных значений
индукции. Дифференциальная вольтовая магниточувствительность около минимума меняет знак. Зависимость вольтовой
магнитной чувствительности от индукции магнитного поля приведена на рис. 2.74.
Рис.
2.74.
Зависимость
вольтовой
магнитной
чувствительности полярного магнитодиода от индукции
управляющего магнитного поля
Температурная зависимость ВАХ полярных магнитодиодов аналогична зависимости от температуры ВАХ неполярных
диодов. Температурная зависимость магниточувствительности в поле В+ сильнее, чем в поле В- [26, 29].
На рис. 2.75 приведены частотные характеристики зависимости эффективного значения переменной составляющей
прямого напряжения полярного магнитодиода при различных токах IД. При низких частотах модуляции магнитного потока
магнитная чувствительность постоянна примерно до 10 кГц. При дальнейшем увеличении частоты магниточувствительность
уменьшается. Граничная частота полярных магнитодиодов составляет примерно 20 кГц [24].
Uвых.эф.,мВ
6
I=3 мА
4
Рис. 2.75. Зависимость эффективного значения
переменной составляющей прямого напряжения от
частоты модуляции магнитного потока для полярного
магнитодиода
I=1 мА
2
I=0,3мА
fмакс,Гц
0
2
10
3
10
4
10
2.3.3. Магнитодиоды с эффектами переключения и «памяти»
С появлением халькогенидных полупроводниковых стекол были разработаны магнитодиоды, обладающие
специфическими характеристиками. Промышленный выпуск таких приборов еще впереди, поэтому ограничимся кратким
описанием принципаов их работы [24].
Действие магнитодиодов основано на использовании оригинальных свойств халькогенидных стекол. Слои
халькогенидных полупроводниковых стекол, если их поместить между металлическими электродами, обладают
симметричными вольт-амперными характеристиками с участками отрицательного сопротивления, разделяющими два
возможных устойчивых состояния – высокоомное и низкоомное. При определенных составах халькогенидных стекол такие
структуры после перехода в низкоомное состояние остаются в нем, и после снятия напряжения смещения, то есть в них
наблюдается эффект «памяти». Перепад сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях может превышать 3–4
порядка при отношении порогового напряжения к остаточному до 10–50 раз. Эффекты переключения и «памяти»
определяются объемными процессами и не связаны с существованием p-n или гетеропереходов.
На рис. 2.76.а,б показана структура магнитодиода с аморфно--кристаллическим гетеропереходом, реализованная на
базе структур отечественных магнитодиодов типа КД303, КД304. На рис. 2.76.в приведена вольт-амперная характеристика
такого диода [24].
Страница 67
контакт
контакт
п/п стекло
контакт
+
p
n
п/п стекло
контакт
p
p
+
B
0
B
IД,мА
+
+
-
B
-3
p-Si
1*10
p-Si
1*10-1
Iпор
Uпор
-15 -10 -5
0
б)
а)
Рис. 2.76. Структура магнитодиода с аморфно-кристаллическим
гетеропереходом: а – на базе КД303А – КД303Ж; б – на базе
КД304А-1 – КД304Ж-1; в – симметричные ВАХ магнитодиода с
пороговым переключением в отсутствие магнитного поля (В0) и
в поле с В = 0,3 Тл
5
10
15
UД
-1*10-3
-
B
+
B
0
B
-1*10-1
в)
Пороговая напряженность электрического поля, обеспечивающая переключение прибора в проводящее состояние, равна
105–106 В/см. Время переключения – около 10-9 с при времени задержки порядка 10-6 с. Напряжение переключения, остаточное
напряжение и сопротивление структуры в низкоомном состоянии сильно зависят от индукции управляющего магнитного
поля. Вольт-амперные характеристики таких магнитодиодов на основе КД304А-1 – КД304Ж-1 симметричны и даны на
рис. 2.76в.
На рис. 2.77 приведены вольт-амперные характеристики магнитодиодов, созданных на основе полупроводниковых
структур диодов КД303А – КД303Ж, КД304А-1 – КД304Ж-1 в отсутствие магнитного поля и в магнитном поле с индукцией
В = 0,3 Тл разных направлений. Пороговое напряжение приборов составляет 28–30 В. Вольт-амперная характеристика до
переключения линейна. Время переключения магнитодиода меньше 1 мкс.
Состояние с низким сопротивлением после переключения сохраняется и после снятия напряжения смещения. Напряжение
переключения и параметры после переключения зависят не только от индукции, но и от направления магнитного поля
[24].
IД,мА
1,0
B0
III
B-
B+
B0
B-
1*10-2
II
B+
B0
B-
1*10-4
B+
0
10
а)
20
I
UД
б)
Рис. 2.77. Типичные ВАХ магнитодиодов с «памятью» в отсутствие магнитного поля (В0) и в поле с различным
направлением магнитной индукции: а – КД303; б – КД304; I – высокоомное состояние халькогенидного стекла; II –
низкоомное состояние халькогенидного стекла; III – без слоя стекла
Поскольку магнитодиод со слоем халькогенидного стекла сохраняет информацию о проводящем состоянии и при нулевом
смещении, то он может быть использован в качестве элементов памяти в магнитоуправляемых интегральных схемах. Полное
сопротивление магнитодиода с халькогенидным стеклом (рис. 2.77а,б) в проводящем состоянии на 1–2 порядка больше, чем
сопротивление магнитодиода без этого слоя.
Эффект «памяти» в слоях халькогенидных стекол объясняется перерастанием кристаллизующегося «шнура» от
отрицательно заряженного электрода к положительному. Проводимость этих соединений в кристаллическом состоянии
намного выше, чем в аморфном. Когда «шнур» достигает противоположного металлического контакта, устанавливается
низкоомное состояние. «Шнур» сохраняется и без приложенного напряжения смещения, что и обеспечивает память. Таким
образом, наличие двух метастабильных состояний магнитодиодов со слоем халькогенидного стекла связано с фазовым
переходом в объеме слоя.
Стирание памяти – переход из низкоомного в высокоомное состояние – обеспечивается подачей короткого импульса
тока длительностью 10 мкс [24].
Страница 68
2.3.4. Германиевые магнитодиоды
Конструкция германиевых магнитодиодов практически не отличается от конструкции кремниевых. Для
изготовления германиевых магнитодиодов используется сплавная и планарная технологии.
В первых магнитодиодах величина удельной магнитной чувствительности не превышала 500 В/ТлґА [15,
24, 33]. Японская фирма Sony серийно выпускает германиевые магнитодиоды с удельной магнитной
чувствительностью до 2ґ104 В/ТлґА. Типичная вольт-амперная характеристика магнитодиода приведена на
рис. 2.78 [24, 42].
В=-0,2 Тл
В=-0,1 Тл
UД,В
0
6
8
2
4
Одинаковые магнитодиоды могут включаться последовательно. Характеристики двух последовательно
включенных германиевых магнитодиодов даны на рис. 2.79.
При отсутствии магнитного поля напряжение питания UД делится пополам. При воздействии магнитного
поля сопротивление одного диода уменьшается, а другого – увеличивается, что приводит к изменению
напряжения UВЫХ. Такие приборы («двойки») изготавливаются в одном кристалле и размещаются в одном
общем корпусе, что значительно повышает термическую стабильность аппаратуры.
Из двух «двоек» можно составить измерительный мост, состоящий из четырех магнитодиодов. В этом
случае целесообразно объединить попарно два магнитодиода верхней половины моста и два магнитодиода
нижней половины, используя для верхней части общий анод, а для нижней – общий катод.
Преимуществом германиевых магнитодиодов является высокая удельная магнитная чувствительность при
низких напряжениях источника питания. Наивысшая чувствительность этих магнитодиодов достигается при
больших значениях сопротивления нагрузки (RН = (1 – 100 МОм), но при этом сильно увеличивается постоянная
времени и возрастает напряжение питания.
Рис. 2.79. Характеристики двух последовательно
включенных германиевых магнитодиодов
Главным недостатком германиевых магнитодиодов считается сравнительно низкая предельная температура
эксплуатации – до +85 °0С.
2.3.5. Применение магнитодиодов
Магнитодиоды применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных
магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и преобразователях типа «угол–код»,
уровня и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, вентильных электродвигателях, бесконтактных
реле предельного тока, регуляторах электрической мощности,. в бытовой электронной аппаратуре, системах
автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, в электронных и
электрифицированных игрушках и др.
Страница 69
Высокая магнитная чувствительность магнитодиодов позволяет использовать их в бесконтактных системах
электронного зажигания; системах умножения и деления; схемах измерения электрической мощности и
мощности СВЧ -излучения; в магнитной дефектоскопии для контроля качества проката труб, стальных деталей,
рельсов, элементов ходовой части транспорта; в биологии и медицине в качестве датчиков измерения пульса,
кровяного давления и глубины дыхания и т.д. [67, 24].Современная групповая технология ИС позволяет
выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе магнитодиодов, которые могут
формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом
их организации. .
Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и
устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).
Подробнее о способах организации многоканальных и многоэлементных магниточувствительных структур,
а так же о возможных областях их применения см. в главах 4 и 6.
Особенности применения магнитодиодов
При использовании магнитодиодов необходимо учитывать те же требования и условия, что и при
эксплуатации других типов преобразователей магнитного поля, а также те, которые указаны в нормативнотехнической документации.
Магнитодиоды следует устанавливать таким образом, чтобы силовые линии источника управляющего
магнитного поля были перпендикулярны боковым граням полупроводниковой структуры.
Допускается работа нескольких магнитодиодов при их последовательном соединении.
Схемы включения магнитодиодов
Схему включения магнитодиода выбирают исходя из конкретных условий применения и, как правило,
индивидуально для каждого типа приборов.
На рис. 2.80 даны без объяснений две простейшие схемы включения магнитодиодов в электрическую
схему.
+U П
UП
б)
RH
а)
RОС
RБ
RК
R1
Выход
DA1
VT1
В
В
В
R2
VD2
VD1
Общий
VD1
Выход
R3
Общий
Рис. 2.80. Простейшие схемы включения магнитодиодов: а – в транзисторный каскад;
б – к операционному усилителю
Дополнительную информацию: см. в [10, 15, 18, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 33, 41, 42, 54, 59, 65, 66,
67].
Страница 70
2.4. Магнитотранзисторы
Из известных полупроводниковых преобразователей магнитного поля наиболее перспективными считаются
магниточувствительные транзисторы – приборы, обладающие высокой чувствительностью и разрешающей
способностью.
Магнитотранзисторами (МТ) называются транзисторы, конструктивные и рабочие параметры которых
оптимизированы для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю.
(В зарубежной литературе магнитотранзисторы иногда называют магнисторы).
В зависимости от того, параллельно или перпендикулярно технологической поверхности кристалла
протекает рабочий ток, магнитотранзисторы условно подразделяются на вертикальные и горизонтальные
(латеральные) магнитотранзисторы.
Вертикальные магнитотранзисторы (ВМТ) могут реагировать лишь на лежащую в плоскости кристалла
(продольную) компоненту магнитного поля, а горизонтальные (ГМТ) – также и на перпендикулярную этой
плоскости поперечную компоненту.
В зависимости от того, к перпендикулярной или параллельной составляющей (относительно
технологической поверхности) магнитного поля чувствительны магнитотранзисторы, они делятся
соответственно на поперечные и продольные.
В зависимости от природы переноса неосновных носителей заряда в базе, магнитотранзисторы, в свою
очередь, делятся на диффузионные и дрейфовые.
2.4.1. Биполярные магнитотранзисторы
Обычный биполярный транзистор представляет собой полупроводниковую структуру p-n-p или n-p-n типа
с контактами в каждой из этих областей. Обычно один p-n переход (эмиттер) включается в прямом направлении
и является источником неравновесных носителей. Второй p-n переход (коллектор) включается в обратном
направлении. Сопротивление коллектора модулируется неравновесными носителями, инжектированными из
эмиттера. Центральный слой транзисторной структуры называется базой. Коэффициент усиления транзистора
определяется коэффициентом переноса β, коэффициентом инжекции γи и коэффициентом усиления коллектора
αК (отношением изменения тока коллектора к изменению тока неосновных носителей заряда, дошедших до
коллектора):
(2.19)
В «тонких» транзисторах, которые обычно используются, длина базы d намного меньше диффузионной
длины пробега носителей L (d 3L) коэффициент усиления значительно меньше единицы и связан
экспоненциальной зависимостью с длиной диффузионного смещения следующим выражением:
(2.21)
В этих транзисторах возможно управление током путем воздействия на длину диффузионного смещения
[24].
Таким образом, на основе транзисторных структур могут быть созданы приборы с высокой
чувствительностью к изменениям длины диффузионного смещения и, следовательно, обладающие высокой
чувствительностью к магнитному полю. Возможно создание «тонких», и «длинных» магнитотранзисторов.
«Тонкие торцевые» магнитотранзисторы обладают высокой магнитной чувствительностью только при h21
>> 1, при условии, что отличие коэффициента переноса от единицы связано с рекомбинационными процессами.
При этом коэффициент инжекции тоже близок к единице.
Вольтовая магнитная чувствительность γu «тонких торцевых» магнитотранзисторов будет большой при
достаточно высоких рабочих напряжениях, а токовая γI – при любых напряжениях.
В настоящее время отсутствуют данные о «тонких торцевых» магнитотранзисторах, обладающих высокой
магнитной чувствительностью. В этом отношении перспективными могут оказаться планарные транзисторы
с высоким коэффициентом усиления.
Страница 71
В «длинных торцевых» магнитотранзисторах на коэффициент усиления сильно влияет поперечное
магнитное поле вследствие уменьшения эффективной длины диффузионного смещения. Она уменьшается как
из-за искривления линий тока, так и в результате уменьшения подвижности носителей заряда. Продольное
магнитное поле тоже оказывает сильное влияние. Увеличивается эффективная длина диффузионного смещения,
так как под воздействием сильных магнитных полей (µn B/с >> 1) практически все инжектированные из эмиттера
неравновесные носители движутся по кратчайшему пути к коллектору параллельно оси. Их рекомбинация
заметно снижается, а коэффициент усиления транзистора возрастает [24].
Магнитную чувствительность магнитотранзисторов принято связывать с тремя основными физическими
механизмами:
• с эффектом отклонения носителей, обусловленным действием силы Лоренца на неосновные носители в
базовой области, в обедненном слое перехода база-коллектор и в слаболегированной области коллектора
МТ;
• с эффектом Холла, относящимся к любым воздействиям, создаваемым холлов-ским электрическим полем,
которое возникает под действием силы Лоренца на основные носители в базовой области МТ;
• с магнитоконцентрационным эффектом, являющимся результатом действия силы Лоренца на носители
обоих типов и выражающимся в изменении концентрации носителей, необходимом для поддержания
нулевого объемного заряда.
Более подробно с физическими основами и особенностями функционирования магнитотранзисторов можно
ознакомиться в [6, 15, 16, 20, 24, 40, 57].
Двухколлекторные магнитотранзисторы
Для изготовления магнитотранзисторов используются все современные технологии, применяемые в
производстве интегральных микросхем: биполярная эпитаксиально-планарная, МОП и др.
Двухколлекторный магнитотранзистор (ДМТ) представляет собой обычный «торцевой» биполярный
p-n-p транзистор, коллектор которого разделен на две части (рис. 2.81).
+UП
+Uп
RК1 RК2
RБ
n
n
Выход
+
U
-Uп
а)
б)
Общий
в)
Рис. 2.81. Двухколлекторный магнитотранзистор: а, б – структура; в – схема включения
Принцип действия двухколлекторного магнитотранзистора заключается в следующем. При включении
ДМТ по схеме с общим эмиттером и нагрузочными резисторами RК в цепях коллекторов (мостовая схема) в
отсутствие магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну
распределяются между коллекторами. Токи коллекторов К1 и К2 равны, и напряжение (U) между ними
отсутствует. В поперечном магнитном поле В+ происходит перераспределение инжектированных носителей
заряда между коллекторами, при этом ток коллектора К2 увеличивается, а ток коллектора К1 уменьшается, что
вызывает разбаланс моста. Это приводит к изменению напряжения между коллекторами,. причем с ростом
магнитного поля оно увеличивается. При изменении направления магнитного поля (В-) ток коллектора К2
уменьшается, а ток коллектора К1 увеличивается и соответственно изменяется знак напряжения U между
коллекторами.
Наряду с указанным перераспределением инжектированных носителей заряда между коллекторами,
происходит изменение эффективной толщины базы. При этом в рассмотренной конструкции в магнитном
поле уменьшается эффективная толщина базы левой части транзистора, то есть ток коллектора К1 увеличивается,
а ток коллектора К2 уменьшается. Этот эффект противоположен эффекту перераспределения носителей заряда
и приводит к уменьшению магнитной чувствительности ДМТ [24].
Этот недостаток устраняется при использовании ДМТ с «вертикальными» коллекторами, в котором
омический контакт к базе и эмиттер расположены по разные стороны от коллекторов (рис. 2.81.б). Магнитное
поле, наряду с эффектом перераспределения носителей между коллекторами, уменьшает эффективную толщину
базы, если ток коллектора К2 увеличивается, и соответственно увеличивает толщину базы для коллектора К1.
Таким образом, изменение толщины базы дополнительно увеличивает ток коллектора К2, и уменьшает ток
коллектора К1. Это приводит к росту магнитной чувствительности ДМТ.
Страница 72
2.4.2. Германиевые двухколлекторные магнитотранзисторы
На рис. 2.82 приведены выходные характеристики «торцевого» ДМТ, изготовленного из германия с размером
кристалла 1х 1х 4 мм.
Вольт-амперные характеристики коллекторов транзистора (рис. 2.82.б) подобны характеристикам обычного
биполярного транзистора. Вследствие некоторого различия коллекторных p-n – переходов (по площади и токам
утечки), их токи в отсутствие магнитного поля также несколько различаются. При воздействии магнитного
поля ток одного коллектора увеличивается, а другого - уменьшается. Напряжение между коллекторами с ростом
индукции магнитного поля растет и при В > 0,7 Тл достигает насыщения.
-Uп
300
RБ
200
Б
К2
К1
Э
A
100
+
A
0
+Uп
0
а)
30
60
90
б)
Рис. 2.82. «Торцевой» германиевый двухколлекторный магнитотранзистор: а – структура; б –
статические выходные характеристики
Максимальная магнитная чувствительность и линейность характеристики магнитотранзистора наблюдаются
в области слабых магнитных полей. Удельная магнитная чувствительность германиевого магнитотранзистора
достигает значений γуд = (2…4) × 105 В/Тл × А при В < 0,4 Тл, что на 2–4 порядка выше чувствительности
элементов Холла [15, 16].
2.4.3. Кремниевые двухколлекторные магнитотранзисторы
На рис. 2.83 приведена планарная структура кремниевого планарного двухколлекторного
магнитотранзистора. Роль эмиттеров и коллекторов играют диффузионные p -области. Базой служит подложка
n типа, активной областью базы –область между эмиттером и коллекторами, активными участками эмиттерного
и коллекторного p-n- переходов и их «боковые» стенки.
Структура функционирует следующим образом. При прохождении тока через участок Б2–-Б1 в поперечном
магнитном поле в базе появляется ЭДС -Холла, которая отклоняет носители в ту же сторону, что и сила Лоренца.
Это приводит к увеличению перераспределения инжектированных носителей между коллекторами.
Одновременно приложенное к контактам Б2–-Б1 напряжение увеличивает электрическое поле в базе, которое
и вызывает рост скорости движения носителей и, следовательно, рост силы Лоренца.
+
Б2
Э
К1
К2
+
Б1
-
а)
Рис.
2.83.
Планарный
кремниевый
двухколлекторный магнитотранзистор: а – структура; б –
статические
выходные
характеристики
б)
Страница 73
В рассмотренной структуре, изменяя ток через базовые контакты Б2, Б1, можно устанавливать необходимую
напряженность электрического тока в базе. На рис. 2.83.б приведены зависимости напряжения между
коллекторами планарного ДМТ от индукции магнитного поля для различных соотношений токов, протекающих
через эмиттер и прилегающий базовый контакт. При постоянстве общего тока IБ1 + IЭ действие омического
контакта Б2 сводится к шунтированию эмиттера и снижению его эффективности. Тем не менее, магнитная
чувствительность значительно растет, так как с увеличением электрического поля в базе растет отклоняющее
действие силы Лоренца на инжектированные носители заряда. При достаточно больших значениях
напряженности электрического поля магнитная чувствительность уменьшается. Магнитная чувствительность
такого ДМТ с дополнительным омическим контактом к базе, определенная для линейного участка, составляет
около 105 В / Тл ґ А, что на порядок выше чувствительности такого же ДМТ, но с отключенным контактом Б2
[24, 16].
Кремниевые вертикальные магнитотранзисторы
На рис. 2.84 приведена структура двухколлекторного биполярного вертикального n-p-n
магнитотранзистора.
Магнитотранзистор обладает чувствительностью к составляющей магнитного поля, параллельной
поверхности кристалла.
3
1 5 4
2
Структура магнитотранзистора функционирует следующим образом. Электроны, инжектируемые n+
эмиттером 1, движутся вниз, проходя последовательно через базу 2, слаболегированную область коллектора 5,
и достигают высоколегированных n+ областей 3 и 4, выполненных в виде скрытого слоя. В отсутствие
управляющего магнитного поля токи двух коллекторов 3 и 4 практически равны при условии, что структура
полностью симметрична. При воздействии внешнего магнитного поля, параллельного поверхности кристалла
и перпендикулярного плоскости рисунка, поток носителей (в данном случае электронов) отклоняется на угол
Холла, в результате чего возникает разбаланс токов, величина и знак которого однозначно определяются
величиной и направлением вектора магнитной индукции.
Относительная магнитная чувствительность (Sri) приборов такого типа достигает 10–11%/Тл, при
температурном коэффициенте –0,3% на градус Цельсия.
Двухколлекторные магнитотранзисторы характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от
напряженности магнитного поля в широком диапазоне значений магнитной индукции, чувствительностью к
направлению магнитного поля и высокой реальной чувствительностью, поскольку ДМТ являются балансными
приборами. Кроме того, зависимость выходных параметров от двух задаваемых извне независимых величин
(«тянущее» электрическое поле в базе ДМТ и от эмиттера) вместо одной из них значительно расширяет
схемотехнические применения ДМТ [6, 20, 24, 69].
2.4.4. Кремниевые двухстоковые магнитотранзисторы
К магниточувствительнымх приборам, оригинальной конструкции можно отнести магнитотранзисторы,
которые изготавливаются в едином технологическом цикле с формированием кремниевых МОП (или КМОП)
интегральных схем. Они характеризуются оригинальной топологией (рис. 2.85).
4
1
+
B
2
3
Рис. 2.85. Топология двухстокового МОП
магнитотранзистора:1, 2 – измерительные
стоковые области; 3 – область истока; 4 –
область канала
Страница 74
Наличие двух стоковых областей 1 и 2, топологически разнесенных друг от друга на небольшое расстояние
(4–15 мкм) и одинаковом удаленных относительно линии симметрии структуры и области истока 3, позволяет
при отсутствии магнитного поля (В = 0) в активном режиме работы транзистора фиксировать две равные
величины стоковых областей. При воздействии управляющего магнитного поля, направленного
перпендикулярно к поверхности кристалла, происходит отклонение носителей заряда в области канала МОП
транзистора 4, что приводит к изменению их траектории движения и, следовательно, к увеличению тока одного
из стоков относительно другого. Регистрируемый разбаланс токов стоков прямо пропорционально зависит от
индукции магнитного поля, а его знак определяется направлением вектора индукции.
Относительная магнитная чувствительность (Sri) приборов такого типа составляет 4–5%/Тл. Значение
удельной магнитной чувствительности γуд для аналогичных приборов достигает 10 В/Тл × А при температурном
коэффициенте –0,2…–0,6% на градус Цельсия [69, 6, 20].
2.4.5. Биполярный горизонтальный МОП p-n-p транзистор
На рис. 2.86 приведена структура биполярного n-p-n магнитотранзистора, изготовленного по МОП
технологии.
Биполярный горизонтальный n-p-n магнитотранзистор (рис. 2.86) имеет n+ область первичного коллектора
1, расположенную внутри базовой области p типа 2, а также вторичный коллектор 3, которым служит подложка
n типа с кольцевой диффузионной n+ областью. В отличие от магнитодиода он имеет два раздельных полосковых
базовых контакта 4, 5, расположенных по краям базовой области 2, через которые задается ток смещения.
Переход эмитттер–база смещается в прямом направлении, а переходы база –первичный коллектор и
база-вторичный коллектор – в обратном направлении. На поверхности структуры располагается поликремневый
электрод затвора 6, расположенный на подзатворном диэлектрике 7, на который подается отрицательное
смещение относительно области базы, чтобы уменьшить рекомбинацию неосновных носителей в базовой
области на границе раздела окисел кремния–кремний.
При воздействии управляющего магнитного поля, параллельного поверхности кристалла, происходит
отклонение электронов, инжектированных эмиттером 8 в базовую область. В результате этого изменяется
соотношение токов первичного и вторичного коллекторов. В качестве измеряемой величины фиксируется
изменение тока первичного коллектора.
Из-за неэквивалентности двух коллекторов чувствительность магнитотранзистора будет различной при
разной полярности магнитного поля, что является недостатком данного прибора [69].
2.4.6. Полярный магнитотранзистор
По определению авторов работы [24], полярным магнитотранзистором называется прибор, у которого знак изменения
выходного тока зависит от направления магнитного поля.
На рис. 2.87 представлена структура и вольтамперная характеристика магниточувствительного трехэлектродного
полярного прибора [24].
Прибор изготовлен на базе магнитодиода КД304 и имеет n-p-n+ структуру. Коллектор и база по выполняемой функции
эквивалентны (являются инжекторами дырок в прямосмещенных диодных структурах Б-Э и К-Э, электрически связанных
с общим эмиттером).
б)
140
+
Б
К
p+
-
p
n+
Э
а)
p+
+
I,кэмкА
21
120
0
I б=
А
мА 2мА ,1м
,2
,
0
0
=
I б= I б
1
B--
+
-
21 1
1
21
2 2 2
I=0
б
I=0
б
80
Рис.
2.87.
Полярный
магнитотранзистор: а –
структура; б – ВАХ при
различных значениях базового
тока и магнитной индукции:
В = 0; В+ = 0,2 Тл; В- = 0,2 Тл
40
0
U кэ ,В
4
8
12
16
20
Страница 75
В отсутствие магнитного поля с ростом базового тока Iб падение напряжения UК-Э уменьшается за счет введения в базовую
область между К и Э из базового контакта дополнительных носителей заряда. При воздействии управляющего магнитного
поля и при Iб = 0 наблюдается рост падения напряжения, обусловленный магнитодиодным эффектом. При этом в направлении
В+ падение напряжения больше, чем в направлении В-. Это можно объяснить магнитодиодным эффектом и наличием захвата
дырок обедненной областью у контакта металл–полупроводник.
120
80
40
Рис. 2.88. Зависимость вольтовой магнитной чувствительности
полярного магнитотранзистора от индукции магнитного поля при
Iб = 0,2 мА и IК-Э = 120 мкА
В,мТл
0
-0,3
-0,1
0,1
0,3
40
80
На рис. 2.88 приведена зависимость вольтовой магнитной чувствительности полярного магнитотранзистора от индукции
магнитного поля. В магнитном поле с В- при Iб ≠ 0 отклоняющиеся носители зарядов обогащают базовую область с между Э
и К носителями заряда и тем самым уменьшают сопротивление этой области. При этом сопротивление оказывается
значительно меньше, чем при Iб = 0. При значениях Iб ≠ 0 напряжение UК-Э уменьшается, появляется полярная
магниточувствительность, которая с ростом тока Iб вначале возрастает, а затем достигает насыщения. Таким образом, полярная
магниточувствительность управляется током базы Iб. С ростом индукции управляющего магнитного поля чувствительность
в поле В+ возрастает по линейному закону, а в поле В- она меньше и с увеличением индукции стремится к насыщению [24].
2.4.7. Однопереходные магнитотранзисторы
Однопереходный магнитотранзистор представляет собой трехэлектродный прибор с одним p-n переходом,
расположенным между двумя омическими контактами (рис. 2.89).
Переход p-n включается в прямом направлении и создает неравновесную проводимость, которая зависит от индукции
управляющего магнитного поля. В обеих цепях однопереходного магнитотранзистора существуют области отрицательного
сопротивления: в цепи эмиттер – база S типа, в цепи база-база N типа.
n2 Б2
p2 Б2
n
Э
p
+
S
в)
+
n1 Б1
а)
Uэ-б= 0,43 В
0,6
B=0
Э
p1
n
S
IБ2,мА
n Б1
б)
Рис. 2.89. Симметричный однопереходный
магнитотранзистор: а, б - структуры; в - ВАХ
B=0,2 Тл
0,4
0,2
B=0,3 Тл
B=0,5 Тл
0
1
2
UБ2,В
3
Однопереходные магнитотранзисторы называются симметричными, когда p-n переход расположен в середине межбазовой
(Б1-Б2) области, и несимметричными, когда p-n переход смещен. Если в обычных транзисторах отношение d/L имеет
минимальное значение для обеспечения наилучших переключающих свойств, то в однопереходном магнитотранзисторе это
отношение должно быть достаточно большим для проявления магнитодиодного эффекта [15, 24].
На рис. 2.89.в приведено семейство ВАХ база–база симметричного однопереходного магнитотранзистора. Инжекцию
носителей можно создать из какого-либо базового контакта. В такой конструкции (рис. 2.89.б) основным зависящим от
магнитного поля параметром будет UВКЛ.
Инжектированные из прямосмещенного базового p-n перехода (Б2), носители заряда будут достигать центрального p-n
перехода и изменять его ток насыщения. Если переход включен в обратном направлении, то его ток полностью определится
концентрацией дошедших до него неосновных носителей, инжектированных из базового p-n перехода. Инжекцией из базового
p-n перехода можно модулировать сопротивление нижней части базы, тем самым, уменьшая UВКЛ
В магнитном поле, отклоняющем инжектированные из базового p-n перехода носители к области с высокой скоростью
рекомбинации, исходное сопротивление базы растет, что приводит к увеличению UВКЛ. В противоположном направлении
магнитного поля UВКЛ уменьшается [15, 24].
Страница 76
2.4.8. Многоколлекторные и многостоковые магнитотранзисторы
Расширение функций, реализуемых магнитоэлектронными устройствами, привело к необходимости
разработки нового поколения магниточувствительных элементов. Такие МЧЭ должны регистрировать
магнитные поля, действующие в двух или трех ортогональных направлениях.
Для получения магниточувствительных структур с расширенными функциональными характеристиками,
наряду со стандартными технологиями микроэлектроники (биполярная, МОП и т.п.), используют менее
распространенные интегральные технологии: «кремний на изоляторе», МОП технология с двойной диффузией
(ДМОМ), технологии, основанные на формировании инжекционно-полевых и I2L–структур и др.
На рис. 2.90 приведена структура прибора, предназначенного для регистрации трех (X,Y,Z)
пространственных компонент магнитного поля. Прибор изготовлен по ДМОМ технологии.
СХ1 И1
p
+
p
n
+
СХ2 И2
З
n+
n
n+
p
p
n+
З СZ1 (СZ2)
n+
n
n
+
+
p
Si
Рис. 2.90. Поперечное сечение структуры
трехмерного прибора: СХ1, СХ2 и СZ1, СZ2 –
измерительные стоки вертикального и
горизонтального ДМОМ магнитотранзисторов соответственно; З –
электрод затвора; И 1 и И 2 – истоковые
области ДМОМ магнитотранзисторов
Структура прибора, рассмотренная на рис. 2.90, представляет собой несколько магнитотранзисторов,
объединенных в одном интегральном устройстве.
Для измерения компоненты вектора магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности
кристалла, используется один горизонтальный двухстоковый ДМОМ транзистор с индуцированным каналом
n типа проводимости.
Измерение двух других составляющих магнитного поля, параллельных поверхности кристалла,
осуществляется двумя ортогонально расположенными вертикальными ДМОМ транзисторами, каждый из
которых имеет две (СХ1, СХ2) заглубленные (выполненные на основе скрытого n+ слоя) области стока.
Для реализации трехмерного прибора использовался эпитаксиальный слой n типа толщиной 16 мкм,
сформированный на кремниевой подложке p типа.
Чувствительность прибора к тангенциальной составляющей магнитного поля достигается за счет
отклонения силой Лоренца электронов, инжектированных из n+- области истока И1 и двигающихся за счет
тянущего поля через канал ДМОМ транзистора, а затем вниз через слаболегированный эпитаксиальный слой,
и в конечном счете достигающих двух симметрично расположенных заглубленных областей стоков СХ1, СХ2.
Разбаланс этих токов, вызванный воздействием управляющего магнитного поля, линейно зависит от индукции
поля и является полезным сигналом.
В горизонтальном двухстоковом ДМОМ транзисторе, инжектированные истоком И2, движутся за счет
тянущего поля параллельно поверхности кристалла и равномерно распределяются между двумя симметричными
стоками СZ1, СZ2 в отсутствие нормальной составляющей магнитного поля относительно поверхности кристалла.
При воздействии этой составляющей происходит перераспределение тока электронов между стоковыми
областями СZ1, СZ2, возникающая при этом величина разбаланса токовстоков является мерой напряженности
магнитного поля [69].
С. Кордичем [37] приведен еще один вариант полупроводниковой структуры, предназначенной для
регистрации трех составляющих магнитного поля. На рис. 2.91 показано поперечное сечение этого прибора.
CX
Рис. 2.91. Структура трехкомпонентного n-p-n
магнитотранзистора: пары коллекторов С Х и С Y, –
чувствительных к магнитным полям в плоскости
кристалла (ВX и ВY); СZ1 и СZ2, и две Z – коллекторные
пары (С Z и С Z2 и С Z1 и С Z3 ), которые используют
горизонтальные компоненты тока коллектора для
определения ВZ (симметричные коллекторные пары СZ и
СZ2 и СZ1 и СZ3 на рисунке не показаны; см. [37])
CZ
CZ1 CX1
E
S
B
n+
n+
nn+
n+
C
n+
p
A
n+
p
-
n
n+
p-Si
X
Z
Y
Страница 77
В сущности, прибор является двухразмерным вертикальным магнитотранзистором, объединенным с
одноразмерным горизонтальным магнитотранзистором.
Вертикальная компонента (А) тока коллектора чувствительна к ВX и ВY. Горизонтальная компонента (В)
тока используется для определения ВZ. Ток, достигающий Z – канал (коллекторы СZ), не является полностью
горизонтальным, но, существует, и вертикальная компонента (С), ответственная за чувствительность Z –
канала ВY.
Z – канал трехразмерного датчика чувствителен не только к Z – составляющей магнитного поля, но
также, и к Y - составляющей управляющего поля. Это можно объяснить тем же образом, что и паразитную
чувствительность горизонтальных магнитотранзисторов к одной компоненте поля в плоскости. Эта так
называемая поперечная чувствительность вызвана компонентами тока, которые содержат как вертикальные,
так и горизонтальные компоненты потока (рис. 2.91).
Если датчик трехразмерный, то наличие поперечной чувствительности не является какой-либо помехой,
поскольку там имеется три канала, так, что три компоненты поля могут быть выделены посредством
инвертирования чувствительной матрицы.
Одним из преимуществ такой конструкции является то, что пространственная разрешающая способность
измерения (8 × 10 × 20 мкм) гораздо выше, чем та разрешающая способность, которая может быть получена
при помощи двухразмерного вертикального транзистора и одноразмерного горизонтального, объединенных,
фактически, друг с другом.
2.4.9 Комбинированный преобразователь магнитного поля
В интегральных элементах Холла и магнитотранзисторах среди выявленных недостатков .наиболее
существенными являются большая величина и нестабильность начального напряжения (U0 или DU0 при В = 0)
и значительный температурный коэффициент магнитной чувствительности.
В целях улучшения эксплуатационных характеристик авторы работы [6] предложили вариант,
комбинированного преобразователя магнитного поля (КПМП).
Конструкция КПМП представляет собой гибрид биполярного магнитотранзистора и элемента Холла на
основе инверсного слоя канала n МОП транзистора. Преобразователь изготавливался по типовой МОП
технологии.
На рис. 2.92 показана электрическая схема КПМП в
UВЫХ
одном из вариантов ее включения в измерительную схему.
+UП
Схемотехнически это биполярный транзистор с активной
X2
нагрузкой в виде n МОП транзистора с дополнительными
контактами Х1 и Х2.
R1
X1
Топология преобразователя приведена на рис. 2.93 и
VT2
представляет собой МОП элемент Холла с
нетрадиционным расположением токовых омических
контактов. Роль истокового контакта играет эмиттер,
удаленный от коллектора на расстояние не более
VT1
диффузионной длины неосновных носителей в базовой
R2
области, а контакт к подложке МОП -транзистора
является источником тока базы.
Эмиттер имеет низкий уровень инжекции, а
напряжение
коллектор–эмтиттер выше напряжения база–
-UП
эмиттер. Напряжение питания Uп составляет величину,
большую, чем напряжение прямосмещенного p-n
Рис. 2.92 Электрическая схема
перехода база–-эмиттер плюс пороговое напряжением n
комбинированного преобразователя
МОП -транзистора.
магнитного поля
Б
С
X1
Рис. 2.93. Вариант топологии комбинированного
преобразователя магнитного поля: Б – база; Э –
эмитттер; З – затвор; Х1 и Х2 выходные контакты
X2
+
З
-
Э
Э
Страница 78
Начальное напряжение Uбэ задается отношением R1/R2., исходя из минимального значения температурного
коэффициента магнитной чувствительности.
Принцип работы комбинированного преобразователя магнитного поля заключается в следующем.
Дырки, двигаясь по области базы, в качестве которой служит карман МОП -транзистора, под действием
магнитного поля, перпендикулярного поверхности кристалла, отклоняются к одной из сторон вытянутого
эмиттера (рис. 2.93), вызывая при этом модуляцию его инжекции. Электроны, инжектированные в неодинаковых
количествах с разных сторон эмиттера, коллектируются инверсионным слоем, образованным под областью
затвора, и, двигаясь по тонкому каналу к стоку, под действием того же самого магнитного поля отклоняются к
области одного из холловских контактов, находящегося на стороне у края эмиттера с повышенной инжекцией
носителей заряда, в результате чего между контактами Х1 и Х2 возникает усиленное предыдущими двумя
эффектами напряжение Холла.
Вследствие того, что электроны в инверсный канал попадают не через токовый контакт, как в обычном
элементе Холла, а из инжектирующего эмиттера, с ростом температуры спад подвижности носителей заряда
компенсируется ростом их инжекции из эмиттера. Задав изначально оптимальное значение напряжения Uбэ,
можно получить малое значение температурного коэффициента чувствительности.
Магнитотранзистор имеет лишь один коллектор, следовательно, величина начального разбаланса (∆U0)
должна быть минимальной.
Параметры комбинированного преобразователя магнитного поля выглядят следующим образом..
При напряжении питания 9 В. ток эмиттера составил 303 мкА, а ток коллектора – 183 мкА.
Напряжение база–-эмиттер задавалось отношением резисторов R1/R2. Потенциал в области холловских
контактов, измеренный относительно общего эмиттера, составлял величину примерно равную UП/2. Величина
магнитной чувствительности, измеренная при температуре 20 °С, составила 72,4 мВ/мТл.
Выходная характеристика преобразователя в диапазоне рабочих температур от 20 до 100 °С и при трех
значениях отношений R1/R2 представлена на рис. 2.94.
SU,мВ/мТл
R1/R1=7,3
80
R1/R1=7,9
70
UП=9В
60
Рис. 2.94. Выходная характеристика комбинированного
преобразователя магнитного поля
R1/R1=11,3
50
T,0C
40
0
20
40
60
80
С ростом температуры до 100 °С ток эмиттера возрастал до 427 мкА, но при этом температурный
коэффициент абсолютной магнитной чувствительности составил примерно 0,01% на градус Цельсия. Значение
начального разбаланса в виде остаточно-эквивалентной индукции составило в, 15–20 мТл, а изменение
начального разбаланса – 0,1% на градус Цельсия.
Обычный элемент Холла на основе n -МОП транзистора такой же конфигурации и при таком же токе
потребления имел значение магнитной чувствительности 65 В/Тл при температурном коэффициенте 0,3% на
градус Цельсия. Величина остаточно-эквивалентной индукции составляла 20–25 мТл.
Удельная магнитная чувствительность комбинированного преобразователя при температуре 20 °С составила
240 В/Тл × А при температурном коэффициенте примерно 0,01% на градус Цельсия [6].
Страница 79
Промышленное производство и образцы магнитотранзисторов
В Советском Союзе исследования в области разработки магнитотранзисторов проводились в ОГУ, ЛЭТИ
им. Ульянова (Ленина), МИЭТе, ИС АН ГрССР, ИФ АН ЛитССР, ВНИИЭП и др.
Однако серийное производствоа магнитотранзисторов в СССР практически не осуществлялось.
За рубежом исследовательские работы по изучениюния проблем создания магнитотранзисторов проводятся
в Швейцарии (фирма LGC Kandis and Gurzug Corporation), в Голландии (фирма Filips и Дельфский
технологический университет), в Канаде (фирма ISI Logic Corporation и Альбертский университет), в Болгарии
(Геотехническая лаборатория), в ФРГ (Штутгартский университет), в Японии (Togohashi University of Technology),
в США (Университет Хапкинса), в Венгрии (National Institute for Research and Development in Microtechnologies) и др.
Зарубежными ведущими производителями выпускаются и дискретные магнитотранзисторы. Однако,
большая часть производимых, магнитотранзисторов, является элементами современных магниточувствительных и магнитоуправляемых интегральных микросхем, и поставляются они в составе указанных
ИС.
Из известных отечественных образцов интерес представляет ферромагнитотранзистор типа М2АПК0522,
разработанный ВНИИЭП [60].
Основные параметры магнитотранзистора М2АПК0522:
Диапазон индукции регистрируемых магнитных полей до 1 Тл
Токовая магнитная чувствительность:
на пределе +0,03 Тл…………….....................…............................1000 мкА/Тл
в диапазоне от +0,03 до 1 Тл……………….............…....................500 мкА/Тл
Температурный коэффициент чувствительности, не более. 0,5% на градус С
Номинальный ток потребления, не более.......….............………..............1,0 мА
Диапазон рабочих температур…..…...............................….... от –60 до +100 °С
Магнитотранзистор типа М2АПК0522 предназначен для использования в различных датчиках в качестве
магниточувствительного элемента.
Он размещается в стандартном 8-выводном корпусе типа 2103-8, на ситалловой подложке которого укреплен
кристалл магнитотранзистора с ферритовым концентратором магнитного потока. Полезный сигнал выделяется
в виде разности коллекторных токов.
2.4.10. Применение магнитотранзисторов
По мере дальнейшего освоения и увеличения серийного производства, дискретные магнитотранзисторы
найдут широкое применение в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных
магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и преобразователях типа «угол-код»,
датчиках уровня, в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных реле предельного тока, регуляторах
электрической мощности. Они могут использоваться: в бытовой электронной аппаратуре, системах
автоматического управления, устройствах считывания информации, электронных и электрифицированных
игрушках, в магнитной дефектоскопии, в биологии и медицине и др.
Интегральные магнитотранзисторные структуры используются и будут использоваться в составе
современных магниточувствительных и магнитоуправляемых ИС, а также в высокочувствительных
интеллектуальных магнитных датчиках.
Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного
поля на основе магнитотранзисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные
магниточувствительные структуры с различным способом их организации.
Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и
устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).
Подробнее о способах организации многоканальных и многоэлементных магниточувствительных структур
и о возможных областях их применения см. в главах 4 и 6.
Особенности применения
При использовании магнитотранзисторов необходимо учитывать те же требования и условия, которые
характерны для других типов преобразователей магнитного поля, и те, которые указаны в нормативнотехнической документации.
Схемы включения магнитотранзисторов
Схему включения магнитотранзисторов выбирают исходя из конкретных условий применения и, как
правило, индивидуально для каждого типа приборов.
Страница 80
На рис. 2.95 приведена без объяснений простейшая схема включения магнитотранзистора.
+U П
R2 R3
R5
R1
RОС
DА1
B
VТ1
R4
R6
Выход
R7
Общий
Рис. 2.95. Простейшая схема включения двухколлекторного магнитотранзистора на вход
операционного усилителя
Дополнительную информацию см. в [6, 15, 16, 19, 20, 24, 37, 59, 60, 69].
2.5. Магнитотиристоры
Любой тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов, поэтому
магниточувствительные свойства тиристоров характеризуются магниточувствительными свойствами
составляющих их транзисторов. Напряжение включения тиристора UВКЛ выражается через коэффициенты
передачи по току h121 и h221 двух транзисторов [17, 24]:
(2.22)
где UПр – напряжение лавинного пробоя коллекторного pn-перехода;
Iвкл – ток включения;
I У – ток управления;
h121 – коэффициент передачи по току первого транзистора;
h221 – коэффициент передачи по току второго транзистора.;
–
На рис. 2.96 приведена структура магнитотиристора. Управляющий электрод У, присоединенный к базе,
одновременно является областью, в которой рекомбинируют инжектированные из анода А дырки. В этом
случае при направлении В+ магнитного потока h22 уменьшается, следовательно, UВКЛ увеличивается. При
противоположном направлении магнитного поля (В-) h221 увеличивается, UВКЛ уменьшается.
Обычно управляющий электрод тиристора работает в режиме
генерации тока. При включении управляющего электрода в режиме
генерации можно дополнительно повысить магнитную
чувствительность прибора. Поперечное магнитное поле приводит к
искривлению
траекторий движения инжектированных дырок и
n
p B=0 p
увеличению сопротивления диода А–У (магнитодиодный эффект).
Следовательно, управляющий ток снижается, что приводит к
B
B+
уменьшению h221 (направление В+) и увеличению UВКЛ.
При обратном направлении магнитного потока В - изменения
управляющего тока и h 2 21 противоположны и магнитная
чувствительность меньше, чем при направлении В+ (рис. 2.97).
+
n
Рис. 2.97. Вольтамперная характеристика
магнитотиристора с управляющим электродом к
«длинной» базе при UАУ = 0,67 В при различных
значениях индукции управляющего магнитного поля
Страница 81
Напряжение включения UВКЛ тиристора в слабых магнитных полях изменяется почти линейно при обоих
направлениях управляющего магнитного поля.
На рис. 2.98 приведена топология сдвоенного магнитотиристора, представляющего собой два тиристора
с общим анодом и базой.
Если внешнее напряжение меньше U ВКЛ тиристоров в отсутствие
У
магнитного поля, то при этом оба тиристора выключены, в магнитном
поле В+ инжектированные анодом А дырки отклоняются к коллектору К1.
При этом UВКЛ левого тиристора уменьшается, и он включается. От анода к
n
катоду К1 начинает поступать ток.
При противоположном направлении магнитного поля (В-) дырки
-К1
-К2
отклоняются к правому коллектору К2. При этом левый тиристор
n
n
B
выключается, а правый – включается, и ток течет от анода к катоду К2.
p1
p2
Описанные выше тиристоры изготавливаются по обычной планарной
+
технологии на кремнии n типа , размер кристалла 3 x 3 x 0,6 мм [24].
p
n
Дискретные магнитотиристоры не нашли широкого применения и
обычно
используются в интегральных магнитных датчиках.
А
+
Рис. 2.98.
сдвоенного
тиристора
Топология
магнито-
2.6. ГМР преобразователи
Гальваномагниторекомбинационный преобразователь (ГМР) представляет собой полупроводниковый
резистор, управляемый магнитным полем. Принцип действия ГМР преобразователя основан на использовании
магнитоконцентрационного эффекта, который заключается в изменении средней концентрации носителей заряда
в полупроводнике при воздействии продольного и (или) поперечного магнитного поля.
Гальваномагниторекомбинационный эффект проявляется в полупроводниках с проводимостью близкой к
собственной. Подробнее см. [15, 24, 50, 57, 59, 67].
Специфические термины и определения основных параметров ГМР преобразователей приведены в табл.
2.11.
Таблица 2.11. Специфические термины и определения основных параметров ГМР преобразователей
Наименование
параметра,
термина.
Условное
Единица
обозначение измерения
Выходной сигнал
Uвых
В
Номинальный рабочий
ток
IНОМ
мА
Магнитная
чувствительность
γмг
Температурный
коэффициент
чувствительности
TКγ
Определение
Представляет собой разность выходных напряжений ∆U = Uвых = UB - U0,
где UB – напряжение на выходе ГМР-элемента при номинальном значении
индукции магнитного поля; U0 – напряжение на выходе ГМР-элемента при
отсутствии магнитного поля.
Это ток при котором гарантируются параметры ГМР, указанные в паспорте на
прибор. Определяется из выражения: Iном=Uпит / (Rн – Rг),
где Uпит– напряжение питания цепочки RН + RГ ; RГ – сопротивление ГМРэлемента при В = 0.; RН - сопротивление нагрузки.
Представляет собой отношение: γмг = Uвых/В (при IНОМ = const) ,
В/Тл
(мВ/мТл) где В – индукция управляющего магнитного поля.
Коэффициент,определяемый по формуле: TКγ =(100/γT0)*(∆γ/∆T),
где γT0-магнитная чувствительность при нормальной (комнатной) температуре;
%/0С
∆γ - изменение чувствительности; ∆T - изменение температуры. Значение TКγ
зависит от отношения RГ/ RН
На рис. 2.99 показаны варианты конструкций ГМР преобразователей.
ГМР преобразователь представляет собой пластинку, изготовленную из полупроводникового материала, в
которой выделена область с большой скоростью рекомбинации носителей заряда. При воздействии магнитного
поля на эту область происходит изменение сопротивления ГМР элемента.
Воздействие магнитного поля одной полярности приводит к увеличению сопротивления ГМР элемента.
Изменение полярности магнитного поля вызывает возрастание сопротивления элемента.
Страница 82
1
3
1
4
е
б
б
3
е
д
а
3
4
в
г
е
2
а
B
д
Рис. 2.99. Конструкции ГМР -преобразователей: 1 – полупроводниковая пластина; 2 – контакты; 3 –
выводы; 4 – область с большой скоростью рекомбинации
Чаще всего для изготовления ГМР преобразователей используется германий, обладающий высокой
подвижностью и длиной диффузионного смещения около 1 мм. В принципе, для этих целей могут быть
использованы и другие полупроводниковые материалы. Однако в большинстве случаев они обладают либо
недостаточно высокой подвижностью носителей заряда (как, например, кремний), либо очень малой длиной
диффузионного смещения (например, у антимонида индия длина диффузионного смещения около 1 мкм), что
создает большие трудности при изготовлении ГМР преобразователей.
Геометрические размеры преобразователей, разработанных Институтом физики полупроводников АН
Литовской ССР, приведены в табл. 2.12 [67].
+Uпит
Выход
RН
В
В
RГ
Таблица 2.12. Геометрические размеры ГМР преобразователей
Тип
преобразовате
ГМР-1
ГМР-2
ГМР-3
ГМР-4
ГМР-5
а
10
5
2
10
6
Размеры, мм (по рис. 2.99)
б
в
г
д
0,5
0,2
0,15
0,5
0,5
0,15
0,15
0,5
0,5
0,15
0,15
0,5
1,5
0,15
0,15
1
1,5
0,15
0,15
1
е
0,6
0,6
Общий
На рис. 2.100 приводится схема включения ГМР-преобразователя.
Режим работы ГМР преобразователя определяется значением сопротивления нагрузки R Н. Если
сопротивление нагрузки RН в 10 раз превышает сопротивление преобразователя RГ, то последний работает в
режиме питания от источника тока (Iуп = const.). В этом режиме обеспечивается максимальная чувствительность
ГМР преобразователя.
Электрические параметры ГМР преобразователей в режиме максимальной магнитной чувствительности
приведены в табл. 2.13, а электрические параметры преобразователей в режиме минимальной температурной
зависимости магнитной чувствительности даны в табл. 2.14. На рис. 2.101 приведены выходные характеристики
преобразователей типа ГМР-4.
Анализ характеристик, приведенных на рис. 2.101, показывает, что зависимость напряжения на выходе
ГМР от магнитной индукции линейна в широком диапазоне изменения индукций (±80 мТл) управляющего
магнитного поля (рис. 2.101.а). При изменении тока управления от заданного значения в пределах ± 50%
выходное напряжение изменяется почти линейно (рис. 2.101.б). При оптимальном сопротивлении нагрузки
выходной сигнал остается почти неизменным в достаточно широком диапазоне температур (рис. 2.101.в).
Разброс значений электрических параметров, приведенных в табл. 2.12 и 2.13, составляет ±30%.
Страница 83
8
150
Uвых,В
100
80
6
100
4
Iуп= 1 мА
Rн= 20 кОм
0
Т = 20 С
2
60
В = 1 мТл
Rн= 20 кОм
0
Т = 20 С
50
Iуп,мА
В,мТл
0
20
40
60
80
0
а)
0,5
1,0
1,5
40
Iуп= 1 мА
Rн= 20 кОм
В = 1 мТл
20
0
0
-40 -20
б)
T, C
0
20 40
60 80
в)
Рис. 2.101. Зависимость величины сигнала на выходе преобразователя типа ГМР-4 от: а – магнитной
индукции; б – тока управления; в – температуры
Таблица 2.13. Электрические параметры преобразователей типа ГМР-1 – ГМР-5 в режиме
максимальной магнитной чувствительности
Тип
преобразователя
Таблица 2.14. Электрические параметры преобразователей типа ГМР-1 – ГМР-5 в режиме
минимальной температурной зависимости магнитной чувствительности
Тип
преобразователя
В Кишиневском научно-исследовательском институте электроприборостроения НПО «Микропровод» на
базе технологии изготовления литого микропровода из германия была разработана конструкция ГМР
преобразователя, отличающаяся простотой и низкой себестоимостью.
Основные параметры опытных образцов ГМР преобразователей следующие: длина активной части около
4 мм при диаметре 1 мм, магнитная чувствительность не менее 2 В/Тл при токе управления 1 мА, температурный
коэффициент чувствительности в диапазоне температур +40...+80 °С составляет 0,3–0,7% на градус Цельсия
[50, 67].
Достоинством ГМР-преобразователей является высокая линейность в слабых магнитных полях, что выгодно
отличает их от магниторезисторов. Кроме того, магнитная чувствительность ГМР -преобразователей
оказывается значительно выше, чем чувствительность элементов Холла.
Однако, несмотря на это, порог чувствительности ГМР преобразователей имеет примерно тот же порядок, что
и порог чувствительности большинства элементов Холла. Это объясняется значительной нестабильностью
нулевого сигнала, связанной с изменением сопротивления ГМР.
К недостаткам ГМР преобразователей можно отнести и высокую трудоемкость их изготовления.
В СССР ГМР преобразователи производились ограниченными партиями. Они использовались в
миллитесламетрах Ф4356. Сведений о их серийном производстве в России не имеется.
При условии организации промышленного производства ГМР -преобразователи могли бы использоваться
для регистрации слабых магнитных полей и в качестве МЧЭ для различных функционально-ориентированных
датчиков.
Страница 84
2.7. Полевые ГМР магнитотранзисторы
Полевые гальваномагниторекомбинационные магнитотранзисторы (ПГМР) представляют собой усовершенствованный
вариант гальваномагниторекомбинационного преобразователя (ГМР) (см. главу. 2.6).
Структуры ПГМР в упрощенном виде приведены на рис. 2.102 и 2.103.
B
2
1
Uп
3
Rн
I0
4
Uпол.
Общий
5
I0
Uвых
В
б)
а)
Рис. 2.102. Полевой гальваномагниторекомбинационный магнитотранзистор МДП: а – структура; б – схема
включения
B
1
2
Uп
3
4
Rн
I0
4
Uвых
В
Uпол.2
Uпол.1
5
3
а)
I0
Общий
б)
Рис. 2.103. Полевой гальваномагниторекомбинационный магнитотранзистор МДПДМ: а – структура; б – схема
включения
Полевой гальваномагниторекомбинационный МДП магнитотранзистор состоит из полупроводниковой пластины 1,
проводимость которой близка к собственной (рис. 2.102.а), и одного или двух металлических полевых 4 электродов,
изолированных слоями диэлектрика 3. На торцах пластины расположены токовые электроды 2 и 5. Электроды 4 служат для
подвода управляющего напряжения.
На рис. 2.103а показан МДПДМ магнитотранзистор, в котором управляющее напряжение подводится к обоим полевым
электродам 4.
Действие полевых гальваномагниторекомбинационных магнитотранзисторов (ПГМР) основано на изменении средней
концентрации носителей заряда в полупроводнике при воздействии на него магнитного поля, продольного и поперечного
электрических полей. (Подробнее см. в [24].).
В табл. 2.15 приведены параметры германиевых ПГМР, изготовленных в Институте физики полупроводников АН
Литовской ССР [15, 57, 59].
Таблица. 2.15. Параметры опытных образцов германиевых ПГМР
Коэффициент Рабочий диапазон
нелипо индукции,
нейности,
Тл
%
0,5
1*10-6…1*10-1
0,2
0,2
0,5
0,5
1*10-7…1*10-1
1*10-6... 1*10-1
0,2
0,5
1*10-7... 1*10-1
На рис. 2.104 показаны зависимости выходного напряжения ПГМР от тока управления и магнитной индукции. Эти
магнитотранзисторы обладают достаточно линейной энергетической характеристикой в диапазоне индукций до ±100 мТл.
Диапазон рабочих температур магнитотранзисторов МТ-1 – МТ-3 от –50 до +50 ° С.
Страница 85
а)
б)
Рис. 2.104. Типовые зависимости выходного напряжения ПГМР магнитотранзисторов со структурой: 1 – МДП;
2 – МДПДМ; а – от тока управления; б – от магнитной индукции
В СССР ПГМР преобразователи производились ограниченными партиями. Они использовались в опытной аппаратуре.
Сведений о серийном производстве ПГМР в России не имеется.
Недостатком ПГМР магнитотранзисторов считается необходимость использования высоковольтных источников питания
(порядка 100 В).
При организации серийного производства, использование ПГМР магнитотранзисторов может быть эффективно при
построении измерителей магнитных величин с автоматической коррекцией погрешностей или аналого-цифровым
преобразованием входной магнитной величины, различных магнитных и электрических регуляторов устройств автоматики
и управления с переменной или адаптируемой структурой.
2.8. Преобразователь магнитного поля на доменоносителях
В противоположность магнитотранзисторам, в которых инжекция тока происходит в области эмиттерного перехода, в
преобразователях на доменоносителях инжекция тока в большей или меньшей степени концентрируется на одном месте на
переходе. Структура ПМП на доменосителях очень схожа со структурой вертикального магнитотранзистора, за исключением
того, что в данном случае подложка играет активную роль.
На рис. 2.105 приведена структура преобразователя магнитного поля на доменоносителях [37].
IEN
IP1
IE1
n+
IP2
p
IE2
n+
n
+
Дырки
Электроны
n
+
n
+
-
p - тип
BY
IEP
Рис. 2.105. Структура преобразователя магнитного поля на доменоносителях (В рисунке сохранены обозначения
оригинала [37])
Подложка структуры (рис. 2.105) фактически является эмиттером p-n-p транзистора. В верхней точке указанной структуры
можно видеть n-p-n транзистор.
Структура функционирует следующим образом. Ток, инжектируемый n+ эмиттером n-p-n структуры, собирается в базе
p-n-p структуры, и, наоборот, ток, инжектируемый p- эмиттером p-n-p структуры собирается в базе n-p-n структуры. Токи
вызывают падение напряжения в соответствующих базах, таким образом, что инжекция будет ограничиваться центром
перехода, и, образуется электрический домен. Если приложить магнитное поле, то домен сместится, и токи базы IP1 и IP2 не
будут более равными (так же как не будут более равными и токи базы IN1 и IN2).То есть возникает разность токов, которая и
является сигналом ПМП на доменоносителях.
Страница 86
Если напряжения на обеих гранях базы равны (режим работы на «токовой моде»), то выражение реакции устройства
на магнитное поле можно записать следующей формулой:
(2.23)
где It - сумма токов базы;
- сумма разностей токов, проходящих по соответствующим контактам базы;
µHn - холловская подвижность электронов;
µHp -холловская подвижность дырок;
Wn и Wp -расстояние, которое проходят носители заряда;
γd -коэффициент, зависящий от величины домена и равный 10–100.
Магнитная чувствительность (Sdm) ПМП на доменоносителях, определяемая, как
(2.24)
для структуры, приведенной на рис. 2.105, составляет порядка 30%/Тл.
На рис. 2.106 показан вариант структуры, «вращающегося» ПМП на доменоносителях [37].
n
p
n
n
P
n-p-n база / n-p-n коллектор
p-n-p -эмиттер
p-n-p база / n-p-n коллектор
и
n-т
Si
п
n-p-n -эмиттер
p-n-p -вспомогательный
коллектор
Рис. 2.106. Структура «вращающегося» ПМП на доменоносителях
Выходной сигнал структуры, приведенной на рис. 2.106, является не разностью токов, а потоком токовых импульсов
с частотой, пропорциональной магнитному полю. Образование домена происходит так же, как и в структуре на рис. 2.105.
Если магнитное поле приложено перпендикулярно поверхности кристалла, то домен начинает вращаться, и вращение
происходит непрерывно. .
Токовые импульсы поглощаются дополнительными коллекторами каждый раз, когда домен проходит около них. При
этом частота реакции устройства на магнитное поле выражается формулой:
(2.24)
где – fr – частота вращения домена;
d – радиальное пространство между n-p-n- областью эмиттера и p-n-p -областью базы;
µp – подвижность дырок;
tp – время подзарядки слоя базы p-n-p транзистора;
R – радиус внешней грани n-p-n эмиттера.
и составляет величину от 100 до 200 кГц/
Магнитная чувствительность такого устройства выражается, значением
Тл [37].
Работу такого устройства затрудняет наличие порогового уровня плотности магнитного потока, ниже которого, вращения
домена не происходит. Наличие такого порогового барьера относят за счет пространственного изменения коэффициента
передачи по току в схеме с общей базой горизонтального p-n-p транзистора.
Чувствительность магнитотранзисторов и некоторых устройств на доменоносителях выражается, значением
Чувствительность других устройств на доменоносителях определяется как изменение
, тогда как, чувствительность
магнитодиодов выражается как изменение напряжения (тока) смещения при воздействии магнитного поля.
Преобразователи магнитного поля на доменоносителях пока являются «экзотическими» приборами и не нашли широкого
применения в конкретной аппаратуре.
Подробнее о работе ПМП на доменоносителях можно прочитать в специальной литературе [12, 37, 98].
Страница 87
2.9. Магниточувствительные Z-элементы
Магниточувствительные Z-элементы с частотно-импульсным выходом представляюет собой
полупроводниковую p-n структуру. Структура чувствительна к постоянному и переменному магнитному полю,
направленному перпендикулярно направлению управляющего тока (рис. 2.107.а).
B
+U П
+UП
В
Fвых
Uвых
+
I УП
p
UВЫХ
n
RH
-U П
а)
Общий
В,Тл
В,Тл
0,01
б)
0,05
в)
0,05
1,0
г)
Рис. 2.107. Магниточувствительный Z-элемент: а – структура; б – схема включения; в, г – выходные
характеристики
Магниточувствительный Z-элемент работает в двух режимах:
- при индукции управляющего магнитного поля B < 30–50 мТл элемент работает в аналоговом режиме, то
есть выходное напряжение пропорционально индукции (рис. 2.107.в);
- при индукции управляющего магнитного поля B > 30–50 мТл элемент генерирует последовательность
импульсов, частота следования которых пропорциональна индукции (рис. 2.107.г). Амплитуда выходных
импульсов достигает 30–40%, то есть нескольких вольт.
Основные параметры магниточувствительных Z-элементов:
Напряжение питания ………………………………………………..5–30 В;
Ток управления………………………………………………………1–3 мА;
Магнитная чувствительность в аналоговом режиме……….500–600 В/Тл;
Магнитная чувствительность в частотном режиме……….50–100 кГц/Тл;
Динамический диапазон………………………………………...0,01–1,0 Тл;
Габариты полупроводниковой структуры…………………..…5×2×0,3 мм.
Магниточувствительные Z-элементы пока не производятся серийно, а потому широкого распространения
не получили. (Подробнее см. [31].)
Страница 88
2.10. Датчики Виганда
Принцип действия датчика основан на т.н. эффекте Виганда.
Этот эффект проявляется в том, что если ферромагнитную проволоку, имеющую специальный химический
состав и физическую структуру, внести в магнитное поле, то произойдет спонтанное изменение её магнитной
поляризации, как только напряженность поля превысит определенное пороговое значение. Этот порог
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 в диапазоне нескольких вольт при условии, что напряженность управляющего магнитного поля
превышает величину напряженности поля 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 (от –196 до
+175°).
Конструкция простейшего датчика Виганда приведена на рис. 2.108. 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.
Обмотка
Обмотка
Постоянный магнит
В
UВЫХ
Проволока
а)
В
UВЫХ
Проволока
б)
Рис. 2.108. Конструкция датчика Виганда: а – с обмоткой, б – с обмоткой и постоянным магнитом
Оболочка
Сердцевина
Рис. 2.109. Структура
проволоки Виганда
Проволока Виганда (рис. 2.109) представляет собой
ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой
сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки,
окружающей сердцевину. Получение такой структуры
достигается за счет использования специальной
технологии изготовления. Диаметр проволоки составляет
порядка 0,2…0,3 мм. Длина от 5 до 40 мм.
Обмотка датчика, обычно, составляет порядка
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 простираются от
задач измерения и контроля до систем управления доступом, в которых они служат носителями информации в
идентификационных картах.
Ниже приводятся некоторые примеры, которые дают представления о широкой области применения датчика.
Рис. 2.110.а поясняет принципиальную схему восприятия вращательного движения. Проволока с обмоткой
вокруг неё фиксируется, тогда как магнит насыщения и магнит гашения располагаются на вращающемся
барабане, изготовленном из алюминия.
Для датчика длиной 40 мм, установленном в промежутке между проволокой и вращающимся барабаном
от 1 до 2 мм, используются два стержневых магнита с индукцией 80 и 30 мТл, соответственно, для генерации
сигнала с амплитудой около 2 вольт при достаточной временной стабильности. На рис. 2.110.б приведен вид
выходного сигнала датчика.
Страница 89
Барабан
Магнит гашения
Магнит
насыщения
N
UВЫХ
Датчик Виганда
S
α
Головка
воспроизведения
б)
а)
Рис. 2.110. Использование датчика Виганда с одной обмоткой: а — в качестве датчика угла вращения;
б – вид выходного сигнала
Для того чтобы исключить установку двух подвижных магнитов, магнит гашения (30 мТл) можно
расположить очень близко к датчику (рис. 2.111.а). При фиксированном магните гашения, в качестве подвижного
магнита насыщения должен использоваться более «сильный» магнит, чтобы компенсировать поле магнита
гашения. В этом заключается достоинство датчика, который всегда «видит» поле любого магнита, и,
следовательно, менее восприимчив к внешним полям.
Барабан
UВЫХ
Магнит
насыщения
Датчик Виганда
S
α
Магнит гашения
Головка
воспроизведения
б)
а)
Рис. 2.111. Использование датчика Виганда с одной обмоткой и постоянным магнитом: а – в качестве
датчика угла вращения; б – вид выходного сигнала
Если требуется получить более одного импульса за один оборот, можно воспользоваться другой
конструкцией. Проволоки Виганда равномерно распределяют вокруг барабана из цветного металла и
ориентируют параллельно его оси. Проволоки получаются подвижными и отделенными от обмотки датчика,
которая вместе с двумя магнитами располагается в головке воспроизведения. По сравнению с датчиком с
вращающимися магнитами в этом случае изменяются параметры проволоки и магнита. Вследствие меньшего
диаметра проволоки угловое разрешение этого датчика угла вращения может быть значительно увеличено.
Стержневые магниты и обмотка датчика между ними ориентированы параллельно проволокам. Магниты имеют
противоположную полярность, и их индукция соответственно равняется ±60 мТл [71].
При некотором изменении конструкции датчика, он может быть использован в качестве двухнаправленного
прибора. Необходимо только повернуть плоскость движения почти на 90° вокруг датчика в противоположную
к нему плоскость. Затем датчик необходимо переместить на центральную линию, симметричную относительно
плоскости полюсов. Напряженность статического поля будет равна нулю. Если стержень приблизится с одной
стороны датчика, то он будет насыщаться полем соответствующего знака, генерируя импульс такой же
полярности. Если стержень приблизится с другой стороны датчика, то поле и полярность амплитуды изменятся,
индицируя направление движения. При этом выходной сигнал примет вид, показанный на рис. 2.112, (подробнее
см. [71, 72]).
Магнит насыщения - 80 мТл
Рабочий зазор - 1 мм
Диаметр барабана - 84
Рис. 2.112. Вид выходного сигнала двухнаправленного
датчика Виганда
Страница 90
Датчики вращательного движения можно легко модифицировать в датчики линейного движения.
Рассматривая описанные варианты датчиков вращательного движения в интересующем нас аспекте получения
датчика линейного движения, проще всего вставить проволоки между полосками пластиковой или алюминиевой
фольги. Эти полоски крепятся к поверхностям с помощью клея, зажимных приспособлений или прессованием,
соблюдая линии изгиба соответствующего радиуса. Подобные датчики используют совместно с одно- и
двухнаправленными головками воспроизведения с разрешением 2 мм. Производство таких датчиков
экономично.
Вследствие остаточной намагниченности проволока Виганда остается в намагниченном состоянии до тех
пор, пока поле возбуждения, достаточно сильное для того, чтобы преодолеть коэрцитивную силу проволоки,
не переключит ее в противоположное состояние.
Это свойство может быть использовано для хранения информации так , как это происходит в хорошо
известной памяти на магнитных сердечниках.
Способность датчика к хранению информации остается стабильной до тех пор, пока она не будет уменьшена
в результате воздействия сильных внешних полей. Так как хранение информации не требует какой-либо
электрической энергии, ключи на основе эффекта Виганда очень удобны для ввода данных с циклическим
опросом. Вследствие запоминания данных, скорость опроса может быть значительно снижена. В случае
отключения питания подключенной схемы опроса ни одно действие ключа не будет потеряно.
Способность проволоки Виганда хранить данные очень успешно используется в считываемых
идентификационных картах. Они состоят из двух рядов коротких кусков проволоки, представляющих «0» и
«1» (максимальная ёмкость 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 [71, 72, 73,
74].
В главе 16 тома 2 приводятся основные параметры некоторых типов датчиков Виганда.
2.11. Феррозондовые ПМП
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации
постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов.
Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных
полей разных частот. На рис. 2.113 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.
Сердечник
Сердечник
H0
Сердечник
H0
H0
H~
H~
H~
а)
б)
в)
Рис. 2.113. Варианты конструкций феррозондов: а – одноэлементный стержневой; б – дифференциальный с
разомкнутым сердечником; в – дифференциальный с замкнутым сердечником
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек: катушки
возбуждения (
), питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки (
).
Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 кГц до 300 кГц.
(в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитногополя (Н~), создаваемого
током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное
перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по
гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся
магнитное поле (Н0), то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом
изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические
составляющие ЭДС,. величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при
симметричном цикле перемагничивания.
Страница 91
Феррозонды подразделяются на: стержневые одноэлементные (рис. 2.113.а), дифференциальные с разомкнутым
сердечником (рис. 2.113.б) и дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис. 2.113.в).
Дифференциальный феррозонд (рис. 2.113.б,в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые
соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается
измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.
Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они способны регистрировать
магнитные поля с напряженностью до 10-4 –10-5 А/м (~10-10–10-11 Тл). Подробнее см. [3, 64].
Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются
отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см3, а для магнитометра Г74 трехкомпонентный феррозонд вписывается
в куб со стороной 15 мм [64].
В качестве примера на рис. 2.114 приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.
30
9
∅3,0
∅2,5
4
Измерительная обмотка
Обмотка возбуждения
Сердечник
Рис. 2.114. Конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда
Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений.
Сердечник феррозонда изготовлен из пермаллоя. Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся
примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую нанесена измерительная обмотка. Такая конструкция
обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1,5×105) и малое значение
напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной
чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда,
что позволяет снизить погрешности схемы формирования время-импульсного сигнала.
Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет от ±50 А/м до ±100 А/м (от
±0,06 до ±0,126 мТл). Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками
составляет от 30 до 40 мкА/м (м × Гц1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В
полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3–3,5 раза выше. При экспериментальном исследовании кольцевых
феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками [64].
Промышленные образцы феррорезонансных магнитных датчиков
В качестве примера рассмотрим технические характеристики феррорезонансных магнитных датчиков APS533 и APS544,
выпускаемых фирмой Applied Physics Systems (США). Основные параметры датчиков приведены в табл. 2.16, а на рис. 2.115
и 2.116 показан их внешний вид.
∅ 18,4
38,2 макс
152
Рис. 2.115. Внешний вид и габариты датчика APS533
APS533
Рис. 2.116. Внешний вид и
габариты датчика APS544
19,1
∅ 25,4
APPLIED PHYSICS SYSTEMS
116,8 макс
APS544
152
19,1
Страница 92
Таблица 2.16. Основные параметры феррорезонансных датчиков APS533 и APS544, выпускаемых
фирмой Applied Physics Systems
Тип прибора
Наименование параметра, единица измерения
APS533
APS544
Порог чувствительности при отношении сигнал/шум, равном 1, нТл/Гц –1/2
феррозонд
3
0,1
феррозонд
3
0,4
Максимальная амплитуда измеряемого магнитного поля, мТл
Выход результата измерений
Напряжение постоянного тока на аналоговом выходе, В
± 0,1
аналоговый
0±4
± 0,1
цифровой
стандарт
RS232
от ± 5 до ±7…12
75(+5В); 65(-5В)
152
Тип преобразователя магнитного поля
Число одновременно измеряемых составляющих магнитного поля.
±5
± 20
152
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА
Длина кабеля выносного датчика, мм
∅18,4 х 38,1
Габаритные размеры, мм
Масса, г
Диапазон рабочих температур, °С
19,1 х 19,1 х 116,8
(петля ∅ 25,4)
50
0….+70
18
0….+70
Феррозондые широко применяются в аппаратуре, предназначенной для измерения параметров магнитного поля Земли
и его вариаций (например при поискеках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии магнитного поля); для
измерения магнитного поля Луны, планет, межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и
частиц в неферромагнитной среде (в частности , в хирургии); в системах контроля за качеством выпускаемой продукции (в
магнитной дефектоскопии и др.)
В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это невысокая геометрическая
разрешающая способность, значительная зависимость основных параметров от воздействия климатических и механических
факторов. Процесс изготовления феррозондов трудоемкий, и,а следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной
сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды [3, 64].
2.11.1. Магнитоиндуктивные датчики
Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного
датчика, который получил наименование магнитоиндуктивного датчика (Magneto-Inductive (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 MI - датчиков. Основные параметры этих
датчиков приведены в табл. 2.17.
На рис. 2.117 приведена упрощенная схема включения MI -датчика. Схема представляет собой
релаксационный LR-генератор, в котором MI -датчик выполняет роль основного элемента. Изменение
напряженности воздействующего магнитного поля приводит к изменению частоты генератора.
Датчики предназначены для использования в составе электронных компасов. В этом случае выходной
сигнал генератора обрабатывается ИС микропроцессора [96].
ВВН.
ВВН.
Управляемый
MI релаксационный
генератор
Выход
FГЕН.
а)
б)
Рис. 2.117. Упрощенная схема включения: а – выходная характеристика; б – магнитоиндуктивного
датчика
Страница 93
Таблица 2.17. Основные параметры магнитоиндуктивных датчиков, выпускаемых фирмой Precision
Navigation Inc.
