Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Датчики приближения, использующие эффект Холла



За последние годы популярность датчиков Холла значительно увеличилась (см. раз­дел 3.8 главы 3, где описан их принцип действия). Существуют два типа датчиков Холла: линейный и пороговый (рис. 7.14). Линейный датчик обычно интегрирует­ся вместе с усилителем для упрощения согласования с последующими схемами. По сравнению с основным датчиком (рис. 3.30 главы 3) они работают в большем диа­пазоне напряжений и обладают более хорошей помехозащищенностью. Но эти дат­чики не отличаются хорошей линейностью зависимости выходного напряжения от плотности магнитного поля (рис. 7.15А), поэтому для получения точных результа­тов необходимо проводить их индивидуальную калибровку. В дополнение к усили­телю в состав порогового датчика входит триггер Шмитга, обладающий гистерези­сом. На рис. 7.15Б показана зависимость выходного сигнала порогового датчика от плотности магнитного поля. Как видно из рисунка, такой датчик обладает гистере­зисом. Когда плотность приложенного магнитного поля превышает заданный по­роговый уровень, триггер переключается из состояния ВЫКЛЮЧЕНО в положе­ние ВКЛЮЧЕНО, что свидетельствует о критическом приближении объекта к де­тектору. Гистерезис за счет введения мертвой зоны, запрещающей работу датчика после прохождения порогового значения, устраняет паразитные колебания. Дат­чики Холла обычно изготавливаются в виде интегральных схем на кремниевых под­ложках в бескорпусном или корпусном исполнении.


7.4. Индуктивные и магнитные датчики 293



Гаусс


Для возможности измерения положения и перемещения объектов датчику Холла необходим источник магнитного поля, а также интерфейсная схема. Маг­нитное поле характеризуется двумя основными параметрами: плотностью потока и полярностью (направленностью). Следует отметить, что для повышения чув­ствительности желательно, чтобы линии магнитного поля были перпендикуляр­ны плоской поверхности датчика и имели заданную направленность. В порого­вых датчиках фирмы Sprague® южный полюс магнита отвечает за переключение датчика, в то время как северный полюс не оказывает никакого влияния.

Перед разработкой датчика перемещений на основе детектора Холла необходимо провести полный предварительный анализ. Начинать необходимо с оценки силы маг­нитного поля. С увеличением расстояния от поверхности полюсов сила поля умень­шается. Силу поля можно определить либо при помощи измерителя магнитной индук­ции или калиброванного датчика Холла. Для датчика Холла порогового типа макси­мальное расстояние, при котором происходит переход выходного сигнала датчика из состояния ВКЛЮЧЕНО (ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ) в состояние ВЫКЛЮЧЕНО (НИЗ-КИИ УРОВЕНЬ), называется точкой отпускания. Эта точка определяет критическое расстояние, на котором может работать датчик. Зависимость силы магнитного поля от расстояния не яатяется линейной. Эта зависимость во многом определяется формой используемых магнитов, магнитным контуром и траекторией перемещения магнита.


294Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня

Чувствительный элемент датчика Холла располагается внутри корпуса на некотором расстоянии от его стенок. Это расстояние и определяет минимальное рабочее расстоя­ние. Магнит должен быть надежным и обеспечивать эффективный воздушный зазор в рабочей зоне. Его габариты должны соответствовать размерам установки, а цена сопо­ставима со стоимостью всей системы (Для получения большей информации по посто­янным магнитам обратитесь к разделу 3.4 главы 3).

Датчики Холла могут использоваться в качестве прерывателей. В этом случае датчик Холла и магнит представляют собой единый блок с небольшим воздуш­ным зазором между ними (рис. 7.16). Часто вся конструкция монтируется в одном корпусе, что помогает устранить процедуру выравнивания элементов друг отно­сительно друга. При свободном воздушном зазоре датчик находится в положении ВКЛЮЧЕНО. Когда в пространство между магнитом и датчиком помещается ферромагнитная пластина, она формирует магнитный шунт, закорачивающий магнитный поток на себя, в результате чего детектор Холла переходит в состоя­ние ВЫКЛЮЧЕНО. Ферромагнитная пластина, разрывающая магнитный поток, может совершать либо линейные, либо вращательные движения. Примером та­кого устройства является автомобильный прерыватель.

