Как работают датчики положения и скорости

Датчики магнитного поля предназначены для определения скорости передвижения, вращения, положения или угла поворота различных объектов. Принцип работы датчиков основан на пропорциональном изменении выходного напряжения или сопротивления датчика под воздействием внешнего магнитного поля.

Семейство датчиков магнитного поля включает цифровые и аналоговые датчики на основе эффекта Холла, а также магниторезистивные мостовые датчики. Отметим, что магниторезисторы отличаются предельно высокой чувствительностью. Датчики Холла как правило обладают более линейной выходной характеристикой. Магниторезистивные датчики отличаются более высокой чувствительностью и позволяют отслеживать минимальные изменения магнитного поля.

Датчики магнитного поля на основе эффекта Холла характерны хорошей линейностью выходного сигнала и высокой чувствительностью к магнитным полям, приложенным перпендикулярно, вне зависимости от их плоскости.

Геркон — электромеханическое коммутационное устройство, изменяющее состояние подключённой электрической цепи при воздействии магнитного поля от постоянного магнита или внешнего электромагнита, например, соленоида. При достижении внешним магнитным полем определённого порогового значения, упругие контакты геркона «слипаются», замыкая электрическую цепь. При снятии внешнего поля за счет упругости контактов происходит размыкание цепи. Существуют герконы с «перекидным» контактом. В этих устройствах в отсутствии магнитного поля подвижный элемент контактирует с неферромагнитным контактом, при превышении магнитного поля свыше порогового происходит переключение — замыкание с ферромагнитным контактом. Герконы используются в датчиках положения, концевых выключателях и т. д. Контакты в герконе изолированы от вредного влияния внешней среды обычно стеклянным герметизированным корпусом, поэтому пригоден для использования в условиях повышенной запылённости, влажности, в агрессивных средах.

Датчики Холла — приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля посредством эффекта Холла. Эффект Холла - явление возникновения поперечной разности потенциалов  при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Эффект Холла позволяет определить концентрацию и подвижность носителей заряда, а в некоторых случаях − тип носителей заряда в металле или полупроводнике. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных электродвигателях (в том числе сервомоторах). Датчики Холла применяются в магнитометрах смартфонов в качестве электронного компаса, в электроизмерительных приборах для бесконтактного измерения силы тока.

Надо отметить, что коммутационные устройства широко применяются в различной электрической и радиотехнической аппаратуре. С целью улучшения эксплуатационных свойств, прежде всего срока службы и надежности соединения в 30е годы прошлого столетия были разработаны магнитоуправляемые герметизированные контакты получившие название герконы. Первый магнитоуправляемый контакт был изобретен еще в 1922 году в Петербурге профессором В. Коваленковым, за что ему было выдано авторское свидетельство СССР. Устроен такой контакт следующим образом: к сердечнику из магнитомягкого материала через изолирующие прокладки прикреплены контакты и,  выполненные также из магнитомягкого материала. При пропускании тока через катушку в сердечнике возникает магнитное поле, оно намагничивает контакты, которые замыкаются. Размыкание контактов происходит при прекращении тока через катушку. По сути это был самый первый магнитоуправляемый элемент, только без герметизирующей оболочки. В герметизирующую оболочку подобный контакт был впервые помещен лишь в 1936 году. В семидесятых годах прошлого столетия герконы достигли своего максимального развития, и нашли широкое применение в различных устройствах электронной техники. 

Размагничивающее поле, которое необходимо для полного размагничивания предварительно намагниченного образца, называется коэрци­тивной силой. Магнитомягкие материалы обладают малой коэрцитивной силой; поэтому их петля гистерезиса узкая. Это означает, что при снятии внешнего магнитного поля (применительно к реле - это обесточивание обмотки), маг­нитопровод и якорь реле не остаются намагниченными, а возвращаются почти в исходное состояние. Очевидно, что отсутствие остаточной намагниченно­сти - очень важное треРование, которому должны обладать материалы, приме­няемые в магнитных целях обычных нейтральных реле. В противном случае па­раметры реле не будут стабильными, а якорь реле может залипать.

В настоящее время герконы используются менее интенсивно, поскольку их «вытеснили» датчики Холла.Тем не менее, в тех случаях, когда требуется высокая надежность и долговечность коммутирующего элемента герконы просто незаменимы. Как составная часть герконы входят в конструкции различных датчиков, электромагнитных реле, особенно слаботочных, а также позиционных переключателей и некоторых других устройств.

