Датчики магнитного поля реферат

Обновлено: 04.07.2024

Рассмотрим случай, когда сенсором служит ГМР-элемент. Он представляет собой два полупроводниковых резистора, изолированных р-ппереходом и разделенных прослойкой из поликремния среднего уровня легирования. Конструкция ГМР-элемента приведена на рис. 102. Сенсор включается в схему, приведенную на рис. 103. ГМР-элемент из двух резисторов вместе с резисторами R1 и R2 составляет электрический мост… Читать ещё >

информационно-измерительная техника и электроника. преобразователи неэлектрических величин

Датчики магнитного поля с частотным выходом ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Сенсорами магнитного поля могут служить элементы Холла, гальваномагнитнорекомбинационные (ГМР) элементы, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы. Подход к построению датчиков магнитного поля с магниторезисторами и магнитодиодами гот же, что и при построении датчиков температуры с терморезисторами и диодами. Рассмотрим случай, когда сенсорами служат элементы Холла.

Каждый датчик содержит элемент Холла, включенный в автогенератор на транзисторном аналоге негатрона. Так как продольный и поперечный контакты элемента Холла гальванически связаны между собой, это накладывает ограничения на выбор схемы аналога негатрона. Исследованы три схемы датчиков, использовался элемент Холла производства завода VV A30H" (Баку). На рис. 99- 101 приведены принципиальные электрические схемы датчиков и графики зависимости изменения частоты от индукции магнитного ноля. [24]. Направление индукции выбрано таким, чтобы с ее увеличением частота возрастала. При изменении направления индукции на обратное с увеличением индукции частота уменьшается, характер зависимости сохраняется.

В первом датчике (рис. 99) используются два дополнительных конденсатора С2 и СЗ, обеспечивающие асимметрию схемы по переменному току, датчик отличается малым количеством транзисторов [14, "https://referat.bookap.info"].

Во втором датчике (рис. 100) используется один дополнительный конденсатор С2, но уже требуются 4 комплементарных транзистора. В третьем датчике (рис. 101) нет дополнительных конденсаторов, но требуются 6 транзисторов одного типа проводимости. Последний датчик обладает наивысшей чувствительностью частоты к магнитному полю. Если исходная частота у первых двух датчиков меняется в пределах 3%, то у третьего датчика частота меняется на 25% при увеличении индукции до 4 мТл. Как видно, ни одна из схем не дает строго линейной зависимости изменения частоты от индукции магнитного поля.

Рассмотрим случай, когда сенсором служит ГМР-элемент [25]. Он представляет собой два полупроводниковых резистора, изолированных р-ппереходом и разделенных прослойкой из поликремния среднего уровня легирования. Конструкция ГМР-элемента приведена на рис. 102. Сенсор включается в схему, приведенную на рис. 103. ГМР-элемент из двух резисторов вместе с резисторами R1 и R2 составляет электрический мост. Одна его диагональ подключена к источнику Е, с другой напряжение разбаланса подается на базы транзисторов VT3, VT4. На транзисторах VT1 и VT4 собран аналог негатрона. Между эмиттерами транзисторов VT1 и VT2, где наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление, включен частотозадающий конденсатор С1. При отсутствии магнитного поля мост балансируется резисторами Rl, R2. Под действием магнитного поля поток носителей заряда в полупроводниковых резисторах отклоняется. В одном из резисторов он подходит ближе к поликремнию, где высокая скорость рекомбинации, в другом он отходит от поликремния. Это ведет к изменению сопротивления, т.с. ГМРэффекту. В результате мост разбалансируется, базы транзисторов VT3, VT4 изменяют свой потенциал, меняется ВАХ аналога негатрона и, как следствие, генерируемая частота.

График зависимости относительного изменения частоты от индукции магнитного поля В показан на рис. 104. Как видно, чувствительность линейно возрастает с увеличением напряжения питания.

