تحقیق در مورد سنسورهای مگنتورزیستیو

بخشی از مقاله

Magnetoresistive sensors
________________________________________
كـــــاربـــرد ها
اين سنسور ها براي پيدا كردن اشياء مغناطيسي در هواپيماها، قطار واتومبيل ها كه ميدان مغناطيسي زمين را به هم مي زنند به كار مي روند.
از كاربردهاي ديگر آنها در قطب نماي مغناطيسي، سنسورهاي زوايه اي و چرخشي موقعيت، رديابي و هدايت مته در زير زمين مي تواند يادكرد.

برخلاف ديگر سنسورهاي AMR سنسور موقعيت AMR بايد توسط ميدان خارجي به حالت اشباع در آيد يعني با افزايش بزرگي ميدان تغييري در مقدار مقاومت AMR پديد نيايد و تنها عاملي از موقعيت ميدان بر مبناي زاويه حاصل بين بردارمغناطيس كنندگي و جريان باشد. بنابراين اين سنسورهاي موقعيت سنجي درناحيه اشباع عمل مي كنند.
رخلاف سنسورهاي اثرهال كه نياز به ميدان مغناطيسي درحد كيلوگارس نياز دارند، AMR به اين شدت ميدان مغناطيسي نيازي ندارد. با استفاده از چند سنسور خاصيت براحتي افزايش مي يابد.
براي توضيح كاربرد ها ، از دو سنسور صنعتي شركت Honeywell با نامهاي HMC1501 و HMC1512 مي كنيم .
سنسورهاي HMC1501 و HMC1512 به ترتيب داراي مقاومت 5 و 2.1 كيلواهم در مدار پل مي باشند. ضريب حساسيت آنها بين مي باشد. ( در ناحيه خطي عملكرد) ولتاژ خروجي تقريباً 120mv مي باشد. پهناي باند درحدود 5MHZ مي باشد.
HMC1501 دسته ازموقعيت سنجهاي AMR هستند كه داراي يك پل وتستون براي موقعيت سنجي مي باشند خروجي مدار پل به شرح زير است:

HMC1512 دسته اي ديگر از موقعيت سنجهاي AMR است كه داراي دو پل وتستون براي رنج مي باشد. كه خروجي هر يك از مدارهاي پل بصورت و مي باشد.
رزولوشن و رنج كاري هريك در Data sheet آمده است.
كاربردهاي خطي
دياگرام زير 2 دوره متناوب از خروجي مدار پل را نشان مي دهد، ناحيه خطي در بازه اي در اطراف زواياي 180-،90-،0،90،180 درجه قرار دارد. در نقاط 0 و شيب مثبت و در بقيه شيب منفي است.

خروجي سنسورهاي موقعيت AMR نيازمند مدار بهسازي است. چنانچه تغييرات دمايي زياد باشد بايد از جبرانساز دمايي نيز استفاده نماييم. همينطور اگر از چند مدار پل استفاده نماييم، خطاي ديگري كه بايد آنرا بطريقي جبران نماييم تلورانس بخش به بخش در مواد است.

شكل زير يكي از كاربردهاي موقعيت سنجي خطي را نشان ميدهد.

IC بكار گرفته شده HMC1501 است كه داراي يك مدار پل مي باشد و مي تواند را در رنج تغييرات خطي تعيين كند. با فرض منبع تغذيه 5 ولت اين سنسور دربازه ميلي ولت تغييرات ولتاژ خواهد داشت. شكل موج خروجي بر حسب زوايه  در زير‌آمده است.
شكل زير يك تقويت كننده ابزار دقيق را نشان مي دهد. يك تقويت كننده تفاضلي وانتگرالي. گين ولتاژ اين تقويت كننده تقريباً 25 ولت است. بنابراين مقدار پيك - پيك خروجي را از 120 ميلي ولت به 3 ولت تغيير مي دهد.