Наименование параметра, единица
измерения
Динамический диапазон, мТл
Точность измерения, мТл
Разрешающая способность, мТл
Повторяемость, мТл
Ток потребления, мА
Габаритные размеры, мм3
Масса, г
Диапазон рабочих температур,°С
Тип датчика / значение параметра
SEN-T
SEN-W
SEN-M
± 80
± 200
± 1,0
± 0,4
± 0,4
± 0,2
0,01
0,02
0,02
± 0,4
± 0,4
± 0,2
Всраб
происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на выходе скачком изменяется до логического 0.
Дальнейшее увеличение индукции В не изменяет состояние схемы.
Во втором случае (рис. 3.25.б) в отсутствие управляющего магнитного поля сигнал на выходе микросхемы
соответствует логическому 0. При увеличении индукции внешнего магнитного поля до значения B > Всраб
происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на выходе изменяется до логической 1. Дальнейшее
увеличение индукции В не изменяет состояние схемы.
На рис. 3.26 приведена характеристика переключения биполярной магнитоуправляемой микросхемы.
Состояние биполярной МУМ меняется
U
при изменении полярности и величины
вых.
1
индукции B > Всраб управляющего магнитного
U вых.
поля (рис. 3.26).
Иногда для изменения передаточной
характеристики
МУМ используют активные
∆B
концентраторы
магнитного
поля,
представляющие собой микроминиатюрные
постоянные магниты, расположенные
непосредственно на корпусе или на кристалле
0
магнитоуправляемой микросхемы. Примером
U вых.
такой конструкции может служить МУМ типа
UGN3035U, выпускаемая фирмой Sprague (см.
+Ввн главу 13, т. 2).
-Ввн
Характеристика переключения МУМ
Вотп. 0 Всраб.
может смещаться в достаточно широких
Рис. 3.26. Характеристика переключения биполярной
пределах если использовать концентратор в
магнитоуправляемой микросхемы
виде постоянного микромагнита.
Направление и величина смещения зависят от полярности и величины индукции постоянного магнита.
Характеристика переключения МУМ с активным концентратором магнитного поля в виде встроенного
микромагнита приведена на рис. 3.27.
Постоянный магнит
Постоянный магнит
B
N S
∆B
B ОТП.МИН.
U1вых.
N S
Uвых.
∆B
B СРАБ.МАКС.
B
∆B
U0вых.
+Ввн
Вотп. 0
-Ввн
Всраб.
Рис. 3.27. Характеристика переключения МУМ с активным концентратором магнитного поля в виде
встроенного микромагнита
Страница 127
Примечание. В зарубежной научно-технической литературе биполярные МУМ часто обозначают
термином LATCH – ЗАЩЕЛКА. Такой прибор изменяет свое состояние (Вкл/Выкл), если величина
индукции управляющего магнитного поля любой полярности (север или юг) превышает значение
ВСРАБ.
Кроме того, зарубежными фирмами используется и термин SWITCH – ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ –
униполярный или биполярный прибор, который реагирует на изменение полярности управляющего
магнитного поля, когда величина индукции этого поля превышает значение ВСРАБ.
При воздействии на МУМ модулированного магнитного потока (например, импульсами прямоугольной
формы) сигнал на выходе будет иметь несколько искаженную форму. Эти искажения связаны с инерционностью
микросхемы – временем включения/выключения. Переходная характеристика МУМ приведена на рис. 3.28.
UВЫХ
0,9(U1ВЫХ - U0ВЫХ )+U0ВЫХ
0,1(U1ВЫХ- U0ВЫХ)+U0ВЫХ
t
U0ВЫХ
tВЫКЛ
tВКЛ
T
Время срабатывания (включения) tВКЛ,
как правило, в 1,5–2 раза меньше времени
отпускания (выключения) tВЫКЛ.
На рис. 3.29а–и приведены наиболее
распространенные функциональные схемы
МУМ. Эти схемы не требуют особых
пояснений.
Для более сложных магнитоуправляемых микросхем применяются
другие функциональные схемы, содержащие
иные элементы.
Рис. 3.28. Переходная характеристика МУМ
По результатам разработки и выпуска магнитоуправляемых микросхем сложилась определенная их
классификация по уровню основных параметров, но из-за отсутствия нормативной базы последняя носит
почти эмпирический характер. Примерная классификация магнитоуправляемых микросхем приведена в табл.
3.8 и 3.9.
Таблица 3.8. Примерная классификация униполярных магнитоуправляемых микросхем
Основные параметры микросхем
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Ток коммутации, мА, не более
Индукция срабатывания, мТл
Для ультрачувствительных, мТл
Индукция отпускания, мТл
Для ультрачувствительных, мТл
Гистерезис, мТл
Время срабатывания/отпускания, нс
Выходное напряжение низкого уровня, В
Выходное напряжение высокого уровня, В
Выходной ток низкого уровня, мкА
Диапазон рабочих температур, °С
Условная группа микросхем
Микромощные Маломощные
Мощные
от 2,0 до 5,5
от 2,5 до 30
от 4,5 до 50
1
10
20
до 10
от 30 до 50
от 50 до 2500
3…70
5…70
10…100
0,5…5
0,5…5
0,5…5
1…60
3…50
5…80
0…1,0
0…1,0
0…2
0,5…5
0,5…10
2…20
20…500
40…500
500…5000
< 0,4
< 0,4
< 0,4
>2,4
>2,4
>2,4
0,05…10
0,5…10
1…100
-10…+85
-40…+170
-60…+125
-40…+170
-65…+125
-40…+150
Таблица 3.9. Примерная классификация биполярных магнитоуправляемых микросхем
Основные параметры микросхем
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Ток коммутации, мА, не более
Индукция срабатывания, мТл
Для ультрачувствительных, мТл
Индукция отпускания, мТл
Для ультрачувствительных, мТл
Гистерезис, мТл
Время срабатывания/отпускания, нс
Выходное напряжение низкого уровня, В
Выходное напряжение высокого уровня, В
Выходной ток низкого уровня, мкА
Диапазон рабочих температур, °С
Условная группа микросхем
Микромощные Маломощные
Мощные
от 2,0 до 5,5
от 2,5 до 30
от 4,5 до 50
1
10
20
до 10
от 30 от 50
от 50 от 2500
3…70
5…70
10…100
0,5…5
0,5…5
0,5…5
-(1…60)
-(3…50)
-(5…80)
-(0,1…1,0)
-(0,1…1,0)
-(0,2…2)
0,5…5
0,5…10
2…20
20…500
40…500
500…5000
< 0,4
< 0,4
< 0,4
>2,4
>2,4
>2,4
0,05…10
0,5…10
1…100
-10…+85
-40…+170
-60…+125
-40…+170
-65…+125
-40…+150
Страница 128
VT1
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рис. 3.29. Функциональные схемы наиболее распространенных МУМ
Страница 129
3.2.1. Электрические схемы магнитоуправляемых ИС
Принципиальные электрические схемы магнитоуправляемых ИС отличаются большим разнообразием и
определяются основными параметрами, предъявляемыми к МУМ, и технологией их изготовления. Ниже
приводятся, практически без объяснений, несколько примеров схемотехнической реализации МУМ.
На рис. 3.30 приведена электрическая схема простейшей магнитоуправляемой ИС. Схема состоит из
интегрального элемента Холла В1, используемого в качестве ПМП, и симметричного триггера с
непосредственной связью, используемого в качестве схемы управления, включающей четыре КМОП
транзистора. При этом транзисторы VT3 и VT4 являются динамической нагрузкой транзисторов VT1 и VT2
[23].
Схема (рис. 3.30) работает следующим образом. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт, а транзистор
VT2 закрыт. На выходе Uвых.2 имеется потенциал (сигнал) высокого уровня, а на выходе Uвых.1 – потенциал низкого
уровня. Через контакты 1 и 2 элемента Холла В1 протекает электрический ток (ток утечки, иногда называемый
током ожидания). Потенциал на контактах 3 и 4 элемента Холла отсутствует.
При воздействии управляющего магнитного поля на контактах 3, 4 возникает ЭДС Холла, которая изменяет
потенциал на затворе транзистора VT1. При индукции управляющего магнитного поля с В > ВСРАБ транзистор
VT1 закрывается, вследствие чего открывается транзистор VT2 и изменяется сигнал на выходе Uвых 1.
При уменьшении индукции управляющего магнитного поля до В < ВСРАБ транзистор VT1 открывается,
транзистор VT2 закрывается и сигнал на выходе Uвых 1 смещается до первоначального значения.
На рис. 3.31–3.34 приведены принципиальные электрические схемы магнитоуправляемых ИС,
реализованных с использованием эпипланарной технологии.
.
.
+UП
R1
VT3
VT5
VT4
VT2
B1
R6
VT1
R2
R3
R4
Выход
VT6
R5
Общий
Элемент
Холла
Триггер Шмитта
Усилитель тока
Рис. 3.31. Электрическая схема магнитоуправляемой ИС, изготовленной по эпипланарной технологии. В
качестве преобразователя магнитного поля используется один интегральный элемент Холла [46]
Страница 130
Двухколлекторный магнитотранзистор
+UП
R3
R4
R5
VT8
Выход
VD1
VT1
R1
VT9
VT6
VT2
VT3
VT4
VT7
VT5
VT10
R2
Общий
Рис. 3.32. Электрическая схема магнитоуправляемой ИС, изготовленной по эпипланарной технологии. В
качестве преобразователя магнитного поля используется один интегральный двухколлекторный
магнитотранзистор
+UП
R3
VT7
VT5
R2
R1
R4
VT8
VT6
R7
B1
B2
R12
VT9
Вход стробирующего
импульса
R6
VT2
VD2
VT1
Выход 2
R11
R10
VT3
Выход 1
VT4
VT10
VD1
R5
R9
R8
VT11
Общий
Рис. 3.33. Электрическая схема магнитоуправляемой ИС, изготовленной по эпипланарной технологии. В
качестве преобразователей магнитного поля используются два интегральных элемента Холла, включенных
встречно-параллельно
Страница 131
+UП
R1
VT1
VD1
VD6
R2
R4
R3
R5
VT6
VT7
VT9
VT8
VT2
R8 R9
VT12
VT3
VD8
R10
VD9
R11
VT5
VT4
VD7
VT11
R6
Выход
VT10
R7
Общий
Рис. 3.34. Электрическая схема магнитоуправляемой ИС, изготовленной по эпипланарной технологии. В
качестве преобразователей магнитного поля используются два интегральных элемента Холла, включенных
встречно-параллельно. Диоды VD1–VD6 применяются в качестве опорного источника стабилизатора
напряжения VT1
Страница 132
3.2.2. Промышленные образцы отечественных МУМ
Разработкой магнитоуправляемых и магниточувствительных схем в Советском Союзе и СНГ занимались
до 1992 года несколько организаций, в числе которых ОКБ ПО «Гиперон» (г. Москва), СКТБОП ИФТТП АН
БССР (г. Минск), НИИ ГИРИКОНД, НПК «Электроприбор», ЛНПО «Электронмаш» (г. Ленинград), НПО
космических исследований (г. Баку), производственное объединение «Позистор» (г. Ереван), СКБ завода «Азон»
(г. Баку), СКТБ МЭПО «Вега» (г. Бердск), НПК УМЦ (г. Самара), ЛНИРТИ (г. Львов), НПК «Технологический
центр» (г. Зеленоград), МП «Инсеп» (г. Ленинград), НПО «Физика» (г. Москва), СКБ ПО «Элькор» (г. Нальчик)
и некоторые др.
Специалистами этих организаций были разработаны и изготовлены на уровне экспериментальных и
опытных образцов цифровые и аналоговые магнитоуправляемые и магниточувствительные микросхемы в
различных вариантах конструктивного и технологического исполнения.
Основным производителем кремниевых магнитоуправляемых ИС в СССР являлся Первый московский
завод радиодеталей (ПО «Гиперон»), который выпускал серию К1116КП маломощных МУМ, состоящую из
14 типов изделий с очень близким уровнем параметров. Годовой объем выпуска девяти типов ИС указанной
серии составлял примерно 2,0 млн. шт. при потенциальных возможностях завода более 5 млн. шт.
В 1999 году АО «Ангстрем» [13] начат выпуск магнитоуправляемых ИС типа КФ5116КП1 и КФ5116КП3.
Схемы предназначены для использования в качестве датчиков угла поворота ротора бесколлекторных
электродвигателей постоянного тока. Имеются сообщения о начале выпуска КО «Кристалл» на Украине
магнитоуправляемых ИС типа UA01ХП29, UA01ХП39, UA01ХП49 [14]. Основные параметры микросхем
приводятся в главе 13 тома 2.
Магнитоуправляемые микросхемы серии К1116КП
Основные характеристики магнитоуправляемых ИС серии К1116КП даны в главе 13 [3, 16, 17]. Ниже будут
рассмотрены некоторые особенности микросхем серии К1116КП.
На рис. 3.35 показана функциональная схема МУМ типа К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6.
4
1
Рис. 3.35. Функциональная схема МУМ типа
К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6
Магнитоуправляемые ИС типа К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6 предназначены для использования в составе
бесконтактных клавишных модулей. Они имеют по два синфазных выхода с открытым коллектором и
стробирующий вход (вывод 3). При подаче на этот вход стробирующего импульса с уровнем логического 0
уровень выходного напряжения не будет зависеть от воздействия внешнего магнитного поля, так как будет
реализована функция «запрет».
Если вход стробирования не используют, его необходимо подключить к плюсовому проводу цепи питания.
Использование стробирующего входа позволяет значительно снизить энергопотребление ИС, что особенно
актуально при функционировании многоклавишной клавиатуры.
Микросхемы К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6 являются униполярными приборами.
Микросхемы К1116КП1 и 1116КП6 имеют прямой выход, сигнал на котором в отсутствие магнитного
поля соответствует уровню логической 1 (рис. 3.36.а). При увеличении индукции внешнего магнитного поля
до значения B > Всраб происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на выходе скачком изменяется
до логического 0 (рис. 3.36.б).
B>BСРАБ.
а)
б)
B SФ.
Варианты применения аналоговых магнитооптических микросхем зависят от решения конкретных
технических задач. На рис. 3.70 показан один из возможных вариантов схемы включения аналоговой
магнитооптической ИС.
Схема (рис. 3.70) состоит из магнитооптической ИС (DA1) и двухвыходного компаратора напряжения.
Она работает следующим образом. При воздействии магнитного поля на выходе компаратора (Вых. «В»)
появляется сигнал положительной полярности +Uвых. «В . При смене источника управляющего воздействия на
оптический (например, на излучение ИК диода) на выходе компаратора (Вых. «Ф») появится сигнал
отрицательной полярности –Uвых «Ф».
»
.
Рис. 3.71. К пояснению принципа работы цифровой
магнитооптической микросхемы
UП
SW Выход
Принцип работы цифровой магнитооптической микросхемы приводится на рис. 3.71 и практически не
отличается от принципа работы МУМ, но для управления ее состоянием используются магнитное поле или
(и) поток ИК излучения.
Возможны следующие варианты использования цифровой магнитооптической ИС:
1. Исходное состояние ИС – «выключено», В = 0. При включении источника ИК излучения (Ф > ФСРАБ и В =
0) микросхема переходит в состояние «включено», при Ф < ФОТП схема возвращается в исходное состояние.
2. Исходное состояние ИС – «выключено», В = 0. При приближении к поверхности ИС постоянного магнита
с В > ВСРАБ (Ф = 0) микросхема переходит в состояние «включено», при В < ВОТП cхема возвращается в
исходное состояние.
3. Исходное состояние ИС – «включено» (Ф > ФСРАБ и В = 0). При приближении к поверхности ИС постоянного
магнита с В
ФСРАБ и В = 0) микросхема ИС1 переходит в состояние «включено», при Ф1< Ф ОТП схема возвращается в
исходное состояние.
2. Исходное состояние ИС1 и ИС2 – «выключено», В = 0. При включении источника ИК излучения (Ф2 >
ФСРАБ и В = 0) микросхема ИС2 переходит в состояние «включено», при Ф2< Ф ОТП схема возвращается в
исходное состояние.
3. Исходное состояние ИС1 и ИС2 – «выключено», В = 0. При включении источников ИК излучения (Ф1, Ф2
> ФСРАБ и В = 0) микросхемы ИС1 и ИС2 переходят в состояние «включено», при Ф1,Ф2< ФОТП схемы
возвращаются в исходное состояние.
4. Исходное состояние ИС1 и ИС2 – «выключено», В = 0. При приближении к поверхности ИС постоянного
магнита с В > ВСРАБ (Ф = 0) микросхемы ИС1 и ИС2 переходят в состояние «включено», при В < ВОТП cхемы
возвращаются в исходное состояние.
.
.
.
.
.
.
.
.
Все остальные варианты использования цифровой двухканальной магнитооптической ИС определяются
возможным сочетанием пунктов 1–4.
Магнитооптические схемы пока не нашли широкого применения. Сведений об их серийном производстве
в доступных источниках не обнаружено.
Страница 155
3.4. Перспективы и тенденции развития МЧМС и МУМ
На зарубежном рынке ежегодно появляется до двух десятков новых магнитоуправляемых и
магниточувствительных схем. Результаты изучения рынка свидетельствуют о значительном отставании России
по уровню параметров, по номенклатуре и по объемам выпуска МУМС.
Анализ тенденций развития зарубежного производства магнитоуправляемых и магниточувствительных
микросхем показывает, что в ближайшее десятилетие можно ожидать дальнейшего совершенствования
схемотехники и конструкции МУМС и МЧМС с целью повышения уровня магнитоэлектрических параметров
и улучшения эксплуатационных характеристик, расширения их функциональных возможностей. При этом
совершенствование МУМ, в первую очередь, будет направлено на снижение тока потребления (меньше 0,5
мА), повышение чувствительности (до индукций срабатывания/отпускания ±1 мТл) и повышения тока
коммутации до 3 А и более.
Ожидается дальнейшее повышение степени интеграции МЧЭ с целью увеличения количества
магниточувствительных элементов в одном кристалле (и в одном корпусе) до шестнадцати и более. Это приведет
к созданию многоканальных магнитоэлектронных устройств и к дальнейшему расширению их областей
применения.
Следует ожидать совершенствования технологии изготовления МУМС с переходом на КМОП и КНИ
процессы, которые позволят снизить стоимость микросхем до 10–15 центов за штуку. Использование КНИ
технологических процессов даст возможность увеличить максимальную рабочую температуру ИС до +200 °С
и более при значительном снижении тока потребления и себестоимости изготовления. Кроме того,
использование новых технологических процессов позволит уменьшить размер кристалла, а следовательно,
корпуса микросхем станут более тонкими и миниатюрными, что приведет к дальнейшему расширению сфер
применения МУМС и МЧМС, особенно в автомобильной и автотракторной технике, авиации, металлургии, в
военной технике и других областях с жесткими условиями эксплуатации.
Следует ожидать увеличения объемов заказных МУМС и МЧМС на зарубежном рынке, так как зарубежная
практика показывает, что разработка новых микросхем для нового магнитоэлектронного устройства часто
бывает дешевле и быстрее, чем подгонка этих устройств под стандартные схемы.
Прогнозируемая наработка на отказ современных зарубежных МУМС превышает несколько миллионов
часов (отечественных – не более 50000 ч), что стимулирует их использование в устройствах ввода информации
ЭВМ и пультах управления ответственной аппаратуры.
Страница 156
Список литературы к главе 3
1. Абдулаев А. Г., Адигезалов Г. Д., Касимов Ф. Д. Высокочувствительная твердотельная
магнитокоммутируемая ИС на основе эффекта Холла // Электронные датчики. Серия 5. Радиодетали и
радиокомпоненты. – М., ЦНИИ Электроника, 1989. – С.123.
2. Адигезалов М. Н., Касимов Ф. Д., Стоялов М. Н. Высокочувствительная температурностабильная
магнитокоммутируемая интегральная схема // Приборы систем управления. – 1990, № 2. – С. 37.
3. Бараночников М. Л., Папу В. В. Микросхемы серии К1116 // Радио, 1990, № 6, – c. 84; № 7, – с. 71–72; №
8, – с. 89.
4. Виг Р., Девей Р. Датчики Холла приобрели широкую популярность: Пер. с англ. статьи из журнала «Sensors», Janiary, 1990, V 7, N 1. – Рр. 32–36.
5. Викулин И. М., Викулина Л. Ф., Стафеев В. И. Гальваномагнитные приборы. – М.: Радио и связь,1983. –
104 с.
6. Гальперин С. Б. Полупроводниковая магнитоуправляемая интегральная схема МОП ИМС К1.
Информационный листок малого научно-технического предприятия «Инсеп», Ленинград, 1989. – 2 с.
7. Дзюбин С. А., Костин В. В., Кривчиков А. М. Аналоговая магниточувствительная интегральная микросхема
// Электронные датчики. Серия 5. Радиодетали и радиокомпоненты. – М.: ЦНИИ Электроника, 1989. – С.
125.
8. Интегральный датчик Холла UR1101XP29. Проспект КО «Кристалл». 2000. – 2 с.
9. Интегральный датчик Холла UR1101XP39. Проспект КО «Кристалл». 2000. – 2 с.
10. Интегральный датчик Холла UR1101XP49. Проспект КО «Кристалл». 2000. – 2 с.
11. Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы: Пер. с польск. // Под.ред. О. К. Хомерики. –
М.: Энергия, 1971. – 351 с.
12. Кордич С. Интегральные кремниевые датчики магнитного поля: Пер. с англ. Статья из журнала «Sensors &
Actiators». – 1986, № 10, – Рр. 347–378.
13. КФ5116КП1, КФ5116КП3 пороговая магнитоуправляемая ИС с инверсно-соп-ряженными выходами.
Проспект ОАО «Ангстрем». 2000. – 2 р.
14. Магниточувствительный элемент с линейным выходом UP1101XП30. Проспект КО «Кристалл», Киев.
2000. – 2 с.
15. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. – М.: Мир, 1989. – 630 с.
16. Микросхемы Холла серии К1116КП. «ГИПЕРОН». – М.: 1991. – 8 с.
17. Микросхемы Холла. Магнитные датчики. Проспект ПО «Гиперон». – М.,1989. – 4 с.
18. Молин Дж., Геске М. Л. Эффект Холла в кремниевых схемах: Пер.с англ. , 1980. – 30 с. /The Hall Effect and
its application.1980. – Рp. 421–445.
19. Осита М. Магнитные датчики: Пер. с японск. // Денси гидзюцу. 1983. Т. 25, № 5. – С.115–120.
20. Прецизионный микромощный инструментальный усилитель INA-118P. Проспект фирмы «Burr-Brown».
1998. – 7 c.
21. Румени Ч. С., Костев П. Т. Трехполюсный датчик. 1985. –6 с. Пер.ст. из журнала «L’Academie Bulgare des
Sciences Comptes Rendus», 1985, vol. 38, # 9 – Рp. 1144–1148.
22. Шумейкер Ч. Любительские схемы контроля и сигнализации. – М.: Мир, 1989. – 183 с.
23. Baranochnicov M., Krasnikov G., Mordcovich V. Et al. Magnetically Controlled Logic Cell // Uniated States Patent
# 5,542,080. Date of Patent: Apr.21.1998.
24. Chopper-Stabilized, precision Hall-effect switch A3240. 1999. – 12 р. (Проспект фирмы «Allegro MicroSystems
Inc.»).
25. Chopper-Stabilized, precision Hall-effect switch A3240. 1999. – 12 р. (Проспект фирмы «Allegro MicroSystems
Inc.»).
26. Commplementary output power Hall-effect latch. UGN5275K. 1999. – 6 р. (Проспект фирмы «Allegro
MicroSystems. Inc.»).
27. Complementary output Hall-effect latch UGN3275K. 1999. – 4 р. (Проспект фирмы «Allegro MicroSystems.
Inc.»).
28. Dual-output Hall-effect switch UGN3235K. 1999. – 8 р. (Проспект фирмы «Allegro MicroSystems Inc.»).
29. HAL 800 Programmable Linear Hall Effect Sensor. 1999. – 16 р. (Проспект фирмы «Micronas Intermetall»).
30. HAL320 Differential Hall Effect Sensor IC in CMOS technology. 1999. – 12 р. (Проспект фирмы «Micronas
Intermetall»).
31. Hall Effect Transducers. How to apply them as sensors. MICRO SWITCH a Honeywell Division.1988. – 280 – р.
32. Hall-effect gear-tooth Sensors-AC coupled. UGN/UGS3059KA and UGN/UGS3060KA. 1999. – 8 р. (Проспект
фирмы «Allegro MicroSystems Inc.»).
33. Hall-effect gear-tooth Sensors-zero speed. A3046EU/LU, A3056EU/LU and A3058EU/LU. 1999. – 8 р. (Проспект
фирмы «Allegro MicroSystems Inc.»).
34. Hall-effect,direction-detection Sensors. A3421xKA and A3422xKA. 1999. – 12 р. (Проспект фирмы «Allegro
MicroSystems. Inc.»).
Страница 157
35. Instrumentation Amplifier Application Guide. 2ND Edition. Analog Devices. 1992. – 50 p. (Материал фирмы
«Analog Devices»).
36. Linear Output Magnetic Field SensoreAD22151. 1999. – 8 p. (Проспект фирмы «Analog Devises»).
37. MICRO SWITCH. Sensing and Control. Solid State Sensors. Catalogue E20. Honeywell. 1997.
38. Microelectronic Integrated System. Applications and Databook. «Melexis». 1999. – 116 р.
39. Multiplexed tho-wire Hall-effect Sensor Ics. A3054KU and A3054SU. 1999. – 10 р. (Проспект фирмы «Allegro MicroSystems Inc.»).
40. Power Hall Sensor/Drivers for brushless DC Motors. UDN3625M and UDN3626M. 1999. – 8 р. (Проспект
фирмы «Allegro MicroSystems. Inc.»).
41. Pression Single Supply Instrumentation Amplifier. Analog Devices. 1997. – 16 p. (Материал фирмы «Analog
Devices»).
42. Solid State Sensors. Position, current, flow, liquel level and temperature sensors. Catalogue E20. Honeywell.
1989. – С. 4–48.
43. TLE4905G, TLE4935G, TLE4935-2G, TLE4945-2G. Uni- and Bipolar Hall Effect Switches for Magnetic Field
Applications. 1998. – 12 р. (Проспект фирмы «Siemens»).
44. TLE4905L, TLE4935L, TLE4935-2L, TLE4945L, TLE4945-2L.Uni- and Bipolar Hall Effect Switches for
Magnetic Field Applications. 1998. – 14 р. (Проспект фирмы «Siemens»).
45. Ultra-sensitive bipolar Hall-effect switches. UGN3132, UGN3133. 1999. – 8 р. (Проспект фирмы «Allegro
MicroSystems Inc.»).
46. Vig R., Dewey R. Hal Effect Sensor Gain Acceptance // Sensor, January, 1990. – 32 p.
Страница 158
Глава 4. Многоэлементные и многоканальные преобразователи МП
Для создания систем магнитной диагностики и дефектоскопии используются многоканальные
магнитоэлектронные устройства.
Основную группу многоканальных МЭУ составляют многоэлементные преобразователи магнитного поля,
которые различаются по принципам работы и размещения МЧЭ, по способам их соединения и обработки
сигнала.
Элементы строк
b
c
а - ширина элемента;
b - длина элемента;
с - межэлементный зазор;
L - длина линейки.
б)
а)
Элементы столбцов
a
L
Рис. 4.1. Варианты размещения магниточувствительных элементов: а – линейка; б – матрица
Многоэлементные ПМП делятся на несколько групп по следующим основным признакам:
•
•
•
•
•
по характеру взаимного расположения магниточувствительных элементов:
– линейные (ЛПМП), в которых магниточувствительные элементы располагаются в один ряд (строку),
при этом размеры МЧЭ и зазоры между ними могут быть как одинаковыми, так и различными (рис.
4.1.а);
– матричные (МПМП), в которых МЧЭ располагаются по строкам и столбцам (рис. 4.1.б);
по принципу преобразования магнитного поля в электрический сигнал:
– мгновенного действия;
– с частичным накоплением;
– с полным накоплением;
по физическому принципу действия и способу организации отдельных
магниточувствительных ячеек:
– гальваномагнитные (элементы Холла);
– магниторезисторные;
– магнитодиодные;
– магнитотранзисторные;
– другие;
по принципу коммутации электрического сигнала:
– с внешней коммутацией;
– с полной электрической развязкой отдельных МЧЭ друг от друга;
– с внутренними электрическими связями между элементами;
– с внутренней электронной коммутацией;
по способу выборки информации:
– с параллельной выборкой (информация со всех элементов структуры снимается одновременно по
параллельным каналам);
– с последовательной выборкой (информация снимается поочередно, в соответствии с номером
элемента в структуре);
– со словарной выборкой (информация считывается одновременно со всех элементов выбранной
строки);
– с регистровой выборкой (информация считывается со всех элементов выбранного столбца);
– с произвольной выборкой (выборка элементов в структуре может производитсься по любому, заранее
заданному схемой управления закону).
Многоэлементные магнитоэлектронные устройства мгновенного действия
К данной группе относятся многоэлементные магнитоэлектронные устройства (структуры) двух типов: с
полной электрической развязкой отдельных элементов и с внутренними электрическими связями между
МЧЭ.
Структуры первого типа формируются путем набора их из отдельных магниточувствительных элементов
(иногда даже из готовых одноэлементных ПМП) или выделений отдельных МЧЭ на единой подложке методами
фотолитографии или прецизионной резки. Между элементами существует полная электрическая развязка.
Страница 159
Каждый элемент имеет свой самостоятельный канал обработки сигнала с регулируемым коэффициентом
усиления. В наборной матрице из готовых ПМП (такие матрицы иногда называют «мозаиками») не может
быть обеспечена высокая плотность размещения МЧЭ. Однако при необходимости путем индивидуального
отбора образцов достигается высокая равномерность параметров для всех элементов матрицы.
Примечание.
Магниточувствительные элементы многоэлементных ПМП монтируются на подложке из немагнитного
материала, иначе возникает «магнитная» связь между МЧЭ, что приводит к ухудшению геометрической
разрешающей способности аппаратуры.
Для получения максимальной разрешающей способности геометрические размеры МЧЭ и зазоры между
ними устанавливаются минимальными.
Общим недостатком структур такого типа является наличие большого числа выводов (2n – число элементов),
занимающих большой объем, что накладывает существенные ограничения на количество МЧЭ в структуре , а
также длительное время подключения структуры к электронному тракту, особенно при измерении параметров.
Реализация такого принципа построения многоэлементных магнитоэлектронных устройств для большого числа
МЧЭ при малом шаге между элементами сопряжена со значительными технологическими и схемотехническими
трудностями.
Указанными обстоятельствами объясняется то, что число МЧЭ (или каналов) в подобных структурах не
превышает нескольких десятков, а это, в сочетании с высокой стоимостью приборов, ограничивает область их
применения.
+UП
B
B
B
B
B
B
RB1
B1
B
B2
B
…
B
+UП
B-N
RB-N
RH1
RH-N
1
Выход
1-го
канала
N
К электронному коммутатору
…
ОУ2
ОУ1
-UП
ОУ-N
Выход
N-го
канала
К электронному коммутатору
б)
а)
Рис. 4.2. Многоэлементные линейные структуры МЭУ: а – на основе магниторезисторов; б – на основе
элементов Холла
Более перспективными с точки зрения практического использования являются линейные и матричные
структуры, магниточувствительные элементы в которых по электрическим цепям связаны между собой.
Простейшими из этой группы являются устройства, у которых от каждого элемента имеется только по одному
выводу, а вторые – объединены. Общее число выводов такой структуры равно n+1, где n – число элементов.
Эта структура показана на рис. 4.2.
Наибольшее распространение получилиы матричные многоэлементные структуры с взаимно
ортогональными контактными шинами. Примеры матричных многоэлементных структур с различными ПМП
приведены на рис. 4.3.
B
B
B
а)
X
X
К коммутатору строк
B
Y
B
B
B
B
б)
Y
Y
Y
X
B
B
X
X
B
B
X
К коммутатору строк
Y
Y
К коммутатору столбцов
К коммутатору столбцов
К коммутатору строк
К коммутатору столбцов
в)
Рис. 4.3. Примеры матричных МЭУ с различными ПМП: а – магниторезисторное; б – магнитодиодное;
в – магниторезистор-диодное.
Страница 160
Эти устройства (рис. 2.3) позволяют сократить число внешних коммутационных соединений за счет
использования группового параллельного присоединения магниточувствительных элементов к взаимно
перпендикулярным токоведущим шинам, где элементы столбцов присоединены к отдельным вертикальным
шинам, а элементы строк – к горизонтальным.
Опрос элементов в таких приборах в заданной последовательности осуществляется электрическим способом
с помощью вертикального и горизонтального коммутирующих устройств .
Наличие внутренних электрических связей между элементами (если их число в структуре, равном m × n)
,позволяет при последовательном опросе каждого элемента использовать внешние коммутаторы с числом
каналов m и n.
Выигрыш в количестве необходимых коммутируемых каналов по сравнению со структурой с полной
электрической развязкой составляет:
(4.1)
где m и n – соответственно число строк и столбцов.
К недостаткам использования структур с внутренней электрической связью относятся утечки по
токоведущим шинам и по подложке, коммутационные переходные процессы и перекрестные связи.
Перекрестные связи, проявляющиеся в наложении сигналов с неопрашиваемых элементов на сигнал с
опрашиваемого элемента, приводят к искажению сигнала с опрашиваемого элемента, а иногда и к полной его
потере. Это происходит потому, что, хотя источник питания подключается непосредственно к опрашиваемому
элементу, через сопротивление нагрузки идет ток не только от опрашиваемого элемента, но и со всех остальных
элементов, причем степень вклада в общий ток, проходящий через нагрузку, токов с неопрашиваемых элементов
зависит от способа коммутации сигнала.
Магниточувствительные элементы, скомпонованные в многоэлементную матрицу с адресными шинами,
могут коммутироваться внешним коммутатором различными способами. На рис. 4.4 приведена функциональная
схема магнитоприемного устройства на основе магниторезисторной матрицы, на примере которой могут
рассматриваться несколько способов внешней коммутации МЧЭ.
Ключи строк
Y
X
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
ri
UП
Ключи столбцов
RH
Рис. 4.4. Функциональная схема магнитоприемного устройства на основе матрицы
магниторезисторов
Страница 161
Необходимые строки и столбцы подключаются к источнику питания с помощью ключевых элементов.
(см. рис. 4.4). Поэтому возможны следующие способы коммутации ключей:
• все ключи всех неопрашиваемых элементов разомкнуты, замкнуты только ключи опрашиваемого элемента;
• все ключи свободных от опроса элементов заземлены;
• все столбцовые ключи свободных от опроса элементов заземлены, а строчные – разомкнуты;
• все столбцовые ключи свободных от опроса элементов разомкнуты, а строчные – заземлены.
Каждый из предложенных способов имеет достоинства и недостатки, поэтому выбор конкретного способа
зависит от условий использования магнитоэлектронного устройства. (Подробнее см. [6]).
Многоэлементные магнитоприемные устройства с накоплением сигнала
Структурам, работающим в режиме мгновенного действия, свойствен низкий уровень сигналов, снимаемых
с нагрузки. При воздействии на полезный сигнал перекрестных искажений и фронтов коммутирующих
импульсов выделение полезного сигнала в такой структуре без применения специальных схем его обработки
становится проблематичным. В этой связи представляют интерес структуры, в которых за время между двумя
очередными опросами элемента может осуществляться полное или частичное интегрирование (накопление)
установившегося значения электрического сигнала. Принцип действия структур с накоплением заряда основан
на использовании процессов заряда и разряда емкости. (Подробнее см. [6].).
Наибольший эффект от использования принципа интегрирования сигнала можно получить в схемах с
полным накоплением. Такие схемы реализуются путем использования самого магниточувствительного элемента
(например, емкости магнитодиода в структуре магнитодиод–диод либо емкости конденсатора, подключаемого
параллельно каждому магниторезистору в структуре магниторезистор-диод или параллельно магнитодиоду).
На рис. 4.5. приведены примеры двух типов многоэлементных магниточувствительных структур с накоплением
заряда.
К коммутатору столбцов
Y
B
B
B
B
X
К коммутатору строк
X
Рис.
4.5.
Примеры
многоэлементных магниточувствительных
структур с полным
накоплением заряда: а –
магнитодиод-диодная; б –
магниторезистор-диодная
Y
Y
Y
B
B
X
B
B
X
К коммутатору строк
К коммутатору столбцов
б)
а)
Принцип действия магниточувствительной структуры типа «магниторезистор–конденсатор–диод»
проиллюстрирован схемой, приведенной на рис. 4.6. В данной структуре должна использовауеться
тонкопленочная магниточувствительная матрица с высоким значением сопротивления МЧЭ (RMR >> 10 кОм).
C MR
RMR
Источник
питания
Сд
RMR
RMR
C MR
Сд
Кл4
C MR
Сд
RMR
Кл3
Кл2
Сд
Рис. 4.6. Схема структуры с полным
накоплением заряда
C MR
Кл1
CP
UП
RH
Выход
UC
Страница 162
Схема (рис. 4.6) работает следующим образом. .
При замыкании ключа Кл через емкость СMR, подключенную параллельно МЧЭ, протекает зарядный ток,
заряжающий емкость СMR (при В = 0) до напряжения UП с постоянной времени, равной τЗ = τд.пр (СMR + CД), (где
τд.пр – постоянная времени диода.)
При размыкании ключей Кл емкость СMR разряжается через сопротивление магниточувствительного
элемента RMR с постоянной времени, равной τР = RMR × СMR. При этом величина разряда емкости будет равна:
(4.2)
где IP (t) – ток разряда;
ТНАК – время между двумя соседними импульсами опроса, определяемое степенью воздействия на МЧЭ
управляющего магнитного поля.
Таким образом, после первого разряда емкости СMR потенциал в магниточувствительной ячейке изменяется
на значение, пропорциональное величине индукции управляющего магнитного поля.
При следующем опросе МЧЭ емкость СMR дозаряжается до напряжения источника питания UП на значение
заряда:
(4.3)
где TИ – длительность опрашивающегоимпульса, причем
(4.4)
При этом ток дозаряда IЗ (t), зависящий от степени предшествующего разряда, создает на сопротивлении
нагрузки RH напряжение сигнала, в котором заключена информация о средней величине индукции управляющего
магнитного поля В за время между соседними импульсами, называемое временем накопления ТНАК. На рис.
4.7. показаны без дополнительных объяснений временные диаграммы процессов, происходящих в структуре с
полным накоплением заряда.
UП
а)
t
б)
t
IР
UС = UП
В=0
IЗ
в)
t
B
г)
IЗ
д)
t
В>0
t
IР
Рис. 4.7. Временные диаграммы процессов, происходящих в структуре с полным накоплением заряда
Страница 163
Из (рис. 4.7) видно, что значение информационного заряда при постоянных параметрах схемы (RMR,СMR),
электрическом (U П) и магнитном (В) режимах ее работы определяется временем накопления (ТНАК),
удовлетворяющим условию:
(4.5)
где QШ – заряд, обусловленный собственными шумами МЧЭ, диода и схемы
коммутации;
I0 – рабочий ток МЧЭ при В = 0.
Без промежуточных объяснений укажем, что оптимальное время накопления определяется из условия:
(4.6)
где К – кратность изменения сопротивления МЧЭ (R0/RB).
Импульс тока в нагрузке при опросе элемента определяется по формуле:
(4.7)
Это означает, что в данной схеме достигается усиление выходного тока в ТНАК / τИ раз по сравнению с
усилением схемы мгновенного действия. Степень этого усиления, как следует из выражения (4.6), будет тем
больше, чем больше емкость СM.
(Более подробно см.[6]).
Многоэлементные и многоканальные магнитоэлектронные устройства пока не нашли широкого
распространения. Но по мере совершенствования технологии их изготовления и снижения себестоимости
они займут достойное место в ряду приборов, позволяющих значительно расширить сферу применения изделий
микромагнитоэлектроники.
Работы по созданию таких приборов проводятся ведущими зарубежными фирмами и институтами России.
В работе [4] дана схема интегральной матричной магниточувствительной структуры (рис. 4.8),
разработанной ГНЦ «Технологический центр» (г. Зеленоград). В этой структуре используются двухколлекторные
МОП магнитотранзисторы. Опрос МЧЭ осуществляется двумя коммутаторами, размещенными на том же
кристалле. Основные параметры прибора приводятся в табл. 4.1.
К схеме нормализации сигнала
+UП
В
В
Адрес строки
Рис. 4.8. Схема матричной магниточувствительной структуры
Коммутатор строк
Магнитотранзисторы
В
В
Магнитотранзисторы
В
В
Магнитотранзисторы
Коммутатор столбцов
Адрес
столбца
Страница 164
Таблица 4.1. Основные параметры интегральной матричной магниточувствительной структуры
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
Наименование параметра. Единица измерени
Значение параметра
Тип магниточувствительного элемента
КМОП-магнитотранзистор
Органицация
матрица
Количество МЧЭ
30 х 30
Размер чувствительной зоны, мм2
10 х 10
Геометрическая разрешающая способность, мкм
300
Способ коммутации
построчно-координатный
Направление регистрируемого магнитного поля перпендикулярное плоскости МЧЭ
Дополнительную информацию см. в [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].
Список литературы к главе 4
1. Абакумов А. А. Магнитная интроскопия. – М.: Энергоатомиздат, 1996. – 272 с.
2. Абакумов А. А. (мл.), Амеличев В. В., Галушков А. И., Лебедев В. Л. Исследование интегрального
матричного преобразователя магнитного поля на основе МОП магнитотранзисторов. Тезисы докладов IX
научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля
и управления (датчик–97)», г. Гурзуф, 1997.
3. Абакумов А. А. Устройство преобразователей для визуализации магнитных полей. // Дефектоскопия, № 1,
1984.. – С. 3–13.
4. Абакумов А. А., Абакумов А. А. (мл.), Галушков А. И. Перспективы применения матричных
полупроводниковых преобразователей магнитного поля в системах слежения за развитием трещин
трубопроводов и резервуаров. Тезисы докладов X научно-технической конференции «Датчики и
преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (датчик–98)», г. Гурзуф.
5. Абакумов А. А., Абакумов А. А. (мл.), Чаплыгин Ю. А., Галушков А. И. Оценка погрешностей, калибровка
и градуировка полупроводниковых матричных сканеров распределенных магнитных полей. Тезисы докладов
VIII научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения,
контроля и управления (датчик–96)», г. Гурзуф, 1996.
6. Аксененко М. Д., Бараночников М. Л., Смолин О. В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. – М.:
Энергоиздат, 1984. – 208 с.
7. Сухоруков В. В., Вайнберг Э. И., Кажис Р–И. Ю., Абакумов А. А. Неразрушающий контроль // Интроскопия
и автоматизация неразрушающего контроля: В 5 кн. / Под ред. В. В. Сухорукова. – М.: Высшая школа,.
1993. – Кн. 5. – С. 290–322.
8. Щербинин В. Е., Шлеенков А. С., Булычев О. А., Мизгунов Ю. А. Тонкопленочный матричный
преобразователь для систем магнитной микроскопии и томографии. // Материалы XIY Российской научнотехнической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». – М., 1996. – 218 с.
Страница 165
Глава 5. Микроэлектронные магнитные датчики
Датчиком, или первичным преобразователем, называют устройство, осуществляющее восприятие
контролируемой величины и преобразование её в величину, удобную для передачи по линиям связи и
дальнейшего преобразования.
Для понимания принципов действия ниже приведем основные понятия, а также специфические параметры
и определения, характерные для датчиков.
Основные характеристики датчиков
Входная величина – величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком.
Выходной сигнал датчика представляет собой определенное изменение несущей величины (тока,
напряжения и т.п.), используемое для передачи информации. Изменение (модуляция) несущей величины может
осуществляться по амплитуде, по переменному признаку (изменение частоты, длительности воздействия,
порядка чередования воздействий), а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах
связи). Классификация электронных датчиков по выходным сигналам приведена в табл. 5.1.
Таблица 5.1.Классификация электронных датчиков по выходным сигналам
Виды сигналов
Ток
Характеристика
сигнала
Непрерывные по времени
Напряжение
Сила
Сила
Напряжение
постоян- переменпостоянного
ного
ного
тока
тока
тока
Способ
модуляции
По амплитуде
Название сигнала
Сигнал по
Токовый Токовый
Единица
напряжению
мА
мА
измерения
мВ
Примерные
количественные
характеристики.
Вид сигнала.
0…5
0…20
0…100
0…5
0…20
0…100
0…20
0…50
0…100
0..1 000
0…5000
0…10000
Дискретные во времени
Напряжение
переменного тока
По
амплитуд
е
Сигнал
по
напряжению
Импульсы постоянного тока (видеоимпульсы)
Импульсы переменного тока (радиоимпульсы)
По
По
По
По
По
комбичислу
ампли- длительПо
фазе
нации
импульсо
туде
ности
частоте
импульса
импульсо
в
импульса импульса
в
АмплиФазоШиротнотудноимпульЧислоимпульЦифроЧастот- импульсная
импульсная
вой
ный
сная
модулясный
модуляци
код
модуляци
ция
код
я (ШИМ)
я (АИМ)
(ФИМ)
Статическая характеристика датчика – функциональная зависимость между изменениями входной X и
выходной Y величинами.
Наиболее приемлемой для большинства случаев является линейная характеристика, определяемая
зависимостью:
(5.1)
где
- называется чувствительностью датчика.
При S=∞ ?характеристика принимает релейный характер.
Реле можно рассматривать, как частный вид датчика, который характеризуется скачкообразными
изменениями выходной величины Y при определенных значениях входной величины Xсраб и Xотп (см. рис.5.1.б),
называемых соответственно параметром срабатывания и отпускания реле.
Отношение
- называется коэффициентом возврата,
Страница 166
а разность
- называют дифференциалом реле.
Гистерезисом датчика называется неоднозначность хода его статической характеристики при увеличении
или уменьшении входной величины (см. рис. 5.1.).
∆xr
Y
3
1
Y
2
y
∆y
x
∆x
0
XОТП
X
а)
∆X
XСРАБ
X
б)
Рис.5.1. К понятию гистерезиса
В общем виде гистерезис выражается в процентах:
(5.2)
где Xмакс – Xмин - изменение входной величины в рабочих пределах.
Для магнитоуправляемых интегральных схем и магнитных датчиков на их îñíîâå гистерезис ∆B,
определяется как:
(5.3)
где Всраб - индукция срабатывания магнитоуправляемой микросхемы, мТл;
Вотп - индукция отпускания магнитоуправляемой микросхемы, мТл.
Порог чувствительности датчика определяется как минимальное изменение входной величины,
вызывающее изменение выходного сигнала.
Основная погрешность датчика характеризуется максимальной разностью между получаемой величиной
выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной
входной величины при нормальных условиях. Она выражается как в абсолютных единицах:
(5.4)
Так и в относительных. В последнем случае её обычно относят к разности предельных значений выходной
величины и выражают в процентах:
(5.5)
Нормальными условиями эксплуатации датчиков обычно считаются следующие:
•
•
•
температура окружающей среды 20±5°С;
атмосферное давление 760±20 мм. рт. ст.;
относительная влажность окружающего воздуха 60±20%.
Вибрации, паразитные электрические и магнитные поля при этом отсутствуют.
Дополнительные погрешности датчика это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по
сравнению с их номинальными значениями. Они выражаются обычно в процентах, отнесённых к изменению
мешающего фактора на определённую величину (например, температурная погрешность 1,5 % на 10 °С;
погрешность от внешнего магнитного поля 0,2 % на 10 мТл и т.д.).
Страница 167
Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика при быстрых изменениях входной
величины.
Динамическая характеристика зависит от внутренней структуры датчика и его элементов. Она может быть
задана различными методами. Однако наиболее широко используют амплитудно-частотную и фазовую
характеристики.
Частотная характеристика это зависимость чувствительности датчика от частоты изменения выходного
сигнала.
Фазовая характеристика это зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной величин от
частоты синусоидального изменения входной величины.
Общие требования, предъявляемые к датчикам
В зависимости от конкретных условий применения датчиков к ним предъявляются некоторые общие
требования. [1]
Ниже приведён примерный перечень этих требований:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
однозначная зависимость выходной величины от входной;
высокая избирательность; датчик должен реагировать только на изменение той величины, для которой
он предназначен;
минимальное изменение характеристик под влиянием внешних факторов (например, температуры, угла
наклона, вибраций и т.п.);
определенный вид зависимости между выходной и входной величинами;
высокая чувствительность (отношение приращения выходной величины к приращению входной);
определенные динамические характеристики (постоянная времени);
повторимость характеристик (взаимозаменяемость);
стабильность характеристик во времени;
устойчивость к химическим воздействиям измеряемой и окружающей сред;
устойчивость против механических, термических, электрических и т.п. перегрузок;
взрывобезопасность;
простота и технологичность конструкции;
удобство монтажа и обслуживания;
низкая стоимость при серийном производстве.
Зарубежная классификация микроэлектронных датчиков
Зарубежными производителями используется следующая классификация микроэлектронных датчиков и
их составляющих.
Полупроводниковый чувствительный элемент (ПЧЭ) датчика считается основным элементом,
выполняющим функцию преобразователя управляющего магнитного поля в электрический сигнал.
ПЧЭ наиболее хорошо приспособлены к массовому производству, однако они не имеют определённых
метрологических характеристик.
Первичный преобразователь (ПП) (Sensor) представляет собой ПЧЭ, закрепленный в корпусе, без каких
либо внешних элементов коррекции и обработки сигнала. ПП обладает полным набором метрологических
характеристик, но все они индивидуальны, а их разброс достигает: по величине чувствительности ± 50%;
начального выходного сигнала ± 20% от диапазона выходного сигнала; по температурному дрейфу нуля ±
5%, а дрейфу чувствительности ± 10%.
Унифицированный первичный преобразователь (УПП) (Transducer) включает ПП и элементы
балансировки, настройки и коррекции характеристик (как правило, пассивные). УПП одной модели имеют
близкие характеристики и могут быть с известной степенью точности взаимозаменяемыми.
В некоторых случаях термин Transducer применяют к полностью унифицированным датчикам с выходным
сигналом в виде напряжения.
Датчик (Transducer) имеет полностью унифицированные метрологические характеристики и обычно
токовый выходной сигнал дистанционной передачи, что достигается добавлением к ПП (или УПП) электронного
преобразователя и проведения индивидуальной настройки датчика. Такая настройка составляет 60...70%
трудоемкости изготовления датчиков и резко ограничивает возможность полной автоматизации их производства.
Вместо термина датчик (sensor) предпочтительным является использование термина «микроэлектронный
датчик».
Зарубежными производителями отмечается, что датчики, изготавливаемые с использованием технологии
микроэлектроники, отличаются большим разнообразием метрологических и эксплуатационных характеристик.
Отличительной чертой массового производства таких датчиков является неизбежный технологический разброс
характеристик, и, как правило, большие дополнительные погрешности. [25]
Страница 168
Интегральные полупроводниковые сенсоры
Всемерное развитие технологических процессов микроэлектроники привело к созданию полностью
интегральных полупроводниковых приборов получивших наименование «Интегральные полупроводниковые
сенсоры» (ИПС).
Интегральные полупроводниковые сенсоры представляют собой отдельный класс твердотельных датчиков,
чья основная особенность – конструктивно-технологичес-кая и функциональная интеграция различных
элементов измерительного канала на одном полупроводниковом кристалле («чипе») с использованием микро
- и нанотехнологий.
Простые ИПС, как правило, содержат на чипе один чувствительный элемент (первичный преобразователь)
и простейшие элементы вторичного преобразования (мостовые схемы, преобразователи сопротивления,
предусилители и т.п.) и используются для преобразования какой-либо одной физической величины в
электрический сигнал. Их можно отнести к разряду интегральных микросхем низкой и средней степени
интеграции.
Сложные ИПС – могут содержать на чипе несколько чувствительных преобразующих элементов (ЧЭ),
различные элементы вторичного преобразования (усилители, коммутаторы, преобразователи типа «напряжениячастота», АЦП и др.), устройства обработки и хранения данных (компараторы, счетчики, сумматоры,
перемножители, схемы памяти, процессоры) и актюаторные элементы.
Сложные ИПС относятся к разряду интегральных микросхем средней и высокой степени интеграции.
ИПС с большим количеством однородных чувствительных элементов (например, матричных структур
магниточувствительных элементов) – называются сенсорами матричного типа.
Устройства, способные выполнять функции измерения и контроля нескольких физических величин,
автоматического переключения каналов и коррекции систематических погрешностей, адаптации к изменению
эксплуатационных условий, вычислений, сравнений, принятия решений и формирования соответствующих
сигналов, называют интеллектуальными сенсорами.
Магнитные ИПС представляют отдельную большую группу сложных интегральных полупроводниковых
сенсоров для построения которых типовыми элементами являются интегральные преобразователи Холла, 2-х
коллекторные транзисторы, а также усилители и ключи на биполярных и КМОП транзисторах и т.д.
Большинство серийно выпускаемых сенсоров являются простыми ИПС.
В них, как кажется на первый взгляд, мало проявляются преимущества интеграции элементов, поскольку
для создания приборов и систем к простым интегральным сенсорам, как и к дискретным, все равно приходится
подключать устройства интерфейсной электроники, а невысокая стоимость чипов часто подавляется
относительно высокой стоимостью корпусов датчика или прибора.
К преимуществам ИПС можно отнести следующее:
•
•
•
•
•
•
малые габариты, масса, потребляемая мощность, тепловая инертность, разброс геометрических и
электрофизических параметров элементов;
высокая воспроизводимость элементов;
возможность внутренней и автоматической компенсации систематических погрешностей;
возможность унификации выходных сигналов по типу и по величине для устройства сопряжения с
устройствами обработки и отображения данных;
технологическая совместимость с типовыми элементами ИМС;
возможность создания новых типов сенсоров и микросистем, которые принципиально не могут быть
изготовлены по другим технологиям.[20]
Страница 169
5.1.Магнитные датчики для регистрации перемещений
Магнитные датчики для регистрации перемещений контролируемых объектов относятся к, т.н.
функционально-ориентированным магнитным датчикам, которые составляют основную группу
магнитоэлектронных приборов.
Функционально-ориентированный магнитный датчик – это специально сконструированное
магнитоэлектронное устройство, предназначенное для решения узкого круга задач. Например, для регистрации
перемещений или контроля скорости вращения контролируемого объекта, угла наклона и т.п.
Магнитные датчики перемещения (МДП) являются наиболее универсальными магнитоэлектронными
устройствами, поскольку они используются и как самостоятельные датчики, и как составные элементы многих
других более сложных датчиков.
Некоторые датчики содержат специальные элементы, преобразующие давление управляющего элемента
(например, поводка, штока и др.) в перемещение, и выходные преобразователи магнитного поля, преобразующие
перемещение в выходной сигнал. Аналогичное устройство имеют многие датчики уровня, расхода и
температуры.
Датчики перемещения находят широкое применяются в различных областях науки, техники и в
производстве, в том числе, в металлообрабатывающем оборудованиия с программным управлением, различного
вида транспортерах, роботах и микророботах, подъемных механизмах, поточных линиях с автоматизированным
управлением, в бытовой технике и аппаратуре и т.п.
Кроме того, датчики перемещения используются как нулевые органы датчиков с силовой компенсацией и
в других устройствах.производстве. В том числе, в металлообрабатывающем оборудования с программным
управлением, различного вида транспортерах, роботах и микророботах, подъёмных механизмах, поточных
линиях с автоматизированным управлением, в бытовой технике и аппаратуре и т.п.
Отличительные особенности магнитных датчиков перемещения:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
высокая надежность работы при относительной простоте конструкции и электрической схемы;
отсутствие механического контакта между перемещающейся деталью и датчиком;
высокая точность фиксации положения;
высокая разрешающая способность и низкий порог чувствительности;
возможность эксплуатации в условиях агрессивной окружающей среды;
низкая потребляемая мощность;
малые габариты,
большой срок службы;
низкая стоимость и пр.
На рис. 5.2. приведена классификация датчиков перемещения по характеру связи с объектом и виду
выходного сигнала, предложенная М. Феррети [26]
Датчики, регистирирующие
перемещения объекта
Рис. 5.2. Классификация датчиков по характеру связи с объектом и виду выходного сигнала
Страница 170
Характер взаимодействия МЧЭ датчиков с управляющим магнитным полем
Все магнитные датчики имеют одно общее свойство – их магниточувствительные элементы
взаимодействуют с полем постоянного магнита (ПМ) и ферромагнитными элементами объектов контроля.
Характер взаимодействия с ПМ и реакция датчиков типичны для абсолютного большинства видов
преобразователей магнитного поля.
Для пояснения принципов работы датчиков, использующих постоянные магниты, на рис.5.3...5.7 приведены
без подробных разъяснений наиболее часто встречающиеся схемы и характер взаимодействия ПМ с МЧЭ.
[37]
Концентратор
магнитного
поля
N
S
S
N
а)
б)
Рис. 5.3. Распределение поля рассеяния постоянного магнита (а), и влияние концентратора - (б)
На рис. 5.4. приведена зависимость магнитной индукции от расстояния до магнита.
Индукция
B
B
B1
B1
B2
B2
D
D1
С концентратором
D2 Расстояние
Без концентратора
D1 D2 D3 D4
S
S
Ввнеш.
МЧ
Э
D
Расстояние
ие
оян
т
та
с
гни
Рас
а
ем
ени
ж
и
Дв
а)
Концентратор
магнитного
поля
Ввнеш.
МЧ
Э
и
оян
сст
Ра
Д
е
а
ем
ни
е
ж
ви
та
гни
в)
Рис. 5.4. Зависимость индукции ПМ от расстояния до МЧЭ (а), и при использовании концентратора
магнитного поля - (б)
В случае, изображенном на рис.5.4.а, однополюсный магнит приближается перпендикулярно поверхности
магниточувствительного элемента. Зависимость В=F(D) имеет гиперболический характер. С определенной
2
степенью приближения можно утверждать, что В ~ 1/D .
При использовании простейшего концентратора магнитного поля (например, тонкой пластины из пермаллоя
или феррита) гиперболическая кривая В=F(D) смещается параллельно вверх. (См. рис. 5.4.б.)
Страница 171
B
Индукция
Индукция
B
Без см. магнита
Со смещающим магнитом
0 D1 D2
Расстояние
D
Со смещающим
магнитом
Смещающее поле
-B
ВСМ
Смещающее поле
D
Без см. магнита
Расстояние
D1 D2
S
Ввнеш.
а)
ит
агн
м
е
е
яни
ни
же
сто
с
и
а
в
Р
Д
Смещающий
магнит
МЧ
Э
S
а
Рис. 5.5. Зависимость индукции ПМ от расстояния до
МЧЭ при использовании смещающих магнитов разной
б)
Ввнеш.
полярности
При проектировании аналоговых магнитоэлектронных приборов обычно используют короткий
квазилинейный участок характеристики D1-D2 или применяют специальную схему, вычисляющую функцию
«1/D». В зависимости от параметров ПМ и ПМП линейный участок может лежать в диапазоне от 1 до 50 мм.
При использовании смещающих магнитов разной полярности кривые В=F(D) принимают вид, приведенный
на рис. 5.5.а,б.
Индукция
В
Рис. 5.6. Зависимость индукции магнитного поля
при боковом перемещении ПМ
На рис. 5.6. приведена зависимость индукции магнитного
поля при боковом перемещении ПМ.
При боковом перемещении постоянного магнита и
сохранении постоянным зазора, на МЧЭ воздействует магнитное
поле с положительным направлением потока в случае лежащего
напротив «южного» полюса, и с отрицательным - в случае
«северного» магнитного полюса.
Индукция
B
D Расстояние
D1
B1
B2
D
Расстояние
-D
-D2 -D1
Ввнеш.
D1
D2
МЧЭ
и
оян
сст
Ра
е
S
Зазор
D
D2
0
ени
иж
в
Д
ита
агн
м
е
Ввнеш.
МЧЭ
оян
сст
Ра
Зазор
N
е
иж
Дв
ит
агн
м
е
ни
а
ие
S
На рис. 5.7. приведена зависимость индукции
магнитного поля при параллельном перемещении
двухполюсного и трехполюсного магнитов.
Рис. 5.7.а. Зависимость магнитной индукции при
параллельном перемещении двухполюсного магнита с
зазором
Страница 172
B
В
B1
B2
Индукция
D3
Расстояние
D2 D1
Индукция
D4
D
D
D
D
Расстояние
-В
Ввнеш.
мчэ
S
Р
е
ни
тоя
с
с
а
Д
виж
ен и
е
гн
ма
S
а
S
ит
р
N
Зазор
Заз
о
N
S
N
МЧЭ
е
яни
сто
с
а
Р
N
Ввнеш.
ита
агн
м
е
ени
иж
в
в)
Д
б)
Рис. 5.7. Зависимость магнитной
индукции при параллельном перемещении:
двухполюсного магнита; в - трехполюсного магнита.
Принцип действия и конструкции магнитных датчиков перемещения
Принцип действия магнитных датчиков перемещения (МДП) основан на изменении электрического сигнала
на выходе МДП при изменении положения контролируемого объекта. Так как чувствительным элементом
датчика перемещения является преобразователь магнитного поля, то изменение выходного сигнала фиксирует
изменение величины индукции магнитного поля, воздействующего на магниточувствительный элемент МДП.
Основные характеристики магнитных датчиков определяются параметрами используемых ПМП и
магнитной системы.
Несмотря на большое различие последних, все они могут быть разбиты на две основные группы:
•
•
датчики с разомкнутой магнитной системой;
датчики с замкнутой магнитной системой.
Датчики с разомкнутой магнитной системой представляют собой устройства, управление которыми
осуществляется при помощи магнитных шунтов, закорачивающих магнитное поле, сформированное
встроенным постоянным магнитом. В качестве шунта обычно используется перемещающаяся ферромагнитная
деталь, установленная на объекте контроля.
Вариант конструкции разомкнутой магнитной системы схематически приведен на рис. 5.8. На одном из
полюсов постоянного магнита 1 находится полюсной наконечник 2 с преобразователем магнитного поля 3.
При перемещении ферромагнитной детали 4 вблизи полюсного наконечника 2 усиливается магнитный поток
на полюсном наконечнике, приводящий к изменению сигнала на МЧЭ. [11]
4
3
2
1
МЧЭ
RB
N
Fe
RB
RB =F(B)
МЧЭ
N
RB
RV
S
S
ФV
ФV
R0
BV
B
Рис. 5.8. Разомкнутая магнитная система датчика перемещения: 1 - постоянный магнит; 2магнитопровод; 3- магниточувствительный элемент (магниторезистор): 4 - ферромагнитная подвижная
деталь
Страница 173
Датчики с замкнутой магнитной системой (рис. 5.9) представляют собой устройства, управление
которыми осуществляется при помощи перемещающихся постоянных магнитов, установленных на объекте
контроля.
RB= F(B)
RB
2
1
Rмакс
2
Rv
Ф
ФV
Rмин
4
3
N
S
Ro
B
BV
ФV RB
R0
B мин
0
B макс
Рис. 5.9. Замкнутая магнитная система датчика перемещения: 1 - постоянный магнит; 2- магнитопровод;
3-магниточувствительный элемент (магниторезистор): 4 - постоянный магнит на подвижной детали
Вариант конструкции замкнутой магнитной системы схематически показан на рис. 5.9. При перемещении
подвижной детали с закрепленным на ней постоянным магнитом 4 вблизи воздушного зазора, в котором
помещен ПМП, магнитный поток, пронизывающий плоскость МЧЭ, сначала уменьшается, а затем
увеличивается. Если постоянный магнит 4 перемещать не сверху вниз, а, наоборот, снизу вверх, то магнитный
поток, пронизывающий МЧЭ, будет сначала возрастать, а затем убывать.
Это свойство может быть использовано для определения направления перемещения подвижной детали.
При проектировании датчиков линейного перемещения используют зависимости В=F(D), приведенные
на рис.5.4...5.7. При этом в качестве магниточувствительных элементов используется широкий круг дискретных
ПМП (например, элементы Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы) или
магниточувствительные микросхемы на их основе.
При использовании зависимости, приведенной на рис.5.3.а когда однополюсный магнит приближается
перпендикулярно поверхности датчика, гиперболическую кривую плотности магнитного потока можно
линеаризовать путем выбора короткого отрезка кривой или путем подключения к датчику схемы, вычисляющей
значение «1/X». В зависимости от величины индукции магнита измеряемый путь может лежать в диапазоне от
2 до 30 мм.
При использовании всего диапазона положительных и отрицательных значений плотности магнитного
потока в процессе, так называемого двухполюсного аксиального приближения, (рис. 5.7.а) получается
приблизительно линейная кривая плотности магнитного потока. В этом случае два связанных друг с другом
одноименных магнита, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, аксиально движутся к
поверхности датчика. Датчик линейного перемещения может располагаться в воздушном зазоре и в среднем
положении не подвергается воздействию магнитного поля (плотность магнитного поля равна нулю), так как
два противоположно направленных магнитных поля взаимно уничтожаются. При сдвиге магнита в одну из
сторон начинает преобладать положительная или отрицательная составляющая магнитного поля.
Указанный характер взаимодействия (рис. 5.7.а) отличается хорошей линейностью и позволяет при помощи
магнитов соответствующей длины производить измерение расстояний до 200 мм. [27]
Следует иметь в виду, что в обоих типах магнитных система преобразователь магнитного поля имеет
начальное магнитное смещение. Это важно для случая использования в качестве ПМП магнитодиодов и
магниторезисторов, так как появляется возможность повышения чувствительности датчика.
Варианты конструктивного оформления датчиков перемещения
Простейший датчик перемещения (рис. 5.10) содержит только один из дискретных магниточувствительных
элементов (например, элемент Холла, магниторезистор, магнитотранзистор, магнитотиристор, магнитодиод и
т.п.), размещенных в специальном защитном корпусе, как правило, из немагнитного материала (алюминий,
латунь, пластмасса, керамика и пр.). В случае необходимости в том же корпусе может размещаться миниатюрный
постоянный магнит (рис. 5.11).
При этом следует отметить, что все основные параметры таких датчиков полностью определяются
параметрами МЧЭ.
Рис. 5.10. Устройство датчика перемещения с
разомкнутой магнитной системой
Страница 174
Корпус
МЧЭ
Вывод 1
Вывод 3
Рис. 5.11. Устройство датчика перемещения с
встроенным постоянным магнитом
Вывод 2
Постоянный
магнит
«Сложный» датчик перемещения (рис. 5.12), кроме ПМП и магнита содержит ещё электронную схему
усиления и обработки сигнала, а также встроенный источник питания, (например, стабилизатор напряжения).
Магниточувствительный Источник питания
элемент
Корпус
ИП
Выводы
B
Рис.5. 12.Устройство «сложного»
датчика перемещения со смещающим
магнитом и электронной схемой усиления
и обработки сигнала.
Смещающий
магнит
Арматура
5.1.2. Магнитные датчики линейного перемещения
Датчики линейного перемещения (ДЛП) предназначены для преобразования линейного перемещения
объекта контроля в выходной электрический сигнал, пропорциональный этому перемещению.
Основное требования к датчикам линейного перемещения - это линейная зависимость выходного сигнала
от расстояния перемещения.
Принцип работы датчиков линейного перемещения поясняется на рис. 5.13.
Направление перемещения
UВЫХ
UВЫХ
0
Ферромагнитная
деталь, установленная
на контролируемом
объекте
Направление перемещения
UВЫХ
Датчик
линейного
перемещения
UВЫХ
D
0
D
0
Max.
Постоянный магнит,
установленный на
контролируемом
объекте
Датчик
линейного
перемещения
S N
D
0
D
Max.
б)
а)
Рис.5. 13. Принцип работы датчиков линейного перемещения: а- с замкнутой и б- с разомкнутой
магнитной системой
Примеры технической реализации датчиков линейного перемещения
Датчики линейного перемещения на основе магниторезисторов
Магниторезисторы используются для изготовления магнитных датчиков линейного перемещения,
обладающих повышенной точностью. Такие датчики, как правило, имеют небольшую длину рабочего хода.
Для создания таких датчиков используют миниатюрные магнитные системы, характеризующиеся
определенным законом изменения магнитного поля. На рис. 5.14. приведены возможные конструкции замкнутых
магнитных систем датчиков линейного перемещения на магниторезисторах.
Это достигается путем создания специальной формы воздушного зазора, в котором перемещается
магниторезистор (рис. 5.14.а), или использованием др. конструктивных решений. Магниторезистор при этом
жестко связан с приводным механизмом датчика (штоком, поводком и т.п).
Страница 175
а)
б)
МЧЭ
S
в)
МЧЭ
N
S
МЧЭ
N S
Магнитный
шунт
N
Магнитный
шунт
Направление перемещения шунта
Рис. 5.14.Варианты конструкций магнитных систем датчиков перемещения на магниторезисторах
В конструкции ДЛП, схематически показанного на рис. 5.14.б, магниторезистор зафиксирован в воздушном
зазоре магнитной системы, а требуемый закон изменения сопротивления обеспечивается за счет применения
подвижного магнитного шунта, который жестко связан с приводным механизмом.
Если необходимо получить более резкую зависимость сопротивления от перемещения объекта, используют
конструкцию, представленную на рис. 5.14.в. В ней сочетаются специальная форма воздушного зазора
магнитной цепи с использованием подвижного магнитного шунта. При нажатии, например, на шток приводного
механизма датчика такой конструкции перемещаются магниторезистор и магнитный шунт. Напряженность
магнитного поля быстро падает и сопротивление МЧЭ изменяется.
На рис. 5.15 показаны замкнутая магнитная система датчика перемещения, спроектированного по схеме
рис. 5.15.а и зависимость сопротивления магниторезистора (RВ) от расстояния d. В этом датчике примененен
магниторезистор типа СМ4-1. Датчик предназначен для точного контроля малых перемещений. Выходная
характеристика датчика отличается хорошей линейностью. [11]
Постоянный
магнит
Полюсные
наконечники
N
S
∆R / R ∆d = 0,75 %/мкм
RB,Ом
380
Магниторезистор
360
1,6
1,6
d
340
d,мкм
0
20
40
60
0,6
а)
80
б)
100
120
140
160
Рис. 5.15. Датчик перемещения с использованием
магниторезистора типа СМ4-1: а - магнитная система; б выходная характеристика
5.1.3. Магнитные датчики приближения
Датчиками приближения принято называть устройства, назначение которых состоит в выдаче выходного
сигнала («0» или «1») в том случае, если какая-либо перемещающаяся деталь контролируемого объекта достигнет
определенного, наперед заданного положения (Dсраб). Часто такие датчики называют датчиками конечного
положения (ДКП), а также датчиками близости.
В общем виде датчики приближения состоят из магнитной системы и преобразователя магнитного поля в
комплекте со схемой усиления и обработки сигнала ПМП. Принцип действия таких устройств основан на
возникновении электрического сигнала («0» или «1») на выходе датчика при воздействии на него магнитного
поля определенной интенсивности.
Так как напряженность магнитного поля определяется положением перемещающейся детали, то при
приближении ферромагнитной детали контролируемого объекта ближе расстояния, равного Dсраб происходит
срабатывание датчика. При удалении детали на расстояние, равное Dотп датчик возвращается в исходное
состояние.
Принцип работы датчиков поясняется на рис. 5.16.
Страница 176
Uвых.
∆D
Датчик
конечного
положения
UВЫХ
U
DОТП. DСРАБ.
UВЫХ
0
вых.
0
0
D
U1вых.
∆D
U0вых.
D
Max.
а)
D
DОТП. DСРАБ.
Датчик
конечного
положения
S N
D
0
0
U1вых.
Постоянный магнит,
установленный на
Направление перемещения контролируемом
Uвых.
объекте
Ферромагнитная
деталь, установленная
на контролируемом
объекте
Направление перемещения
Max.
б)
Рис. 5.16. Принцип работы датчиков приближения: а- с замкнутой и б- с разомкнутой магнитной
системой
Примеры технической реализации датчиков приближения
Датчики приближения на основе магниторезисторов
На рис. 5.17. показаны магнитная система датчика приближения, спроектированного по схеме рис. 5.14.б
и его выходная характеристика при использовании в качестве МЧЭ – магниторезистора типа СМ4-1.
Характеристика имеет нелинейный характер. Датчик предназначен для точного контроля малых перемещений.
[11]
Постоянный
RB,Ом
магнит
600
N
S
d
Полюсные
наконечники
Магнитный
шунт
(Fe,3 x 3 мм)
500
Магниторезистор
∆R / R ∆d = 2,5 %/мкм
400
1,5
1,5
300
0,7
d,мкм
0
1
б)
3
2
а)
Рис.5. 17. Датчик приближения с использованием магниторезистора типа СМ4-1: а - магнитная система;
б - выходная характеристика
При использовании магнитной системы, приведенной на рис. 5.17.а цепью нагрузки датчика можно
управлять как непосредственно изменением сопротивления магниторезистора, так и при помощи специальных
схем на транзисторах (рис. 5.18) или интегральных микросхемах (рис. 5.19).
+UП (5 B)
R3 100
100
UК,%
90
R1
820
R4
2,2k
Выход
1
80
70
2
60
B
В
50
R2 47
СМ4-1
40
Общий
а)
Рис.5. 18.Датчик приближения с использованием
магниторезистора типа СМ4-1: а - электрическая
схема ; б - выходная характеристика
3
30
20
s,мм
10
0
0,5
1,0
1,5
б)
2,0
Страница 177
+UП ,(5В)
Выход 2
R3
R2*
R1
&
&
Выход 1
&
B
&
R3 220
СМ4-1
В
Общий
Рис. 5.19. Принципиальная электрическая схема датчика приближения с использованием стандартной
логики и магниторезистора СМ4-1
Схема, приведенная на рис. 5.19 достаточно проста и не требует особых пояснений. При приближении к
датчику магнитного шунта, установленного на объекте контроля на определенное расстояние, на выходе схемы
выдается стандартный цифровой сигнал в виде логического «0» или «1». Светодиод VD1 служит для индикации
состояния датчика.
Датчики приближения на основе магнитодиодов
На рис. 5.20 в качестве примера изображена конструкция датчика приближения, выполненная с
использованием магнитодиода. Эта конструкция также не требует особых пояснений.
7
Постоянный магнит 2 (размером 2 х 2 х 10 мм3 ) выполнен из феррита бария (16БА90). Магнитопровод 3
изготовлен из магнитомягкого материала в виде двух пластин толщиной 1 мм.
При отсутствии вблизи торца датчика ферромагнитной детали 7 магнитный поток, замыкая полюсы магнита,
равномерно распределяется по всему периметру и при этом на магнитодиод 1 воздействует магнитная индукция
смещения порядка 80 мТл.
При приближении ферромагнитной детали 7 к торцу датчика наступает такой момент, когда происходит
перераспределение направления замыкания магнитного потока. Основная часть потока, сконцентрированная
пластинами магнитопровода, от торцов этих пластин по кратчайшему воздушному зазору (в котором установлен
магнитодиод) замкнется через ферромагнитную деталь 7. При этом на магнитодиод будет воздействовать
индукция около 100 мТл.
Сигнал от магнитодиода подается на стандартная ТТЛ-схему, которая формирует стандартный выходной
сигнал в виде логического «0» или «1». При отсутствии ферромагнитной детали у торца датчика на выходе
формируется сигнал логической «1», при приближении детали - логического «0».
Датчик устойчиво срабатывает при приближении ферромагнитной детали на расстояние не менее 0,4 мм в
диапазоне температур от –10 до +700 С. [28]
Страница 178
5.1.4. Координаточувствительные магнитные датчики
В качестве координаточувствительных магнитных датчиков (КМД) могут использоваться различные
преобразователи магнитного поля, имеющие соответствующую топологию МЧЭ и включенные
соответствующим образом.
В качестве одного из вариантов такого датчика рассмотрим 2-х координатный датчик линейного
перемещения с использованием двух магниторезисторов, схема которого приведена на рис.5.23.
Uвых(Y)
I
1
Поле
управляющего
магнита
2
I
Рис. 5.21. Схема двухкоординатного магнитного датчика
линейного
перемещения с применением двух
магниторезисторов.
