سنسور مغناطیسی

سنسور مغناطیسی یک سنسور کامل

سنسور مغناطیسی که با نام دیگر سنسور جک در بازار امروز ایران شناخته می شود، یکی از مهمترین و کاربردی ترین سنسور ها، در میان انواع متنوع و مختلف سنسور های پراکسیمیتی می باشد. سنسور مغناطیسی بر اساس عکس العمل نشان دادن به میدان مغناطیسی که در اطراف آهنربای سنسور می باشد، عمل می کند. آهنربای کار گذاشته شده می تواند به صورت یک آهنربای دائمی یا به صورت یک آهنربای الکتریکی که با جریان DC و یا AC کار می کند، باشد.

همان طور که گفتیم از نوع مجاورتی(Proximity) می باشد، این بدین معناست که قسمت حسگر این سنسور هیچ گونه تماس فیزیکی با جسم و یا شئ هدف ندارد، یا به عبارت دیگر یک سنسور No Contact(غیر تماسی) می باشد. این ویژگی مهم، تا حد زیادی باعث افزایش طول عمر این سنسور ها شده است، همچنین این توانایی را برای این سنسور ها ایجاد کرده است تا در محیط های چرب و روغنی، آلوده و محیط هایی با گرد و غبار نیز به خوبی عمل کنند. از دیگر ویژگی هایشان این است که لغزش و حرکت قسمت های متحرک بر هم، باعث ایجاد و تولید نویز نمی گردد.

کاربرد های سنسور مغناطیسی

از لحاظ کاربرد یکی از سنسور هایی است که طیف بسیار وسیعی از کاربرد ها شامل میشود. کاربرد این نوع از سنسور را میتوان به طور کلی با دسته بندی زیر عنوان و معرفی نمود:

• توانایی در شناسایی باز یا بسته بودن درب ها
• می تواند اشیاء را به راحتی شمارش کند
• برای تشخیص میزان سرعت چرخش نیز بکار گرفته می شود.
• کاربرد بالایی در تعیین و کنترل کردن موقعیت اجسام و یا تجهیزات دارد.
• تشخیص و کنترل کردن سطح در مخازن نیز ار کاربرد های این سنسور می باشد.

به صورت کلی اگر امکان ایجاد یک میدان مغناطیسی الکتریکی یا دائمی بر روی تجهیزات مورد نظر باشد میتوان آن ها را یک گزینه خوب برای این کار معرفی نمود.

ساختار سنسور مغناطیسی

قسمت اصلی و مهم، از کنتاکت هایی تشکیل شده است که جنس مواد تشکیل دهنده آن ها مواد فرومغناطیس بوده و شکل آن ها به صورت تیغه ای می باشند. این کنتاکت ها درون یک لوله کوچک که با گاز نیتروژن پر شده است قرار داده شده اند. دلیل استفاده کردن از گاز نیتروژن در این سنسور ها این است که، اولاً گاز نیتروژن بسیار خنثی بوده و با بقیه قطعات و مواد واکنش نمی دهد. ثانیاً این گاز غیر قابل اشتعال می باشد. معمولاً در ساختار یک سنسور مغناطیسی از یک LED استفاده می شود تا به وسیله ی آن بتوان وضعیت سنسور را نمایش داد.

هنگامی که یک میدان مغناطیسی به سنسور نزدیک می شود. کنتاکت هایی که به صورت تیغه ای شکل می باشند جذب میدان مغناطیسی می شوند و یک یا چند کنتاکت را باز یا بسته می کنند.

تفاوت های سنسور مغناطیسی و سنسور القایی

به دلیل اینکه شدت میدان مغناطیسی را شناسایی می کند، فاصله دید و سرعت آن وابسته به میزان قدرت آهنربایی که به سنسور مغناطیسی نزدیک می شود، می باشد، که در سنسور القایی به این صورت نیست. از دیگر تفاوت های مهم بین سنسور القایی و سنسور مغناطیسی، تفاوت در هسته ی بوبین اسیلاتور این دو سنسور می باشد.

هسته فریت اسیلاتور تمامی قسمت های هسته را به صورت کامل پوشش داده در نتیجه هنگامی که یک آهن ربا به سنسور مغناطیسی نزدیک می شود، هسته بوبین اسیلاتور در حالت اشباع قرار می گیرد که باعث ایجاد تغییر در جریان اسیلاتور شده و این تغییر باعث تشخیص و شناسایی آهن ربا می شود. اما در ساختار سنسور های القایی هسته اسیلاتور تنها بخشی از بوبین را پوشانده است و باعث هدایت میدان مغناطیسی به سمت بیرون می شود. هنگامی که یک فلز وارد این میدان مغناطیسی می شود، باعث ایجاد تغییرات در جریان مدار اسیلاتور شده و به این روش وجود فلز شناسایی می شود.