ضريب ولتاژ آفست مدار پل و با منبع تغذيه 5 ولت آفست مدار پل 35mV خواهد بود كه در نهايت با وجود تقويت كننده به 850mv خواهدرسيد. بنابراين بايد بگونه اي آفست مدار را تضعيف نمود. يك روش براي مقابله با آفست مدار تغيير زمين مدار با استفاده از يك پتانسيومتر مي باشد.

روش ديگري براي حذف خطاي آفست وجود دارد و آن اين است تا بوسيله آزمايش كاليبراسيون مقدار خطا را بدست آورده و از مقدار نهايي كم كنيم. اين عمل با كاهش متعلقات مدار بهسازي از افزايش حجم، قيمت و تاثير نويز جلوگيري مي كند. ولي از آن جهت كه طراح را مجبور مي كند تا بهره تقويت كننده را جهت تعادل در آفست و ضريب حساسيت كاهش دهد چندان جالب نمي باشد.
جهت افزايش رنج موقعيت سنجي از به از 2 سنسور HMC1501 و يا يك سنسور HMC1512 (با 2 مدار پل) استفاده مي كنيم.
براي افزايش رنج اندازه گيري موقعيت خطي معمولاً از چند سنسور استفاده مي كنيم. جهت افزايش ويژگي خطي سيستم معمولاً رنج خطي هر سنسور را كمتر از حد نامي در نظر مي گيرند. به خاطر داريم كه براي موقعيت سنج خطي مي بايست AMR در ناحيه اشباع قرار گيرد. بنابراين فاصله آهنرباي متحرك از مقابل سنسورها بازاي ميدان يك كيلو گاوسي حداكثر 25/0 اينج خواهد بود كه با افزايش فاصله به 5/0 اينج ميدان مي بايست به حدود 3 كيلوگاوس افزايش يابد. همانطور كه در شكل زير

مشخص است با عبور آهنربا از مقابل سنسورها بازاي 4 سنسور 4 موج بوجود خواهد آمد. بازاي يك موقعيت سنج 2 اينچي نمودار تغييرات ولتاژ خروجي برحسب موقعيت براي يك سنسور و 4 سنسور رسم شده است.


رزولوشن براي اين سنسور در حدود 002/0 اينچ است و دقت در حدود %0.1 مي باشد.
در حاصل از هر مدار پل سنسور، بايد بدانيم كه هر سنسور جهت حذف خطاي آفست واندازه گيري ولتاژ پيك-پيك خروجي كاليبره شده است تا خروجي نهايي در يك رنج مشابه تنظيم گردد. پس از كاليبراسيون ولتاژ خود را تشكيل مي دهد و عمل مقايسه ما بين ولتاژهاي خروجي تصحيح شده انجام مي شود و شيب هايي را در ميان سنسورهاي مجاور هم توليد مي كند. درنهايت تنها از شيب هاي مثبت استفاده مي شود (رنج خطي هر سنسور) و مقدار كوچك برشيب يا شيب هاي مثبت قرار داده مي شود. با فرض اينكه هر سنسور به يك ميكروكنترلر 8 بيتي متصل باشد، مي تواند 256 نقطه را براي رنج خطي خود در نظر بگيرد. بنابراين براي كل رنج 1024 نقطه خواهيم داشت.

براي افزايش رنج موقعيت سنجي خطي روش ديگري مطرح است. شكل زير كاربرد خطي را نمايش مي دهد.

دو آهنربا را نشان مي دهد كه نسبت به هم در وضعيت ناموازي قرار گرفته اند و در فاصله ميان آنها سنسور در طول دوآهنربا حركت مي كند. در موقعيت هاي نزديك زوايه شار روبه پايين است و در فاصله هاي دور زاويه شار رو به بالا قرار دارد. بنابراين با يك سنسور AMR مي توان موقعيت سنجي نمود. در اين حالت هم آهنربا، هم سنسور مي توانند نسبت به هم حركت كنند.
كاربرد هاي زاويه اي
شكل زير يك آهنرباي متصل به انتهاي شفت را نشان مي دهد كه در برابر يك سنسور HMC1512 قرار گرفته است. زماني كه شفت مي چرخد دو ولتاژ سينوسي وكيسنوسي در خروجيهاي سنسور قرار مي گيرد.