Uвых(X)
Магниточувствительный элемент (рис. 5.21) состоит из одинаковых двух плеч (1 и 2), расположенных под
прямым углом друг к другу. Управляющее магнитное поле имеет квадратную форму со стороной, равной или
большей длины каждого элемента L. Каждый магниточувствительный элемент подключен к источнику тока, и
через него протекает ток I. Если магнитное поле перемещается вдоль оси X, то сопротивление элемента 2
изменяется пропорционально перемещению и соответственно напряжение на его выводах изменяется
пропорционально этому перемещению.
Это перемещение не вызывает изменения сопротивления элемента 2, так как горизонтальное перемещение
не меняет площади элемента, пронизываемую управляющим магнитным полем. Аналогично перемещение по
оси Y вызывает пропорциональное ему изменение выходного напряжения на выводах элемента 2, но не изменяет
напряжение на выводе элемента 1. [16]
При перемещении поля в любом направлении в первом квадранте на выводах элементов 1 и 2 возникают
напряжения, пропорциональные горизонтальной и вертикальной составляющим перемещения:
(5.6)
(5.7)
На рис. 5.22.приведена схема четырехкоординатного датчика для регистрации перемещения в любой
точке плоскостиX,Y
С
I
UВЫХ(Y)
Поле
управляющего
магнита
UВЫХ(Х)
UВЫХ(Х)
В
I
I
А
Рис. 5. 22. Схема четырехкоординатного магнитного
датчика с применением магниторезисторов.
D
I
UВЫХ(Y)
Страница 179
Четыре магниторезисторных элемента (рис. 5.22), каждый длиной L, расположены крестообразно. Элементы
подключены к источникам тока, и через них проходит ток I. Выходное напряжение, пропорциональное
составляющей перемещения по горизонтальному направлению снимается с выводов А и В, а выходное
напряжение составляющей перемещения по вертикальному направлению – с выводов С и D.
Полюсный наконечник имеет квадратную форму со стороной, равной длине каждого элемента L. Начальное
положение датчика имеет место, когда наконечник расположен симметрично относительно центрального
электрода, при этом половина длины каждого МЧЭ находится под воздействием управляющего магнитного
поля и выходные напряжения, снимаемые с концов каждого элемента, равняются нулю. [16]
При перемещении полюсного наконечника в любом направлении на плоскости X-0-Y на выводах элементов
1 и 2 возникают два независимых напряжения со знаком полярности, соответствующих направлению
горизонтальной и вертикальной составляющих перемещения и пропорциональных им:
(5.8)
(5.9)
5.1.5. Промышленные образцы датчиков перемещения
Промышленное производство магнитных датчиков перемещения осуществляется многими зарубежными
фирмами. Наиболее известными являются фирмы: Honeywell, Murata, Allegro , Hitachi , Siemens, RS Components
и др.
Зарубежными фирмами выпускается широкая номенклатура магнитных датчиков перемещения с
использованием практически всех известных типов преобразователей магнитного поля.
Основные параметры и характеристики магнитных датчиков перемещения, выпускаемых ведущими
зарубежными фирмами приводятся в главе 14 тома 2.
Далее в качестве примера приводятся характеристики отдельных типов датчиков перемещения, выпускаемых
зарубежными производителями.
Датчики перемещения на основе магниторезисторов
На рис. 5.23 в качестве примера приведен внешний вид датчика перемещений типа FP-210, который
выпускается фирмой Siemens A.G. с применением дифференциального «монолитного» магниторезистора.
Ферромагнитная деталь
13,5
10
N
FP- 210
Рис. 5.23. Внешний вид и габаритны датчика
перемещений типа FP-210, выпускаемого
фирмой Siemens A.G
S
d
Датчик перемещений типа FP-210 построен по схеме с разомкнутой магнитной системой. Он содержит
два «монолитных» магниторезистора, включенных по дифференциальной схеме и встроенный постоянный
магнит. При этом магниторезисторы R1-2 и R2-3 включаются в схему моста (рис. 5.24.а), что позволяет
компенсировать (в определенных пределах) уход параметров датчика при изменении температуры окружающей
среды.
+UП 5B UВЫХ
1
B
R1
1k
R1-2
2
B
U ВЫХ
R2
1k
R2-3
3
X
Рис. 5.24. Датчик перемещений
типа FP-210: а - схема включения ;
б - форма выходного сигнала
UВЫХ= kx
-UП 5B
а)
0
б)
Страница 180
200
UВЫХ,%
FP-210
UП = 5B
100
Рис. 5.24.в. Выходная характеристика датчика
перемещений типа FP-210
50
d,мм
0
0,1
0,2
0,3
0,4
в)
Датчик (рис. 5.23) функционирует следующим образом. При приближении ферромагнитной детали,
закрепленной на контролируемом объекте, к торцу датчика на выходе моста возникает сигнал разбаланса UВЫХ
изменяющийся в зависимости от положения перемещающейся детали (рис. 5.24.б). При этом имеется в виду,
что ширина перемещаемой детали примерно равна ширине одного МЧЭ (порядка 2 мм). Из кривой (рис.
5.26.б.) видно, что на определенном участке (отмечен пунктирной линией) наблюдается линейная зависимость
между UВЫХ и расстоянием Х.
Характер изменения выходного напряжения UВЫХ, т.е. достижение им сначала максимума, а затем минимума
(или наоборот) зависит (при неизменной полярности источника питания моста) от направления движения
перемещаемой ферромагнитной детали.
Так если деталь перемещается по отношению к торцу датчика снизу вверх, то изменение напряжения UВЫХ
имеет сначала максимум, а затем минимум, а при перемещении сверху вниз UВЫХ будет иметь сначала минимум,
а затем максимум.
Это обстоятельство может быть использовано для определения направления перемещения подвижной
ферромагнитной детали. С этой целью напряжение UВЫХ моста подается на вход переключающей схемы,
гистерезис которой имеет несколько большее значение, чем возможные при отсутствии перемещаемой детали
колебания значения UВЫХ . В этом случае переключающая схема будет фиксировать состояние, соответствующее
последнему экстремуму UВЫХ .
На рис. 5.24.в. изображена зависимость выходного сигнала UВЫХ в % от расстояния d между торцами
подвижной ферромагнитной детали контролируемого объекта и датчика. За 100 % значения сигнала принято
напряжение на выходе моста при d = 0,2 мм.
Масса FP-210 составляет всего 2,4 г.; диапазон рабочих температур от -25 до +800 С ; предельная частота
переключений до 20 кГц. Величина сигнала на выходе моста при напряжении питания 5 В и расстоянии между
ферромагнитной деталью и торцом датчика d = 0,2 мм составляет 850 мВ, а при удалении пластины на расстояние
больше 5 мм составляет не более 180 мВ.
Датчики линейного перемещения на основе МЧМС
Конструкции магнитных датчиков линейного перемещения с применением магниточувствительных
интегральных схем практически мало чем отличаются от приборов, разработанных с применением иных
преобразователей магнитного поля.
На рис. 5.25 в качестве примера приведен внешний вид магнитного датчика линейных перемещений типа
APS3A2AA.
Направление перемещения
3
2
4
Рис. 5.25. Внешний вид датчика линейного перемещения
типа APS3A2AA: 1 – магниточувствительная ИС; 2 постоянный магнит; 3 - поводок; 4- пластмассовый
корпус; 5 - 3-х проводный кабель
1
5
Страница 181
В качестве преобразователя магнитного поля в датчике APS3A2AA использована кремниевая
магниточувствительная микросхема 1. В состав датчика входит миниатюрный постоянный магнит 2, жестко
соединенный с поводком 3.
Вектор перемещения контролируемого объекта передается датчику через поводок 3, который перемещает
постоянный магнит 2 параллельно чувствительной поверхности МУМ.
Все элементы датчика размещаются в пластмассовом корпусе 4 из которого выходит 3-х проводный кабель
5, соединяющий датчик с внешними устройствами.
Основные параметры датчика типа APS3A2AA приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.2. Основные параметры датчика типа APS3A2AA
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Наименование параметра, единица измерения
Длина рабочего хода, мм
Чувствительность, мВ/мм
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА
Выходной ток, мА, не более
Нелинейность характеристики преобразования, %
Постоянная времени, мкс , не более
Повторяемость, %
Диапазон рабочих температур, 0С
Габаритные размеры, мм
10
Диапазон значений
19
237
8…16
10
10
±2,5
3
< 1,0
-20…+85
34 x 34 x 22
На рис. 5.26 приведена конструкция датчика линейных перемещений, выпускаемого фирмой «ММТ».
Конструкция датчика достаточно проста и не требует особых пояснений. В качестве магниточувствительного
элемента 6 используется элемент Холла, размещенный в зазоре магнитной системы 5.
2
3
1
4
5
8
7
Рис. 5.26.Конструкция датчика линейных
перемещений фирмы «ММT»:1- шток; 2корпус; 3 - кабель; 4 - плата с электронной
схемой; 5 - магнитная система; 6 элемент Холла (ЭХ); 7 - магнитный
шунт;8 – возвратная пружина
6
Вектор перемещения контролируемого объекта через шток 1 передается подвижному магнитному шунту 7
перемещение которого приводит к изменению сигнала ЭХ. Сигнал элемента Холла усиливается электронной
схемой, расположенной на плате 4. Электронная схема датчика содержит все элементы, необходимые для
термостабилизации его основных параметров. Выходные характеристики датчика приведены на рис. 5.27, а
его основные параметры приводятся в таблице 5.3:
Таблица 5.3: Основные параметры датчика линейных перемещений фирмы «ММТ»
№ п/п
1
2
3
4
5
6
UВЫХ,В
Наименование параметра, единица измерения
Длина рабочего хода, мм
Чувствительность, мВ/мм
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА
Выходной ток, мА, не более
6
Нелинейность характеристики преобразования, %
7
Диапазон рабочих температур, 0С
а)
Диапазон значений
30
400
5
10
10
±1,0
-40…+130
б)
4
2
0
LШТ.мм
0
6
8
10
2
4
12
Рис.5. 27. Датчик линейных перемещений фирмы «ММТ»: а - выходная характеристика; б -типовая
зависимость погрешности измерения (∆ LШТ) от расстояния (LШТ) при температуре 25 и 80 0С
Страница 182
Датчики приближения на основе МУМ
Ведущим мировым производителем магнитных датчиков перемещения и приближения является фирма
Honeywell, которая выпускает несколько серий таких датчиков.
Наибольшую известность получили датчики приближения серий 103SR, SR3 и 400SR. Преобразователем
магнитного поля в этих датчиках служит магнитоуправляемая интегральная микросхема, размещаемая в
цилиндрическом алюминиевом (103SR) или пластмассовом (SR3) корпусе. Датчики серии 400SR размещаются
в прямоугольных пластмассовых корпусах. Внешний вид датчиков приведен на рис. 5.28.
25,4
∅12
B
M14 x 1
SR3
103SR
M15x0,5
B
25,4
400SR
25
17
+
B
11
Рис. 5.28. Внешний вид датчиков приближения серий 103SR, SR3 и 400SR
Датчики имеют разомкнутую магнитную систему. Управляющее поле создается внешним постоянным
магнитом, закрепляемом на контролируемом объекте.
Напряжение питания датчиков составляет от 4,5 до 24В при токе потребления от 4 до 13 мА (в зависимости
от типа датчика). Выход датчиков рассчитан на работу в режиме «открытого коллектора» или в режиме
«открытого эмиттера» с током коммутации до 20 мА.
Максимальная частота переключений датчиков не превышает 100 кГц. Диапазон рабочих температур
составляет от –40...+85 0С до –40...+100 0С. Длина датчиков (103SR, SR3) не превышает 25,5 мм при диаметре
до 15 мм.
Снаружи корпуса оба варианта датчиков имеют соответствующую резьбу. Габаритные размеры датчиков
серии 400SR не превышают 25 х 17 х 11 мм. [37, 41, 49, 50]
Промышленные образцы датчиков приближения отечественного производства
В СССР практически не существовало специализированных предприятий, выпускающих магнитные датчики
перемещения и приближения. Каждая отрасль разрабатывала и изготавливала для своих нужд ограниченные
партии МД.
В качестве магниточувствительных элементов использовались магниторезисторы типа СМ4-1 и
магнитоуправляемые микросхемы серии К1116КП. Некоторые предприятия использовали для этих целей
дискретные элементы Холла известных серий ПХЭ, ДХП, ХИМ, ХИС и др.
В работе [18] сообщалось о разработке ПО «Гиперон» на базе магнитоуправляемых интегральных схем
серии К1116 КП магнитных датчиков приближения типа МДП-01...МДП-05. Магнитные датчики
МДП-01...МДП-05 изготовлены в точеных алюминиевых корпусах с наружной резьбой.
В 1999 году акционерным обществом «Сенсор» (г.Зеленоград) начато производство целой серии магнитных
датчиков различного назначения. Датчики выпускаются на основе тонкопленочных магниторезисторов.[8]
Основные параметры и характеристики датчиков перемещения и приближения, выпускаемых наиболее
известными производителями, приводятся в главе 14 тома 2.
См. также [8, 18, 26, 29, 31, 33, 34, 37, 38, 39, 41, 44, 47,48, 52, 53].
Страница 183
5.2. Щелевые магнитные датчики
Отдельный класс датчиков положения представляют, так называемые щелевые магнитные датчики (ЩМД).
В зарубежной литературе такие датчики называются лопастные или лопаточные. ЩМД представляет единую
конструкцию, содержащую постоянный магнит и преобразователь магнитного поля, расположенные на
определенном расстоянии напротив друг друга. В качестве ПМП могут использоваться элементы Холла,
магниторезисторы, магнитотранзисторы и другие приборы. Однако наибольшее распространение в качестве
ПМП щелевых датчиков получили магнитоуправляемые интегральные схемы, использующие указанные
преобразователи в качестве магниточувствительных элементов.
На рис. 5.29 приведено устройство простейшего щелевого магнитного датчика. Основными элементами
ЩМД служат магнитоуправляемая микросхема и постоянный магнит (ПМ). При этом ПМ и МУМ жестко
закреплены в оригинальном корпусе, изготовленном из немагнитного материала. Управляющим элементом
датчика является шторка-замыкатель магнитного потока, выполненная из ферромагнитного материала.
Более сложные конструкции содержат специальные концентраторы магнитного поля, формирующие узкий
рабочий зазор с равномерным распределением в нем магнитного потока.
Постоянный
магнит
Рабочий
зазор
Магнитоуправляемая
микросхема
а
орк
т
Ш
виг
Сд
а)
б)
Рис. 5.29. Конструкция щелевого магнитного датчика
Принцип действия щелевого магнитного датчика иллюстрируется на рис. 5. 29. Он достаточно прост.
Нормальное состояние для датчика (рис. 5.29).– «Включено».
Если в рабочий зазор датчика ввести пластину из ферромагнитного материала (рис. 5.29.б), то линии поля
прервутся и магнитоуправляемая микросхема перейдет в положение «Выключено».
Форма и конструкция шторки-замыкателя может быть, в зависимости от назначения датчика, самой
разнообразной (Рис. 5.30).
б)
а)
в)
Рис. 5.30. Конструкция шторок-замыкателей, используемых в щелевых магнитных датчиках: а колесо-обтюратор; б - «гребенка»; в - цилиндр.
На рис. 5.30.а показано плоское зубчатое колесо, используемое для модуляции оптического излучения.
Существенное преимущество магнитного датчика перед оптронными - это отсутствие источника излучения
(потребляющего сравнительно большой ток - 20...100 мА), а также нечувствительность к засветкам и
запыленности.
На рис. 5.30.б показана, наиболее часто встречающаяся конструкция замыкателя, т.н. «гребёнка». Окна и
зубцы гребенки имеют здесь прямоугольную форму, а не сектора (см. рис. 5.30.а), что улучшает форму выходных
импульсов, когда интервал времени «Включено» больше, чем интервал времени «Выключено».
Наиболее компактным вариантом ЩМД представляет конструкция с цилиндрическим прерывателем (см.
рис. 5.30.в).
Конструкция прерывателя, как правило, определяется как параметрами самого датчика, так и условиями
его применения.
Страница 184
Наиболее распространенными минимальными размерами для прерывателей ЩМД являются: толщина
Н=1...1,5 мм, ширина зубца b = 10 мм, ширина окна W= 10 мм и высота зубца h = 10 мм. Максимальная
толщина прерывателя ограничивается величиной рабочего зазора - δ.
Площадь зубца прерывателя, перекрывающего магнитный поток в зазоре между магнитом и приёмной
поверхностью магнитоуправляемой ИС, определяется произведением h x b. Однако выбранные
недостаточно большими ширина окна W и высота зуба h могут привести к тому, что в зазоре датчика в
переходный момент будут присутствовать края двух зубцов сразу, что приведет к ложным срабатываниям
микросхемы.
B
Магнитоуправляемая
б)
B СРАБ
Зазор
микросхема
Зубец
1
BОТП.
L
0
δ
Центр
N
а)
Зубец 2
h
S
b
Постоянный
магнит
Рис. 5.31. К пояснению принципа
работы щелевого магнитного
датчика
Зубец 1
h
Шторкапрерыватель
Сдвиг
W
B
B СРАБ
2
L= V x t
BОТП.
L
0
UВЫХ
3
τИМП
t L/V
t
0
tВКЛ
tВЫКЛ
На рис. 5.31.а приведены графики прохождения зубцом рабочего зазора ЩМД. Индукция В в свободном
зазоре изменяется по длине L согласно графику 1 (рис. 5.31.б). Когда край зубца 2 входит в зазор, то он экранирует
часть магнитного потока и зависимость В=F(L) становится более сложной (см. график 2, рис. 5.31.б). График
3 соответствует положению во времени выходного импульса микросхемы, которая включилась в момент tВКЛ
(индукция срабатывания ВСРАБ.) и выключилась в момент tВЫКЛ (индукция отпускания ВОТП). Так как линейная
скорость движения зубца составляет V, то длительность выходного импульса для одиночного зубца можно
определить:
(5.10)
Однако, перед входом зубца 2 в зазор, срез зубца 1 должен выйти за точку ВОТП графика 1 (рис. 5.31.б).
5.2.1. Примеры технической реализации щелевых магнитных датчиков
Простейший вариант конструкции щелевого магнитного датчика можно реализовать, используя
магнитоуправляемую микросхему и миниатюрный постоянный магнит.
На рис. 5.32 в качестве примера приведен внешний вид и габаритные размеры миниатюрного щелевого
магнитного датчика, реализованного на основе отечественной магнитоуправляемой микросхемы К1116КП9 и
постоянного магнита из сплава «самарий-кобальт». Основные параметры датчика приведены в таблице 5.2.
1,25 x 2
N
Магнитоуправляемая
интегральная схема
1,8
0,4 x 0,4
11 min
∅4
10 max
4,5
Рис. 5.32. Внешний вид и габаритные размеры
миниатюрного щелевого магнитного датчика,
реализованного на основе отечественной МУМ типа
К1116КП9 и постоянного магнита из сплава
«самарий-кобальт»
S
3,5
Рабочий зазор -δ
7 max
Постоянный
магнит
Страница 185
Таблица 5.4. Основные параметры миниатюрного щелевого магнитного датчика,
реализованного на основе МУМ типа К1116КП9
Диапазон значений
№ п/п Наименование параметра, ед. измерения
1
4,5…5,5
Напряжение питания, В
2
6…10
Ток потребления, мА
3
25
Ток коммутации, мА
4
Коммутируемое напряжение, В
1,5…16
0,4
5
Напряжение логического «0», В , не более
(U
6
Напряжение логического «0», В , не более
пит- 0,4)
400
7
Время переключения, нс , не более
8
Температурный уход точки срабатывания
10
/отпускания, мкм / °С ,не более
9
3,5
Ширина рабочего зазора, мм
10
6
х
6 х 0,9
Габариты зубца шторки-замыкателя, мм, не
0
-45…+85
11
Диапазон рабочих температур, С
12
5000
Гарантированный ресурс работы, ч
Габаритные размеры, мм
13
7 x 10 x 4,5
14
5
Масса, г , не более
Щелевые датчики с большим рабочим зазором
Щелевые магнитные датчики с большим рабочим зазором (более 10 мм), как правило, используются на
объектах со значительным отклонением управляющего элемента (замыкателя или магнита - активатора) при
перемещении их на объекте контроля.
Наиболее типичным случаем являются щелевые магнитные датчики, используемые для контроля положения
лифтовых кабин. При этом ширина рабочего зазора (щели) может составлять от 20 до 40 мм при глубине щели
30…50 мм. Индукция магнитного потока, падающего на МЧЭ, в таких случаях составляет 0,05...1 мТл, что
приводит к определенным трудностям при разработке ЩМД.
На практике могут использоваться два варианта конструкции таких датчиков.
Первый - применение высокочувствительной магнитоуправляемой ИС и пластины-замыкателя
изготовленной из материала, обладающего очень малой величиной остаточной намагниченности. Наиболее
пригодными материалами для изготовления замыкателей являются «муметалл» или феррит с магнитной
проницаемостью более 1000.
В втором случае применяются две магнитоуправляемые ИС, размещаемые на обоих сторонах рабочего
зазора (щели), а в качестве активатора используется достаточно мощный постоянный магнит
10
Пластина-замыкатель
Магнит
15
20...26
8
40
5
Разъём РГ1Н-11
Рис. 5.33.а. Конструкция ЩМД,
реализованного по первому варианту
МЧЭ
80
20
50
Основание (1 шт)
(алюминий,латунь)
110
3x3
50
Рис. 5.33.б. Конструкции пластины-замыкателя
ЩМД, реализованного по первому варианту
Замыкатель(3 шт)
(феррит µ = 1000-2500)
30
10
10
Страница 186
На рис.5.33 приведена конструкция ЩМД, реализованная по первому варианту. В качестве МЧЭ
использована высокочувствительная МЧМС типа AD22151, включеная на вход инструментального усилителя
типа АМP-04, работающего в режиме компаратора. В качестве встроенного источника магнитного поля
используется постоянный магнит из сплава NdFeB (В=180 мТл), а в качестве управляющего элемента служит
прямоугольный стержень из феррита с µ >1000.Точность срабатывания датчика составляет порядка ± 0,5 мм.
Электрическая схема датчика приведена на рис. 5.34.
+5 В
2 +(6...24) В
DA3
78L05
+
C1
220,0
R6* 1,6 k
R1*
30k
8
2
3 Выход 1
3
1
7
S
DA1
AD22151
N
14
R5
220k
R2*
1,3k
1
6
5
DD1.2
6
2
5
1
8
3
DD1.1
R7 10k
4
3
R3*
100k
1
5
1
7
DA2
AMP-04
6
4
8
2
4
DD1.3
10
4 Выход 2
9
7
VD2
VD1
R4
1k
Зел.
R8
12k
Кр.
R10
680
R9
680
1 Общий
DA1 - магниточувствительная ИС типа AD22151;
DA2 - инструментальный усилитель АМP-04;
DA3 - стабилизатор типа 78L05;
DD1 - микросхема 2ИЛИ-НЕ типа К561ЛЕ5.
Рис. 5.34. Электрическая схема ЩМД, реализованного по первому варианту
На рис. 5.35 приведена конструкция ЩМД, реализованная по второму варианту. Функциональная схема
датчика приведена на рис. 5.36.
В качестве МЧЭ используются два полевых элемента Холла типа FEHS-01, включенные на входы
компараторов типа Р554СА3. C выхода компараторов сигнал поступает на вход схемы «И-ИЛИ» (DD1), а
затем на триггер (DD2). Датчик питается от двухполярного источника.
В качестве управляющего элемента служит прямоугольный магнит из сплава SmCo. Точность срабатывания
датчика составляет порядка ± 0,25 мм.
28
МЧЭ2
Магнит-активатор
52
МЧЭ1
12
98 макс.
δ=25
12
∅4
2
2 отв.
Разъём
N
8
10
88
а)
40
Магнит-активатор
(SmCo,В = 180 мТл)
б)
Рис. 5.35. ЩМД, реализованного по второму варианту: а - конструкция ; б - онструкция
магнита-активатора
Страница 187
2 +UП (5 В)
B1
DA1
-5B
-5В
DD1
+5В
DD2.1
DD2.2
+5B
4 Выход 2
5 Выход 1
DA2
1 Общий
B2
3 -UП (5 В)
B1, B2 - полевые элементы Холла типа FEHS-01;
DA1, DA2 - компараторы типа КР544СА3;
DD1 - схема ИЛИ типа К555ЛЛ1;
DD2 - схема триггера типа К555ТЛ1.
Рис.5. 36. Функциональная схема ЩМД, реализованного по второму варианту конструкции
Следует отметить, что датчик, реализованный по первому варианту (рис. 5.33) обладает недостаточной
помехоустойчивостью при работе в условиях электромагнитных помех, возникающих при работе
промышленного оборудования.
Многоканальные щелевые магнитные датчики
Определенный интерес представляют многоканальные щелевые магнитные датчики - МЩМД.
На рис. 5.37 в качестве примера приведена конструкция 5-ти разрядного щелевого магнитного датчика.
Рис. 5.37. Устройство многоканального щелевого магнитного датчика: а – кодовая пластина-замыкатель;
б - структурная схема.
Страница 188
В качестве замыкателя используются плоские квадратные или круглые пластины с отверстиями или
полюсами, воспроизводящими код Грея. (См. рис. 5.37.а). Пластина-замыкатель механически соединяется с
объектом контроля. В зависимости от конструкции МЩМД может использоваться как в качестве датчика
перемещения (плоская пластина-замыкатель), так и в качестве датчика угла поворота, (когда в качестве
замыкателя используется круглый плоский диск). Каждый канал датчика представляет собой пару
«магнит-магнитоуправляемая ИС», считывающую сигнал одного разряда. Сигналы с выходов датчика поступают
непосредственно на дешифратор, где преобразуются в необходимую форму.
В многоканальных ЩМД должны использоваться магнитоуправляемые ИС, обладающие высокой
чувствительностью и высокой разрешающей способностью.
При использовании высококачественных магнитов (из сплавов типа «самарий-кобальт» или «неодимжелезо-бор») и высокочувствительных магнитоуправляемых интегральных схем возможно создание
малогабаритных щелевых магнитных датчиков с геометрической разрешающей способностью порядка 0,1...0,5
мм.
5.2.2. Промышленные образцы щелевых магнитных датчиков
В настоящее время освоен промышленный выпуск широкой номенклатуры щелевых магнитных датчиков.
Ведущей фирмой является Honeywell, которая выпускает несколько серий ЩМД: 1AV, 3AV, 4AV и SR16/17.
Щелевые магнитные датчики типа 1AV2, 1AV10 и 2AV54, в основном, применяются в бесконтактных
прерывателях электронных систем зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Напряжение питания указанных датчиков составляет от 4,5 до 24 В (в зависимости от типа прибора).
Потребляемый ток 7...13 мА при токе коммутации 4...20 мА.
Для датчиков предусмотрены две основные схемы подключения нагрузки «с открытым коллектором» или
«с открытым эмиттером».
Датчики предназначены для жестких условий эксплуатации при воздействии высокой температуры (до
1500С) и вибрации с ускорением до 40g. [41, 51]
Фирмой Siemens выпускаются ЩМД типа HKZ 101, который является аналогом датчика 2AV54. Внешний
вид датчика типа 2AV54 приведен на рис. 5.38.
2AV54
2,8
3,5
Зазор - 2,3
6,5
14,8
22,5
8,8
17,8
134,2
17,2
ДМИ-1
Магнитоуправляемая
микросхема
Зазор 2,5 мм
+UП
Общий
16
19
Фирмой Concord Sensor Inc.
выпускается щелевой магнитный датчик
типа CS6450, предназначенный для
широкого применения.
Отечественной промышленностью на
базе магнитоуправляемых микросхем типа
К1116КП3 освоен промышленный выпуск
двух щелевых магнитных датчиков типа
ДМИ-1 и ДМИ-2. Название датчиков
представляет собой абривеатуру - Датчик
Момента Искрообразования.
Датчики ДМИ-1 и ДМИ-2 используются
для определения положения подвижного
объекта, на котором укрепляют шторку замыкатель из ферромагнитного материала.
Общий и габаритные размеры вид
датчика ДМИ-1 приведен на рис. 5.39.
Выход
Общ.
+U П
Вых.
Рис. 5.38. Внешний вид щелевого магнитного датчика
типа 2AV54
Постоянный
магнит
23
31
17,5
Рис. 5.39.Внешний вид и габариты щелевого
магнитного датчика типа ДМИ-1
Страница 189
В пластмассовом корпусе датчика размещены магнитная система с постоянным магнитом и
магнитоуправляемая микросхема типа К1116КП3.
Датчик ДМИ-2 содержит дополнительно инвертирующий усилитель мощности на транзисторе КТ815А.
Элементы усилителя и датчик ДМИ-1 смонтированы на небольшой печатной плате дугообразной формы.
Порядок работы датчика ДМИ-1. При введении зубца замыкателя в зазор, последний шунтирует большую
часть магнитного потока, падающего на магниточувствительный элемент магнитоуправляемой ИС (К1116КП3).
В результате чего происходит уменьшение индукции до порога отпускания ВОТП. микросхемы и на выходе
датчика устанавливается уровень логической «1». При выходе зубца из зазора индукция увеличивается и при
достижении порога срабатывания ВСРАБ микросхемы происходит обратная смена уровня выходного напряжения
с «1» на «0».
Выходной сигнал датчика ДМИ-1 при наличии зубца шторки в зазоре соответствует высокому уровню
(логическая «1»), а датчика ДМИ-2 – низкому (логический «0»). Направление движения шторки в зазоре датчика
любое.
Датчики ДМИ-1 и ДМИ-2 предназначены для использования в системах бесконтактного зажигания
двигателей современных легковых автомобилей. Они устойчивы к воздействию маслобензиновой смеси в
соответствии с ГОСТ 3940-84.
Датчики ДМИ-2 снабжены защитой от бросков питающего напряжения, характерных для бортовой сети
автотракторной техники.
В таблице 5.5 приведены основные параметры отечественных датчиков типа ДМИ-1, ДМИ-2 и датчика
2AV54 (фирмы Honeywell), предназначенных для использования в системах электронного зажигания.
Таблица 5.5. Основные параметры датчиков типа ДМИ-1, ДМИ-2 и 2AV54
Наименование параметра,
№
Тип датчика / значение параметра
п/п
1
2
3
4
5
6
7
единица измерения
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА
Ток коммутации, мА
Коммутируемое напряжение, В
Напряжение логического «0», В , не более
Напряжение логической «1», В, не менее
Время переключения, нс , не более
ДМИ-1
ДМИ-2
2AV54
6…16
13
25
1,5…16
0,4
(Uпит- 0,4)
400
6…16
20
250
1,5…16
0,6
(Uпит- 0,4)
400
12
22
40
4,5…24
0,4
(Uпит-2)min
500
2
2
Н/Д
8
Температурный уход точки
срабатывания /отпускания, мкм / °С, не
9
Ширина рабочего зазора, мм
2,4
Габариты зубца шторки-замыкателя, мм,
10х10х0,9
Габаритные размеры, мм
31,2х19,5х19
2,4
10х10х0,9
58х29х23
2,3
12х10,5х1
32х20,7х19,7
Гарантированный ресурс работы, ч
Масса, г, не более
Диапазон рабочих температур,°С
5000
50
-45…+100
20000
30
-40…+150
10
11
12
13
14
5000
30
-45…+125
Кроме датчиков типа ДМИ в СССР был разработан датчик момента искрообразования типа М1ЦРФ,
имеющий аналогичные параметры. Однако сведений о серийном производстве этого датчика в России не
имеется. [7]
В 1999 году АО «Сенсор» объявлено о выпуске щелевых магнитных датчиков серии СМА3-П06М. Основные
параметры датчиков приводятся в главе 15 тома 2. [8]
5.2.3. Применение ЩМД в системах электронного зажигания
Конструкция щелевых магнитных датчиков типа 1AV2A,1AV10A, 2АV54 и др. оптимизирована для
использования их в качестве бесконтактного прерывателя в электронных системах зажигания автомобильной
техники.
Электронная система зажигания в процессе эксплуатации практически не требует обслуживания и обладает
следующими основными преимуществами:
• напряжение, подводимое к свечам зажигания, увеличивается по сравнению с напряжением в классической
системе, что позволяет увеличить зазор в свечах зажигания на 20-30% относительно стандартного, в связи
с чем происходит полное сгорание топлива и связанные с ним повышение мощности и экономичности
двигателя, уменьшение нагарообразования, снижение токсичности отработанных газов;
• облегчается пуск холодного двигателя при низких температурах;
• повышается срок службы прерывателя (определяется его механическим износом).
Страница 190
Щелевой магнитный датчик устанавливают в прерыватель-распределитель двигателя вместо контактной
группы. ЩМД выполняет функцию бесконтактного прерывателя, определяющего моменты зажигания горючей
смеси в цилиндрах.
Шторку-замыкатель в этом случае изготовляют в виде стакана (см. рис. 5.30.в.), по окружности которого
прорезаны прямоугольные окна. Число окон равно числу цилиндров двигателя.
Шторка укреплена так, что при вращении вала в зазоре датчика поочередно проходят окна и зубцы. При
этом датчик формирует последовательность низковольтных прямоугольных импульсов искрообразования,
которую система зажигания преобразует в высоковольтные разряды в свечах цилиндров двигателя.
Щелевые магнитные датчики типа 1AV2A, 1AV10A и 2АV54, как правило, используются в комплекте со
специальными интегральными схемами электронного зажигания (драйверами).
На рис. 5.40 в качестве примера приведена схема использования ЩМД в комплекте с интегральной
микросхемой-драйвером типа L482 или L482D1. [15]
При использовании более совершенной системы зажигания современной автомобильной техники, кроме
датчика прерывателя, ЩМД могут применяться в качестве: датчиков угла поворота, расхода воздуха, угла
открытия дроссельной заслонки и т.д. (Подробнее см. [23, 24]).
Современные щелевые магнитные датчики обладают очевидными преимуществами перед разомкнутыми
оптронными парами. В первую очередь, можно отметить - отсутствие источника излучения, и, следовательно
– высокую экономичность ЩМД.
Щелевые магнитные датчики не боятся посторонних засветок, агрессивных сред, а также загрязнений,
пыли и дымов.
Основные параметры наиболее известных типов щелевых магнитных датчиков, выпускаемых ведущими
производителями приведены в главе 15 тома 2.
R1
C2
C3
C1
R2
12
4
3
7
5
8
9
C4
Схема
временной
защиты
Схема
управления
задержкой
6
Формирователь
импульса
защиты
Источник
опорного
напряжения
VCC1
DD1
DD2 L482
B
2
1
13
Схема
контроля
тока
Схема
управления
R14
Щелевой магнитный датчик
14
R2
VD2
VD1
R12
11
R13
Схема
защиты по
напряжению
Схема
управления
транзистором
Схема
защиты по
напряжению
импульса ОХ
R3
10
C5
R6
16
15
R9
R7
VT1
R5
R8
R4
R11
R10
Катушка
зажигания
VCC2=+10...18В
Страница 191
Рис. 5.40 Схема использования ЩМД в комплекте с интегральной микросхемой-драйвером типа L482 или
L482D
Страница 192
5.3. Магнитные датчики угла поворота
Магнитные датчики типа угла поворота представляют достаточно большую группу изделий
микромагнитоэлектроники.
По виду выходного сигнала их можно условно разделить на две группы:
•
•
аналоговые датчики угла, сигнал на выходе которых пропорционален углу поворота;
цифровые, часто называемые преобразователями типа «угол-код». Сигнал на выходе таких датчиков
выдается в виде цифрового кода.
При этом наибольшее распространение получили двоично-рефлексный или двоично-десятичный
рефлексные коды, а также код Грэя (по ГОСТ 12814-74). [5]
В качестве аналоговых датчиков угла поворота широко используются бесконтактные переменные резисторы,
описанию работы которых посвящена глава 6.3.
5.3.1. Аналоговые датчики угла поворота
Простейшим датчиком угла поворота может служить магниторезистор с кольцевым расположением 4-х
магниточувствительных элементов, включенных в схему моста. (рис.5.41).
1
γ
0,3
Магниторезистор
0,2
Полюс
магнита
0,1
4
2
Полюс
магнита
φ,град
-60
-40
-20
0
20
40
60
-0,1
-0,2
-0,3
3
а)
б)
Рис. 5.41.«Кольцевой» магниторезистор: а - внешний вид; б - функциональная характеристика: 1,3 выводы входа; 2,4 - выводы выхода
Датчик подобной конструкции работает в диапазоне углов до ± 300 при достаточно хорошей линейности
выходной характеристики.
В работе [16] приведена конструкция датчика угла поворота в котором используется матрица
магниторезисторов. На рис. 5.42 приведен вариант конструкции такого датчика.
3
1
S
2
N
4
5
Рис. 5.42. Вариант конструкции датчика угла поворота
в котором используется матрица магниторезисторов:1,2 - кольцевые магнитопроводы; 3 кольцевой постоянный магнит; 4- зубцы; 5 магниторезисторная матрица
Страница 193
Датчик угла поворота содержит два кольцевых магнитопровода 1 и 2, установленных соосно и разделенных
зазором. Кольцевые магнитопроводы (1,2) выполнены П- образными и установлены торцами друг к другу, на
одном из торцов магнитопровода 1 установлен кольцевой постоянный магнит 3, а другой торец выполнен
зубчатым. Зубцы 4 расположены равномерно по окружности с периодом повторения Т. На торце второго
магнитопровода, сопряженного с зубчатым торцом первого магнитопровода, устанавливается
магниторезисторная матрица 5.
Магнитное поле в датчике создается с помощью кольцевого магнита 3, при этом в рабочем воздушном
зазоре, образованном зубцами магнитопровода 1 и магниточувствительными элементами матрицы,
устанавливается определенная напряженность магнитного поля.
Период изменения напряженности магнитного поля для каждой из групп магниторезисторов в матрице
равен периоду Т расположения зубцов магнитопровода 1.
Ввиду расположения магниторезисторов в матрице с шагом равным (5/4)Т, и объединения их в четыре
группы, причем объединение магниторезисторов производится через шаг, равный пяти периодам Т, происходит
изменение сопротивления каждой группы магниторезисторов по своему закону.
В исходном (условно-нулевом) положении магниторезисторы первой группы расположены против
соответствующих зубцов магнитопровода 1, а магниторезисторы третьей группы против пазов между зубцами.
Магниторезисторы второй и четвертой группы будут располагаться в данном случае на границе между зубцами
и пазом.
При повороте магнитопровода относительно оси вращения на четверть периода Т расположение
маниторезисторов первой, третьей и второй, четвертой групп изменится на противоположное. Выбором
соотношения между размерами зубцов магнитопровода 1 и размерами магниторезисторов в матрице можно
добиться получения изменения суммарного сопротивления магниторезисторов каждой группы при вращении
магнитопровода 1 по следующим законам:
(5.11)
(5.12)
(5.13)
(5.14)
Где RB – сопротивление группы магниторезисторов при воздействии среднего магнитного поля;
k- коэффициент модуляции магнитного поля;
ρ - число зубцов магнитопровода;
φ - угол поворота магнитопровода.
Объединив магниторезисторы первой, третьей и второй, четвертой групп, можно получить две
дифференциальные пары, с которых можно получить два сигнала, изменяющихся по синусному и косинусному
законам.
Таким образом, участие в формировании выходных сигналов датчика четырех групп большого количества
магниточувствительных элементов позволяет значительно повысить точность измерения угла поворота, так
как в этом случае происходит усреднение различного рода технологических отклонений при изготовлении и
юстировке датчика. Наличие дифференциальных пар позволяет компенсировать температурную нестабильность.
В результате чего получается магнитомодуляционный синусно-косинусный датчик угла, простой в
изготовлении и обладающий повышенной точностью.
В работе [4] приведена конструкция прецизионного датчика угла поворота в котором используется
тонкопленочный магниторезисторный мост типа КMZ10. На рис. 5.43 приведен возможный вариант
конструкции такого датчика.
Магнит
Ж5х1,5 мм
Мост KMZ10
Рис. 5.43. Вариант конструкции магнитного датчика
угла поворота с использованием
магниторезисторного моста типа KMZ10
Электронная
схема
Страница 194
В этом случае магниторезисторный мост расположен в магнитном поле, создаваемом двумя миниатюрными
постоянными магнитами, установленными на вращающейся рамке. Устанавливая нулевое положение рамки
как параллельное оси Х, (т.е. с магнитным полем в НХ направлении) можно измерять угловое перемещение до
± 85 градусов. Магниторезисторный мост KMZ10 включается в электрическую схему, приведенную на рис.
5.44.
Uпит,+12В
Рис. 5.44. Электрическая схема магнитного датчика угла поворота с использованием
магниторезисторного моста KMZ10
Схема работает следующим образом. Выходной сигнал с магниторезисторного моста R1 операционными
усилителями DA1.1 и DA1.2. Кремниевый температурный датчик R12 (KTY 81) установленный в цепи обратной
связи усилителя DA1.2 изменяет его усиление при изменении температуры окружающей среды. На рис. 5.45
приведена выходная характеристики датчика угла поворота при температуре от –25 и +40 0С.
-250С
UВЫХ.,В
1,5
+400С
1,0
0,5
Рис. 5.45. Выходная характеристика
магнитного датчика угла поворота
с использованием магниторезисторного моста KMZ10
Угол,град.
-80
Угол,град.
-60
-40
0
-20
20
40
60
80
-0,5
-1,0
-1,5
-UВЫХ.,В
Использование специализированных микросхем в датчиках угла поворота
Особый интерес представляют магнитные датчики угла поворота с использованием специализированных
интегральных схем и тонкопленочных магниторезисторов. В качестве примера можно привести микросхему
типа UZZ9000, разработанную фирмой Philips Semiconductors.
Аналогичная схема предназначена для построения датчиков угла поворота, использующих два
преобразователя магнитного поля. В качестве чувствительного элемента такого датчика используется сдвоенный
тонкопленочный магниторезисторный мост типа KMZ41, также выпускаемый фирмой Philips. Магнитные оси
мостов KMZ41 повернуты на 45° относительно друг друга.
Страница 195
При вращении источника магнитного поля относительно плоскости KMZ сигналы (UВЫХ.1 и UВЫХ.2) мостов
сдвигаются по фазе на 90 0, что позволяет расширить диапазон контролируемых углов поворота (рис. 5.46).
(Параметры KMZ41 см. в главе 10 тома 2).
UВЫХ
ϕ=0
KMZ41
+UВЫХ
ϕ
1
UВЫХ.1
8
-UВЫХ.1
Общ.1
-UВЫХ.2
Общ.2
UП2
+UВЫХ.2
UП1
+UВЫХ.1
4
5
0
UВЫХ.2
-UВЫХ
Рис. 5.46. Зависимость напряжения сигнала мостов от угла
вращения источника магнитного поля: UВЫХ.1 и U ВЫХ.2 напряжение сигнала соответственно с выхода первого и
второго мостов
ϕ, град.
0
90
180
360
270
Интегральная схема типа UZZ9000 имеет достаточно сложную структуру. Она содержит два АЦП, один
13-ти разрядный ЦАП и другие необходимые узлы. В схеме используется специальный алгоритм обработки
сигналов с датчика. Микросхема размещается в 24-х выводном DIP корпусе.
Электрическая схема датчика угла поворота приведена на рис. 5.47 и не требует особых пояснений. Сигналы
(±VO1 и ±VO2) с мостов KMZ41 подаются на два раздельных входа микросхемы UZZ9000. На выход микросхемы
поступает аналоговый сигнал, пропорциональный углу поворота управляющего магнита.
В качестве управляющего устройства используется вращающийся постоянный магнит. [40, 46].
+VO2
KMZ41
2 -V02
+VO1
-Cos ϕ
3
22
4
21
5
20
6
19
GND1
7
18
8
8
17
9
16
10
15
11
14
12
13
VSS
7
6
GND
+V02
UВХ.1
1
Sin ϕ
4
VCC1
1
24
23
GND2
2
VCC2
3
UZZ9000
2
VDD2
UВХ.2
1
GND
-V01
GND
GND
+V01 5
Рис. 5.47. Принципиальная схема
датчика
угла
поворота
c
использованием тонкопленочного
магниторезисторного моста KMZ41
и интегральной схемы UZZ9000. (В
схеме
сохранены
условные
обозначенияизготовителя)
GND
VOUR
-VO1
-VO2
VDD1
+UП=5В
GND
GND
R1
R2
R3
R4
VSSA
VDDA
OFFS1
OFFS2
VIA1
VIA2
Общий
UВЫХ
R5
ϕ
Выход
Основные параметры датчика угла поворота, выполненного на основе тонкопленочного магниторезистора
типа KMZ41 и интегральной схемы UZZ9000 приведены в таблице 5.6.
Страница 196
Таблица 5.6.Основные параметры датчика угла поворота с использованием тонкопленочного
магниторезисторного моста KMZ41 и интегральной схемы UZZ9000
№ п/п
Наименование параметра, единица
1
Диапазон изменения входного параметра,
градусов
2
Нулевая точка кривой вывода, градусов
3
Разрешающая способность, градусов
4
Точность измерения углов, градусов, (в
диапазоне)
Диапазон значений
от 0 до 180 и (корректируется по шагам - 10 0)
Hапряжение питания, В
Ток потребления, мА
Выходное напряжение, % от UП
Постоянная времени, мс
Диапазон рабочих температур, 0С
Габаритные размеры, мм
от 4,5 до 5,5
10
от 5 до 95
1,2
-45…+140
5 x 4 x 1,75
5
6
7
8
9
10
от -5 до +5 и (корректируется по шагам 0,50)
0,05…1
±0,8 (в диап.300)
±1,0 (в диап. 1000)
±1,4 (в диап. 1800)
Датчики угла поворота с использованием магниточувствительных ИС
2,9
24,3
Наибольшее распространение получили датчики угла поворота, реализованные с использованием
магниточувствительных интегральных микросхем на основе элементов Холла. Например, фирма Honeywell на
основе МЧМС выпускает серию (RP) датчиков угла поворота. Датчики отличаются высокими
магнитоэлектрическими и эксплуатационными параметрами. Они предназначены для использования в
автомобильной электронике. Основные параметры датчика RP-200 приведены в таблице 5.6. Внешний вид и
выходная характеристика датчика на приведены на рис. 5.48 и 5.49. [45]
43,8
Рис. 5.48. Внешний вид и габариты магнитного датчика угла
поворота типа RP-200
Место стыковки датчика с валом
∅5,7
Выходной
разъем
25
45,7
∅11,6
18,3
93
RP-200
UВЫХ.,% от UП
S=46,5 мВ/градус
UП = 5 B
Рис. 5.49. Выходная характеристика
магнитного датчика угла поворота типа
RP-200
K7%
Наименование параметра, единица
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Выходной ток, мА
Напряжение на выходе, В
Диапазон изменения входного параметра,
Диапазон значений
от 4,75 до 5,25
15
1
от -0,5 до +5,0
от 0 до -89,25
±7
46,5
0,021…0,113
-20…+135
Нелинейность характеристики
Крутизна преобразования, мВ/градус
Момент на входном валу, Н*м
6
7
8
9
10
Диапазон рабочих температур, 0С
Габаритные размеры, мм
45,7 х 43,8 х 24,3
5.3.2. Магнитодиодный преобразователь типа «угол-код»
На рис. 5.50 приведен общий вид магнитодиодного преобразователя «угол-код» типа ЦПУ-М, описание
которого приведено в работах [9, 50]
3
Зазор
6
4
8 7а 3а
6а 4а 8а
10
3
7
13
N
10
S
N
S
∆
5а
11
N
5
N
S
б)
1
2
5
9
12
а)
Рис. 5.50. Магнитодиодный преобразователь «угол-код» типа
ЦПУ-М: а - конструкция датчика; б - конструкция кодирующего элемента :1 – входная ось; 2 – входная
ведущая шестерня; 3, 3а ,4,4а – магнитопроводы; 5, 5а – кольцевые магниты; 6, 6а – считывающие узлы;
7, 7а, – ведомые шестерни; 8, 8а - ведущие шестерни; 9 - редуктор; 10 – неподвижная ось; 11 – основание
корпуса преобразователя; 12 – крышка корпуса; 13 – выступ.
Преобразователь состоит из следующих основных элементов: входной оси 1 с жестко закрепленной на
ней шестернёй 2, передающей входной угол поворота на кодирующий элемент (КЭ) точного отсчета, ведомых
7 и 7а и ведущих 8 и 8а шестерней, а также редукторов 9, обеспечивающих дискретную с соотношением 2: 20
связь между отсчетами, и считывающих узлов 6 с магнитодиодами. Считывающий узел (СУ) содержит 8 или
10 магнитодиодов, размещенных определенным образом. На рис. 5.51 приведен фрагмент электрической схемы
считывающего узла, состоящий из 4-х магнитодиодов и схемы обработки сигнала
Страница 198
Кодирующий элемент (рис. 5.51.б.) состоит из двух магнитопроводов 3 и 4, каждый из которых имеет
выступ 13 между которыми образуется активная зона рабочего зазора с индукцией магнитного потока,
создаваемого кольцевым магнитом 5 с осевой намагниченностью.
Кодирующий элемент имеет минимальное число границ перехода «1-0», т.е. всего две границы
формирования магнитного поля заданной конфигурации на краях КЭ, где индукция изменяется от 0 до 0,3 Тл.
Элементы 3…8 используются для точного отсчета, кодирующего разряд «единиц» десятичного числа в
двоично-десятичном рефлексном коде, а элементы 3а…8а служат для грубого отсчета ЦПУ-М, кодирующего
разряд десятков десятичного числа в том же коде. Общее число дискретных значений равно 2000 для
трехотсчетного ЦПУ и 200 для двухотсчетного.
Все детали преобразователя, кроме 3…5, выполнены из немагнитных материалов.
Принцип действия преобразователя заключается в следующем. В нулевом положении (α ?= 0) все
магнитодиоды считывающих узлов 6 и 6.а будут находиться вне рабочего зазора, следовательно, на выходе
узлов 6 и 6а сигналы будут равны логическокому «0».
При изменении входного угла до α = 18° в рабочем зазоре (где ВЗ > 0) будет находиться лишь один из
магнитодиодов считывающего узла 6 точного отсчета, что будет соответствовать логической «1» именно на
его входе, а сигнал на остальных входах будет соответствовать логическому «0».
Через каждые 18° в рабочем зазоре будут появляться магнитодиоды узла 6, однако сигнал на выходах узла
6а будет соответствовать логическому «0» при изменении входного угла от 0 до 180°.
При α = 180° произойдет первое переключение, т.е. поворот КЭ разряда десятков грубого отсчета и,
следовательно, один из магнитодиодов узла 6а окажется в рабочем зазоре, что будет соответствовать логической
«1» в разряде десятков ЦПУ-М.
Поскольку отношение дискретного переключающего механизма равно 2:20 , то переключение будет
происходить через каждые 180° и, следовательно, в момент α = 10 * 180° произойдет первое переключение в
ряде сотен ЦПУ-М и т.д.
Электронные узлы преобразователя ЦПУ-М выполнены в виде унифицированных модулей, содержащих в
зависимости от регулируемого кода по 8 или 10 магнитодиодов, а вся электронная схема состоит из двух
гибридных интегральных схем, размещенных в двух стандартных корпусах. [50]
В таблице 5.8 приведены основные параметры преобразователя ЦПУ-М.
Таблица 5.8.Основные параметры магнитного датчика «угол-код» типа ЦПУ-М
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Наименование параметра, единица измерения
Диапазон изменения входного параметра (А),
градусов
Число дискретных отсчетов, N
Угловая величина кванта (α N), градусов
Число двоичных разрядов
Выходной код
Напряжение питания, В
Ток нагрузки двоичного разряда, мА, не более
10
Код Грея
12±10%
10
Момент на входном валу (М), г/см, не более
30
Параметры кодирующего элемента (КЭ):
- диаметр, мм
- рабочий зазор, мм
- индукция в рабочем зазоре, Тл
- крутизна поля на границе перехода «0 – 1»,
22,0
2,0
0,3±0,03
0,2
10
Масса кодирующего элементп, г
11
0
Диапазон рабочих температур, С
13,5
-30…+55
Страница 199
5.4.Магнитные датчики скорости вращения
Датчики скорости вращения (ДСВ) представляют собой, т.н. частотные датчики. Принцип действия таких
датчиков состоит в преобразовании скорости вращения (углового перемещения) в частоту изменений потока
энергии (электрического тока или напряжения).
Выходной сигнал ДСВ может быть представлен в виде синусоидального изменения величины (напряжения),
постоянный величины, модулированной по периодическому (синусоидальному) закону, или в виде
последовательности коротких импульсов. Для использования в цифровых системах контроля последний вид
сигнала более предподчителен.
При измерении скорости вращения с использованием магнитных датчиков наибольшее распространение
получили два метода: метод счета зубьев ферромагнитных шестерен и метод счета полюсов многополюсных
постоянных магнитов, укрепленных соответственно на валах исследуемых объектов.
5.4.1. Датчики скорости вращения, основанные на счете зубьев
ферромагнитных шестерен
В данном случае датчик скорости вращения представляет собой магнитоэлектронное устройство, состоящее
из преобразователя магнитного поля и смещающего магнита, размещенных в одном корпусе. В качестве ПМП,
в зависимости от назначения датчика, могут использоваться практически любые из известных МЧЭ:
магниторезисторы, элементы Холла, магнитодиоды и магнитотранзисторы, магнитотиристоры,
магнитоуправляемые и магниточувствительные микросхемы, и др.
Принцип работы таких датчиков иллюстрируется на рис. 5.52.
Зазор
Зуб
Датчик
UВЫХ
в)
t
а)
Аналоговый выход
UВЫХ
б)
г)
t
∆B
∆B -индукция в зазоре
Рис. 5.52.Датчик скорости вращения: а
- схематическое устройство; б зависимость индукции в зазоре от
положения зуба; в -вид сигнала в
аналоговой формк; г - вид сигнала в
цифровой форме
Цифровой выход
При перемещении зубчатого колеса из ферромагнитного материала в зоне действия датчика изменяется
плотность магнитного потока (рис. 5.52.б.). Если вблизи МЧЭ оказывается зуб из ферромагнитного материала,
то плотность магнитного потока возрастает, и напряжение сигнала на выходе датчика будет представлять
смену состояний типа «зуб - воздушный зазор». Вращающаяся шестерня вызывает появление модулированного
сигнала. Частота импульсов за один оборот совпадает с числом зубьев.
В зависимости от используемой элементной базы, сигнал с выхода датчиков может сниматься как в
аналоговой (рис. 5.52.в), так и цифровой форме (рис. 5.52.г).
В случае необходимости аналоговый сигнал легко преобразуется в цифровую форму при помощи
компаратора.
Основные параметры датчиков скорости вращения определяются параметрами используемых в них
преобразователях магнитного поля.
Датчики счета зубьев с применением «монолитных» магниторезисторов
Наибольшее распространение получили магнитные датчики скорости вращения зубчатых колес,
реализованные с применением дифференциальных «монолитных» магниторезисторов. Схема, поясняющая
принцип работы такого датчика, приведена на рис. 5.53.
Наибольшее распространение в качестве датчиков скорости вращения зубчатых колес получили
«монолитные» магниторезисторы с встроенными постоянными магнитами. На рис. 5.54 в качестве примера
приведен внешний вид дифференциального «монолитного» магниторезистора типа FP210L 100-2, выпускаемого
фирмой Siemens, а в таблице 5.9 приведены основные параметры датчика.
Страница 200
hS - длина МЧЭ
hZ - ширина зубца.
λ-расстояние между
центрами зубьев
dS
hZ
λ
hS
Рис. 5.53. Схема, поясняющая принцип
работы магнитного датчика с
использованием
«монолитного»
дифференциального магниторезистора
dS - расстояние между МЧЭ ~ λ /2
FP210L 100-2
Рис.5. 54 Внешний вид и габариты
датчика типа FP210L 100-2 ,
реализованного с использованием
дифференциального «монолитного»
магниторезистора
Наименование параметра,
единица измерения
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Сопротивление одного плеча (R1=R2), Ом
Выходное напряжение UВЫХ.MR (при В=1
Диапазон рабочих температур, 0С
Габаритные размеры, мм
Диапазон значений
от 5 до 7,5
от 13 до 34
110…190
> 0,85
-20…+100
∅ 10 х 10
На рис. 5.55.а приведён один из вариантов использования «монолитного» магниторезистора типа FP210L
100-2 в качестве датчика скорости вращения зубчатых колес, рекомендованный изготовителем МД - фирмой
Siemens.
При использовании магниторезисторов, их включают в полумост или мост. При включении в полумост на
магниторезистор (R1+R2) подается напряжение питания UП=5В. С выводов 2 и 3 датчика снимается аналоговый
сигнал, который зависит от зазора δ между зубчатым колесом и магниточувствительным элементом датчика.
Зависимость напряжения сигнала датчика UВЫХ.MR от величины рабочего зазора δ приведена в таблице. 5.10.
Страница 201
4
Зубчатое
колесо
(z=60)
B
2
R 2=32
,5
=3
0
1
R3
11k
R1
B
R
UПИТ=+5B
1
MR
DA1
TAE1453
+
Выход
СК
B
R2
3
2,2
R6
2k
δ
Магниторезистор
(FP210L 100-2)
R4
10k
R5 110k
Общий
MR - дифференциальный “монолитный” магниторезистор
типа FP210L 100-2
DA1 - операционный усилитель TAE1453
R 3 xR 4 200
R5 <
x[
- 1]
R3 + R 4 M
Где М - коэффициент симметрии магниторезистора (М=7%)
а)
б)
Рис. 5.55. Вариант применения «монолитного» магниторезистора в качестве датчика скорости вращения
зубчатого колеса: а - схема размещения; б - электрическая схема преобразования аналогового сигнала
датчика в цифровой
Таблица 5.10. Зависимость аналогового сигнала на выходе датчика от величины рабочего зазора
Рабочий зазор, Основной сигнал
UВЫХ.MR
δ,
мм
мВ
%
0.02
540
100
0,2
210
100
0,4
100
100
0,6
50
100
Напряжение 1-ой
гармоники UВЫХ.1
мВ
50
7
2
0,7
%
9
3,3
2
1,5
Напряжение 2-ой
гармоники UВЫХ..2
мВ
30
5
1
0,2
%
5,6
2,3
1
0,4
При необходимости преобразования аналогового сигнала в цифровую форму может быть использована
схема, приведенная на рис. 5.55.б.
Частота (f) вращения (шестерни или вала и т.п.) определяется по формуле:
(5.15)
где n – число оборотов шестерни, об/мин;
z – количество зубьев.
Сигнал на выходе моста зависит от величины рабочего зазора и от расстояния между зубцами шестерни.
На рис. 5.56. приведены характерные зависимости сигнала на выходе «монолитных» магниторезисторов
серий FP и KSY от расстояния между центрами зубьев ферромагнитной шестерни. Магниторезисторы
выпускаются фирмой Siemens специально для использования их в качестве датчиков скорости вращения
зубчатых колес.[49, 50]
Страница 202
Выходноенапряжение,о.е.
100
KSY20
FP211D155
75
FP414L300
50
25
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Расстояние между центрами зубьев
Рис. 5.56. Зависимость сигнала магниторезисторных датчиков от расстояния между центрами зубьев
ферромагнитной шестерни
Основные параметры некоторых типов датчиков скорости вращения зубчатых колес, выпускаемых ведущими
зарубежными производителями с использованием магниторезисторов, приводятся в главе 16 тома 2.
Датчики счета зубьев с применением элементов Холла и МУМ
Достаточно широкое распространение получили датчики скорости вращения зубчатых колес, использующие
в качестве ПМП дискретные элементы Холла и магнитоуправляемые интегральные схемы. На рис. 5.57 в качестве
приведена электрическая схема такого датчика. Схема не требует особых пояснений.
+UП (10...15) В
S N
В1
-UП (10...15) В
В1- элемент Холла типа ДХК-0,5 или аналогичный
Рис. 5.57. Принципиальная электрическая схема датчика скорости вращения зубчатых колес с применением
элемента Холла
На рис. 5.58. дана конструкция и электрическая схема датчика скорости вращения типа 1GT101DC,
реализованного на основе магнитоуправляемой ИС. В табл. 5.11 приведены основные параметры этого датчика.
Страница 203
3-х проводный Пластмассоый
кабель
корпус
Конденсаторы
фильтра пит.(C1,C2)
+UП
Постоянный магнит
Магнитоуправляемая
микросхема
S N
N
S
DD1
SW
B
Конденсатор (С3)
C1
C2
C3
Металлическая
втулка
Общий
а)
б)
Рис. 5.58. Датчик скорости вращения типа 1GT101DC: а - конструкция; б - электрическая схема
Таблица 5.11. Основные параметры датчика типа 1GT101DC (фирма Honeywell)
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Наименование параметра,
единица измерения
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Ток коммутации, мА, не более
Постоянная времени, мкс
Рабочий зазор, мм
Точка срабатывания, градусов
Точка отпускания, градусов
Диапазон значений
от 4,5 до 24
от 10 до 20
40
15
от 1,02 до 2,03
3,7±1,25
4,7±2,5
Точка срабатывания, мм
Точка отпускания, мм
3,28±1,13
4,16±2,21
0
Диапазон рабочих температур, С
Габаритные размеры, мм
-40…+150
∅17,9 x 36,4 x 37
На рис. 5.59 в качестве примера приведен вариант применения датчика скорости вращения зубчатых колес
с использованием МУМ.
Рис. 5.59. Вариант применения датчика скорости типа 1GT101DC
Датчик
1GT101DC
На выходе датчика 1GT101DC вырабатывается
стандартный сигнал в виде логического «0» или «1».
5
2,
1,0...2,0
Рабочий
зазор
Диаметр колеса
102 мм
10
Диапазон измерения скорости
вращения от 10 до 3600 об/мин.
5
Страница 204
Датчики скорости вращения повышенной точности
Для решения более сложных технических задач, требующих высокого геометрического разрешения,
используют специальные датчики с применением элементов Холла и магнитоуправляемых ИС на их основе.
Электронные схемы таких устройств отличаются высокой степенью сложности.
Фирмой Allegro (США) специально для высококачественных устройств измерения скорости вращения
зубчатых колес и скорости перемещения прямозубых и косозубых реек выпускается серия (ATS) магнитных
датчиков. [31, 33, 34, 44, 53]
На рис. 5.60 в качестве примера приведена функциональная схема магнитного датчика типа ATS640JSB,
а на рис. 5.61 приведен внешний вид и габаритные размеры этого датчика.
ATS640JSB
1
VD2
VD1
2 Выход
S N
B
Задающий
генератор
-
Усиление
+
+
+
Выходная
логика
VD3
VT1
VD4
4 Общий
Рис. 5.60. Упрощенная функциональная схема магнитного датчика типа ATS640JSB
8,8 макс.
7,0
∅0,9
3,9
ATS640JSB
A
∅ 8,96
N S
В
Элементы
Холла
2,0
Постоянный
магнит
Рис. 5.61. Внешний вид и габариты магнитного датчика типа ATS640JSB
Датчик ATS640JSB имеет два элемента Холла, расположенных в одной плоскости на расстоянии 2,23 мм
друг от друга, сложную электронную схему и весьма совершенную магнитную систему на основе ПМ из сплава
«самарий-кобальт».
Для повышения чувствительности, разрешающей способности и точности срабатывания МУМ, как правило,
используется дифференциальное включение ЭХ, когда каждый из элементов реагирует на заданную полярность
источника управляющего магнитного поля.
Электронной схемой датчика предусмотрена цифровая обработка сигнала с применением сложного
самокалибрующегося процессора, замкнутая система АРУ «самонастройка» на край зубца. Кроме того, схема
прибора предусматривает температурную компенсацию изменения параметров, а также защиту от
перенапряжения и обратной полярности источника питания.
На выходе датчика вырабатывается стандартный сигнал в виде логичесого «0» или «1». Датчик может
использоваться в 2-х проводном режиме (См. рис. 5.62).
Страница 205
Основные параметры датчиков типа ATS640JSB приведены в таблице 5.12.
Таблице 5.12. Основные параметры датчиков типа ATS640JSB
№
п/п
Наименование параметра,
единица измерения
Напряжение питания, В
Диапазон значений
2
3
4
5
6
Ток потребления, мА, не более
Ток коммутации, мА, не более
Постоянная времени, мкс
Рабочий зазор, мм
Точность срабатывания, градусов
от 4,25 до 26
26,5 (для 2-х пров.)
9…15
50
200
0,4…2,5
±(0,25-0,5)
7
8
Диапазон рабочих температур, 0С
Габаритные размеры, мм
-40…+115
∅9x7
1
SW1
B
ATS640JSB
1
+UП
2
Выход
4
С1
0,1
С2
100
R1
100
Рис. 5.62. Схема включения датчика ATS640JSB в 2-х проводном режиме
Определенный интерес представляют программируемые датчики приближения повышенной точности
ATS535CSB и ATS535JSB также предназначеные для измерения скорости вращения зубчатых колес и скорости
перемещения прямозубых и косозубых реек. Основные параметры датчиков приведены в таблице 5.13.
Приборы отличаются только диапазоном рабочих температур, которая для датчика ATS535CSB составляет
от 0 до +70 0С, а для ATS535JSB - от –40 до +1150С.
Функциональная схема датчика приведена на рис. 5.63, а внешний вид на рис. 5.64.
ATS535CSB,ATS535JSB
S N
Дифференциальный
усилитель
Дифференциальный
усилитель
Рис. 5.63. Упрощенная функциональная схема датчика типа ATS535CSB
Датчик содержит один элемент Холла и схему обработки сигнала с его «модуляцией - демодуляцией», а
также постоянный магнит на основе сплава «самарий-ко-бальт».
Схемы приборов предусматривают также температурную компенсацию изменения параметров, а также
защиту от перенапряжения и обратной полярности источника питания.
Страница 206
Однако главная особенность указанных приборов заключается в возможности дистанционного
программирования точки срабатывания после выбора оптимального рабочего зазора.
ATS535JSB1
8,8 макс.
7,0
∅0,9
3,9
ATS535CSB
N S
Элемент
Холла
A
UПР.МАКС.
2,0
8,96
а)
В
Постоянный
магнит
UПР.МИН.
0
б)
Рис. 5.64. Датчик типа ATS535: а - внешний вид; б - пример диаграммы протокола программирования
Программирование точки срабатывания датчика типа ATS535 осуществляется путем подачи по цепи
питания датчика (вывод 1) специального кодированного сигнала (рис. 5.66.б). (Подробнее см. [31])
Таблица 5.13.Основные параметры датчиков ATS535
№
п/п
1
2
3
4
5
6
Наименование параметра,
единица измерения
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Ток коммутации, мА, не более
Постоянная времени, мкс
Рабочий зазор, мм
Точность срабатывания, градусов
7
Диапазон рабочих температур, 0С
8
Габаритные размеры, мм
Диапазон значений
от 4,25 до .26
от 4 до 8
100
200
0,4…2,25
±(0,5...1,0)
0…+75 (ATS535CSB)
-40…+115 (ATS535JSB)
∅9x7
Основные параметры некоторых типов датчиков скорости вращения зубчаты колес, выпускаемых ведущими
зарубежными производителями с использованием МУМ, также приводятся в главе 16 тома 2.
Страница 207
5.4.2. Датчики скорости вращения, основанные на считывании магнитного
поля полюсов многополюсных магнитов
В этих датчиках в качестве модулятора используются диски с набором постоянных магнитов, расположенных
на окружности, а также магнитные диски с отверстиями и немагнитные диски с магнитными вставками.
Модулятор закрепляется на оси контролируемого объекта.
Устройство таких датчиков, в принципе, не отличается от датчиков счета зубьев шестеренок. Кроме того,
для этих целей могут использоваться магнитные датчики не содержащие смещающих магнитов, в том числе
датчики положения, датчики приближения, а также магнитоуправляемые интегральные схемы и т.д.
Для получения необходимой разрешающей способности выпускаются кольцевые магниты с 2, 4, 8, 10, 16,
20, 30 и более парами полюсов. Для повышения геометрической разрешающей способности ДСВ полюса
магнита делают узкими в направлении, перпендикулярном оси вращения.
Наиболее широко используются цифровые датчики, формирующие на выходе знакопеременный или
стандартный («0» - «1») сигнал при каждой смене полярности вращающегося постоянного многополюсного
магнита.
Выходной сигнал подается в программируемый счетчик, который регистрирует величину угла или
пройденного пути. Для измерения числа оборотов используют счетчик частоты, который показывает число
оборотов непосредственно в 1/мин. Например, кольцевые магниты с 30 парами полюсов при каждом обороте
обеспечивают получение 60 импульсов, что дает возможность измерять даже очень малые числа оборотов.
Частота вращения (вала, барабана и т.п.) определяется по формуле:
(5.16)
где р – количество полюсов многополюсного постоянного магнита;
n – число оборотов многополюсного магнита, об/ мин.
Датчики счета полюсов с применением магниторезисторов
Наибольшей геометрической разрешающей способностью обладают ДСВ в качестве
магниточувствительных элементов которых используются тонкопленочные магниторезисторы на основе
ферромагнитных пленок (ФМП).
При помощи таких датчиков по взаимному расположению постоянного магнита и МЧЭ можно фиксировать
изменение состояния вращения, начиная с движения из состояния покоя и вплоть до вращения на очень высоких
скоростях.
Для тонкопленочного магниторезистора магнитная цепь упрощается, поскольку магнитное смещение можно
налагать перпендикулярно поверхности элемента.
В таких случаях, как правило, применяют многополюсный постоянный магнит (МПМ) цилиндрической
формы, закрепляемый на оси объекта, частота вращения которого измеряется. Дифференциальный
магниторезистор располагают вблизи боковой поверхности магнита-модулятора.
При вращении этого магнита и прохождения вблизи МЧЭ двух соседних магнитных элементов с
разноименными полюсами воздействующее на элемент магнитное поле изменяется в следующей
последовательности от +Н до 0 и от 0 до – Н. При этом имеет место пиковое изменение сопротивления
магниточувствительного элемента.
Наиболее широко известны три возможных варианта расположения МЧЭ относительно рабочей
поверхности магнита-модулятора. Рассмотрим три возможные схемы построения такого преобразователя
частоты вращения, показанные на рис. 5.65...5.67.
Анализ данных вариантов расположения магниточувствительных элементов относительно рабочей
поверхности многополюсного магнита, показал, что наиболее оптимальным является вариант 3, приведенный
на рис. 5.67 (направление магнитного поля изменяется в плоскости Y-Z, перпендикулярной направлению
электрического тока I в МЧЭ).
Основные преимущества варианта 3 (рис. 5.67) перед вариантами 1 и 2 (рис. 5.65 и 5.66) следующие:
• возможность использования минимальных зазоров между элементами многополюсного магнита и МЧЭ;
• высокая однородность магнитного поля по длине элемента;
• высокая точность регистрации положения МПМ и связанной с ним оси.
На рис. 5.68.а показано устройство датчика скорости вращения, выполненного по варианту 3 и содержащего
два магниточувствительных элемента (R1 и R2 ), включённых в виде полумоста, питаемого от источника
постоянного напряжения UП .
Страница 208
а)
X-Y
б)
в)
Z
X
-Y
H
ω
∆R/R0
+
Θ,град
0
S N S
180
90
Направление магнитного поля
Положение МЧЭ относительно
рабочей поверхности
многополюсного магнита
Изменение сопротивления МЧЭ
Рис. 5.65.Вариант построения узла преобразователя скорости вращения с применением тонкоплёночного
магниторезистора расположенного осью X-Y перпендикулярно образующей плоскости многополюсного
магнита: а - направление магнитного поля и управляющего тока; б - зависимость сопротивления МЧЭ от
вектора напряженности магнитного поля; в - положение МЧЭ относительно рабочей поверхности
многополюсного магнита-модулятора
а)
б)
Y-Z
H
+
в)
Z
∆R/R0
X
-Y
Θ
90
0
ω
Θ,град
180
S N S NS
Направление магнитного поля
Положение МЧЭ относительно
рабочей поверхности
многополюсного магнита
Изменение сопротивления МЧЭ
Рис. 5.66. Вариант построения узла преобразователя скорости вращения с применением тонкоплёночного
магниторезистора расположенного осью X-Z перпендикулярно образующей плоскости многополюсного
магнита: а - направление магнитного поля и управляющего тока; б - зависимость сопротивления МЧЭ от
вектора напряженности магнитного поля; в - положение МЧЭ относительно рабочей поверхности
многополюсного магнита-модулятора
а)
б)
в)
Z
-Y
∆R/R0
+
0
-
Направление магнитного поля
X
ω
Θ,град
90
180
Изменение сопротивления МЧЭ
S N S N
Положение МЧЭ относительно
рабочей поверхности
многополюсного магнита
Рис. 5.67. Вариант построения узла преобразователя скорости вращения с применением тонкоплёночного
магниторезистора расположенного осью Y-Z перпендикулярно образующей плоскости многополюсного
магнита: а - направление магнитного поля и управляющего тока; б - зависимость сопротивления МЧЭ от
вектора напряженности магнитного поля; в - положение МЧЭ относительно рабочей поверхности
многополюсного магнита-модулятора
Страница 209
U1
ω
λ
N
а)
N
λ
S
Θ
U2
S
λ/2
N
S
Θ
R1
R2
U1
U2
Θ
UМ
б)
UП
Рис. 5.68. Датчик скорости вращения с применением
дифференциального тонкопленочного магниторезистора: а схематическое устройство; б - эпюры напряжений получаемых на
выходе датчика при различных положениях магнита-модулятора
На рис. 5.68.б показаны графики электрических напряжений в различных точках схемы преобразователя,
получаемых при вращении многополюсного постоянного магнита (МПМ) с постоянной частотой ω.
Магниточувствительные элементы R1 и R2 устанавливаются один относительно другого на расстоянии, равном
λ /2, т.е. равном половине расстояния между полюсами магнита.
При вращении магнита сопротивление МЧЭ увеличивается до максимальных значений при установлении
против них соответствующих магнитных элементов МПМ (с ближайшими к ним полюсами N или S).
Выходное напряжение полумоста, равное UМ = U1 - U2 , поступает на электронную схему, на выходе которой
формируются стандартные импульсы прямоугольной формы.
В таблице 5.14 в качестве примера приведены параметры двух аналогичных датчика скорости вращения,
выполненных с использованием тонкопленочных дифференциальных магниторезисторов. На рис. 5.69 приведен
его внешний вид и габаритные размеры отечественного датчика типа Ав-1.
Следует отметить следующее. Так как плотность магнитного потока изменяется по синусоиде, то при
использовании аналогичного линейного датчика можно использовать его в качестве датчика угла поворота.
При этом можно различать также и углы, меньшие угла, ограниченного парой полюсов.
Таблица 5.14. Основные параметры датчиков скорости вращения, выполненных с использованием
тонкопленочных дифференциальных магниторезисторов
№ п/п
Наименование параметра, единица
измерения
1
2
3
4
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Начальное сопротивление R0 при 20° С, Ом
5
Температурный коэффициент сопротивления
при изменении индукции магнитного поля на
20 мТл, % на градус
Температурный уход точки срабатывания
/отпускания, мкм / °С, не более
Диапазон рабочих частот, МГц
6
7
Выходное напряжение, мВ (при рабочем
зазоре δ, мм )
8
9
Ширина элемента многополюсного магнита,
Индукция магнитного поля на поверхности
диска-модулятора, мТл, не менее
10
11
12
Габаритные размеры, мм3
Масса, г, не более
Диапазон рабочих температур,°С
Тип датчика / значение параметра
Ав-1
(Россия)
9±0,5
4
2 x 1200
«Panasonic»
(Япония)
9±0,5
4
2 x 1200
40…105
(-0, 035)
15…55
(0,17)
40…105
(-0, 035)
15…55
(0,17)
-0,035
-0,035
0,4…2,4
0,6…2,4
0…1,0
0…1,0
0,3…0,5
20
0,3…0,5
20
3,3 x 3 x 7
3,3 x 3 x 7
1,5
+10...+40
1,5
-10…+80
Страница 210
Активная зона 3,3 max
3,0 max
3,3 max
B
Aв-1
7,0
MR1
S
0,8
2
N
MR2
3
3
б)
20
1
0,14
1
а)
0,35
Рис. 5.69. Датчик скорости вращения типа Ав-1: а - внешний вид; б - электрическая схема
В работе [3] производилось сравнение преобразователей на основе тонкоплёночных магниторезисторов
с другими импульсными преобразователями частоты вращения, наиболее широко применяемыми в технике.