تقسیم بندی های سنسور مغناطیسی بر اساس محدوده سنسوری

سنسور های مغناطیسی بر پایه ی محدوده ی سنسوری به سه دسته ی اصلی، سنسور های میدان-کوچک، سنسور های میدان-متوسط(میدان-زمین) و سنسور های میدان متعادل تقسیم بندی می شوند. سنسور های میدان-کوچک در مقابل دیگر سنسور ها و دستگاه های مغناطیسی، بسیار بزرگ و گران نیز می باشند و کاربرد این نوع سنسور ها در سامانه های نظارتی نظامی و دستگاه های پیشرفته پزشکی می باشند.

در سنسور های میدان-متوسط یا همان میدان-زمین از میدان مغناطیسی زمین در جهت کاربرد هایی نظیر تعیین نرخ انحراف به وسیله ی محاسبه ی مشتق تغییرات میدان، تعیین کردن قطب های قطب نما در ناوبری و شناسایی ناهنجاری های بوجود آمده برای حس کردن و تشخیص وسیله ی نقلیه، استفاده می شود. سنسور های میدان متعادل، معمولاً میدان های مغناطیسی که بزرگتر از میدان مغناطیسی زمین می باشند را حس می کنند.

در تعداد بالایی از سنسور های صنعتی برای تشخیص و شناسایی، یک آهنربای دائمی برای ایجاد یک منبع میدان مغناطیسی بکار گرفته می شود. به وسیله ی این آهن ربا، اجسام فرومغناطیسی که نزدیک به سنسور می باشند را مغناطیسی کرده، سپس تمامی تغییرات پیرامون را حس می کنند.

بررسی سنسور های مغناطیسی دو و سه سیمه

ولتاژ تغذیه ی سنسور های مغناطیسی سه سیمه معمولاً DC می باشند و خروجی این سنسور ها NPN و یا PNP می باشد. مغز اصلی سنسور های مغناطیسی سه سیمه می تواند حسگر اثر هال (Hall Effect Sensor) باشد که در ادامه مطالبی را درباره سنسور اثر هال عنوان خواهیم کرد. سرعت عملکرد سنسور های مغناطیسی سه سیمه بسیار بیشتر و بالاتر از انواع مختلف سنسور های مغناطیسی دو سیمه می باشند. سنسور های مغناطیسی دو سیمه دارای تغذیه های AC و یا DC می باشند و مغز اصلی سنسورهای دو سیمه یک read relay که یک کلید الکتریکی است و به وسیله آهن ربای الکتریکی کار می کند، است. از انواع مختلف دو سیمه در ساخت لول سوئیچ ها استفاده می شود.

چند سنسور خاص مغناطیسی

در این بخش به بررسی و معرفی چند سنسور مغناطیسی خاص که به دلیل ساختار و یا کاربردشان با نام های دیگری نیز شناخته می شوند خواهیم پرداخت.

لول سوئیچ (Level Switch ) یا همان فلو سوئیچ (Flow Switch )

همانطور که گفتیم یکی از کاربرد های مهم تشخیص و کنترل کردن سطح مخازن است، برای این کار از لول سوئیچ یا همان فلو سوئیچ استفاده می کنیم. لول سوئیچ یک نوع خاص از سنسور های مغناطیسی می باشد که برای اندازه گیری سطح مایعات و یا جامدات درون مخزن بکار گرفته می شود. این سنسور مغناطیسی از مکانیزم هایی ساده و مکانیکی استفاده می کند و با توجه به جنس مواد درون مخزن میتوان از انواع مختلف این سنسور برای این کار بهره برد.

نحوه ی کارکرد لول سوئیچ (Level Switch )

سنسور های مغناطیسی در یک یا چند نقطه ی از پیش تعیین شده، به شکل عمودی قرار داده می شوند، این سنسور دارای یک شناور می باشد که این شناور، با تغییر سطح مایعاتی که درون مخزن می باشد تغییر می کند ، جنس این شناور معمولاً از پلی آمید یا حتی فلز می باشد. حرکت کردن این شناور در طول میله با تغییر سطح مایع درون مخزن، باعث تحریک و تغییر وضعیت سوئیچ هایی که در داخل میله قرار گرفته اند می شود و خرجی این دستگاه فعال می گردد. در واقع شناور های متحرک آهن ربا می باشند و زمانی که در مقابل سنسور های مغناطیسی قرار می گیرند، فعال می شوند و سیگنال خروجی را ارسال می کنند.

