Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №11

Компонентные AMR-датчики положения и угла поворота от Honeywell

Шемякин Сергей


Работа датчиков, выпускаемых подразделением сенсорного контроля (Sensing & Control) компании Honeywell, о которых идет речь в данной статье, основана на том виде магниторезистивного эффекта, который называется анизотропным (AMR-эффект). Рассмотрена природа AMR-эффекта и способы его применения в датчиках угла поворота и положения.

Введение

Магниторезистивный эффект (магнетосопротивление) в общем случае представляет собой изменение электрического сопротивления материала, вызываемое магнитным полем. Магниторезистивный эффект бывает многих видов, и каждый из его видов имеет различную природу.

Работа датчиков, выпускаемых подразделением сенсорного контроля (Sensing & Control) компании Honeywell (Honeywell S&C), о которых идет речь в данной статье, основана на том виде магниторезистивного эффекта, который называется анизотропным (другое название этого эффекта — анизотропное магнетосопротивление). В дальнейшем мы будем называть его AMR-эффектом, используя соответствующую англоязычную аббревиатуру, образованную от слов Anisotropic Magnetoresistance, а датчики, его использующие, — AMR-датчиками или просто магниторезистивными датчиками. Но использование последнего термина верно только в рамках данной статьи, так как, вообще говоря, есть и другие типы магниторезистивных датчиков. Например, GMR-датчики, работающие на основе гигантского магниторезистивного эффекта (Gigantic Magnetoresistance), который сильно отличается от анизотропного магниторезистивного эффекта, о котором мы будем рассказывать. GMR-эффект в датчиках Honeywell S&C не используется.

AMR-эффект открыл в 1856 г. Уильям Томсон (более известный как лорд Кельвин), а сложная количественная теория этого эффекта была в целом построена трудом многих ученых в середине XX века и в дальнейшем уточнялась и дополнялась. AMR-эффект является квантово-механическим по своей природе и заключается в изменении сопротивления образца ферромагнитного материала в зависимости от угла направления вектора намагниченности образца по отношению к направлению протекания электрического тока через него, а также от величины напряженности воздействующего магнитного поля. Играет роль и то, под каким углом течет ток по отношению к некоторому выделенному направлению кристаллической решетки образца, которое называют осью легкого намагничивания (вдоль нее изначально ориентированы магнитные домены).

Направление оси легкого намагничивания задается на производстве методом осаждения с подмагничиванием. При этом толщина пленки пермаллоя, который используется в качестве рабочего материала, в AMR-датчиках составляет лишь несколько десятков нанометров. Тонкая длинная и узкая пермаллоевая полоска, которую правильнее называть пленкой, служит основой для создания магниточувствительного AMR-сопротивления (магниторезистора). В качестве подложки используются кремний, стекло либо керамика. (Но чаще — кремний, так как это позволяет интегрировать на единую подложку кроме магниторезистора еще и другие схемотехнические полупроводниковые элементы.) Перпендикулярно оси легкого намагничивания (но также в плоскости пленки) в пермаллое лежит ось трудного намагничивания.

AMR-эффект

Физически причиной возникновения AMR-эффекта является спин-орбитальное взаимодействие электронов, приводящее к их спин-зависимому рассеянию, которое носит анизотропный характер и зависит от ориентации тока и намагниченности. Играет роль и расположение осей легкого и тяжелого намагничивания по отношению к направлению протекания тока, вектору внешнего поля H и к изменению направления вектора намагниченности М образца. Ключевым моментом для качественного понимания картины происходящего является то обстоятельство, что 3d-орбитали металлических ферромагнетиков заполнены лишь частично и имеют, следовательно, большее количество электронов с одним направлением спина, чем электронов с другим направлением спина. (Именно этот разбаланс является причиной возникновения магнитного момента так называемых магнитных атомов кристаллической решетки ферромагнетиков.) Но в проводимости металлических ферромагнетиков играют главную роль не электроны 3d-зоны, а электроны 4s-зоны. Н. Мотт предположил, что последние могут рассеиваться на несовершенствах решетки в свободные состояния, имеющиеся в 3d-зонах (sd-рассеяние). На основании этого была создана модель двух токов для электронов проводимости в ферромагнетиках.