В их число входили: фотоэлектрический, ёмкостной, индукционный преобразователи, также МЧЭ на основе
элемента Холла и «язычковый» механический преобразователь (геркон).
Преобразователи сравнивались по следующим показателям: разрешающая способность (определяемая
максимальным числом входных импульсов за один оборот рабочей оси); возможность измерения низких
частот вращения; стойкость к воздействию внешних механических и климатических факторов; диапазон
рабочих температур и стоимость.
По результатам исследований было доказано, что по совокупности всех приведенных показателей,
преобразователь с применением тонкопленочного магниторезистора превосходит остальные типы ПМП.
Датчики счета полюсов ПМ с применением магнитоуправляемых ИС
Для измерения скорости вращения валов в различных устройствах общего применения наиболее широко
используют магнитные датчики, реализованные на основе магнитоуправляемых интегральных схем или сами
МУМ (см. гл. 3). Такие датчики генерируют на выходе стандартный цифровой сигнал и хорошо совмещаются
с ТТЛ, КМОП и другими логическими схемами. Эти датчики, как правило, не содержат постоянных магнитов.
Принцип работы датчиков иллюстрируется на рис.5.70.
ω
N
S
S
N
N
S
Магнитоуправляемая
микросхема
S
Магнитный датчик
скорости вращения
N
S
N
S
ω
S
400 S
N
R
S
б)
а)
Рис. 5.70. Принцип работы датчиков скорости вращения многополюсных магнитов:
а - с использованием МУМ; б - с применением датчика типа 400SR
На рис. 5.71 приведен внешний вид датчика 413SR10, а в таблице 5.15 приведены его основные параметры.
413SR10
17
B
+
Рис. 5.71. Внешний вид датчика типа 413SR10
(Фирма Honeywell)
25
11
Страница 211
Таблица 5.15.Основные параметры датчика скорости вращения многополюсного
магнита типа 413SR10
Наименование параметра,
№ п/п
Диапазон значений
единица измерения
Hапряжение питания, В
от 6 до 24
1
Ток потребления, мА
13 (тип.)
2
Ток коммутации, мА
20
3
0
40
4
Индукция срабатывания (при 25 C),
5
6
7
8
9
10
Индукция отпускания (при 250
30
C
0
Гистерезис (при 25 C), мТл
Точность срабатывания
Диапазон рабочих частот, кГц
10
Не нормируется
0…100
-45…+150
Диапазон рабочих температур, 0С
Габаритные размеры, мм
25 x 11х 17
При использовании датчиков серии 400SR можно измерять не только скорость вращения, но одновременно
и угол поворота вала. На рис. 5.72 схематически изображена конструкция такого магнитоэлектронного
устройства.
Информация
о скорости
вращения
Информация
об угле
поворота
Рис. 5.72. Пример построения
цифрового датчика скорости
вращения и преобразователя типа
«вал-код»
(«вал-цифра»)
с
применением датчиков серии 400SR
413
S
R
1
2
4
6
8 1
Декодер
32
Младший
разряд
Выход
Старший
разряд
Устройство состоит из набора магнитных датчиков 400SR фирмы Honeywell и 6-ти разрядного кодового
магнитного барабана, установленного на валу контролируемого электродвигателя.
Барабан представляет собой набор из 6-ти кольцевых магнитов. В зависимости от разряда на рабочей
поверхности кольца может быть сформировано от одной до 32 пар N-S полюсов.
Каждая пара полюсов приводит в действие отдельный магнитный датчик, который регистрирует
перемещение полюса импульсным сигналом.
За один полный оборот барабана (360°), каждый из датчиков выдает соответственно 1, 2, 4, 8, 16 или 32
импульса.
Суммарный сигнал с выхода 6-ти датчиков представляет собой информацию об угле поворота,
представленную в двоичном коде. Эта информация поступает на дешифратор и используется по назначению.
Информация о скорости вращения вала может сниматься с датчика старшего разряда.
Угловое разрешение устройства составляет 5,6° при погрешности определения угла порядка 2%.
В качестве кодового барабана могут использоваться и специальные диски с «нанесённым» магнитным
рисунком, представляющим специальные коды. (Например, нормальный код, код Грея, коды с переменным
весом разряда и др.). [1, 5, 37]
Магнитные датчики скорости вращения отличаются высоким быстродействием, не боятся ни грязи, ни
влаги и, в отличие от индуктивных датчиков, дают сигнал прямоугольной формы, не зависящий от числа
оборотов ни по форме, ни по амплитуде, ни по фазе.
Страница 212
5.4.3. Датчики скорости вращения, использующие вихревые токи
При использовании преобразователей магнитного поля можно измерять скорость вращения объектов из
немагнитных металлов.
Метод измерения основан на использовании вихревых токов, возникающих в пластинах из
электропроводящего материала при движении их в магнитном поле.
Возникновение вихревых токов, пропорциональных частоте вращения токопроводящей пластины в
магнитном поле, вызывает изменение последнего. Это изменение результирующего магнитного поля может,
например, измеряться при помощи одного или двух дифференциальных магниторезисторов и
преобразовываться в электрический сигнал, пропорциональный частоте вращения (или скорости линейного
перемещения) проводящей пластины.
На рис. 5.73.а показана механическая часть измерителя, в котором реализован указанный выше метод
+UП
3
Магнитопровод
2
S
N
ω
B
R1
B
R3
B
R4
1
4
V
S
N
2
B
R2
-UП
а)
б)
Рис. 5.73. Измеритель частоты вращения, использующий вихревые токи: 1 - диск из проводящего
материала; 2 - постоянные магниты; 3 - магнитопровод; 4 - дифференциальные магниторезисторы.
Измеритель частоты вращения работает следующим образом. Диск 1 из алюминия или меди вращается
в магнитном поле, созданном магнитной системой из постоянных магнитов 2 и магнитопровода 3.
Изменение магнитного поля в воздушном зазоре, вызванное протеканием вихревых токов в диске 1,
воспринимается дифференциальными магниторезисторами 4. Последние соединены в неуравновешенную
мостовую схему (рис.5.73.б), в диагональ которой включается измерительный прибор V.
Как показано в работе [28], при вращении алюминиевого диска диаметром 70 мм с частотой 3000 об/
мин в магнитном поле с индукцией порядка 0,5 Тл сигнал в диагонали моста составляет 160 мВ при
напряжении питания (UП), равном 5 В.
Если линейно перемещать в этом поле ту же алюминиевую пластину со скоростью 1 м/с, то напряжение
сигнала в диагонали моста составит около 16 мВ.
Если частота вращения вала (или скорость линейного перемещения) непостоянна, то
дифференцированием выходного электрического сигнала можно определить значение ускорения.
На рис. 5.74 приведен еще один вариант датчика скорости вращения диска из немагнитного материала,
реализованный с применением тонкопленочного резисторного моста типа KMZ10. [12]
Конструкция датчика не требует особых пояснений. Магниторезисторный мост типа KMZ10 используется
в типовом режиме (см. гл. 2.2). Датчик измеряет магнитное поле, созданное вихревыми токами, наведенными
вращающимся медным диском. Чем быстрее вращается диск, тем больше вихревые токи и выше выходной
сигнал датчика.
Основные параметры и характеристики датчиков скорости вращения, выпускаемых наиболее известными
производителями, приводятся в главе 16 тома 2.
Страница 213
∅ 60
а)
UВЫХ,мВ
d =1 мм
20
-
d =2 мм
10
V,м/с -10
-3000
-5
-2000
-5
-1000
0
1000
2000
-10
3000
V,об/мин
-10
+
Постоянный
магнит KMZ10
-UВЫХ,мВ
-20
8
N
S
d
б)
Материал диска - медь
Рис. 5.74. Магнитный датчик скорости вращения медного диска: а - вариант конструкции; б -выходная
характеристика
Страница 214
5.5. Магнитные датчики угла наклона
Магнитные датчики угла наклона (Inclinometer) с электрическим выходным сигналом, пропорциональным
углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного
применения лишь в последние годы.
По виду выходного сигнала их можно условно разделить на две группы:
•
аналоговые датчики угла (Analog Inclinometer), сигнал на выходе которого пропорционален углу поворота;
и
цифровые (Digital Inclinometer), сигнал на выходе таких датчиков выдается в виде цифрового кода.
•
Принцип действия магнитных датчиков угла наклона (ДУН) основан на регистрации перемещения
«свободно висящего или плавающего» постоянного магнита относительно приемной поверхности
магниточувствительного элемента ПМП.
На рис. 5.75 приведены конструкция и принцип действия простейшего датчика угла наклона.
1
2
6
3
N
4
N
N
N
S
S
S
S
5
α =−50
а)
α =0
α =+50
б)
Рис. 5.75. Простейшый датчик угла наклона: а - конструкция: б - принцип действи: 1-корпус датчика; 2подвес; 3 - постоянный магнит; 4-магниточувствительный элемент; 5 -основание корпуса; 6 демфифирующая жидкость
Конструкция датчика состоит из герметичного корпуса 1 на крышке которого при помощи свободного
подвеса 2 укреплен постоянный магнит 3. Под действием сил притяжения Земли магнит занимает строго
вертикальное положение. На основании корпуса 5 расположен магниточувствительный элемент преобразователя
магнитного поля, в качестве которого могут использоваться магниторезисторы, элементы Холла,
магниточувствительные ИС и т.д. Внутренняя полость корпуса заполнена демпфирующей жидкостью 6, в
качестве которой часто используется силиконовое масло.
Принцип работы датчика понятен из рис. 5.75.а. При наклоне датчика относительно поверхности Земли
происходит перемещение постоянного магнита на угол α относительно приемной поверхности МЧЭ, что
приводит к изменению величины индукции магнитного поля, и, следовательно, к изменению (или появлению)
сигнала.
На рис. 5.76 в качестве примера приведены электрическая схема и выходная характеристика и габаритные
размеры простейшего датчика угла наклона типа PMP-STX. Датчик реализован с использованием
дифференциального магниторезистора.
∅ 20
12
PMP-STX
М2,6
2 отв.
б)
3
2
1
+UП
MR2
2,5 x 2
а)
40 макс.
8,5
Рис. 5.76. Датчик угла наклона типа PMP-STX: à - внешний вид; б
- электрическая схема
В таблице 5.16 приведены основные параметры магнитного датчика угла наклона типа PMP-S5LX.
выпускаемого фирмой Mirodi America Corp.
Таблица 5.16.Основные параметры магнитного датчика угла наклона типа PMP-S5LX
№ п/п
1
2
3
4
Наименование параметра, единица измерения
Полный диапазон, град
Линейный диапазон, град.
Порог чувствительности, град
Коэффициент нелинейности преобразования, %
Несимметричность характеристики, %
5
6
Начальное выходное напряжение при α =0°?, в % от UП
Малогабаритные датчики угла наклона обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Их
высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления
на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена,
но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.
В качестве основных можно считать следующие области применения.
1. Автомобильная техника. Это работа их в системе автонавигации, определения профиля дороги, в системе
горизонтирования салона, в системе автомобильного торможения ABS, системах охранной сигнализации.
Они могут контролировать положение руля, положение заслонок и штоков, осуществляющих регулировку
мощности двигателя и коробки передач, отопление и вентиляцию салона, следить за положением кресел и
их спинок и т.п.
2. Определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов, дорожных грейдеров и
асфальтоукладчиков, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин.
3. Долговременное определение положения различных высотных сооружений, плотин, стволов шахт,
использование в системах горизонтирования платформ, определение величины прогибов и деформаций
различного рода опор и балок.
4. Контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации.
5. Определение направления бурения нефтяных и газовых скважин, использование в системах управления
насосами нефтяных скважин.
6. Использование в роботах, станках и печатных прессах для контроля положения механизма, режущего
органа или валика на печатных прессах. А также для контроля положения валов, колес, механизмов
редукторов, как на стационарных, так и подвижных объектах.
7. Использование в системах охранной сигнализации, (в первую очередь автомобильных), и приборах
сейсмоакустического контроля.
Страница 216
5.6. Магнитные датчики для считывания информации с магнитных носителей
В связи с заметными успехами в технологии изготовления современных высокочувствительных
преобразователей магнитного поля все большее распространение получают магнитоэлектронные устройства,
предназначенные для воспроизведения информации, записываемой на специальные носители. К таким
носителям относятся: магнитные ленты и магнитные карты, штрих-коды, а также банкноты, помеченные
магнитными индикаторами (магнитными красками, магнитными нитями и т.д.).
Принцип действия указанных устройств аналогичен традиционным индукционным воспроизводящим
головкам, используемым для воспроизведения магнитной записи звука и др. информации. Воспроизводящая
головка преобразует изменение магнитного потока движущегося носителя информации в электрический
сигнал.[10]
Принцип действия индукционной воспроизводящей магнитной головки понятен из рис. 5.77, где приведено
и её схематическое изображение.
Направление движения носителя
λ/2
λ/2
Основа
N
S
S
Рабочий
зазор
N
N
S
Рабочий
слой
Ф
Рис. 5.77. Схематическое изображение индукционной
воспроизводящей головки
Обмотка
Обмотка
Магнитопровод
(сердечник)
Дополнительный
зазор
Магнитопровод индукционной воспроизводящей магнитной головки (ВИМГ), как правило, образован
двумя симметричными полукольцами с обмотками, между которыми расположены два зазора: рабочий и
дополнительный. (Рис. 5.77)
В процессе воспроизведения внешний магнитный поток носителя информации (например, магнитной
ленты или магнитной карты) замыкается через сердечник воспроизводящей головки, имеющей малое магнитное
сопротивление по сравнению с воздухом, и, пронизывая обмотку головки индуцирует в ней э.д.с. Эта э.д.с.
изменяется пропорционально скорости изменения магнитного потока в носителе информации около рабочего
зазора. Таким образом, при воспроизведении головка преобразует энергию движения магнитной фонограммы
в электрическую энергию.
Основные параметры ВИМГ определяются шириной рабочего зазора, т.е. промежутком между торцами
магнитопровода, заполненного диамагнитным материалом. Для ВИМГ этот параметр является главным,
поскольку он определяет вносимые рабочим зазором (SР) частотные искажения, зависящие от длины волны.
При уменьшении длины волны записи l и равной ширине, т.н. эффективного Dэф рабочего зазора, э.д.с. снижается
до нуля. В этом случае основная часть магнитного потока от носителя информации замыкается в рабочем
зазоре, не попадая в сердечник головки. (Dэф - эффективная ширина рабочего зазора которая на 10...15%
превышает ширину рабочего зазора SР). Другим основным параметром ВИМГ является отдача Е - это э.д.с.
индуцируемая в обмотке головки при воспроизведении записи с определенной намагниченностью и частотой
воспроизводимого сигнала.
Для индукционных головок величина рабочего зазора (SР) лежит в пределах от 5 до 20 мкм.
Отдача (Е) составляет от 0,4 до 6 мВ при воспроизведении измерительной ленты ЛИР I-38У.[10]
Магнитоэлектронные воспроизводящие и считывающие головки
Конструкции магнитоэлектронных воспроизводящих и считывающих головок имеют много общего с
индукционными, но вместо обмотки в таких головках используются преобразователи магнитного поля.
В качестве «измерителя» напряженности магнитного поля в рабочем зазоре магнитоэлектронных головок
используют ПМП многих известных типов, например, магниторезисторы, элементы Холла, магнитодиоды и
т.п.
Магнитоэлектронные воспроизводящие головки
Принцип действия магнитных головок, реализованных с применением элементов Холла иллюстрируется
на рис. 5.78.
Страница 217
Рабочий зазор
Магнитопровод
Рабочий зазор
Элемент
Холла
Элемент
Холла
Рабочий зазор
Вывод ЭХ
Вывод ЭХ
а)
б)
Рис. 5.78. Конструкция звуковоспроизводящих головок, реализованых с
применением элементов Холла: а - с ЭХ в
дополнительном зазоре; б - с ЭХ в рабочем
зазоре
Элемент Холла в звуковоспроизводящей головки может размещаться в дополнительном (рис. 5.78.а) или
в рабочем зазоре (рис. 5.78.б). Конструктивно наиболее просто реализуется головка с ЭХ в дополнительном
зазоре. В этом случае через ЭХ проходит только часть магнитного потока от носителя записи из-за рассеяния
и ответвления через рабочий зазор. Поэтому по чувствительности такая головка уступает головке с ЭХ,
помещенном в рабочем зазоре. В то же время головка с ЭХ в дополнительном зазоре может быть выполнена
с более высокой разрешающей способностью, так как её рабочий зазор определяется только толщиной
немагнитной прокладки. Во второй конструкции рабочий зазор определяется толщиной ЭХ, который изготовить
по традиционной технологии тонким довольно трудно. Однако современная технология уже позволяет создавать
ЭХ с толщиной порядка 30...50 мкм.
Наилучшим материалом сердечника для головок с элементом Холла является феррит. При ферритовом
сердечнике отпадает необходимость электрической изоляции контактов МЧЭ от сердечника (магнитопровода),
поскольку феррит имеет весьма высокое удельное электрическое сопротивление. В головках с металлическим
магнитопроводом ЭХ и его контакты изолируются от сердечника тонкой прокладкой.
К сожалению, ферритовые сердечники обладают неудовлетворительными механическими свойствами,
затрудняющими изготовление головок с хорошим качеством рабочего зазора.
Частотная характеристика головок с ЭХ в области высоких частот зависит от тех же факторов, которые
определяют характеристику индукционной воспроизводящей головки. Характеристика ЭДС самого ЭХ
практически равномерна до частот порядка нескольких МГц.
Наибольший интерес представляет использование таких головок для воспроизведения низких частот,
практически от 0 Гц.
Отдача головок с ЭХ на основе InSb составляет примерно 0,8 мВ, но их параметры существенно зависят
от температуры. (∆E составляет примерно 2% на 1 0С).
Головки с ЭХ на основе InAs имеют отдачу в 3...3,5 раза меньше, но она в меньшей степени зависит от
температуры (∆E составляет порядка 0,1 % на 0С).
На рис. 5.79. приведена схема еще одного варианта воспроизводящей головки, представляющей единое
целое с записывающей головкой. В магнитной воспроизводящей головке использован элемент Холла,
изготовленный на основе антимонида индия (InSb).
Записывающая
головка
Страница 218
По сравнению с традиционными индукционными головками, головки с применением МЧЭ, имеют широкую
полосу воспроизводимых частот, начиная с постоянного тока до 50 кГц и более. В результате отпадает
необходимость использования специальных схем, корректирующих (выравнивающих) их частотную
характеристику.
Такие головки являются одним из перспективных направлений, отвечающих важному требованию,
предъявляемому к современным приборам, требованию микроминиатюризации (ширина одной дорожки равна
0,3–1,0 мкм). [19].
В работе [9] приводится вариант конструкции воспроизводящей головки на магнитодиоде. На рис. 5.80.
показано схематическое устройство такой головки.
3
2
4
5
6
7
1
Рис. 5.80. Схематическое устройство
воспроизводящей головки с использованием
магнитодиода.
Два С-образных полусердечника 4 образуют рабочий 1 и дополнительный 5 зазоры (см. рис. 5.80). Внутри
полусердечника установлен постоянный магнит 2 в виде цилиндра. Постоянный магнит, намагниченный
перпендикулярно плоскости, проходящей через ось цилиндра и середину рабочего зазора, своей цилиндрической
поверхностью сопрягается с внутренними поверхностями полусердечников. Между параллельными
плоскостями дополнительного зазора размещен магнитодиод 7, выводы 6 которого включаются в электронную
схему воспроизведения. Постоянный магнит 2 снабжен замком в виде окна 3.
Описанная головка работает следующим образом. Движущийся магнитный накопитель информации
вызывает изменение потока магнитной индукции в рабочем зазоре. Это приводит к соответствующему
изменению потока магнитной индукции через установленный в дополнительном зазоре магнитодиод.
Происходит изменение сопротивления магнитодиода, пропорциональное изменению магнитного потока.
Воспроизводящая головка на магнитодиоде намного чувствительнее головок на магниторезисторах.
Описанная выше воспроизводящая головка нашла применение в устройстве останова диктофона, т.к.
существующие устройства останова, применяемые в аппаратах с дисковыми накопителями информации и
содержащие концевые датчики - имеют сложную конструкцию и обладают низкой надежностью.[4]
В последние годы все более широкое распространение получают, т.н. тонкопленочные воспроизводящие
и записывающие головки.
Обмотки, магнитопроводы, смещающие магниты, магниточувствительные и др. элементы таких головок
формируются методами тонкопленочной технологии, используемой для изготовления интегральных схем.
Большинство таких головок универсальны и служат для записи и воспроизведения информации с магнитных
носителей с высокой плотностью упаковки.
Такая головка представляет собой сложное интегральное магнитоэлектронное устройство. Записывающая
обмотка такой головки представляет собой печатную структуру из медной пленки. А в качестве воспроизводящей
«обмотки» используется тонкопленочный магниторезистор. На рис. 5.81 в качестве примера приводится один
из вариантов конструкции тонкопленочной головки.
Рабочий зазор
8
3
7
Рис. 5.81. Вариант конструкции тонкопленочной
магнитной головки: 1 - магниторезистивный элемент;
2 – смещающая полоса; 3 – полюсный наконечник
токоведущего провода; 4 – замыкающая часть магнитопровода; 5 – электропроводящая полоса полоса; 6 –
ферритовая подложка; 7 – диэлектрический слой
рабочего зазора; 8 – рабочий зазор
2
1
4
5
6
Страница 219
Тонкопленочные магнитные головки обладают высокими магнитоэлектрическими параметрами и
эксплуатационными характеристиками. Они изготавливаются по групповым технологиям, и, следовательно,
дешевле, т.н. массивных. В таблице 5.16 приводятся основные параметры записи-воспроизведения массивныхи
тонкопленочных головок. Подробнее см. [13]
Таблица 5.17. Основные параметры записи-воспроизведения массивных и тонкопленочных головок
№
п/п
Тип головки
Наименование параметра,
единица измерения
1
2
3
4
5
6
7
8
Число витков обмотки
Рабочий зазор, мкм
Длина поверхности полюсного
Ширина дорожки, мм
Резонансная частота, МГц
Амплитуда тока записи, мА
Выходной напряжение, мВ
Магнитная проницаемость
9
Магнитная индукция насыщения, Тл
Массивная
головка
Тонкопленочная
головка
10…1000
0,5…6,3
0,1…10
0,02…1,3
0,1…1,0
10…100
0,1…100
менее 1000
(при 2 МГц)
0,2…0,6
0,2…2,5
1024
(1…10)*10-3
(5…100)*10-3
10…200
50…300
0,1…30
более 1000
(при 20 МГц)
1…1,8
Магнитные датчики распознавания образов
Большую группу специализированных воспроизводящих магнитных головок составляют, т.н. магнитные
датчики распознавания образов. Одни из них нашли применение в определителях подлинности банкнот.
При печатании казначейских билетов для создания определенных рисунков используются магнитные
чернила и магнитные краски. Для каждого казначейского билета создается свой рисунок. На рис. 5.82 приводится
вариант конструкции магнитоэлектронной головки для считывания и распознавания рисунков, нанесенных
магнитной краской. Электрическая схема этой головки показана на рис. 5.83.
Металлическая вставка
Магниторезисторы
Обмотка
Постоянный
магнит
Обмотка
Рис. 5.82. Конструкция магнитной головки,
предназначенной для считывания магнитных
знаков и рисунков
Выводы
+UПИТ (5...8) B
UВЫХ
B
R8
R4
B
R5
B
DA1
+
ОУ
Выход
R6
B
0,5 мВ
R1
0
R2
L,мм
R7
R3
Общий
а)
б)
Рис. 5.83. Магнитная головка: а - упрощенная электрическая схема; б - форма сигнала на выходе
Страница 220
При считывании информации с банкноты достоинством в 1000 иен на выходе датчика генерируется сигнал
примерно 0,5 мВ (рис. 5.83.а), что гарантирует высокую достоверность распознавания [19].
На рис. 5.84 приведены не требующие особых пояснений схемы конструкций считывающих головок на
основе «монолитных» магниторезисторов [49, 50]. На рис. 5.85 дана упрощенная схема записи и
воспроизведения магнитных штрих-кодов с применением указанных головок.
Носитель
информации
Маска из
феррита
Вкладыш
Феррит
Вкладыш
Магнитопровод
Элемент
Холла
Элемент
Холла
В качестве чувствительного элемента используется
RHY-15 специальной конструкции.(ф.Siemens)
В качестве чувствительного элемента используется
RHY-20 специальной конструкции.(ф.Siemens)
Рис. 5.84. Схемы конструкций двух считывающих головок на основе «монолитных» магниторезисторов
фирмы Siemens
Магнитная
карта
Элемент
Холла
Рис. 5.85. Структурная схема записи и
воспроизведения магнитных штрих-кодов
Кодирующий
электромагнит
Серия BS05
3
4
2
1
11,1
B
MR2
N
S
12,5
8,1
MR1
а)
Наиболее известными производителями
магнитоэлектронных считывающих головок
являются фирмы Murata, Siemens, Asahi, Densi,
4 Корпус Katsura Sanho Co.Ltd., Modis Corporation, Sony и
др. На рис. 5.86 показан внешний вид и дана
3 Общий электрическая схема считывающих головок серии
BS05, выпускаемых фирмой Murata. В табл. 5.18
1 Выход приведены их основные параметры.
2 +UП
6
B
2,5 2,5
Активная
зона
б)
Рис. 5.86. Считывающие головки, выпускаемые фирмой
Murata: а – внешний вид; б – электрическая схема
Страница 221
Таблица 5.18. Основные параметры считывающих головок серии BS05, выпускаемых фирмой Murata
Тип головки / значение параметра
№ п/п
Наименование параметра, единица измерения
1
2
3
Напряжение питания, В
Входное сопротивление, кОм
Минимальное (эффективное) выходное напряжение, мВ
4
5
6
7
8
Ширина рабочей зоны, мм
Разрешающая способность, мм
Диапазон рабочих температур,°С
Габаритные размеры, мм
Масса, г, не более
BS05N1HBAA
BS05M1HFAI
BS05I1KFAB
5
0,5…6,0
235
5
0,5…6,0
150
5
1,0…15,0
0,3…0,8
6
0,75
-45…+125
11,1 x 12,8 x
10
3
0,75
-45…+100
15 x 7,5 x 45
10
10
0,75
-40…+150
10,8 x 10,1 x 15
10
Параметры, внешний вид и габариты некоторых типов магнитных датчиков, предназначенных для
считывания информации с плоских носителей, приводятся в главе 17 тома 2.
В последнее время широкое распространение получили системы записи, хранения и считывания
информации, основанные на использовании эффекта Виганда.
В общем виде носитель информации, использующий указанный эффект, представляет собой карточку
стандартного размера, изготовленную из специальной пластмассы. В карточку впрессованы один или два ряда
проволок Виганда точно установленного размера. Эти проволоки, в зависимости от их «магнитного состояния»,
представляют 0 или 1. На такую карточку может быть занесена информация с максимальным объемом 56 бит.
Считывающая головка в данном случае представляет собой устройство, содержащее обмотку и пару
постоянных магнитов. Пример такого устройства приведен на рис. 5.87.
Рис. 5.87 Считывающее устройство, использующее эффект Виганда
Перед тем как носитель (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.
Несколько слов о карточках
В современных электронных системах расчетов и контроля доступа используются устройства
идентификации следующих основных типов:
•
•
•
считыватели карточек с магнитной полосой;
считыватели карточек Виганда;
считыватели бесконтактных карточек с микросхемой.
Ниже остановимся на особенностях использования считывающих устройств двух первых типов.
Считыватели карточек с магнитной полосой
Карточка с магнитной полосой представляет собой стандартную пластиковую карточку, на которую с помощью
специального кодирующего устройства записан персональный цифровой код и др. необходимая информация. Согласно
международному стандарту ISO, на магнитной полосе может находиться от одной до трех дорожек записи, причем их
положение, ширина и ряд других параметров строго регламентируются стандартом. Основной элемент считывателя карточек
— магнитная головка. Передвигая карточку в специальной щели считывателя, мы перемещаем магнитную полосу мимо
головки, и считываем записанную на карточке информацию.
Страница 222
Стоимость карточек и считывателей достаточно низка (карточка стоит 1—4 долл. США, а считыватель в зависимости
от типа — 100—300 долл.). Однако карточки требуют весьма бережного обращения, поскольку подвержены воздействию
электромагнитных полей, а считыватели достаточно капризны в эксплуатации, поскольку их магнитные головки со временем
засоряются и смещаются, что приводит к снижению пропускной способности систем контроля доступа (чтобы записанная
информация считалась, зачастую приходится проводить карточкой через считыватель несколько раз).
Для повышения защищенности системы от несанкционированного доступа код, записанный на карточке, можно легко
менять с помощью специального устройства чтения/записи, однако в целом защищенность невелика, поскольку лицо,
завладевшее чужой карточкой на весьма короткое время, может сделать неограниченное число дубликатов.
Простые карточки с магнитной полосой для серьезных систем доступа, очевидно, уходят в прошлое. Некоторое время
назад они использовались в случае желания потребителя иметь единые карточки, как для финансовых расчетов, так и для
систем доступа, но теперь и в этом случае использовать их необязательно, поскольку карточки различных технологий
выпускаются уже и с нанесенной на них магнитной полосой.
Считыватели карточек Виганда
Устройство карточек и считывателей достаточно просто. В структуру пластиковой карточки при производстве
впечатываются две полоски проволок Виганда, расположенных в строго определенной последовательности (различной для
каждой карточки) и содержащих информацию о персональном коде ее владельца. Считыватель, который фактически является
индукционной катушкой с двумя магнитами противоположной полярности, расположен в пластиковом или металлическом
корпусе и для полной герметичности залит специальным изоляционным материалом. Считывание ведется бесконтактным
индукционным методом, и при перемещении карточки вблизи считывателя одна полоска формирует положительные скачки
индукционного тока (трактуются системой как единицы), а вторая – отрицательные (трактуются как нули), соответствующие
бинарному коду карточки.
Достоинствами данной технологии признаны:
•
•
•
•
высокая надежность вследствие простоты устройства систем считывания;
сложность подделки карточки в связи с отсутствием информации о составе проводников;
высокая устойчивость карточки к внешним воздействиям;
невысокая стоимость считывателей и карточек ( цена карточки – 3–7 долларов, а считывателя, в зависимости от типа, –
от 250 до 460 долларов).
Сравнительные характеристики наиболее распространенных систем считывания карточек приведены в табл. 5.19.
Таблица 5.19. Сравнительные характеристики наиболее распространенных систем считывания карточек
Типа карточки
№
п/п
Наименование показателя
качества
1
Затраты на эксплуатацию
2
3
4
5
6
7
8
9
Скрытность кода
Время жизни карты
Время жизни считывателя
Влияние электромагнитных полей
Стоимость инсталляции системы
Стоимость при эксплуатации
Возможность изменения кода
Пропускная способность
Карточка с
магнитной
полосой
высокие
Карточка с
элементами
Виганда
отсутствуют
Карточка
бесконтактного
считываниея
низкие
низкая
малое
малое
высокое
низкая
высокая
есть
низкая
высокая
большое
большое
отсутствует
средняя
низкая
отсутствует
средняя
средняя
большое
среднее
высокое
высокая
средняя
отсутствует
высокая
Страница 223
5.7. Датчики измерения тока и напряжения
Большой класс изделий микромагнитоэлектроники представляют датчики для бесконтактного измерения
тока и напряжения (ДТиН).
До недавнего времени для решения указанных задач в основном использовались классические датчики в
виде шунтов, трансформаторов тока и магнитных усилителей. Каждый из этой группы датчиков обладает
своими достоинствами и рядом недостатков.
Так, например, шунт отличается простотой исполнения, однако не обеспечивает гальванической развязки
от токовой шины.
Трансформатор тока имеет, как правило, предельно низкую цену, однако не способен измерять постоянный
ток.
Магнитный усилитель ограничивается измерением только пульсирующих токов.
Все перечисленные недостатки устраняются в конструкциях следующего поколения датчиков, получивших
название, бесконтактных датчиков измерения тока и датчиков напряжения.
Датчики тока и напряжения последнего поколения представляют собой магнитоэлектронные устройства,
принцип действия которых основан на измерении магнитной индукции, создаваемой проходящим током и
регистрируемый преобразователем магнитного поля. В качестве преобразователей магнитного поля, в принципе,
могут использоваться любые типы преобразователей магнитного поля: элементы Холла, магниторезисторы,
магнитодиоды, магнитотранзисторы и др.
Однако наибольшее распространение для указанных целей получили два типа ПМП: магниторезисторы для регистрации малых токов (до 0,5 А) и элементы Холла - для измерения больших токов (до 1000 А и более).
В промышленных образцах измерителей тока и напряжения, как правило, используются
магниточувствительные и магнитоуправляемые микросхемы с использованием интегральных элементов Холла.
При этом элемент Холла качественно отрабатывает постоянные и низкочастотные (до 20 кГц) сигналы, а в
области высокочастотных сигналов датчик тока работает уже как трансформатор тока, что обеспечивает полосу
пропускания частот измеряемых токов до 200 кГц и более.
Использование современных высокочувствительных ПМП позволяет реализовать их главное
преимущество: датчики на их основе способны измерять без разрыва цепи как постоянный, так и переменный
ток, гарантируя гальваническую развязку источника сигнала и измерительного прибора.
5.7.1. Общие принципы бесконтактного измерения тока
Измерение тока бесконтактным способом, в общем случае, сводится к измерению индукции магнитного
поля, создаваемого измеряемым током с последующим выполнением необходимых вычислений.
В тех случаях, когда сила тока, протекающего через проводник, достаточно велика (более 100 А), можно
измерить силу этого тока путем определения индукции магнитного поля рассеяния, расположив преобразователь
магнитного поля на безопасном расстоянии вблизи токонесущего проводника или кабеля (Рис. 5.88.)
Преобразователь
магнитного
поля
Схема
усиления
сигнала
ПМП
Выход
UВЫХ= γ x B x Кус
Рис. 5.88. Схема измерения тока с
использованием магнитного поля
рассеяния
Для проводника круглого сечения радиусом RП, по которому проходит ток I1, тангенциальная составляющая
магнитной индукции на расстоянии RП > d от центра проводника определяется выражением:
(5.17)
где µ0 – магнитная постоянная, равная 1,257 х 10-6 В х с / (А х м);
RБ – безопасное расстояние от центра проводника до центра магниточувствительного элемента.
Страница 224
Приняв безопасным расстояние RБ = 10 мм, результаты расчета сведем в таблицу 5.20.
Таблица 5.20. Результаты расчета индукции рассеянного магнитного поля
Ток I1 ,А
1
5
10
50
100
500
1000
Индукция, В, мТ 0,02
0,1
0,2
1
2
10
20
Если сила тока в проводнике мала для получения необходимого сигнала на выходе ПМП, последний
помещается в воздушный зазор δ концентратора магнитного поля, охватывающего проводник с током. (Рис.
5.89.а, б). Обычно концентратор выполняется из ферромагнитных материалов с узкой петлей гистерезиса
(электротехнические стали, пермаллой, феррит и пр.).
Преобразователь
магнитного
поля
lст
I1
W
lст
а)
б)
Рис. 5.89. Измерение тока при использовании: а – концентратора магнитного поля; б – концентратора и
токовой обмотки
Магнитная индукция в воздушном зазоре при пренебрежении потоками рассеяния определяется из
выражения:
(5.18)
где µr - магнитная проницаемость материала концентратора
магнитного поля;
δ – длина воздушного зазора;
– средняя длина магнитной силовой линии концентратора.
Если
, можно пренебречс составляющей
отпределяться выражением:
, тогда индукция в воздушном зазоре будет
(5.19)
При измерении относительно малых токов (до 10 А) можно использовать конструкцию, приведенную на
рис. 5.89.б. В этом случае измеряемый ток пропускают через токовую обмотку ω. Индукция в воздушном
зазоре δ определяется по формуле:
(5.20)
где n – число витков в токовой обмотке ω.
При этом площадь сечения проводника Sпр в токовой обмотке
рассчитывается по формуле:
ω при максимальном измеряемом токе
(5.21)
где j – плотность тока, равная 5 А/мм2;
I1max – максимальное значение измеряемого тока, А.
Страница 225
Диаметр провода d в обмотке определяется из выражения:
(5.22)
Используя формулы (5.18...5.22) при воздушном зазоре δ = 1 мм полученные значения B сведём в таблицу
5.21.
Таблица 5.21. Результаты расчета индукции в зазоре δ = 1 мм
Ток в обмотке, А / индукция в зазоре, мТл
Количествовитков в
токовой катушке
1
5
10
50
100
500
1000
1 виток
1,26
6,29
12,6
62,9
126
629
1257
3 витка
3,8
18,9
37,7
189
377
1886
3771
5 витков
6,3
31,4
62,9
314
629
3143
6285
Диаметр провода в
0,5
1,1
1,6
3,6
5
11,3
16
обмотке, мм
В связи с тем, что потоки рассеяния и магнитная проницаемость µr материала концентратора являются
функциями магнитной индукции, связь между измеряемым током I1 и индукцией B в воздушном зазоре в той
или иной мере отклоняется от линейной, чем и регламентируется погрешность бесконтактного измерения
тока или напряжения.
Индукция В в воздушном зазоре тороидального сердечника также зависит и от свойств применяемых
ферромагнитных материалов. На рис. 5.90 в качестве примера приведены характеристики двух магнитопроводов,
изготовленных из ленточного пермаллоя и феррита.[17]
В,мТл
В,мТл
40
Пермаллой
Феррит
150
d=2 мм
d=2 мм
100
d=5 мм
d=4 мм
50
А/витки
А/витки
0
а)
100
200
б)
300
Рис. 5.90. Графики индукции в зазоре для колец: а - из пермаллоя; б - из феррита
По виду выходного сигнала датчики тока можно условно разделить на две группы:
•
•
линейные датчики - ( Linear Current Sensors);
цифровые датчики- (Digital Current Sensors).
Сигнал на выходе линейного датчика пропорционален измеряемому току. Алгоритм работы линейного
датчика понятен из рис. 5.91.а. У современных моделей датчиков, имеющих встроенные схемы АЦП, выходной
сигнал может представляться и в цифровой форме.
UВЫХ.
IИЗМ.
Аналоговая
схема усиления
и обработки
сигнала
UВЫХ
UВЫХ.МИН.
0
U вых.
1
U вых.
UВЫХ.МАКС.
IИЗМ.МИН.
IИЗМ.МАКС.
IИЗМ. I ИЗМ.
Цифровая
схема усиления
и обработки
сигнала
UВЫХ
U0вых.
0
IОТП.
I СРАБ.
IИЗМ.
а)
б)
Рис. 5.91. Упрощенная структурная схема и выходная характеристика: а – линейного; б – цифрового
датчика тока
На выходе цифрового датчика формируется стандартный сигнал в виде логического 0 или логической 1
(см. рис. 5.91.б). Причем у большинства датчиков сигнал в виде логической 1 выдается при достижении
измеряемым током предельного (заданного) значения. У некоторых моделей датчиков сигнал может
представляться в инверсной форме.
Выходной сигнал, выдаваемый в виде 0 или 1, может использоваться как для индикации, так и для
управления последующими элементами систем автоматического управления.
Цифровые датчики часто называют датчиками предельного тока.
Страница 226
5.7.2. Схемотехника магнитных датчиков тока и напряжения
Схемотехника бесконтактных магнитных датчиков тока и напряжения определяется назначением и
условиями эксплуатации прибора, а также технологическими возможностями производителя, стоимостью
изготовления и др. факторами.
Исследование особенностей схемотехники бесконтактных датчиков тока и напряжения представляет собой
специальную задачу, а потому подробно не рассматривается в настоящей работе.
Наибольшее распространение получили две разновидности структурных схем датчиков: схема прямого
преобразования и компенсационная схема.
Схемы прямого преобразования
Упрощенный вариант схемы датчика тока с прямым преобразованием представлен на рис. 5.92. Эта схема
достаточно проста и не требует особых пояснений. Измеряемый ток, проходя через токовую обмотку, возбуждает
в зазоре магнитопровода поле определённой величины. Под воздействием индукции магнитного поля в ПМП
возникает сигнал, который усиливается и поступает на выход датчика.
+UП
IИЗМ.
Схема
усиления
сигнала
преобразователя
магнитного
поля
Токовая
обмотка
IИЗМ.
Выход
RH
Рис. 5.92. Упрощенный вариант
схема датчика тока с прямым
преобразованием
Общий
На рис. 5.93 приведена упрощенная схема датчика напряжения. Эта схема отличается от схемы датчика
тока тем, что при измерении напряжения токовая обмотка подключается к шинам 1 и 2 через резистор R1. (В
зарубежной литературе резистор R1 часто называют «первичным»).
Шина 1
+UП
Рис. 5.93. Упрощенный вариант
схемы датчика напряжения с
прямым преобразованием
UИЗМ.
R1
Токовая
обмотка
Преобразователь
магнитного
поля
Схема
усиления
сигнала
преобразователя
магнитного
поля
Выход
RH
Общий
Шина 2
В датчиках, реализованным по схеме прямого преобразования, как правило, используется выход «по
напряжению».
Компенсационная схема измерения тока
Компенсационную схему используют при необходимости повышения точности измерения и улучшения
линейности характеристики преобразования. Такая схема часто называется схемой с «противовключением».
Упрощенный вариант компенсационной схемы приведен на рис.5.94.
Страница 227
В этой схеме (рис. 5.94) преобразователь магнитного поля используется как индикатор нулевого магнитного
поля в воздушном зазоре δ.
Принцип действия схемы (рис. 5.94) достаточно прост.
Токовая обмотка ω1 по которой протекает измеряемый ток I1 создает в рабочем зазоре δ магнитное поле,
регистрируемое чувствительным элементом преобразователя магнитного поля.
Напряжение сигнала ПМП поступает на вход усилителя, к выходу которого подключена компенсационная
обмотка ω2 и протекает ток I2 . Эта обмотка создаёт в рабочем зазоре поток, направленный навстречу потоку,
создаваемому током I1
В этом случае схема противовключения стремится сохранить в зазоре нулевой магнитный поток.
Если учесть, что
,
(5.23)
то напряжение UВЫХ, измеряемое при RН.ВЫХ ⇒
∞ , будет равно:
,
(5.24)
где n1 - число витков в обмотке ω1;
n2 - число витков в обмотке ω2.
В датчиках, реализованных по компенсационной схеме, как правило, используется выход «по току».
Следует отметить, что использование компенсационной схемы неприемлемо для случая
быстроизменяющихся токов, когда скорость реакции схемы противовключения несоизмерима со скоростью
изменения измеряемого тока.
В этом случае следует использовать рационально построенные концентраторы магнитного поля с
элементами Холла в магнитном зазоре.
5.7.3. Примеры технической реализации датчиков тока
Конструктивное оформление магнитоэлектронных датчиков тока (или напряжения) определяется их
назначением и конкретными условиями применения, а также техническими требованиями, предъявляемыми к
этим приборам.
Датчики тока с применением элементов Холла
Простейший датчик тока состоит из магнитопровода торроидальной формы в рабочем зазоре которого
установлен элемент Холла или магниточувствительная схема на основе ЭХ.
Как правило, изготавливают из пермаллоя или феррита (µ > 2000). В случае необходимости для усиления
сигнала ЭХ используются сравнительно простые электронные схемы с применением операционных (ОУ) или
инструментальных (ИУ) усилителей, выполненных в виде полупроводниковых интегральных схем.
На рис. 5.95…5.97 в качестве примера приводятся несколько вариантов схем ДТ, реализованных с
применением элементов Холла, магнитодиодов и магниторезисторов.
+UП (10B)
IИЗМ.
B1
2
L1
Тор,S=4х4 мм
D-18 мм
4 витка
d -1 мм
Зазор - 0,7мм
R9
2,2k
R4
4,7k
R1
330
1
DА1
R6 10k
R2
330
5
Выход
3
R3
470
4
R7 10k
R8 680k
R5
4,7k
Общий
B1 - элемент Холла типа KSY 10 (фирмы “Siemens”)
DА1 - операционный усилитель типа ТАЕ1453А (фирмы “Siemens”).
Рис. 5.95. Принципиальная электрическая схема датчика тока, реализованного с применением
дискретного элемента Холла
Рис. 5.97. Функциональная схема датчика тока с компенсационной обмоткой
(Компенсационная обмотка содержит, как правило, порядка 1000...2000 витков)
Страница 229
Датчики тока с применением магниточувствительных ИС
На рис. 5.98 приведен вариант конструкции простейшего датчика тока с применением
магниточувствительной интегральной схем. Данная конструкция не нуждается в подробных пояснениях. На
электрическом кабеле устанавливается магнитопровод, имеющий форму тора. В зазоре магнитопровода
устанавливается магниточувствительная ИС. МЧМС используется в типовом включении (см. гл. 3 и 12).
При соблюдении размеров деталей конструкции, приведенной на рис.5.98 в зазоре возникает индукция,
равная ~ 0,6 мТл/А.
Магниточувствительная ИС
4,8
2,54
Рис. 5.98. Вариант конструкции
простейшего датчика тока с применением
магниточувствительной интегральной
схем
Магнитопровод
Кабель
1,6
Датчик тока с применением магнитодиода
На рис. 5.99 приведена конструкция датчика постоянного тока, реализованного с применением
магнитодиодов типа КД-301. Конструкция датчика проста и не требует специальных пояснений.
1
2
+UП
3
RОС
RБ
R1
+
DA1
В
В
Выход
R2
R3
VD1
7
6
а)
5
VD2
Общий
4
б)
Рис. 5.99. Датчик предельного тока, реализованный с применением магнитодиодов: а – конструкция; б –
принципиальная схема: 1 – магнитодиоды; 2 – магнитопровод; 3 – постоянные магниты из
магнитокерамики; 4 – диэлектрическая обойма; 5 – тороид с зазорами; 6 – проводник; 7 – корпус из
эпоксидной смолы
Датчик (рис. 5.99) работает следующим образом. Измеряемый ток проходит через проводник 6.
Магнитодиоды 1 расположены в зазорах тороида 5.
Сигнал с магнитодиодов VD1 и VD2 усиливается операционным усилителем DA1. Нулевой уровень сигнала
на выходе датчика устанавливается потенциометром R1 при отсутствии тока в проводнике 5.
Датчик тока реагирует как на величину, так и на направление измеряемого тока. Температурная
нестабильность датчика тока составляет менее 5 мВ/на градус Цельсия [9].
Датчики тока с применением магниторезисторов
Линейный датчик тока
На рис. 5.100 показан вариант реализации простейшего датчика тока с использованием тонкопленочного
магниторезисторного моста типа АС002-02. Мост, размещенный в микрокорпусе типа SO8, находится
непосредственно на проволочном или печатном проводнике.
Принцип работы такого датчика (рис. 5.100) не требует особых пояснений. Датчик регистрирует рассеянное
магнитное поле. Мост питается от источника постоянного тока с напряжением 8–9В, а напряжение сигнала
снимается с диагонали моста (выводы 1–5) и может непосредственно измеряться высокоомным вольтметром.
На рис. 5.101 приведена электрическая схема и выходная характеристика датчика тока, а в табл. 5.22 даны
некоторые его параметры.
Страница 230
Печатная плата
Печатный
проводник
Магниторезисторный
мост
NVE
AC004
Рис. 5.100. Вариант расположения магниторезисторного моста на проводниках с током: а - на
проволочном проводнике; б - на печатном проводнике
Принцип работы такого датчика (рис-5.100) не требует особых пояснений. Датчик регистрирует рассеянное
магнитное поле. Мост питается от источника постоянного тока с напряжением 8...9В, а напряжение сигнала
снимается с диагонали моста (выводы 1-5) и может непосредственно измеряться высоокомным вольтметром.
На рис. 5.101 приведена электрическая схема и выходная характеристика датчика тока, а в таблице 5.22
приводятся некоторые его параметры.
+UП
AC002-02
8
UВЫХ
1
UВЫХ
1
5
2
4
а)
- UП
б)
Рис. 5.101. Датчик тока, реализованный с применением тонкопленочного магниторезисторного моста
типа АС002-02: а - электрическая схема; б - выходная характеристика
Таблица 5.22. Основные параметры датчика тока, реализованного с применением тонкопленочного
магниторезисторного моста типа АС002-02
№
п/п
1
2
3
4
5
6
Наименование параметра, единица Тип проводника / значение параметра
измерения
Печатный Тянутый
Тянутый
Ширина или диаметр проводника, мм
7,62
∅ 2,54
∅ 1,46
1
Ток через проводник, А
1
1
Напряженность магнитного поля, мТл
0,261
0,136
0,078
Магнитная чувствительность
40
40
40
10,44
5,45
3,13
Токовая чувствительность γI , (мВ/В/А)
-50…+125
-50…+125
-50…+125
Диапазон рабочих температур,°С
Страница 231
d
KMZ10B
Проводник
с током
0,35
1,15
IИЗМ
Постоянный
магнит
∅1
Рис. 5.102. Вариант измерения тока при помощи магниторезисторного моста серии KMZ10
На рис. 5.102 показан вариант использования тонкопленочного магниторезисторного моста типа KMZ10.
Принцип работы такого датчика также не требует особых пояснений. Датчик питается от источника постоянного
тока с напряжением 5В, а напряжение сигнала снимается с диагонали моста и может непосредственно измеряться
высоокомным вольтметром. Постоянный магнит служит для смещения выходной характеристики моста в
линейную область.
На рис. 5.103 приведены выходные характеристики датчика тока с использованием моста типа KMZ10.
б) 100
SU,мВ/А
60
UВЫХ,мВ
KMZ10B
KMZ10B
d=0
40
10
20
d = 2 мм
0,5мм
0
Проводник ∅ 0,3...2 мм
1 мм
2 мм
1
-20
корпус
-40
IИЗМ,А
-20
-10
0
10
20
а)
d, мм
0,1
0,1
0,2
0,5
1
5
2
10
Рис. 5.103. Характеристики моста KMZ10: а - зависимость выходного сигнала (U ) от измеряемого тока;
вых
б - зависимость токовой чувствительности (SU ) от расстояния (d) до проводника при измерении тока
В некоторых случаях при измерении постоянного тока целесообразно использовать два магниторезисторных
моста, размещаемых по разные стороны проводника. Пример такого расположения приведен на рис. 5.104. В
качестве датчиков тока в данном случае используется тонкопленочный магниторезисторный мост типа
КМZ110В, выпускаемый фирмой Philips. Характеристики моста КМZ110В аналогичны характеристикам
приборов серии KMZ10. Постоянные магниты служат для смещения характеристик моста в линейную область.
Для усиления сигнала с датчика тока может использоваться простейший усилитель на основе ОУ, схема которого
приведена на рис. 5.105.
Постоянный
магнит
Проводник с током
KMZ110B/2
1,0
Печатная плата
Рис. 5.104. Вариант расположения
магниторезисторных мостов типа
КМZ110 при измерении тока
1,15
Страница 232
+UП (10 В)
DA1 1
C4
10,0
+
2
4
R2 1,0
R4 1,0
3
C1 10,0
R1
1k
DA2
+
1
DA3
+
R3 1k
C2 10,0
+
Выход
R5 100k
+10B
C3
33,0
R6
10k
2
4
DA4
-
Общий
R7
10k
3
DA1,DA2- магниторезисторный мост типа KMZ110B/2
DA3,DA4- операционный усилитель типа NE532
Рис. 5.105. Схема усиления сигнала сдвоенного магниторезисторного моста
Фирма Zetex Semicondactors специально для измерения постоянного тока выпускает магниторезисторные
мосты серии ZMC. В корпусе этих приборов вмонтированы токовые проводники. Основные параметры
некоторых типов приборов данной серии приведены в таблице 5.23. [32]
Таблица 5.23.Основные параметры приборов серии ZMC, выпускаемых фирмой Zetex Semiconductors
МаксиНапряжение
мальный
изоляции,
измеряВ,
емый ток,
не менее
А
Входное
сопротивление
моста,
кОм
Чувствительность,
(мВ/В)/А
Начальное
выходное
напряжение,
мВ/В
Сопротивление
токового
проводника,
мОм
Тип
Рабочее
напряжение,
В
ZMC05
12
200
5
1,2…2,2
0,7
±2,0
0,7
SM8
ZMC10
12
2000
10
1,2…2,2
0,5
±2,0
0,7
DIL-14
ZMC20
15
2000
20
1,2…2,2
0,25
±2,0
0,7
DIL-14
Тип
корпуса
Страница 233
Датчик предельного тока с применением магниторезистора
Конструкция второго варианта датчика тока приведена на рис.5.106. Такой датчик может использоваться
для измерения сравнительно малых токов (менее 1 А) или напряжений (8...12В).
2
4
3
R3 6,8 k
+U (9B)
П
1
5
R4*
1k
R2
200
VT1
КТ3102Г
Выход
L1
IВХ
B
R1
68
VT2
КТ315Г
Общий
R1 - магниторезистор СМ4-1
а)
б)
Рис. 5.106. Датчик предельного тока с «токовой» катушкой: а - конструкция; б - принципиальная схема: 1 токовая катушка; 2 - магнитопровод; 3 - магниторезистор типа СМ4-1; 4 - ярмо; 5 - плата с элементами
электронной схемы
В датчике использована магнитная система от реле типа РСМ-1 , состоящая из токовой катушки 1 и
магнитопровода 2 с ярмом 4. В зазоре магнитной цепи размещается магниторезистор 3. На плате 5
смонтированы детали электронной схемы.
Датчик работает следующим образом. Контролируемый ток или напряжение подаются на обмотку «токовой»
катушки. При этом в зазоре между магнитопроводом 2 и ярмом 4 возникает магнитное поле, которое
регистрируется «монолитным» магниторезистором типа СМ4-1.
Данную конструкцию (рис.5.106.а) можно использовать как в качестве линейного, так и в качестве
цифрового датчика тока. В первом случае используется схема типа преобразователя «ток-напряжение».
(Подробнее см. [6]).
При построении цифрового варианта датчика тока может быть использована схема, простейший вариант
которой приведен на рис. 5.106.б. Эта схема представляет собой сочетание усилителя тока (VT1) и электронного
ключа (VT2). Схема не требует особых пояснений.
В этом случае устройство (рис. 5.106.а) будет выполнять функции датчика предельного тока, который
работает следующим образом. При достижении определенного наперед заданного значения тока (IСРАБ) через
обмотку токовой катушки будет срабатывать ключ на транзисторе VT2.
Магнитная цепь датчика в этом случае рассчитывается таким образом, чтобы сопротивление
магниторезистора 3 увеличивалось в 6...10 раз при прохождении рабочего тока через обмотку катушки 1.
При сопротивлении токовой катушки порядка 750 Ом, ток срабатывания датчика составляет от 8 до 15
мА. [3]
Страница 234
5.7.4. Промышленные образцы магнитных датчиков тока
В настоящее время выпускаются сотни вариантов конструкций магнитных датчиков тока и напряжения.
Ведущими фирмами являются LEM Components, F.W. Bell, Honeywell, ABB Control, Fluke, Less EMF Inc., Protec
и др.
Однако существует несколько наиболее распространенных конструктивных вариантов ДТиН, которые и
будут рассмотрены ниже.
Фирмой LEM выпускаются датчики тока серии NT. Конструкция датчика приведена на рис. 5.107. В этой
конструкции в качестве ПМП использован тонкопленочный магниторезисторный мост.
Пластмассовый корпус
Магниторезисторный
мост
Концентратор
магнитного
поля
Схема усиления
и обработки
сигнала
Рис. 5.107. Вариант конструкции датчика
тока серии NT
Токовая шина
1
Выводы
датчика
IИЗМ.
Магниторезисторный мост устанавливается на токовой шине через тонкий слой изолирующего материала.
Рядом на миниатюрной печатной плате располагается схема усиления и обработки сигнала, выполненная на
интегральных микросхемах в корпусах типа SOIC и бескорпусных пассивных элементах. Все устройство
заливается в пластмассовый корпус. В таблице 5.24, в качестве примера приведены некоторые параметры
линейных датчиков тока серии NT, выпускаемых фирмой LEM. [36, 52]
Таблица 5.24. Параметры датчиков тока серии NT
№
п/п
1
2
3
4
МаксиНоминальмальный
ный
ток
Тип
входной
преобразоприбора
ток,
вания,
Iном, А
IМАКС, А.
NT-05
NT-15
NT-25
NT-50
Другим вариантом является конструкция датчика тока, приведенная на рис. 5.108. Такая конструкция,
широко применяемая фирмой Honeywell, получила фирменное название LONET I и LONET II (Linear Output
Hall Effect Trandsducer). [37, 41, 51]
Проводник с током
Отверстие
Тор
б)
а)
для кабеля
(виток)
Магниточувствительная
интегральная
схема
-
+
Корпус
датчика
Рабочий
зазор
Выводы МЧМС
Рис. 5.108. Датчик тока типа LONET I (LONET II): а - конструкция; б - внешний вид
Страница 235
Датчик тока (рис. 5.108) представляет собой торроидальный магнитопровод с поперечным разрезом (пазом),
который служит рабочим зазором. В воздушном зазоре устанавливается магниточувствительная интегральная
схема. Тор помещен в пластмассовый корпус, в котором имеются элементы крепления. Основные параметры
таких датчиков тока полностью определяются параметрами и характеристиками используемых
магниточувствительных микросхем.
Фирмой Honeywell на основе магниточувствительных микросхем серий 9SS и SS9 выпускаются линейные
датчики тока серий CSLA1, CSLA2, CSLB1 и др.
В таблице 5.25 приводятся некоторые параметры линейных датчиков тока серии CSLA1, выпускаемых
фирмой Honeywell.
Таблица 5.25. Параметры линейных датчиков тока серии CSLA1
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
Максимальный
измеряемый
Тип
ток,
прибора
IМАКС, А
CSLA1C
CSLA1CE
CSLA1DE
CSLA1CF
CSLA1D
CSLA1CH
CSLA1DJ
57
75
75
100
120
150
225
Чувствительность,
мВ/ А х вит.
Температурный
коэффициент
изменения
начального
напряжения,
% /°С
от 8 до 16
от 8 до 16
от 8 до 16
от 8 до 16
от 8 до 16
от 8 до 16
от 8 до 16
19
19
19
19
19
19
19
36,5 x 34,3 x 10,4
36,5 x 34,3 x 10,4
30,5 x 36,4 x 11,4
36,5 x 34,3 x 10,4
30,5 x 36,4 x 11,4
36,5 x 34,3 x 10,4
30,5 x 36,4 x 11,4
На рис. 5.109 приведена конструкция более сложного датчика тока. Основой таких датчиков также является
торроид с линейной микросхемой, закрепленный на печатной плате, содержащей необходимую электронику.
В них предусмотрена балансировка «0» и регулировка чувствительности прибора.
б)
а)
Рис. 5.109. Линейный датчик тока с регулируемой чувствительностью: а - вариант конструкции; б внешний вид
Такие устройства, выпускаемые фирмой Honeywell (серии CSLB1, CSLB2, CSLB3, CSDA1), носят название
регулируемых (программируемых) линейных датчиков тока (Adjustable Linear Current Sensors). Аналогичные
приборы выпускаются и др. фирмами, например, F. W. Bell, LEM Components, Ohio Semitronics Inc. и т.п.
В таблице 5.26 приводятся некоторые параметры программируемых линейных датчиков тока серии CSLB1,
выпускаемых фирмой Honeywell.
Страница 236
Таблица 5.26. Параметры программируемых линейных датчиков тока серии CSLB1
Диапазон программирования параметров при UП = 12 В
Максимальный
Диапазон
Диапазон
измеряеМинипреобразования
Максипреобразования
Тип
мый
мальная
при
мальная
при
прибора
ток,
чувствиминимальной чувствитель- максималной
IМАКС, тельность, чувствительность,
чувствительА
мВ/А х вит
ности,
мВ/А х вит.
ности,
А
А
Для контроля сравнительно малых токов широко используются датчики предельного тока с токовой
катушкой. На рис.5.110. в качестве примера приведены конструкция и внешний вид датчика с токовой катушкой.
Датчик может содержать не одну, а несколько катушек. Это позволяет регулировать ток срабатывания ДТ
в широких пределах. Такие датчики отличаются компактностью. Они выпускаются многими зарубежными
фирмами. Например, фирма Honeywell выпускает датчики тока серии CS. В таблице 5.27 приводятся отдельные
характеристики датчиков этой серии.
б)
Магнитопровод
в)
Катушка
МЧМС
Выводы
токовой
катушки
Выводы МЧМС
а)
Рис. 5.110. Датчика с токовой обмоткой: а, б - вариант конструкция; в - внешний вид
Таблица 5.27. Параметры датчиков предельного тока серии CSDD
№
п/п
Тип
прибора
Ток
срабатывания
при
температуре
25 °С, А
Ток
отпускания
при
температуре
25 °С, А
Сопротивление,
мОм
Индуктивность,
мкГн
1
CSDD1ED
3,5
2,6
8
7
2
CSDD1EС
5
3,8
5
4
3
CSDD1EЕ
6,5
4,9
4
4
4
CSDD1EF
9
6,8
3
3
5
CSDD1EG
10
7,6
3
3
6
CSDD1EH
15
11,4
2
3
Параметры токовой катушки
Температурный
коэффициент
чувствительности,
% / °С
от +0,042
до -0,158
от +0,042
до -0,158
от +0,042
до -0,158
от +0,042
до -0,158
от +0,042
до -0,158
от +0,042
до -0,158
Максимальные
габаритные
размеры, мм
14,7 х 17,0 х 12,7
14,7 х 17,0 х 12,7
14,7 х 17,0 х 12,7
14,7 х 17,0 х12,7
14,7 х 17,0 х 12,7
14,7 х 17,0 х 12,7
Страница 237
Датчики с разъёмным магнитопроводом
При установке датчиков тока на проложенные и подключенные кабели очень часто используются ДТ с
разъемным магнитопроводом. В таких приборах концентратор магнитного поля (магнитопровод) состоит из
двух половин, соединенных шарниром (или петлёй). На одной из половин концентратора закрепляется
дискретный элемент Холла или магниточувствительная интегральная схема. Такая конструкция может содержать
и другую необходимую электронику.
На рис 5.111 приведен один из вариантов конструкции разъемного датчика тока, выпускаемых фирмой
F.W.Bell.
б)
Выводы датчика
а)
Отверстие
для кабеля
МУМ
или
МЧМС
Петля
Разъемная часть
магнитопровода
Рис.5.111. Датчик тока с разъемным
магнитопроводом: а - вариант конструкции; б внешний вид
Принцип применения датчиков с разъёмным магнитопроводом предельно прост. Для размещения датчика
на контролируемом проводнике одна из половин (подвижная) магнитопровода отводится в сторону (вверх
или вниз - в зависимости от конструкции). Затем проводник устанавливается на неподвижной части
магнитопровода, а первая его половина возвращается обратно и фиксируется специальным устройством.
Токоизмерительные клещи
Другим вариантом бесконтактных датчиков тока с разъемным магнитопроводом являются, т.н.
токоизмерительные клещи. Возможные варианты конструкции таких клещей приведен на рис. 5.112.
Разъемный
магнитопровод
К измерительному
прибору
Нажать
Рис. 5.112. Варианты конструкции
токоизмерительных клещей
Конструкция токоизмерительных клещей может использоваться и в автономном режиме. Для чего она
может содержать миниатюрный источник питания (например, батарею 6...9В). В этом случае для оценки
результатов измерения тока используются внешние цифровые измерительные приборы.
Более совершенные модели электронных клещей конструктивно объединены с цифровыми приборами и
поэтому позволяют проводить прямые измерения тока.
Размах губок (разъемной части) клещей для разных типов приборов позволяет охватить токонесущий
проводник диаметром от 20 до 90 мм. [21, 42, 47]
Еще одной разновидностью датчика разъёмным магнитопроводом служит, т.н. «навесной» вариант.
Конструкция такого прибора приведена на рис. 5.113.
Страница 238
Датчик тока
Датчик тока
Токовая шина
Элемент
Холла
Рис. 5.113. Вариант конструкция «навесного» датчика тока
Датчик (рис. 5.113) навешивается непосредственно на стандартную токонесущую шину. Электронная
начинка такого прибора может быть самой разнообразной и зависит от решения конкретной технической
задачи. [47]
Основные параметры и характеристики наиболее известных типов датчиков тока и напряжения,
выпускаемых ведущими зарубежными производителями приводятся в главах 18 и 19 тома 2.
5.8. Магнитные датчики в современных электродвигателях
Магнитные датчики находят массовое применение в составе современных электродвигателей в качестве
датчиков положения ротора (ДПР), а также в качестве датчиков скорости и направления вращения ротора
(ДСВР).
Коллекторные двигатели постоянного тока обычно применяются в тех случаях, когда необходимо
регулировать частоту вращения в широком диапазоне частот. Однако наличие коллектора связано со
значительным снижением надежности работы двигателя и эксплуатационными неудобствами.
С освоением промышленного выпуска интегральных преобразователей магнитного поля были разработаны
и освоены в серийном производстве новые типы электродвигателей, сочетающих в себе преимущества
коллекторных двигателей постоянного тока и бесколлекторных двигателей переменного тока. Роль коллектора
в таких двигателях выполняют электронные ключи, управляемые датчиками положения ротора. Такие двигатели
получили наименование вентильных (ВЭД) или прямовыводных (ПДПТ) электродвигателей постоянного
тока.
За рубежом вентильные электродвигатели известны под названием «Brushless Motors» – бесщеточный мотор.
Бесколлекторные двигатели постоянного тока обладают следующими преимуществами:
•
•
•
•
•
•
плавностью хода и бесшумностью работы вплоть до очень высоких оборотов, обусловленные отсутствием
щеток и пазов (как в статоре, так и в роторе);
более чем десятикратным увеличение срока эксплуатации, определяемого сроком службы подшипников, а
не коллектора, как у обычных двигателей постоянного тока (до 10 тыс. часов);
отсутствием щеток и коллектора, предопределяющее очень легкие условия запуска двигателя;
отсутствием контактных шумов и, следовательно, помехозащитных устройств;
отсутствием искрообразования, делающие двигатель пригодным для работы во взрывоопасной среде;
отсутствием в двигателе элементов, свойства которых меняются с течением времени, что позволяет даже
после многолетней эксплуатации двигателя сохранять неизменными свои исходные характеристики.
Кроме того, конструкция и электронная схема управления (ВЭД) позволяют осуществлять регулировку частоты вращения
в широком диапазоне, а также поддерживать заданное число оборотов строго постоянным. Верхний предел частоты вращения
обусловлен чисто механическими возможностями двигателя и может быть доведен до 60000 оборотов в минуту и более.
Вентильные электродвигатели постоянного тока нашли широкое применение в бытовой аудио и видеоаппаратуре,
персональных ЭВМ, в автомобильной технике, бытовых приборах, в медицинской и военной технике и т.д.
Зарубежными производителями выпускается весьма широкая номенклатура электродвигателей, использующих
магнитные датчики. Например, японская фирма Nidec выпускает безщеточные двигатели (моделей 1700-00FX и 1700-00ЕX
и вентиляторы (D04G-12ТН) на их основе; американская фирма Ightcil также выпускает вентиляторы на б/к двигателях
(LT1001L); японская фирма JVS Victor выпускает серию двигателей для видеотехники (EF-10B, EF-10A, EF-09A, SF-20D,
SF-23A, SP-2A) и двигатели для дисководов (MC955A, SD0 4C, EF05A, SF21A, ES04A, SS02B); американская фирма NMT
Technologies также выпускает двигатели для дисководов (LM-3H-01, LM-30-S1-YM, LM-3H-04, LM-5H-04); японская фирма
Sanyo выпускает б/к двигатели для плейеров и диктофонов (26FD 05-18, 25IC-01-21),а также двигатели для дисководов
(FD77 и FM76) и вентиляторы для компьютеров (205AOF, 205BOH, 205BZH, 205BOHF, CLF-A3015 24-30, CLF-A3015 1230) и т.д.
Страница 239
Для бытовой радиоэлектронной аппаратуры наибольшее распространение получили вентильные
электродвигатели со следующими основными характеристиками:
•
•
•
рабочее напряжение от 3 до 24В:
мощность на валу от 0,1 до 5Вт;
скорость вращения от 300 до 6000 оборотов в минуту.
Кроме того, в последние годы все большее распространение получают индукторные (бесколлекторные)
двигатели переменного тока, принцип действия которых аналогичен ВЭД. Скорость вращения таких
электродвигателей может устанавливаться в широких пределах: от единиц до нескольких тысяч оборотов в
минуту.
5.8.1. Принцип работы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока
Конструкция современного вентильного двигателя очень близка к конструкции двигателя переменного тока, известной
под названием синхронного двигателя с постоянными магнитами. Обмотки якоря являются частью статора, а ротор состоит
из одного или нескольких постоянных магнитов. Обмотки вентильного двигателя выполняются такими же, как и обмотки
многофазного двигателя переменного тока. При помощи специальной схемы управления в обмотках двигателя создается
вращающееся магнитное поле, которое и приводит во вращение ротор электродвигателя. Надежный запуск двигателя должен
происходить при любом исходном положении ротора.
Вентильные двигатели постоянного тока отличаются от синхронных двигателей переменного тока тем, что первые
содержат некоторые технические средства определения положения ротора (или магнитных полюсов) с целью выработки
сигналов управления полупроводниковыми ключами («заменяющими» коллектор).
Положение ротора определяется специальным датчиком (ДПР), наибольшее распространение в качестве которых
получили дискретные элементы Холла и магнитоуправляемые ИС на их основе.
Принцип определения положения ротора при помощи элемента Холла
На рис. 5.114 в виде четырехполюсника показана эквивалентная схема элемента Холла, использованного в качестве
датчика угла поворота.
B
IУП
N
3
S
2
R3
R1
+
UП
N
0
VH1
+
0
R2
VH
+
1
R4
-
B
0
VH2
4
VH2
VH1
0
VH
а)
0
б)
π
2π
Положение ротора
Рис. 5.114. Элемент Холла, как датчик положения ротора: а - эквивалентная схема; б - эпюры напряжений на выходе
Схема (рис. 5.114) работает следующим образом. При протекании тока управления I от вывода 3 к выводу 4 элемента
уп
Холла, помещенного в магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости элемента, на выводах 1 и 2
элемента возникает эдс-Холла V .
Н
Если предположить, что R1 = R2 и R3 = R4 и принять вывод 4 за общую точку схемы, то потенциалы выводов 1 и 2 будут
соответственно равны V / 2 и - V / 2. Далее при изменении направления магнитного поля меняется полярность наводимого
Н
Н
на элементе напряжения, что показано на рис. 5.114.б. Поэтому если разместить элемент Холла вблизи ротора с постоянным
магнитом, то этот элемент достаточно точно выявляет положение полюсов и значение магнитной индукции, генерируя
выходные напряжения VН 1 и VН 2.
На рис. 5.115 приведены схема и устройство простейшего бесколлекторного двухфазного двигателя постоянного тока,
построенного с применением элемента Холла в качестве датчика положения ротора. Ротором электродвигателя служит
двухполюсный магнит.
Страница 240
ω2
а)
Башмак
б)
IК
Ротор
S
Башмак
VT2
ω1
+
N
VT1
UП
-
+
ω2
IБ
Элемент
Холла
-
Элемент
Холла
ω1
Рис. 5.115. Простейший бесколлекторный электродвигатель
постоянного тока: а - принципиальная схема; б - конструкция
Для управления обмотками ω1 и ω2 выходные сигналы с элемента Холла поступают на базу транзисторов VT1 и VT2.
При этом рассмотрим три основных положения ротора, показанных на рис. 5.116:
N
S
N
S
S
N
ω2
Элемент Холла
ω1
Элемент Холла
Элемент Холла
в)
б)
Рис. 5.116. Создание электромагнитного момента и коммутация обмоток бесколлекторного ЭД при трех основных
положениях ротора
а)
а – элемент Холла определяет северный полюс постоянного магнита N ротора и подключает обмотку ω2 таким образом,
что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, вызывающий вращение ротора против часовой стрелки (рис.
5.116а);
б – элемент Холла выходит из-под действия магнитного поля, что приводит к запиранию обоих транзисторов VT1,VT2
и обесточиванию обмоток ω1 и ω2. Ротор продолжает по инерции вращаться против часовой стрелки (рис. 5.116б);
в – элемент Холла определяет южный полюс S ротора и подключает обмотку ω1 таким образом, что на полюсном башмаке
обмотки образуется южный полюс, притягивающий северный полюс S ротора, продолжая вращение ротора против часовой
стрелки (рис. 5.116в).
Двухфазный двигатель с применением одного элемента Холла и двух обмоток является самым простым и, следовательно,
самым дешевым типом ВЭД. Однако такой электродвигатель имеет следующие недостатки:
•
•
наличие двух «мертвых точек», при которых элемент Холла не может определить направление магнитного поля, а значит,
в обмотках не протекают токи, создающие электромагнитный момент. Следовательно, если двигатель имеет фрикционную
нагрузку, то существует вероятность остановки его ротора в «мертвой точке». При этом отсутствует возможность запуска
двигателя; при малом значении момента трения ротор может пройти по инерции «мертвую точку»;
при малом значении электромагнитного момента мала и противо-ЭДС, что вызывает увеличение тока и значительные
потери в обмотках. Поэтому падает КПД двигателя, являющийся отношением выходной механической мощности к
потребляемой электрической мощности двигателя.
Для устранения «мертвых точек» используются специальные методы. Один из методов связан с использованием
многофазной конструкции ВЭД, другой – с использованием пространственного гармонического магнитного поля и т.д.
(Подробнее см. [14].)
Страница 241
5.8.2. Конструкции бесколлекторных электродвигателей постоянного тока
В настоящее время существует огромное число конструкций бесколлекторных двигателей постоянного тока различного
назначения. На рис. 5.117 в качестве примера приведена наиболее распространенная конструкция двигателя ведущего вала
(ДВВ) видеомагнитофона.
б)
а)
Печатная плата
Интегральная схема
драйвера
Датчик частоты
вращения
(магниторезистор)
Датчики
положения
ротора
ДПР
Магнит ротора
Многополюсный магнит
Многополюсный
магнит
Датчик частоты вращения
N
Обмотки статора
S
Ведущий вал
Обмотки статора
Рис. 5.117. Бесколлекторный электродвигатель ведущего вала видеомагнитофона: а – конструкция; б –
статор
Двигатель ВВ представляет собой плоскую конструкцию ПДПТ с осевым рабочим зазором. Все основные элементы
двигателя размещены на печатной плате. К особенностям двигателя можно отнести наличие магнитной системы торцевого
типа с магнитным потоком, направленным вдоль оси вращения двигателя, и плоских катушек статора, расположенных между
магнитом ротора и ярмом статора (рис. 5.120.б).
Вращающий момент в двигателе создается в результате взаимодействия магнитного потока в промежутке между полюсами
магнита ротора и основанием статора с проводниками обмотки, по которым протекает электрический ток. Управление
коммутацией катушек обмотки статора в зависимости от положения полюсов магнита ротора осуществляется специальной
интегральной схемой (драйвером) по сигналам датчиков положения ротора. Датчики положения ротора (дискретные элементы
Холла или магнитоуправляемые ИС) располагаются внутри плоских катушек статора. В зависимости от конструкции двигателя
количество ДПР может меняться с 2-х до 3-х и более. (См. рис. 5.117.б)
Контроль скорости вращения ротора осуществляется специальным датчиком, состоящим из многополюсного магнита,
размещенного на роторе двигателя, и тонкопленочного магниторезистора, укрепленного на печатной плате (рис. 5.117.б) на
малом (0,1–0,3 мм) расстоянии от магнита.
