Магнитно-резистивный датчик

Содержание:

Особенности МРД
Принцип работы магнитно-резистивного датчика
Виды МРД
Сферы применения
Преимущества и недостатки

Магнитные датчики – это устройства бесконтактного типа, которые отличаются высокой надежностью, применяются в разных сферах: автомобилестроении, промышленности, электронике. Хотя они чувствительны к помехам от внешних полей, но высокая функциональность, универсальность использования делают их востребованными. Один из подвидов приборов этого типа – магнитно-резистивные датчики (МРД).

Особенности МРД

Магнитно-резистивный датчик измеряет магнитное поле, реагирует на его любые изменения. Контроль показателя происходит за счет магнитно-резистивного эффекта, позволяет контролировать положение объекта, влияющего на магнитное поле. Техника работает бесконтактным способом, измеряет разные параметры (положение, угол, скорость, сила тока), все изменения сопротивление преобразует в сигнал. У оборудования высокая чувствительность, что позволяет засекать малейший уровень поля.

В большинстве датчиков предусмотрена мостовая схема, в которую входят два резистора для преобразования колебания сопротивления в выходной сигнал пропорциональной силы, чтобы его удобно было усиливать, обрабатывать.

Принцип работы магнитно-резистивного датчика

Работа МРД происходит за счет специального материала, который находится внутри датчика. Обычно для их производства применяют ферромагнитные сплавы, например, пермаллое – комбинацию железа и никеля (от 45% и выше вплоть до 80%). У этого сплава высокая магнитная проницаемость, минимальный магнитострикционный эффект, что дает им восприимчивость к действию полей. Иногда в конструкции узлов используют полупроводниковые материалы (антимонид индия, антимонид никеля) либо чистые металлы (висмут). Чувствительный элемент делают в форме диска или квадратной (прямоугольной) пластинки. Его толщина не превышает десятые доли мм.

У ферромагнитных сплавов электрическое сопротивление реагирует на вектор намагниченности, направление тока. Когда нет внешнего воздействия, зоны сплава с однородной намагниченностью (домены) имеют четкую определенную ориентацию. Как только в область чувствительности датчика попадает объект (магнитный или немагнитный), поле меняется, а вслед за ним меняется ориентация внутренних доменов ферромагнитного сплава.

В приборе сменяется вектор движения электронов сквозь сплав, сопротивление и электрический сигнал, эти изменения преобразуются в величины и показывают контроллеру положение объекта, его другие характеристики. Все параметры пропорциональны направлению и силе внешнего поля. Когда угол между направлением тока и вектором намагниченности составляет 90 градусов, сопротивление пленки из пермаллоя или другого сплава минимальное. При угле в 0 градусов оно максимальное.

Виды МРД

Этот тип датчиков разделяют на три подтипа:

Туннельные. При их работе происходит тунеллирование электронов. Их прохождение сквозь тончайший слой диэлектрического материала зависит от ориентации намагниченных доменов – соседних зон в ферромагнитном сплаве.
Анизотропные. В основе их работы – анизотропный эффект, когда сопротивление пленки отображает вектор магнитного поля относительно структуры материала.
Гигантские. Оборудование обладает высокой чувствительностью, поскольку восприимчивый к магнитному полю материал имеет слоистую структуру. Из-за этого даже при малейшем колебании поля происходит сильная смена сопротивления.

Основные характеристики оборудования, которые учитывают при выборе: стартовое сопротивление, магнитно-резистивное отношение, чувствительность к магнитному полю, погрешности при преобразовании сигнала, максимальная нагрузка.

Сферы применения

Магнитно-резистивные датчики – универсальные приборы, которые применяют во всех сферах, включая бытовую технику:

В робототехнике, системах автоматизации они следят за перемещением машин, их частей, для поиска объектов, контроля их положения.
Для систем навигации датчик замеряет слабые поля, включая магнитное поле Земли. Этот узел необходимо для цифровых и электронных компасов.
В автомобилестроении они нужны для работы систем управления транспортом, встроены в КПП и антиблокировочных системах (АБС), поскольку контролируют частоту вращения деталей, скорость колес. Без датчика невозможно адекватное рулевое управление.
На линиях сборки контроллер следит за технологическим процессом.
В электронике МРД применяют для бесконтактного определения тока в технике, которая имеет гальваническую развязку, что обеспечивает высокую безопасность процессов.
В медицине МРД находят применение в сложном диагностическом оборудовании, например в МРТ.
Для охранных целей датчики важны, поскольку следят за открытием окон и дверей, обеспечивают срабатывание систем сигнализации.

В быту приборы можно встретить в посудомоечных машинах, в креслах, где регулируются сидение за счет угловой координации. МРД устанавливают в смартфонах, чтобы те обеспечивали навигацию. В игровых приставках они также присутствуют, чтобы следить за изменением положения.

Преимущества и недостатки

Магнитно-резистивные датчики можно эксплуатировать в широком диапазоне температур. Они выдерживают значения от -50 до +150оС. Некоторые элементы с комбинацией антимонида никеля и висмута способны выдерживать более низкие температуры вплоть до -200 оС. Срабатывание зависит от направленности поля, а не только от интенсивности воздействия. У этого оборудования много преимуществ:

Бесконтактное действие. Для проверки наличия объекта, его положения, скорости перемещения технике не нужно напрямую контактировать с объектом. Это важно для условий, где такой контакт невозможен.
Длительный срок службы. Отсутствие механической связи с проверяемыми узлами обеспечивает минимальный износ МРД. За счет этого устройства долговечные, надежные, не требуют частого обслуживания или замены.
Стойкость к неблагоприятным факторам. Магнитная часть располагается в корпусе с высокой степенью защиты ко влаге, пыли, грязи, вибрации. По этой причине контролер можно использовать в сложных условиях промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами.
Высокая скорость срабатывания. Для работы МРД не требуется механических движений элементов, поэтому устройство мгновенно реагирует на любые изменения магнитного поля, обеспечивает точное управление, быструю сигнализацию.
Простота установки. Этот тип датчиков легко интегрировать в любую электронную схему, за счет чего они применяются в бытовых приборах, автомобилях, на производстве.
Экономичность. Для большинства решений это экономически оправданный выбор по сравнению с контроллерами другого типа.

Среди недостатков техники – это чувствительность к внешним магнитным полям, кроме тех, что необходимо контролировать. Наличие помех может провоцировать ошибки в измерениях. У оборудования ограничено расстояние от МРД до объекта, чтобы корректно оценивать характеристики. Хотя физический контакт не требуется, но желательно близкое расположение прибора к зоне проверки.