Самым известным и используемым устройством для измерения величины магнитной индукции является датчик Холла (a, b). Измерители на основе этого устройства проектируются как пробники небольших габаритов, которые могут содержать один, два или три кристалла полупроводника для измерения магнитного поля в одно-, двух- или трех- взаимно перпендикулярных направлениях.

Работа содержит 1 файл

магнитный датчик.doc

Энциклопедия магнетизма. Датчики магнитного поля.

Датчики магнитного поля.

Датчики магнитного поля обеспечивают на выходе электрическое напряжение (разность потенциалов), пропорциональное величине магнитной индукции.

Индукционный датчик (c) состоит из катушки индуктивности и предназначен для измерения переменного магнитного поля. Напряжение, индуцируемое на катушке, помещенной в переменное магнитное поле, пропорционально величине измеряемой магнитной индукции.

Постоянное магнитное поле может быть измерено вращающейся с постоянной скоростью катушкой индуктивности (d). Переменное напряжение, образующееся в катушке при пересечении линий магнитного поля, пропорционально величине магнитной индукции.

Существуют и другие датчики магнитного поля, например, на основе магнитного резонанса, но для наших целей – измерения полей магнитов и магнитных систем, используемых в промышленности и исследовательских разработках (а не в медицине или фундаментальной науке) – представленного перечня вполне достаточно.

Если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I плотностью j, а в другом направлении воздействовать магнитным полем B, то в третьем направлении можно измерить напряжение V, меняющееся пропорционально силе магнитного поля:

где R – постоянная Холла, b – расстояние между гранями, на которых возникает измеряемое напряжение.

Данное явление получило название эффекта Холла, по имени физика Эдвина Герберта Холла, открывшего этот эффект в 1879 году в тонких пластинках золота. Так как измеряемое напряжение меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.

Из приведенной формулы следует, что V = k · B, поэтому, если прокалибровать связь между измеренным напряжением и величиной магнитного поля, можно использовать датчики на основе эффекта Холла для измерения величины неизвестных магнитных полей.

Датчик на основе эффекта Холла.

Датчики Холла выпускаются многими компаниями в мире, например, компанией Honeywell. В России наиболее просто можно приобрести датчик ДХК-0.5А, поэтому разработка в одном из следующих разделов простого гауссметра будет проиллюстрирована на примере этого датчика, хотя все нижеизложенное справедливо и для других датчиков.

Датчик Холла ДХК-0.5А предназначен для измерения величины магнитной индукции на основе преобразования магнитной индукции в выходное напряжение. Датчик выполнен на основе планарной топологической структуры, сформированной на поверхности кремниевого кристалла.

Основные технические характеристики:

Номинальный управляющий ток – 3 мА;

Напряжение Холла при магнитной индукции 0.25 Т и номинальном управляющем токе – 70 мВ (чувствительность K = 280 мВ/Т);

Остаточное напряжение при номинальном управляющем токе – не более 7 мВ (значение этого параметра зависит от условий поставки);

Выходное сопротивление – не более 3 кОм (сопротивление между выводами Uх);

Масса – не более 2.5 г.

-Iх и +Iх – выводы для подключения источника управляющего тока (токовые выводы);

-Uх и +Uх – выводы выходного сигнала (холловские выводы);

сопротивление между токовыми выводами меньше, чем между холловскими.

Выходное напряжение в мВ:

+Uх - (-Uх) = K · (Iх / 3) · B,

Iх – значение управляющего тока в мА,

K – чувствительность в мВ/Т (около 280 мВ/Т),

B – величина магнитной индукции в Т.

Датчик ДХК-0.5А является знакочувствительным как по отношению к направлению магнитной индукции, так и по отношению к полярности управляющего тока.

Различие датчиков трех типов, использующих различные физические эффекты, а именно: магниторезистивные датчики, датчики Холла и датчики Виганда. Выработка измерительного напряжения, связанного с магнитным полем. Проведение опытов физиком Э. Холлом.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	12.12.2017
Размер файла	16,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Типы датчиков

Среди датчиков магнитного поля различают датчики трех типов, использующие различные физические эффекты, а именно: магниторезистивные датчики, датчики Холла и датчики Виганда.