В основу этой модели были положены два предположения:

  • 4s-электроны образуют два независимых канала со взаимно противоположной ориентацией спинов. Число электронов в этих каналах различно.
  • Вероятность изменения направления спина электрона на противоположное (опрокидывание спина) при упругом рассеянии незначительна. Но теория Мотта сама по себе еще не могла объяснить AMR-эффект. В дальнейшем А. Смит добавил в рассмотрение спин-орбитальное взаимодействие электронов проводимости при переходах из зоны 4s в зону 3d.

Наглядное (полуклассическое) истолкование спин-орбитального взаимодействия можно получить, рассматривая, например, движение электрона в атоме водорода. Электрон обладает собственным моментом количества движения — спином, с которым связан спиновый магнитный момент. Электрон движется вокруг ядра по некоторой «орбите». Обладающее электрическим зарядом ядро создает кулоновское электрическое поле, которое должно оказывать воздействие на спиновый магнитный момент движущегося по «орбите» электрона. В этом можно убедиться, если мысленно перейти в систему отсчета, в которой электрон покоится. В этой системе отсчета ядро будет двигаться и, как любой движущийся заряд, порождать магнитное поле H, которое будет воздействовать на магнитный момент μ электрона. Электрон получит дополнительную энергию ΔE, обусловленную этим взаимодействием. Так как проекция μ на магнитное поле H зависит от его направления, это приводит к так называемому тонкому расщеплению уровней.

В случае же движения электронов в металлических ферромагнетиках спин-орбитальное взаимодействие ответственно и за эффект спин-зависимого рассеяния, о котором мы говорили выше: коэффициенты рассеяния для электронов с положительной и отрицательной проекциями спина на направление намагниченности образца будут различными.

Таким образом, предложенная Моттом теория установила наличие спин-поляризованного транспорта электронов в металлических ферромагнетиках (то есть наличие потока электронов с выделенным направлением спина), а теория Смита объяснила, как присутствие магнитного поля влияет на их рассеяние в зависимости от спина. Если бы транспорт электронов в ферромагнетиках не был бы спин-поляризован, то не было бы и спин-зависимого рассеяния электронов, хотя спин-орбитальное взаимодействие остается.

Это приводит к различной средней длине свободного пробега электронов с разными спинами при различных углах между током и намагниченностью, а изменение длины свободного пробега влияет, согласно теории Друде, на изменение удельного электрического сопротивления образца ферромагнетика.

Такова, вкратце, качественная картина возникновения AMR-эффекта. Перейдем теперь к AMR-датчикам. Одни из них работают в режиме насыщения и предназначены для измерения поворота направления вектора внешнего магнитного поля напряженностью H (они называются датчиками угла поворота), другие работают в режиме, когда величина напряженности внешнего магнитного поля ниже значения, достаточного для насыщения. Такой режим мы далее будем называть ненасыщенным. Он используется для построения пороговых и линейных AMR-датчиков (AMR-датчиков с линейной передаточной характеристикой).

Гистерезис (зависимость М(H)) при AMR-эффекте также носит анизотропный характер: он исчезает вдоль направления оси трудного намагничивания и ярко выражен вдоль оси легкого намагничивания при направлении тока, совпадающем с этой осью.

Сделаем еще одно полезное примечание по поводу единиц измерения. В Европе принято измерять индукцию поля B в Тл, а его магнитную напряженность H в А/м. В США принято B измерять в Гс, а H в Э. 1 Тл = 10 000 Гс. 1 Э = 1000/(4π) А/м ≈ 79,5774715 А/м. 1 Э равен напряженности магнитного поля в вакууме при индукции в 1 Гс. Таким образом, характеризуя магнитное поле в вакууме, мы увидим, что там «количество эрстедов» равно «количеству гауссов» (для воздуха с хорошей степенью точности можно поставить знак приближенного равенства). «Количество гауссов» и «количество эрстедов» расходится только в сплошной среде.

