پروژه كارآموزي درباره سنسور

فهرست
مقدمه 2
سنسورهاي اثر هال Hall effect sensors 6
سنسورهاي مگنتو استريكتيو Magnetostrictive sensors 20
سنسورهاي مگنتو رزيستيو Magnetoresistive sensors 26
جمع بندي 47
مقدمه
بطور كلي موقعيت سنجي از روش هاي مختلف زير قابل حصول است :
خازني، جريان يورشي،  نوري،  مقاومتي، سونار، ليزري،  پيزوالكتريك، القايي،  مغناطيسي.
سنسور هاي مغناطيسي براي بيش از 2000سال است كه در حال استفاده مي باشند. كاربرد اخير سنسورهاي مغناطيسي در رهيابي ياناوبري(Navigation) مي باشد.
سنسورهاي  مغناطيسي از آهنرباي دائمي و يا آهنرباي الكتريكيِ توليد شده از جريان ac و dc استفاده مي كند. سنسورهاي مغناطيسي ، بطور كلي ، بر ميدان مغناطيسي عمل مي كنند و ويژگيهاي آنها تحت تاثير ميدان مغناطيسي تغيير مي كند. از ويژگيهاي اين سنسورها غير تماسي بودن (Noncontact) آنهاست. در آنها هيچ اتصال مكانيكي ميان قسمت هاي متحرك و قسمت هاي ثابت وجود ندارد. اين خاصيت منجر به افزايش طول عمر آنها شده است. علاوه بر اين لغزش قسمت هاي متحرك بر هم، در ديگر سنسورها مثل پتانسيومتر باعث ايجاد نويز مي شود، كه اين مشكل در سنسورهاي مغناطيسي رفع شده است.
سنسورهاي مغناطيسي به سبب ساختار مناسبي كه دارند در محيط هاي آلوده، چرب و روغني بخوبي عمل مي كنند و به همين علت در اتومبيل و كاربرد هاي اين چنيني بسيار مفيد هستند.
سنسورهاي مغناطيسي بر مبناي رنج ميدان اعمالي بصورت زير تقسيم بندي مي شوند:
Low field :  كمتر از 1mG
Medium field : ما بين 1mG و 10G
High field : بالاتر از 10G
جابجايي ( Displacement ) به معني تغيير موقعيت است. سنسورهاي جابحايي به دو نوع افزايشي ( Incremental ) و مطلق ( Absolute ) تقسيم مي شوند. سنسور هاي افزايشي ميزان تغيير بين موقعيت فعلي و قبلي را مشخص مي كنند. چنانچه اطلاعات مربوط به موقعيت فعلي از دست برود، مثلا منبع تغذيه دستگاه قطع بشود، سيستم بايد به مبدا خود منتقل شود.( reset شود.) در نوع مطلق موقعيت فعلي بدون نياز به اطلاعات مربوط به موقعيت قبلي بدست مي آيد. نوع مطلق نيازي به انتقال به مرجع خود را ندارد. معمولا سنسورهاي جابجايي مطلق را سنسورهاي موقعيت  ( Position sensor ) مي نامند.
در اين پروژه سعي شده است تا سنسورهاي جابجايي ، موقعيت و مجاورتي ( Displacement , Position , Proximity ) ‌پوشش داده شود.
بطور كلي زماني كه بخواهيم كميت هاي فيزيكي مانند جهت ،  حضور يا عدم حضور ، جريان ، چرخش و زاويه را اندازه گيري كنيم و از سنسورهاي مغناطيسي استفاده كنيم ، ابتدا بايستي تا اين كميت ها يك ميدان مغناطيسي را بوجود آورند و يا تغييري در ميدان مغناطيسي يا در خصوصيات مغناطيسي سنسور ايجاد نمايند و در نهايت سنسور اين تغيير را احساس نموده و آنرا با يك مدار بهسازي به جريان يا ولتاژ مناسب تغيير دهيم.

در ادامه اصطلاحاتي جهت يادآوري بيان مي شود:

شدت ميدان مغناطيسي (Magnetic field intensity) : آنرا با H نمايش مي دهند و نيرويي است كه شار مغناطيسي را در ماده به حركت در مي آورد. به همين علت بدان نيروي مغناطيس كنندگي (Magnetizing force) نيز مي گويند. واحد آن آمپر بر متر مي باشد.
چگالي شار مغناطيسي (Magnetic flux density) :  آنرا با B  نمايش مي دهند. ميزان شار مغناطيسي است كه در واحد سطح ماده توسط نيروي مغناطيس كنندگي بوجود آمده است. واحد آن نيوتن بر آمپر بر مترمربع مي باشد.
نفوذپذيري مغناطيسي (Magnetic permeability) : آنرا با نمايش مي دهند. توانايي و قابليت ماده جهت نگهداشتن و عبور شار مغناطيسي است. در فضاي آزاد
رابطه
بر قرار است كه نفوذ پذيري مغناطيسي فضاي آزاد است و برابر مي باشد. درساير مواد رابطه به شكل خواهد بود كه و نفوذ پذيري مغناطيسي نسبي ماده مي باشد.
هيسترزيس  ( Hysteresis ) : پديده اي است كه در آن حالت سيستم وارون پذير نمي باشد. در يك سنسور جابجايي يا موقعيت اين پديده باعث مي شود تا مقدار خوانده شده در يك نقطه توسط سنسور هنگام رسيدن بدان از بالا و پايين تفاوت بكند. شكل زير اين پديده را نشان مي دهد.