На практике нашли применение двух- и трехфазные двигатели. В таких двигателях ротор, как правило, имеет 6–8
полюсов. Сам магнит обычно изготавливают из магнитокерамики. Катушки каждой фазы имеют многослойную намотку
одним или двумя проводами с числом витков 60–100. Катушки статора после намотки пропитывают лаком, получая
практически плоскую монолитную бескаркасную обмотку, и приклеивают к печатной плате, расположенной на основании
двигателя.
Большое число катушек статора, как и полюсов магнита ротора, способствует равномерности скорости вращения. Однако
наиболее распространены ПДПТ с небольшим числом катушек, так как увеличение их количества повышает стоимость
конструкции самой катушки, статора и схемы драйвера, а следовательно, и стоимость всего узла.
На рис. 5.118 приведена упрощенная структурная схема бесколлекторного электродвигателя с электронным коммутатором,
которая не требует особых пояснений. Основными функциями электронного коммутатора являются следующие: усиление и
обработка сигналов, поступающих с ДПР и датчика скорости вращения; коммутация по сигналам ДПР и сигналам управления
с выхода системы автоматического регулирования и процессора системного контроля видеомагнитофона токов статора в
заданные моменты времени и в заданной последовательности.
Выход сигнала
Вход датчика
датчика скорости
скоррости
Рис. 5.118. Структурная схема
вращения
вращения
трехфазного прямовыводного
двигателя постоянного тока: 1, 3 –
магнитоуправляемые ИС; 4 –
усилитель сигнала датчика
скорости вращения; 5, 6, 7 –
усилители-формирователи сигналов
ДПР; 8 – усилитель сигнала
управления
от
системы
автоматического регулирования;
9 – электронный коммутатор; 10,
11, 12 – выходные усилители
мощности
4
UП
1
5
2
6
11
3
7
12
9
10
M
ω1
ω2
ω3
8
Сигнал САР
Реверс
Страница 242
Кроме электронного коммутатора в состав ПДПТ входят усилители сигналов положения ротора, усилитель-формирователь
сигнала датчика скорости вращения ротора, а также логическая схема, которая управляет режимами работы электронного
коммутатора по сигналу управления системы автоматического регулирования (САР) и командами с выхода ПСК
видеомагнитофона.
Схема управления ПДТП может размещаться как внутри корпуса двигателя, так и снаружи в виде отдельного блока,
модуля на печатной плате или специализированной интегральной микросхемы. На рис. 5.119 и 5.120 в качестве примера
приведены схемы ПДТП с использованием специальных интегральных схем-драйверов. Схемы не требуют особых пояснений.
R4 7,5k
R3
100k
C1
0,05 M
+
B1
-
6
1
5
2
7
16
8
+
B2
-
9
10
TA7736F
Контроль вых.
UП =+12 B
ωa
ωb
ωc
B3
-
+
C2
+
+
C3 C4
3,3 x 3
Реверс
Uуп =+5B
4
Sw1
13
11
R6 2,2k
12
R2
К источнику тока
M
Радиатор
R1
+
15
R5 7,5k
+
C5
33,0
VD1
B1,В2,В3 - дискретные элементы Холла.
Рис. 5.119. Электрическая схема трехфазного ПДПТ с использованием ИС драйвера типа ТА7736F и дискретных
элементов Холла в качестве ДПР
Микросхема ТА7736F драйвера 3-фазного реверсивного электродвигателя постоянного тока размещена в стандартном
16-выводном корпусе типа HSOP 16-P-300 с габаритами 13,5×6,4×2,85 мм. В качестве датчиков положения ротора
используются дискретные датчики Холла. Микросхемы выпускаются фирмой Toshiba. Напряжение питания схемы –26 В,
ток нагрузки -1,0 А, рассеиваемая мощность –0,9 Вт. Диапазон рабочих температур от –30 до +75 ºС. [15]
На рисунке 5.120.приведена схема бесколлекторного 3-х фазного электродвигателя, реализованного с использованием
ИС драйвера типа LS7261 и магнитоуправляемых микросхем типа UGS 3120. Для управления обмотками электродвигателя
используются мощные дискретные транзисторы.
На рис. 5.121 в качестве примера приведена схема бесколлекторного трехфазного электродвигателя с использованием
ИС драйвера типа UDN2936 и магнитоуправляемых ИС. Микросхемы выпускаются фирмой Allegro.Микросхема UDN2936
драйвера 3-х фазного реверсивного электродвигателя размещена в стандартном 12- ти выводном корпусе типа HSIP 12-P с
3
габаритными размерами 32 х 15 х 4,6 мм . Напряжение питания схемы 14...45В, ток нагрузки до ± 2,0 А. Диапазон рабочих
0
температур от –20 до +85 С.
Электронная схема драйвера позволяет использовать как дискретные элементы Холла, так и магнитоуправляемые
интегральные схемы.
Схемы выпускаются в двух вариантах UDN2936W и UDN2936W-120.
Микросхемы типа UDN2936W предназначена для использования в электродвигателях с 30° расположением датчиков
положения ротора, а микросхемы типа UDN2936W-120 - для ЭД с 120° расположением ДПР. [30]
UП
UП
R2 10k
C1 2200
R1
1k
1
14
13
15
16
17
9
19
R3
33k
Регулировка
скорости
SW3
SW2
SW1
Останов
Реверс
Вход МУМ
20
11
18
DD4 LS7261
UП = 7...20 B
12
6
7
8
4
3
2
R10 10k
R8 2k
R9 2k
R7 2k
R6 2k
R5 2k
R4 2k
R11 10k
UП
Установка тока
R12
100k
R13
10k
R15
180k
R14
10k
SW1
SW2
DD2
ω3
ω2
SW3
DD3
DD1...DD3 - магнитоуправляемые
микросхемы UGS 3119 или UGS31
DD4 - драйвер б/к двигателя LS726
0
+5B
DD1
ω1
Обмотки двигателя
Страница 243
Рис. 5.120. Принципиальная схема трехфазного бесколлекторного электродвигателя постоянного тока с датчиками
положения ротора на основе магнитоуправляемых ИС
Страница 244
UDN2936
1
Общ.
2
Схема
управления
3
4
Вых.С Вых.В
5
6
7
Вх.3
9
8
10
Вх.1
Вх.2
11
12
Вых.А
+UП
RS=0,15 Ом
ωa
Статор
S
N
N
S
+UП1
0
30
DD3
ωb
D2
ωc
D
30
0
D D1
Ротор
DD1...DD3 - магниточувствительные или
магнитоуправляемые ИС
Рис. 5.121. Схема бесколлекторного трехфазного двигателя с использованием ИС драйвера типа UDN2936
и магнитоуправляемых ИС
Страница 245
5.8.3. Интегральные датчики положения ротора
Наиболее совершенными являются интегральные датчики положения ротора, выполненные в виде
специализированных ИС, содержащих преобразователи магнитного поля и схемы непосредственного
управления обмотками ЭД, объединенные в одном корпусе. Функциональные схемы таких ИС без подробных
объяснений приводятся на рис. 5.122...5.124. Каждая из схем позволяет управлять только одной обмоткой
электродвигателя. Следовательно, при проектировании двигателя количество ИС должно соответствовать
количеству обмоток.
VT1
VT2
ω1
VD1
Рис. 5.122. Функциональная схема магнитоуправляемой ИС с мощным составным транзистором на выходе,
предназначенной для непосредственного управления обмоткой вентильного электродвигателя
VD1
VT1
VD2
VT2
VD3
ω1
VD4
Дифференциальный
усилитель
VT3
VT4
Рис. 5.123.Функциональная схема магнитоуправляемой ИС с мощным транзистором на выходе,
предназначенной для непосредственного управления обмоткой вентильного электродвигателя
VD1
ω1
VT1
Дифференциальный
усилитель
VD2
VT2
Рис. 5.124. Функциональная схема магнитоуправляемой ИС с тиристором на выходе, предназначенной для
непосредственного управления обмоткой вентильного электродвигателя
В настоящее время рядом зарубежных фирм выпускаются магнитоуправляемые интегральные схемы,
предназначенные для непосредственного управления обмотками двухфазных бесколлекторных
электродвигателей.
Характерными представителями данного вида приборов являются интегральные микросхемы серий UDN
3625 и UGN5275, выпускаемые фирмами Sprague и Allegro.
Страница 246
Магнитоуправляемые микросхемы типа UDN 3625 и UDN 3626
Мощные МУМ типа UDN3625 и UDN3626 с током коммутации до 1,3А предназначены для
непосредственного управления обмотками бесколлекторных электродвигателей постоянного тока. Упрощенная
структурная схема МУМ с подключенными обмотками ЭД приведена на рис. 5.125.
UDN3625
Старт/стоп
5
1
R1
Дифференциальный
усилитель
Схема
управления
8
К тахометру
6
Выход А
+UП
VD6
VD1
5
7
4
VD2
Выход В
VD3
VD7
ω1
M
ω2
VD4
VD5
Рис. 5.125. Упрощенная функциональная схема МУМ типа UDN3625 UDN3626). Диоды VD1…VD6
используются при больших токах коммутации
Функциональная схема (рис. 5.125) не требует особых пояснений. Особенностью схемы является наличие
двух специальных выводов: вывода 1 для управления ЭД в режиме «старт/стоп» или аналогового управления
скоростью вращения (при включении в замкнутую систему управления), а также вывода 8 для подключения
тахометра.
В качестве источника управляющего магнитного поля используется ротор электродвигателя, выполненный
в виде многополюсного магнита. Элемент Холла МУМ выполняет роль датчика положения ротора.
UВЫХ
Схема работает следующим образом. Один из выходов (А) открывается
Вых.А “0”/”1”
при воздействии на ЭХ магнитного поля положительной полярности
(«южный» полюс магнита), другой (В) - открывается при воздействии
магнитного поля отрицательной полярности («северный» полюс магнита).
Когда магниточувствительный элемент МУМ находится в области
+ВСРАБ
магнитного поля положительной полярности и при В > BСРАБ , то на выходе А
устанавливается уровень лог. «1», а на выходе В - уровень лог. «0».
-В
В
0
-ВСРАБ
Если магниточувствительный элемент МУМ находится в области
магнитного поля отрицательной полярности и при В > BСРАБ , то на выходе В
устанавливается уровень лог. «1»,а на выходе А - уровень лог. «0».
Характеристика переключения МУМ приведена на рис. 5.126.
Микросхемы UDN3625 и UDN3626 отличаются только величиной
рабочего напряжения тока коммутации. Основные параметры МУМ Вых.В “0”/”1”
Рис. 5.126. Характеристика
приведены в таблице 5.28. [43]
переключения МУМ типа
UDN3625(UDN3626)
Таблица 5.28.Основные параметры МУМ типа UDN 3625 (UDN 3626)
№ п/п
Наименование параметра,
единица измерения
1
2
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
3
4
Ток коммутации, мА
Индукция срабатывания/отпускания, мТл
5
6
Гистерезис, мТл
Время переключения, мкс
7
Диапазон рабочих температур,°С
8
Габаритные размеры, мм
Тип микросхемы
UDN3625M
UDN3626M
от 6,5 до 14
от 30 до 39 ( R1=∝ )
от 8 до10 (R1=0)
от 900 до 1300
±(10…15)
20
5
от 24 до 26
24 ( R1=∝ )
от 8 до10 (R1=0)
от 450 до 750
±(10…15)
20
5
-20…+85
-20…+85
7,1 х 10,2 х 5
7,1 х 10,2 х 5
Страница 247
Магнитоуправляемые микросхемы типа UGN5275
Магнитоуправляемые интегральные схемы UGN5275 предназначены для непосредственного управления
обмотками бесколлекторных двигателей постоянного тока. Упрощенная функциональная схема МУМ
приведена на рис. 5.127.
UGN5275
1
2
VT1
VT2
Дифференциальный
усилитель
3
4
Рис. 5.127. Упрощенная функциональная схема МУМ типа UGN5275
Функциональная схема (рис. 5.127) не требует особых пояснений. Для стабилизации рабочих точек
переключения прибор снабжен схемой термостабилизации. В качестве источника управляющего магнитного
поля используется ротор электродвигателя, выполненный в виде многополюсного магнита. Элемент Холла
МУМ выполняет роль датчика положения ротора.
Схема работает следующим образом. Один из выходов (Q1) открывается при воздействии на ЭХ магнитного
поля положительной полярности («южный» полюс магнита), другой (Q2) - открывается при воздействии
магнитного поля отрицательной полярности («северный» полюс магнита).
Когда магниточувствительный элемент МУМ находится в области магнитного поля положительной
полярности при В > BСРАБ, то на выходе (1) устанавливается уровень лог. «1», а выход Q2 остается в неизменном
состоянии. При В < ВОТП. выходе (1) устанавливается уровень лог. «0», а выход (2), по-прежнему, остается в
неизменном состоянии. Аналогичным образом функционирует выход 2, но при воздействии магнитного поля
отрицательной полярности. Характеристика переключения МУМ приведена на рис. 5.128. Основные параметры
микросхем типа UGN5275 приведены в таблице 5.29. [31]
UВЫХ(1),В
UВЫХ(2),В
В ОТП.
ВСРАБ
12
12
9
9
6
6
3
-20
-10
0
10
20
3
ВОТП.
ВСРАБ
В,мТл
-20
-10
0
10
Рис. 5.128. Характеристика переключения МУМ типа UGN5275
20
В,мТл
Страница 248
На рис.5.129 приведены зависимости индукции срабатывания/отпускания МУМ от температуры.
40
UGN5275
В,мТл
30
20
∆В(тип.)
ВСРАБ(тип.)
Рис. 5.129. Зависимости индукции срабатывания/
отпускания МУМ типа UGN5275 от
температуры
10
0
-10
0
T, C
ВОТП.(тип.)
-20
-20
85
25
На рис. 5.130 приведена электрическая схема бесколлекторного электродвигателя с использованием
магнитоуправляемой микросхемы типа UGN5275.
M
R1
+UП
VD4
1
SW1
VD5
ω1
DD1
3
4
VD3
2
Вых.1
C1
0,1
ω2
VD1
VD2
Вых.2
(Инв.)
Общий
DD1 - магнитоуправляемая ИС типа UGN5275
Рис.5. 130. Электрическая схема бесколлекторного электродвигателя с использованием микросхемы типа
UGN5275
Таблица 5.29. Основные параметры микросхем типа UGN5275
№
Наименование параметра,
Диапазон значений
п/п
единица измерения
1 Напряжение питания, В
от 4,5 до 14
от 18 до 30
2 Ток потребления, мА
до 500
3 Ток коммутации, мА
4,5…60
4 Напряжение коммутации, В
2,5…25
5 Индукция срабатывания , мТл
-(25…2,5)
6 Индукция отпускания, мТл
10
7 Гистерезис, мТл
1…3
8 Время переключения, мкс
-20…+85
9 Диапазон рабочих температур, 0С
5,5 х 3,5 х 1,6
10 Габаритные размеры, мм
Основные параметры и характеристики наиболее известных и выпускаемых ведущими зарубежными
фирмами типов МУМ для управления электродвигателями постоянного тока приводятся в главе 13 тома 2.
5.9. Схемы сопряжения магнитных датчиков с внешними цепями
В зависимости от используемой электронной «начинки», выход датчика может быть рассчитан на работу в
двух основных режимах: «открытого коллектора» («Current-Soureing») или «открытого эмиттера» («CurrentSinking»). В зарубежной литературе принята определенная классификация датчиков по типу выхода, которая
приведена на рис. 5.131.
Страница 249
Рис. 5.131. Зарубежная классификация электронных датчиков по типу выхода
Страница 250
Практически все типы магнитных датчиков имеют «стандартный» выход, и, следовательно, легко
сопрягаются с другими элементами электронной техники.
На рис. 5.132...5.137 приведены без объяснений наиболее распространенные схемы сопряжения магнитных
датчиков с внешними цепями и нагрузками, рекомендованные ведущим производителем - фирмой Honeywell.
+UП (5B)
+UП1 (5B) +UП (15B)
+UП1 (5B)
+UП2 (10B)
RН
RН
R1
12k
RН
150 мА
VT1
B
Датчик
UП=5В
B
B
Датчик
UП=5В
Общий
Датчик
UП=5В
Нагрузка
Нагрузка
Нагрузка
+UП (15...30)B
2N2222
Общий
Общий
Рис. 5.132. Схемы сопряжения магнитных датчиков, работающих в режиме с «открытым коллектором», с
внешними цепями
+UП (12B)
R2
4,7k
VT1
R2
4,7k
R1
560
R1
680
2N3638
R3*
B
+UП (12B)
+UП1 (12B)
+UП1 (5B)
Датчик
UП=5В
B
Датчик
UП=6...24В
VD1
2N3638
EL1
200 мА
100 мА
Общий
Общий
+UП1 (12B)
+UП (12B)
R2
4,7k
R1
560
B
VT1
Датчик
UП=6...24В
VT1
2N3638
K1
VD1
100 мА
Общий
Рис. 5.133. Схемы сопряжения магнитных датчиков, работающих в режиме с «открытым коллектором», с
внешними цепями
Страница 251
R1
1,8k
B
Датчик
UП=5В
VT1
Нагрузка
R2
4,7k
+UП (15B)
~220B
+UП(10B)
VT1
R2
4,7k
RН
R1
750
2N3638
B
SK6707
R3*
VS1
R4*
Датчик
UП=6...24В
C106C
R3*
а)
Общий
RН
2N3638
VS1
R4*
+UП (15B)
~220B
Нагрузка
+UП1 (5B)
б)
Общий
Рис. 5.134. Схемы сопряжения магнитных датчиков, работающих в режиме с «открытым коллектором»:
а – с симистором; б – с тиристором
+UП (5B)
+UП (5B)
R1*
B
Датчик
UП=5В
Нагрузка
B
Датчик
UП=5В
VD1
RН
Общий
Общий
+UП1 (10B)
+UП (10B)
B
VT1
2N2222
Датчик
UП=6...24В
R1
20
R2
22k
Нагрузка
~220B
RН
VS1
SK6707
Общий
Рис. 5.135. Схемы сопряжения магнитных датчиков, работающих в режиме с «открытым эмиттером», с
внешними цепями
Страница 252
+UП1(10B)
+UП (10...30)В
~220B
R3*
RН
VD1
R1 560
B
Датчик
UП=6...24В
VS1
C106C
VT1
B
R2
2,2k
Нагрузка
+UП1 (5B)
Датчик
UП=6...24В
R2
2,2k
2N2222
Общий
Общий
Рис. 5.136. Схемы сопряжения магнитных датчиков, работающих в режиме с «открытым эмиттером», с
внешними цепями
+UП1 (5B)
150 мА
Нагрузка
+UП (10...30)В
+UП (10...30)В
RН
150 мА
R1 150
R1 150
Датчик
UП=5В
B
R2
2,2k
RН
VT1
VT1
B
Нагрузка
+UП1 (5B)
2N2222
Общий
Датчик
UП=5В
R2
2,2k
2N2222
Общий
Рис. 5.137. Схемы сопряжения магнитных датчиков, работающих в режиме с «открытым эмиттером», с
внешними цепями
Страница 253
5.10. Некоторые примеры применения ПМП и датчиков
Преобразователи магнитного поля находят широкое применение в составе функциональноориентированных датчиков различного назначения. Ниже будут рассмотрены принципиальные схемы
нескольких вариантов датчиков.
В настоящей главе не рассматриваются конкретные схемы усиления и обработки сигналов датчиков, схемы
вторичных преобразователей и исполнительных устройств.
Информацию о таких схемах, устройствах, механизмах и блоках читатель может найти в специальной
литературе
5.10.1. Примеры использования ПМП в составе функциональноориентированных магнитных датчиков
Датчик контроля толщины ленты
3
4
2
1
S
N
5
7
6
1
На рис. 5.138 приведена принципиальная схема
датчика контроля толщины ленты.
Действие датчика основано на преобразовании
изменения толщины ленты 7 в электрический
сигнал, снимаемый с магниточувствительной
микросхемы 4. Изменение толщины ленты
воспринимается двумя роликами 1, один из
которых укреплен на подвижном сухаре 2,
опирающемся микрометрическим винтом 3 на
конец рычага 6. Второй конец рычага соединен с
подвижным
постоянным
магнитом
5.
Перемещение магнита 5 вызывает изменение
сигнала на выходе магниточувствительной
микросхемы 4. Установка нулевого положения
осуществляется вращением микрометрического
винта 3.
Датчики контроля размеров ферромагнитных изделий
На рис. 5.139 приведена упрощенная схема датчика контроля размеров ферромагнитных изделий. Действие
датчика основано на преобразовании линейного перемещения контролируемой детали в электрический сигнал,
снимаемый с выхода магниточувствительной микросхемы. Конструкция датчика позволяет измерять в
контролируемой детали отклонения от номинального размера и выявлять некоторые дефекты на поверхности.
Магниточувствительная
интегральная
схема
N
Стальной
пруток
или
вал
S
Магнит-сердечник
Рис. 5.139. Датчик контроля размеров ферромагнитных изделий
Страница 254
На рис. 5.140 дана упрощенная схема датчика контроля размеров ферромагнитных изделий, использующая
компенсационный принцип измерений. Датчик содержит специальную обмотку (электромагнит), создающую
магнитное поле, направленное навстречу основному полю постоянного магнита. Электромагнит питается
усиленным напряжением, снимаемым с выхода магниточувствительной ИС.
Магниточувствительная
интегральная
схема
W1
Усилитель
IКОМП
UВЫХ
Рис. 5.140. Компенсационный
датчик
контроля размеров
ф е р р ом а г н и т н ы х
изделий
N
Стальной
пруток
или
вал
S
W2
Магнит-сердечник
При определенном коэффициенте передачи усилителя результирующий поток устанавливается равным
нулю. Это означает, что напряженности поля от постоянного магнита и электромагнита в зазоре (месте установки
МЧМС) будут равны.
При изменении расстояния между сердечником датчика и поверхностью контролируемой детали сила тока
IКОМП в обмотке электромагнита будет изменяться пропорционально этому расстоянию.
Действие датчика аналогично работе схемы на рис. 5.139, но позволяет повысить точность и расширить
диапазон измерений. Стабильность такой схемы очень высока и достигает 0,05–0,5%.
Датчик линейного перемещения
Направление перемещения
Шток-поводок
Постоянный
магнит
S
N
Основание
Магниточувствительная
микросхема
Рис. 5.141. Вариант конструкции датчика
линейного перемещения.
На рис. 5.141 приведен вариант конструкции
датчика линейного перемещения. Принцип
действия датчика основан на изменении
расстояния между полюсами «длинного» магнита
при помощи штока-поводка, связанного с объектом
контроля. В зависимости от предела измерений в
качестве преобразователя магнитного поля может
использоваться магнитоуправляемая интегральная
схема или тонкопленочный магниторезисторный
мост.
Датчик уровня жидкости
Магнитный датчик
постоянный магнит
S
N
поплавок
На рис. 5.142 приведена схема простейшего датчика уровня
жидкости. Действие такого датчика основано на регистрации
перемещения поплавка, на конце которого закреплен
постоянный магнит. В качестве регистрирующего элемента
можно использовать аналоговый или цифровой датчик
перемещения. В данном варианте используется магнитный
датчик конечного положения типа 103SR.
Рис. 5.142. Схема простейшего датчика уровня жидкости
Погружаемый датчик уровня жидкости
На рис. 5.143 дан еще один вариант конструкции датчика уровня жидкости.
Действие этого датчика основано на использовании поплавка постоянного
погружения. Перемещение поплавка передается плунжеру, на конце которого
закреплен постоянный магнит. В качестве преобразователя магнитного поля
можно использовать магниточувствительную или магнитоуправляемую
интегральную схему. Перемещение постоянного магнита вызывает появление
(изменение) сигнала на выходе преобразователя магнитного поля.
Рис. 5.143. Погружаемый датчик уровня жидкости
Преобразователь
магнитного
поля
Постоянный
магнит
N
S
Плунжер
Поплавок
Страница 255
Гидростатический датчик уровня жидкости
Постоянный
магнит
Мембрана
N
S
Преобразователь
магнитного
поля
Рис. 5.144. Принципиальная схема
гидростатического датчика уровня
На рис. 5.144 приведена принципиальная схема
гидростатического датчика уровня. Действие датчика основано
на измерении веса столба жидкости Н, воздействующего на
гибкую мембрану, встроенную в дно датчика. На мембране
закрепляется постоянный магнит, перемещение которого
(вместе с мембраной) фиксируется преобразователем
магнитного поля. В качестве преобразователя магнитного поля
может использоваться магниточувствительная ИС или
магниторезисторный мост. Датчики уровня аналогичной
конструкции наиболее пригодны для измерения уровня вязких
жидкостей
Колокольный датчик уровня жидкости
5
4
N
3
S
1
2
На рис. 5.145 рассмотрен вариант конструкции колокольного
датчика уровня жидкости. Действие датчика уровня основано
на зависимости давления воздуха внутри колокола 1,
погруженного в жидкость, от изменения ее уровня. Изменение
давления воспринимается сильфоном 2. Сильфон перемещает
стержень-поводок 3, на конце которого закреплен постоянный
магнит. Перемещение постоянного магнита регистрируется
преобразователем магнитного поля 4. В зависимости от
назначения датчика в качестве ПМП может использоваться
магнитоуправляемая или магниточувствительная интегральная
схема.
На рис. 5.146 приведена принципиальная схема
многопредельного датчика уровня жидкости.
Схема не требует особых пояснений. В трубке
уровнемера размещается поплавок, в который
вмонтирован миниатюрный постоянный магнит.
На наружной поверхности трубки находится
несколько преобразователей магнитного поля. В
зависимости от конкретных условий контроля в
качестве
ПМП
могут
использоваться
магнитоуправляемые или магниточувствительные
интегральные схемы.
Количество пределов измерений (диапазонов)
определяется количеством ПМП. Для получения
дискретного сигнала на выходе датчика
используются МУМ, а для получения аналогового
сигнала – МЧМС.
Трубка уровнемера изготавливается из
немагнитного материала. Точность поплавковых
датчиков
определяется
постоянством
характеристик его элементов. Изменение
характеристик
элементов,
создающих
противодействующее усилие (например
постоянного магнита), приводит к увеличению
погрешности.
Страница 256
Датчик уровня сыпучих материалов
На рис. 5.147 приведена схема датчика уровня сыпучих
материалов. Действие датчика основано на измерении давления
контролируемого материала на подвижную заслонку 1, установленную
вертикально в стенке бункера или вагона.
Заслонка 1 подвешена на крестообразном пружинном шарнире 4.
При заполнении емкости масса контролируемого материала
воздействует через заслонку 1 на толкатель 3, на котором укреплен
постоянный магнит 5. Перемещение магнита регистрируется
магнитным датчиком 6. Превышение давления сверх установленной
нормы вызывает срабатывание датчика 6.
В качестве датчика перемещения 6 можно использовать SR7P
фирмы Honeywell или аналогичный.
Датчик абсолютного давления
На рис. 5.148 приведена схема датчика абсолютного давления. Действие датчика основано на
преобразовании давления, воспринимаемого сильфоном, в электрический сигнал преобразователей магнитного
поля 5, 6.
4
5
Измеряемое абсолютное давление pа газа подается на внутренние
полости
рабочего 1 и разделительного 3 сильфонов. Опорный вакуум
7
p0 подается во внешнюю полость рабочего сильфона.
Датчик измеряет разность давлений:
6
P0
(5.25)
1
Фиксированное давление pф создается натяжением пружины 2, с
помощью которой производят предварительное сжатие сильфона и
2
изменение диапазона измерения. При перемещении центра сильфона
изгибается плоская пружина 4, на которой закреплены постоянные
магниты 7. Перемещение (изгиб) пружины 4 фиксируется
3 преобразователями магнитного поля 5, 6. В зависимости от диапазона
измерений
в
качестве
ПМП
могут
использоваться
магниточувствительные микросхемы или магниторезисторные
мостовые датчики.
Рис. 5.148. Датчик абсолютного давления: 1 – рабочий сильфон; 2 –
натяжная пружина; 3 – разделительный сильфон; 4 – плоская пружина; 5,
6 – преобразователи магнитного поля; 7 – постоянные магниты
Pa
Датчик разности давлений
p2
1
N
S
p1
6
2
На рис. 5.149 приведен вариант конструкции датчика разности
давлений. Действие датчика основано на использовании
колокольной жидкостной системы. Перемещение колокола 4,
подвешенного на пружине 2, под действием разности давлений
3
передается постоянному магниту 5 и регистрируется
магниточувствительной микросхемой 6. Винт 1 служит для
установки нулевого положения. Изменение пределов измерений
4
производится сменой пружины 2.
Рабочее положение датчика – горизонтальное, его используют
при отсутствии вибрации и тряски. Датчик подобной
5
конструкции может использоваться для регулирования разности
давлений, расхода (с диафрагмой), напора или тяги
неагрессивных газов.
Рис. 5.149. Датчик разности давлений: 1 – винт установки нулевого
положения; 2 – пружина; 3 – корпус датчика; 4 – колокол; 5 –
постоянный магнит; 6 – магниточувствительная микросхема.
Действие датчика давления (рис. 5.150) основано на
преобразовании прогиба мембраны 4 под действием
внешнего давления в электрический сигнал.
Изменение давления приводит к изгибу тонкой плоской
мембраны 4 и соответственно к изменению индукции
магнитного поля в зазоре между преобразователем
магнитного поля 3 и сердечником магнитопровода 2.
Изменение индукции вызывает изменение сигнала на выходе
преобразователя 3. В качестве преобразователя магнитного
поля может использоваться высокочувствительная МЧМС
или тонкопленочный магниторезисторный мост.
Если вместо стальной мембраны 4 использовать
майларовую мембрану с ферритовым покрытием, то датчик
давления превращается в микрофон.
Датчики давления газа
На рис. 5.151. приведены два варианта конструкций датчиков давления. Действие датчиков давления основано
на регистрации перемещения гибкой мембраны, вызванной изменением давления Р.
Регулировочный
винт
а)
Магнит
Ж4 х 10 мм
Корпус
P
б)
Корпус
Мембрана
Мост KMZ10C
N
Магнит
S
N
S
Шток
Мембрана
P
Магнитоуправляемая
интегральная
схема
Рис. 5.151. Варианты конструкций датчиков давления: а – с
применением магниторезисторного моста; б – с применением
магниточувствительной ИС
В первом случае (рис. 5.151.а) перемещение (изгиб) мембраны вызывает перемещение штока с встроенным
в него постоянным магнитом. Изменение положения магнита регистрируется магниторезисторным мостом.
Во втором случае (рис. 5.151.б) постоянный магнит укреплен непосредственно на мембране и ее
перемещение регистрируется магниточувствительной ИС.
Шариковый датчик расхода жидкости
На рис. 5.152 приведен вариант конструкции шарикового датчика
расхода жидкости, который является разновидностью турбинного
датчика. В нем роль вращающегося элемента играет шарик 2 из
2
ферромагнитного материала, помещенный в цилиндрическую камеру.
Поток жидкости , подводимый к камере, закручивается, проходя через
тангенциальные отверстия или через неподвижную винтовую
крыльчатку. Шарик 2 вращается по внутренней поверхности камеры
P
со скоростью, пропорциональной расходу. Вращение шарика
регистрируется магнитным датчиком 3, в качестве которого может
использоваться МД типа GT01GA (фирмы Honeywell) или его более
1
1
чувствительный аналог. Корпус датчика 1 тонкостенный, изготовлен
из немагнитного материала.
Рис. 5.152. Вариант конструкции шарикового датчика расхода:1 – корпус датчика; 2 – шарик из
ферромагнитного материала; 3 – магнитный датчик
3
Страница 258
Характеристика такого датчика (рис. 5.152) близка к линейной (наилучшее приближение наблюдается при
равенстве объемного веса шарика с удельным весом контролируемой жидкости). Преимуществом шарикового
датчика является простота конструкции, недостатками – большая потеря давления, износ шарика и
необходимость применения высокочувствительного МД. Датчик подобной конструкции может быть
использован для измерения малых расходов (менее 1 см3/с) агрессивных жидкостей. Точность измерения
составляет ± (1-1,5%)[56].
Датчик малых расходов жидкости
5
6
7
N
8
KMZ 1 0
S
На рис. 5.153 приведена схема датчика
малых расходов жидкости. Действие датчика
4
основано на том, что расход жидкости влияет
3
на изменение положения поплавка,
расположенного в потоке. Жидкость поступает
2
в камеру 1 и, протекая снизу вверх через
1
коническое отверстие 2 и проходное сечение
опорной платы 3, выходит через штуцер 4. По
оси конического отверстия натянута
металлическая нить 5, по которой свободно
перемещается трубка 7 с поплавком 6 и
постоянным магнитом 8.
Высота
подъема
поплавка,
а
следовательно, и перемещение постоянного
магнита 8 пропорциональны измеряемому
расходу.
Перемещение
магнита
8
9
регистрируется магниторезисторным мостом
9 (KMZ10A).
Рис. 5.153. Схема датчика малых расходов жидкости: 1 – камера; 2 –
коническое отверстие; 3 – опорная плата; 4 – штуцер; 5 –
металлическая нить; 6 – поплавок; 7 – трубка; 8 – постоянный
магнит; 9 – магниторезисторный мост типа KMZ10A
Лопастной датчик расхода жидкости
На рис. 5.154 показан вариант конструкции
лопастного или турбинного датчика расхода
Датчик
ок
жидкости. В герметичном корпусе из немагнитного
П от
материала на специальных опорах вращается 4лопастная
турбинка с размещенными на лопастях
Трубопровод
S
микромагнитами. Скорость вращения турбинки
N
N S N
S
определяется магнитным датчиком, встроенным в
корпус прибора. Выходной сигнал датчика подается
на счетчик импульсов, откалиброванный в единицах
ок
Пот
расхода.
В качестве датчика скорости вращения
Трубопровод
турбинки, например, может использоваться серия МД
Рис. 5.154. Вариант конструкции лопастного
103SR (фирмы Honeywell) или ее аналоги.
датчика расхода жидкости
Вертушка
Корпус
Датчик для измерения скорости ветра (анемометр)
Вертушка
Ветер
UПИТ
S
N S
N
S N
Магнитоуправляемая
интегральная схема
S
N
На рис. 5.155 дан вариант конструкции анемометра.
В датчике вращение вертушки прибора приводит к
вращению многополюсного кольцевого магнита.
Скорость вращения магнита измеряется при помощи
магнитоуправляемой ИС, включенной на вход
специального процессора, обрабатывающего сигнал.
Результаты измерений регистрируются ЖКИ в принятых
единицах измерения (например в метрах в секунду).
Процессор
8888
Рис. 5.155. Вариант конструкции анемометра
Страница 259
Датчик амплитуды вибраций
На рис. 5.156 приведена схема датчика амплитуды вибраций.
Работа датчика основана на преобразовании силы, влияющей на
инерционную массу, подвергающуюся воздействию вибрационных
N
N
2
ускорений, в изменение длины и, следовательно, магнитной
проводимости зазора δ.
S
S
Инерционной массой является магнитная система, состоящая из
магнитопровода 1 с постоянным магнитом 2 и преобразователем
3
4
магнитного поля 3. Эти элементы укрепляются на мембране 4. При
Рис. 5.156. Схема датчика изменении магнитной проводимости зазора δ на выходе
амплитуды
вибраций:
1 – преобразователя магнитного поля 3 возникает сигнал, частота которого
магнитопровод; 2 – кольцевой равна частоте следования вибрационных ускорений.
В качестве преобразователя магнитного поля 3 может
постоянный
магнит;
3–
преобразователь магнитного поля; использоваться магниточувствительная микросхема или
тонкопленочный магниторезисторный мост.
4 – стальная мембрана; δ − зазор
δ
1
Бесконтактный манипулятор типа «джойстик»
3
1
2
Рис. 5.157. Вариант конструкции
манипулятора типа «джойстик»: 1 –
рукоятка; 2 – постоянный магнит; 3 –
преобразователь магнитного поля
На рис. 5.157 приведен вариант конструкции
бесконтактного манипулятора типа «джойстик», который не
требует специальных пояснений. Перемещение рукоятки 1 с
постоянным магнитом 2 регистрируется преобразователями
магнитного поля 3. В качестве преобразователей магнитного
поля могут использоваться магнитоуправляемые и
магниточувствительные интегральные схемы.
Магнитные датчики могут применяться и в манипуляторах
типа «мышь». Например, замена открытых оптопар «светодиод–
фоторезистор»
(или
«светодиод–фотодиод»)
на
микроминиатюрные щелевые магнитные датчики позволяет не
только снизить мощность, потребляемую манипулятором, но и
значительно повысить его надежность, так как самым
ненадежным элементом такого манипулятора является
светодиод.
Датчик вибрационных перемещений
1
2
3
N
4
На рис. 5.158 приведен вариант конструкции простейшего датчика
вибрационных перемещений. Управляющим элементом датчика служит
кольцевой магнит на «нитяном» подвесе. Датчик предназначен для
использования в системах охранной сигнализации садовых участков.
В начальном положении датчик устанавливается строго вертикально
на легком ограждении участка. Любое перемещение датчика вызовет
срабатывание магнитоуправляемой ИС.
На рис. 5.159 приведен вариант конструкции магнитного
датчика наклона. Управляющим элементом датчика служит
постоянный магнит, укрепленный на шаровом подвесе, а в
качестве чувствительного элемента использована магнитоуправляемая интегральная микросхема. При повороте
контролируемого объекта (например, холодильной камеры)
магнит всегда будет стремиться занять строго вертикальное
положение. Совпадение осей магнита и МУМ приводит к
срабатыванию (или отпусканию) микросхемы.
При использовании в качестве ПМП магниточувствительной
ИС данное устройство может быть использовано в качестве
«электронного уровня».
Магнитоуправляемая
микросхема
Постоянный
магнит на
шаровом
подвесе
N
S
Рис. 5.159. Магнитный датчик наклона
Датчик наклона для автомобильной охранной сигнализации
На рис. 5.160 приведена конструкция и схема простейшего датчика наклона, предназначенная для
автомобильной сигнализации.
а)
б)
∅10
6
UП (+12B)
5
B
d=0,2...0,5
4
3
N
N
2
S
S
R1
3,5 k
B
R2
3,5 k
R3 10 k
К компаратору
1
UП (-12B)
Рис. 5.160. Конструкция (а) и схема (б) датчика наклона: 1 - магнитопровод; 2 - кольцевой магнит;3 стойка; 4 - магниторезисторы; 5- воронка; 6 - стальной шарик
На магнитопроводе 1 закреплен кольцевой магнит 2 (М2КА-1 типоразмера К12х6х4), а на стойке 3
укреплены два тонкопленочных магниторезистора типа Ав-2. Замыкателем магнитной системы служит стальной
шарик 6, помещенный на дне воронки 5, изготовленной из немагнитного материала (латунь, медь, алюминий).
Чувствительность датчика определяется величиной рабочего зазора d.
Магниторезисторы R1 и R2 вместе с подстроечным резистором R3 образуют схему моста (рис.5.160.б).
Наклон или резкое перемещение датчика приводит к возникновению сигнала (~10...20 мВ) на выходе
моста, что приводит к срабатыванию системы охранной сигнализации автомобиля. [3]
Поршневые датчики перемещения
а)
Магниточувствительные
микросхемы
Корпус из
немагнитного
материала
Верхний
уровень
Магнит 1
Средний
уровень
Магнит 2
Магнит 3
Нижний
уровень
Плунжер
б)
Смещающие
магниты
Магнитоуправляемые
микросхемы
Корпус из
немагнитного
материала
Полый
цилиндр
из
ферромагнитного
материала
S
S
S
Направление
перемещения
плунжера
На рис. 5.161 даны два варианта конструкций
поршневых датчиков перемещения. Усилие
контролируемого объекта передается через
плунжер управляющему элементу. Оба варианта
размещены в цилиндрах из немагнитного
материала и имеют аналогичную конструкцию, но
различные управляющие элементы.
В первом варианте (рис. 5.161.а) в качестве
управляющего элемента используется несколько
кольцевых магнитов, перемещение которых
регистрируется магниточувствительными или
магнитоуправляемыми микросхемами.
Во втором варианте (рис. 5.161.б) в качестве
управляющего
элемента
используется
ферромагнитный стакан, перемещение которого
вызывает срабатывание магнитоуправляемых ИС.
Рис. 5.161. Поршневые датчики перемещения с
применением в качестве управляющих элементов: а –
нескольких магнитов; б – ферромагнитного цилиндра
Страница 261
Датчик системы блокировки дверей
На рис. 5.162 приведен вариант применения
магнитных датчиков для блокировки дверей
(например, электрошкафов-распределителей) и
систем охранной сигнализации. В этом случае
на двери укрепляется постоянный магнит, а на
дверной раме - цифровой магнитный датчик.
Открывание дверей вызывает срабатывание
датчика.
S
Рис. 5.162. Применение магнитного датчика
для систем блокировки дверей и охранной
сигнализации
Магнитный замок зажигания
На рис. 5.163 приведена простейшая конструкция бесконтактного замка зажигания. Магнитоуправляемая
схема 3 срабатывает при повороте магнита 2 при помощи ключа 1, что приводит к «отпиранию» электронной
системы зажигания.
Бесконтактный магнитный замок обеспечивает безопасность,он нечувствителен к пыли, грязи и
повышенной влажности.
Кодовый замок на магнитных датчиках
Электромагнит
привода
замка
Пр
Микромагниты
Щ
ел
N
N
S
S
N
N
S
Д
ве
оц
е
сс
ор
Магнитуправляемые
микросхемы
ь
S
М
а
ка гни
рт тн
а
ая
Усилитель
мощности
рь
На рис. 5.164 показано упрощенное устройство
кодового замка. «Ключом» такого замка служит
магнитная карта с определенным числом
микромагнитов. В качестве считывающих
элементов используются высокочувствительные
магнитоуправляемые ИС. Изменяя число
микромагнитов и сочетание их полюсов, можно
сравнивать полученный код с заложенным в память
процессора. При совпадении кодов замка и
процессора на выходе электронной схемы кодового
замка возникает сигнал «открыто», что приводит
к срабатыванию электропривода, а если коды не
совпадают, то образуется сигнал «тревога».
Рис. 5.164. Устройство кодового замка на магнитных
датчиках
Страница 262
Датчик температуры
Датчик
конечного
положения
Постоянный
магнит
N
S
Сильфон
Термобаллон
Рис. 5.165.Принципиальная схема датчика
температуры
На рис. 5.165 приведена принципиальная схема
магнитного датчика температуры. Действие датчика
основано на зависимости от температуры объема (давления)
вещества, заполняющего термосистему, состоящую из
термобаллона и сильфона. Обычно термосистему заполняют
веществом, обладающим максимальным температурным
коэффициент объемного расширения.
Термочувствительным элементом датчика является
термобаллон, размещаемый в месте контроля. Изменение
температуры вызывает изменение давления в термосистеме,
что приводит к перемещению постоянного магнита,
закрепленного на сильфоне. Перемещение магнита
регистрируется магнитным датчиком перемещения.
В зависимости от условий применения в качестве МД
могут использоваться как цифровые, так и аналоговые
датчики перемещения.
Магнитные датчики аналогичной конструкции могут
использоваться в агрессивных и взрывоопасных средах для
контроля как положительных, так и отрицательных
температур.
Cистема точного поддержания уровня жидкости
На рис. 5.166 дана структурная схема системы точного поддержания уровня жидкости. На рис. 5.167 и
5.168 приведены принципиальные электрические схемы основных блоков системы.
4
К исполнительному
механизму
3
Котёл
Водомерная
трубка
2
Постоянный
магнит
Поплавок
Блок
предварительного
усиления и обработки
сигнала
Зел.
Красн.
1
N
S
Блок
линейного индикатора
и питания
~220 B
Рис. 5.166. Структурная схема системы точного поддержания уровня жидкости: 1 – магнитный датчик
точного уровня; 2 – магнитный датчик предельного уровня; 3 – схема обработки сигнала датчика
предельного уровня; 4 – исполнительный механизм с встроенной схемой управления
Страница 263
Рис. 5.167. Электрическая схема блока предварительного усиления и обработки сигнала датчика точного
уровня
В качестве магнитных датчиков точного 1 и предельного 2 уровня использованы два полевых элемента
Холла (ПДХ типа FEHS-01). В качестве управляющего элемента применяется постоянный магнит из сплава
«самарий–кобальт» (∅ 10 мм, L = 6 мм, В > 100 мТл), вклеенный в пенопластовый поплавок (∅ 20 мм, L = 25
мм), который погружен в водомерную трубку контролируемого объекта.
Принцип работы системы (рис. 5.166) достаточно прост. Сигнал датчика точного уровня усиливается и
обрабатывается блоком, электрическая схема которого приведена на рис. 5.167. В качестве усилителя сигнала
ПДХ (В1) используется интегральная схема инструментального усилителя типа INA-118P (DA1). Операционный
усилитель DA2 применяется в качестве источника тока для питания элемента В1. Интегральные схемы DA4 и
DA5 используются как стабилизаторы напряжения питания блока. Блок питается от выпрямителя,
расположенного в блоке линейного индикатора (рис. 5.168).
Рис. 5.168. Электрическая схема блока линейного индикатора и питания
Страница 264
Усиленный элемента Холла В1 поступает в аналоговой форме на выход (выход 1) и на компаратор DA3.
При «всплытии» поплавка с магнитом выше установленного уровня на выходе компаратора вырабатывается
сигнал, открывающий выходной транзистор VT1. В результате на выходе 3 появляется сигнал, поступающий
на исполнительное устройство и выключающий насос подкачки жидкости.
Датчик предельного уровня 2 служит для предупреждения перелива. Он имеет свою схему усиления и
обработки сигнала 3. При достижении поплавком уровня датчика 2 происходит срабатывание исполнительного
механизма, выключающего насос или, в случае необходимости, включающего клапан слива (на рис. 5.165 не
показан).
Аналоговый сигнал с выхода 3 (рис. 5.167) поступает на вход блока линейного индикатора (рис. 5.168).
Блок линейного индикатора (рис. 5.168) работает следующим образом. Аналоговый сигнал поступает через
потенциометр R1 на вход операционного усилителя DA1, а с него на базу транзистора VT1, управляющего
индикатором Н1. В качестве Н1 используется газоразрядный линейный индикатор типа ИН-13А.
Чувствительность блока линейного индикатора составляет 1 мм (перемещения поплавка) на всю шкалу (>
100 мм).
Точность срабатывания датчика точного уровня составляет ±0,1 мм.
5.10.2. Примеры использования МД в автомобильной технике и промышленном
оборудовании
Ниже без объяснений приводятся примеры использования магнитных датчиков.
Применение МД в автомобильной технике
Рис. 5.169. Использование щелевого
магнитного датчика в системе электронного
зажигания
а)
б)
Рис. 5.170. Использование в системах измерения скорости
вращения и угла поворота магнитных датчиков: а –
щелевого; б – аналогового
Страница 265
а)
б)
Рис. 5.171. Использование магнитных датчиков в системах: а – предупреждения заносов; б – определения
положения педали газа
Применение МД в других областях техники
а)
б)
Рис. 5.172. Использование в многоразрядных системах определения угла поворота и скорости вращения
магнитных датчиков: а – щелевых, б – торцевых
Рис. 5.173. Совместное использование магнитных датчиков в системах определения угла поворота и
скорости вращения
Страница 266
Рис. 5.174. Вариант
использования МУМ и
МЧМС
в
датчике
давления
Рис. 5.175. Вариант использования МУМ
и МЧМС в датчике напора
Рис. 5.176. Использование магниточувствительной микросхемы в
качестве датчика натяжения
конвейерной ленты
Рис. 5.177. Использование
МУМ в качестве датчиков
положения
ротора
в
бесколлекторном электродвигателе
Страница 267
5.10.3. Примерный перечень датчиков, применяемых
в автомобильной технике
На долю автомобильной техники приходится значительный объем, выпускаемых в мире датчиков,
количество которых может достигать в современном автомобиле от 50 до 500 шт.
В таблице 5.30 приведен перечень некоторых типов датчиков, используемых в автомобильной технике. Из
75 наименований датчиков 48 (выделены) могут быть реализованы с применением преобразователей магнитного
поля.
Таблица 5.30. Перечень некоторых типов датчиков, используемых в автомобильной технике.
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
Название и назначение датчика
Датчик атмосферного давления.
Датчик температуры воздуха.
Датчик влажности воздуха.
Датчик температуры дороги.
Датчик системы предупреждения о гололеде
Датчик температуры в салоне.
Датчик влажности воздуха в салоне.
Датчик положения сидения
Датчик освещенности салона.
Датчик уровня шума в салоне.
Датчик работы стеклоочистителей
Датчик скорости (спидометр)
Датчик пройденного пути (одометр)
Датчик положения ВМТ
Датчик положения распред.кулака
Датчик состава топливной смеси
Датчик давления масла.
Датчик давления наддува (для дизеля)
Датчик детонации
Датчик положения педали тормоза
Датчик количества (уровня) топлива
Датчик уровня жидкости в трансмиссии
Датчик аварийного падения уровня масла
Датчик магнитного поля Земли
Датчик износа шин
Датчик температуры двигателя.
Датчик количества всасываемого воздуха
Датчик углового положения вала.
Датчик температуры воздуха на впускном
трубопроводе
Датчик положения дроссельной заслонки
Датчик скорости вращения вала (тахометр)
Датчик момента зажигания
Датчик состава отработавших газов по О2 ( λ Датчик состава отработавших газов по
углеводородам.
Датчик состава отработавших газов по СО.
Датчик состава отработавших газов по окислам
Датчик давления на впускном трубопроводе
Датчик температуры охлаждающей жидкости
Датчик системы регулирования тяги
Датчик расхода топлива.
Датчик ускорения.
Датчик давления в тормозном цилиндре
Датчик включения сцепления
Датчик выравнивания нагрузки
Датчик угла поворота передних колес
Датчик положения рессоры задней оси
Датчик наклона фар
Датчик давления в шинах
Датчик наружной освещенности
Датчик клиренса (гидравлического подпора)
Датчик угла поворота рулевой колонки
Датчик силы демпфирования
Датчик блокировки замка зажигания
Датчик блокировки и запирания дверей
Датчик положения и блокировки стекол
Датчик блокировки ремней безопасности
Датчик износа тормозных накладок
Датчик скорости подачи топлива
Датчик температуры наружного зеркала
Датчик начала обгона
Датчик расстояния до препятствия
Датчик состояния аккумуляторов.
Датчик положения наружного зеркала
Датчик уровня тормозной жидкости
Датчик угла наклона автомобиля
Датчик частоты вращения колес(антиблокировочная система АБС).
Датчик положения педали акселерометра
Датчик угловой скорости передних и задних
Датчик блокировки и запирания багажника
Датчик уровня жидкости промывки стекол
71
Датчик разряжения (измерения
72
73
74
Датчик положения рычага переключения
Датчик освещенности фарами встречного
Датчик работы доплеровского измерителя скорости
(антирадара)
Датчики системы диагностики
75
вакуума)
Страница 268
Список литературы к главе 5
1. Агейкин Д. И., Костина Е. Н., Кузнецова Н. Н. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. –
М.: Машиностроение,1965. – 928 с.
2. Бараночников М. Л. Магниторезисторы // Радио, 1994, № 7, – с. 42; № 8, – с. 45–46; № 9, – с. 41–42.
3. Бараночников М. Л. Применение магниторезисторов // Радио, 1994, № 11, – с. 34–36; № 12, – с. 36–38.
4. Бараночников М. Л., Колесов Ю. А., Смирнов В. А. Щелевые магнитные датчики ДМИ-1 и ДМИ-2 //
Радио, 1992, № 1. – С. 29–31.
5. Березюк Н. Т., Андрущенко А. Г. и др. Кодирование информации (двоичные коды). – Харьков, Вища школа,
1978. – 252 с.
6. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. –
304 с.
7. Датчик момента искрообразования для автомобильных систем управления двигателем М1ЦРФ. Рекламный
проспект. Информприбор. 1989.
8. Датчики. Номенклатура и технические характеристики. Акционерное общество «Сенсор». 2000. – 21 с.
9. Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение. – М.: Радио и связь,
1987. – 88 с.
10. Ефимов Е. Г. Магнитные головки. – М.: Энергия, 1967. – 80 с.
11. Зайцев Ю. В., Марченко А. Н., Ващенко В. И. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. – М.:
Энергоиздат, 1988. – 136 с.
12. Использование устройства KMZ-10. – 1988. – 26 с. (Пер. ст. из журнала «Electronic Components and
Applications», 1988, vol/8, #4. – Рp. 229–239.)
13. Карпенков С. Х. Тонкопленочные накопители информации. – М.: Радио и связь, 1993. – 504 с.
14. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. – М., Энергоатомиздат,
1989. – 184 с.
15. Колесниченко О. В., Шишигин И. В., Обрученков В. А. Интегральные микросхемы
16. зарубежной бытовой видеоаппаратуры. Справочное пособие. – Лань, СПб., 1996. – 272 с.
17. Марченко А. Н., Свечников С. В., Смовж А. К. Полупроводниковые сенсорные потенциометрические
элементы. – М. // Радио и связь,1988. – 192 с.
18. Микросхемы Холла серии К1116КП. «Гиперон». – М., 1991. – 58 с.
19. Микросхемы Холла. Магнитные датчики. Проспект ПО «Гиперон». – М.,1989. – 4 с.
20. Осита М. Магнитные датчики. Пер. с японск. // Денси гидзюцу. 1983. Т. 25, № 5. – C. 115–120. 231.
Подлепецкий Б. Интегральные полупроводниковые сенсоры: состояние и перспективы разработок //CHIP
NEWS, 1998, № 5. – C. 38–45.
22. Портной Г., Болотин О., Борбот С., Старков С. Современные датчики измерения тока и датчики напряжения
// Электронные компоненты, 1997, № 3–4. – C. 30–32.
23. Преснухин Л. Н., Шаньгин В. Ф. Фотоэлектрические преобразователи информации. – М.: Машиностроение,
1974. – 376 с.
24. Сига Х., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику. – М.: Мир, 1989. – 232 с.
25. Синельников А. Х. Электроника в автомобиле. – М.: Радио и связь, 1986. – 96 с.
26. Стучебников В. М. Сенсор или микроэлектронный датчик? //Электронные датчики. Серия 5. Радиодетали
и радиокомпоненты. – М.: ЦНИИ Электроника, 1989. – 15 с.
27. Феррети М. Датчики перемещений. Пер. статьи из журнала «Electroque applications». 1986. № 46. – Рp. 23–
31.
28. Хенке Г. Линейные и дискретные датчики Холла. Основы теории и приложения. Материал фирмы Honeywell
GmbH, D-6050 Offenbach. – 16 c.
29. Хомерики О. К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. – М.: Энергоиздат, 1986. – 136с.
30. «89 Murata Products. Sensors. (Каталог фирмы Murata). – Рр. 53–57.
31. 3-phase brushless DC Motor controller/drivers – UDN2936W and UDN2936W. Проспект фирмы Allegro Micro
Systems Inc. 1999. – 10 р.
32. Commplementary output power Hall-effect latch. UGN5275K. Проспект фирмы Allegro MicroSystems. Inc. 1999. –
6 р.
33. Current Sensors ZMC05, ZMC10, ZMC20. Проспект фирмы Zetex Semicondactors. 2000. – 1 р.
34. Dynamic, peak-detecting, differential Hall-effect gear-tooth Sensor. ATS610LSC. Проспект фирмы Allegro
MicroSystems Inc. 1999. – 12 р.
35. Dynamic, peak-detecting, differential Hall-effect gear-tooth Sensors. ATS610LSA and ATS611LSB. Проспект
фирмы Allegro MicroSystems Inc. 1999. – 16 р.
36. Emerald P. The performance and application of magnetic smart-power sensors // Electronic Engineering, July.–
1989. – Рp. 29–36.
37. F. W. Bell. Solutions. Проспект фирмы F. W. Bell. 1999. – 18 р.
Страница 269
38. Hall Effect Transducers. How to apply them as sensors. MICRO SWITCH a Honeywell Division, 1988. – 280 р.
39. Installation instructions 103SR series proximity switcher. MICRO SWITCH PK 8755 1. Проспект фирмы
MICRO SWITCH.
40. Installation instructions AV series vane switch. MICRO SWITCH PK 8757 0. Проспект фирмы MICRO
SWITCH.
41. Integrated Angle Sensor Based on the Magnetoresistive Effect. Philips Semiconductors-Systems Laboratory
Hamburg. 13 October, 1997. – 6 р.
42. MICRO SWITCH. Sensing and Control. Solid State Sensors. Catalogue E20. Honeywell. 1997.
43. Model CLO300/500. Closed Loop Hall Effect. Проспект фирмы F. W. Bell. 1999. – 2 р.
44. Power Hall Sensor/Drivers for brushless DC Motors. UDN3625M and UDN3626M. Проспект фирмы Allegro
MicroSystems. Inc. 1999. – 8 р.
45. Programmable, true power-on, Hall-effect proximity Sensor. ATS535CSB and ATS535JSB. Проспект фирмы
Allegro MicroSystems. Inc. 1999. – 12 р.
46. Ron Lawrence, Paul J. Rosch, Judith Plowden. Magnet Therapy. The pain cure alternative. (Магнитотерапия.
Альтернативный метод облегчения боли. Пер. с англ. – М.: КРОН-ПРЕСС, 1998. – 234 c.)
47. Rotary Position Sensor RP Series. Проспект фирмы «Honeywell». 1999. – 4 р.
48. RS Components. Catalogue, 1998. – 2000 р. (Каталог фирмы RS Components.)
49. Sensors. Magnetic pattern recognition Sensors BS05N/05C SERIES. (Проспект фирмы Murata. 1999. – 1 р.)
50. Siemens Component Service. Preferred Products 1977. – Рp. 38–43.
51. Siemens Component Service. Preferred Products 1997. (Каталог фирмы Siemens Aktiengesrllschaft.)
52. Solid State Sensors. Position, current, flow, liquel level and temperature sensors. Catalogue E20. Honeywell.
1989. – Рр. 4–48.
53. TLE4923 Dynamic Differentiai Hall Effect Sensor IC. Проспект фирмы Siemens. 1998. – 18 р.
54. Zero-speed, self-calibrating, non-oriented, Hall-effect gear-tooth Sensor ATS632LSA. Проспект фирмы Allegro
MicroSystems Inc. 1999. – 12 р.
Страница 270
Глава 6. Магнитоэлектронные устройства
Магнитоэлектронные устройства (МЭУ) – это устройства, которые наряду с преобразованием магнитного
поля выполняют и иные функции и в которых в одном корпусе размещаются магниточувствительный элемент,
электронная схема обработки сигнала и дополнительные элементы, расширяющие функции МЭУ. Эти элементы
обеспечивают термостабилизацию магниточувствительного элемента; защиту устройства от воздействия
сверхнизких и сверхвысоких напряжений и коротких замыканий по выходу; защиту от перегрева и ошибочного
изменения полярности источников питания; аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигналов
ПМП и сигналов управления магнитоэлектронным устройством. МЭУ, в отличие от магнитных датчиков, не
только выполняют преобразовательные функции, но и используют генерируемый сигнал непосредственно для
управления объектом и (или) индицирования его состояния.
Функциональныемагнитоэлектронные устройства (ФМЭУ) содержат дополнительные элементы
(функциональные электронные узлы, валы, пружины, поводки, кодирующие диски, тонармы, муфты и т.д.),
которые выполняют заданные функции. Конструктивно функциональные магнитоэлектронные устройства
выполнены так, что все их узлы и детали неразрывно связаны между собой и представляют единое целое.
К магнитоэлектронным устройствам относятся бесконтактные переключатели и клавишные модули;
бесконтактные переменные резисторы; устройства для определения направления на источник магнитного поля
и предсказания магнитных бурь; устройства, используемые в магнитной дефектоскопии и др.
6.1. Бесконтактные переключатели
Бесконтактные переключатели (БКП) представляют собой магнитоэлектронные ключевые
коммутационные устройства с механическим приводом. Они используются в качестве исполнительных
устройств дистанционного управления, в качестве базового элемента для некоторых бесконтактных
коммутирующих изделий: кнопок, кнопочных, клавишных и др. переключателей. БКП выполняют функции
концевых выключателей, которые отключают поступательно движущиеся или поворотные механизмы в конце
их хода или поворота. Бесконтактные переключатели отличаются конструкцией механизма, обеспечивающего
быстрое срабатывание приводного элемента независимо от скорости перемещения.
Основные параметры бесконтактных переключателей:
• усилие прямого срабатывания (чувствительность переключателя) – это минимальное значение
внешней силы, которая должна быть приложена к приводному элементу, чтобы произошло его
срабатывание;
• усилие обратного срабатывания – это максимально допустимое значение внешней силы на
приводном элементе, при котором исполнительная электронная схема выключателя возвращается в
исходное состояние;
• рабочий ход приводного элемента – максимальное значение хода приводного элемента от
начального (исходного) положения до положения прямого срабатывания;
• дополнительный ход – предельно допустимое значение хода приводного элемента от положения
прямого срабатывания в конечное;
• дифференциальный ход – минимально допустимая величина хода приводного элемента от
положения прямого срабатывания до положения обратного срабатывания.
Указанные параметры определяются типом приводного элемента. Конструкция приводного элемента может
быть выполнена в виде штока, кнопки, рычага, ролика и т.п. К конструктивным параметрам конечных
выключателей относятся: габариты, способы крепления, тип приводного элемента и др.
Применение БКП особенно целесообразно во взрывоопасном оборудовании и при работе в условиях
повышенной влажности или при воздействии агрессивных сред: бензина, масла и т.п. Для конструирования
магнитоэлектронных бесконтактных переключателей используют любые известные дискретные
преобразователи магнитного поля и магнитоуправляемые интегральные схемы на их основе.
Магнитоэлектронные бесконтактные переключатели применяются в различных отраслях промышленности.
Их серийный выпуск осуществляют многие зарубежные фирмы. Наиболее известны микроэлектронные
бесконтактные переключатели, выпускаемые фирмой Honeywell.
Бесконтактные переключатели фирмы Honeywell
На рис. 6.1 и 6.2 приведены конструкции магнитоэлектронных бесконтактных переключателей серий XL
и VX, выпускаемых фирмой Honeywell [37, 50, 67]. В качестве коммутирующих элементов в рассматриваемых
БКП используются магнитоуправляемые интегральные схемы.
Принцип действия переключателя состоит в следующем. При нажатии на плунжер, служащий приводным
элементом переключателя, магнит перемещается вдоль поверхности магнитоуправляемой микросхемы, что, в
свою очередь, приводит к изменению состояния МУМ.
Схема имеет два устойчивых состояния, соответствующих логическому 0 или логической 1. В зависимости
от расположения магнита S полюсом вверх или вниз, исходное состояние микросхемы может соответствовать
положению «выключено» или «включено».
Страница 271
Корпус
Втулка
Магнитоуправляемая
микросхема
Крышка
Плунжер
Магнит
Втулка
N
S
Концентратор
магнитного поля
Пружина
Рис. 6.1. Конструкция бесконтактного переключателя серии XL
Рис. 6.2. Конструкция бесконтактного переключателя серии VX
Внешний вид и габариты бесконтактных переключателей серий XL и VX, выпускаемых фирмой Honeywell,
показаны на рис. 6.3.
Бесконтактные переключатели серий XL и VX могут служить устройствами, непосредственно
коммутирующими слаботочные электрические цепи. Однако при токе коммутации более 8–20 мА (в зависимости
от типа БКП) они должны использоваться совместно с мощными логическими схемами или со вторичными
элементами электронных устройств автоматического оборудования и приборов.
Главное преимущество бесконтактных переключателей в их высокой надежности, быстродействии и
большом ресурсе (до 108–1010 срабатываний). В табл. 6.1 приведены сравнительные характеристики конечных
выключателей механического и бесконтактного типов [5, 37, 51, 68].
Страница 272
10,2
3,8
4,3
4,3
3,0
+
5,1
27,7
O
8,9
-
15,8
15,7
Серия VX
2,8
Серия XL
O
+
10,2
29,1
Рис. 6.3. Внешний вид и габариты бесконтактных переключателей серий XL и VX, выпускаемых фирмой
Honeywell
. Таблица 6.1. Сравнительные характеристики механических и бесконтактных переключателей
Тип микропереключателя
№
п/п
Основные параметры и характеристики магнитоэлектронных бесконтактных переключателей, выпускаемых
фирмой Honeywell, приводятся в главе 20 тома 2.
Страница 273
6.2. Бесконтактные клавишные модули
Ввод информации с помощью клавиатурных пультов является наиболее распространенным способом
общения человека с техникой, который характеризуется простотой процесса ввода данных, привычностью в
обращении и несложностью технических средств реализации.
Опыт эксплуатации вычислительной техники показал, что достоверность ручного ввода данных с помощью
клавишных устройств в 10–50 раз ниже достоверности обработки информации остальными узлами ВТ [29]. В
связи с этим очевидна необходимость создания таких клавишных устройств, которые по своим техническим
показателям исключали бы возможность добавления, пропуска или искажения вводимой информации при
преобразовании ее в исполнительный сигнал.
Кроме того, клавишные устройства должны отвечать современным эргономическим требованиям,
способствовать безошибочной работе оператора, повышать производительность его труда, обладать
повышенным сроком службы, быть простыми по конструкции и технологичными в изготовлении. Клавишные
устройства должны давать возможность непосредственного сочленения с быстродействующими электронными
элементами управляемых цепей.
В некоторых случаях к ним предъявляются специальные требования по взрывобезопасности, пыле- и
влагонепроницаемости, сохранению работоспособности в агрессивных и радиоактивных средах, в условиях
повышенной вибрации и ударных нагрузок. Важным требованием является соблюдение высокой степени
унификации клавишных устройств для осуществления быстрого и легкого построения различных вариантов
клавиатур, пультов управления и др. До последнего времени были наиболее распространены пульты для ручного
ввода информации, снабженные механическими контактами.
Клавиши с механическими контактами наряду с такими преимуществами, как малое переходное сопротивление контактов,
возможность одновременного коммутирования нескольких относительно мощных цепей, дешевизна и др., имеют
существенные недостатки, которые не позволяют использовать их для многих устройств современной техники. К таким
недостаткам относятся: наличие искрообразования, явление дребезга и залипания контактов, обгорание и эрозия контактов,
необходимость частых профилактических осмотров, невысокое быстродействие, влияние окружающей среды (влажности,
запыленности и т.д.) на состояние контактных поверхностей, чувствительность к вибрации и ударам.
На рис. 6.4 показана осциллограмма тока, проходящего через механические контакты при их замыкании. При
непосредственном электрическом сопряжении такой клавиши с электронными схемами неизбежно будут возникать сбои и
ошибки ввода информации. Кроме того, при сопряжении клавиш на механических контактах с электронными устройствами
нарушается общий принцип совместимости.
Ток
Рис. 6.4. Типичная осциллограмма тока,
проходящего через механические контакты при их
замыкании
t
Отключено
Процесс включения (дребезг)
Включено
Совершенствование устройств с механическими контактами привело к созданию герметизированных контактов
(герконов), однако и они не обладают требуемой надежностью ввода информации и долговечностью. Объясняется это
процессами, возникающими при замыкании и размыкании контактной пары и вызывающими дребезг, залипание контактов,
изменение переходных сопротивлений, механическое старение материалов.
Для ликвидации указанных недостатков предлагалось много вариантов конструкций клавиш, в которых коммутация
управляемых цепей осуществлялась бесконтактным способом. Были предложены фотоэлектронные, емкостные, магнитные,
индукционные и другие принципы бесконтактного управления параметрами электронных цепей. Однако использование
каждого из этих принципов, давая определенные преимущества, не привело к оптимальному решению задачи [29].
Проблема создания эффективных бесконтактных клавиш ввода информации успешно решается при
использовании современных микроэлектронных преобразователей магнитного поля. У клавиш с
использованием ПМП по сравнению с клавишами аналогичного назначения, но построенными на основе
других принципов, есть ряд преимуществ:
• длительный срок службы;
• устойчивость к вибрациям и ударам;
• непосредственная совместимость с электронными схемами;
• способность надежно работать в агрессивных и взрывоопасных средах;
• отсутствие необходимости эксплуатационных регулировок и квалифицированного обслуживания;
• возможность сопряжения со стандартными логическими схемами
(в том числе и для осуществления функции логических элементов).
Переключатели клавишного типа относятся к нажимным устройствам и предназначены для коммутации
электрических цепей с помощью ручного привода.
Страница 274
Клавишные переключатели характеризуются следующими параметрами:
• усилием или моментом переключения;
• числом положений фиксации;
• способом фиксации;
• длиной рабочего хода;
• максимальным количеством переключений до полного отказа.
Одним из важных эксплуатационных показателей является скорость их работы, выражаемая максимальным числом
нажатий в секунду. По этому параметру О. К. Хомерики [29] предлагает разделить все кнопки на три группы:
• устройства высокого быстродействия (до десяти нажатий в секунду). К ним относятся клавиатуры пишущих машинок,
электронных клавишных вычислительных машин и т.п.;
• устройства среднего быстродействия (до пяти нажатий в секунду). К ним относят клавиатуры пультов управления
информационно-измерительной и вычислительной техники, систем управления, кассовых аппаратов и т.п.;
• устройства малого быстродействия (менее одного нажатия в секунду). Это, например, клавиши для управления
радиоэлектронной аппаратурой – магнитофонами, телевизорами и др., – характеризуемые одноразовым воздействием
в течение относительно длительного промежутка времени.
Проектирование бесконтактных клавишных переключателей с учетом всех предъявляемых к ним требований
представляет собой сложную задачу и широко обсуждается в специальной литературе [24, 29].
Бесконтактные клавишные переключатели, как правило, выполняются в виде достаточно унифицированных
магнитоэлектронных устройств, которые получили название бесконтактных клавишных модулей (БКМ). Из
таких модулей формируются блоки клавиатур и другие аналогичные устройства. Наиболее перспективными
бесконтактными клавишными устройствами считаются клавишные модули, выполненные с применением
современных микроэлектронных преобразователей магнитного поля. Ниже рассмотрены некоторые
конструкции таких модулей.
Клавишные модули, реализованные с применением магниторезисторов
На рис. 6.5 схематически приведена конструкция бесконтактного клавишного модуля с пружинным
возвратом подвижной части в исходное состояние [27, 68].
7
1
Ход (S)
Рис. 6.5. Конструкция клавишного модуля с пружинным
возвратом подвижной части в исходное состояние: 1 –
подвижный
постоянный
магнит;
2,
3–
магниторезисторы; 4 – пружина; 5 – корпус модуля; 6 –
электронная схема; 7 – головка клавишного модуля
6
S
N
2
3
4
5
Принцип действия клавишного модуля сводится к следующему. При нажатии на головку клавишного модуля
7 перемещается встроенный в нее постоянный магнит 1, что вызывает изменение напряженности магнитного
поля и, как следствие, изменение сопротивления магниторезисторов 2 и 3. Пружина 4 служит для возврата
кнопки в исходное положение. Магниторезистор 2 выполняет функции замыкающего контакта, а
магниторезистор 3 – размыкающего.
В зависимости от конструкции кнопки изменение сопротивления магниторезисторов управляет либо
непосредственно вторичной цепью, либо встроенной в корпус электронной схемой 6, обеспечивающей
переключение в цепи нагрузки.
Магнит модуля выполнен из сплава альнико. Для уменьшения магнитного сопротивления между полюсами
магнита 1 и для экранирования магниторезисторов от воздействия внешних магнитных полей корпус модуля
5 выполнен из магнитомягкого железа. В кнопках используются отечественные магниторезисторы типа СМ41 с номинальным сопротивлением 40 Ом при допустимом отклонении ±20%. .
Сопротивление магниторезисторов при нажатии на головку модуля изменяется не менее чем в 5 раз.
Зависимости сопротивления RB магниторезисторов, выполняющих функции замыкающего и размыкающего
контактов, от перемещения S подвижного магнита для модуля рассматриваемой конструкции приведены на
рис. 6.6.а,б[11].
Изменение температуры оказывает определенное влияние на параметры магниторезисторов: с увеличением
температуры относительное изменение их сопротивления в магнитном поле уменьшается (рис. 6.6.б).
Страница 275
а)
б)
Магниторезистор 2
Магниторезистор 2
Магниторезистор 3
Магниторезистор 3
Рис. 6.6. Зависимости сопротивления (RB) магниторезисторов 2 и 3: а – от перемещения (S) подвижного
магнита; б – от температуры
Изменение температуры оказывает определенное влияние на параметры магниторезисторов: с увеличением
температуры относительное изменение их сопротивления в магнитном поле уменьшается (рис. 6.6б).
Клавишный модуль, конструкция которого приведена на рис. 6.5, надежно работает в интервале температур
от 0 до +75 °С. Максимальная частота коммутации 10 включений в 1 с. Ресурс работы, определяемый
механическим износом элементов конструкции, составляет не менее 106 включений.
При необходимости повысить кратность изменения сопротивления или мощность цепи коммутации в
кнопку встраивают усилительный или ключевой каскад на транзисторах, тиристорах или интегральных схемах.
Электрическая схема клавишного модуля с простейшим усилителем на одном транзисторе приведена на рис.
6.7а. Такой модуль может быть изготовлен с встроенными в них ключевыми каскадами в двух исполнениях,
осуществляющих функции замыкающих или размыкающих контактов.
а)
б)
RК
UК,%
90
+UП
R1
100
1
80
UК
70
2
60
50
Выход
В
40
3
30
R3 47
СМ4-1
20
S,мм
10
Общий
0
0,5
1,0
1,5
2,0
Рис. 6.7. Клавишный модуль с простейшим ключом на одном транзисторе: а – электрическая схема; б –
выходная характеристика при различной температуре: 1 – при +70 °С; 2 – при +25 °С; 3 – при 0 °С
На рис. 6.7б показана зависимость напряжения на коллекторе транзистора VT1 от перемещения магнита
кнопки при различных температурах. При нормальной скорости перемещения головки модуля время
переключения схемы составляет около 2 мс.
Если же к крутизне коммутационной
характеристики предъявляются более высокие
требования, то в качестве усилительного каскада
используют триггерные схемы. Одна из таких схем,
применяемых в бесконтактных клавишных модулях
на магниторезисторах, приведена на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Принципиальная электрическая
схема бесконтактного клавишного модуля
на магниторезисторе с триггерным
каскадом
UП
В
R1 47
СМ4-1
R3
R6
R4
Выход
R7
R2
R5
Общий
Страница 276
В СССР были разработаны и выпускались бесконтактные клавишные модули серии ПКБ. Конструкция
такого модуля приведена на рис. 6.9.
1
Основным конструктивным узлом модуля является магнитная цепь, состоящая из кольцевого постоянного
магнита 3, кольцевых магнитопроводов 11 и магниторезистора 15, размещенного в месте максимальной
концентрации магнитного потока.
Элементами, обеспечивающими движение магнита в вертикальном направлении, служат толкатель 4 и
внешний цилиндр 8, которые фиксируют относительное расположение магнита и полого цилиндра 5. Устранение
свободного вращения съемной головки модуля 1 относительно корпуса переключателя обеспечивается
крестовидной формой толкателя 4, ходового отверстия в корпусе и посадочного отверстия в самой головке
модуля.
Ограничение крайних положений магнита происходит в верхнем положении высотой наружного цилиндра
8, в нижнем положении – корпусом 2. Ход подвижной системы модуля демпфируется в крайних положениях
резиновыми амортизаторами 6 и 7. Возврат клавиши в исходное положение происходит за счет пружины 13
после снятия воздействия внешнего усилия.
Электрические элементы схемы установлены на печатной микроплате 10. Выводы 14 модуля
спроектированы с расчетом выполнения как навесного, так и печатного монтажа. Принципиальная
электрическая схема бесконтактных кнопочных модулей ПКБ4, ПКБ5 приведена на рис. 6.10 [11].