ферромагнитная

вкл Iвыкл

(А) (Б)

Рис. 7.16. Прерыватель, реализованный на основе датчика Холла: А — магнит­ный поток включает датчик, Б — магнитный поток шунтируется фер­ромагнитной пластиной [6]

Для детектирования линейных и круговых перемещений четыре датчика Холла включаются в мостовую схему. На рис. 7.17А и 7.17Б показаны внешний вид и принципиальная схема мостового датчика Холла для измерения угловых переме­щений, изготовленного на одном кристалле по микросистемной технологии в пла­стмассовом корпусе SOIC-8. Схема детектирует угол и направление поворота кру­гового магнита, размещенного сверху кристалла, и преобразует полученные дан­ные в цифровой код. Параметры АЦП определяют частотные характеристики си­стемы. Рассматриваемый датчик может работать при скорости вращения магни­та, равной 30 000 оборотов в минуту. Такое устройство позволяет точно опреде­лять линейное и угловое положение объекта, выполнять угловую кодировку и даже реализовать управляемый поворотный переключатель. Благодаря мостовой схе­ме включения датчиков, вся система устойчива к смещениям магнита и внешним помехам, включая посторонние магнитные поля.



7.4. Индуктивные и магнитные датчики



Рис. 7.17.Мостовой датчик Холла (А) и его внутренний интерфейс (Б) (напечатано с разрешения Austria Micro Systems). Вид датчика и пе­ремещающегося объекта в разрезе: В — показаны пути магнитных потоков через датчик и объект, Г — пока­заны пути четырех потоков при достаточной удалении объекта

 


На рис. 7.17В и 7.17Г показан трехмерный (3D) датчик Холла, сравниваю­щий магнитные потоки от перемещающегося объекта, проходящие по четы­рем геометрически одинаковым магнитным траекториям, расположенным сим­метрично вокруг вертикальной оси системы. Эта схема является магнитным эквивалентом моста Уитстона. Когда

барабан с нитью
кодировщик вращения
Рис. 7.18.Преобразование линейного пере­мещения (длины нити или кабеля) во вра­щательное движение (А) и внешний вид дат­чика длины кабеля (Б) Напечатано с разрешения Space Age Control, Inc

объект находится вдали от датчика, симметричное поле постоянного маг­нита распространяется от централь­ного полюса через воздушный зазор к краям. При приближении объекта к датчику траектория магнитных пото­ков меняется, они теперь проходят через обе структуры. Поверхность центрального полюса датчика разде­лена на четыре равные части: А, В, С и D. Величины магнитных потоков в каждой из частей измеряются соот­ветствующим детектором Холла. Су­ществует два типа объектов: пассив­ный и активный. В состав активного устройства входит постоянный магнит, возбуждающий магнитное поле, де­тектируемое датчиком, когда они на­ходятся друг от друга на рабочем рас­стоянии. Пассивные объекты не име­ют собственного магнита. В этом слу­чае магнитное поле генерируется



Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня


датчиком, а объект лишь возвращает его обратно. Система управления беспи­лотным транспортным средством — яркий пример использования такой конст­рукции. В таких системах под поверхностью дороги расположены металлические полоски, играющие роль пассивных задающих устройств. При этом сам датчик располагается на транспортном средстве. При прохождении датчика над задаю­щими полосками снимается информация о положении, скорости и направлении движения. Расстояние между датчиком и полосками не должно превышать не­скольких дюймов.

Из рисунков 7.17А и 7.17Б видно, что мостовые схемы датчиков Холла позво­ляют с высокой степенью точности преобразовывать круговое движение в циф­ровой код. Используя это свойство, можно реализовать датчики перемещения на основе преобразователя линейного перемещения в круговое движение (рис. 7.18). Такие преобразователи выпускаются несколькими производителями, например, Space Age Control, Inc (www.spaceagecontrol.com).

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.