Режим насыщения

На рис. 1 схематически показана пленка пермаллоя магниторезистора, помещенного во внешнее поле с напряженностью H, которое отклоняет вектор намагниченности M от направления протекания электрического тока (слева направо), совпадающего с осью легкого намагничивания. Длина полоски пермаллоя в направлении оси легкого намагничивания намного превышает ее ширину (ширина обычно составляет десятки микрон). Толщина же полоски, как мы говорили выше, измеряется лишь несколькими десятками нанометров. Отметим, что векторы H, M и направление оси легкого намагничивания (на рисунке оно не показано) лежат в одной плоскости. В этом одно из отличий AMR-эффекта от классического эффекта Холла (далее для краткости — эффекта Холла). В последнем на пластину воздействует вертикальная составляющая вектора магнитного поля H, то есть в эффекте Холла воздействующая составляющая вектора H не лежит в плоскости пластины, а действует перпендикулярно ей.

 Иллюстрация AMR-эффекта

Рис. 1. Иллюстрация AMR-эффекта

Обратим внимание еще и на то, что в ненасыщенном режиме вектор M отклоняется с некоторым запаздыванием по отношению к вектору H. В этом состоит явление магнитного гистерезиса вращения. Но в насыщенном режиме направления векторов H и M совпадают. Таким образом, в режиме насыщения очень легко, измеряя направление вектора М, измерять тем самым и направление вектора внешнего поля H.

При произвольном угле α внешнее магнитное поле с напряженностью H изменяет базовое (минимальное) сопротивление полоски пермаллоя. По причинам, которые станут понятными далее, в качестве базового сопротивления R0 мы, исследуя режим насыщения, берем именно минимально возможное сопротивление образца, измеренное при α = 90° (а не то сопротивление, которое получается при α = 0). В процессе поворота вектора М к базовому минимальному значению R0 добавляется некое значение ΔR, которое зависит от угла α (величина этого значения максимальна при α = 0° и α = 180°):

На рис. 2 сплошной линией представлены данные типового лабораторного измерения функции ΔR(α) при некоторых конкретных значениях длины, ширины и высоты пермаллоевой пленки, изображенной на рис. 1, и при напряженности внешнего поля H = 35 Э. Форма экспериментальной кривой ΔR(α), как представленной на рис. 2, так и других аналогичных кривых, полученных в такого же типа измерениях, но с другими параметрами пермаллоевой пленки, хорошо аппроксимируется следующей формулой:

где ΔRmax — максимальная добавка к R0 (она составляет обычно около 2,5% от R0).

 Изменение сопротивления пермаллоевой пленки в режиме насыщения и в ненасыщенном режиме

Рис. 2. Изменение сопротивления пермаллоевой пленки в режиме насыщения и в ненасыщенном режиме при повороте вектора внешнего поля H на угол α относительно направления протекания тока (поворот происходит в плоскости пленки)
Примечание. Для наглядности здесь и далее по тексту статьи для аналогичных графиков по оси абсцисс отложена не абсолютная величина ΔR, а величина ΔR/R, выраженная в процентах.

Обратим внимание на то, что при повороте H в направлении возрастания α сопротивление образца уменьшается.

Если же внешнее поле H по модулю не достигает насыщающего значения, то измеренная форма кривой ΔR(α) резко отличается от формы кривой cos2α. На рис. 2 такая кривая показана пунктиром (в эксперименте использовалось внешнее поле напряженностью H = 6 Э). Минимум значения R достигается здесь уже не при α = 90°, а при α = 116°. Форма этой кривой такова, что ее нельзя использовать для процесса измерения направления поля.

Из сказанного выше ясно, почему для измерения угла поворота вектора M по отношению к направлению протекания электрического тока используется именно режим насыщения.

Из четырех магнетосопротивлений, каждое из которых представляет изображенную выше пермаллоевую полоску, строится мост Уитстона в форме квадрата (рис. 3). Плюс и минус для напряжения ΔU могут меняться местами в зависимости от направления вектора M.

 Четыре магниторезистора включены по мостовой схеме

Рис. 3. Четыре магниторезистора включены по мостовой схеме для измерения насыщающего внешнего поля (векторы М и H совпадают по направлению)

Так как магниторезисторы изображенного на рис. 3 моста Уитстона развернуты на 90° по отношению друг к другу, то их ΔR в одном случае изменяются пропорционально cos2α, а в другом — пропорционально sin2α. Из тригонометрии известно, что cos2α = cos2α–sin2α, поэтому на выходе моста мы будем иметь напряжение ΔU, пропорциональное cos2α. (Мы специально обозначили это напряжение ΔU, а не U, чтобы подчеркнуть его малость по сравнению с Uпит.)