Принцип работы клавишных модулей серии ПКБ заключается в следующем (см. рис. 6.9). Под действием
внешнего усилия, передаваемого через толкатель 4, магнит 3 переходит в нижнее положение. При этом в
модуле типа ПКБ4 магнитный поток не проходит через магниторезистор, шунтируясь магнитным шунтом 9, а
в модуле ПКБ5 поток будет максимальным. Этот эффект достигается верхним расположением магниторезистора
15 в модуле типа ПКБ4 и нижним – в ПКБ5. Поэтому модуль типа ПКБ4 имеет на выходе в исходном состоянии
потенциал, соответствующий логическому 0, а в ПКБ5 – логической 1.
Клавишные модули типа ПКП1, ПКП2, ПКП3 имеют аналогичную конструкцию (см. рис. 6.9).
Модули типа ПКБ1 снабжены индикацией состояния на светодиоде. Принципиальная электрическая схема
такого модуля приведена на рис. 6.11.
Страница 277
+UП (5В)
Выход 2
R1*
R2
&
&
&
&
Выход 1
В
R3 220
СМ4-1
Общий
Рис. 6.11. Принципиальная электрическая схема клавишного модуля типа ПКБ1, снабженного
индикацией на светодиоде
Основные параметры клавишных модулей серии ПКБ: напряжение питания – 5±0,5 В; ток потребления –
не более 12 мА (для отдельных типономиналов не более 25 мА); ресурс работы – не менее 106 переключений;
усилие переключения – 1,5–2,5 Н; интервал рабочих температур – от –60 до +70 °С.
Клавишные модули, реализованные с применением магнитодиодов
На рис. 6.12 схематически показана конструкция бесконтактного клавишного модуля с пружинным
возвратом, реализованного с использованием магнитодиода.
6
18
Клавишная головка 1 связана с ярмом 2, которое охватывает соосно расположенный постоянный магнит
3. Магнитодиод 4 установлен под центром торца магнита 3 на замыкающем ферромагнитном якоре 5, который
находится на дне корпуса 6. Расстояние от краев торца магнита 3 до внутренней поверхности охватывающего
ярма 2 меньше расстояния от торца магнита 3 до замыкающего якоря 5, но больше толщины магнитодиода 4.
Ярмо 2 с магнитом 3 и клавишная головка 1, подпружиненные пружиной 7, могут перемещаться вдоль оси
клавишного модуля на расстояние, равное рабочему ходу.
В исходном положении магнит 3 с ярмом 2 удалены от якоря 5 на максимальное расстояние и длина
рабочего воздушного зазора больше зазора между краями торца магнита 3 и внутренней поверхностью ярма 2.
При этом магнитный поток в основном замыкается вне рабочего воздушного зазора и на магнитодиод 4
магнитное поле практически не воздействует.
Устройство (рис. 6.12) работает следующим образом. При нажатии на клавишную головку 1 ярмо 2 с
магнитом 3 перемещается вдоль оси клавиши, уменьшая длину рабочего зазора. Когда она станет меньше
расстояния между краями торца магнита и внутренней поверхностью ярма, происходит изменение направления
замыкания основной части магнитного потока из зоны рассеяния в зону рабочего воздушного зазора и почти
весь магнитный поток начинает пронизывать магнитодиод 4. Усилие нажатия на клавишную головку, будучи
минимальным в начале хода, возрастает по мере сжатия пружины, а затем падает за счет взаимодействия
(притяжения) магнита 4 и якоря 5.
Постоянный магнит размером 5×5×4 мм изготовлен из феррита бария марки 16БА190, перепад магнитной
индукции в зазоре составляет не менее 0,2 Тл. Ресурс работы – не менее 106 циклов при скорости 10 нажатий
в 1 с [29].
Страница 278
Клавишные модули, реализованные с применением МУМ
Первые электронные кнопки с применением элементов Холла и магнитоуправляемых интегральных
микросхем были изготовлены фирмами Nucleonic Product и Honeywell в начале 80-х годов. В настоящее время
подавляющее большинство современных магнитоэлектронных клавишных модулей и клавиатур для ПЭВМ
выполняется с применением кремниевых магнитоуправляемых интегральных микросхем [10, 28, 37].
На рис. 6.13 приведен вариант конструкции бесконтактного клавишного модуля с беспружинным возвратом,
реализованный с использованием магнитоуправляемой микросхемы.
7
В такой конструкции (рис. 6.13) применяется магнитоуправляемая микросхема с инверсной характеристикой
переключения, которая при отсутствии магнитного поля соответствует положению «включено», а при
воздействии магнитного поля – положению «выключено».
Принцип действия такого клавишного модуля достаточно прост. При нажатии на головку модуля 1
подвижный магнит 3 пойдет вниз и встанет напротив зафиксированного магнита 4. Поскольку их полярность
противоположна, то результирующее магнитное поле в зазоре будет равно 0. В этот момент происходит
срабатывание микросхемы 7 и ее выходной сигнал будет соответствовать состоянию «включено». Если головку
модуля отпустить, подвижный магнит 3 оттолкнется от неподвижного магнита 4, головка вернется в исходное
положение и микросхема полем неподвижного магнита 4 будет приведена в первоначальное состояние –
«выключено».
Сигнал на выходе МУМ представлен в стандартной форме в виде логического 1 или 0 и без дребезга,
характерного для электромеханических систем. Схема легко согласуется с другими стандартными логическими
элементами [19].
С расширением использования персональных компьютеров практически во всех отраслях обороны, науки
и техники, в производстве и быту самым массовым потребителем бесконтактных клавишных модулей и блоков
становятся производители ПЭВМ и периферийных устройств, так как мировое производство ПК достигло
десятков миллионов комплектов в год.
Современные клавишные блоки (клавиатуры), применяемые в персональных компьютерах,
характеризуются следующими параметрами:
•
•
•
•
•
•
количество клавиш ………………….100–123;
рабочий ход ………………………….3,5–4,2 мм;
усилие нажатия ……………………...50–70 г;
напряжение питания ………………..5В±10%;
ток потребления …………………….200–50 мА (включая контроллер);
ресурс работы ……………………… (10–50) × 106 циклов.
Зарубежными фирмами выпускается широкая номенклатура клавиатур, в том числе и устройства на
магнитоуправляемых микросхемах.
В табл. 6.2 приведен перечень наиболее применяемых видов клавиатур для ПЭВМ и даны средние цены
на них.
Несмотря на относительно высокие цены, фирма Honeywell (США) продолжает использовать
магнитоуправляемые микросхемы в своих изделиях. Специалистами фирмы разработаны для этих целей два
типа (2SSP, 2SSP-6) малогабаритных высокочувствительных схем с индукцией срабатывания/отпускания 1,5/
1,1 мТл и –4/4 мТл.
Страница 279
Таблица 6.2. Перечень наиболее применяемых видов клавиатур для ПЭВМ и средние цены на них
Цена за 1 комплект
№ п/п
Тип клавиатуры для ПЭВМ
в долларах США
1
На магнитоуправляемых интегральных
100...200
2
На герконах
80...150 (средняя)
3
Емкостная
5...70
Индуктивная
50...60
4
5
Электромеханическая
20...60
6
Мембранная
40…50
7
На токопроводящей резине
20...30
Фирма Allegro специально для портативной клавиатуры разработала магнитоуправляемые интегральные
микросхемы серии А3210. Эти схемы рассчитаны на напряжение питания 2,5–3,3 В при токе потребления
менее 1 мА. При изготовлении микросхем применяются эпипланарная и КМОП технологии [54].
На основе новых МУМ фирма Honeywell выпускает унифицированные клавишные модули (Keyswitch
Modules) серии SD16. Модули выпускаются в двух модификациях: трехвыводные (Three-Terminal SD Module)
и четырехвыводные (Four-Terminal SD Module). С использованием модулей SD16 фирма Honeywell выпускает
несколько серий специализированных клавиатур, в том числе: 63SD30-4 (Microcomputer-based Keyboard), 26SD12 (Point-of-Sale Keyboard) и 12SD/16SD (Numeric Keyboards) [70]. Основные технические характеристики
клавишных модулей серии SD16 приводятся в главе 21.
Дальнейшее развитие рынка магнитоэлектронных бесконтактных клавишных модулей и блоков клавиатур
сдерживается сравнительно высокой стоимостью МУМ и значительным (2–5 мА) током потребления микросхем
в режиме ожидания. При наличии на одной панели до 123 клавиш указанные недостатки во многих случаях
являются определяющими конкурентоспособность изделий.
Одновременно с разработкой специальных микромощных МУМ и миниатюрных достаточно мощных
постоянных магнитов продолжаются поиски и новых конструктивных решений, позволяющих снизить
трудоемкость и стоимость изготовления самих клавиатур. На рис. 6.14 в упрощенном виде изображен один из
таких вариантов.
Ход
Головка
модуля
N
S
Печатная плата
Подвижный
магнит
Панель
Магнитоуправляемая
интегральная
схема
S
N
Постоянный
магнит
Рис. 6.14. Возможный вариант конструкции «группового» клавишного блока
В данной конструкции все магнитоуправляемые ИС блока размещаются на одной печатной плате вместе с
контроллером клавиатуры. Под каждой микросхемой располагаются микромагниты. Подвижная часть
клавиатуры представляет собой блок клавишных головок, размещенных на общей панели и тоже снабженных
миниатюрными постоянными магнитами. Магниты на головке модуля и под микросхемой повернуты друг к
другу одноименными полюсами, что позволяет использовать их в качестве возвратного механизма.
Совершенствование технологии изготовления МУМ с переходом на КНИ и КМОП процессы дает
возможность снизить потребляемый ток до 0,1–0,25 мА в режиме ожидания при одновременном снижении
стоимости микросхем до 10–15 центов за штуку, что способствует расширению сферы применения этих
устройств.
Страница 280
6.3. Бесконтактные переменные резисторы
Особую группу магнитоэлектронных устройств представляют бесконтактные переменные резисторы
(БПР).Эта группа электронных элементов с регулируемым сопротивлением по своему функциональному
назначению примыкает к классу переменных резисторов – элементов современной электронной техники,
предназначенных для регулировки напряжения и тока в электрических цепях.
Основным и принципиальным отличием БПР от других типов переменных резисторов является отсутствие
подвижного контакта, перемещением которого по поверхности резистивного слоя обычно регулируется
сопротивление или выходное напряжение данного устройства. В зависимости от схемы включения БПР часто
называют бесконтактными потенциометрами (Non-contact Potentiometer).
Магнитоэлектронные БПР – это электронные компоненты, у которых регулирование сопротивления или
выходного напряжения достигается воздействием на МЧЭ магнитного потока. В общем виде
магнитоэлектронный БПР представляет собой устройство, состоящее из магниточувствительного элемента и
связанного с ним источника управляющего магнитного поля. В необходимых случаях в конструкцию прибора
встраивается электронная схема усиления и предварительной обработки сигнала.
Магнитоэлектронные переменные резисторы относятся к группе позиционных регуляторов, когда
электрический режим управляющей цепи в процессе регулирования сопротивления остается неизменным, а
интенсивность управляющего воздействия на магниточувствительный элемент изменяется путем изменения
расположения МЧЭ относительно источника этого воздействия или промежуточных регулирующих элементов
конструкции. При этом вращательное или поступательное движение подвижной системы БПР сопровождается
изменением по определенному закону сопротивления МЧЭ или выходного напряжения.
Магнитоэлектронные переменные резисторы и потенциометры используются вместо традиционных
переменных резисторов с подвижным контактом при необходимости обеспечения высокой разрешающей
способности, малых шумов регулирования, высокой износоустойчивости и надежности.
а)
б)
1
γ
0,3
Магниторезистор
0,2
Полюс
магнита
0,1
4
φ,град
2
-60 -40
-20
Полюс
магнита
0
20
40
60
-0,1
-0,2
3
-0,3
Рис. 6.15. Магнитоэлектронный потенциометр, реализованный с применением магниторезисторного
моста: а – устройство; б – выходная характеристика: 1, 3 – выводы входа; 2, 4 – выводы выхода
потенциометра; (γ - коэффициент деления потенциометра)
Принцип действия магнитоэлектронного потенциометра простейшей конструкции проиллюстрирован на
рис. 6.15.а. В качестве управляемого элемента используется кольцевой магниторезистор с четырьмя сегментами,
включенными в схему моста. Управляющее магнитное поле формируется специальным двухполюсным
магнитом, жестко связанным с осью переменного резистора. При вращении магнита функциональная
характеристика прибора может иметь вид, приведенный на рис. 6.15.б
а)
б)
1
Рис. 6.16. Бесконтактный переменный резистор, выпускаемый фирмой Murata: а – устройство; б –
выходная характеристика: 1 – дифференциальный магниторезистор; 2 – постоянный магнит; 3 –
источник питания
Страница 281
На рис. 6.16. схематически показано устройство и принцип работы еще одного варианта бесконтактного
переменного резистора, выпускаемого фирмой Murata. В качестве управляемого элемента в этом приборе
используется дифференциальный магниторезистор 1. Управляющее магнитное поле формируется специальным
магнитом 2, жестко связанным с осью переменного резистора. При вращении магнита функциональная
характеристика прибора имеет вид, показанный на рис. 6.16б.
Принцип работы магнитоуправляемого переменного
2
резистора с линейной характеристикой поясняется на рис.
X
6.17, где дифференциальный магниторезистор 1 помещен
N
в постоянное и однородное поле, создаваемое между
b
полюсами постоянного магнита 2. Длина полюса магнита
a
c
L равна длине одного плеча дифференциального
2
магниторезистора. Если перемещать постоянный магнит
S
1
в направлении X, то сопротивление левого плеча
L
магниторезистора между точками a и b, то есть Ra-b, будет
уменьшаться, так как не вся площадь его поверхности
будет подвергнута действию магнитного поля.
В то же время сопротивление правого плеча
L
R
магниторезистора R b-c будет возрастать, так как все
Ra-b + Rb-c = const
большая часть его поверхности будет подвергаться
RВ
Rb-c = f(X)
действию магнитного поля. Когда полюсы магнита
окажутся в крайнем правом положении, R a-b будет
минимально, а Rb-c – максимально, при этом правое плечо
магниторезистора окажется полностью в магнитном поле,
а левое – полностью вне магнитного поля.
R0
Ra-b = f(X)
Если материал магниточувствительного элемента
X
0
однородный, а его ширина и толщина постоянны, то
Рис. 6.17. Принцип действия переменного изменения сопротивлений Ra-b и Rb-c от перемещения X
резистора с линейной характеристикой: 1 – имеют линейный характер. Отношение значений
дифференциальный магниторезистор; 2 – полюса сопротивлений Ra-b и Rb-c в зависимости от перемещения
полюсов X при L > 0 определяется следующим
постоянного магнита
выражением [29]:
(6.1)
где R0 – сопротивление плеча магниторезистора вне магнитного поля;
RВ – сопротивление плеча магниторезистора при воздействии магнитного поля.
Конструктивная реализация приведенного принципа построения шнекового бесконтактного переменного
резистора показана на рис. 6.18.
а)
Страница 282
В воздушном зазоре магнитной цепи (рис. 6.18.а) помещен дифференциальный магниторезистор 1.
Управляющий магнитопровод 2 из ферромагнитного материала выполнен в виде одновиткового шнека, у
которого ширина поверхности L равна длине одного плеча магниторезистора. При вращении вала 3 магнитный
поток будет перемещаться от одного плеча магниторезистора к другому пропорционально углу поворота, то
есть будет установлена линейная зависимость между углом поворота α и изменением сопротивления
магниточувствительного элемента.
На рис. 6.18.б приведена зависимость изменения сопротивлений плеч Ra-b и Rb-c магниторезистора от угла
поворота. Рабочий диапазон угла поворота равен 0–270º, причем сопротивление каждого плеча
магниторезистора изменяется примерно от 15 до 85% суммарного значения этих сопротивлений. В принципе,
можно придать вращающемуся магнитопроводу 2 такую форму, чтобы зависимость магнитного потока от
угла поворота имела синусоидальный, трапецеидальный или логарифмический закон изменения сопротивления.
В некоторых случаях технического применения магнитоэлектронных бесконтактных переменных резисторов
в качестве выходного параметра желательно иметь не сопротивление, а ток или напряжение. Тогда удается
избежать влияния изменения сопротивления подводящих проводов, а также снизить уровень помех. В таком
случае могут использоваться бесконтактные резисторы с электронной схемой управления. Структурная схема
бесконтактного переменного резистора с электронной схемой управления приведена на рис. 6.19.
а)
б)
I ,мА
ВЫХ
Вариант 1
20
+
-
15
B
R1
B
R2
Усилитель RН
Выход
UП
Стабилизированный
источник
питания
10
5
Вариант 2
α,град
-20 -10
0
10 20 30 40 50
Рис. 6.19. Бесконтактный магнитоуправляемый резистор с электронной схемой управления: а –
структурная схема; б – характеристика
Принцип действия бесконтактного переменного резистора с электронным управлением достаточно прост.
Напряжение питания подается на стабилизатор напряжения, который питает управляемый элемент данного
устройства (например, дифференциальный магниторезистор) постоянным напряжением. Напряжение,
снимаемое с делителя, образуемого плечами магниторезистора, подается на вход операционного, или
инструментального, усилителя, на выходе которого при вращении вала в рабочем диапазоне углов возникает
токовый сигнал от 0 до 20 мА. По желанию за счет соответствующих переключений на выходе потенциометра
можно получить выходную характеристику по варианту 1 или 2 (см. рис. 6.19).
Зарубежными фирмами выпускается широкая номенклатура магнитоэлектронных бесконтактных
переменных резисторов и потенциометров. Ведущими производителями таких приборов являются фирмы
Murata и Siemens.
Потенциометры фирмы Siemens снабжены шариковыми подшипниками, благодаря чему требуемый момент
вращения в зависимости от вида уплотнения выходного вала лежит в пределах от 0,5 до 2 Н×см. Вал
потенциометра не имеет механического ограничителя, то есть может непрерывно вращаться (допустимая частота
вращения до 3000 об/мин, при этом гарантируется 100 млн. циклов работы). Усредненные габариты
потенциометров с усилителями: длина (включая вал) – 80 мм, диаметр – 60 мм, масса – до 150 г.
На рис. 6.20 показан внешний вид магнитоэлектронного бесконтактного потенциометра типа FP310L 100,
выпускаемого фирмой Siemens.
Корпус
Выходной
разъём
∅ 51
Рис. 6.20. Внешний вид бесконтактного
потенциометра FP310L 100, выпускаемого
фирмой Siemens
∅ 60
Вал
52,5
70,5
FP310L 100
Страница 283
Магнитоэлектронные потенциометры при отсчете значения угла не имеют неточностей, связанных со
скачками изменения сопротивления, как это бывает в обычных проволочных сопротивлениях. Отсутствие
трущегося токосъемника снижает необходимый для поворота вала вращающий момент, исключает возможность
искрообразования и предотвращает быстрый механический износ.
Эти свойства делают весьма эффективным использование бесконтактных потенциометров в качестве
задатчиков исходных величин в устройствах управления, аналоговых решающих устройствах, устройствах
автоматического контроля, различного рода датчиках угла поворота, положения и т.п. [29, 31, 59, 62, 63, 64].
Основные параметры и внешний вид магнитоэлектронных бесконтактных переменных резисторов,
выпускаемых фирмами Murata, Siemens и др., приводятся в главе 22 тома 2.
6.4. МЭУ для определения направления вектора магнитного поля
Магнитоэлектронные устройства для определения направления вектора магнитной индукции используются
в различных отраслях науки и техники. Однако наибольшее распространение такие устройства получили при
создании различных приборов, предназначенных для регистрации магнитного поля Земли (МПЗ) и
ориентирования различной аппаратуры на плоскости и в пространстве относительно направления МПЗ.
Для понимания принципов ориентирования по магнитному полю Земли ниже приведем некоторые основные
понятия.
Магнитное поле Земли
Его часто называют и геомагнитным (ГМП).Магнитное поле Земли (МПЗ) в каждой точке пространства
характеризуется вектором напряженности Т, направление которого определяется тремя составляющими X, Y,
Z – северной, восточной и вертикальной составляющей – в прямоугольной системе координат (рис. 6.21.а)
или тремя элементами Земли: горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D
(угол между Н и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (угол между Т и
плоскостью горизонта). Географический
меридиан
X
Геомагнитный
меридиан
H
N
D
I
Y
Географическая
параллель
Bp
Bp
Βφ
T
Z
S
К центру Земли
Рис. 6.21. Составляющие магнитного поля Земли
Земной магнетизм обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь
медленные вековые изменения (вариации), и внешних – переменных – источников,расположенных в магнитосфере Земли и
ионосфере.
Соответственно различают основное постоянное (~ 90%) и переменное (порядка 1%) геомагнитные поля.
Основное постоянное геомагнитное поле.
Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля измеренные в разных местах значения
H, D, I наносят на специальные карты, которые называются магнитными картами Земли, и соединяют линиями точки равных
значений элементов [12, 15, 25]. Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами, изоклинами.
Линия изоклина I = 0, то есть магнитный экватор, не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты
значение I возрастает до 90° в магнитных полюсах. Полная напряженность Т от экватора к полюсу растет от 33,4 до 55,7 А/
м (от 0,42 до 0,7 э или от 42 до 70 мкТл).
Координаты северного магнитного полюса, (например, на 1970 год): долгота – 101,5° западной долготы, широта – 75,7°
северной широты; южного магнитного полюса: долгота – 140,3° восточной долготы, широта – 65,5° южной широты.
Сложную картину распределения геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем диполя
(эксцентричного, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км) или однородного намагниченного шара,
магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли.
Страница 284
Полюсы геомагнитные – полюсы однородно намагниченного шара – и полюсы магнитные задают соответственно систему
геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный, экватор геомагнитный) и магнитных координат
(широта магнитная, меридиан магнитный).
Следует отметить, что понятия северный магнитный полюс и северный магнетизм, южный магнитный полюс и южный
магнетизм не совпадают. Северный магнитный полюс Земли включает понятие южного магнетизма, а южный магнитный
полюс – северного. (Подробнее см. [12, 25].)
Магнитные аномалии
Отклонения действительного распределения геомагнитного поля от дипольного (нормального) называют магнитными
аномалиями.
Материковое магнитное поле Земли имеет среднюю напряженность Н около 0,45 э. Однако на земном шаре существуют
области магнитных аномалий, где напряженность магнитного поля может превышать среднюю в 2–3 раза. Обычно сильные
магнитные аномалии связываются с залежами магнетитовых (FeO, Fe2O3) и титаномагнетитовых (примеси TiO2) руд, с
залежами других пород, обогащенных магнетитом, с некоторыми пирроктиловыми (FeS) месторождениями. Примерами
таких аномалий являются Кривой Рог, Кольские аномалии, аномалии на Урале и т.п.
Наиболее сильной аномалией на земном шаре является аномалия в районе г. Курска и Белгорода, получившая
наименование Курской магнитной аномалии (КМА). Напряженность поля КМА (вертикальная составляющая) достигает
здесь 1,5–1,91 э. Эта аномалия объясняется наличием большого рудного теля под поверхностью Земли.
Практическое использование явления земного магнетизма
Известным примером использования явления земного магнетизма является изобретение компаса.
Простейший компас представляет собой круглую коробку из немагнитного материала, в центре которой на
остром основании (например, на игле) установлена магнитная стрелка. Она располагается в плоскости
магнитного меридиана в направлении север–юг. Точность определения направления простым компасом
составляет 2–5°. Точность показаний современных судовых магнитных компасов в средних широтах и при
отсутствии качки достигает 0,3–0,5° [15].
К недостаткам магнитного компаса относится необходимость внесения поправки в его показания на
несовпадение магнитного и географического меридианов (необходимость учитывать магнитное склонение) и
поправки на девиацию – вращение Земли. Вблизи магнитных полюсов Земли и крупных магнитных аномалий
точность показаний магнитного компаса резко снижается, в этих районах приходится пользоваться компасами
других типов.
Однако ни один из известных компасов (магнитный, радиокомпас, радиополукомпас, гирокомпас,
гирополукомпас и т.п.) не могут обеспечить точного определения азимута во всех районах Земли при любой
погоде, различных состояниях магнитосферы и радиопомехах. В связи с этим в морском и военном деле, в
авиации применяют совместно компасы различных типов, на основе которых создают единые, комплексные,
курсовые системы. Следует, однако, отметить, что точное определение положения объектов на поверхности
Земли и в пространстве представляет собой сложную техническую задачу, которая решается при помощи
магнитометрических систем контроля пространственного положения (МСКПП) с учетом многих факторов
[9].
Другим важным направлением использования явления земного магнетизма является поиск и обнаружение
полезных ископаемых, в первую очередь, железной руды по аномалиям магнитного поля Земли.
В данной главе будут рассмотрены простые устройства, предназначенные для определения направления
вектора магнитной индукции с точностью, достаточной для практического непрофессионального применения.
6.4.1. Принципы определения направления вектора магнитного поля Земли
На практике определение направления вектора магнитного поля Земли H сводится к измерению
напряженности двух его составляющих HX и HY (рис. 6.22) с дальнейшим вычислением угла φ.
X
H
HX
φ
Y
HY
Рис. 6.22. Разложение вектора магнитного поля Земли на составляющие
Страница 285
Угол φ в этом случае определяется по формуле:
(6.2)
Следует отметить, что значения напряженности магнитного поля, определенные датчиком МП, могут
колебаться как по амплитуде ∆H и по постоянной составляющей HY0 и HX0.
С учетом этого уравнение (6.2) принимает следующий вид:
(6.3)
Как правило, для определения ориентации на плоскости используют не менее двух преобразователей
магнитного поля. При этом их магниточувствительные элементы располагаются перпендикулярно друг к другу.
Один датчик МП регистрирует HX другой – HY.
,
Так как абсолютные значения синуса и косинуса угла φ* равны при 45°, то вычисления производят только
в этой области. Если предположить, что погрешность измерения H составляет 1%, то при угле 45º получают
максимальное отклонение 1,1º [75]. Этот угол может быть больше, чем ошибка стрелочного компаса. Для
достижения необходимой точности при определении направления менее 1% в работе [75] были сформулированы
следующие требования к измерительной системе, предназначенной для определения вектора МПЗ:
•
•
•
отклонение амплитуды смещения не должно превышать 1% от максимального значения;
диапазон измерений должен составлять от 20 до 100 А/м (от 0,25 до 1,25 гс или от 0,025 до 0,125 мТл);
один датчик должен определять только одну составляющую поля в направлении измерения.
Приборы, создаваемые для таких целей, часто называют ориентационными датчиками.
6.4.2. Выбор преобразователя магнитного поля
При разработке аппаратуры и приборов для определения параметров магнитного поля Земли большое
значение имеет выбор типа преобразователя магнитного поля.
Для измерения параметров МПЗ наиболее широко используются такие ПМП, как тонкопленочные
магниторезисторы, высокочувствительные элементы Холла, магнитоиндуктивные датчики и миниатюрные
феррозонды (см. рис. 6.23). Основные параметры и характеристики указанных преобразователей приведены в
главах 2 и 10. Ниже будут рассмотрены только те типы ПМП, которые специально предназначаются для
определения параметров МПЗ и использования в навигационной аппаратуре и приборах.
Феррозондовые
датчики
Магнитоиндукционные
датчики
Специальные
тонкоплёночные
магниторезисторы
Высокочувствительные
элементы Холла
Наиболее распространенные
типы преобразователей магнитного
поля, используемые для определения
направления на источник магнитного
поля
Рис. 6.23. Наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля, используемых для
определения параметров магнитного поля Земли
Страница 286
В табл. 6.3 приведены сравнительные параметры и характеристики преобразователей магнитного поля,
применяемых для определения параметров магнитного поля Земли.
Выбор типа ПМП осуществляется с учетом требуемых параметров и характеристик разрабатываемой
аппаратуры, условий ее эксплуатации и целого ряда экономических факторов. Основное требование,
предъявляемое к ПМП, предназначенным для этих целей, – это высокая и явно выраженная координатная
магнитная чувствительность. При выборе ПМП особое внимание должно уделяться изучению их
ориентационных характеристик (см. главу 2).
Таблица 6.3. Основные параметры наиболее распространенных преобразователей магнитного поля,
используемых для регистрации магнитного поля Земли
Основные параметры
Компактность, высокая надежность, широкий
динамический диапазон.
Удовлетворительная магнитная
чувствительность.
Малая постоянная времени.
Хорошая ориентационная характеристика.
Хорошее сопряжение с электроникой.
Широкий диапазон рабочих температур от -260
до +150°С.
Высокая стоимость.
30…90
Компактность и высокая надежность.
Высокая магнитная чувствительность.
Интегральная технология, совмещенная с
компенсационной и модулирующей катушками.
Малая постоянная времени.
Хорошая ориентационная характеристика.
Хорошее сопряжение с электроникой.
Диапазон рабочих температур от -40 до +85°С.
Ограниченный динамический диапазон
Сравнительно низкая стоимость
1…5
Компактность и высокая надежность.
Высокая магнитная чувствительность.
Малая постоянная времени.
Хорошее сопряжение с электроникой.
Хорошая ориентационная характеристика.
Диапазон рабочих температур от -20 до +70°С.
Ограниченный динамический диапазон
Низкая стоимость
5…50
Очень высокая магнитная чувствительность.
Удовлетворительная ориентационная
характеристика.
Сравнительно большие размеры.
Ограниченный динамический диапазон.
Невысокая механическая прочность,
невозможность работы в условиях вибраций и
тряски.
Значительная инерционность.
Сложность сопряжения с электроникой.
Диапазон рабочих температур от -10 до +70°С.
Значительная трудоемкость и высокая стоимость
Страница 287
6.4.3. Магнитные датчики на основе тонкопленочных магниторезисторов
Для определения параметров магнитного поля Земли и определения вектора направления магнитной
индукции наибольшее распространение получили специализированные типы тонкопленочных
магниторезисторов (см. главы 2 и 10. т.2).
Магниторезисторные мосты серии KMZ10
Тонкопленочные магниторезисторные мосты серии KMZ10 выпускаются несколькими зарубежными
фирмами. Они характеризуются высокими магнитоэлектрическими параметрами при сравнительно невысокой
стоимости.
Преобразователь магнитного поля типа KMZ10 состоит из четырех тонкопленочных магниторезисторов,
расположенных на одной кремниевой подложке и соединенных в мостовую схему (рис. 6.24).
KMZ10
а)
R2
+
б)
-
Uп
X
+∆R2
R3 -∆ R3
R2
R3
UВЫХ
R1
-
R4 +∆R2
-∆ R1 R1
+
R4
Uп
Y
Рис. 6.24. Магниторезисторный мост типа KMZ10: а – расположение магниточувствительных
элементов; б – электрическая схема
Относительная магнитная чувствительность магниторезисторных мостов серии KMZ10, выпускаемых
фирмой Philips, составляет 1–27 (мкВ/В)/(А/м); напряжение питания датчика – 5–10 В при токе потребления
не более 10 мА.
Датчик размещается в стандартном пластмассовом корпусе габаритами 5,2×4,8×1,8 мм. Диапазон рабочих
температур для датчиков серии KMZ10 составляет от –40 до +150 °С [32]. Основные параметры и характеристики
мостов KMZ10 приведены в главе 10 тома 2.
Все включенные в мост магниторезисторы активны, а изменения их сопротивлений в смежных плечах
противоположны по знаку при воздействии магнитного поля одной полярности (рис. 6.24б). При этом изменение
сопротивления плеч зависит как от значения и полярности индукции воздействующего поля, так и от угла
между вектором индукции и плоскостью магниточувствительного элемента. Преобразователь обладает
координатной чувствительностью относительно плоскостей X и Y.
Следует, однако, учитывать, что за счет воздействия внешнего «сильного» поля в Х направлении
навигационный пеленг (азимут) может изменять полярность для всех магниторезисторов, что приводит к
перемене знака выходного напряжения UВЫХ мостовой схемы. Если это поле сохраняется в процессе измерения,
то оно ухудшает чувствительность прибора.
Кроме того, так как сопротивления магниторезисторов нельзя точно подогнать при изготовлении, то
необходимо учитывать и напряжение смещения UВЫХ «0», величина которого, как правило, гораздо больше, чем
ожидаемое регистрируемое напряжение. Все эти параметры датчика имеют значительный разброс и сильно
зависят от температуры.
При проектировании аппаратуры эти источники погрешностей могут быть устранены различными
способами. Некоторые из них будут рассмотрены в настоящей главе.
Тонкопленочные магниторезисторы серии Micromag
Фирма Space Electronics (США) разработала интегральный магнитный датчик типа MMS101 (Micromag),
предназначенный для использования в высокочувствительных магнитометрах и навигационных приборах.
Устройство этого датчика показано на рис. 6.25, а на рис. 6.26 приведена его электрическая схема [41].
Страница 288
Компенсационная
смещения
Магниточувствительный
элемент
Основание
датчика
Подложка
Магниточувствительный
элемент
Конце
нтрато
р
Вывод МЧЭ
Z
Y
Терморезистор
Конце X
нтрато
р
Вывод МЧЭ
Рис. 6.25. Устройство датчика типа MMS101
Компенсационная катушка
Магниторезистор
В качестве магниточувствительного элемента датчика типа
MMS101 использован тонкопленочный магниторезистор. Для
4
13
повышения координатной чувствительности прибора МЧЭ снабжен
двумя миниатюрными концентраторами магнитного поля, состоящими
B
из двух пермаллоевых полосок. В непосредственной близости от МЧЭ
12
размещается миниатюрный терморезистор, имеющий ТКС, обратный
по знаку температурному коэффициенту МЧЭ. Магниточувствительный
элемент вместе с концентратором и терморезистором размещаются
6
внутри микроминиатюрной катушки, обеспечивающей компенсацию
«паразитного» магнитного поля.
t
Порог чувствительности магниторезисторов серии MMS101
составляет 0,135 нТл при отношении сигнал/шум, равном 1.
8
3
Напряжение питания датчика – 1–2,5 В при токе потребления не более
Терморезистор
8 мА. Датчик размещается в пластмассовом корпусе типа DIP-14
габаритами 7,8×21,1×4,3 мм. Диапазон рабочих температур для датчика Рис. 6.26. Электрическая схема
находится в пределах от –25 до +100 °С.
прибора типа MMS101 (Micromag)
Основные параметры и характеристики магниторезисторов серии MMS101 приведены в главе 24 тома 2.
Магниторезисторные микросхемы серии НМС
Фирмой Honeywell выпускается серия НМС гибридных магниторезисторных микросхем, предназначенных
для использования в навигационной аппаратуре. В состав серии входят несколько типов изделий: HMC 1001,
HMC 1002, HMC 1021, HMC 1022, НМС 2002 и НМС 2003. Основные параметры и характеристики приборов
данной серии приведены в главе 24 [56, 67, 73, 74].
На рис. 6.27 приведена топология магниторезисторного моста серии НМC. Основу этих приборов составляет
тонкопленочный магниторезисторный мост, напыленный на кремниевую подложку. На этой же подложке
размещены две тонкопленочные катушки. Одна из них LКОМ предназначена для компенсации «паразитного»
магнитного поля и выбора рабочей точки моста, другая LСМ – для модуляции сигнала (см. рис. 6.27). Все
устройство размещается в стандартном пластмассовом корпусе ИС.
Рис. 6.27. Топология магниторезисторного моста серии
НМC
Страница 289
Приборы HMC 1001, HMC 1002, HMC 1021, HMC 1022, НМС 2002, НМС 2003 отличаются количеством
элементов в одном корпусе и уровнем магнитоэлектрических параметров. Основные параметры и
характеристики магниторезисторов серии НМС приведены в главе 24.
Магнитная чувствительность магниторезисторных микросхем серии НМС составляет 10–30 (мВ/В)/мТл.
Напряжение питания датчика – 1–12 В при токе потребления не более 10 мА. Датчики размещаются в
пластмассовых корпусах с габаритами от 5×4×1,8 до 7,8×21,1×4,3 мм. Диапазон рабочих температур для
датчиков находится в пределах от –40...+85 до –55...+125 °С.
б)
RB
6
Общ. 4
-UВЫХ 8
-
A
RB
Общ.1 1
Общ.2 6
LСМ
3 -S/R
-UВЫХ”А” 5
+UП 11
RB
RB
+UВЫХ”В” 9
B
RB
Обш.1 8
Общ.2 13
-UВЫХ”В”
3
-
16
+S/R
20
-S/R
15
+
L СМ
L КОМ
10
RBХ = 700...1300 Ом
RB
Рис. 6.28. Электрические схемы магнитных
датчиков: а – типа НМС 1001; б – типа НМС 1002
+
RBХ = 700...1300 Ом
RB
1 +S/R
1,45...1,75 Ом
RB
+UВЫХ”А” 2
LКОМ
RB = 700...1300 Ом
RB
+
17
LКОМ
2,9...3,5 Ом
+UВЫХ 5
2,9...3,5 Ом
RB
2
RB
RB
14
1,45...1,75 Ом
HMC1001
UП 7
2,9...3,5 Ом
+UП
HMC1002
4
1,45...1,75 Ом
а)
+S/R
L СМ
7 -S/R
12
(Рег.Х)
UВЫХ”X”
(Рег.Y)
UВЫХ”Y”
(Рег.Z)
UВЫХ”Z”
UОП..
UСМ..
+S/R
-S/R
На рис. 6.28.а приведена электрическая схема датчика типа НМС 1001. Он предназначен для регистрации
магнитного поля, направленного вдоль одной оси (X или Y). Датчик содержит один магниторезисторный
мост и две катушки. Одна из них предназначена для компенсации «паразитного» магнитного поля и выбора
рабочей точки, другая – для модуляции сигнала. Вся конструкция размещается в стандартном пластмассовом
корпусе типа SIP-8 с максимальными габаритами 10,3×7,5×2,4 мм.
На рис. 6.28.б приведена электрическая схема датчика типа НМС 1002, который отличается тем, что в нем
размещается два комплекта тонкопленочных элементов, имеющихся в приборе НМС 1001. Прибор позволяет
производить регистрацию магнитного поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях, по осям X и Y.
Вся конструкция прибора НМС 1002 размещается в стандартном пластмассовом корпусе типа DIP-20 с
максимальными габаритами 12,8×7,5×2,4 мм.
4
7
15
14
3
6
8
13
1
17
X
Z
Y
RX
RY
Vref
RZ
-
5
+
LКОМ.”Y”
16
-
HMC2003
20
+
LКОМ.”Z”
19
-
12
11
9
10
+UП
18
Общ.
+
LКОМ.”Х”
LСМ
UП.М.
2
-
UП.М.
+
Рис. 6.29. Упрощенная электрическая схема магнитного датчика типа НМС 2003
Страница 290
На рис. 6.29 приведена упрощенная электрическая схема датчика типа НМС 2003. Магнитный датчик
НМС 2003 является более сложным магнитоэлектронным устройством. В его конструкции, выполненной в
виде гибридной микросхемы, размещаются по одному датчику типа НМС 1001 и НМС 1002 и четыре
операционных усилителя, предназначенных для предварительного усиления сигнала. Этот прибор позволяет
производить измерение магнитного поля в трех взаимно перпендикулярных направлениях, по осям X, Y, Z.
Внешний вид датчика НМС 2003 приведен на рис. 6.30. Все элементы прибора размещаются на миниатюрной
керамической плате с максимальными габаритами 25,5×19,2×12,5 мм.
Рис. 6.30. Внешний вид датчика НМС 2003
Магнитный датчик НМС 2002 тоже выполнен в виде гибридной микросхемы. Он содержит два
магниторезисторных моста и два комплекта операционных усилителей. Этот прибор предназначен для
измерений параметров магнитного поля в трех взаимно перпендикулярных направлениях, по осям X, Y и Z.
6.4.4. Ориентационные датчики с применением магниторезисторов
Простейшие варианты устройств для определения вектора магнитного поля
На рис. 6.31 приведена схема простейшего магнитометра с использованием магниторезисторного датчика
типа MMS101. Магнитометр имеет достаточно острую ориентационную характеристику[41].
Рис. 6.31. Схема простейшего магнитометра на основе датчика MMS101, рекомендованная фирмой
Space Electronics
В качестве основного активного элемента в схеме (рис. 6.31) использован малошумящий инструментальный
усилитель типа AMP-04, выпускаемый фирмой Analog Devices.
Магниторезистор R8 включен в мост, образованный резисторами R1, R2, R3, R9+R6. При этом
терморезистор R9 служит для компенсации изменения сопротивления магниторезистора R8 при изменении
температуры окружающей среды.
Страница 291
Сопротивление резистора R6 выбирается из следующего отношения:
(6.4)
где αД – температурный коэффициент магниторезистора R8 (0,24% на 1 ºC);
αТД – температурный коэффициент терморезистора R9 (0,3% на 1 °С);
αR – температурный коэффициент резистора R6.
В качестве резисторов R2 и R6 используются проволочные многооборотные подстроечные резисторы
типа СП5-3 (ТКС – 0,05% на 1 °С), а в качестве конденсаторов С1 и С2 – керамические конденсаторы с малым
током утечки и малым ТКС. «Паразитное» магнитное поле компенсируется подачей соответствующего
напряжения на катушку смещения (выводы 3, 4).
Вместо инструментального усилителя АМР-04 лучше использовать интегральную микросхему типа INA118P, производимую фирмой Born Brawn. Этот усилитель отличается минимальным током потребления (менее
0,5 мА) и меньшим уровнем напряжения собственных шумов [21, 43, 57].
По утверждению фирмы Space Electronics, такой магнитометр регистрирует магнитные поля в диапазоне
от 0,135 до 65×103 нТл и может использоваться в навигационных приборах [41].
На рис. 6.32 приведена схема простейшего определителя направления на локальный источник магнитного
поля. Определитель направления реализован с применением двух отечественных тонкопленочных
магниторезисторов типа Ав-2, без концентратора [8].
Рис. 6.32. Электрическая схема простейшего определителя направления на локальный источник магнитного
поля, реализованного с применением тонкопленочного магниторезистора типа Ав-2
Датчик магнитного поля (рис. 6.33) состоит из двух магниторезисторов (R1, R2), размещенных на массивном
(толщиной 5 мм) медном основании с целью компенсации быстрых изменений температуры и, следовательно,
теплового дрейфа параметров МЧЭ.
Магниторезистор 1
Магниторезистор 2
Поворотный
магнит
Рис. 6.33. Датчик магнитного поля: а –
схема размещения магниторезисторов; б –
компенсирующий (поворотный) магнит
N
S
Подложка - теплоотвод
Вместе с подстроечным резистором R3 (рис. 6.32) датчик представляет собой измерительный мост
постоянного ток. Резистор R3 служит для начальной балансировки моста. Точную магнитную балансировку
моста выполняют поворотом миниатюрного постоянного магнита (рис. 6.33б), размещенного вблизи одного
из магниторезисторов. Ручка поворота магнита выводится на лицевую панель устройства.
При изменении направления магнитного поля происходит разбаланс моста R1, R2, R3 и на его выходе
появляется сигнал разбаланса, поступающий на вход операционного усилителя DA1. С выхода усилителя DA1
сигнал поступает на светодиод оптрона U1, что вызывает изменение сопротивление фоторезистора.
Фоторезистор, в свою очередь, входит в состав второго моста, образованного резисторами R7–R10. Напряжение
в диагонали этого моста измеряется транзисторным милливольтметром (VT1.1, VT1.2, PA1). Таким образом,
показания микроамперметра РА1 регистрируют напряженность и направление магнитного поля.
Страница 292
Знак отклонения стрелки прибора соответствует знаку изменения полярности магнитного поля.
Применение оптрона U1 связано с тем, что в этом случае за счет гальванической развязки значительно
упрощается процесс симметрирования выходного сигнала. До монтажа устройства снимается выходная
характеристика оптрона с целью выявления линейного участка. Затем подстроечным резистором R5
устанавливается рабочая точка на середине линейного участка.
В качестве подстроечных резисторов R3, R5, R7, R14 использованы проволочные многооборотные
потенциометры типа СП5-3. Переменным резистором R4 регулируют чувствительность устройства. Этот
резистор спарен с выключателем питания, его ручка выведена на переднюю панель. Номинальное сопротивление
резистора R16 подгоняют при выборе пределов измерения прибора. В качестве измерительного прибора РА1
применяется микроамперметр типа М247 с током полного отклонения 50–0–50 мкА.
Определитель направления питается от батареи типа «Крона». Он размещается в пластмассовом корпусе
габаритами 85×70×30 мм. Масса прибора в не превышает 100 г.
Точность прибора невысока, но при его помощи можно демонстрировать принцип определения направления
магнитного поля Земли. Этот прибор может использоваться и для обнаружения скрытой проводки.
Магнитную чувствительность описанного устройства можно значительно улучшить, если вместо
дискретных магниторезисторов Ав-2 использовать тонкопленочный магниторезисторный мост из серии KMZ10.
На рис. 6.34 приведена конструкция магнитного датчика направления с использованием моста типа KMZ10.
Мост размещается внутри компенсационной катушки и закрепляется в ней при помощи эпоксидного компаунда.
Компенсационная
катушка
Мост KMZ10
1
HX
2
HY
Измеряемое
поле
3
Рис. 6.34. Устройство магнитного датчика с мостом
KMZ10
4
Компенсационная катушка содержит 800–1000 витков провода диаметром 0,07–0,1 мм. Сопротивление
катушки – 50–150 Ом. Питание катушки осуществляется от отдельного источника питания с напряжением ±2
В. При этом принципиальная электрическая схема (рис. 6.32) прибора меняется незначительно. Магнитная
балансировка прибора осуществляется в этом случае не постоянным магнитом, а переменным резистором R2.
Общ.
-2 B
Рис. 6.35. Измененная электрическая схема простейшего определителя направления
Магнитная чувствительность измененного устройства (рис. 6.35) вполне достаточна для определения
направления МПЗ по одной из осей – X или Y. Недостатком данного устройства является заметная зависимость
основных параметров от изменения температуры окружающей среды.
Страница 293
6.4.5. Варианты устройств для определения вектора МП, реализованных с
использованием принципа квазимодуляции
Сопротивление магниторезисторов, соединяемых в мостовую схему, нельзя точно подогнать при их
изготовлении. Это вызывает увеличение начального напряжения смещения моста Uсм0, величина которого, как
правило, гораздо больше, чем ожидаемое регистрируемое напряжение. Все эти параметры датчика имеют
значительный разброс и сильно зависят от температуры.
При проектировании навигационной аппаратуры эти источники погрешностей могут быть устранены
различными способами. Одним из наиболее применяемых способов является принцип квазимодуляции
магнитного потока, воздействующего на преобразователь магнитного поля. Для этого применяется
вспомогательный источник магнитного поля, в качестве которого могут использоваться специальные катушки
смещения, встраиваемые непосредственно в преобразователь магнитного поля или размещаемые снаружи
ПМП.
Принцип квазимодуляции показан на рис. 6.36. Модуляция магнитного потока осуществляется путем подачи
на вспомогательный источник магнитного поля импульсов тока различной полярности, что соответственно
приводит к изменению полярности магнитного поля, воздействующего на ПМП.
Катушка
смещения
Катушка
смещения
Преобразователь
магнитного
поля
UГЕН.
UГЕН.
S
N
N
Преобразователь
магнитного
поля
S
Рис. 6.36. Иллюстрация принципа квазимодуляции
Примером технической реализации указанного принципа может служить конструкция магнитного датчика,
приведенная на рис 6.37. В данной конструкции магниторезисторный мост (например, KMZ10) размещается
внутри катушки смещения.
IКАТ
Катушка
смещения
IКАТ
MR-мост
Ток
Поляризация
UВЫХ
MX
HX
UВЫХ
HY
Смещение
UВЫХ
2UМ
HY
Смещение
UСМ
а)
MX
б)
Время
в)
Рис. 6.37. Иллюстрация принципа действия датчика с квазимодуляцией магнитного потока: а –
конструкция датчика; б – эпюры тока через катушку смещения и напряжения на выходе датчика; в –
напряжение на выходе MR моста
Принцип работы такого устройства можно объяснить следующим образом.
На обмотку катушки смещения подаются двухполярные импульсы тока прямоугольной формы, что приводит
к воздействию на МЧЭ двухполярного магнитного поля и появлению соответствующих сигналов на выходе
моста. Так как постоянная составляющая зависит только от напряжения питания моста, то она никакого
воздействия не оказывает.
Измеряемое напряжение пульсирует (рис. 6.37б) и может изменять полярность. При помощи специальных
схем фиксируют пиковые значения выходных сигналов, а затем эти значения вычитают друг из друга. Такая
конструкция предполагает передачу и усиление постоянных напряжений.
Чтобы рабочий диапазон магнитоэлектронного устройства был достаточно большим, нужно регулировать
усиление измерительного тракта в широких пределах. Технически возможно сконструировать два идентичных
усилителя постоянного тока, но не удается гарантировать одинаковые характеристики во всем рабочем
диапазоне. Если оба сигнала проходят через один усилитель, то эту проблему можно решать путем демодуляции.
Демодуляция сигнала обычно осуществляется звеном, электрическая схема которого приведена на рис.
6.38.
Страница 294
+UП
HX
4
HY
1
KMZ10A1
3
+
C
ОУ
-
2
Sw2
Выход
Sw1
Общий
Рис. 6.38. Упрощенная схема компенсации напряжения смещения и демодуляции сигнала
Схема (рис. 6.38) работает следующим образом. При одном из полупериодов конденсатор С на выходе
усилителя через ключ Sw1 замыкается на корпус ОУ, при этом он перезаряжается на существующий потенциал.
При переключении направления ключ Sw1 размыкается, ключ Sw2 замыкается и удвоенный сигнал 2UМ поступает
на выход. Такая схема компенсирует колебания параметров узлов, в том числе начальное постоянное смещения
UСМ.
Так как динамический диапазон тонкопленочных магниторезисторов относительно мал, то часто возникает
необходимость компенсации «паразитного» магнитного поля, величина индукции которого выходит за пределы
динамического диапазона. Такая компенсация производится путем подачи постоянного напряжения
определенной полярности непосредственно на катушку смещения.
Функциональная схема входного устройства для определения направления на источник магнитного поля с
использованием модуляции и компенсации приведена на рис. 6.39. Схема не требует особых пояснений [38].
Генератор
LСМ
MR-мост
Модулятор
Предусилитель
и схема компенсации
смещения
Фазочувствительный
демодулятор
Выход
LКОМ
Регулятор
тока
Рис. 6.39. Упрощенная функциональная схема входного устройства для определения направления на
источник магнитного поля
Страница 295
Простое 2-координатное магнитоэлектронное устройство для определения вектора
магнитного поля
Конструкция магнитоэлектронного устройства приведена на рис. 6.40. В данном МЭУ используется 2координатный ориентационный магнитный датчик, который содержит два моста типа KMZ10. Мосты
располагаются перпендикулярно друг другу и закрепляются внутри одной катушки смещения.
Катушка
смещения
HX
0,5
HY
Мост 1
Мост 2
HY
HX
Рис. 6.40. Конструкция магнитного
датчика с использованием двух
мостов КMZ10 и катушки смещения
Катушка смещения содержит 100 витков медного провода
диаметром 0,35 мм. Сопротивление катушки постоянному току – 0,6
Ом, индуктивность – 87 мкГн, напряженность осевого магнитного поля
– 8,3 (кА/м)/ А.
Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рис.
6.41.
Принцип действия магнитоэлектронного устройства достаточно
прост. Генератор прямоугольных импульсов выполнен на микросхемах
DD4.1, DD4.2, DD3, DD4.3, DD4.4, DD4.5, DD4.6 и транзисторах VT1,
VT2. Напряжение с выхода генератора через разделительный
конденсатор С7 и резистор R15 подается на катушку смещения L1 (рис.
6.41). Частота следования импульсов составляет ~70 Гц.
Переменные напряжения UX и UY с магниторезисторных мостов
R1 и R2 через дифференцирующие цепи С1, R3 и С2, R9 поступают на
операционные усилители DA1.1 и DA1.2, а после усиления – на два
синхронных демодулятора DD1, DD2, которые генерируют выходные
сигналы U выхX и U выхY, пропорциональные компонентам X и Y
магнитного поля [13].
Магнитоэлектронное устройство может быть использовано для построения электронного компаса.
Приведенная электронная схема не нуждается в специальной температурной коррекции, поскольку определение
вектора направления поля связано с отношением двух сигналов, а не с их абсолютными величинами.
МЭУ повышенной точности для определения вектора магнитного поля
Фирмой Valvo (отделением электроники фирмы Siemens) предложен еще один вариант магнитоэлектронного
устройства повышенной точности [75]. Датчик магнитного поля этого устройства содержит три моста KMZ10.
Каждый из мостов размещен в своей катушке смещения, подобно варианту, приведенному на рис. 6.34.
Вариант конструкции сенсорной головки приведен на рис. 6.42. Для создания головки предложена
трехфазная система, состоящая из трех датчиков, расположенных под углом 120° друг к другу (рис. 6.42.а).
Рис. 6.56. Эпюры выходного напряжения феррозондового датчика: а – при НX > 0; б – при НX,Y > 0
Если внешнее магнитное поле Н прикладывается под углом Θ, то на измерительных обмотках X и Y
появляются напряжения, равные соответственно:
(6.8)
(6.9)
Следовательно, угол Θ можно определить по следующей формуле и установить курс перемещения объекта
(рис. 6.54.а):
(6.10)
где k – коэффициент преобразования, определяемый конструкцией датчика;
Uвых.X – напряжение на выходе измерительной обмотки X;
Uвых.Y – напряжение на выходе измерительной обмотки Y.
Страница 307
Зарубежные фирмы выпускают широкую номенклатуру миниатюрных магнитных датчиков для определения
вектора магнитного поля, использующих феррозонды.
На рис. 6.57 показан внешний вид и дана выходная характеристика датчика типа TMS-215, выпускаемого
фирмой TDK. На рис. 6.58 приведена упрощенная функциональная схема датчика.
а)
б)
TMS-215
UВЫХ., В
3,5
TMS-215
UВЫХ.”Y”
14
Датчик оси “Х”
Датчик оси “Y”
23,5 макс
2
UВЫХ.”Х”
1,5
7
9
2,5
8
6
30 мкТл
32 макс.
1,0
0
α, град.
90
180
Угол поворота
270
360
Рис. 6.57 Датчик типа TMS-215: а – внешний вид; б – выходная характеристика
TMS-215
+UП 2
Амплитудный
детектор
Датчик оси “Y”
Датчик оси “Х”
Генератор
импульсов
Амплитудный
детектор
-UП 3
5
Выход “Х”
6
Выход “Y”
7
Общий
Рис. 6.58. Упрощенная функциональная схема датчика типа TMS-215
Ведущим производителем феррозондовых датчиков является фирма Applied Physics System, которая
выпускает серию датчиков: APS544, APS520, APS520A, APS533, APS534, APS428C, APS450, APS460, APS470,
HP3529 и др.
Далее приводится краткая характеристика датчика типа APS544.
Миниатюрный ориентационный датчик угла APS544
Представляет собой 3-координатный магнитометр, сопряженный с 3-координатным акселерометром.
Прибор регистрирует магнитное поле, направленое по любой из трех осей (X, Y, Z).
Прибор выполнен в виде отдельного модуля. В модуле используется миниатюрный феррозондовый датчик,
схема усиления и обработки сигнала. Результаты измерений выводятся по специальному кабелю в цифровой
форме. Для вывода информации используется стандартный интерфейс RS-232.
Прибор размещен в пластмассовом корпусе прямоугольной формы. Максимальные габариты –
19,1×19,1×117 мм, масса – 50 г. Внешний вид этого датчика показан на рис. 6.59.
∅25,4
APS544
116,8 макс
Рис. 6.59. Внешний вид
ориентационного датчика
типа APS544
19,1
APPLIED PHYSICS SYSTEMS
152
19,1
Ориентационный датчик APS544 предназначен для применения в системах ориентации и навигации
различного назначения (в том числе буровых установок и бакенов); для измерения параметров магнитных
полей, для аппаратуры слежения за миграцией животных и т.п.
Основные параметры и внешний вид феррозондовых датчиков, предназначенных для определения вектора
магнитного поля, приводятся в главе 24 тома 2.
Дополнительные сведения см. [33, 34, 36, 38, 39, 40, 44, 46, 47, 48, 50, 52, 53, 55, 60, 61, 65, 66, 69, 71, 72].
Страница 308
6.5. МЭУ в аппаратуре исследования и визуализации магнитного поля
При контроле сложных технических объектов приходится сталкиваться с нестационарными магнитными
полями, поведение и рельеф которых во многом зависят от режимов работы объекта. Слежение за общим
состоянием магнитных полей и их анализ позволяют с большой достоверностью судить о процессах,
происходящих в контролируемом сложном объекте, и управлять этими процессами.
Задачи контроля нестационарных магнитных полей возникают при работе с различными
производственными установками, при исследованиях свойств управляемых технологических процессов, в
дефектоскопии ферромагнитных изделий с большой поверхностью и др. Электромагнитные процессы в
электротехнике, процессы проката листовой стали в металлургии, производство стальных тросов, труб и
постоянных магнитов – все это требует автоматического контроля магнитных полей для осуществления
эффективного управления производством.
При контроле параметров неоднородного магнитного поля в основном решаются две задачи:
• определение составляющих градиента магнитной индукции в локальных точках контролируемого
объекта;
• топографирование (или визуализация) всей поверхности объекта.
6.5.1. Измерение параметров неоднородного магнитного поля
При определении параметров неоднородного магнитного поля обычно производят измерение
напряженности H или магнитной индукции В и их градиента ∆BG или ∆НG. Для таких измерений используется
специальная аппаратура с применением различных преобразователей магнитного поля. Процесс измерений
сводится к сканированию исследуемой поверхности с определением значений В и Н в локальных точках данной
поверхности. Основным параметром измерительной аппаратуры является разрешающая способность.
Разрешающая способность RG характеризует способность аппаратуры измерять значения В или Н в двух
максимально близких друг к другу точках контролируемой поверхности. На рис. 6.60.а разрешающая
способность определяется расстоянием между точками 1–2. Отрезок, обозначенный σG, определяет предел
разрешения. В большинстве случаев разрешающая способность определяется параметрами используемых
преобразователей магнитного поля.
Направление сканирования по оси X
Направление сканирования по оси X
100 H,%
Зонд
B
а)
50
база
б)
0
X
σG
RG
1
2
Исследуемая
поверхность
Х
0
Исследуемая
поверхность
-B
Рис. 6.60. Схемы определения:а – разрешающей способности; б –градиента магнитной индукции
Простейшее устройство для измерения составляющих градиента магнитной индукции состоит из двух
преобразователей магнитного поля, размещенных на общем основании. Это устройство называется
измерительным зондом. Зонд устанавливается на специальном приспособлении, позволяющем перемещать
преобразователи на необходимое расстояние в заданном направлении, например, вдоль осей X или Y. В качестве
ПМП обычно используются элементы Холла или магниторезисторы.
Процесс измерений составляющих градиента магнитной индукции сводится к сканированию исследуемой
поверхности путем перемещения зонда по осям X и Y c регистрацией координат и величины индукции в
каждой паре фиксируемых точек поверхности (рис. 6.60.б).
На рис. 6.61 приведена электрическая схема измерений
B1 3
градиента индукции магнитного поля при использовании в
2
1
Источник
качестве ПМП элементов Холла.
тока
4
B
B2
Рис. 6.61. Упрощенная принципиальная схема устройства для
измерения градиента магнитной индукции, реализованного с
применением элементов Холла
1
∆VH
3
2
1
4
Страница 309
В данном случае измерительный зонд представляет собой немагнитное, теплопроводящееоснование,
которое помещается в металлический корпус из тонколистовой нержавеющей «немагнитной» стали. На
основании, являющемся и плоскостью симметрии датчика, на определенном расстоянии друг от друга
закрепляются два идентичных элемента Холла. В этом случае расстояние между центрами
магниточувствительных элементов называется базой. Элементы корпуса и кристаллы ЭХ размещаются
симметрично относительно общего основания. При этом токовые выводы обоих элементов, питающихся от
отдельных источников тока, включаются встречно-последовательно (рис. 6.61).
Чтобы повысить точность измерения градиента магнитной индукции, оба элемента тщательной
регулировкой токов управления приводят к одинаковой магнитной чувствительности и, при необходимости,
используют специальные схемы термостабилизации.
Для измерения составляющих градиента магнитной индукции зонд перемещают параллельно исследуемой
поверхности и фиксируют координаты зондовой головки и напряжение Холла VH. При этом в каждом
фиксированном положении зондовой головки индукция магнитного поля В может определяться напряжением
Холла:
и
(6.11)
где γ1, γ2 – магнитная чувствительность элементов Холла;
IУП – ток управления каждого элемента.
При наличии неоднородности магнитного поля в направлении, перпендикулярном плоскости МЧЭ, разность
холловских напряжений двух ЭХ будет пропорциональна градиенту магнитной индукции, которая при известной
базе составляет:
(6.12)
где k – коэффициент, определяемый конструкцией датчика.
Благодаря полной симметричности конструкции датчика обеспечиваются строго одинаковые условия
теплоотвода от каждого кристалла. Для данных целей элементы Холла изготавливаются по групповой
технологии из одной полупроводниковой пластины, поэтому их геометрические размеры и
магнитоэлектрические параметры практически одинаковы. Вследствие этого обеспечивается полная
идентичность удельных магнитных чувствительностей обеих пластин (γ1 = γ2), а значит, и тождественность
выходных сигналов при измерениях однородных магнитных полей.
Для измерения составляющих градиента ∆ВG средних и сильных полей с магнитной индукцией, равной
десятым долям теслы и больше, могут использоваться монолитные магниторезисторы, размещенные в любые
два соседних плеча мостовой схемы, в диагональ которой включен измерительный прибор. При этом оба
магниторезистора обычно отбираются из одной технологической партии, что обеспечивает идентичность их
характеристик. Малые габариты магниторезисторов и специфика их конструкций позволяют расположить их
весьма близко друг от друга, что дает возможность измерять очень большие градиенты.
Для измерения составляющих градиента ∆ВG слабых полей с магнитной индукцией, равной десятым долям
миллитеслы и меньше, могут использоваться тонкопленочные магниторезисторные мосты или
специализированные магниторезисторные ИС (например, серии НМС фирмы Honeywell). На рис. 6.62 приведена
электрическая схема градиентометра, реализованного с использованием магниторезисторных ИС типа НМС
2002 [47].
Наиболее действенным методом снижения погрешности измерения магнитной индукции, обусловленной
наличием ее градиентов, является уменьшение геометрических размеров магниточувствительных элементов,
повышение их магнитной чувствительности и использование планарных многоэлементных линейных и
матричных магниточувствительных структур.
Sw1
R1
100k
Reset/Switch
+9 B
B
C1 1,0
R3
10k
C2 1,0
VT1
ZTX 605
C3
0,22
1
10
+9B
DA1
НМС2002
9,17
10
+9B
“Точно”
9,17
НМС2002
+ 16 B
C4
0,22
1
DA2
“Грубо”
7
8
7
8
Уст.”0”
R8 10k
+9B
R6 10k
R9*
100k
R7 10k
+
DA3
R10 50k
R11 100k
DA1,DA2 - магниторезисторные микросхемы типа НМC2002;
DA3...DA6 - малошумяшие операционные усилители;
DA7 - преобразователь DC/DC типа ILC7662.
R2
10k
R4
100k
VT2
ZTX 605
R5
100k
+ 16 B
DA4
C5
4,7
+ 16 B
+
-
R12 100k
DA5
+
C6
4,7
VD5
DA6
R14 1k
+
R16
200
2
3
R17
200
8
+ UП (9 B)
VD1
VT3
2N2222
VD3
VT4
2N2222
“N”
5
DA7
ILC7662
VD6
R13 1k
VD2
VD4
Выход “S”
“S”
Выход “N”
+UП (9 B)
Страница 310
Рис. 6.62. Принципиальная электрическая схема электронного тракта градиентометра, реализованная с
применением магниторезисторных микросхем типа НСМ 2002
Страница 311
6.5.2. Получение топографии магнитного поля
Для проведения процесса топографии магнитного поля необходимо исследовать всю заданную поверхность
контролируемого объекта с последующей визуализацией результатов. Визуализация картины магнитного поля
имеет большое значение при контроле качества и структуры ферромагнитных материалов и изделий.
Для того чтобы видеть контролируемую поверхность, необходимо просканировать, то есть просмотреть
по точкам, контролируемое пространство в большом поле обзора. При этом необходимо найти такой способ
сканирования, то есть передвижения мгновенного поля по полю обзора, чтобы перекрыть без пропусков все
поле обзора (рис. 6.63).
НД
Y
1
1
2
N
3
2
3
∆X
M
Y
∆Y
Точки отсчета
Рис. 6.63. Условная схема расположения точек сканирования вдоль визуализированной поверхности с
магнитным рельефом
Считывая магнитный рельеф с определенным шагом ∆y и ∆x с помощью преобразователей магнитного
поля в точках отсчета, соответствующих точкам расположения МЧЭ, система визуализации преобразует
полученную информацию в двух- или трехмерное изображение распределения магнитного поля в пространстве
в форму, удобную для зрительного восприятия.
Большинство систем топографии используют прямоугольный растр, сканируя поле обзора строка за строкой,
как в телевидении. В нашем случае наиболее приемлемым является способ механического сканирования, то
есть параллельного перемещения МЧЭ относительно контролируемой поверхности по определенному закону.
Для этих целей могут использоваться одноэлементные ПМП (рис. 6.64) и многоэлементные преобразователи
магнитного поля.
B
ния
рова
и
н
а
к
яс
тори
Траек
МЧЭ
Одноэлементный
преобразователь
магнитного
поля
Контролируемая
поверхность
Рис. 6.64. Сканирование поверхности объекта при помощи одноэлементного преобразователя
магнитного поля
При использовании линеек магниточувствительных элементов (рис. 6.65) одно сканирование сразу дает
столько строк, сколько МЧЭ в линейке.
я
вани
аниро
к
с
я
тори
Траек
B
МЧЭ
B
10
8 9
7
6
ов
4 5
м ент
3
х эле
ы
2
н
ь
1
те л
ст в и
аг
йка м
Л ине
чу
нито
-1
МЧЭ
я
вани
аниро
к
с
е
и
авлен
Напр
-2
-3
МЧ Э
-4
МЧ Э
МЧЭ
-5
Линейка элементов
Страница 312
в
Контролируемая
поверхность
Контролируемая
поверхность
а)
б)
Рис. 6.65. Сканирование поверхности объекта при помощи: а – продольной; б – поперечной линейки ПМП
При использовании матрицы магниточувствительных элементов (рис. 6.66), за одно сканирование
просматривается площадь объекта, соизмеримая с площадью матрицы МЧЭ.
B
1
5
9
13
Контролируемая
поверхность
2
6
10
14
3
7
11
15
4
8
12
16
Матрица
магниточувствительных
элементов
Рис. 6.66. Сканирование поверхности объекта при помощи матричного ПМП
Матрица (рис. 6.66), то есть двумерный набор МЧЭ, позволяет перекрыть определенное поле обзора без
механического перемещения. В результате все поле обзора наблюдается постоянно, что является существенным
преимуществом матрицы и что особенно важно при наблюдении объектов, изменяющих локально свои
параметры в процессе исследований. Применение матрицы упрощает систему сканирования, однако электроника
в этом случае становится сложнее. Для получения необходимой пороговой чувствительности каждый МЧЭ
должен иметь свой предусилитель, позволяющий повысить уровень сигнала настолько, чтобы его можно было
использовать для последующей обработки.
Каждый из приведенных на рис. 6.64–6.66 вариантов сканирования имеет преимущества и недостатки,
которые учитываются при проектировании магнитоэлектронной техники и подробно анализируются в
специальной литературе [1, 3, 4, 14, 17].
В отличие от оптических систем визуализации информации в приборах магнитной топографии затруднено
использование традиционных оптических элементов, поэтому наибольшее распространение получили системы
механического сканирования с перемещением ПМП параллельно контролируемому объекту. Время кадра –
это время, необходимое для того, чтобы один раз просканировать поле обзора.
На рис. 6.67 приведена упрощенная функциональная схема магнитного топографа с использованием
одноэлементного ПМП.
Страница 313
Яркость
ия
рован
и
н
а
к
с
тория
Траек
B
МЧЭ
Y
УОИ
X
ВУ
ПУ
Информация о положении МЧЭ по оси Y
Y
X
Информация о положении МЧЭ по оси Х
Контролируемая
поверхность
Рис. 6.67. Упрощенная функциональная схема магнитного топографа с использованием
одноэлементного ПМП: МЧЭ – магниточувствительный элемент; СМС – система механического
сканирования; ПУ – предварительный усилитель; ВУ – схема формирования видеосигнала; УОИ –
устройство обработки и отображения информации
Принцип действия магнитного топографа достаточно прост и не требует особых пояснений. Система
механического сканирования (СМС) обеспечивает последовательное перемещение МЧЭ параллельно
контролируемой поверхности с контролем координат перемещения по осям Х и Y. Сигнал с МЧЭ усиливается
предусилителем (ПУ), обрабатывается схемой формирования видеосигнала (ВУ) и поступает на устройство
обработки и отображения информации (УОИ). Информация о координатах МЧЭ вырабатывается специальными
датчиками положения (на рис. 6.67 не показаны).
Индукция магнитного поля в общем виде может определяться выражением:
(6.13)
где D – расстояние от плоскости контролируемой поверхности до поверхности
магниточувствительного элемента.
К недостаткам этой схемы (рис. 6.67) относятся значительное время обзора полного кадра и невозможность
регистрации быстротекущих изменений параметров магнитного поля.
На рис. 6.68 приведена упрощенная функциональная схема магнитного топографа с использованием линейки
ПМП.
ПУ
К
К
B
10
8 9
7
6
4 5
3
1 2
К
К
К
К
К
К
К
К
Схема сопряжения с УОИ
вания
ниро
а
к
с
я
тори
Траек
УОИ
Информация о перемещении линейки по оси Y
Рис. 6.68. Упрощенная функциональная схема магнитного топографа с использованием линейки ПМП:
1–10 – магниточувствительные элементы; СМС – система механического сканирования; ПУ –
предварительный усилитель; К – компараторы; УОИ – устройство обработки и отображения
информации; схема сопряжения с УОИ
Страница 314
Матрица с магнитотранзисторами может реализовываться в разных вариантах: ячейки с двумя МОП
транзисторами, которые, взаимодействуя, образуют логическую схему, и ячейки с тремя МОП транзисторами.
Применение матричного преобразователя на основе магнитодиодов или магнитотранзисторов дает возможность
на 1–2 порядка повысить чувствительность преобразователя магнитного поля, по сравнению с традиционными
преобразователями на элементах Холла (см. главу 4).
При контроле больших поверхностей применение магниточувствительных матричных преобразователей
магнитного поля позволяет одновременно использовать электронное и механическое сканирование. Это
значительно сокращает время обзора кадра и повышает разрешающую способность аппаратуры.
6.6. МЭУ в аппаратуре для неразрушающего контроля изделий
В последние годы все большее распространение находят магнитоэлектронные устройства, предназначенные
для диагностики состояния изделий, изготовленных из ферромагнитных материалов: стальных листов, труб,
резервуаров и др.
Принцип действия таких устройств заключается в обнаружении аномальных изменений напряженности
магнитного поля рассеяния вблизи дефектов. При этом объект контроля, как правило, подмагничивается
магнитным полем постоянной величины. Таким образом могут обнаруживаться трещины, раковины,
немагнитные вкрапления и другие дефекты.
На рис. 6.71 показан характер изменения магнитного поля в районе трещины.
Магнитное
поле
рассеяния
Рис. 6.71. Характер изменения
магнитного поля в районе трещины
+
Преобразователь
магнитного
поля
+
Ф=const.
Обычно магнитное поле рассеяния в районе дефектов для большинства практических применений
составляет приблизительно от 0,001 до 20 мТл. Для регистрации таких полей требуются высокочувствительные
магнитоэлектронные приборы с высоким геометрическим разрешением. В таких приборах, как правило, в
качестве МЧЭ в основном используются элементы Холла, магнитотранзисторы или тонкопленочные
магниторезисторы, вмонтированные в специальные магнитные системы, так как приборы с преобразователями
магнитного поля иных типов обладают существенными недостатками.
Феррозондовые магнитометры, например, представляют собой очень чувствительные устройства для измерения полей,
напряженность которых одного порядка с магнитным полем Земли. Однако размер практических чувствительных
феррозондов, как правило, в значительной степени превышает аномалии потока рассеяния остаточного магнитного поля,
которые необходимо выявить. В связи c этим пространственное разрешение приборов оказывается неудовлетворительным.
В протонных магнитометрах на ядерном магнитном резонансе со свободной прецессией спинов, которые широко
используются для проведения геомагнитных исследований, существует та же самая проблема, поскольку, несмотря на
великолепную чувствительность этих приборов, их чувствительный элемент может иметь объем, доходящий до 1 литра.
Следовательно, этими магнитометрами можно пользоваться в относительно однородных полях.
Ниже приводится описание нескольких магнитоэлектронных устройств, используемых для дефектоскопии
изделий из ферромагнитных материалов.
6.6.1. МЭУ для неразрушающего контроля изделий
Магнитоэлектронное устройство для дефектоскопии стальных труб, реализованное с
применением элементов Холла
В работе [6] дано описание магнитоэлектронного устройства для дефектоскопии стальных труб. К прибору
предъявлялись следующие требования:
•
•
•
•
измерение разностей магнитных полей от дефектов с размерами, доходящими до 1 см;
разрешение разностей магнитных полей до 4×10-6 Тл при наличии внешних полей с напряженностью до
10-3 Тл;
хорошее подавление шумов;
малая потребляемая мощность, что необходимо для работы от автономных источников питания.
Исходя из перечисленных требований, в основу прибора положен метод измерения индукции рассеянного
магнитного поля. В качестве ПМП была предложена дифференциально соединенная пара элементов Холла с
питанием по переменному току и с применением синхронного детектирования при обработке сигнала.
Страница 315
Принцип действия магнитного топографа (рис. 6.68) не требует особых пояснений. Система сканирования
СМС обеспечивает последовательное построчное перемещение линейки ПМП параллельно контролируемой
поверхности по оси Y с контролем координат перемещения. Информация о координатах линейки
вырабатывается специальным датчиком положения. Сигнал с линейки МЧЭ поканально усиливается
предусилителями (ПУ), формируется компараторами и поступает на схему сопряжения, а затем визуализируется
устройством обработки и отображения информации. Схема (рис. 6.68) обладает высоким быстродействием.
3
B
Рис. 6.69. Функциональная схема
матричного преобразователя магнитного
поля: 1 – объект контроля; 2 –
магнитоприемное устройство; 3 – блок
развертки; 4 – амплитудный селектор; 5 –
видеоконтрольное устройство (ВКУ)
1
2
5
4
В работах [2, 10] дано описание матричного преобразователя магнитных полей к структуроскопу, а на
рис. 6.69 приводится его функциональная схема.
Преобразователь состоит из магнитоприемного устройства 2, блока развертки 3, амплитудного селектора
4, выход которого соединен с входом видеоконтрольного устройства 5, и адресных шин X и Y. Магнитоприемное
устройство 2 выполнено в виде матрицы магнитодиодов с параллельно подключенными к ним накопительными
конденсаторами (рис. 6.70.а).
Принцип действия преобразователя заключается в следующем. Подвергающийся контролю объект 1,
создающий неоднородное магнитное поле, устанавливается вблизи магнитоприемного устройства 2. Под
действием магнитного поля происходит изменение напряжения на магнитодиодах, определяемое величиной
индукции магнитного поля.