Датчики магнитного поля, использующие эффект Холла, относятся к активным датчикам, так как они сами вырабатывают измерительное напряжение, связанное с магнитным полем.

В 19 веке ам. физик Эдвин Холл обнаружил, что при пропускании постоянного тока через пластинку золота и поднеся к ней перпендикулярно постоянный магнит, возникла разность потенциалов на гранях А и С, т.е. напряжение. Это и есть эффект Х. Напряжение на гранях А и С зависит от силы магнитного поля, кот. Задается либо постоянным магнитом либо электромагнитом, толщиной пластинки и силой тока.

Обычно сенсор Холла представляет собой небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на всем протяжении стороны прямоугольника. А те, с которых снимается сигнал - самые обычные, точечные.

Функциональная схема датчиков магнитного поля на эффекте Холла:

датчики состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора его питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. В зависимости от модели датчика, выходной каскад представляет собой усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с открытым коллектором (PNP). датчик магниторезистивный холл

Благодаря им были построены приборы позволяющие измерять силу тока в проводнике, не касаясь самих проводников. А также приборы, с помощью которых можно измерять напряженность м.п. в них линейные датчики холла.

Позже стали делать радиоэлементы на данном эффекте. И назвали эти элементы датчиками Холла. Как только наступила эра цифровой электроники в один корпус с датчиками холла стали помещать различные логические элементы. В результате стали выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном эти датчики делятся на 3 типа.

Датчики Холла бывают: униполярными, биполярными, омниполярными.

1. Реагируют лишь на 1 магнитный полюс, а на противоположный не обращают внимания. Т.е. поднося южный полюс магнита, срабатывает датчик, на противоположный - нет.

2. Подносим магнит одним полюсом - датчик сработал. И продолжает работать даже когда мы убираем магнит от датчика. И чтоб его выключить надо подать другую полярность магнита.

3. Включаются/выключаются на любой полюс.

Короче их можно подключить к микроконтроллерам и другим логическим элементам. Они используются также в ноутбуках: при закрытии крышки ноутбука - экран гаснет. Также они используются в старых телефонах.

Специалисты отмечают следующие ряд достоинств датчиков Холла:

1. Долгий срок службы (для клавиатуры это 30 млрд. нажатий).

2. Отсутствие подвижных частей (твердотельная электроника), что значительно упрощает конструирование с высокими требованиями к вибрациям и ударам.

3. Возможность работы на частотах изменения магнитного поля до 100 кГц.

4. Достаточно простое совмещение с логическими уровнями сигналов цифровой техники.

5. Достаточно широкий диапазон рабочих температур (от минус 40 до плюс 150 градусов Цельсия).

6. Высокая повторяемость измерений, что позволяет достаточно просто тарировать приборы на основе датчиков Холла.

1975г. Американский ученный Джон Ричард Виганд. Воздействие полей на различные типы проводников.

Эффект: если к катушке из ФМ проволоки внести в постоянное магнитное поле, то возникает спонтанное изменение ее магнитной поляризации, как только напряженность поля превысит определенное пороговое значение. Этот предел называется порогом зажигания.

Если поле в одну сторону, то возникает положительный индукционный ток, а если в противоположную - отрицательный. Изменение состояние можно регистрировать с помощью обмотки вокруг проволоки. Одна из областей применения - системы контроля. В которой используются датчики Виганда.

Конструкция простейшего датчика Виганда.

Датчик состоит из проволоки, изготовленной из ферромагнитного сплава типа викаллой (10% ванадия, 52% кобальта и железа), и обмотки. Точный состав материала проволоки, как правило, является секретом фирмы. Проволока Виганда представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки. Диаметр проволоки 0,2-0,3 мм, длина - 5 - 40 мм. Обмотка датчика обычно составляет 1000-2000 витков медного провода диаметром 0,05-0,1 мм.