Развернув два моста Уитстона друг относительно друга на угол в 45° (рис. 4), мы будем измерять на выходе одного моста сигнал, пропорциональный sin2α:

где Uсмещ1 — смещение напряжения моста, происходящее от омического рассогласования резистивных пленок моста 1; Uпит — напряжение питания; S — коэффициент AMR-эффекта. (Для мостов датчика APS00B, описываемого ниже, его номинальное значение равно 11,5 мВ/В, так что, например, при Uпит = 5 В мы получаем амплитуду синусоиды на выходе моста: 11,5×5 = 57,5 мВ.)

 С помощью двух мостов Уитстона можно получать сигналы, пропорциональные sin2α и cos2α

Рис. 4. С помощью двух мостов Уитстона, развернутых под 45° друг относительно друга и состоящих из четырех магнетосопротивлений каждый, можно получать сигналы, пропорциональные sin2α и cos2α

На выходе же другого моста мы имеем сигнал, пропорциональный cos2α:

где Uсмещ2 — смещение напряжения моста, происходящее от омического рассогласования резистивных пленок моста 2.

На рис. 5 представлены формы зависимости ΔU1(α) и ΔU2(α). Величины омического смещения обоих гармонических колебаний в направлении вертикальной оси показаны, для простоты, одинаковыми, хотя в общем случае они не совпадают. Паразитное смещение еще не исключено из выходных сигналов обоих мостов.

 Синусный и косинусный сигналы на выходах мостов 1 и 2 АMR-датчика

Рис. 5. Синусный и косинусный сигналы на выходах мостов 1 и 2 AMR-датчика, изображенного на рис. 4

Разделим значение синусного сигнала ΔU1 на значение косинусного сигнала ΔU2, предварительно исключив паразитные напряжения смещения в обоих мостах (это делают либо с помощью специальных подстроечных потенциометров во входной цепи последующего усилителя сигнала с выхода моста, либо просто измеряя это смещение на производстве и затем вычитая его при всех последующих измерениях), и применим к найденной величине дроби функцию арктангенса. Так мы найдем искомый угол поворота вектора M в плоскости двух вышеописанных мостов Уитстона:

где ΔU1 и ΔU2 — «чистые», или «полезные» значения сигналов на выходе мостов 1 и 2 (после того, как мы исключили паразитные величины смещений Uсмещ1 и Uсмещ2).

Таким образом, мы получаем магниторезистивный датчик угла поворота, измеряющий угол поворота вектора напряженности внешнего магнитного поля на угол α в плоскости чертежа. Диапазон измерений такого датчика составляет от –90° до +90°. Почему диапазон измерений именно таков и при помощи каких дополнительных технических средств можно расширить его до полноповоротного диапазона ±180°, будет рассказано в разделе, посвященном работе датчика APS00B.

Ненасыщенный режим

Если прикладывать к исследуемой полоске пермаллоя в ненасыщенном режиме внешнее поле c магнитной напряженностью H под разными углами, то получающиеся графики функции ΔR(H) будут сильно отличаться друг от друга по внешнему виду, в зависимости от того, какой угол между направлением тока и направлением вектора H мы выбрали. Задание направления оси легкого намагничивания также играет свою роль. В приведенных на рис. 6 графиках реальных измерений направление оси легкого намагничивания совпадает с направлением тока. Мы видим, что при отклонении направления вектора H от оси трудного намагничивания на графике зависимости ΔR(H) с двух сторон от оси ординат этого графика вырастают характерные, почти симметричные выбросы — чирпы (англ. chirps). А форма зависимости ΔR(H) становится сложной по сравнению с аналогичной зависимостью при перпендикулярном токе и оси легкого намагничивания в случае направления вектора H. Но даже и в графике на рис. 6 наклон кривой ΔR(H) вблизи начала координат (там, где мы хотим измерить малые значения H) очень мал, что не позволяет получить хорошую чувствительность АMR-датчика магнитного поля, построенного на основе такого режима измерений H. Да и форма кривой на рис. 6 в области малых значений H далека от линейной.