Отметим, что герконы можно разделить по функциональным признакам: герконы могут быть замыкающие, переключающие и работающие на размыкание.  Конструктивно - технологически герконы делятся на две большие группы: с сухими контактами и с ртутными контактами. В работе сухих герконов, по сравнению с обычными, ничего выделяющегося  нет. Основное отличие ртутных герконов заключается в том, что внутри герметичного стеклянного корпуса кроме контактов находится еще капелька ртути. Назначение этой капельки – смачивание контактов во время срабатывания для улучшения качества контакта за счет уменьшения переходного сопротивления, а заодно и для избавления от дребезга контактов.

Дребезгом контактов называется их вибрация при замыкании и размыкании. При однократном срабатывании этот эффект приводит к многократной коммутации передаваемого сигнала и к значительному увеличению времени срабатывания. Эффект является негативным, к примеру дребезг контактов в усилителе звуковых частот во время переключения входного сигнала может свести на нет слаженную работу всей схемы. Когда такой дребезжащий контакт работает совместно с цифровыми микросхемами, приходится принимать меры по подавлению дребезга - в виде RC - цепочек или RS – триггеров. Отметим, что в современных микроконтроллерных схемах дребезг контактов подавляется программным способом. Однако это обстоятельство снижает быстродействие системы в целом. За все приходится платить.

Все герконы представляют собой герметичный стеклянный баллон, внутри которого находится контактная группа. Контакты представляют собой магнитные сердечники, вваренные в торцы баллона. Наружные концы сердечников подключаются к внешней электрической цепи. Наиболее часто можно встретить герконы с контактной группой, работающей на замыкание. Каждый контакт – сердечник выполнен из ферромагнитной упругой проволоки, которая расплющена до прямоугольной формы. Зачастую используется пермаллоевая проволока диаметром 0,5 - 1,3 мм (в зависимости от мощности геркона и его габаритов). Зачастую контактирующие поверхности покрыты благородным металлом: золотом, палладием, родием, серебром и сплавами на их основе. Такое покрытие уменьшает переходное сопротивление и способствует повышению коррозионной стойкости контактной поверхности.

• Золотое покрытие обес­печивает чистую поверхность низкое сопротивление и высокую стабильность слаботочных контактов.
• Родиевое покрытие значительно тверже золотого и обеспечивает более высокую механическую износостойкость, однако из-за способности родия поглощать газы и образовывать полимерные пленки, он применяется только в герметичных реле.
• Серебро — наиболее дешевый из применяемых материалов. Он легко об­рабатывается, обладает отличной электро- и теплопроводность, что обеспечи­вает низкое переходное сопротивление контатков. Недостатками серебра являются его малая твердость, склонность к образованию дуги, недостаточная стойкость к электрической эрозии.
• Платина — обладает высокой корозионной стойкостью, лучше, чем серебро противостоит электрической эрозии. Из-за недостаточной твердости не применяется в чистом виде.
• Платино-иридиевый сплав — коррозионно устойчив, хорошо проти­востоит электрической дуге, обладает высокой твердостью. Широко применяется для контактов малой и средней мощности.
• Вольфрам  — очень твердый, тугоплавкий материал, не сваривается под действием электрической дуги, не изнашивается механически, но имеет окис­ную пленку, вследствие чего требует повышенных контактных нажатий. Высо­кое сопротивление вольфрама ограничивает его использование. Обычно воль­фрам используется во вспомогательном контакте в контактных системах, име­ющих основной и вспомогательный (дугогасительный) контакт.
• Сплав Серебро-Вольфрам  — высокая твердость и температура плав­ления, хорошая устойчивость к дуге. К недостаткам следует отнести склонность к окислению и повышенное сопротивление.
• Серебро-Никелевый сплав  — электропроводность, аналогичная се­ребру сочетается с хорошей устойчивостью к дуге и низкой окисляемостью, однако склонен к образованию сульфидных пленок. Широко используется для контактов средней мощности.
• Твердое Серебро  — имеет большую механическую прочность и ме­ньшую склонность к свариванию при дуге, чем серебро. Сопротивление контактов больше, чем серебряных.
• Серебро-Палладий  — обладает хорошей устойчивостью к коррозии и сульфитации, противостоит свариванию контактов. К недостаткам относится способность поглощать органические газы и образовывать из них полимер­ную пленку на поверхности. Для предотвращения этого требует покрытия зо­лотом. Имеет высокую стоимость.
• Золото-Серебро — очень низкое и стабильное контактное сопро­тивление даже при очень низких токах и напряжениях, а также недостаточная устойчивость к свариванию, обуславливают применение этого сплава для контактов измерительных цепей с очень малыми токами и напряжениями.
• Серебро-Окись Кремния  —  металлокерамиче­ская композиция. Материал обладает высокой устойчивостью к электрической дуге, не склонен к сварива­нию, имеет хорошую механическую прочность и стабильность свойств, однако его сопротивление больше, чем у чистого серебра и он склонен к образованию сульфидных пленок. Широко применяется для контактов средней и большой мощности.

Электромагнитное реле — это самый старый по происхождению, самый простой и самый распространенный тип реле. Из каких основных частей оно состоит? Как правило, большинство из тех, кому задавался этот вопрос, обычно называют обмотку, магнитопровод с сердечником, подвижный якорь, пружину и, наконец, контакты. 

Как правило, внутреннее пространство корпуса заполнено инертным газом (водородом, аргоном, азотом в определенной пропорции) или же просто запаяно без наличия воздуха, что, кстати, также способствует уменьшению коррозии контактов и следовательно - повышению их надежности. Баллон геркона средней и малой мощности заполняют, обычно, осушен­ным воздухом или смесью из 97 % азота и 3 % водорода под нормальным ат­мосферным давлением. Применяется также 50 % смесь гелия с азотом, угле­кислый газ, смесь окиси углерода с углекислым газом.  

При изготовлении сердечники располагают таким образом, чтобы между ними оставался зазор оптимального размера. 

Для того, чтобы вызвать срабатывание геркона, необходимо вокруг контактной группы создать магнитное поле достаточной напряженности. При этом не важно, каким образом это поле будет создано - постоянным или электро- магнитом. Силовые линии внешнего магнитного поля воздействуют на внутренние контакты – сердечники геркона, в следствие чего они преодолевают силы упругости, притягиваются и замыкают электрическую цепь. В этом состоянии контакты будут находиться до тех пор, пока существует магнитное поле достаточной напряженности. При этом достаточно выключить электромагнит или отвести постоянный магнит, как контакты разомкнутся. Срабатывание контактов произойдет вновь, как только  магнитное поле появится вновь. Таким образом, контакты выполняют сразу три функции: упругих элементов, магнитопровода, и электрических контактов.

Иначе действует геркон, работающий на размыкание. Магнитная система в этом случае устроена так, что при воздействии магнитного поля контакты намагничиваются одноименно, посему отталкиваются друг от друга, попутно размыкая электрическую цепь.

У переключающего же геркона один из трех контактов выполняется из немагнитного металла, а прочие - из ферромагнитного. При воздействии на геркон магнитного поля нормально разомкнутые контакты замыкаются, а немагнитный, оставаясь на своем первоначальном месте - размыкается.

Нормально – разомкнутым называется контакт, который разомкнут при отсутствии управляющего воздействия (магнитного поля). Соответственно нормально - замкнутый контакт замкнут при отсутствии магнитного поля.

Срабатывание переключающего геркона

Принцип действия нормально-замкнутого геркона

Принцип действия нормально-разомкнутого геркона

Конечно, магнитное поле присутствует всегда, например магнитное поле Земли. И нельзя, вроде бы, сказать про отсутствие магнитного поля совсем. Но магнитное поле Земли для срабатывания геркона недостаточно, поэтому им можно пренебречь и сказать об отсутствии магнитного поля, в данном случае внешнего.

Герконы имеют ряд механических и электрических параметров, которые характеризуют их свойства. Эти параметры можно разделить на две большие группы: механические и электрические.

К механическим параметрам относится магнитодвижущая сила срабатывания. Это значение показывает, при каком уровне напряженности магнитного поля происходит срабатывание и отпускание контакта. В технической документации это называется как магнитодвижущая сила срабатывания и магнитодвижущая сила отпускания. Немаловажными параметрами геркона, в ряде случаев основными, является быстродействие его срабатывания и отпускания. Параметры эти измеряются в миллисекундах, и  в целом характеризуют быстродействие геркона. Герконы, имеющие меньшие геометрические размеры как правило, обладают более высоким быстродействием.  Время наработки на отказ - также относится к группе механических параметров. Параметр оценивает, при каком числе срабатываний все свойства геркона - механические и электрические - сохраняются в рамках допустимых значений. 

