انواع سنسورهای مغناطیسی

سنسورهای مغناطیسی را بسته به نوع عملکرد، طریقه اندازه­ گیری میدان، سایز و بسیاری از خصوصیات دیگر می ­توان دسته بندی کرد. مهم­ترین خصیصه برای دسته بندی سنسورهای مغناطیسی این است که برخی از سنسورهای مغناطیسی تنها بزرگی میدان مغناطیسی و برخی دیگر علاوه بر بزرگی میدان جهت آن را نیز تعیین می­ کنند.

به نوع اول سنسورهای مغناطیسی اسکالر(Scalar) و نوع دیگر را سنسورهای مغناطیسی برداری می­­ نامند.

سنسورهای مغناطیسی برداری

مغناطیس سنج القایی(Search coil):

این نوع سنسور یکی از ساده ­ترین انواع سنسورهای مغناطیسی است، قاعده پشت عملکرد این سنسور قانون فارادی است. به این صورت که اگر شارّ مغناطیسی درون یک سیم پیچ تغییر کند، یک ولتاژ متناسب با نرخ تغییرات شار تولید خواهد شد.

همانطور که در شکل نشان داده شده است زمانی­ که یک آهنربا به سیم پیچ نزدیک می­ شود. میزان تراکم شار مغناطیسی در سیم پیچ با B∆ افزایش می ­یابد. در این حالت جریان القایی یک شار مغناطیسی در راستای جلوگیری از افزایش تراکم شار مغناطیسی در سیم پیچ تولید می­ کند.

برعکس زمانی که آهنربا از سیم پیچ دور می­ شود، تراکم شار مغناطیسی درون سیم پیچ کاهش می­ یابد. بنابراین جریان القایی در راستای جلوگیری از کاهش تراک شار مغناطیسی تولید می­ شود.

تا زمانی که آهنربا حرکت نکند تراکم شار مغناطیسی بی تغییر خواهد ماند و هیچ­گونه نیرو و یا جریان القایی تولید نخواهد شد. با اندازه­ گیری جهت و میزان نیروی القایی می ­توان میزان تغییر در تراکم شار مغناطیسی را تشخیص داد.

به دلیل ساختار ساده این سیم پیچ به راحتی خراب نمی­ شود. با این حال ولتاژ خارجی آن وابسته به تغییرات شار مغناطیسی است و امکان استفاده از آن در میدان­ های ثابت یا با تغییرات آهسته وجود ندارد.

مغناطیس سنج فلوکس گیت(Fluxgate Magnetometer):

این سنسور شامل یک هسته فرومغناطیس به همراه دو سیم پیچ است که یک سیم پیچ، سیم پیچ محرک و دیگری سیم پیچ سنسور است. این مغناطیس سنج از این حقیقت که مواد فرومغناطیس در میدان ­های بسیار بالا اشباع می ­شوند بهره می­گیرد.

زمانی که یک جریان سینوسی به اندازه کافی بزرگ به سیم پیچ محرک اعمال می­ شود، هسته در نیم سیکل اول به اشباع مغناطیسی می ­رسد و به همین دلیل مقاومت مغناطیسی(رلوکتانس(Reluctance))  آن افزایش می­ یابد، بنابراین تمایل آن برای عبور میدان مغناطیسی کم خواهد شد.

این تغییرات توسط سیم پیچ سنسور تشخیص داده می ­شود. زمانی که هسته با کاهش جریان در سیم پیچ محرک از حالت اشباع خارج شود میدان مغناطیسی خارجی مجددا به سمت هسته جذب می­ شود و این عملکرد مجددا توسط سیم پیچ سنسور تشخیص داده می­ شود.

خروجی ولتاژ سیم پیچ سنسور شامل هارمونیک­های فرکانس تحریک است.

سنسور عناصر هال(Hall effect sensor):

عناصر هال ابزاری هستند که از اثر هال پیروی می­کنند، هال از نام دکتر هال برای کشف این اثر می­ آید. در اثر اعمال یک میدان مغناطیسی عمود بر بستری که جریان در آن جاری است یک نیوری الکتروموتوری عمود بر جریان و میدان مغناطیسی تولید می­ شود.

زمانی که جریان درون ورق نیمه هادی اعمال می­ شود، ولتاژی متناسب با تراکم جهت شار مغناطیسی، به عنوان خروجی اثر هال برای تشخیص میدان مغناطیسی استفاده می­ شود.

عناصر هال قادر به تشخیص میدان مغناطیسی، حتی میدان مغناطیسی ثابت بدون هیچگونه تغییر در تراکم شار مغناطیسی هستند. بنابراین سنسورهای اثر هال در کاربردهای متفاوتی ( مانند سوئیچ­های بدون کنتاکت، سنسورهای زاویه و سنسورهای جریان ) استفاده می­ شوند.

سنسورهای مگنتو رزیستیو(Magnetoresistive sensor):

 

سنسورهای مگنتورزیستیو بر اساس اثر مگنتورزیستیو عمل می­ کنند، تغییر مقاومت در مواد فرومغناطیسی در اثر اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی را اثر مگنتورزیستیو نامند.

این سنسورها را می­توان مقاومت کنترل شده با میدان مغناطیسی نیز نامید. زمانی که یک جریان از درون مواد فرومغناطیس عبور می ­کند، بردار مغناطیسی داخلی مواد فرومغناطیس با جریان عبوری از آن در یک راستا خواهند بود.