 Функция ΔR(H) для ненасыщенного режима при использовании сплошного пермаллоя

Рис. 6. Функция ΔR(H) для ненасыщенного режима при использовании сплошного пермаллоя: а) при прямом угле между H и направлением тока; б) при нулевом угле между H и направлением тока; в) при угле 45° между H и направлением тока

Данный режим работы можно использовать только для построения пороговых датчиков поля, измеряющих по принципу «Есть поле — нет поля», и нельзя использовать для построения чувствительного линейного AMR-датчика, то есть AMR-датчика с выходным сигналом, линейно зависящим от величины H. Для получения чувствительного линейного AMR-датчика необходимо работать на линейном участке кривой ΔR(H), и наклон этой кривой (определяющий чувствительность датчика) должен существенно отличаться от нуля даже при малых углах между H и направлением тока. Ни одна из форм кривых, приведенных на рис. 6, для этого не годится.

Для построения линейного AMR-датчика, в котором линейная часть ΔR(H) просто пересекает под некоторым углом ось абсцисс при H = 0, отказываются от применения сплошной полоски пермаллоя (как она изображена на рис. 1) в качестве магниторезистора и используют специальные пермаллоевые пленки, в которых собственно пермаллой перекрывается особыми низкоомными алюминиевыми либо серебряными полосками, расположенными под углом в 45° к длине магниторезистора (рис. 7). Вектор намагниченности при этом направлен также слева направо. Однако ток в пермаллое (благодаря расположению перекрывающих полосок под углом 45° к длине магниторезистора), выбирая кратчайший путь, на пермаллоевых участках также течет под углом 45°. Применяя этот метод, создают датчики с зависимостью ΔR(H), имеющей ярко выраженный линейный участок, который и используется для измерения величины поля H в направлении чувствительной оси датчика. Однако детальное описание работы магниторезистора из несплошного пермаллоя, как и детальное описание работы линейных AMR-датчиков, выходит за рамки данной статьи.

 Магнетосопротивление из несплошного пермаллоя

Рис. 7. Магнетосопротивление из несплошного пермаллоя

Все AMR-датчики положения, которые Honeywell S&C экспортирует на российский рынок в виде отдельных компонентов (и которые мы рассмотрим в этой статье), относятся либо к пороговым датчикам поля, либо к датчикам угла поворота, работающим в насыщенном режиме и не позволяющим измерять величину напряженности H.

Основные преимущества AMR-эффекта по сравнению с эффектом Холла

Для режима насыщения характерно то, что направление напряженности поля действует вместо величины напряженности поля, как это имеет место в эффекте Холла. Отсюда следует:

  • Потенциально широкий выбор магнитов для такого режима. Магниты могут иметь различные значения остаточной намагниченности (но в пределах насыщающих значений поля).
  • Независимость от магнитного дрейфа во времени, а также под действием температуры.
  • Независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком).

Для ненасыщенного режима характерна возможность работы с малыми полями (ниже тех, с какими работают датчики Холла).

Также отметим, что по сравнению с AMR-эффектом для датчиков Холла характерна более высокая линейность. ЭДС Холла линейно зависит от приложенного магнитного поля (они линейны в диапазоне до нескольких тысяч Гс). AMR-эффект же наоборот — более нелинеен по своей природе. Линейный участок передаточной характеристики AMR-датчика — короткий, а насыщение наступает при индукции в десятки и сотни Гс. Однако, учитывая, что значения H, с которыми работают «ненасыщенные» AMR-датчики, меньше области значений H, с которыми работают датчики Холла, можно сказать, что при малых полях датчики Холла по определению не являются конкурентами AMR-датчиков.

Проблема выбора между пороговым датчиком положения Холла и пороговым AMR-датчиком

Для AMR-датчиков можно использовать постоянные магниты тех же типономиналов, что и для датчиков Холла (эти магниты прикрепляются к объекту, положение которого измеряется). При том же самом используемом постоянном магните величину магнитного зазора в случае использования порогового AMR-датчика можно сделать больше. Это обстоятельство весьма полезно, когда большая величина магнитного зазора есть изначальное требование к данному элементу устройства. С другой стороны, и с большим зазором можно работать, используя датчик Холла, если взять мощный магнит. Поэтому при выборе между AMR-датчиком и датчиком Холла часто отталкиваются от того, какой будет суммарная стоимость системы «датчик плюс магнит». Ведь более мощный магнит стоит больших денег. Использование более дешевого магнита, таким образом, компенсирует применение более дорогого, по сравнению с датчиком Холла, AMR-датчика.

В других случаях все решает максимально допустимый вес магнита или его размеры. Здесь, вообще говоря, нужно отталкиваться от задач конкретного приложения. Может, например, потребоваться, чтобы полюсы кольцеобразного магнита (рис. 8) в датчиках скорости вращения (прохождение северного либо южного полюса магнита вблизи датчика вызывает «переброс» выхода датчика из одного логического состояния в другое) были расположены с малым шагом, а это приведет к неизбежному ослаблению поля магнита.

 Работа биполярного порогового AMR-датчика положения VF401

Рис. 8. Работа биполярного порогового AMR-датчика положения VF401 с кольцеобразным многополюсным магнитом

Компонентные АMR-датчики положения, выпускаемые Honeywell

Инженеру, хорошо знакомому с датчиками Холла, легко работать и с AMR-датчиками, так как они схожим образом используются в одних и тех же приложениях. О различиях же мы вкратце уже рассказали. На сайте Honeywell S&C и компонентные датчики Холла, и компонентные AMR-датчики представлены в одних и тех же разделах. Пороговые AMR-датчики позволяют легко работать с полями, индукция которых ниже 20–25 Гс, что для датчиков Холла является уже критически низким значением.

Основные характеристики магниторезистивных датчиков представлены в таблице. Остановимся теперь более подробно на каждом из рассматриваемых в этой таблице типов датчиков.

Таблица. Основные характеристики компонентных AMR-датчиков Honeywell S&C

Внешний вид
Название 2SS52M и SS552MT VF401 APS00B SR4
Описание 3-проводной омниполярный с логическим выходом 2-проводной биполярный с логическим выходом. Оптимален для работы с многополюсным кольцевым магнитом Высокоточный аналоговый датчик угла поворота. Работает в режиме насыщения Омниполярный с логическим выходом
Тип корпуса 2SS52M — в пластиковом корпусе с радиальным расположением выводов. SS552MT — в корпусе SMT (SOT-89) Плоский пластиковый корпус TO-92 Пластиковый корпус SO-8 для поверхностного монтажа Пластиковый корпус с резьбой
Напряжение питания (постоянное), В 3,8–30 4,5–16 1–12 3,8–30
Тип выхода Логический токовый
(ток втекает в датчик)
Логический токовый
(ток вытекает из датчика)
Два аналоговых выхода по напряжению:
синусный и косинусный
Логический токовый
(ток втекает в датчик)
Максимальный выходной ток, мА 11 Два логических уровня: верхний 16,8 и нижний 8,4 7 11
Диапазон рабочих температур, °С –40…+150 –40…+150 –40…+150 –40…+85

2SS52M и SS552MT

Это омниполярные (то есть их индукция включения и выключения не зависит от знака внешнего магнитного поля) магниторезистивные датчики порогового типа, максимальная индукция включения которых составляет 25 Гс, а минимальная индукция выключения — 4 Гс (при максимальном дифференциале, то есть разности между значениями индукции включения и выключения в 8 Гс). Диапазон рабочей частоты составляет от 0 до 100 кГц.

Возможность работы с магнитными полями пониженной величины позволяет с успехом использовать эти устройства в качестве датчика закрытия крышки ноутбука, в лифтах, зубцовых датчиках вращения, промышленных датчиках приближения к ферромагнитным мишеням, анализаторах крови, магнитных энкодерах, а также для определения положения пневмоцилиндров и в погрузочно-разгрузочном оборудовании.

SS552М предназначен для монтажа сквозь отверстия печатной платы, а SS552MT в корпусе SOT-89 — для поверхностного монтажа.