سنسور جک

یکی از کاربرد های اصلی و مهم سنسور جک، استفاده از آن برای تشخیص موقعیت یا به عبارت ساده تر تشخیص باز یا بسته بودن جک های هیدرولیکی و پنوماتیکی می باشند. با قرار دادن سنسور مغناطیسی در شیار موجود در پیستون، پیستون جک دارای یک حلقه مغناطیسی می باشد. هنگامی که جک به سنسور نزدیک می شود سنسور سیگنال خروجی را منتشر می کند که جک به انتهای مخزن نزدیک شده است.

سنسور اثر هال

از سنسورهای اثر هال در بسیاری از دستگاه ها و ابزارهای  مختلف اندازه گیری استفاده می شود. یک سنسور اثر هال سنسوری است که در مقابل تغییرات میدان مغناطیسی به صورت ولتاژی از خود واکنش نشان می دهد. اگر میدان مغناطیسی بزرگی به این سنسور اعمال کنیم ولتاژ خروجی در محدوده ی بسیار پایین نزدیک به چند میکرو ولت می باشد. برای اینکه بتوانیم از این سنسور یک خروجی مطلوب و با دقت دریافت کنیم باید از رگولاتور ولتاژ، مدار های سوئیچینگ منطقی و تقویت کننده ها استفاده کنیم. سنسور های اثر هال به دو نوع آنالوگ و دیجیتال تقسیم بندی می شوند. از کاربرد های سنسور اثر هال دیجیتال می توان به شمارنده پالس در چاپگر و درایور موتور ها، رله، اندازه گیری سرعت چرخش، مشاهده جریان در سیستم موتور ها، کارت های مغناطیسی امنیتی، ارتباطات راه دور و سنسور تعیین مکان لنز اشاره کرد.

همچنین از کاربرد های سنسور های اثر هال با خروجی خطی می توان کنترل حفاظت موتور، پتانسیومتر های غیر تماسی، سوئیچ های انکودر، انکودر های چرخشی، حفاظت منبع تغذیه، در سنسور اتومبیل ها، سنسور های RPM، قفل الکتریکی، کارت خوان های مغناطیسی، سنسور دما و فشار، دیسک درایو کامپیوتر ها، درایو فرکانس متغیر و ردیاب فلزات آهن دار نیز اشاره کرد.

سنسور های فلاکس گیت

سنسور های فلاکس گیت در تعداد بالایی از سیستم ها و سامانه های ناوبری کاربرد و جایگاه ویژه ای داشته اند. سنسور های فلاکس گیت در سال 1928 توسعه یافته، کمی بعد نیروی دریایی ارتش از این سنسور ها برای شناسایی کردن زیر دریایی ها استفاده می کرد. ساختار این سنسور ها از دو سیم پیچ که به دور یک هسته ی مشترک از جنس مواد فرومغناطیس، پیچیده شده اند، تشکیل شده است. در هنگامی که در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرد، القای مغناطیسی داخل هسته تغییر می یابد. یک سیگنال به سیم پیچ اول اعمال شده، که باعث ایجاد نوسان هسته در پیرامون نقاط اشباع می شود. دومین سیم پیچ سیگنالی را به خروجی انتقال می دهد. این سیگنال خروجی به دلیل تغییرات تراوایی هسته ایجاد می شود و به شکل تغییرات در دامنه خود را نشان می دهد.

با استفاده از یک آشکار ساز یا یک فیلتر پایین گذر سیگنال را مدوله کرد تا به این وسیله مقدار و میزان میدان مغناطیسی را محاسبه کنیم. از کاربرد های Hk می توان به نقشه برداری های هوایی و جستجو های ژئوفیزیکی نیز اشاره کرد.

سنسور های AMR

سنسور های AMR توانایی این را دارند که موقعیت خطی و زاویه ای و جابجایی که در میدان مغناطیسی زمین صورت می گیرد را به خوبی اندازه گیری کنند. یکی از مهمترین کاربرد این سنسور ها شناسایی و تشخیص اشیاء آهنی مانند خودرو ها، هواپیما ها و قطار ها که باعث ایجاد تغییر در میدان مغناطیسی زمین می شوند، می باشد. از دیگر کاربرد های این سنسور ها می توان به ناوبری حفاری زیرزمینی، سنسور های چرخشی، سنسور های جریان، قطب نماها، ردیابی سر برای واقعیت مجازی، سنسور های موقعیت خطی و سنسور های سرعت حرکت اشاره کرد.