К коммутатору столбцов
Y
X
B
B
X
B
B
Y
Y
B
B
X
B
B
X
К коммутатору строк
Y
К коммутатору столбцов
б)
К коммутатору строк
а)
Рис. 6.70. Матричное магнитоприемное устройство: а – на магнитодиодах; б – на
магнитотранзисторах
Для получения максимальной чувствительности устройства используется принцип накопления. В этом случае
ток видеосигнала, поступающий от каждого магнитодиода, пропорционален полному магнитному потоку,
действующему на магнитодиод за полный период между коммутациями, то есть за время кадра. Каждый
конденсатор, шунтирующий магнитодиод, в момент коммутации заряжается максимально, а между
коммутациями начинает разряжаться до напряжения, зависящего от индукции магнитного поля, действующего
на магнитодиод, и, следовательно, от сопротивления магнитодиода (см. главу 4).
Блок развертки 3 с помощью адресных шин X и Y последовательно через амплитудный селектор 4
подключает магнитодиоды к входу видеоконтрольного устройства 5. В то же время блок 3 проводит синхронную
развертку луча на экране видеоконтрольного устройства 5, яркость светового пятна которого регулируется с
помощью амплитудного селектора 4. Полученная на экране ВКУ картина будет соответствовать магнитному
рельефу исследуемого объекта и характеризовать его структуру [2].
Магнитоприемное устройство может быть выполнено и в виде матрицы из магнитотранзисторов (рис.
6.70.б), обеспечивающих более высокую амплитуду сигнала на выходе.
Страница 316
Упрощенная функциональная схема дефектоскопа приведена на рис. 6.72, а принципиальная электрическая
схема – на рис. 6.73.
Выход
Рис. 6.72. Упрощенная функциональная схема прибора для диагностики состояния стальных труб
Функциональная схема прибора (рис. 6.72) не требует особых пояснений. В этом приборе производится
измерение разностей индукции магнитных полей двумя элементами Холла, разнесенными на расстояние 1,5
см. В зависимости от выбранной чувствительности полный размах сигнала на выходе прибора составляет ±5
В, что соответствует разности магнитных полей в точке контроля ±2, ±5 или ±20 мТл в зависимости от
установленного диапазона.
Элементы Холла В1 и В2 питаются переменным током. При наличии магнитного поля формируется
синусоидально изменяющееся напряжение Холла, которое измеряется с помощью дифференциальных
усилителей ОУ1 и ОУ2. Разность между двумя напряжениями Холла определяется с помощью
дифференциального усилителя ОУ3, имеющего большой коэффициент усиления. С помощью синхронного
детектора этот сигнал переменного тока преобразуется в выходной сигнал постоянного тока и может измеряться
соответствующими приборами.
Рабочая частота описываемого прибора составляет 10 кГц. Эта частота дает возможность обеспечить
фильтрацию выходного уровня постоянного тока без уменьшения чувствительности устройства в отношении
небольших дефектов при типовой скорости сканирования 15 км/час (4,2 м/с).
Для рассматриваемого прибора были использованы элементы Холла типа BH700 фирмы F.W.Bell,
отобранные из одной и той же технологической партии, с минимальными напряжениями рассогласования.
При этом небольшое напряжение рассогласования (U0 < 350 мкВ) для каждого ЭХ было одинаковым по величине
и по фазе, благодаря чему при нулевом поле на выходе присутствовал крайне незначительный сигнал.
Необходимо отметить, что напряжение рассогласования может быть синфазным с током, протекающим
через ЭХ, и сдвинутым относительно этого тока на 180°.
В зависимости от требуемой чувствительности и допустимого смещения нуля в конкретном случае может
потребоваться либо тщательная подборка элементов Холла, либо компенсация напряжения рассогласования
на дифференциальном усилителе. При использовании элементов Холла с неодинаковыми напряжениями
рассогласования и при отсутствии каких-либо мер, направленных на компенсацию напряжения рассогласования
электронным способом, результатом была бы нестабильность выходного напряжения постоянного тока.
Рабочий ток элементов Холла определяется параметрами согласующего трансформатора. Выбор этого
трансформатора требует компромисса между приведением к максимуму импеданса с выходной стороны
генератора (с целью увеличения эффективности возбуждения) и тока управления элементов Холла (с целью
увеличения чувствительности ЭХ).
Увеличение импеданса с выходной стороны генератора ведет к тому, что в нагрузку поступает большая
мощность генератора. Увеличение импеданса с выходной стороны генератора эквивалентно увеличению
коэффициента трансформации согласующего трансформатора, поскольку входной импеданс преобразователя
Холла есть величина постоянная. При увеличении коэффициента трансформации согласующего трансформатора
уменьшается рабочий ток элементов Холла, что приводит к уменьшению магнитной чувствительности
последних. Следовательно, оптимальный коэффициент трансформации определяется с учетом указанных
противоречивых требований.
Электрическая схема дефектоскопа (рис. 6.73) содержит источник переменного тока для питания ЭХ,
который состоит из кварцевого генератора, объединенного в одном корпусе с DD1 кварцем и КМОП
интегральной схемой), полосового фильтра и согласующего трансформатора. Частота колебаний кварцевого
генератора составляет 1 МГц. Благодаря имеющейся в интегральной схеме КМОП логике эта частота
уменьшается до 10 кГц.
Основная составляющая этих прямоугольных колебаний с частотой 10 кГц выделяется с помощью
полосового фильтра (на элементах DA1.1, DA1.2 и DA1.3) с центральной частотой 10 кГц и полосой пропускания
800 Гц. Этот фильтр обеспечивает усиление возбуждающего сигнала и позволяет избежать проблем,
возникающих при возбуждении индуктивной нагрузки с помощью КМОП генератора. Поскольку элементы
Холла имеют низкое входное сопротивление – около 4 Ом, – согласующий трансформатор Т1 обеспечивает
высокоомную нагрузку для генератора.
Страница 318
Трансформатор Т1 с коэффициентом трансформации n = 35 обеспечивает среднеквадратичную величину
тока возбуждения порядка 45 мА для каждого из параллельно соединенных элементов Холла. При таком уровне
возбуждения выходная чувствительность ЭХ в среднеквадратичном значении составляет 140 мВ/Тл.
Напряжение сигнала с элементов Холла В1, В2 измеряется дифференциальными усилителями DA2, DA3 с
единичным коэффициентом усиления. Эти усилители соединены в одном и том же направлении, так что при
наличии одного и того же поля на обоих преобразователях и при отсутствии напряжений рассогласования
разность между двумя сигналами равна нулю.
Разность между двумя напряжениями Холла измеряется с помощью программируемого инструментального
усилителя DA4, работающего в режиме дифференциального усилителя. В зависимости от выбранной
чувствительности переключателем SA1 обеспечивается точное и устойчивое усиление с коэффициентами 100,
400 или 1000. Переменные резисторы R14, R21, включенные между усилителями DA2, DA3 и усилителем
нахождения разности DA4, предназначены для компенсации неравномерности чувствительностей элементов
Холла В1, В2.
Усиленный разностный сигнал измеряется с помощью синхронного детектора, который содержит полосовой
фильтр (DA1.4, DA6.1, DA6.2), инвертор DA6.3, синхронный переключатель DD2 и низкочастотный фильтр
DA7. Полосовой фильтр обеспечивает уменьшение шумов по напряжению Холла переменного тока и устранение
смещения напряжения по постоянному току. Его полоса пропускания имеет ширину 1 кГц с центром на частоте
возбуждения, то есть на частоте 10 кГц.
Детектирование амплитуды сигнала переменного тока производится за счет синхронного
двухполупериодного выпрямления, для чего с помощью сигнала кварцевого генератора обеспечивается
управление состоянием КМОП переключателя DD2. Этот переключатель выбирает либо отфильтрованный
сигнал, либо тот же сигнал в инвертированном виде.
На выходе переключателя низкочастотный фильтр с частотой сопряжения 400 Гц обеспечивает сглаживание
результирующего сигнала. Этот фильтр определяет самую высокую частоту, на которой на выходе прибора
будут отслеживаться изменения во входных магнитных полях. Полоса пропускания синхронного детектора
составляет приблизительно 640 Гц.
Схема фазового опережения DA5 обеспечивает регулируемый фазовый сдвиг в пределах от 0 до 180°.
Максимум чувствительности по выходу выставляется в процессе подготовки прибора к работе регулированием
фазового сдвига, для чего предназначена контрольная точка, обозначенная на рис. 6.73 как ТР1, на которую
выведен симметричный выпрямленный по двухполупериодной схеме сигнал [6].
На рис. 6.74 приведены результаты сканирования магнитных потоков рассеяния на внутренней стороне
намагниченной стальной трубы с несколькими специально выполненными глухими отверстиями и прорезями,
имитирующими наружную коррозию.
∆B
Рис. 6.74. Результаты сканирования
магнитных потоков рассеяния на
внутренней стороне намагниченной
стальной трубы с применением
различных вариантов включения
элементов Холла: а – один элемент
Холла с питанием от источника
постоянного тока; б – два элемента
Холла
с
дифференциальным
включением и с питанием от
источника постоянного тока; в – два
элемента
Холла
с
дифференциальным включением и с
питанием от источника переменного
тока
2 мТл
а)
Один элемент Холла с питанием от источника
постоянного тока
б)
0,5 мТл
Два элемента Холла с дифференциальным включением
и с питанием от источника постоянного тока
в)
0,5 мТл
Два элемента Холла с дифференциальным включением
и с питанием от источника переменного тока
Твердое
включение
∅19 мм
∅19 мм
50 х 12 мм
L
12 х 50 мм
Страница 319
На рис. 6.74.а представлен простой график составляющей поля в радиальном направлении, полученный с
одним элементом Холла. В сравнении с большим основным полем трубопровода, который действует как
стержневой магнит, сигналы от дефектов являются очень маленькими.
График на рис. 6.74.б получен как разность между парой согласованных элементов Холла с усилением по
постоянному току.
Кривая на рис. 6.74.в относится к случаю с использованием дифференциальных элементов Холла с
усилением по переменному току. Как и в предыдущем случае, вновь получены великолепные сигналы от
дефектов.
Поскольку данные получены в лабораторных условиях при практически полном отсутствии шумов,
результаты по ЭХ с усилением по переменному и постоянному току являются почти одинаковыми. При
проведенных краткосрочных проверочных испытаниях дрейф в усилителе постоянного тока был очень малым.
Рассмотренный выше вариант принципиальной схемы дефектоскопа обладает определенными
недостатками, к которым можно отнести значительный ток потребления (по цепи питания ЭХ – более 45 мА)
и недостаточно высокую магнитную чувствительность.
Элементы Холла с усилением по переменному току в дифференциальной схеме можно с успехом
использовать и для измерения рассеяния в остаточном магнитном поле.
При контроле трубопроводов преобразователи с усилением по переменному току – в сравнении с
дифференциальными ЭХ с усилением по постоянному току – обладают определенными преимуществами, а
именно: обеспечивают, благодаря синхронному детектированию, повышенные отношения сигнал/шум, легко
адаптируются к работе от батарейных источников питания [6].
Электронный тракт дефектоскопа, реализованный с применением полевых
элементов Холла
Эксплуатационные параметры дефектоскопа, схема которого показана на рис. 6.73, можно улучшить, если
в качестве ПМП применить полевые элементы Холла. На рис. 6.75 приведена электрическая схема подобного
устройства. В качестве преобразователя магнитного поля в данном устройстве используется полевой элемент
Холла (ПДХ типа FEHS-02), отличающийся малым током управления (до 0,5 мА) и возможностью модуляции
входного сигнала.
Рассмотрим назначение элементов принципиальной схемы на рис. 6.75.
Полевой элемент Холла типа FEHS-02 с размером чувствительной области 0,5×0,5 мм питается от источника
тока, выполненного на операционном усилителе DA4.
Сигнал с ЭХ поступает на входы дифференциального усилителя DA1, в качестве которого используется
малошумящий микромощный инструментальный усилитель типа INA-118P. Коэффициент усиления
устанавливается резистором R9 в пределах от 500 до 1000. Переменные многооборотные резисторы R6 и R7
служат для предварительной балансировки схемы по постоянному напряжению.
Микросхемы DA2 и DD2 представляют собой синхронный детектор, управляемый от генератора,
выполненного на таймере КР1006ВИ1 (DD1). Этот же генератор является источником модулирующего
напряжения для полевого элемента Холла.
Частота модуляции определяется экспериментально (в пределах 1000–10000 Гц) по максимальному
отношению сигнал/шум, контролируемому на выходе микросхемы DA2. Частота модуляции устанавливается
резистором R11. Напряжение с выхода DA2 поступает на вход амплитудного детектора DA3.
Измерение выходного сигнала производится прибором Р1, в качестве которого используется
микроамперметр типа М285К с пределом измерений 100 мкА или аналоговый самописец любого типа.
Конденсатор С7 определяет постоянную времени регистрирующего прибора.
Схема питается от автономного двухполярного источника питания с напряжением 12В через интегральный
стабилизатор DA4. Ток, потребляемый всем устройством, не превышает ±30 мА. Устройство обладает
достаточно высоким порогом чувствительности, который составляет 10-6 Тл при отношении сигнал/шум, равном
1.
В случае необходимости в данном устройстве могут быть использованы двухэлементные ПДХ в
дифференциальном включении, с подачей напряжения их сигнала на разные входы усилителя DA1.
Страница 321
Магнитоэлектронное устройство для дефектоскопии стальных канатов,
реализованное с использованием элементов Холла
Еще одним примером использования магнитоэлектронных устройств является их применение для
дефектоскопии стальных канатов, которые используются во многих областях народного хозяйства (на канатных
дорогах, в горной промышленности, в подъемно-транспортных машинах, лифтах и др.), а потому контроль их
состояния имеет важное значение. Для контроля состояния несущих и тяговых канатов, применяемых на
канатных дорогах, а также подъемных канатов обычно используются электромагнитные приборы, основанные
на магнитоиндукционном методе обнаружения оборванных проволок и на индуктивном методе контроля
рабочего сечения стальных канатов.
Принцип действия большинства приборов, контролирующих рабочее сечение канатов, основан на зависимости
индуктивности катушки искателя от сечения стального каната. Индуктивный искатель включен в одно из плеч измерительного
резонансного моста переменного тока. Измерительный мост балансируется при установке индуктивного искателя на
неизношенном участке исследуемого каната.
Вокруг каната на этом участке появляется магнитное поле рассеяния. При перемещении магнитной системы с искателем
вдоль бездефектного каната с выхода искателя снимается постоянный сигнал, обусловленный равномерно распределенным
вдоль каната полем рассеяния.
Прохождение через индуктивный искатель участка каната с уменьшенным сечением приводит к разбалансу
измерительного моста. Напряжение разбаланса поступает на вход усилителя регистрирующего устройства,
проградуированного в процентах потери сечения контролируемого каната. Прибор, построенный на описанном принципе,
не является универсальным и предназначен для исследования только подъемных канатов в горной промышленности, так как
его конструкция не позволяет преодолевать опоры на подвесных канатных дорогах [29].
Работа другого типа приборов для обнаружения обрыва проволок в стальных канатах основана на фиксации полей
рассеяния, подвергающихся изменению у оборванных проволок намагниченного каната. Принцип действия таких приборов
заключается в следующем. Магнитное поле, создаваемое магнитной системой, намагничивает участок каната, заключенный
между полюсами магнита. При этом вокруг исследуемого участка каната появляются малые поля рассеяния. Чувствительный
элемент искательного устройства, расположенный в середине между полюсами и охватывающий канат, выполнен в виде
индукционных катушек. Магнитная система и искательное устройство жестко связаны между собой, благодаря чему вдоль
каната перемещается как магнитная система, так и чувствительный элемент. Относительное перемещение поля рассеяния и
чувствительного элемента отсутствует. Поэтому на выходе искательного устройства при бездефектном канате сигнала нет.
При наличии обрыва проволок в канате на месте дефекта снаружи каната происходит деформация поля рассеяния,
которое в момент прохождения искательным устройством места дефекта приводит к возникновению импульса ЭДС в
индукционных катушках. Этот импульс усиливается, а затем с помощью регистрирующего устройства записывается на
бумажной ленте, таким образом искательное устройство дефектоскопа реагирует на изменение характера магнитного поля
рассеяния в месте повреждения, воспринимая это изменение как приращение магнитного потока на единицу длины каната
при постоянной скорости перемещения искателя.
Существенным недостатком рассмотренного дефектоскопа является то, что появление сигнала на выходе искательного
устройства возможно только при перемещении искателя или исследуемого каната относительно искателя. Поскольку в момент
остановки сигнал дефекта исчезает, то возможность точного определения места повреждения при этом затруднена.
Более перспективным представляется использование элементов Холла для суждения о характере поля
рассеяния вдоль каната, а следовательно, о наличии и характере дефекта. Элемент Холла позволяет
регистрировать магнитные поля рассеяния вне зависимости от скорости перемещения преобразователя вдоль
каната. Вместе с тем появляется необходимость отстроиться от составляющей постоянного поля рассеяния,
поскольку преобразователь Холла чувствителен к величине индукции магнитного поля, а не к его производной
[29].
В системе АН ГрССР [29] был разработан и испытан в лабораторных и промышленных условиях
дефектоскоп стальных канатов на элементах Холла. Дефектоскоп состоит из магнитной системы с искателем
на преобразователях Холла, усилителя выходного сигнала искателя, регистратора сигналов и источников питания
для усилителя и искателя. Конструкция искателя изображена на рис. 6.76.
Устройство функционирует следующим образом. Магнитное поле, создаваемое магнитной системой,
намагничивает контролируемый участок каната, находящийся между полюсами постоянного магнита. Вокруг
каната на этом участке появляется магнитное поле рассеяния. При перемещении магнитной системы с искателем
вдоль бездефектного каната с выхода искателя снимается постоянный сигнал, обусловленный равномерно
распределенным вдоль каната полем рассеяния.
Этот сигнал компенсируется таким образом, что на выходе искателя при бездефектном канате сигнал
отсутствует. При обрыве проволок в канате в зоне дефекта происходит деформация магнитного поля рассеяния.
Изменение поля рассеяния приводит к разбалансу схемы компенсации и появлению сигнала на выходе искателя.
Так как ток управления элементами Холла поддерживается неизменным, то выходной сигнал зависит только
от индукции магнитного поля рассеяния снаружи каната, характер изменения которого определяется дефектом
в канате. Таким образом, сигнал на выходе искателя зависит от количества оборванных проволок, но не зависит
от скорости перемещения искателя вдоль каната. Этот сигнал, обусловленный наличием дефекта в канате,
присутствует как при его перемещении, так и в неподвижном состоянии. Это обстоятельство позволяет
остановить искатель на месте дефекта и точно определить место повреждения.
Страница 322
2
3
5
N
N
4
1
S
S
Рис.
6.76.
Конструкция
искателя
дефектоскопа стальных канатов с использованием
элементов Холла: 1 – стальной канат; 2 –
магнитная система; 3 – концентрирующие кольца;
4 – скосы внутренних стенок колец; 5 – поле
рассеяния; 6 – элементы Холла
6
Магнитные поля рассеяния вдоль каната имеют относительно малые значения (примерно 0,5–15 мТл).
Поэтому магнитную чувствительность преобразователей Холла, воспринимающих эти поля, повышают с
помощью ферромагнитных концентраторов. Магнитный концентратор состоит из двух концентрирующих колец,
в воздушные зазоры которых помещены преобразователи Холла (рис. 6.76). Длина зазора определяется
толщиной элемента Холла и должна быть как можно меньше. Для установки концентратора на канате
концентрирующие кольца, состоящие из двух полуколец, выполняются разъемными.
Выбор материала концентрирующих колец определяется их назначением и вытекающим из этого основным
требованием, которому должен удовлетворять материал. Это прежде всего высокая магнитная проницаемость.
Вместе с тем для магнитопроводов с воздушным зазором эффективная магнитная проницаемость зависит от
отношения длины воздушного зазора к длине магнитного контура и с ростом этого отношения она сильно
падает. При этом значение магнитной проницаемости самого материала уже не играет роли. Поэтому для
концентратора описываемой конструкции применение материалов с высокой магнитной проницаемостью, к
которым относятся дорогие пермаллоевые сплавы, нецелесообразно. Концентраторы изготовлены из
малоуглеродистой термообработанной стали.
Элементы Холла располагаются в воздушных зазорах концентратора равномерно по окружности
центрирующих полуколец. ЭХ по входу (токовые выводы) соединяются параллельно и питаются от общего
источника питания. Для питания элементов выбран постоянный управляющий ток, так как он наиболее
приемлем в переносных приборах и не усложняет схемы питания. Чтобы лучше сконцентрировать и направить
магнитные силовые линии поля рассеяния, возникающие в месте дефекта, на поверхности элементов Холла,
края внутренних стенок колец скошены. По выходу элементы соединяются последовательно и согласно.
Остаточное напряжение компенсируется на выходе группы ЭХ при номинальном управляющем токе включением
одного компенсирующего резистора между общими токовым и холловскими выводами. Поскольку во время
проведения испытания канатов значение управляющего тока остается неизменным, то нарушения компенсации
остаточного напряжения от изменения управляющего тока не будет. Для регистрации сигнала дефекта,
снимаемого с элементов Холла, сигнал с выхода ЭХ усиливается усилителем постоянного тока [29].
Дефектоскоп, реализованный с применением элементов Холла, обеспечивает возможность контроля канатов
как находящихся в эксплуатации (в том числе в труднодоступных местах), так и подлежащих введению в
эксплуатацию и не укрепленных на опорах. Подробнее см. [29].
Страница 323
Магнитоэлектронное устройство для дефектоскопии ферромагнитных изделий,
реализованное с применением тонкопленочных магниторезисторов
Высокочувствительные тонкопленочные магниторезисторы все чаще начинают использоваться в
диагностической аппаратуре и приборах. На рис. 6.77 приведена упрощенная схема использования
магниторезисторного моста для обнаружения дефектов в изделиях, изготовленных из ферромагнитных
материалов.
В данном устройстве датчик магнитного поля состоит из тонкопленочного магниторезисторного моста
KMZ10 и расположенного за ним постоянного магнита. При перемещении такого датчика над поверхностью,
например стального листа, содержащего дефект, возникают искажения топологии магнитного поля.
Дефект
Стальной
лист
L
KMZ10B
d
N
N
N
N
S
S
S
S
Постоянный магнит
а)
UВЫХ
d1
б)
Рис. 6.77. Принцип работы дефектоскопа с использованием
тонкопленочного магниторезистора: а – магнитная
система; б – характер изменения сигнала
d1
L
Для усиления и предварительной обработки сигнала может использоваться схема, приведенная на рис.
6.78. Схема не требует особых пояснений.
В схеме на рис. 6.78 регулировка коэффициента усиления обеспечивается переменным резистором R5.
Установка напряжения смещения осуществляется при помощи резистора R2. Схема обеспечивает определенную
температурную стабилизацию параметров, для чего в ее состав включен терморезистор типа KTY81-120 (R6)
c отрицательным ТКС.
Особенностью применения магнитоэлектронного устройства с использованием магнитной системы (рис.
6.77) и схемы (рис. 6.78) является то, что при точном совпадении центра сквозного дефекта с центром
магниторезистивного моста сигнал на выходе устройства становится близким к 0. При этом расстояниедо
объекта d не является критичным. Эта схема особенно эффективна при «нулевых» измерениях.
+U П (5В)
R3 22k
R4 1k
TP1
Балансировка
R2 10k
R11
220k
DA1.2
+
9
10
8
-
12
13
DA1.3
+
14
R10 22k
-
3
R6
t
Усиление
R5
50
2
R12
10k
VT1
BC558B
DA1.4
-
1
R15 22k
+
KTY81-120
C1 47
R13
220k
R16
100
R7
100
Выход
4
4
6
B
3
R1
1
+
5
DA1.1
R8
180
7
R9 22k
11
R14 110k
TP2
KMZ10B
2
C2
100
R17
2,2k
Общий
DA1.1...DA1.4 - 1/4 операционного усилителя LM324;
R1 - магниторезисторный мост типа KMZ10B;
R6 - терморезистор KTY81-120 с отрицательным ТКС;
TP1,TP2 - контрольные точки.
Рис. 6.78. Принципиальная электрическая схема высокочувствительного магнитоэлектронного
устройства с использованием тонкопленочного магниторезисторного моста типа KMZ10B
Страница 324
Следует отметить, что данная конструкция может использоваться при обнаружении точечных дефектов
малого размера. Размеры обнаруживаемых дефектов определяются конструкцией и параметрами магнитного
датчика Порог чувствительности магнитоэлектронного устройства составляет примерно (5–10)×10-6 Тл. [13,
29].
6.6.2. Промышленные образцы МЭУ для неразрушающего контроля
В последние годы в России несколько активизировалась деятельность по разработке, изготовлению и
промышленному применению оборудования для неразрушающего контроля изделий и материалов.
Центром «Магнитная диагностика трубопроводов» (г. Обнинск) и ГНЦ «Технологический центр» (г.
Зеленоград) создан и успешно эксплуатируется магнитный интраскоп типа МИ-10, который предназначен
для диагностирования линейной части газонефтепроводов, обсадных и насосно-компрессорных труб скважин,
резервуаров.
Диагностирование линейной части газонефтепроводов возможно проводить как при наличии изоляции, так и
без нее при капитальном ремонте трубопроводов и при плановом обследовании. Интраскоп может встраиваться
во внутритрубные инспекционные снаряды или же располагаться с внешней стороны трубопроводов в шурфах.
Объектами контроля интраскопа являются ферромагнитные изделия простой формы типа труб, котлов,
резервуаров, рефракционных колонн, трубопроводов, листового проката и т.д.
Принцип действия интраскопа МИ-10 основан на визуализации магнитных полей рассеяния от дефектов,
возникающих при намагничивании объектов контроля с помощью передвижных намагничивающих устройств
или иным методом, а также при проведение контроля по остаточной намагниченности. При контроле изделий
выявляются протяженные дефекты типа нарушения сплошности (коррозионные и усталостные трещины,
непровары, язвы) при толщине стенки объекта до 25 мм.
Основное отличие магнитного интраскопа МИ-10 от известных приборов, реализующих магнитные методы
диагностирования, заключается в получении двух- и трехмерных изображений полей рассеяния дефектов на
экране персонального компьютера или видеоконтрольного устройства непосредственно в процессе проведения
контроля. По изображению определяются форма дефектов, их размеры, ориентация и взаимное расположение.
Интраскоп осуществляет цифровую обработку получаемых изображений дефектов и оценивает их
геометрические параметры (длину, раскрытие и глубину).
Интраскоп МИ-10 состоит из:
• сканера магнитного поля;
• видеоконтрольного устройства (ВКУ);
• передвижного намагничивающего устройства (НУ) на постоянных магнитах.
В качестве преобразователя магнитного поля в данном интраскопе используются многоэлементные
кремниевые магнитотранзисторные линейные структуры, реализованные в интегральном исполнении.
Основные параметры интраскопа МИ-10 приведены в табл. 6.4.
Предприятием «Интрон Плюс» (г. Москва) разработаны и выпускаются измерители износа стальных
канатов «ИНТРОС». Дефектоскоп «ИНТРОС» состоит из электронного блока и сменных магнитных
головок канатов.
Электронный блок дефектоскопа содержит однокристальный микрокомпьютер и память на 1, 2 или 4
Мбайта для запоминания результатов контроля по каналам потери сечения и локальных дефектов.
Комплект дефектоскопа включает несколько магнитных головок, каждая из которых может быть
подключена к нему кабелем.
Дефектоскоп выполняет следующие функции:
• измеряет потерю сечения каната и обнаруживает локализованные дефекты (обрывы проволок, локальную
коррозию);
• обеспечивает регистрацию дефектограмм каната и имеет возможность сопряжения через стандартный
интерфейс с внешними устройствами обработки и регистрации информации (IBM-совместимый компьютер
и принтер);
• позволяет контролировать канаты круглого поперечного сечения диаметром от 6 до 64 мм.
Контроль канатов обеспечивается при скорости движения каната относительно магнитной головки
дефектоскопа в диапазоне от 0 до 1 м/с при контроле канатов диаметром от 6 до 20 мм и от 0 до 2 м/с при
контроле канатов диаметром от 20 до 64 мм.
В качестве преобразователя магнитного поля в дефектоскопе используются элементы Холла [26, 27, 16].
Основные параметры дефектоскопа «ИНТРОС» приведены в табл. 6.5.
Раскрытие выявляемых дефектов, мкм, не более
Толщина стенки контролируемых объектов, мкм, не более
Глубина залегания выявляемых дефектов, мм
Глубина выявляемых дефектов (в % от толщины стенки)
Минимальная длина выявляемых дефектов, мм, не более
Погрешности измерения длины трещины, %, не более
Погрешности измерения раскрытия поверхностных и подповерхностных трещин ,
Погрешности измерения глубины поверхностных и подповерхностных трещин ,
Точность обработки результатов(определяется погрешностью АЦП сканера), %, не
Разрешающая способность(устанавливается по отдельному заказу), мм
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА, не более
Магнитная чувствительность, В/(А*см) , не менее
Производительность, мм/ мин, не менее
Габаритные размеры ВКУ, мм
Габаритные размеры сканера, мм
Габаритные размеры передвижного гантелеобразного магнита, мм
Габаритные размеры передвижного П-образного магнита, мм
Масса сканера и ВКУ, кг
Масса передвижного П-образного магнита, кг
Масса передвижного гантелеобразного магнита, кг
30
25
20
20
5
7
15
15
0,5
от 0,001 до 2
9
15
300
1
160 x 80 x 20
100 x 60 x 10
200 x 200 x 100
220 x 200 x 200
0,6
5
5
Таблица 6.5. Основные параметры магнитного дефектоскопа «ИНТРОС»
№ п/п
Наименование параметра, единица измерения
1
Размеры контролируемых канатов, мм
2
3
Масса головки, кг
Размеры головки, мм
4
5
6
7
Масса и размеры электронного блока
Погрешность измерения потери сечения каната, %
Порог чувствительности к обрыву проволок, %
Скорость контроля, м/с
8
Объем внутренней памяти (длина
проконтролированного каната), м
9
Время установления рабочего режима, с
10
11
Диапазон измерения потери сечения каната по
металлу, %
Температура окружающей среды, °С
12
Влажность окружающего воздуха, %
13
14
Источники питания
Время работы от одного комплекта источников
питания, час
Исполнение
15
Тип магнитной головки / значение параметра
МГ
МГ
МГ
МГ
МГ 124
МГ 233
6 - 24
20 - 40
24 - 64
40 - 64
Плоские
Плоские
∅ 6…24 ∅ 20...40 ∅24...64 ∅ 40...64
(72-124) x 11,5 (124-233) x 38
3
8
15
15
9
235x230x 330x205x 330x235x 330x235x
285x220x225
64
190
190
190
0,8 кг 230 x 85 x 35 мм
2
1
1
1
2
1
1
1
0,5
0…1
0…2
0…2
0…2
0…1
810...
2000
2000... 8000
не более 5
0…30
-10…+40
( -25...+40 по спецзаказу)
95% при 35° С;
3 аккумулятора типа АА
6
Общее или рудничное взрывозащищенное
23
300x152x 325
2
0…1
Страница 326
6.7. Магнитоэлектронные устройства в экологии и медицине
В конце 70-х годов начались систематические исследования влияния магнитного поля и электромагнитного
излучения на человека и окружающую среду. Первые публикации в прессе были очень обширными, и в качестве
популярного объяснения этих вездесущих полей было принято слово «смог», производное от англ. smoke –
дым и туман.
В последние годы за рубежом все большее распространение получает такое понятие, как электросмог.
Этот термин используется для характеристики влияния магнитных и электромагнитных полей на окружающую
среду и человека.
В связи с чрезвычайной важностью влияния электросмога на окружающую среду и здоровье человека в
1992 г. была создана Международная комиссия по защите от неионизирующих излучений в качестве компаньона
Международной ассоциации радиационной защиты, были разработаны соответствующие Стандарты
Европейского союза.
В природе известны электрическое поле и магнитное как две составляющие электромагнитного поля. Обе
эти составляющие части существуют как в природе, так и являются результатом деятельности человека. Разница
между этими полями заключается в том, что в большинстве своем естественные поля постоянные, то есть они
не меняют полярность. В отличие от этого поля искусственного происхождения переменные, так как они
генерируются переменным током.
В международной практике напряженность электрического поля обозначается символом Е и измеряется в
вольтах на метр (В/м). Напряженность магнитного поля Н измеряется в амперах на метр (А/м) или в величинах
магнитной индукции В в теслах (Тл) или гауссах (гс).
Понятие о магнитосфере
Огромное влияние на природу и человека оказывает магнитосфера – самая внешняя и протяженная оболочка Земли.
Это область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его
взаимодействием с потоками заряженных частиц. Строение магнитосферы Земли приведено на рис. 6.79.
Солнечный
ветер
Солнце
Рис. 6.79. Строение магнитосферы Земли
Переходная область
Ф
ро
нт
уд
ар
но
й
во
лн
ы
Магнитопауза
N
Пл
ра
вато
го эк
итно
н
г
а
еом
сть г
оско
Нейтральн
ый слой
Земля
Радиационный пояс
S
Магнито
пауза
Земля постоянно находится в потоке корпускулярного излучения Солнца, так называемого «солнечного ветра», который
образуется благодаря непрерывному расширению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит из заряженных частиц
(протонов, ядер и ионов гелия, а также более тяжелых положительных ионов и электронов). Солнечная плазма несет с собой
магнитное поле, напряженность которого в среднем равна 4,8ґ10-3 А/м (6ґ10-5 э).
При столкновении потока солнечной плазмы с препятствием – магнитным полем Земли – образуется распространяющаяся
навстречу потоку ударная волна (рис. 6.79), фронт которой со стороны Солнца в среднем локализован на расстоянии 13–14
радиусов Земли (83–89 тыс. км) от ее центра.
За фронтом ударной волны следует переходная область толщиной ~20 тыс. км, где магнитное поле солнечной плазмы
становится неупорядоченным, а движение ее частиц – хаотичным. Переходная область примыкает непосредственно к
магнитосфере Земли, граница которой – магнитопауза – проходит там, где динамическое давление «солнечного ветра»
уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Она расположена со стороны Солнца на расстоянии 12 земных радиусов
(70–80 тыс. км.) от центра Земли, ее толщина ~100 км. Напряженность магнитного поля Земли у магнитопаузы составляет
~8ґ10-2 А/м (10-3 э), то есть значительно выше напряженности поля солнечной плазмы на уровне орбиты Земли.
Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от Земли
структуру ее магнитного поля. Примерно до расстояния трех земных радиусов (~20 тыс. км.) от центра Земли магнитное
поле еще достаточно близко к полю магнитного диполя (напряженность поля убывает с высотой ~1/R3). Регулярность поля
здесь нарушают лишь магнитные аномалии (влияние аномалий сказывается до высот ~0,5R над поверхностью Земли).
На расстояниях, превышающих ~20 тыс. км, магнитное поле ослабевает медленнее, чем поле диполя, а его силовые
линии с солнечной стороны несколько прижаты к Земле.
Линии геомагнитного поля, выходящие из полярных областей Земли, отклоняются «солнечным ветром» на ночную
сторону Земли. Там они образуют «хвост», или «шлейф», магнитосферы протяженностью более 5 млн. км [12, 25].
Страница 327
Возмущения магнитного поля Земли
Магнитное поле Земли подвержено вековым изменениям, которые, видимо, связаны с причинами, лежащими в недрах
Земли. Однако существуют изменения магнитного поля, имеющие периодический характер. Эти изменения имеют внешние
причины и связаны с деятельностью Солнца.
Все геомагнитные колебания условно подразделяют на два класса: регулярные и нерегулярные.
Регулярные колебания характеризуются устойчивостью и получили обозначение Рс. Этот класс колебаний в свою очередь
делится на пять подклассов.
Нерегулярные колебания Pi содержат два подкласса.
Для дневных часов характерен устойчивый тип колебаний Рс, для ночных – нерегулярный тип Pi.
Устойчивые нерегулярные колебания, как полагают, связаны с солнечными, лунными и звездными сутками.
Так, плавное изменение магнитного поля в пределах от нескольких до десятков гамм (1 гамма = 10-5 гс = 1 нТл) объясняют
«динамо-эффектом», возникающим при движении ионизированного вещества поперек силовых линий поля. Такого рода
движения могут быть как приливного характера (вызваны силой тяготения Луны и Земли), так и обусловлены атмосферной
циркуляцией, которая возникает при нагреве атмосферы Солнцем. Интересным типом регулярных короткопериодических
колебаний являются колебания типа «жемчужин», которые объясняются взаимодействием заряженных частиц, испускаемых
Солнцем, с электромагнитным полем в плазме. Период повторения колебаний типа «жемчужин» составляет 1–4 мин.
Амплитуда колебаний ~10–100 гамм. «Жемчужины» с периодом колебания 1 > 2–3 с появляются чаще всего на небольших
территориях, в то время как 1 < 2 с – глобально.
К нерегулярным колебаниям относятся всплески колебаний в ночное время, получившие название «цугов» (режим Pi).
Период таких колебаний может меняться в интервале от 1 до 150 с.
В околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля происходят в широком
диапазоне частот (от 10-5 до 102 Гц) и амплитуд (от 10-3 до 10-7э).
В спокойное время в низких и средних широтах наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные
магнитные вариации с амплитудами 30–70 гамм и 1–5 гамм соответственно.
Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю и продолжающиеся от одного до нескольких дней, называются
мировыми магнитными бурями, во время которых амплитуда отдельных составляющих может превзойти 1000 гамм.
Магнитные бури, как правило, протекают в три фазы. В первую фазу, которая продолжается несколько часов, происходит
возрастание горизонтальной составляющей компоненты поля Н до нескольких десятков и даже сотен гамм. Спустя примерно
час начинается убывание величины горизонтальной составляющей до напряженности на 100 гамм ниже нормальной. Это
вторая фаза, которая продолжается примерно 12 ч. Следующая, заключительная фаза, во время которой напряженность
достигает нормы, продолжается несколько дней. Это, прежде всего, относится к магнитным бурям, наблюдающимся вблизи
полярных сияний.
По интенсивности магнитные бури условно разделяют на очень большие (более 200–500 гамм), большие (100–200
гамм) и малые (50 гамм). Слабые магнитные бури имеют 27-дневную периодичность. Это дает основание полагать, что на
Солнце существуют магнитоактивные области (М области); период появления их равен времени оборота Солнца вокруг
своей оси (27 земных суток).
Магнитная буря – одно из проявлений сильных возмущений магнитосферы, возникающих при изменении
параметров «солнечного ветра», особенно скорости его частиц и нормальной составляющей межпланетного
магнитного поля относительно плоскости эклиптики.
Характер изменения напряженности магнитного поля Земли в период возникновения магнитных бурь
приведен на рис. 6.80.
D
D0
H0
D
D0
H0
H
H
Z
Z
Z0
Магнитная буря
Часы
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Z0
18
20
22
24
Рис. 6.80. Характер изменения напряженности магнитного поля Земли в период возникновения
магнитных бурь
Страница 328
6.7.1. Влияние геомагнитных полей на окружающую среду
Учеными многих стран доказано, что геомагнитные поля влияют на окружающую среду и здоровье людей.
Во-первых, при магнитных бурях наблюдается непосредственное вторжение в магнитосферу частиц
«солнечного ветра», происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных
частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи
на коротких волнах и т.д.
Геомагнитные вариации служат одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы. Магнитные
возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под ее
воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные
прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы «радиопогоды»).
Сильные возмущения магнитосферы сопровождаются появлением в верхней атмосфере Земли полярных
сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотных излучений. Поэтому геомагнитные
данные служат и для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полетах
[12, 25].
Во вторых, геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живые организмы, растительный мир и на человека.
Достоверно установлено, что фактор риска для людей, подверженных сердечно-сосудистым заболеваниям,
испытывает вариации, связанные с изменением солнечной активности. Согласно известной статистике, фактор
риска минимален в годы минимума солнечной активности и достигает максимума в периоды подъема и спада
солнечной активности. Наиболее сильные магнитные бури и магнитосферные возмущения приходятся на период
роста и спада солнечной активности.
Проведенные отечественными учеными исследования показали, что во время магнитных бурь у людей,
страдающих, например, гипертонией, высока вероятность развития криза. В эти же периоды возрастает риск
развития инфарктов миокарда (ИМ), а течение болезни гораздо тяжелее, чем у пациентов, у которых ИМ
развился в относительно спокойной геофизической обстановке. В значительной мере магнитные бури
способствуют развитию нарушений мозгового кровообращения, утяжеляют последствия заболевания.
Смертность при сердечно-сосудистой патологии в первые 24 часа после развития магнитной бури достигает
максимума, что объясняется своеобразной стрессовой реакцией больного организма на изменение магнитной
обстановки, связанной с изменением солнечной активности [18].
Геомагнитное поле является важным фактором, влияющим на такие фундаментальные свойства
эволюционного развития всех без исключения живых организмов, как наследственность и изменчивость,
ответственные за уровень и ход мутагенеза в природе. Следовательно, ГМП – определяющий фактор в
проявлении самых основных свойств живых организмов, и существенную роль в этом играют молекулы воды.
Вместе с тем следует отметить, что сам глубинный механизм столь широкой и универсальной связи живых
организмов с ГМП пока точно неизвестен.
Роль биомагнитных полей. Говоря о связи ГМП с гомеостазом биологических объектов, следует учитывать собственное
магнитное поле живого организма, хотя о нем известно очень немного. По-видимому, оно слагается из сложного
взаимодействия собственных магнитных полей на всех уровнях организации живой материи, начиная с субатомного.
Величина перманентного магнитного поля сердца составляет от 1Ч10-7 до 1Ч10-8 гс, а головы около 10-9 гс. Считается,
что указанные магнитные поля являются производными от ионных электрических токов в головном мозгу и соответственно
в мышечных группах сердца. Сигнал магнитного поля сердца и головы человека идентифицирован как истинный В-вектор,
производимый ионными токами внутри соответствующих частей тела. Для головы человека таким определяющим током
является альфа-ритм, которому свойственны электрические колебания в интервале от 8 до 12 Гц.
Установлено и влияние на живые организмы магнитных полей широкого диапазона частот от 7–12 Гц до 0,029–0,031
Гц. Первый интервал соответствует частоте электрической активности альфа-ритма, а второй – сверхмедленным колебаниям
потенциалов головного мозга.
Связь живых организмов с локальными и глобальными естественными электрическими и магнитными полями подлежит
изучению уже новой дисциплиной – электромагнитной экологией.
Искусственные магнитные и электрические поля и их влияние на природу и человека
Магнитные и электромагнитные поля, то есть электромагнитное излучение, присутствуют везде. Однако напряженность
их компонентов разнообразна и зависит от источника излучения. Постоянные магнитные поля создаются при помощи
постоянных магнитов и электромагнитов, питаемых от источников постоянного тока.
Переменные магнитные поля создаются специальными генераторами и другими электротехническими и
радиоэлектронными устройствами. Например, поля низкой частоты 50–60 Гц генерируются сетями и потребителями
переменного тока. В некоторых странах источниками электромагнитного излучения низкой частоты являются силовые сети
железных дорог с частотой 16 и 2/3 Гц.
Помимо переменных полей, создаваемых сетями питания, электрические устройства генерируют другие частоты в
зависимости от их функций. Источниками электромагнитных излучений являются: связь и радиовещание (телевидение,
мобильные радиосистемы, телекоммуникации, радиосети, системы связи пожарных служб и полиции, военные системы
связи, радиолюбительские передатчики, спутниковые системы связи, радары ПВО и т.п.).
Страница 329
Источниками сильного магнитного поля являются промышленное и научное оборудование, используемое, например,
при вторичной плавке алюминия, электрохимической и электроэрозионной обработке металлов; микроволновые и плавильные
печи, электрические системы, индукционный нагрев; выработка электроэнергии и ее распределение, ускорители частиц,
сварочные агрегаты, электродуговая сварка и сварка пластмасс и др.
Источниками сильного магнитного поля в медицине является оборудование, используемое при плазменном нагреве,
томографии, гипетермии и диатермии, в электрохирургии и т.п.
Влияние магнитного поля на живые организмы
Магнитные поля оказывают всестороннее влияние на живые организмы. Механизм этого влияния весьма
разнообразен и зависит от многих факторов, что может использоваться в различных практических целях.
Магнитные поля являются разновидностью физической материи, осуществляющей связь и взаимодействие
между электрически заряженными частицами. Известно, что ткани организма диамагнитны, то есть под
влиянием магнитного поля не намагничиваются, однако многим составным элементам тканей (например,
воде, форменным элементам крови) могут в магнитном поле сообщаться магнитные свойства.
Физическая сущность действия магнитного поля на организм человека заключается в том, что оно оказывает
влияние на движущиеся в теле электрически заряженные частицы, воздействуя, таким образом, на физикохимические и биохимические процессы. Основой биологического действия МП считают наведение ЭДС в
токе крови и лимфы. По закону магнитной индукции в этих средах, как в хороших движущихся проводниках,
возникают слабые токи, изменяющие течение обменных процессов.
Кроме того, предполагают, что магнитные поля влияют на жидкокристаллические структуры воды, белков,
полипептидов и других соединений. Квант энергии магнитных полей воздействует на электрические и
магнитные взаимосвязи клеточных и внутриклеточных структур, изменяя метаболические процессы в клетке
и проницаемость клеточных мембран [25].
Тепловое воздействие, вызванное поглощением ВЧ излучения
Глубина проникновения ВЧ излучения в организм человека зависит от таких факторов, как размер тела и состав воды в
организме человека. Особенно критична частота от 50 до 500 МГц. При повышении частоты снижается глубина
проникновения. Этот эффект хорошо известен и широко применяется в медицине.
При наличии неконтролируемого излучения опасность заключается в том, что механизмы регулирования
температуры не реагируют на связанные с этим эффекты подогрева. Наши температурные датчики расположены в коже,
где состав воды ниже. Эти датчики не способны засечь подогрев в теле, и поэтому потовые гланды (железы) не
включаются в работу. Следовательно, температура тела поднимается локально или глобально. Эта опасность признана
всеобще и потому предписаны ограничения.
Нетепловые эффекты ВЧ излучения
При модулированном ВЧ излучении возникают нетепловые эффекты на клеточном уровне. Это приводит к ослаблению
иммунной системы, нарушению баланса гормонов и даже оказывает психологическое воздействие.
Выявлено, например, биологическое действие переменных электромагнитных полей в диапазоне от 0,2 до 100 кГц
через изменение клеточной проницаемости биологических мембран.
Воздействие электромагнитного излучения на жизненно важные объекты
В последние годы стал известен термин «электромагнитный терроризм», возникший из-за того, что в
мире, в том числе и в России, появились «специалисты», создающие и использующие устройства, генерирующие
электромагнитное излучение в широком диапазоне частот и мощностей, то есть создающие «организованную»
помеху.
Такое «организованное» электромагнитное излучение оказывает сильное «паразитное» воздействие на
навигационную аппаратуру аэропортов; средства специальной связи милиции, скорой помощи, пожарных служб;
вычислительные комплексы важного назначения и т.д.
В связи с этим возникает необходимость создания и внедрения специальной высокочувствительной
аппаратуры для обнаружения источников магнитного и электромагнитного излучения с целью локализации
деятельности «электромагнитных террористов».
В отличие от смога, который мы видим и ощущаем, человек не может непосредственно чувствовать
электромагнитные поля. Поэтому необходимо вооружить население соответствующей аппаратурой и приборами,
желательно портативными и индивидуального пользования.
Сведения о бытовых и промышленных источниках магнитного поля, воздействующих на человека,
приведены в главе 27 тома 2.
6.7.2. МЭУ для диагностики магнитных бурь
Современные знания о магнитных бурях и их последствиях привели к необходимости разработки
специальных средств, позволяющих своевременно обнаруживать наступление магнитной бури (МБ). При этом
средства обнаружения МБ должны функционировать в реальном масштабе времени и в условиях большого
промышленного города с сильными магнитными помехами, которые по амплитуде могут достигать 1000 нТл
и более.
Страница 330
В этой связи должны решаться две основные технические задачи по разработке и организации
промышленного производства [18]:
• малогабаритных магнитоэлектронных приборов (в том числе и индивидуального пользования),
предназначенных для оценки магнитных возмущений с целью опережающего проведения профилактических
мероприятий;
• автоматизированных комплексов специальной магнитоэлектронной аппаратуры для медицинских
учреждений, предназначенных для регистрации магнитных бурь в условиях промышленных помех города
и для защиты помещений с больными людьми от вредного влияния магнитных возмущений.
Обобщенная функциональная схема прибора для регистрации изменений магнитного поля Земли приведена
на рис. 6.81.
Географический
меридиан
X
Геомагнитный
меридиан
H
D
I
Y
Географическая
параллель
T
Z
К центру Земли
Датчик
магнитного
поля Земли
Рис. 6.81. Обобщенная функциональная схема прибора
для регистрации изменений магнитного поля Земли
Устройство
отсчета
времени
(часы,таймер)
Основным элементом структурной схемы является высокочувствительный датчик магнитного поля Земли.
Такой датчик может быть выполнен на основе микроминиатюрного феррозонда, тонкопленочного
магниторезистора, магнитотранзистора или высокочувствительного элемента Холла. Как правило, датчик МПЗ
содержит специальную катушку, предназначенную для компенсации постоянного магнитного поля Земли, и
другие элементы предварительного усиления, модуляции и обработки сигнала.
Датчик МПЗ может регистрировать одну компоненту магнитного поля (обычно D-составляющую), две
или все три (D, H, Z) компоненты магнитного поля Земли. Остальные элементы структурной схемы (рис. 6.81)
не требуют особых пояснений.
В качестве датчиков магнитного поля Земли наибольшее распространение получили феррозондовые
магнитные датчики и магнитометры на их основе.
Страница 331
Принцип работы феррозондового магнитометра
Высокочувствительные феррозондовые измерители и индикаторы отличаются большим разнообразием структурных и
электрических схем, зависящих от метода обработки сигнала. В качестве примера на рис. 6.82 приведем упрощенную
функциональную схему время-импульсного магнитометра.
ФЗ1
C1
U2
U1
E2
ОУ1
E0
ДУ
R4
СС
∆Ν
E2
R1
R3
ГСИ
ГВ
R5
R2
R6
УПТ
ОУ2
C2
U0
ФЗ2
Рис. 6.82. Упрощенная функциональная схема время-импульсного магнитометра
Функциональная схема магнитометра содержит два идентичных феррозонда ФЗ1 и ФЗ2, возбуждаемых от генератора
ГВ, вырабатывающего импульсный ток треугольной формы. Измерительные обмотки ФЗ1 и ФЗ2 через соответствующие
дифференцирующие цепи С1, R1 и С2, R2 связаны с входами операционных усилителей ОУ1 и ОУ2, которые выполняют
роль компараторов, формирующих прямоугольные импульсы, модулированные по длительности.
На временных диаграммах работы магнитометра (рис. 6.83), приведенных для треугольной формы волны поля
возбуждения Н, видно, что после дифференцирования выходных импульсов U1 феррозонда ФЗ1, продифференцированное
напряжение U2 в моменты переходов через нулевые значения приводит к срабатыванию компаратора ОУ1, формирующего
прямоугольные импульсы Е1. Аналогичным образом компаратор ОУ2, запускаемый сигналом от ФЗ2, формирует импульсы
Е2.
Страница 332
При противофазном включении измерительных обмоток ФЗ1 и ФЗ2 импульсы Е1 имеют длительность отрицательных
полуволн больше, чем положительных, а импульсы Е2 наоборот – длительность положительных больше, чем отрицательных.
Поэтому на выходе дифференциального усилителя ДУ появляется разностный импульсный сигнал Е0 (рис. 6.83), длительность
которого ∆t = Т1 – Т2 пропорциональна измеряемому полю Н0. Импульсы Е0 поступают на схему стробирования СС,
пропускающую от генератора ГСИ высокочастотные импульсы ∆N в течение интервалов времени ∆t. При подсчете числа
импульсов ∆N цифровым счетчиком получается цифровой эквивалент напряженности измеряемого магнитного поля Н0.
Для получения аналогового выхода в схеме магнитометра используется усилитель постоянного тока УПТ с фильтром
нижних частот, выделяющий постоянную составляющую U0 выходных импульсов, пропорциональную напряженности
измеряемого поля.
Благодаря использованию феррозондов с сердечниками переменного сечения [22] удается снизить погрешности
формирования импульсного сигнала. На рис. 6.83 показана для сравнения форма импульсов U2 и U 12 на входе ОУ1,
соответствующих сердечнику переменного и постоянного сечений соответственно. Феррозонд с переменным сечением
сердечника имеет крутизну нарастания фронта импульсов U при переходе через ноль выше, чем феррозонд с постоянным
2
сечением сердечника. Для импульсов U характерно наличие нелинейного ступенчатого изменения фронта при переходе
2
через нуль, что может приводить к неопределенности моментов срабатывания компараторов ОУ1 и ОУ2.
Рассмотренная структурная схема магнитометра при треугольной форме волны возбуждения обладает относительно
высокой стабильностью нулевого уровня и обеспечивает при использовании феррозондов диапазон измерения такого
магнитометра до 100 А/м (~125 мкТл) при нелинейности характеристики преобразования менее 0,1%. Так как магнитометр
не содержит частотно-избирательных элементов, то его предельное быстродействие характеризуется числом измерений в
секунду, равным удвоенной частоте возбуждения феррозонда, в данном случае 4000 Гц.
В магнитометре может использоваться режим синусоидального поля возбуждения, но при этом нелинейность
характеристики преобразования превысит 2,5% [22].
Координатная чувствительность феррозондовых магнитометров формируется при помощи специальных концентраторов
магнитного поля и специфических конструкций самих феррозондов. Направление на источник магнитного поля определяется
по отношению сигналов двух преобразователей, измеряющих компоненты X и Y магнитного поля.
6.7.3. Полупромышленные образцы магнитометров, реализованные с
использованием феррозондов
В качестве примера рассмотрим основные технические характеристики трех магнитометров (ИБМ МФ01, МФ-03 «MAGIC» и МФ-04 «MAGIC»), разработанных сотрудником ИЗМИРАНа В. В. Любимовым и
предназначенных для диагностики магнитных бурь [18].
Основные параметры указанных приборов приведены в табл. 6.6, а на рис. 6.84–6.86 показан их внешний
вид. Все приборы снабжены выносными датчиками магнитного поля Земли (ДМПЗ), построенными на базе
однокомпонентного феррозондового преобразователя, и позволяют производить диагностику и оценивать
интенсивность магнитной бури по величине магнитного склонения D – самой простой в реализации и самой
информативной из составляющих магнитного поля Земли.
Таблица 6.6. Основные параметры приборов ИБМ МФ-01, МФ-03 «MAGIC» и МФ-04 «MAGIC»
№
Наименование параметра, единица измерения
п/п
1 Исполнение
2
3
Тип преобразователя МП
Число одновременно измеряемых составляющих магнитного поля Земли
Число органов управления
Напряжение питания, В
Режим работы
2
6...12
круглосуточный
2
6...12
круглосуточный
2
9
круглосуточный
12
13
14
Длина кабеля выносного датчика, м
Диапазон рабочих температур,°С
Габаритные размеры, мм
10
+20…+35
Н/Д
0,8
+20…+35
165 х 82 х 36
(без выносного
датчика)
6
+20…+35
Н/Д
15
Масса комплекта, кг, не более
1,5
0,7
3
Страница 333
Эти приборы (табл. 6.60 позволяют проводить работы в любых местах и районах земного шара без
проведения дополнительной настройки и регулировки их схемы. Они работают в реальном масштабе времени
и за 1,5–2 ч предупреждают о начале магнитной бури.
Индикатор магнитной бури МФ-01
предназначен для установки в медицинских
учреждениях. Основным отличием этого прибора
является то, что конструкция его достаточно
проста, а его световой индикатор позволяет
визуализировать только мгновенные значения
интенсивности магнитной бури в данной
измерительной точке и требует постоянного
присутствия оператора или установки его
индикаторной части в помещении, где
круглосуточно находится дежурный медицинский
персонал [18].
Световые
индикаторы
состояния
Выносной
датчик
Рис. 6.84. Внешний вид индикатора магнитной бури ИБМ МФ-01
Однокомпонентный малогабаритный
переносной феррозондовый магнитометр МФ03 «MAGIC» представляет собой более
сложную модель и предусматривает кроме
цифровой индикации результатов измерений
вывод информации на аналоговые
самопишущие приборы.
Для регистрации результатов измерений
вариаций магнитного поля, уровня
электромагнитных шумов и импульсных помех
использовались ленточные самопишущие
потенциометры типа КСП-4, Н-39, Н399 и
другие [18].
Выносной
датчик
МФ-03
MAGIC
Рис. 6.85. Внешний вид диагностического
магнитометра МФ-03 «MAGIC»
17:25
К сетевому
адаптеру
Аналоговый
самописец
ИБМ
Выносной
датчик
Рис. 6.86. Внешний вид индикатора магнитных бурь
МФ-04 «MAGIC»
Индикатор магнитных бурь МФ-04 «MAGIK»
не требует постоянного присутствия дежурного
персонала, так как вся информация о вариациях
МПЗ, осредненных на часовом измерительном
интервале, фиксируется на индикаторном табло в
течение суток, последовательно сдвигаясь
(обновляясь) в текущем времени.
Одной из сложных проблем при
использовании указанных приборов в условиях
промышленного города или конкретного объекта,
содержащего массу источников электромагнитных
излучений, является поиск оптимального места для
размещения выносных датчиков МПЗ. Такие
места,
как
правило,
определяются
экспериментальным путем.
Страница 334
В табл. 6.7 представлены техногенные характеристики и дана оценка максимального уровня помех по
магнитному полю – по D-составляющей вектора магнитного поля Земли – некоторых точек наблюдения.
Наблюдения проводились при помощи приборов серии МФ [18].
Таблица 6.7. Техногенные характеристики магнитного поля по D-составляющей вектора магнитного поля
Земли в некоторых точках наблюдения
Местоположение
индикатора
магнитной
бури (ИБМ)
г. Москва
Место
установки
прибора
Высота над
уровнем
Земли
Максимальный
уровень
импульсных
помех ,
нТл
Максимальный
градиент
магнитного
поля,
нТл
80...100
(80…100)
менее 30
20...30
500...1000
шоссе - 0,1 км
ПП - 0,03...0,1 км
15...30
20
Шоссе - 0,1 км
ПП - - 0,3 км
30...50
400...600
100...200
600...800
10...20
5
65...70
10
100...500
Характеристик
а окружающих
источников
помех
ЖД - 0,5 км
ТР - 0,5 км
Центральная
5-ый этаж,
ПП - 0,1...0,3 км
клиническая 8-ми этажного
ЖД - 0,05...0,1
больница №3
дома
км Лифт 0,01 км
г. Троицк
Московской
обл.
ИЗМИРАН
немагнитный
павильон
г. Троицк
Московской
обл.
г. Троицк
Московской
обл.
ИЗМИРАН
главный
корпус
1 этаж
3-ий этаж
3-х этажного
дома
6-ой этаж
16-ти этажного
дома
Шоссе - 0,1 км
ЖД - 0,05 км
ПБУ - на 1-ом эт.
ТР - 0,2 км
1...3 этаж
ЖД - 0,03 км
г. Ялта
Сейсмостанци
3-х этажного
Стройка - 0,01
Крымской обл.
я “Ялта”
дома
км ЛЭП - 0,01 км
Шоссе - 0,15 км
3 - ий этаж
г. Кисловодск
ЖД - 0,05 км
ЦНИИКиФ
Ставропольский
3-х этажного
Стройка -0,05 км
клиника
край
дома
Котельная-1 эт.
ТР - 0,01 км
Подвал
г. Симферополь
Крымская
ЖД - 0,01 км
5-ти этажного
Крымская обл
ОМКП
дома
Жилой дом
800...1000
Менее 5
10...35
10...20
50...80
700...1000
Сокращения: ЖД – жилые дома; ЖЛД – железная дорога; Тр – троллейбусная линия; ПП –
промышленное предприятие; ПБУ – предприятие службы быта; ЛЭП – линия электропередачи.
На рис. 6.87 показана типичная картина, получаемая при использовании магнитометра типа МФ-03. На
данном рисунке приведены две характеристики МПЗ, полученные в одно и то же время на двух различных
объектах контроля [18].
Рис. 6.87. Характер изменения напряженности магнитного поля Земли при использовании ИБМ типа
МФ-03
Страница 335
К сожалению, серийный выпуск приборов ИБМ МФ-01, МФ-03 «MAGIC» и МФ-04 «MAGIC» в России не
осуществлялся. Разработчиком было изготовлено более 30 опытных образцов [18].
При разработке и изготовлении ИБМ наиболее сложным и трудоемким является изготовление датчика
МПЗ. В настоящее время зарубежными фирмами освоен промышленный выпуск миниатюрных феррозондовых
датчиков с достаточно высоким уровнем магнитоэлектрических параметров, которые приводятся в главе 24
тома 2.
6.7.4. МЭУ в магнитотерапии
Магнитотерапия – метод физиотерапии, при которой на организм человека воздействуют постоянным
или переменным низкочастотным магнитным полем.
Изучение влияния МП на различные органы и системы организма человека позволило установить некоторые
различия в действии постоянного и переменного МП. Так, например, под воздействием постоянного магнитного
поля понижается возбудимость центральной нервной системы, ускоряется прохождение нервных импульсов.
Переменное магнитное поле усиливает тормозные процессы в центральной нервной системе.
Терапевтическое воздействие МП изучено недостаточно, но на основании имеющихся данных можно
сделать вывод, что они оказывают противовоспалительное, противоотечное, седативное, болеутоляющее
действие; улучшают микроциркуляцию, стимулируют регенеративные и репаративные процессы в тканях.
Показаниями для назначения магнитотерапии являются заболевания: сердечно-сосудистой системы
(ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь I стадии); периферических сосудов (облитерирующий
эндартерит, атеросклероз сосудов нижних конечностей, хроническая венозная недостаточность с наличием
трофических язв, тромбофлебит и др.); органов пищеварения (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной
кишки); опорно-двигательного аппарата (ревматоидный артрит, остеоартроз и др.); ЦНС (последствия
перенесенного нарушения мозгового кровообращения, черепно-мозговой травмы);кожные (аллергические и
зудящие дерматозы, нейродермит, экзема и др.).
Магнитотерапия противопоказана при гипотонии, нейроциркуляторной дистонии с лабильным
артериальным давлением, тенденциях к кровотечениям, гипокоагуляции крови. Кроме того, магнитотерапия
противопоказана лицам, по роду профессии контактирующим с магнитными полями. (Подробнее см. [18, 23,
58].)
Источники постоянного магнитного поля в магнитотерапии
Источниками постоянного магнитного поля в магнитотерапии являются магнитофоры или магнитоэласты.
Они представляют собой магнитоносители, изготовленные из полимерных, минеральных или порошкообразных
ферромагнитных наполнителей, с небольшой магнитной активностью, равной обычно 10–50 мТл. Выполняются
обычно в виде листов, пластин, пленок, колец, бус, браслетов, клипсов, поясов, стелек, магнитных повязок,
рубашек, жилетов и т.д. Подробнее см. [58].
Источники переменного магнитного поля в магнитотерапии
Источниками переменного магнитного поля в магнитотерапии являются специальные аппараты для
облучения электромагнитными волнами низкой частоты.
Магнитотерапевтические аппараты (МТА) состоят из электронного блока управления с пультом и блоком
питания, которые связаны с резонансным индуктором, излучающим переменное электромагнитное поле низкой
частоты.
Биологическое действие магнитного поля основано на наведении в электропроводящих потоках крови и
лимфы как в движущемся проводнике электродвижущей силы, изменяющей течение обменных процессов в
организме. При этом переменное магнитное поле усиливает тормозные процессы в центральной нервной
системе.
Для нужд магнитотерапии используются различные виды переменных электромагнитных полей –
знакопеременные, пульсирующие, вращающиеся, бегущие и др. В качестве источников переменного магнитного
поля используются специальные генераторы, которые в зависимости от назначения могут быть портативными
или стационарными.
В табл. 6.8 приводятся некоторые параметры портативных магнитотерапевтических аппаратов, а в табл.
6.9 – стационарных [12, 25].
Страница 336
№ п/п
Тип аппарата
1
ИНФИТА
2
ИНФИТА-Т
(приставка к аппарату ИНФИТА)
ИНФИТА-БИО
(приставка к аппарату ИНФИТА)
ИНФИТА-БП
(приставка к аппарату ИНФИТА)
3
4
ЭЛЕМАГС
(ЛОР приставка к аппарату
ИНФИТА)
Урологический электромагнитный
стимулятор ЭЛС
5
6
7
«Магнитер»
8
«Маг-30-3»
9
«Спектр»
Потребляемая
мощность,
Вт
Масса аппарата, кг
Таблица 6.8. Основные параметры портативных аппаратов медицинского назначения, предназначенных для
облучения электромагнитными волнами низкой частоты
220, 30, 40,
52, 57, 60, 64,
70, 75, 80
10
3
бегущее импульсное
низкочастотное электромагнитное поле
20-80
10
3
то-же
20-80
10
3
то-же
20-80
10
3
то-же
0-80
10
3
то-же
1 - 5 мТл.
2 - 3 кГц.
(5 - 6 Гц)
0,1
0,3
низкочастотное
модулированное
электромагнитное поле
2650 х 1250 х
2100х1190х1300
2450 х 450 х 410
184 х 190 х 194
Н/Д
115 х 342 х 360
1840 х1360 х 800
420 х 310 х 120
420 х 310 х 120
420 х 310 х 120
Н/Д
386 х 255 х 230
Н/Д
386 х 255 х 230
1850 х 470 х 400
210х530х400
Страница 337
Как видно из табл. 6.9, в зависимости от желаемого характера электромагнитного поля индукторы
выполняются кольцевыми (соленоиды) или плоскими.
Аппарат «Магнето-4» с кольцевым индуктором может перемещаться по продольным направляющим стола с
пациентом. Аппарат той же фирмы «Магнето-1» комплектуется плоским индуктором. В МТА с кольцевыми
индукторами воздействие поля на пациента осуществляется бесконтактно, а в аппаратах с плоскими индукторами
(за редким исключением) – контактно. При этом в аппаратах с плоскими индукторами генерируются
электромагнитные поля, магнитная индукция которых измеряется десятками миллитесла, а в аппаратах с
кольцевыми индукторами магнитная индукция, как правило, на порядок меньше.
Контроль индукции магнитного поля у всех отечественных МТА осуществляется по выходному току или
по показаниям лимбов ручек управления. Непосредственного измерения уровня электромагнитного излучения
не производится.
На рис. 6.88.а приведена электрическая схема простого устройства, предназначенного для
профилактического лечения магнитным полем.
+UП(5-15В)
VD1
КД104
5
C1
0,1
DD1
КР1006ВИ1
M4
Sw2
3
Sw3
2
6
1
Sw1
R3
0,33
∅ 10
8
R2
0,75
∅ 30
4
R1
1,3
L1
∅ 27
а)
Материал Ст.30
10
B
18
C2
0,68
20
-UП(5-15В)
б)
Рис. 6.88. Простое устройство для лечения магнитным полем: а – электрическая схема; б –
конструкция источника магнитного поля
Предлагаемый вариант устройства выполнен на основе ИС таймера типа КР1006ВИ1, который работает в
режиме генератора прямоугольных импульсов. Частота следования импульсов устанавливается в пределах 1–
10 Гц путем коммутации переключателей Sw1–Sw 4.
В качестве источника магнитного поля используется катушка L1, конструкция которой приведена на рис.
6.88б. Сердечник катушки изготовлен из мягкой стали. Обмотка катушки выполняется бескаркасной, проводом
ПЭВ-2 (Ж 0,1–0,15 мм) с пропиткой каждого слоя эпоксидной смолой. Сопротивление катушки составляет от
30 до 50 Ом в зависимости от диаметра провода.
Все устройство монтируется на круглой печатной плате диаметром 50 мм и имеет вид больших наручных
часов с ушками. В ушки продергивается ремешок для закрепления устройства на руке или ноге.
Устройство питается от обычного сетевого адаптера (220/5, 9, 12 В) с максимальным током до 200 мА.
Величина индукции магнитного поля устанавливается переключателем напряжения адаптера.
Это устройство может использоваться как обезболивающее при головных болях и мигренях, как
стимулирующее средство при неврозах и переутомлении, для снятия ревматических болей и т.д. Частота
магнитного поля подбирается индивидуально с помощью соответствующих переключателей. Обычно более
низкие частоты используют при снятии ревматических болей, а более высокие – головных. Минимальное
время ежедневного сеанса выбирается индивидуально и обычно составляет 15 мин.
6.7.5. Портативные приборы для измерения индукции магнитного поля
Во избежание побочных явлений, связанных с вредным воздействием магнитного поля, возникает
необходимость постоянного и оперативного контроля магнитной обстановки. В быту контролировать
магнитную обстановку можно при помощи простых портативных приборов.
На рис. 6.89 в качестве примера приведена принципиальная электрическая схема простого портативного
миллитесламетра типа МТ-1 с температурной компенсацией основных параметров [20].
Страница 338
+UП (15B)
B1
3
B
7
3 +
2
-
8
C1
100
6
DA1
1
C5 100
R1 20k
C2 0,01
3
5
C3
0,1
4
C7 30
7
+
2
-
8
5
4 1
2
11
C4 0,01
DA3
6
+
R10 20k
-15B
R4 15
4
1
VT1
КП103А
DA1,DA3 - операционный усилитель
типа К140УД13DA2,
DA4 - операционный усилитель R2
1k
типа К153УД2
В1 - элемент Холла типа ХАГЭ-2.
R3
1,6 k
R6
2,5
5
-
11
10
DA2
R17*
R18*
R19*
R8
100
P1
R9
51k
+
-15B
R15*
R14
1,6k
R7
330
10
6 R13 5,1k
R16*
+15B
4
-
12
DA4
R12
5,1k
R11
5,1k
R5 330k
3
5
C6 0,1
4
6
R15*...R19*
подбираются в
зависимости
от типа
измерительного
прибора Р1
VD1 Д814А
-UП (15B)
Рис. 6.89. Принципиальная электрическая схема миллитесламетра МТ-1
В приборе использован мезапланарный элемент Холла на основе эпитаксиальной пленки из арсeнида галлия
с RВХ =200 Ом и током управления – 10 мА. Элемент Холла размещается в корпусе выносного зонда,
соединенного с прибором специальным кабелем при помощи разъема. ЭХ питается от стабилизированного
источника питания VT1, VD1 и DA2. Усилитель напряжения сигнала ЭХ реализован на операционных
усилителях DA1, DA3, DA4. Первый и второй каскады усиления DA1, DA3 выполнены на ОУ типа К140УД13,
имеющих высокое входное сопротивление, низкий уровень дрейфа нуля и большой коэффициент подавления
синфазного сигнала.
Входной каскад усилителя D1 осуществляет предварительное усиление дифференциального сигнала ЭХ и
исключает синфазное напряжение относительно общего провода схемы. В следующем каскаде DA3 происходит
вычитание начального напряжения неэквипотенциальности элемента Холла UОСТ при помощи подачи
напряжения смещения на инвертирующий вход усилителя DA3 с делителя напряжения R9, R7, R8, а также
компенсации температурного изменения напряжения неэквипотенциальности подачей компенсирующего
напряжения на инвертирующий вход DA3 с делителя напряжения R4, R5, R6.
Резисторами R7, R8 производится установка 0 грубо и точно, а потенциометром R5 осуществляется
установка уровня температурной компенсации напряжения неэквипотенциальности. Результаты измерений
регистрируются стрелочным прибором Р1 с пределом измерений 50–100 мкА. Прибор размещается в
пластмассовом корпусе с габаритами 115 х 215 х 90 мм. Питание прибора осуществляется от сети 220 В при
помощи встроенного источника питания.
Миллитесламетр позволяет измерять индукцию постоянного и медленно меняющегося магнитного поля
на поддиапазонах 0,06; 0,15; 0,6; 1,5 и 6 мТл при неконтролируемом изменении температуры зонда в диапазоне
от 0 до +100 °С [20].
Электромагнитное поле можно измерить при помощи простейшего прибора, схема которого приведена на
рис. 6.90. Схема не требует особых пояснений.
+UП(9В)
C3 150
R1
10k
R7 10k
R3 2,2
R6 1,0
VD1
P1 250 мкА
C1 0,1
Рис. 6.90. Принципиальная электрическая
схема
измерителя
эл ектромагнитного
поля
C4 220,0
-
L1
1 mH
+
C2
10,0
+
R2
10k
DA1
+
VD2
R5 2,2k
R4
10
VT1
C5
220,0
+
+
Тлф
(8...10 Ом)
DA1- операционный усилитель типа LF351
VT1 - транзистор типа BC109C
C6
100,0
-UП(9В)
Страница 339
В качестве преобразователя магнитного поля используется катушка L индуктивностью 1 мГн. Для каркаса
катушки используется корпус шариковой авторучки диаметром 8 мм. Прибор дает возможность оценивать
уровень излучения ЭМП в диапазоне 45–65 Гц. Чувствительность прибора такова, что позволяет обнаруживать
поле 20-ваттного трансформатора на расстоянии около 200 мм. Стрелочный индикатор прибора можно
калибровать в единицах магнитной индукции (мТл, А/м) или в единицах напряженности поля (В/м). Калибровка
производится по стандартным измерительным приборам.
Этот же прибор может использоваться и для поиска дефектов в скрытой электропроводке.
+UП(9В)
R1
22k
R3 10k
R4 2,2
C1 0,1
-
L1
1 mH
C4 220,0
+
+
C2
100,0
+
R2
22k
DA1
R4
10
+
C6
100,0
Тлф
(8...10 Ом)
-UП(9В)
DA1- операционный усилитель типа LF351 или UA741
Рис. 6.91. Принципиальная электрическая схема входного каскада измерителя электромагнитного поля
с расширенным частотным диапазоном
При необходимости можно расширить диапазон рабочих частот измерителя ЭМП. Для этого входной
каскад прибора необходимо выполнить в соответствии со схемой, приведенной на рис. 6.91. В этом случае
частотный диапазон расширяется до 150 кГц. Выход «тлф» может использоваться для звукового контроля
ЭМП с частотой до 15 кГц, для чего используются наушники с сопротивлением 8–10 Ом.
Основные параметры некоторых типов портативных измерителей индукции магнитного поля приведены
в главе 25 тома 2.
Страница 340
Список литературы к главе 6
1. Абакумов А. А. (мл.), Амеличев В. В., Галушков А. И., Лебедев В. Л. Исследование интегрального
матричного преобразователя магнитного поля на основе МОП магнитотранзисторов. Тезисы докладов IX
научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и
управления (датчик-97)», г. Гурзуф. 1997.
2. Абакумов А. А. Матричный преобразователь магнитных полей к структуроскопу. Описание а. с. номер
859904 СССР. Опубл. 1981. Бюл. номер 32.
3. Абакумов А. А., Абакумов А. А. (мл.), Галушков А. И. Перспективы применения матричных
полупроводниковых преобразователей магнитного поля в системах слежения за развитием трещин
трубопроводов и резервуаров. Тезисы докладов X научно-технической конференции «Датчики и преобразователи
информации систем измерения, контроля и управления (датчик-98)», г. Гурзуф.
4. Абакумов А. А., Абакумов А. А. (мл.), Чаплыгин Ю. А., Галушков А. И. Оценка погрешностей, калибровка
и градуировка полупроводниковых матричных сканеров распределенных магнитных полей. Тезисы докладов
VIII научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля
и управления (датчик-96)», г. Гурзуф. 1996.
5. Акимов Н. Н., Ващуков Е. П. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. – Минск: Беларусь, 1994. – 591 с.
6. Атертон Д. Л., Ивлин Д. К., Ноубл Д. Дифференциальный с усилением по переменному току
преобразователь Холла для измерения остаточного магнитного поля. Материалы фирмы «F.W. Bell». 1984. –
17 c.
7. Афанасьев Ю. В. и др. Средства измерения параметров магнитного поля. – Л: Энергия, 1979. – 320 с.
8. Бараночников М. Л. Применение магниторезисторов // Радио, 1994, № 11, – с. 34–36; № 12, – с. 36–38.