Датчики Виганда не требуют какого-либо источника питания, их выходной сигнал практически не зависит от частоты изменения поля, и их можно использовать в широком диапазоне рабочих температур (-196…+175 °С).

Область их применения:

- задачи измерения и контроля,

- системы управления доступом, в которых они служат носителями информации в идентификационных картах.

Такой датчик реагирует на магнитные поля и вырабатывает сигнал в диапазоне нескольких вольт, при условии, что напряженность окружающего м.п. превышает пороговое зажигание.

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 емкость 56 бит), которые вставлены в пластиковые карты точно установленного размера. Перед тем как карта поступит на устройство считывания, все проволоки должны быть насыщены в одном и том же направлении магнитного насыщения. Следовательно, информация станет полностью независимой от воздействия внешних полей, которые могут изменять магнитное состояние проволок перед считыванием. Информация основана только на геометрической конфигурации проволок и поэтому не изменяется

Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного датчика, который получил наименование магнитоиндуктивного датчика - MagnetoInductive (MI) sensors. Датчик представляет собой микроминиатюрную катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Катушка содержит всего одну обмотку и регистрирует магнитное поле в направлении только одной из осей.

Магниторезистивный эффект, обнаруженный Томсоном (лордом Кельвином) в 1856 г., он основан на отклонении линий тока под действием магнитного поля, которое используется здесь непосредственно. В магниторезистивных устройствах длина намного больше ширины, поэтому эффектом Холла можно пренебречь

МР - пп. Резистор, в котором используется зависимость сопротивления от м.п.

Принцип действия основан на магниторезистивном эффекте. Изменение сопротивления при внесении м.п.

Некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой (80 % Ni и 20 % Fe), изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. С помощью современной тонкопленочной технологии можно изготовить небольшие и очень дешевые магниторезистивные датчики.

Представляет собой изоляционную подложку на которую наклеен слой вещества. К пп пластине подпаиваются токоподводы. Часто для увеличения активного сопротивления и получения небольших габаритов пп пластина изготавливается в форме меандра. резистивный элемент в форме меандра сопротивлением от 30 Ом до 1 кОм.

Для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста с алюминиевыми перемычками формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке. Такие мостовые датчики с зазубренными полосами применяются для измерения скорости, углов поворота, тока и слабых полей. Их основные характеристики: высокая чувствительность; линейность; возможность определить направление поля.

К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:

* отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;

* широкий диапазон рабочих температур (от -55 до 150°С);

* датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;

* долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.

Подобные документы

Чувствительность датчиков, их классификация по тем величинам, которые они должны измерять (датчики давления, датчики уровня). Основные типы датчиков сопротивления и их характеристики. Устройство емкостных и струнных датчиков, свойства фотоэлементов.

реферат [23,4 K], добавлен 21.01.2010

Общая характеристика технологий, конструктивных особенностей, принципов работы и практического применения волоконно-оптических датчиков. Описание многомодовых датчиков поляризации. Классификация датчиков: датчики интенсивности, температуры, вращения.

курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.06.2012

Современные подходы к построению электрофизических методов для создания низкотемпературной атмосферной плазмы для обработки поверхностей. Технико-физические пределы возможностей датчиков атмосферного давления. Параметры низкотемпературной плазмы.

реферат [1,9 M], добавлен 23.01.2015

Датчики, преобразующие деформацию в электрический сигнал. Виды тензодатчиков. Принцип действия жидкостных манометров. Расчет индуктивного сопротивления. Психрометрический метод. Измерение влажности. Труба Вентури. Структурные составляющие ротаметра.

реферат [2,1 M], добавлен 26.11.2012

Расчет показателей чувствительности и инерционности датчиков. Электрические принципиальные схемы вращающегося трансформатора, индуктосина, сельсина и тахогенератора. Понятие и классификация реле; правила их обозначения на схемах и принцип действия.

презентация [1,1 M], добавлен 30.11.2014

Застосування тензометрів для зміни деформацій у деталях машин і механізмів. Дротові, напівпровідникові, фольгові тензометричні датчики. Зворотний зв'язок у магнітних підсилювачах. Використання електромагнітних реле та систем автоматичного регулювання.