VF401

Эта модель представляет собой высококачественный цифровой датчик с токовым выходом, предназначенный для работы с кольцевыми магнитами малого шага (рис. 8). Он собран в плоском миниатюрном пластиковом корпусе TO-92 и имеет два проволочных вывода. Основу изделия составляет уникальный AMR-мост (патент № 6297628), который оптимизирован для работы с большим воздушным зазором между датчиком и актюатором без потери точности позиционирования. Датчик биполярен, то есть включается полем одной полярности, а выключается полем другой полярности, причем модуль индукции включения равен модулю индукции выключения и составляет 7 Гс. Модель имеет пониженную чувствительность к эксцентриситету, или биению вращающегося кольцевого магнита, вызванному неидеальностью формы последнего, а также пониженную чувствительность к небольшим наклонам и поворотам датчика по отношению к строго ортогональной его ориентации. В частности, угол отклонения датчика от плоскости кольцевого магнита может достигать 10° без ущерба для корректной работы.

Сферы применения датчика VF401 — транспорт и индустрия. На транспорте они применяются в стеклоподъемниках и для определения скорости и направления вращения различных валов и колес, а также (если используется кольцеобразный многополюсный магнит) для создания высокоточных датчиков угла поворота. В индустрии же область их применения — позиционирование подъемников и движущихся частей производственного оборудования.

APS00B

Этот датчик представляет собой датчик угла поворота, измеряющий соответствующий угол α (в одной плоскости) относительно выделенной оси нулевого направления датчика. Он содержит два малошумящих моста Уитстона, каждый из которых состоит из четырех магнетосопротивлений (в полном соответствии с принципом работы такого датчика, который показан на рис. 4). Оба моста работают в режиме насыщения, для этого требуется внешнее магнитное поле с индукцией не менее 190 Гс.

Устройство определяет положение относительно поля специального магнита APS00M, который также поставляет Honeywell S&C. Магнит жестко прикрепляется к торцу вала, угол поворота которого определяется. На выходе датчика формируются синусный и косинусный сигналы двойного угла поворота α, которые создают упомянутые мосты Уитстона. В разделе, который посвящен режиму насыщения, мы показали, как частное от деления синусного сигнала на косинусный можно использовать для нахождения арктангенса угла поворота.

Однако тангенс — функция периодическая. Если под знаком тангенса стоит α, то ее период относительно α равен 180°, а если под знаком тангенса стоит угол 2α, то период тангенса относительно аргумента α будет равен уже только 90°. Поэтому, пользуясь исключительно формулой (5), мы сможем однозначно определять угол лишь в диапазоне углов поворота ±45° от нуля. Но используя дополнительную информацию о том, какой знак — положительный либо отрицательный — принимают одновременно измеренные значения ΔU1 и ΔU2, и сопоставив их знаки между собой, мы можем легко расширить измеряемый диапазон углов до ±90°. Вне диапазона ±90° картинка двух запаздывающих друг относительно друга гармонических колебаний (рис. 5) полностью повторяет себя с периодом в 180°, и однозначно определить угол α в полноповоротном диапазоне ±180°, используя только датчик APS00B, не удастся.

Чтобы расширить диапазон измерения угла поворота до 360°, необходимо к AMR-датчику APS00B добавить датчик Холла с линейным аналоговым выходом. Например, можно использовать рекомендованный для данного комбинированного приложения датчик Холла SS490, который также выпускает Honeywell S&C. Весь комплекс (датчик Холла + AMR-датчик + внешний кольцевой магнит) показаны на рис. 9. Разумеется, чувствительность датчика Холла в данном случае слишком мала, чтобы служить основой для точного определения угла поворота, но ее вполне достаточно для того, чтобы определить, в какой из двух фаз вращения находится поворачиваемый относительно нашего датчика магнит.

 Комплекс из AMR-датчика и датчика Холла сможет точно определять положение угла поворота α

Рис. 9. Комплекс из AMR-датчика и датчика Холла сможет точно определять положение угла поворота α в диапазоне 360° относительно поля, создаваемого кольцевым магнитом

Для усиления сигналов с выхода APS00B разработчик может использовать как свои собственные схемотехнические решения, так и специальный двухвходовый усилитель APS00A, созданный для этой цели компанией Honeywell. Сигналы с выхода усилителя подаются на вход обрабатывающего микроконтроллера с разрядностью не ниже 10 бит, который и вычисляет при помощи вышеописанного алгоритма значение угла α. Примеры схем включения описанных элементов приводятся в инструкции по применению на APS00B, размещенной на сайте производителя.