К электрическим параметрам герконов можно отнести типовые параметры обычных механических контактов. В частности, это сопротивление, измеренное между замкнутыми контактами называется сопротивлением контактного перехода и сопротивление, измеренное между разомкнутыми контактами (или сопротивление изоляции). Электрическую прочность геркона характеризует пробивное напряжение. Это напряжение определяет качество изоляции между контактами, которое, в свою очередь, зависит от качества вакуума или инертных  газов. Также пробивное напряжение зависит от величины зазора между контактами и качества их покрытия. Мощность геркона определяется его конструкцией - материалом и размерами контактов, типом покрытия контактных площадок. Емкость геркона, измеренная между разомкнутыми контактами зависит лишь от геометрических размеров геркона и расстояния между разомкнутыми контактами.

Использование магнитных устройств в датчиках

По способу управления герконы можно разделить на две большие группы: управляемые постоянными магнитами и управляемые при помощи катушки с током. Наиболее распространен способ управления с линейным перемещением магнита. Здесь вполне уместно вспомнить охранную сигнализацию, где магнит укреплен на двери и заставляет срабатывать геркон, когда дверь закрыта.

Способ с угловым перемещением магнита используется реже. Как правило способ используется тогда, когда других варианты применить по какой-либо причине невозможно.

Перекрытие магнитного поля шторкой долгое время использовалось в клавиатурах однако в последнее время в изделиях ширпотреба это решение - редкость, впрочем, в промышленности это решение еще можно встретить. 

Управление герконом при помощи катушки с постоянным током

Наибольшее распространение при создании герконовых реле получила схема управления при помощи катушки с током. Конструкция этих реле незамысловата - внутрь катушки с током помещен геркон. Отметим изящество конструкции - в отличие от обычного реле не требуется никаких дополнительных пружинок и рычагов. Единственный в этом случае недостаток это небольшое количество контактных групп и некоторые сложности при коммутации сетей с большим током.

Впрочем, если катушку выполнить достаточно толстым проводом, способным пропустить большой ток, то можно получить и герконовое токовое реле. Ранее подобные реле активно применялись в мощных источниках постоянного тока в качестве датчика системы защиты от перегрузок. Уточним - точная настройка уровня срабатывания такого датчика осуществляется специальным резьбовым механизмом, позволяющем плавно перемещать геркон вдоль оси катушки.

Отметим, что процессе работы в катушке возникают механические напряжения, вызванные электромагнитными силами взаимодействия витков с током, а также термические напряжения, возникающие из-за нагрева и охлаждения ка­тушки. Между отдельными витками катушки, между слоями намотки, а также между катушкой и сердечником прикладывается электрическое рабочее на­пряжение, а в переходных процессах коммутации также и перенапряжения. Катушки реле уличных датчиков могут подвергаться воздействию многочисленных неблагопрятных факторов внешней среды, таких как: повышенная влажность воздуха, солевой туман, роса, плесень и т. п. Конструкция катушки должна обеспечивать на­дежную работу датчиков при всех этих воздействиях.  

Пример датчика положения на основе дифференциального магниторезистора

Пример датчика приближения на основе элемента Холла. Активатор(постоянный магнит) устанавливается на объекте контроля

Пример датчика положения, В качестве активатора используется постоянный магнит, установленный на объекте контроля

Преимущества и недостатки герконов 

По сравнению с типовыми коммутирующими контактами герконы имеют в сотню раз бОльшую надежность по сравнению с обычными открытыми контактами. Надежность, как было сказано выше,  обусловлена более высоким сопротивлением изоляции (десятки МегаОм в типовом изделии), и большей электрической прочностью. Напомним, пробивное напряжение у  герконов достигает нескольких десятков киловольт.  Также преимуществом герконов является быстродействие. Частота коммутации герконов достигает 1000 Гц, а скорость же срабатывания может находится в пределах 0,2 - 1,0мс. Наработка на отказ герконов доходит до 4 - 5 млрд. срабатываний, что намного выше аналогичного показателя для обычных контактов. Легкий способ согласования с нагрузкой а также работа герконов без применения источников электрической энергии также является достоинством.

Среди недостатков можно выделить небольшая коммутируемая мощность. Малое количество контактных групп в одном корпусе. Для «сухих» герконов - и дребезг контактов. Хрупкость стеклянного баллона и высокую чувствительность к внешним магнитным полям также нельзя считать положительным качеством.  

Поделиться:

Оставьте свой комментарий!