контрольная работа [136,7 K], добавлен 23.10.2013

Понятие гигрометра, его предназначение и сферы применения, история разработок и основные параметры работы. Методы и средства измерения влажности, особенности применения психометрического влагомера. Классификация датчиков гигрометров по принципу действия.

Благодаря тому, что выходной эффект определяется произведением двух величин (Н и I), датчики Холла имеют весьма широкое применение. В таблице приведены коэффициенты Холла для различных металлов и сплавов. Обозначения: Т - температура; В - магнитный поток; Rh - коэффициент Холла в единицах м3 /Кл.

Бесконтактные клавишные переключатели на основе эффекта Холла применялись за рубежом довольно широко уже с начала 70-х годов. Достоинства этого переключателя - высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки - постоянное потребление энергии и сравнительно высокая стоимость.

Принцип действия генератора Холла

Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны - постоянный магнит.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила. Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

Если внести в магнитное поле с индукцией В полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран. Когда в зазоре нет экрана, то на пластинку полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение, если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение на выходе датчика близкое к нулю.

Дробный квантовый эффект Холла

Об эффекте Холла написано много, этот эффект интенсивно используется в технике, но ученые продолжают его исследовать. В 1980 г. немецкий физик Клаус фон Клитцунг изучал работу эффекта Холла при сверхнизких температурах. В тонкой пластинке полупроводника фон Клитцунг плавно изменял напряженность магнитного поля и обнаружил, что сопротивление Холла изменяется не плавно, а скачками. Величина скачка не зависила от свойств материала, а являлась комбинацией фундаментальных физических констант, деленной на постоянное число. Получалось, что законы квантовой механики каким-то образом изменяли природу эффекта Холла. Это явление было названо интегральным квантовым эффектом Холла. За это открытие фон Клитцунг получил Нобелевскую премию по физике в 1985 г.

Два года спустя после открытия фон Клитцунга в лаборатории компании Bell Telephone (той самой, в которой был открыт транзистор) сотрудники Стормер и Тсуи изучали квантовый эффект Холла, используя исключительно чистый образец арсенида галлия большого размера, изготовленный в этой же лаборатории. Образец имел настолько высокую степень чистоты, что электроны проходили его из конца в конец, не встречая препятствий. Эксперимент Стормера и Тсуи проходил при гораздо более низкой температуре (почти абсолютный нуль) и с более мощными магнитными полями, чем в эксперименте фон Клитцунга (в миллион раз больше, чем магнитное поле Земли).

К своему большому удивлению Стормер и Тсуи обнаружили скачок в сопротивлении Холла в три раза больший, чем у фон Клитцунга. Затем они обнаружили еще большие скачки. Получалась та же комбинация физических постоянных, но деленная не на целое, а на дробное число. Заряд электрона у физиков считается константой, не делимой на части. А в этом эксперименте как бы участвовали частицы с дробными зарядами. Эффект был назван дробным квантовым эффектом Холла.

Год спустя после этого открытия сотрудник лаборатории Ла-флин дал теоретическое объяснение эффекта. Он заявил, что комбинация сверхнизкой температуры и мощного магнитного поля заставляет электроны образовывать несжимаемую квантовую жидкость. Но рисунке с помощью компьютерной графики показан поток электронов (шары), протыкающих плоскость. Неровности плоскости представляют распределение заряда одного из электронов в присутствии магнитного поля и заряда других электронов. Если электрон добавляется к квантовой жидкости, то образуется некоторое количество квазичастиц с дробным зарядом (на рисунке это показано как набор стрелок у каждого электрона).

В 1998 г. Хорст Стормер, Даниэль Тсуи и Роберт Лафлин были удостоены Нобелевской премии по физике. В настоящее время Х.Стормер - профессор физики Колумбийского университета, Д.Тсуи - профессор Принстонского университета, Р.Лафлин - профессор Стенфордского университета.

Читайте также: