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).