زمانی که یک میدان مغناطیسی خارجی در خلاف جهت جریان به آن اعمال شود، بردار مغناطیس داخلی جهت خود را با یک زاویه (بسته به میزان میدان مغناطیسی) تغییر خواهد داد.

به این ترتیب با تغییر جهت بردار مغناطیسی داخلی مقاومت مواد تغییر خواهد کرد. زمانی که زاویه جریان و بردار مغناطیسی داخلی 90 درجه باشد کمترین مقاومت و در حالت موازی بودن جریان و بردار مغناطیسی داخلی بیشترین مقاومت را از مواد می­ توان مشاهده کرد.

سنسورهای مغناطیسی بر اساس(Microelectromechanical):

سنسورهای مغناطیسی مبتنی بر میکرو الکترومکانیکی (MEMS)، دستگاه های کوچک برای تشخیص و اندازه گیری میدان مغناطیسی هستند. آنها تغییرات نیرو را تشخیص می ­دهند به طوری که ولتاژ یا فرکانس تشدید به راحتی به صورت الکترونیکی اندازه گیری می­ شود یا به طور متناوب جابجایی مکانیکی می تواند با اپتیک اندازه گیری شود.

سنسور میدان مغناطیسی مبتنی بر MEMS می تواند نزدیک به محل اندازه گیری قرار گیرد و درنتیجه به وضوح اندازه­ گیری بالاتر برسد. یک مغناطیس سنج مبتنی بر MEMS می تواند با یک شتاب سنج بر روی تراشه ترکیب شود و در یک گستره وسیع کاربردهای آن را گسترش دهد.

سنسورهای معناطیسی اسکالر:

مغناطیس سنج اورهوسر(Overhouser):

اثر اورهوسر از فیزیک کوانتوم بهره گرفته است، این اثر زمانی رخ می­دهد که یک مایع خالص(شامل الکترون­های جفت نشده) با اتم­های هیدروژن ترکیب می­شوند و پس از آن به دلیل حضور میدان مغناطیسی فرکانس رادیویی در معرض قطبش(Polarization)قرار می­گیرند.

الکترون­های آزاد درون مایع انرژی خود را به هسته هیدروژن منتقل می­کنند، این انتقال انرژی حالت چرخش پروتون ها را تغییر می­دهد و موجب قطبی شدن مایع می­شود.

مغناطیس سنج انحراف پروتون:

در این سنسور شامل کانتینر حاوی مایع غنی شده از پروتون (اصولا هیدروژن یا نفت سفید) محصور شده با یک سیم پیچ است. زمانی که جریان از سیم پیچ عبور می­کند، میدان مغناطیسی القا می­شود و  پروتون­های درون مایع خود را با میدان مغناطیسی هماهنگ می­کنند.

زمانی که جریان قطع می­شود، پروتون ­ها تلاش می­کنند تا با میدان مغناطیسی هماهنگ شوند. فرآیند هماهنگی به سرعت انجام نمی­شود و با یک فرکانس معین انجام می­پذیرد، که این فرکانس تقریبی به طور مستقیم با میدان مغناطیسی خارجی متناسب است.

کاربردهای سنسورهای مغناطیسی:

واحد توزیع توان(Power distributed unit)

گسترش پردازش ­های ابری و کلان داده یکی از دلایل افزایش تقاضا برای مراکز داده و سرورها است. PDU یکی از بخش­ های اصلی در زیرساخت­ های مراکز داده است. از آنجایی که نیاز به مراکز داده به سرعت رو به افزایش است، لذا نیاز به PDU ها نیز افزایش یافته است. از PDU برای تغذیه سرورها استفاده می­ شود.

ربات­ ها و خودکارسازی کارخانه ­ها

سازگاری ربات­ ها برای خودکار سازی کارخانه­ ها به شدت در حال گسترش است. حسگرهای موقعیت یاب خطی و زاویه­ ای برای پیش بردن حرکت موتورهای پیچیده با دقت، قابلیت اطمینان و ظرافت بالا بسیار ضروری است. برای داشتن خط تولید سریعتر و کارآمدتر سنسورهای موقعیت یاب خطی و زاویه ­ای، سوئیچ­های ایمنی استفاده می شوند.

انرژی های پاک

با جایگزینی انرژی­ هایی مانند انرژی­ های بادی و خورشیدی، سنسورهای مغناطیسی در حسگرهای جریان، حسگرهای موقعیت یاب و سوئیچ­ها بکار می­روند. در نیروگاه­ های بادی سنسورهای موقعیت یاب زاویه ­ای امکان تولید بهینه انرژی بادی را فراهم می ­آورند.

 سنسورهای جریان در ساختار جعبه ­های کنترل شبکه­های تولید انرژی خورشیدی استفاده می­ شوند و سوئیچ­ ها برای تامین ایمنی در کاربردهای ولتاژ بالا استفاده می­ شوند.

اینترنت اشیا:

اینترنت اشیا یکی ار حوزه­ های جذاب و پرکاربرد در صنایع آینده است. استفاده از سنسورهای مغناطیسی به دلیل سایز متناسب و هزینه­ های تولید مناسب و همچنین دقت بالا در اندازه ­گیری و پوشش دهی تمامی کاربرد­ها یکی از المان­های موثر در این صنعت به حساب می­ آیند.