9. Гурьев И. С. Адаптивные магнитометрические системы контроля пространственного положения. – Л.:
Энергоатомиздат, 1988. – 96 с.
10. Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение. – М.: Радио и
связь, 1987. – 88 с.
11. Зайцев Ю. В., Марченко А. Н., Ващенко В. И. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. – М.:
Энергоиздат, 1988. – 136 с.
12. Земной магнетизм. БСЭ. Издание третье. 1972. Т. 9. – С. 502–504.
13. Использование устройства KMZ-10. Инструкция по эксплуатации фирмы «Valvo». 1988. – 26 с. Пер. ст.
из журнала «Electronic Components and Applications», 1988, vol/8, #4, pр. 229–239.
14. Катыс Г. П. Автоматическое сканирование. – М.: Машиностроение, 1969 – 520 с.
15. Компас. БСЭ. Издание третье. 1973. Т. 12. – С. 581.
16. Котельников В. С., Сухоруков В. В. Дефектоскопия канатов грузоподъемных машин // Безопасность
труда в промышленности, № 5, 1998. – С. 34–38.
17. Ллойд Дж. Системы тепловидения. – М.: Мир, 1978. – 414 с.
18. Любимов В. В., Гурфинкель Ю. И., Ораевский В. В. Опыт применения диагностических магнитометров
в условиях города и клиниках. ИЗМИ РАН. – М., 1993. – 28 с.
19. Микросхемы Холла серии К1116КП. «ГИПЕРОН». – М., 1991. – 58 с.
20. Мирзабаев М. М., Потаенко К. Д. и др. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение. Ташкент.
ФАН Уз. ССР, 1986. – 214 с.
21. Прецизионный микромощный инструментальный усилитель INA-118P. 1998. – 7 c. (Проспект фирмы
«Burr-Brown»).
22. Семенов Н. М., Яковлев Н. И. Цифровые феррозондовые магнитометры. – Л.: Энергия, 1978. – 168 с.
23. Сига Х., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику. – М.: Мир, 1989. – 232 с.
24. Ситников Э. К., Хомерики О. К. Принципы построения магнитных систем бесконтактных клавиш,
предназначенных для ручного ввода информации. – В кн. Теория и устройства систем автоматического
управления. – Тбилиси: Мециереба, 1979. – С. 24–37.
25. Строение Земли. Магнитосфера. БСЭ. Издание третье.1972. Т. 9. – С. 478–479.
26. Сухоруков В. В. Неразрушающий контроль стальных канатов: новые приборы // Контроль. Диагностика,
№ 1, 1998.
27. Тимофеев Б. М. Опыт магнитной дефектоскопии стальных канатов шахтных подъемов на Зыряновском
горно-обогатительном комбинате // Горная промышленность, № 1, 1999.
28. Хенке Г. Линейные и дискретные датчики Холла. Основы теории и приложения. D-6050 Offenbach. 1990.
– 16 c. (Материал фирмы «Honeywell GmbH»).
29. Хомерики О. К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. – М.: Энергоиздат, 1986. – 136
с.
30. «1 & 2 Axis Magmetoresistive Microcircuits HMC1021 / 1022. 1999. – 4 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
Страница 341
31. 89 Murata Products. Sensors. (Каталог фирмы «Murata»). – С. 53–57.
32. Apteurs magnetoresistifs (KMZ10A, KMZ10B, KMZ10C.). 1989. – 4 p. (Каталог фирмы «RTC»).
33. Bharat B., Pant Ph. D., Physics Mike Caruso. Sensor Applications Engineer. Magnetic Sensor Cross-Axis
Effect. 1999. – 6 р. (Рекомендация фирмы «Honeywell»).
34. Compass heading using magnetometers. 1999. – 2 р. (Материалы фирмы «Honeywell»).
35. Digital Compass Module HMR3000. 1999. – 2 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
36. Earth Magnetic Field Sensor EMF-01. 2000. – 2 p. (Проспект фирмы «Xensor Integration bv»).
37. Hall Effect Transducers. How to apply them as sensors. MICRO SWITCH a Honeywell Division, 1988. – 280
р.
38. Handbook. File under Discrete Semiconductors. SC17. Data Sheet General. Magnetic field sensors. Discrete
Semiconductors. «Philips Semiconductors». 1998, Jun 12. – 58 p.
39. Handbook. File under Discrete Semiconductors. SC17. Data Sheet General. Rotational speed measurement.
«Philips Semiconductors». File under Discrete Semiconductors, SC17. 1998, Jun 15. – 27 p.
40. Highly Sensitive Hall Generator (Cylindrical Hall) CYH-21. 2000. – 3 p. (Проспект фирмы «SENTRON
AG»).
41. High-Sensitivity Magnetoresistive Magnetometer MMS101. (Проспект фирмы «Space Electronics Inc.»),
1994.
42. High-Sensitivity Magnetoresistive Magnetometer MMS101. 1994. – 4 p. (Проспект фирмы «Space Electronics Inc.»),
43. Instrumentation Amplifier Application Guide. 2ND Edition. Analog Devices. 1992. – 50 p. (Материал фирмы
«Analog Devices»).
44. Integrated 2-Axis Hall Element 2D-VD-11. 2000. – 2 p. (Проспект фирмы «SENTRON AG»).
45. Integrated 3-Axis Hall Generator 3D-H-10. 2000. – 2 p. (Проспект фирмы «SENTRON AG»).
46. Linear / Angular Displacement Sensor HMC1501. 1999. – 2 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
47. Magnetic gradiometer circuit. 1999. – 1 р. (Рекомендация фирмы «Honeywell»).
48. Magnetic sensor hybrid application circuit. 1999. – 1 р. Рекомендация фирмы «Honeywell»,
49. Magnetic Sensor Products HMC / HMR Series. 1999. – 4 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
50. Michael J. Caruso. Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems. 1999. – 8 р. (Материал
фирмы «Honeywell»).
51. MICRO SWITCH. Sensing and Control. Solid State Sensors. Catalogue E20. Honeywell. 1997.
52. Micropower, ultra-sensimive Hall-effect switch 3210. 1999. – 12 р. (Проспект фирмы «Allegro MicroSystems»).
53. Mike Caruso. Sensor Applications Engineer. Set / Reset pulse circuits for HMC1021/22. 1999. – 2 р. (Материал
фирмы «Honeywell»).
54. Model CS-150 and CSS-150. Current Switches. 1999. – 2 р. (Проспект фирмы «F. W. Bell»).
55. One and two axis magnetic sensors HMC1001 HMC1002. 1999. – 8 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
56. One-axis magmetoresistive microcircut. HMC1001. Honeywell. 1995. – 2 p. (Проспект фирмы «Honeywell»).
57. Pression Single Supply Instrumentation Amplifier. Analog Devices. 1997. – 16 p. (Материал фирмы «Analog
Devices»).
58. Ron Lawrence, Paul J. Rosch, Judith Plowden. Magnet Therapy. The pain cure alternative. (Магнитотерапия.
Альтернативный метод облегчения боли). Пер. с англ. – М: КРОН-ПРЕСС, 1998. – 234 c
59. RS Components. Catalogue, 1998. – 2000 c. (Каталог фирмы «RS Components»).
60. Schott Ch., Popovic R. S. Integrated 3-D Magnetic Field Sensor. EPFL-Swiss Fed. Inst. of Technology. 1999. –
4 p.
61. Set/Reset pulse circuits for magnetic sensors. 1999. – 3 р. (Материал фирмы «Honeywell»).
62. Siemens Component Service. Preferred Products 1977. – Рp.38–43. (Каталог фирмы «Siemens
Aktiengesrllschaft»).
63. Siemens Component Service. Preferred Products 1997. – 28 p. (Каталог фирмы «Siemens Aktiengesrllschaft»).
64. Siemens Component Service. Preferred Products. April 1990. – 13 p. (Каталог фирмы «Siemens
Aktiengesrllschaft»).
65. Smart digital magnetometer HMR2300. 1999. – 12 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
66. Smart digital magnetometer in the laboratory AN-200. 1999. – 2 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
67. Smart digital magnetometr. HMR Series. Honeywell. 1995. – 2 p. (Проспект фирмы «Honeywell»).
68. Solid State Sensors. Position, current, flow, liquel level and temperature sensors. Catalogue E20. Honeywell.
1989. – Рр. 4–48.
69. Terrestrial magnetic field sensor units. Perpendicular flux gate method TMS series. 1999. – 1 р. (Материалы
фирмы «TDK»).
70. The MICR0 SWITCH key advantage:Hall-effect Keyboards from the developers of Hall-effect technology.
SD Series . 1999. -22 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
71. Three-Axis Magnetic Sensor Hybrid HMC2003. 1999. – 4 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
Страница 342
72. Three-axis strapdown magnetometer HMR2300r. 1999. – 8 р. (Проспект фирмы «Honeywell»).
73. Tree-axis magnetic sensor hybrid. HMC2003. Honeywell. 1995. –2 p. (Проспект фирмы Honeywell»).
74. Two-axis magmetoresistive microcircut. HMC1002. Honeywell. 1995. – 2 p. (Проспект фирмы Honeywell»).
75. Wellhausen H. Elecktronischer Kompab // Elektronic, 8/14, 4, 1987. – Рp. 85–89.
Страница 343
Глава 7. Основные элементы конструкции изделий микромагнитоэлектроники
Конструкция современных изделий микромагнитоэлектроники является достаточно сложной и состоит из
множества различных узлов, деталей и элементов.
В общем виде конструктивные элементы изделий микромагнитоэлектроники могут быть представлены
одним, достаточно общим, термином - арматура.
На рис. 7.1 приведены основные элементы, обобщенно представляющие арматуру изделий
микромагнитоэлектроники.
Рис. 7.1. Основные элементы, обобщенно представляющие арматуру изделий микромагнитоэлектроники.
7.1. Постоянные магниты
Постоянный магнит является основным элементом большинства изделий микромагнитоэлектроники. К
постоянному магниту, используемому в изделиях микромагнитоэлектроники, предъявляются определенные
требования, которые зависят от конкретных условий применения и конструкции изделия.
Из общих требований можно отметить следующие.
Постоянный магнит должен обладать широкой петлей гистерезиса, которая обеспечивает большую энергию
его перемагничивания и, следовательно, не только максимальную удельную энергию (большая сила при меньшем
объеме), но и большую устойчивость к воздействию мощных посторонних магнитных полей.
Основным действующими стандартом на термины и определения в области магнитные материалов является
ГОСТ 19693-74 (Материалы магнитные. Термины и определения. СССР) и его продолжения, содержащие
порядка 130 терминов.
В таблице 7.1 приводятся определения некоторых наиболее употребляемых терминов, относящихся к общим
характеристикам и параметрам материалов используемых для изготовления постоянных магнитов.
Таблица 7.1. Основные термины и определения, используемые при оценке качества
постоянных магнитов.
Условное
Наименование параметра,
Единица
обозначеОпределение
термина.
измерения
ние
гс
Индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его
Остаточная индукция
Br
кгс
до насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля.
Тл
Коэрцитивная сила по
намагниченности
НС
Коэрцитивная сила по
индукции
НВ
э; кэ
А/м
кА/м
э; кэ
А/м
кА/м
Величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для
изменения намагниченности от остаточной намагниченности до нуля
Величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для
изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля
Удельная энергия
(плотность) магнитногополя
W
Дж/м3
Величина, равная половине скалярного произведения вектора магнитной
индукции на вектор напряженности магнитного поля в какой-либо точке поля.
Термин удельная энергия , определяемый как энергоемкость часто
используется при оценке качества постоянных магнитов.
Энергетическое
произведение
ВН
Тл*А/м
Мгс*э
Величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на
вектор напряженности магнитного поля в какой либо точке поля.
Максимальная индукция
BD
Максимальная
напряженность
НD
гс
кгс
Тл
э; кэ
А/м
кА/м
Индукция, соответствующая максимальной удельной энергии
Напряженность, соответствующая максимальной удельной энергии
Страница 344
Продолжение таблицы 7.1.
Условное
Наименование параметра,
Единица
обозначеОпределение
термина.
измерения
ние
Величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для
э; кэ
Релаксационная
НК
приведения магнитного материала с остаточной намагниченностью в
А/м
коэрцитивная сила
статически размагниченное состояние
кА/м
Температурный
Коэффициент изменения магнитной индукции, вызванной изменением
αB
коэффициент остаточной
%/ °С
температуры
индукции
Температура постоянного магнита при которой области спонтанного
Θ
намагничивания (домены) под действием теплового движения разрушаются и
Точка Кюри
°С
ТК
ферромагнетик становится парамагнетиком. Т.е. происходит размагничивание
магнита.
Кривая, выражающая зависимость магнитной индукции от напряженности
Начальная кривая
магнитного поля в процессе намагничивания, предварительно термически
намагничивания по
размагниченного (нагретого выше точки Кюри или точки Нееля) магнитного
индукции
материала при монотонном возрастании напряженности магнитного поля.
Кривая, выражающая зависимость намагниченности от напряженности
Начальная кривая
магнитного поля в процессе намагничивания, предварительно термически
намагничивания по
размагниченного (нагретого выше точки Кюри или точки Нееля) магнитного
намагниченности
материала при монотонном возрастании напряженности магнитного поля.
Кривая, представляющая собой геометрическое место вершин симметричных
Основная кривая
петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно
намагничивания
возрастающих максимальных значениях напряженности магнитного поля.
Замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала
Петля гистерезиса по
от напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном
индукции
изменении последнего.
Замкнутая кривая, выражающая зависимость намагниченности материала от
Петля гистерезиса по
напряженности магнитного поля при периодическом достаточно медленном
намагниченности
изменении последнего.
Петля магнитного гистерезиса, получаемая при циклическом изменении
Симметричная петля
напряженности магнитного поля между равными по абсолютному значению
гистерезиса
максимальной и минимальной напряженностями и симметричная относительно
начала координат
Петля магнитного гистерезиса, получаемая при циклическом изменении
Несимметричная петля
напряженности магнитного поля между равными по абсолютному значению
гистерезиса
максимальной и минимальной напряженностями.
Симметричная петля магнитного гистерезиса, максимальное значение
Предельная петля
намагниченности которой соответствует намагниченности технического
гистерезиса
насыщения.
Часть нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса по индукции между
Кривая размагничивания по
точкой, для которой равно нулю значение напряженности магнитного поля, и
индукции
точкой, для которой равно нулю значение магнитной индукции.
Часть нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса между точкой, для
Кривая размагничивания по
которой равно нулю значение напряженности магнитного поля, и точкой, для
намагниченности
которой равно нулю значение магнитной индукции.
Выбор материала для постоянного магнита
При выборе материала для изготовления магнита необходимо одновременно учитывать многие факторы.
Важнейшими из них являются энергоемкость материала, наличие в его составе дефицитных компонентов,
температурная и временная стабильность и др. Кроме того, на выбор материала существенное влияние
оказывают условия эксплуатации магнита, его стоимость и предполагаемый объём производства изделий.
Качество постоянного магнита наиболее наглядно определяется его классической характеристикой. Вариант
типовой характеристики постоянного магнита приведен на рис. 7.2.
Страница 345
B
2
Br
BMAX
Квадрант
Б
1
Б
B
B
0
0
Br
А
H
- HC
0
Б
HC
3
- BMAX
- Br
а)
-H
E = B*HD
- Hr
В
б)
EMAX
Рис. 7.2. Вариант типовой характеристики постоянного
магнита: а – петля гистерезиса; б - характеристика
перемагничивания
Из рис. 7.2.а видно, что график 1 - это первоначальная кривая, по которой магнит намагничивается только
один раз от 0 до индукции насыщения ВМАХ. В процессе размагничивания функция В (Н) пойдет по кривой 2
до индукции -ВМАХ. Затем петля замкнется по кривой 3.
На рис. 7.2.б приведена характеристика перемагничивания постоянного магнита. Энергия Е, затрачиваемая
на размагничивание, пропорциональна произведению В*Н. На рис.7.2.б показан квадрант размагничивания
Б. Кривая для освобождаемой энергии имеет максимум ЕМАХ = В*НD
Другими словами, магнит размагнитится, если создать напряженность большую, чем НD. Предельная форма
петли - прямоугольник.
Важнейшим параметром при изготовлении постоянных магнитов является энергоемкость материала, так
как чем выше значение магнитной энергии, приходящейся на единицу объёма вещества, тем меньше объём
магнита и рассеяние его потока.
Кроме того, при выборе материала ПМ учитывается предельное значение напряженности (Н пр)
размагничивающего стороннего поля, после воздействия которого магнит восстанавливает свой поток.
Приближенную оценку качества магнитного материала можно производить по произведению Θ*Wуд , (где Θ магнитная твердость материала, Wуд - удельная энергия в кДж/м3).[2]
Стабильность постоянных магнитов
Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом, меняется с течением времени и при воздействии
внешних условий: магнитных полей, механических нагрузок, температуры, радиации, влияния соседних
ферромагнитных масс, изменения магнитного сопротивления и т.д.
Магнитная нестабильность может иметь обратимый и необратимый (гистерезисный) характер. Если после
возвращения внешних условий к исходным магнитные свойства восстанавливаются, то имеют место обратимые
изменения, при наличии гистерезиса – необратимые. Необратимые изменения, вызванные магнитной
нестабильностью, можно устранить повторным намагничиванием материала.
Магнитное старение происходит по закону, близкому к логарифмическому.
Магнитное старение постоянных магнитов в зависимости от марки магнита и положения рабочей точки
меняется от десятых долей процента до нескольких процентов за один год.
Временная стабильность постоянных магнитов составляет от 1000 до 100000 и более часов.
Изменение индукции постоянного магнита при изменении температуры характеризуется температурным
коэффициентом магнитной индукции, равным
, % / 0С
(7.1)
где В – магнитная индукция при начальной температуре;
∆ B – изменение индукции, вызванное изменением температуры;
∆ Т – изменение температуры.
Температурный коэффициент (αΒ ) в зависимости от типа магнита составляет от сотых долей процента до
половины процента на каждый градус изменения температуры. Характер изменения основных параметров
магнита приведен на рис. 7.3.
Страница 346
В
+T
0
25 C
Рис. 7.3. Характер изменения основных параметров
постоянного магнита при изменении температуры.
-T
0
В таблицах 7.2 и 7.3 приведены основные обобщенные характеристики материалов постоянных магнитов,
используемых в изделиях микромагнитоэлектроники.
Наибольшее распространение в России получили постоянные магниты из следующих материалов: литые
сплавы ЮН14ДК24 («Альнико») и ЮНДК35Т5АА, феррит бария 19БА260 .
В последние годы все активнее используются сплавы кобальта с редкоземельными элементами типа «
самарий-кобальт» (Кс37) и «неодим-железо-бор» (Нм36Р, Нм32Ди4р). Однако эти материалы имеют высокую
твердость, крупнозернистую структуру, вследствие чего обладают повышенной хрупкостью, склонны к
растрескиванию, выкрашиванию частиц и сколам по краям, что исключает их обработку резанием обычными
методами (используется резка алмазными дисками, шлифование, анодно-механическая, электроэрозионная и
электрохимическая размерная обработка).
Постоянные магниты выпускаются в форме брусков, цилиндров, пластин, колец, дисков и др. Основные
обобщенные характеристики постоянных магнитов, используемых в МЭУ приведены в главе 26. [2, 4, 5, 6, 8,
10, 11]
Таблица 7.2. Основные обобщенные характеристики материалов постоянных магнитов, используемых в
изделиях микромагнитоэлектроники [5]
Таблица 7.3. Сравнительные характеристики материалов, используемых для изготовления постоянных
магнитов
Энергетическое
произвеОстаточная
Коэрцитивна
дение
индукция,
я сила, HC
(BH)max,
Br
Высокая
Низкая
Среднее
Относительные величины
№ п/п
Материал магнита
(отечественный
аналог)
1
"Альнико" (ЮНДК)
2
INDOX (MO-Fe2O3)
Низкая
Высокая
3
Ферриты "Ceramic"
(БА, БИ)
На основе РЗЭ "Hicorex"
(Кс 37, КсП 37)
"Vacodym" "Neomax"
(Nd Fe B) (Нм28…Нм32)
Страница 347
В России наиболее известными производителями постоянных магнитов являются НПО «Магнетон» (г.
Владимир), Новочеркасское ПО «Магнит», ОКБ 1-го МПЗ (г. Москва), завод «Электроконтакт» (г. Кинешма) и
др., выпускающие магниты в соответствии с ГОСТ 17809-72 («Магниты»), ГОСТ 13598-68 («Магниты
металлокерамические»), ГОСТ 21559-76 («Магниты редкоземельные»).
Зарубежные производители изделий микромагнитоэлектроники используют постоянные магниты более
чем 50 фирм. Наиболее известными являются: Sumitomo Special Metals Co, Hitachi Metals Ltd., Suwa Seico Co.
(все Япония); Hitachi Magnetics Corp., General Motors, General Magnetic (США), Vacuumschmelse GmbH, Siemens, Valvo (Германия), Plessey Co.Ltd, Mullard Overseas Ltd. (Великобритания); Allevard Ugine, RTS la
Radiotechnique-Complex (Франция) и др.
В качестве материалов для изготовления постоянных магнитов зарубежными фирмами используются:
феррит бария, сплавы альнико, редкоземельные металлы (РЗМ), магнитотвердые материалы, получившие
наименование типа «Indox», «Lodex», «Hicorex», «Incor», «Cunife» и др.
Например, фирма «Honeywell» использует магниты более десятка американских фирма в числе которых:
Arnold Engineering(керамика FeBa, «Альнико»), General Tire & Rubber (пластик FeBa), Hitachi Magnetics Corp.
(керамика FeBa, «Альнико», РЗМ), Indiana General (керамика FeBa, «Альнико», РЗМ), Temgam Engineering Inc.
(пластик FeBa), Crucible Magnetic Div. («Альнико», РЗМ), 3M Company (пластик FeBa), Bovee Engineering Sales
Co. Inc. (пластик FeBa, РЗМ), Ceramic Magnetics (РЗМ), LNP Corp.(пластик FeBa), TDK Corporation of America
(керамика FeBa, РЗМ). [10]
Форма и линейные размеры постоянных магнитов определяют параметры магнитного поля, воздействующего
на магниточувствительный элемент изделий микромагнитоэлектроники. На рис. 7.4 в качестве примера
приведены характерные зависимости параметров магнитного поля от линейных размеров ПМ, а на рис. 7.5.
показана индикатриса магнитного поля для плоского магнита из сплава SmCo.
Альнико-5
L/D=8,0
(B/H = 60)
1 В,кгс
12000
B
L/D=4,0
(B/H = 18)
10000
2
В - ширина;
Н - высота;
D - диаметр;
L - длина магнита
L/D=3,0
(B/H = 10)
МЧЭ
Магнит
8000
L
d
6000
3
4000
B≈
2000
-Н,э
600
1
d2
B≈
400
200
1
(d + L) 2
б)
0
а)
Рис. 7.4. Зависимость параметров магнитного поля плоских и цилиндрических магнитов из сплава
«Альнико» от соотношения их линейных размеров - а; и б - зависимость индукции ПМ от расстояния до
МЧЭ
15
DY,мм
В> 50 %
10
В> 75 %
5 N
Рис. 7.5. Индикатриса магнитного поля для
плоского магнита из сплава SmCo
В=100 %
0
-5 S
Магнит: 20 х 10 х 5 мм;
сплав SmCo
-10
-15
0
5
10
15
DX,мм
20
25
30
35
Страница 348
При конструировании магнитных систем для изделий микромагнитоэлектроники возможно использование
теоремы подобия.
Теорема подобия позволяют легко и быстро оценивать различные варианты проектируемых магнитных
систем, отличающихся лишь размерами (масштабом). При этом все параметры исходной магнитной системы
считаются известными. Ниже приводятся основные формулировки теоремы подобия.
1. Геометрически подобные магниты имеют магнитные поля одинаковой конфигурации, если картина поля
в теле магнита у них одинакова, а магниты изготовлены из одинаковых материалов.
2. При увеличении всех размеров постоянного магнита в n раз напряженности полей в соответственных
точках остаются без изменения, а магнитный поток возрастает в n2 раз.
3. При увеличении всех размеров электромагнита (ЭМ) в n раз напряженность полей и индукции в
соответственных точках остаются без изменений, а магнитный поток возрастает в n2 раз, если токи питания
ЭМ увеличиваются также в n раз. При этом плотность токов уменьшается в n раз, выделение тепла возрастает
в n раз, теплоотдача возрастет в n раз и условия охлаждения ЭМ улучшаются также в n раз. Числа витков
при этом считаются неизменными.
4. При увеличении всех размеров электромагнита в n раз условия охлаждения и числа витков обмоток должны
оставаться неизменными, то токи необходимо увеличить в n3/2 раз.
5. При этом напряженность полей и индукции возрастают в √n раз (при отсутствии насыщения), а
потребляемая мощность ЭМ возрастает в n2 раз. [2]
7.2. Концентраторы магнитного поля
Концентраторы магнитного поля используются с целью увеличения ПМП и магнитоприемных устройств.
В зависимости от типа ПМП и МЭУ применяются различные конструкции концентраторов МП.
На рис.7.6...7.8, в качестве примера, приведены несколько вариантов конструкций концентраторов,
применяемых совместно с тонкопленочными магниторезисторами.
Рис. 7.6. Конструкция бескорпусного тонкопленочного магнитного датчика с встроенными
концентраторами, выполненными из ферромагнитной пленки
Рис. 7.7. Конструкция магнитного датчика в DIP корпусе с встроенными концентраторами,
выполненными из ферромагнитной пленки
Страница 349
Рис. 7.8.Конструкция магнитного датчика в DIP - корпусе с внешними концентраторами, выполненными из
ферромагнитного материала
Коэффициент концентрации (FC ) для конструкции прибора, приведенной на рис. 7.8, определяется по
следующей формуле:
(7.2)
При разработке магнитоэлектронной аппаратуры наиболее широкое распространение получили
концентраторы с использованием стержней из ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной
проницаемостью и малой коэрцитивной силой.
Обычно используются два стержня, длина которых в 40…50 раз больше их диаметра. Стержни
располагаются с двух сторон магниточувствительного элемента параллельно оптимальному направлению
магнитного поля. Концы стержней, примыкающие к элементу, и заостряются таким образом, чтобы размеры
вершины конуса были равны размерам магниточувствительной площадки используемого преобразователя
магнитного поля. Варианты конструкции концентраторов приведены на рис. 7.9.
Применение подобных концентраторов в ориентационных магнитных датчиках позволяет увеличивать
угловую чувствительность МД в 5...100 раз.
Магниточувствительный элемент
ПМП
∅ 5...8
∅ 1,5
50-200
Подложка
Концентратор 1
Магниточувствительный элемент
ПМП
Концентратор 2
Концентратор 1
Концентратор 2
Зазор
а)
б)
Рис. 7.9. Конструкция цилиндрических концентраторов магнитного поля; а - плоского; б - цилиндрического
Иногда концентраторы магнитного поля используют с целью улучшения геометрической разрешающей
способности МД.
На рис. 7.10 приведена конструкция концентратора магнитного поля, предназначенная для использования
в составе высокочувствительного датчика скорости вращения зубчатого колеса. Подобные устройства
применяются при контроле скорости вращения мелкозубых шестерен.
Страница 350
Зубчатое колесо из ферромагнитного материала
ПМП
Магнит
∅ 0,93
Концентратор
∅ 1,6
3,18
а)
б)
Рис. 7.10. Конструкция концентратора магнитного поля, предназначенная для использования в составе
высокочувствительного датчика скорости вращения зубчатого колеса: а - конструкция концентратора; б схема датчика скорости вращения
Для изготовления концентраторов магнитного потока можно использовать: феррит (µ = 2000... 6000),
муметалл (Ni-75%, Fe-18%, Cu-5%, Cr-2%), а также железокобальтовые сплавы: 27КХ, 49К2Ф, 49К2ФВИ
(пермендюр), 49К2ФА (суперпермендюр), железоникелевый сплав - пермаллой (79НМ) и др.
Применение концентраторов позволяет увеличить плотность магнитного поля в магниточувствительной
области. Действие концентраторов сильно ослабевает при увеличении зазора между ними, поэтому его следует
сделать минимальным (равным толщине самого магниточувствительного элемента). При минимальном зазоре
0,2…0,3 мм достигается увеличение чувствительности в 100... 1000 раз в зависимости от конструкции
концентратора.
Следует отметить, что хотя ферромагнитные концентраторы и увеличивают чувствительность
магнитоэлектронных устройств, но при этом ухудшается линейность характеристики преобразования.
Следовательно, устройства с концентраторамижелательно использовать только для индикации магнитного
поля.
7.3. Катушки смещения
Катушки смещения являются важным элементом многих изделий микромагнитоэлектроники. Эти
катушки, в зависимости от назначения изделий, могут выполнять несколько функций
•
•
•
компенсация влияния постороннего постоянного магнитного поля;
«модуляция» магнитного потока;
выполнение функций управляющего элемента при компенсационном методе измерения индукции
магнитного поля.
В зависимости от назначения изделий конструкция катушек смещения может быть различной. На рис.
7.11....7.13 приведены возможные варианты конструктивного оформления катушек смещения, а в таблице
7.4 приведены их основные параметры.
Преобразователь магнитного
Преобразователь магнитного
поля
поля
Обмотка 1
Обмотка 2
Сердечник
Сердечник
Сердечник
Обмотка
а)
б)
Рис. 7.11. Варианты конструкции катушек смещения, предназначенных для работы в «сильных» магнитных
полях.
Страница 351
В катушках (рис. 7.11.а) сердечник изготавливается из магнитомягкого материала. Такие катушки
используются при работе в «сильных» магнитных полях. Для более тонких применений используются две
(включенные параллельно или последовательно) обмотки (рис.7.11.б) с сердечником из феррита (µ =
1000...6000).
HX
Измеряемое поле
Обмотка
H
Y
Обмотка
HY
HX
ПМП 2
ПМП 2
HY
HX
ПМП
б)
а)
Рис.7.12. Варианты конструкции катушек смещения, предназначенных для компенсации и модуляции
магнитного поля: а – для одного МПМ; б - для двух ПМП
Катушки без сердечников (рис. 7.12.а. б.) используются как для «модуляции» магнитного потока, так и
для компенсации и смещения магнитного поля.
Магниточувствительный
элемент
Катушка
Основание
датчика
Катушка
смещения Концентраторы
Магниточувствительный
элемент
Подложка
Подложка
Магниточувствительный
элемент
а)
Подложка
Катушка
б)
Рис.7.13. Варианты конструкции миниатюрных катушек смещения: а - микроминиатюрная проволочная;
б - тонкопленочная.
Микрокатушки (рис. 7.13) используются в качестве катушек смещения в составе микроэлектронных
датчиков магнитного поля, выполненных в виде гибридных интегральных схем. [130]
Кроме того, тонкопленочные катушки (рис. 7.13.б.) используются для «модуляции» магнитного потока.
При этом ток модуляции может достигать 4 ампер при длительности импульса 2...5 мкс.
В таблице 7.4 в качестве примера приведены основные параметры нескольких вариантов катушек
смещения.
Страница 352
Таблица 7.4. Основные параметры катушек смещения
Индукция на
Крутизна
Сопротивление Индуктивность
Габаритные
поверхности
катушки LK,
характеристики,
катушки
размеры,
сердечника
HI, мТл/мА
RK, Ом
мм
мкГн
ВК, мТл
7.4. Магнитопроводы
Магнитопровод является одним их элементов конструкции изделия микромагнитоэлектроники при помощи
которого формируется управляющее магнитное поле. При конструировании магнитопроводов решаются две
основные задачи:
•
•
разработка конструкции магнитопровода, связанная с выбором оптимальной его формы, обеспечивающей
решение конкретной технической задачи;
выбор материала для изготовления магнитопровода.
Для изготовления магнитопроводов в основном используются железо и низкоуглеродистая нелегированная
электротехническая сталь.
Благодаря высоким магнитным свойствам (высокие магнитная проницаемость и индукция насыщения),
высоким механическим и технологическим свойствам и невысокой стоимости, железо широко применяется
для изготовления магнитопроводов. Однако вследствие низкого удельного электрического сопротивления железа
обуславливающего повышенные потери на вихревые токи, применение его ограничивается только устройствами
постоянного тока. Чем чище железо, тем выше его магнитная мягкость.
Наиболее широко применяется технически чистое железо, как наиболее экономичное. Особо чистые сорта
железа применяются только для специальных целей.
По магнитным свойствам к технически чистому железу приближается нелегированная электротехническая
сортовая (типа:11880, 21880, 11895, 21985 и др.) и тонколистовая сталь (типа 3411, 3415, 2011, 2112, 2212,
2311, 1212, 1514 и др.)
Для изготовления магнитопроводов также применяют магнитномягкие прецизионные сплавы, обладающие
высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой.
Такие сплавы представляют собой нелегированные и легированные двойные железоникелевые,
железокобальтовые и железохромистые и тройные железо-никель-кобальтовые сплавы (типа 45Н, 79НМ,
80НХС, 50НП, 81НМА, 40НКМП и др.)
(Подробнее см. [1, 2, 6, 8]).
7.5. Магнитные и термомагнитные шунты
Магнитные шунты в ряде случаев являются управляющими элементами изделий микромагнитоэлектроники.
В более общих случаях они практически являются элементами магнитопроводов и изготавливаются из тех же
материалов.
Для повышения термической устойчивости изделий микромагнитоэлектроники, содержащих собственные
магнитные системы используются, т. н. термомагнитные шунты которые изготавливаются из специальных
термомагнитных материалов.
Термомагнитными называются магнитномягкие материалы, обладающие сильной зависимостью магнитной
проницаемости от температуры. При увеличении температуры окружающей среды магнитная проницаемость
указанного материала падает.
Для изготовления элементов магнитных систем изделий микромагнитоэлектроники могут использоваться
следующие термомагнитные сплавы: Н33Ю1, ЭП456 (термаллой), 38НХ14, 36НХ11 (компенсатор), Н32Х6Ю,
ЭП279 и др. [2]
Страница 353
7.6. Магнитные экраны
Наиболее часто экраны выполняют в форме полых цилиндров с отношением наружного диаметра к
внутреннему 1,01...1,25 и отношением высоты к наружному диаметру 0,8...1,2. Чаще всего встречаются
однослойные и двухслойные экраны. Трёхслойные экраны встречаются крайне редко.
Многослойные экраны имеют больший коэффициент экранирования, чем однослойные той же, толщины,
но их изготовление значительно сложнее и дороже. Расчеты, подтвержденные опытом показывают, что при
конструировании магнитных экранов следует учитывать следующие обстоятельства:[2]
1. Наиболее совершенной формой экрана является многослойная сфера, состоящая из концентрических слоёв
магнитомягкого и немагнитного материалов. Толщины этих слоёв должны по мере удаления от центра
возрастать в геометрической прогрессии.
2. При изменении всех размеров экрана в одинаковое число раз степень экранирования остаётся неизменной.
3. Уменьшение размеров экрана при сохранении его толщины увеличивают степень экранирования, но
одновременно увеличивается рассеяние магнитного поля защищаемого изделия (если в нем имеется
собственный источник магнитного поля).
4. Наличие в экране небольших отверстий мало отражается на степени экранирования, но стыки между частями
экрана следует располагать параллельно направлению постороннего (помехонесущего) магнитного поля.
5. Форма экрана мало влияет на степень экранирования. Поэтому экран произвольной формы можно
рассчитывать по формулам сферического экрана [2].
Выбор материала для изготовления магнитных экранов
Материал экранов, работающих в сильных магнитных полях, должен отвечать двум основным требованиям:
иметь высокую магнитную проницаемость и высокую индукцию «колена» кривой намагничивания.
Этим требованиям отвечают пермендюры - сплавы с выпуклой кривой намагничивания и высокой
индукцией насыщения. Для экранов лучше всего подходят супермендюр марки 49К2ФА, у которого Вк = 2 Тл,
Нк = 25 А/м и µrраб = 63000. Особенностью этого сплава является большая протяженность зоны Релея. Поэтому
в диапазоне Н = 0...8 А/м магнитная проницаемость постоянна: µr = µrраб = 500.
Магнитные экраны выполняют также из сплава 49К2ФВИ, имеющего µrраб = (5...6)*103 и пермаллоя 79НМ.
Отличным материалом для изготовления эффективных экранов является муметалл (Ni-75%,Fe-18%,Cu4
5%,Cr-2%), имеющий µrраб до 11*10 .
В последние годы все большее распространение получают аморфные высопроницаемые магнитно-мягкие
сплавы. Сплав 45НПР-А изготавливается в виде ленты толщиной 30 мкм и шириной 2-3 мм. По магнитным
свойствам аморфный сплав 45НПРА близок к высоконикелевым пермаллоям, но в отличие от них может
использоваться при поставке без термической обработки и допускает механическую обработку: резку, штамповку,
изгиб и т.д. без ухудшения магнитных параметров. Дополнительной термомагнитной обработкой аморфного
сплава можно в 2-3 раза понизить коэрцитивную силу и повысить магнитную проницаемость. В слабых полях
сплав имеет прямоугольную петлю гистерезиса.
Из узких лент сплава 45НПР-А можно изготавливать плетеные «металлические ткани» и применять их
для однослойного (или многослойного) магнитного экранирования в виде гибких оболочек, покрытых резиной
или пластиком. При необходимости можно производить фиксацию формы магнитного экрана пропиткой
полимерными материалами.[2]
7.7. Корпуса изделий микромагнитоэлектроники
Основной задачей при проектировании изделий микромагнитоэлектроники является оптимальный выбор
материала корпуса.
Выбор материала корпуса регламентируется назначением прибора, используемой технологией изготовления
и условиями его эксплуатации, а также стоимостью в процессе производства и реализации.
Для изготовления несущих рамок изделий микромагнитоэлектроники, реализованных в виде интегральных
схем, широко используются ковар (29НКВИ). Выводные рамки высокочувствительных МУМ и МЧМС
изготавливаются из немагнитного сплава типа нейзильбер МНЦ15-20 (сплав Cu-Ni-Zn).
Корпуса МУМ и МЧМС обычно изготавливают из термореактивных прессматериалов или керамики
(бериллиевая керамика, керамика типа 22ХС и др.).
Корпуса магнитных датчиков и др. подобных изделий, как правило, выполняются из немагнитных
материалов: термореактивной пластмассы (полистиролов, полиамидов), прессматериала типа АГ-4, капролона,
алюминиевых сплавов (например, АД, АД1, Д16, АМц), латуни (Л62), нержавеющей стали (Х18Н10Т),
гиперника (Fe-72%, Ni-28%, µr 10RВЫХ.ЭХ).
5. Нажимают кнопку Кн1 и при помощи источника питания 5 устанавливают необходимую величину
индукции управляющего магнитного поля В. Величину В контролируют при помощи внешнего измерителя
магнитной индукции. При достижении заданной величины В, при помощи миллиамперметра 6 фиксируют
величину тока, проходящего через электромагнит 7. Затем кнопку Кн1 отпускают.
6. Элемент Холла помещают в рабочий зазор электромагнита 7 и нажимают кнопку Кн1. При нажатой
кнопке милливольтметром 2 измеряют напряжение сигнала (UВЫХ) на выходе ЭХ.
8. Удельную магнитную чувствительность ЭХ (γУД.ЭХ) определяют по формуле:
, мВ/ (мТл*мА) или (В/(Тл*А)
(8.3)
8.2. Измерение основных параметров магниторезисторов
Для измерения основных параметров магниторезисторов могут использоваться устройства, структурные
схемы которых приведены на рис.8.4 и 8.5
W1
Измерительный
элемент Холла
Измеряемый
прибор
1
Миллиамперметр
0...10 мА
W2
1
1
7
2
RB1
RB4
4
2
Электромагнит
KMZ10
RB3
RB2
2
Цифровой
милливольтметр
0...2000 мВ
3
Цифровой
вольтметр
4
Прецезионный
источник
питания
0...15 В
3
3
4
S1
6
Кн 1
Миллиамперметр
0...100 мА
+
Источник
питания
0...50 В,0,5 А
(для питания
электромагнита)
5
-
Рис. 8.4. Структурная схема устройства для измерения основных параметров магниторезисторного
моста
8.2.1. Измерение параметров магниторезисторного моста
На рис. 8.4 приведена структурная схема для измерения основных параметров магниторезисторного моста
(например, типа KMZ10). В качестве источников управляющего магнитного поля могут использоваться
электромагниты, конструкции которых приведены на рис. 8.1. Величина магнитной индукции в рабочем зазоре
или в плоскости МЧЭ измеряется внешним магнитометром (например, ЭМЦ2-21), а затем контролируется
при помощи «измерительного» элемента Холла (рис. 8.2) или по току через электромагнит. Тумблер S1 служит
для переключения направления магнитного потока ЭМ.
Порядок измерения параметров магниторезисторного моста.
1. Мост подключается к схеме, приведенной на рис. 8.4.
2. От источника 4 через миллиамперметр 1 на мост подается напряжение питания. Рабочий режим работы
моста устанавливается по величине тока управления (IУП) или рабочего напряжения (UП) , контролируется
миллиамперметром 1 или вольтметром 3.
Страница 358
3. При помощи милливольтметра 2 измеряется напряжение (U0) на выходе моста при В=0.
Величина U0 , в зависимости от конкретных условий применения моста, может измеряться как в режиме
холостого хода (RН = ∝ ) или при RH = RОПТ..
Входное сопротивление милливольтметра (RВХ.1) должно быть много больше, чем выходное сопротивление
моста. (RВХ.1 >> 10Rвых.М.).
4. Нажимают кнопку Кн1 и при помощи источника питания 5 устанавливают необходимую величину
индукции управляющего магнитного поля В. Величину В контролируют при помощи внешнего измерителя
магнитной индукции. При достижении заданной величины В, при помощи миллиамперметра 6 фиксируют
величину тока, проходящего через электромагнит 7. Затем кнопку Кн1 отпускают.
5. Мост помещают в рабочий зазор электромагнита 7 и нажимают кнопку Кн1. При нажатой кнопке Кн1
милливольтметром 2 измеряют напряжение сигнала (Uвых.М) на выходе моста.
6. Магнитную чувствительность моста (γM) определяют по следующей формуле:
, мВ/мТл или (В/Тл)
(8.4)
7. Удельную магнитную чувствительность моста (γУДюМ) определяют по формуле:
, мВ/(мТл*мА) или (В/(Тл*А)
1
1
R В1
Примечание:
Измерение
параметров
дифференциальных магниторезисторов производится по
той же методике, что и магниторезисторного моста. Для
этого дифференциальный магниторезистор включается
в схему моста (рис. 8.5).
Рис. 8.5.Схема включения дифференциального
магниторезистора.
(8.5)
R1
2
2
R2
RВ2
3
3
4
RВ1 = RB2 = R1 = R2
8.2.2. Измерение параметров единичного магниторезистора
На рис .8.6 приведена структурная схема для измерения основных параметров магниторезистора. В качестве
источника управляющего магнитного поля могут использоваться электромагниты, конструкции которых
приведены на рис. 8.1. Величина магнитной индукции в рабочем зазоре или в плоскости МЧЭ измеряется
внешним магнитометром (например, ЭМЦ2-21), а затем контролируется при помощи «измерительного»
элемента Холла (рис. 8.2) или по току через электромагнит. Тумблер S1 служит для переключения направления
магнитного потока ЭМ.
Порядок измерения параметров единичного магниторезистора.
1. Магниторезистор последовательно с сопротивлением нагрузки подключается к схеме, приведенной на
рис. 8.6.
2.Устанавливается сопротивление нагрузки RH = RОПТ.. Величина RH выбирается исходя из требований
необходимой линейности преобразования.
3. От источника 4 через миллиамперметр 1 на цепочку RB- RН подается напряжение питания. Рабочий
режим магниторезистора устанавливается по величине тока управления (I УП ) и контролируется
миллиамперметром 1.
4. При помощи милливольтметра 2 измеряется напряжение (U0.MR) на выходе магниторезистора при В=0.
Входное сопротивление милливольтметра (RВХ.1) должно быть много больше, чем величина параллельно
включенных RB и RН. (RВХ.1 >> 10RII).
5. Нажимают кнопку Кн1 и при помощи источника питания 5 устанавливают необходимую величину
индукции управляющего магнитного поля В. Величину В контролируют при помощи внешнего измерителя
магнитной индукции. При достижении заданной величины В, при помощи миллиамперметра 6 фиксируют
величину тока, проходящего через электромагнит 7. Затем кнопку Кн1 отпускают.
6. Магниторезистор помещают в рабочий зазор электромагнита 7 и нажимают кнопку Кн1. При нажатой
кнопке Кн1 милливольтметром 2 измеряют напряжение сигнала (Uвых.МR) на выходе цепочки RB- RН .
7. Магнитную чувствительность магниторезистора (γMR) определяют по следующей формуле:
, мВ/мТл или (В/Тл)
(8.6)
Страница 359
8. Удельную магнитную чувствительность магниторезистора (γУД.MR) определяют по формуле:
, мВ/ (мТл*мА) или (В/(Тл*А)
(8.7)
Примечание: Измерение таких параметров магниторезисторов как магниторезисторное отношения RB/R0
(в %) и относительная магнитная чувствительность γОТН (в о.е.) в практических целях, как правило, используются
очень редко.
1
W1
Измерительный
элемент Холла
Измеряемый
прибор
1
RH
W2
2
7
RH
Миллиамперметр
0...100 мА
Электромагнит
2
Цифровой
милливольтметр
0...2000 мВ
3
Цифровой
вольтметр
4
Прецезионный
источник
питания
0...15 В
RB1
3
B
S1
6
a)
Кн 1
Миллиамперметр
0...100 мА
+
Источник
питания
0...50 В,0,5 А
(для питания
электромагнита)
5
-
Рис. 8.6.Структурная схема устройства для измерения основных параметров единичных
магниторезистора и магнитодиодов (а)
8.3. Измерение параметров магнитодиодов
Для измерения параметров магнитодиодов так же может использоваться устройство, структурная схема
которого приведена на рис.8.6.
Порядок измерения параметров магнитодиода.
1. Магнитодиод последовательно с сопротивлением нагрузки подключается к клеммам 1-2-3 схемы,
приведенной на рис. 8.6 и 8.6.а.
2.Устанавливается сопротивление нагрузки RH = RОПТ.. Величина RH выбирается исходя из требований
необходимой линейности преобразования или максимальной чувствительности МД.
3. От источника 4 через миллиамперметр 1 на цепочку RМД - RН подается напряжение питания. Рабочий
режим магнитодиода устанавливается по величине тока управления (IУП) и контролируется миллиамперметром
1.
4. При помощи милливольтметра 2 измеряется напряжение (U0.MD) на выходе магнитодиода при В=0.
Входное сопротивление милливольметра (RВХ.1) должно быть много больше, чем величина параллельно
включенных RМД и RН. (RВХ.1 >> 10RII).
5. Нажимают кнопку Кн1 и при помощи источника питания 5 устанавливают необходимую величину
индукции управляющего магнитного поля В. Величину В контролируют при помощи внешнего измерителя
магнитной индукции. При достижении заданной величины В, при помощи миллиамперметра 6 фиксируют
величину тока, проходящего через электромагнит 7. Затем кнопку Кн1 отпускают.
6. Магнитодиод помещают в рабочий зазор электромагнита 7 и нажимают кнопку Кн1. При нажатой
кнопке Кн1 милливольтметром 2 измеряют напряжение сигнала (Uвых.МD) на выходе цепочки RМД - RН .
8.Удельную магнитную чувствительность магниторезистора (γУД) определяют по формуле:
, мВ/ (мТл*мА) или (В/(Тл*А)
(8.9)
Примечание: Некоторые типы магнитодиодов обладают асимметричной чувствительностью, зависящей
от полярности приложенного напряжения, поэтому необходимо изменить полярность подключения
магнитодиода к клеммам 2-3 на обратную, и повторить п.п.2....8.
8.4. Измерение параметров магниточувствительных ИС
Для измерения параметров магниточувствительных микросхем можно использовать стенд, структурная
схема которого приведена на рис. 8.7.
Измерительный
элемент Холла
W1
Измеряемый
прибор
1
Миллиамперметр
0...10 мА
W2
1
7
2
+UП
Электромагнит
DA
Вых.
2
Цифровой
милливольтметр
3
4
Цифровой
вольтметр
0...10000 мВ
Прецезионный
источник
питания
0...15 В
RН
Общ.
3
S1
6
Миллиамперметр
0...100 мА
Кн 1
+
Источник
питания
0...50 В, 0,5 А
(для питания
электромагнита)
5
-
Рис. 8.7. Структурная схема стенда для измерения параметров магниточувствительных микросхем.
В качестве источника управляющего магнитного поля может использоваться электромагнит, конструкция
которого приведена на рис. 8.1. Величина магнитной индукции в рабочем зазоре или в рабочей плоскости
МЧМС измеряется внешним цифровым магнитометром (например, ЭМЦ2-21), а затем контролируется при
помощи «измерительного» элемента Холла (рис. 8.2) или по току через электромагнит. Тумблер S1 служит для
переключения направления магнитного потока ЭМ.
Порядок измерения параметров магниточувствительной ИС.
1. Магниторезистор последовательно с сопротивлением нагрузки подключается к схеме, приведенной на
рис. 8.7.
2.Величина RH выбирается исходя из требований технической документации на микросхему.
3. От источника 4 через миллиамперметр 1 на микросхему подается напряжение питания. Рабочий режим
микросхемы устанавливается по величине номинального напряжения (UП.НОМ.). Величина тока потребления
(IП) и контролируется миллиамперметром 1.
Страница 361
4. При помощи милливольтметра 2 измеряется напряжение (U0.) на выходе микросхемы при В=0.
Входное сопротивление милливольтметра (RВХ.1) должно быть много больше, чем величина RН. (RВХ.1 >10RН).
5. Нажимают кнопку Кн1 и при помощи источника питания 5 устанавливают необходимую величину
индукции управляющего магнитного поля В. Величину В контролируют при помощи внешнего измерителя
магнитной индукции. При достижении заданной величины В, при помощи миллиамперметра 6 фиксируют
величину тока, проходящего через электромагнит 7. Затем кнопку Кн1 отпускают.
6. Микросхему помещают в рабочий зазор электромагнита 7 и нажимают кнопку Кн1. При нажатой кнопке
Кн1 милливольтметром 2 измеряют напряжение сигнала (Uвых.) на выходе микросхемы.
7. Магнитную чувствительность МЧМС (SU) определяют по формуле:
, мВ/мТл или (В/Тл)
(8.10)
8.5. Измерение параметров магнитоуправляемых ИС
На рис. 8.8 приведена структурная схема стенда для измерения параметров магнитоуправляемых микросхем
серии К1116 .
2
S1
Электромагнит
Измеряемая МУМ
8
S
R1
1
+
1
C2
C1
+UП
Вых.
SA1.1
2
-
“ ICC“
R2
1
“ I01”
“ U01 ”
N
Общ.
+
“ U02”
RH
3
C3
SA1.2
2
1
S2
7
2
3
R1-1 Ом, 0,5%
R2-1 К, 0,5%
С1-1М х 16В
С2-20М х 50В
С3-20М х 50В
С4-0,1М х 160В
RH-сопротивление
нагрузки МУМ
(Определяется
тех.док.>240 Ом)
6
SA1.3
C4
S3
Рекомендуемые приборы:
1,2,5 - источник питания типа Б5-49;
3 - унивесальный вольтметр типа В7-34;
4 - осциллограф универсальный типа С1-114;
6 - генератор низкочастотный Г3-109;
7- измеритель магнитной индукции типа ЭМЦ 2-21;
8 - электромагнит измерительный;
9 - миллиамперметр 0...100 мА.
4
S4
+
2
1
9
-
5
Рис. 8.8. Структурная схема стенда для измерения параметров магнитоуправляемых микросхем серии
К1116
Страница 362
В качестве источника управляющего магнитного поля может использоваться электромагнит, конструкции
которого приведена на рис. 8.1. Величина магнитной индукции в рабочем зазоре или в рабочей плоскости
МУМ измеряется внешним магнитометром 7 или по току через электромагнит - при помощи миллиамперметра
9. Тумблер S4 служит для переключения направления магнитного потока ЭМ.
В качестве примера приведем методику измерения параметров микросхем типа К1116КП3, К1116КП4,
К1116КП7, К1116КП8.
Порядок измерения параметров МУМ:
Установить на источнике питания 1 напряжение UCC = USW , указанное в технической документации на
МУМ. Переключатель S1 установить в положение «1».
Если UCC ≠ USW , то подают напряжение от двух источников питания (1 и 2). В этом случае на источнике 1
устанавливают напряжение UCC , а на источнике 2 - напряжение USW .
2. Измерение выходного напряжения высокого уровня (UOH) микросхемы проводят в следующей
последовательности:
- переключатель SA1 устанавливается в положение «U02», а переключатели S2 и S3 - в положение «1»;
- показания снимаются по вольтметру 3.
3. Измерение выходного напряжения низкого уровня (U 0L) микросхемы проводят в следующей
последовательности:
- переключатель SA1 устанавливается в положение «U01», а переключатели S2 и S3 - в положение «1»;
Примечание: для микросхем К1116КП4 переключатель SA1 устанавливается в положение «U02».
- показания снимаются по вольтметру 3.
4. Измерение тока потребления (ICC) при высоком уровне выходного напряжения проводится в следующей
последовательности:
- переключатель SA1 устанавливается в положение «ICC», а переключатели S2 и S3 - в положение «1»;
- показания снимаются по вольтметру 3. Показания прибора 3 в милливольтах (мВ) соответствуют току
потребления в миллиамперах (мА), т.к. измеряется падение напряжения на резисторе R1.
5. Измерение выходного тока высокого уровня (I OH) микросхемы проводят в следующей
последовательности:
- переключатель SA1 устанавливается в положение «I01», а переключатели S2 и S3 - в положение «1»;
- показания снимаются по вольтметру 3. Показания прибора 3 в милливольтах (мВ) соответствуют току
высокого уровня в микроамперах (мкА), т.к. измеряется падение напряжения на резисторе R2.
6. Измерение индукции срабатывания (ВОР) и индукции отпускания (ВRP) проводятся в следующей
последовательности:
- переключатель SA1 устанавливается в положение «U01», а переключатели S2 и S3 - в положение «1»;
- измеряемую микросхему помещают в рабочий зазор электромагнита 8 (величину магнитной индукции
контролируют прибором 7);
- плавно (вращением ручек установки напряжения источника 5) увеличивают напряжение питания
электромагнита 8;
- в момент резкого уменьшения выходного напряжения, контролируемого по вольтметру 3, фиксируют
значение индукции срабатывания (ВОР) по показаниям измерителя индукции 7;
- плавно (вращением ручек установки напряжения источника 5) уменьшают напряжение питания
электромагнита 8;
- в момент резкого увеличения выходного напряжения, контролируемого по вольтметру 3, фиксируют
значение индукции отпускания (ВRР) по показаниям измерителя индукции 7;
7. Измерение времени включения (tTHL) и выключения (tTLH) проводится в следующей последовательности:
- переключатель SA1 устанавливается в положение «U01», а переключатели S2 и S3 - в положение «2»;
- измеряемую микросхему помещают в рабочий зазор электромагнита 8;
- на выходе генератора 6 устанавливают максимальное напряжение, (но не более 80 В);
- изменением частоты (в пределах 100...1000 Гц) генератора 6 добиваются на экране осциллографа 4 сигнала,
имеющего форму, приведенную на рис. 8.9;
-снимают показания времени включения (tTHL) и выключения (tTLH) по экрану осциллографа 4.
Страница 363
U0
0,9(UOH- UOL)+UOL
0,1(UOH- UOL)+UOL
UOL
tHTL
tTLH
t
T
Рис. 8.9 Форма импульсного сигнала на выходе магнитоуправляемой ИС.
Список литературы к главе 8
1. Микросхемы интегральные К1116КП1. Технические условия. бКО.348.743-01 ТУ.
2. Микросхемы интегральные К1116КП2. Технические условия. бКО.348.743-02 ТУ.
3. Микросхемы интегральные К1116КП4. Технические условия. бКО.348.743-04 ТУ. Ред. II-85.
Страница 364
Заключение
Оценивая результаты и тенденции развития микромагнитоэлектроники можно сделать следующие выводы:
1. В последние годы на основе синтеза микроэлектроники и интегральных преобразователей магнитного
поля возникло новое направление электронной техники – микромагнитоэлектроника.
Для реализации задач и целей микромагнитоэлектроники широко используется технологическая база
микроэлектроники, современные схемотехнические решения, интегральные узлы и элементы,
микроминиатюрные магнитные системы и др.
2. Зарубежными фирмами и отечественными предприятиями (до 1990 года) налажен серийный выпуск
широкой номенклатуры изделий микромагнитоэлектроники.
Наибольшее распространение получили: дискретные и интегральные преобразователи магнитного поля,
магнитоуправляемые и магниточувствительные интегральные схемы, магнитные датчики и функциональные
магнитоэлектронные устройства.
Каждое из этих изделий имеет не только самостоятельное применение, но и может служить базой для
создания современных магнитоэлектронных приборов и оборудования различного назначения.
3. Изделия микромагнитоэлектроники используются в системах управления производственными
процессами, в автомобильной электронике, измерительной и вычислительной технике, дефектоскопии,
медицинских и бытовых приборах и т.д. и т.п.
4. Оценка возможностей изделий микромагнитоэлектроники и их очевидных преимуществ перед другими
группами изделий электронной техники, выполняющих сходные функции, показывает, что мы имеем дело с
практически неосвоенным (особенно в России) направлением техники.
5. Развитие зарубежной микромагнитоэлектроники идет необычайно высокими темпами, для которых
характерны: ежегодный рост номенклатуры и объема производства указанных изделий, привлечение новых
производителей, неуклонное расширение сфер применения. Номенклатура производимых фирмами изделий
микромагнитоэлектроники уже сегодня исчисляется многими сотнями типов.
Хотя сведений о суммарном объеме производства указанных изделий и не приводится, можно предположить,
что речь может идти о миллиардах изделий в год.
6. Отечественная микромагнитоэлектроника также прошла свой определенный путь развития.
Были созданы научные основы для разработки изделий, создана технологическая база; с учетом специфики
данного направления техники подготовлены инженерно-технические кадры: налажен, в значительных объемах,
серийный выпуск нескольких типов кремниевых магнитоуправляемых микросхем и «монолитных»
магниторезисторов, дискретных элементов Холла и отдельных типов магнитных датчиков.
Были выявлены тенденции и определены перспективы развития отечественной микромагнитоэлектроники,
классифицированы параметры перспективных изделий и т.д.
Однако в настоящее время общий уровень развития отечественной микромагнитоэлектроники значительно
уступает зарубежной и в темпах роста, и в расширении номенклатуры, и объемов выпускаемых изделий.
Отечественная микромагнитоэлектроника, пройдя достаточно большой путь в 1980-90 г.г., но сегодня она
находится в стадии стагнации.
Налицо значительное сокращение объемов производства, разработанных магнитоуправляемых микросхем
и датчиков; практически свернуты госбюджетные НИОКР по созданию принципиально новых изделий;
разрушены коллективы разработчиков и технологов.
Резко сократился объем научно-технической информации между предприятиями; практически полностью
отсутствует координация (на государственном уровне и по прямым связям) деятельности разработчиков,
производителей и потребителей изделий микромагнитоэлектроники; не совершенствуется технология и
нормативно-техническая база направления. Остаются невостребованными: научно-технический опыт,
накопленный в России; производственные мощности микроэлектронных предприятий, высвободившиеся в
результате конверсии; интеллектуальный потенциал российских специалистов-разработчиков
магнитоэлектронных устройств.
Направление находится в жесточайшем кризисе и под угрозой его полного исчезновения.
В условиях децентрализации и демонополизации производства, российские государственные структуры
(департаменты и предприятия) оказались не в состоянии остановить эрозию перспективнейшего направления
техники.
Следовательно, уже в настоящее время, необходимо принятие оперативных и эффективных мер по
реновации и развитию микромагнитоэлектроники, но уже на иных организационных принципах.
7. В мировой практике выявились основные тенденции и определились перспективы дальнейшего развития
микромагнитоэлектроники.
В последующее десятилетие усилия разработчиков и производителей магнитоэлектронных устройств и
аппаратуры будут направлены на:
Страница 365
•
•
•
•
дальнейшее повышение уровня магнитоэлектрических параметров и эксплуатационных характеристик
изделий;
повышение степени интеграции изделий с постепенным переходом на многоканальные устройства;
расширение функций, выполняемых изделиями микромагнитоэлектроники, а также сфер их применения;
дальнейшее уменьшение габаритных размеров, массы и материалоемкости, а также снижение
энергопотребления и удельной себестоимости изделий.
Кроме того, можно ожидать более широкого использования в массовом производстве изделий
микромагнитоэлектроники новых полупроводниковых материалов (арсенид галлия, антимонид индия и др.) и
магнитотвердых материалов (сплавов типа «самарий-кобальт», «неодим-железо-бор» и др.), а также более
совершенных технологических процессов: ионной имплантации, КМОП и КНИ технологий, молекулярной
эпитаксии, плазменного осаждения магнитотвёрдых пленок и др.
8. Анализ тенденций и возможных перспектив развития разработок и производства магнитных датчиков
показывает, что
•
•
•
•
•
•
очень бурное развитие получат разработка и производство высокочувствительных магнитных датчиков и
МЭУ для навигационных и медицинских приборов, а также для военной техники;
будут продолжены работы по повышению уровня магнитоэлектрических параметров и улучшению
эксплуатационных характеристик МД, в том числе и предельной рабочей температуры до 200 оС и более;
по мере совершенствования технологии изготовления и конструкций магнитных датчиков сохранится
тенденция к дальнейшему уменьшению их габаритных раз-меров, что приведет к снижению размеров и
массы дорогостоящих постоянных магнитов;
в ближайшее десятилетие можно ожидать значительного повышения степени интеграции элементов и
расширения функций, выполняемых микроэлектронными магнитными датчиками;
особое развитие получат разработка и производство магнитных интегральных полупроводниковых сенсоров
(ИПС), в том числе и интеллектуальных;
по мере совершенствования микроэлектронных магнитных датчиков сферы их применения будут неуклонно
расширяться.
9. Можно уверенно предположить, что уже в ближайшие 3-5 лет будет освоен массовый выпуск
магнитоэлектронных приборов индивидуального пользования, предназначенных для прогнозирования гелиои геомагнитных возмущений. Причем потребность в таких приборах составит десятки миллионов изделий в
год и более.
10. Судя по многочисленным публикациям в зарубежных и отечественных источниках, получит дальнейшее
развитие разработка функциональных магнитоэлектронных устройств (ФЭМУ), которое будет идти по пути
промышленной реализации новых идей, расширения номенклатуры, функций и сфер применения указанных
устройств.
Подводя итоги, можно констатировать, что микромагнитоэлектроника является одним из перспективнейших
направлений техники XXI века с огромными потенциальными возможностями в условиях рыночной экономики.
Даже перечисленные в настоящей работе многочисленные примеры составляют лишь ничтожную часть
потенциального рынка изделий микромагнитоэлектроники, настолько, по нашему мнению широкого, что
спрогнозировать сегодня многие будущие применения не предоставляется возможным
Основные параметры и характеристики наиболее известных типов изделий микромагнитоэлектроники,
выпускаемых ведущими зарубежными производителями, приводятся во второй части настоящего издания.
Содержание
Предисловие .................................................................................................................................. 4
Глава 1. Микромагнитоэлектроника – новое направление техники ........................................ 6
1.1. Производство изделий микромагнитоэлектроники ............................................................ 9
Список литературы к главе 1 ..................................................................................................... 15
Глава 2. Преобразователи магнитного поля ............................................................................. 16
2.1. Элементы Холла................................................................................................................... 20
2.1.1. Элементы Холла по технологии биполярных ИС ......................................................... 24
2.1.2. Элементы Холла по МОП технологии ............................................................................ 25
2.1.3. Элементы Холла по технологии молекулярной эпитаксии .......................................... 26
2.1.4. Полевые элементы Холла ................................................................................................. 27
2.1.5. Производство и образцы элементов Холла .................................................................... 30
2.1.6. Частотные характеристики элементов Холла ................................................................ 32
2.1.7. Ориентационная характеристика элемента Холла ........................................................ 33
2.1.8. Применение элементов Холла ......................................................................................... 34
2.2. Магниторезисторы .............................................................................................................. 42
2.2.1. «Монолитные» магниторезисторы .................................................................................. 42
2.2.2. «Пленочные» магниторезисторы ..................................................................................... 46
2.2.3. Частотные характеристики магниторезисторов ............................................................ 50
2.2.4. Ориентационная характеристика магниторезистора .................................................... 51
2.2.5. Применение магниторезисторов ..................................................................................... 52
2.3.1. Кремниевые магнитодиоды ............................................................................................. 60
2.3. Магнитодиоды...................................................................................................................... 60
2.3.2. Полярные магнитодиоды ................................................................................................. 65
2.3.3. Магнитодиоды с эффектами переключения и «памяти» .............................................. 66
2.3.4. Германиевые магнитодиоды ............................................................................................ 68
2.3.5. Применение магнитодиодов ............................................................................................ 68
2.4. Магнитотранзисторы ........................................................................................................... 70
2.4.1. Биполярные магнитотранзисторы ................................................................................... 70
2.4.3. Кремниевые двухколлекторные магнитотранзисторы .................................................. 72
2.4.2. Германиевые двухколлекторные магнитотранзисторы ................................................. 72
2.4.4. Кремниевые двухстоковые магнитотранзисторы .......................................................... 73
2.4.5. Биполярный горизонтальный МОП p-n-p транзистор .................................................. 74
2.4.6. Полярный магнитотранзистор ......................................................................................... 74
2.4.7. Однопереходные магнитотранзисторы ........................................................................... 75
2.4.8. Многоколлекторные и многостоковые магнитотранзисторы ....................................... 76
2.4.9 Комбинированный преобразователь магнитного поля .................................................. 77
2.4.10. Применение магнитотранзисторов ............................................................................... 79
2.5. Магнитотиристоры .............................................................................................................. 80
2.6. ГМР преобразователи .......................................................................................................... 81
2.7. Полевые ГМР магнитотранзисторы ................................................................................... 84
2.8. Преобразователь магнитного поля на доменоносителях ................................................. 85
2.9. Магниточувствительные Z-элементы ................................................................................ 87
2.10. Датчики Виганда ................................................................................................................ 88
2.11. Феррозондовые ПМП ........................................................................................................ 90
2.11.1. Магнитоиндуктивные датчики ...................................................................................... 92
2.12. Сравнительные характеристики и сферы применения ПМП ........................................ 93
Список литературы к главе 2 ................................................................................................... 106
Глава 3. Магниточувствительные и магнитоуправляемые ИС ............................................. 110
3.1. Магниточувствительные интегральные схемы ............................................................... 112
3.1.1. Промышленные образцы магниточувствительных микросхем ................................. 114
3.1.2. Применение магниточувствительных ИС .................................................................... 121
3.2. Магнитоуправляемые интегральные схемы .................................................................... 125
3.2.1. Электрические схемы магнитоуправляемых ИС ......................................................... 129
3.2.2. Промышленные образцы отечественных МУМ .......................................................... 132
3.2.3. Промышленные образцы зарубежных МУМ ............................................................... 137
3.2.4. Применение магнитоуправляемых ИС ......................................................................... 146
3.3. Совмещенные (магнитооптические) интегральные микросхемы ................................. 152
3.4. Перспективы и тенденции развития МЧМС и МУМ ..................................................... 155
Список литературы к главе 3 ................................................................................................... 156
Глава 4. Многоэлементные и многоканальные преобразователи МП ................................. 158
Список литературы к главе 4 ................................................................................................... 164
Глава 5. Микроэлектронные магнитные датчики .................................................................. 165
5.1.Магнитные датчики для регистрации перемещений ...................................................... 169
5.1.2. Магнитные датчики линейного перемещения ............................................................. 174
5.1.3. Магнитные датчики приближения ................................................................................ 175
5.1.4. Координаточувствительные магнитные датчики ......................................................... 178
5.1.5. Промышленные образцы датчиков перемещения ....................................................... 179
5.2. Щелевые магнитные датчики ........................................................................................... 183
5.2.1. Примеры технической реализации щелевых магнитных датчиков ........................... 184
5.2.2. Промышленные образцы щелевых магнитных датчиков ........................................... 188
5.2.3. Применение ЩМД в системах электронного зажигания ........................................... 189
5.3. Магнитные датчики угла поворота .................................................................................. 192
5.3.1. Аналоговые датчики угла поворота .............................................................................. 192
5.3.2. Магнитодиодный преобразователь типа «угол-код» ................................................... 197
5.4.Магнитные датчики скорости вращения .......................................................................... 199
5.4.1. Датчики скорости вращения, основанные на счете зубьев ......................................... 199
ферромагнитных шестерен...................................................................................................... 199
5.4.2. Датчики скорости вращения, основанные на считывании магнитного ..................... 207
поля полюсов многополюсных магнитов ............................................................................... 207
5.4.3. Датчики скорости вращения, использующие вихревые токи ..................................... 212
5.5. Магнитные датчики угла наклона .................................................................................... 214
5.6. Магнитные датчики для считывания информации с магнитных носителей ............... 216
5.7. Датчики измерения тока и напряжения ........................................................................... 223
5.7.1. Общие принципы бесконтактного измерения тока ..................................................... 223
5.7.2. Схемотехника магнитных датчиков тока и напряжения ............................................. 226
5.7.3. Примеры технической реализации датчиков тока ....................................................... 227
5.7.4. Промышленные образцы магнитных датчиков тока ................................................... 234
5.8. Магнитные датчики в современных электродвигателях ............................................... 238
5.8.1. Принцип работы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока ................ 239
5.8.2. Конструкции бесколлекторных электродвигателей постоянного тока ...................... 241
5.8.3. Интегральные датчики положения ротора ................................................................... 245
5.9. Схемы сопряжения магнитных датчиков с внешними цепями ..................................... 248
5.10. Некоторые примеры применения ПМП и датчиков ..................................................... 253
5.10.2. Примеры использования МД в автомобильной технике и промышленном
оборудовании ........................................................................................................................ 264
Список литературы к главе 5 ................................................................................................... 268
Глава 6. Магнитоэлектронные устройства ............................................................................. 270
6.1. Бесконтактные переключатели ......................................................................................... 270
6.2. Бесконтактные клавишные модули .................................................................................. 273
6.3. Бесконтактные переменные резисторы ........................................................................... 280
6.4. МЭУ для определения направления вектора магнитного поля .................................... 283
6.4.1. Принципы определения направления вектора магнитного поля Земли .................... 284
6.4.2. Выбор преобразователя магнитного поля .................................................................... 285
6.4.3. Магнитные датчики на основе тонкопленочных магниторезисторов ....................... 287
6.4.4. Ориентационные датчики с применением магниторезисторов ................................ 290
6.4.5. Варианты устройств для определения вектора МП, реализованных
с использованием принципа квазимодуляции .................................................................. 293
6.4.6. Промышленные образцы ориентационных МД, реализованных
с использованием ИС серии НМС ..................................................................................... 300
6.4.7. Устройство для определения вектора МП с применением ЭХ................................... 301
6.4.8. Устройства для определения вектора МП с использованием
магнито-индуктивных датчиков .......................................................................................... 304
6.5. МЭУ в аппаратуре исследования и визуализации магнитного поля ............................ 308
6.5.1. Измерение параметров неоднородного магнитного поля ........................................... 308
6.5.2. Получение топографии магнитного поля ..................................................................... 311
6.6. МЭУ в аппаратуре для неразрушающего контроля изделий ......................................... 314
6.6.1. МЭУ для неразрушающего контроля изделий............................................................. 314
6.6.2. Промышленные образцы МЭУ для неразрушающего контроля................................ 324
6.7. Магнитоэлектронные устройства в экологии и медицине............................................. 326
6.7.1. Влияние геомагнитных полей на окружающую среду ................................................ 328
6.7.2. МЭУ для диагностики магнитных бурь ....................................................................... 329
6.7.3. Полупромышленные образцы магнитометров, реализованные
с использованием феррозондов .......................................................................................... 332
6.7.4. МЭУ в магнитотерапии .................................................................................................. 335
6.7.5. Портативные приборы для измерения индукции магнитного поля ........................... 337
Список литературы к главе 6 ................................................................................................... 340
Глава 7. Основные элементы конструкции изделий микромагнитоэлектроники ............... 343
7.1. Постоянные магниты ......................................................................................................... 343
7.2. Концентраторы магнитного поля ..................................................................................... 348
7.3. Катушки смещения ............................................................................................................ 350
7.4. Магнитопроводы ................................................................................................................ 352
7.5. Магнитные и термомагнитные шунты ............................................................................ 352
7.6. Магнитные экраны ............................................................................................................ 353
7.7. Корпуса изделий микромагнитоэлектроники ................................................................. 353
7.8. Элементы связи .................................................................................................................. 354
Список литературы к главе 7 ................................................................................................... 354
Глава 8. Измерение основных параметров преобразователей магнитного поля ................ 355
8.1. Измерение основных параметров элементов Холла ...................................................... 356
8.2. Измерение основных параметров магниторезисторов .................................................. 357
8.2.1. Измерение параметров магниторезисторного моста .................................................. 357
8.2.2. Измерение параметров единичного магниторезистора .............................................. 358
8.3. Измерение параметров магнитодиодов ........................................................................... 359
8.4. Измерение параметров магниточувствительных ИС ..................................................... 360
8.5. Измерение параметров магнитоуправляемых ИС .......................................................... 361
Список литературы к главе 8 ................................................................................................... 363
Заключение ................................................................................................................................ 364
Алфавитный указатель
Б
Бесконтактный
клавишный модуль 273
переключатель 270
переменный резистор 280
Бесконтактный манипулятор 259
Биомагнитные поля 328
Г
Геомагнитное поле 283
Германиевый магнитодиод 68
ГМР-преобразователь 81
Головка
считывающая на эффекте Виганда 221
Головка воспроизводящая
индукционная 216
магнитоэлектронная 216
тонкопленочная 218
Д
Датчик 165
блокировки дверей 261
в автомобильной технике 264
в автомобильной технике перечень 267
входная величина 165
выходной сигнал 165
гистерезис 166
динамическая характеристика 167
дополнительные погрешности 166
зарубежная классификация 167
контроля
размеров 253
толщины ленты 253
координаточувствительный 178
малого расхода жидкости 258
наклона автомобильный 260
общие требования 167
ориентационный 290
основная погрешность 166
первичный преобразователь 167
перемещения
поршневой 260
положения ротора (ДПР) 238
полупроводниковый чувствительный элемент 167
порог чувствительности 166
предельного тока 225
разрешающая способность 308
скорости
ветра 258
статическая характеристика 165
схемы сопряжения 248
температуры 262
типа TMS-215 307
тока
цифровой 225
точного поддержания уровня 262
угла поворота 192
угла поворота аналоговый 192
уровня
жидкости 255
фазовая характеристика 167
частотная характеристика 167
щелевой 183
щелевой в системе зажигания 189
щелевой многоканальный 187
щелевой с большим зазором 185
Датчик Виганда 88
Датчик линейного перемещения 174
Датчик перемещений 169
зарубежная классификация 169
особенности 169
Датчик перемещения
с замкнутой магнитной системой 173
с разомкнутой магнитной системой 172
Датчик положения ротора
нтегральный 245
Датчик приближения 175
Датчик скорости вращения
многополюсных магнитов 207
шестерен 199
Датчик тока
линейный 225
навесной 237
разъемный 237
Датчик угла наклона
области применения 215
Датчики скорости вращения 199
на вихревых токах 212
датчики угла наклона 214
Дефектоскоп ИНТРОС 324
Последние комментарии
2 часов 2 минут назад
2 часов 16 минут назад
3 часов 24 минут назад
14 часов 42 минут назад
15 часов 20 секунд назад
15 часов 24 минут назад