ساختار سنسور های AMR به صورت یک نوار مقاومتی است، که از فیلم نازک نیکل آهن که بر روی یک ویفر از جنس سیلیکون نشانده شده است می باشد. در یک ساختار رایج، چهار عدد از این مقاومت ها به شکل پل وتستون به همدیگر متصل می شوند، تا بدین وسیله بتوان جهت و اندازه میدان را در اطراف یک محور مشخص شده اندازه گیری کرد. معمولاًسنسور های AMR بطور عمده بر روی ویفر هایی از جنس سیلیکون ساخته و در بسته های آی سی های تجاری قرار داده می شوند. از ویژگی های مثبتشان می توان به اندازه کوچک، میزان نویز کم و حساسیت بالا اشاره کرد.

اهمیت پارامترهای مغناطیسی برای خرید سنسور مغناطیسی مناسب

 هنگامی که قرار است مدار در محیط های با رطوبت بالا قرار بگیرد، از آهنربای گرید نئو استفاده کنید. آبکاری نیکل روی نئودیمیم مانع خوبی برای رطوبت است. با این حال، تضمینی نیست که رطوبت از طریق ترک های ایجاد شده به زیر نیکل نفوذ نکند. در صورت لزوم می توانید از یک آهنربای گرید ساماریوم برای این محیط انتخاب نمایید.

 همانطور که اشاره کردیم دمای محیط می تواند بر روی ماده مغناطیسی تاثیر بگذارد و عملکرد آن را مختل کند. برخی از مواد مغناطیسی مثل نئودیمیم محدودیت هایی برای دماهای بالا دارند و هنگامی که دما از میزان مشخصی بالاتر برود، چگالی شار به طور قابل توجهی کاهش می یابد و قابل برگشت نیست. در محیط هایی که حرارت بالا و نوسانات دما زیاد است، استفاده از آهنربای ساماریوم کبالت می تواند راهکار مناسبی باشد.

عوامل محیطی چه تاثیری در خرید سنسور مغناطیسی دارند؟

درک تاثیر عوامل محیطی بر عملکرد سنسور مغناطیسی بسیار مهم است و کمک می کند تا از یکپارچگی و عملکرد صحیح مدار، اطمینان حاصل کنید. در ادامه درباره هر یک از این عوامل صحبت می کنیم.

رطوبت: این عامل در انتخاب نوع سنسور مغناطیسی بسیار تاثیرگذار است. برخی از مواد آهن ربایی مانند نئودیمیم به رطوبت بسیار حساس هستند و می توانند در اثر تماس با آن تخریب شوند.

شوک و لرزش: در هنگام خرید سنسور مغناطیسی باید نیروهای حرکتی را در نظر گرفت. به عنوان مثال سوئیچ های Reed این آمادگی را دارند که تحت تاثیر شوک و لرزش قرار بگیرند و نتوانند کارکرد درستی داشته باشند.

اشعه UV: برای نصب سنسور در فضای باز، لازم است توجه کنید که مواد پلاستیکی استفاده شده در سنسور مغناطیسی مقاومت لازم در برابر اشعه UV را دارند یا خیر.

شوک حرارتی: برای اطمینان از صحت عملکرد طولانی مدت سنسور مغناطیسی، آزمایش شوک حرارتی توصیه می شود. این آزمون معمولاً وقتی انجام می گردد که دامنه تغییرات حرارتی وسیعی مانند 40- تا 105 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد. حتی ممکن است دما به + 150 درجه سانتی گراد نیز برسد. در صورتی که سنسور تحمل این شوک حرارتی را نداشته باشد، به راحتی خراب می شود.

قیمت و خرید سنسور های مغناطیسی

به سبب تنوع بالا در مدل ها و کاربرد های وسیع سنسور های مغناطیسی، خرید این سنسور می تواند نیاز های شما را به راحتی برطرف کند، همانطور که در توضیحات بالا گفته شد سنسور مغناطیسی به سبب غیر تماسی بودن طول عمر بالایی دارد. پس شما با خرید سنسور مغناطیسی می توانید از صرفه اقتصادی خرید خود مطمئن باشید. قیمت این سنسور ها به دلیل تنوع بالا در مدل، در رنج گسترده 2 الی حداکثر 10000 دلار قرار دارند.