پس از حذف ولتاژ آفست با تقسيم خروجيها برهم توسط ميكروكنترلر خواهيم داشت:

باتوجه به ويژگي  كه تابعي از معكوس تانژانت است حالت زير رخ مي دهد:

شكل زير مدار ارتباطي با ميكروكنترلر را نشان مي دهد. توجه داريم كه چنانچه زوايه چرخش بيشتر از 90 باشد با ز هم خروجي برمبناي ورودي محدود خود تعيين مي شود يعني خروجي هيچگاه از بازه 90 خارج نمي شود.

چنانچه انتهاي شفت قابل استفاده يا در دسترس نباشد از يك آهنرباي حلقه اي با قطب هايي كه بصورت قطاع قرار گرفته اند. شكل زير از يك آهنربا و دو سنسور HMC1501 تشكيل شده است.

اين روش نمي تواند تمام محيط شفت را در برگيرد ( ) و در عين حال بايد محافظتي از ميدان مغناطيسي موتور نيز در نظرگرفته شود. نكته ديگري كه بايد در نظر گرفت اين است كه تداخلي در موقعيت دو سنسور وجود دارد تا اينكه يك يا هر دو به اشباع برسند.
براي ايجاد حسگر چرخشي 360 درجه از يك سنسور HMC1512 به همراه سنسور هال استفاده مي كنيم. سنسورهاي هال براي موقعيت سنجي دقيق و حساس پيشنهاد نمي گردند. در اين روش از آنها جهت تعيين پلا ريته كه كدام نيمه از سنسور AMR در مقابل آهنربا مي باشد، استفاده مي شود.

وقتي كه آهنرباي متصل به شفت بدور سنسورهاي هال و AMR مي چرخند، پلاريته ولتاژ سنسور اثرهال تغيير مي كند. با به بكاربردن يك مدار مقايسه گر درخروجي سنسوراثرهال، موقعيت، تبديل به 2 حالت 180 درجه مي شود كه با موقعيت سنجي از سنسور AMR يك موقعيت سنجي خواهيم داشت.

براي حالت زوايه اي شكل زير 2 آهنرباي حلقه اي كه به يك شفت قرار گرفته اند را نشان مي دهد.

آهنربا ها بصورت غير هم مركز با شفت قرار گرفته اند. هر آهنربا با ديگري 180 فاصله از مركز دارد. 2 موقعيت سنج به گونه اي قرار گرفته اند.تا 360 درجه چرخش را پوشش دهد.

________________________________________
Vehicle detection
ميدان مغناطيسي زمين در يك سطح وسيع (چند كيلومتر مربع) يكنواخت است. مطابق شكل زير

يك شي مغناطيسي آشفتگي موضعي در ميدان زمين ايجاد مي كند. سنسورهاي AMR تغييرات و آشفتگي ميدان زمين را احساس مي كند.
يك سنسور يك محوره AMR مي تواند حضور يا عدم حضور اتومبيل را تا فاصله 15متري، وابسته به جنس، درك كند. از اين ويژگي در پاركينگ ها جهت در اختيار قراردادن راننده از فضاهاي كافي استفاده مي شود. كاربرد ديگري در كنترل ترافيك، وجود دارد كه معمولاً 3 سنسور AMR را در يك مسير باريك قرار مي دهند. ا ين سنسورها زماني كه وسيله نقليه اي از بالاي آنها عبور كند سيگنال هايي را ايجاد مي كند.

________________________________________
قطب نماي الكتريكي با استفاده از AMR
ميدان مغناطيسي زمين در حدود 0.5 تا 0.6 گوس مي باشد و تقريباً موازي سطح زمين است و هميشه درجهت قطب جنوب مي باشد. اينها اساس قطب نماها مي باشند. AMR گزينه مناسبي براي قطب نماست، چون رنج حساسيت آن در بزرگي ميدان زمين متمركز است.