هيسترزيس مغناطيسي (Magnetic hystresis) : زماني كه يك ماده فرومغناطيسي در يك ميدان مغناطيسي متغير قرار مي گيرد به سبب عقب افتادگي چگالي شار (B) از نيروي مغناطيس كنندگي (H) ، اين پديده رخ مي دهد.

اشباع مغناطيسي (Magnetic saturation) : حد بالاي توانايي يك ماده جهت عبور شار مغناطيسي از خود است.

سنسورهاي اثرهال (Hall Effect Sensors)

مقدمه
يك عنصر هال از لايه نازكي ماده هادي با اتصالات خروجي عمود بر مسير شارش جريان ساخته شده است وقتي اين عنصر تحت يك ميدان مغناطيسي قرار مي گيرد، ولتاژ خروجي متناسب با قدرت ميدان مغناطيسي توليد مي كند. اين ولتاژ بسيار كوچك و در حدود ميكرو ولت است. بنابراين استفاده از مدارات بهسازي ضروري است. اگر چه سنسور اثرهال، سنسور ميدان مغناطيسي است ولي مي تواند به عنوان جزء اصلي در بسياري از انواع حسگرهاي جريان، دما، فشار و موقعيت و … استفاده شود. در سنسورها، سنسور اثر هال ميداني را كه كميت فيزيكي توليد مي كند و يا تغيير مي دهد حس مي كند.
ويژگيهاي عمومي
ويژگيهاي عمومي سنسورهاي اثرهال به قرار زير مي باشند:
1 – حالت جامد ؛ 2 – عمر طولاني ؛ 3 – عمل با سرعت بالا-پاسخ فركانسي بالاي 100KHZ ؛ 4 – عمل با ورودي ثابت (Zero Speed Sensor) ؛ 5 – اجزاي غير متحرك ؛ 6-ورودي و خروجي سازگار با سطح منطقيLogic  Compatible  input and output ؛ 7 – بازه  دمايي گسترده  (-40C ~ +150C) ؛ 8 – عملكرد تكرار پذيرعالي Highly  Repeatable  Operation ؛ 9 – يك عيب بزرگ اين است كه در اين سيستمها
پوشش مغناطيسي مناسب بايد در نظرگرفته شود، چون وجود ميدان هاي مغناطيسي ديگر باعث مي شود تا خطاي زيادي در سيستم اتفاق افتد.
تاريخچه
اثرهال توسط دكتر ادوين هال (Edvin   Hall) درسال 1879 در حالي كشف شد كه او دانشجوي دكتراي دانشگاه Johns  Hopkins در بالتيمر(Baltimore) انگليس بود.
هال درحال تحقيق بر تئوري جريان الكترون كلوين بود كه دريافت زماني كه ميدان يك آهنربا عمود بر سطح مستطيل نازكي از جنس طلا قرار گيرد كه جرياني از آن عبور مي كند، اختلاف پتانسيل الكتريكي در لبه هاي مخالف آن پديد مي آيد.
او دريافت كه اين ولتاژ متناسب با جريان عبوري از مدار و چگالي شار مغناطيسي عمود بر مدار است. اگر چه آزمايش هال موفقيت آميز و صحيح بود ولي تا حدود 70 سال پيش از كشف آن كاربردي خارج از قلمرو فيزيك تئوري براي آن بدست نيامد.
با ورود مواد نيمه هادي در دهه 1950 اثرهال اولين كاربرد عملي خود را بدست آورد. درسال 1965 Joe  Maupin ,Everett Vorthman براي توليد يك سنسور حالت جامد كاربردي وكم هزينه از ميان ايده هاي متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت اين انتخاب جا دادن تمام اين سنسور بر روي يك تراشه سيليكن با هزينه كم و ابعاد كوچك بوده است اين كشف مهم ورود اثر هال به دنياي عملي و پروكاربرد خود درجهان بود.

تئوري اثرهال

اگر يك ماده هادي يا نيمه هادي كه حامل جريان الكتريكي است در يك ميدان مغناطيسي به شدت B كه عمود برجهت جريان عبوري به مقدار I مي باشد قرار گيرد، ولتاژي به مقدار V در عرض هادي توليد مي شود.
اين خاصيت در مواد نيمه هادي داراي مقدار بيشتري نسبت به مواد ديگر است و از اين خاصيت در قطعات اثرهال تجارتي استفاده ميشود. ولتاژها به اين علت پديد مي آيد كه ميدان مغناطيسي باعث مي شود تا نيروي لرنتز برجريان عمل كند و توزيع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهايتا حاملهاي جريان مسير منحني را مطابق شكل بپيمايند
حاملهاي جريان اضافي روي يك لبه قطعه ظاهر مي شوند، ضمن اينكه در لبه مخالف كمبود حامل اتفاق مي افتد. اين  عدم تعادل بار باعث ايجاد ولتاژ هال مي شود، كه تا زماني كه ميدان مغناطيسي حضور داشته و جريان برقرار است باقي مي ماند

براي يك قطعه نيمه هادي يا هادي مستطيل شكل با ضخامت t ولتاژهايV توسط رابطه زير بدست مي آيد:
،
KH ضريب هال براي ماده مورد نظر است كه بستگي به موبيليته بار و مقاومت هادي دارد.

فایل : 50 صفحه

فرمت : Word