Точность определения датчиком APS00B угла поворота магнитного поля составляет 0,05°. А частотный диапазон от 0 до 5 МГц делает этот датчик незаменимым для работы с механическими частями, вращающимися с высокой скоростью, которые встречаются в разнообразных транспортных, индустриальных и медицинских приложениях.

Поскольку, работая в режиме насыщения, датчик измеряет только угол поворота внешнего магнитного поля, его выходные сигналы устойчивы к вибрациям, ударам и изменениям величины магнитного зазора между датчиком и магнитом, создающим внешнее магнитное поле.

Выполнено устройство в небольшом по размерам корпусе SOIC-8, предназначенном для поверхностного монтажа.

Серия SR4

SR4 представляет собой уже не микросхему, а устройство, собранное в жестком корпусе (по классификации Honeywell S&C это датчик второго уровня сложности). Это омниполярный пороговый AMR-датчик положения с типичным значением индукции включения 25 Гс и типичным значением индукции выключения 5 Гс. Электрически выход устройства представляет собой источник тока 20 мА при высоком уровне сигнала. Время нарастания и спада выходного сигнала составляет 1,5 мкс. Выполнен датчик в цилиндрическом корпусе SS311PT, имеющем длину 25,4 мм.

SR4 можно использовать для определения скорости линейного перемещения и числа оборотов в минуту при вращении подвижных частей в бесщеточных электродвигателях постоянного тока, тахометрах, для контроля скорости вращения вентиляторов, счетчиков, а также в робототехнических комплексах. В зависимости от конкретного номера серии SR4 можно выбирать датчики с различной длиной кабеля, которая варьируется от 152,4 мм до 2 м. Для удобства монтажа корпус датчика имеет внешнюю резьбу.

Другие устройства от Honeywell S&C, в которых используется AMR-эффект

Вообще говоря, существующие на сегодня AMR-датчики могут работать и со значительно более слабыми магнитными полями, чем те, о которых говорилось до сих пор. Например, с помощью некоторых из них можно определять ориентацию прибора относительно силовых линий магнитного поля Земли. (Индукция поля вблизи поверхности Земли составляет примерно от 1/3 до 2/3 Гс в разных точках земной поверхности.) У подразделения Honeywell S&C такие датчики используются только в составе комплексной системы контроля пространственного положения объекта, которая имеет обозначение IMU (рис. 10). Она совмещает многие функции и включает в себя кроме AMR-датчиков еще и GPS. Такую систему уже нельзя назвать просто датчиком положения. Фактически это сложный GPS-локатор, который может к тому же определять свое положение в трех координатных плоскостях. Однако рассмотрение работы комплекса IMU, который недавно начал поступать на российский рынок, выходит за рамки этой статьи.

Комплексная система определения положения объекта в пространстве IMU

Рис. 10. Комплексная система определения положения объекта в пространстве IMU

Другое применение AMR-датчиков, которое также не является компонентным, а относится к категории сложных устройств, — это выпускаемое подразделением Honeywell S&C большое семейство прецизионных датчиков угла поворота серии SMART Position, которое подробно было описано в [5].

Литература

  1. Holman P. A. Magnetoresistance (MR) transducers and how to use them in sensors — http://www.honeywell.com/sensing
  2. Никитин С. А. Гигантское магнитосопротивление. Раздел «Спин-поляризованное рассеяние носителей тока в металлических ферромагнетиках» // Соросовский образовательный журнал. Т. 8. 2004. № 2 — http://window.edu.ru/resource/222/21222/files/0402_092.pdf
  3. Федосюк В. Н. Наноструктурные технологии и нанопроволоки. Гл. 1, раздел 1.5. Магнитосопротивление — http://www.physics.by/page.php?206
  4. Борисов А. Современные АМР-датчики для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей // Компоненты и технологии. 2006. № 7.
  5. Самоделов А. Фиксируя любые перемещения: датчики SMART Position Sensor компании Honeywell // Новости электроники. 2012. № 7.
  6. Физическая энциклопедия. Т. 4. Спин-орбитальное взаимодействие. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке