Instrumentele inteligente potrivite pentru sarcina la îndemână pot face orice lucru mai ușor. Dezvoltarea unui ansamblu de senzori magnetici nu constituie o excepție. Acest capitol descrie pe scurt câteva dintre instrumentele care pot fi utile în proiectarea senzorilor magnetici. Unele dintre acestea sunt comune oricărui laborator de electronică bine echipat, în timp ce altele sunt unice pentru lumea magnetică.

10.1 Echipamente electronice de laborator

Pentru majoritatea proiectelor de dezvoltare a senzorilor, un laborator de electronică bine echipat poate face dezvoltarea mai ușoară, mai rapidă și mai simplă. Deși se pot cheltui sume mari de bani pe echipamentele de testare de ultimă oră, de înaltă performanță, este posibilă și obținerea capabilităților de măsurare necesare pentru un preț modest.

Surse de alimentare

În cursul dezvoltării ansamblurilor de senzori cu efect-Hall, am avut nevoie de surse de alimentare pentru trei scopuri:

• Pornirea senzorilor și a circuitelor conexe

• Oferirea referințelor precise de tensiune și curent

• Bobine de acționare pentru a genera câmpuri magnetice

Aceste aplicații plasează diferite cerințe la o sursă de alimentare. Deși este posibil să se obțină o singură unitate care să poată efectua în mod adecvat toate aceste sarcini, este de obicei mai bine și mai puțin costisitoare obținerea mai multor unități mai specializate.

Pentru alimentarea senzorilor și a circuitelor conexe, cum ar fi plăcile de testare de laborator, cerințele tipice ale unei surse de alimentare sunt furnizarea de cantități de curent mai mici (<500 mA) pe gama de tensiune de lucru al senzorului (0-30V). O caracteristică importantă este limitarea curentului, setabilă de utilizator. În timp ce majoritatea surselor de alimentare bune au limitare internă a curentului, concepută pentru a proteja sursa de alimentare la scurtcircuit extern, această limitare a curentului nu vă protejează, de regulă, circuitele de sursa de alimentare, dacă acestea sunt legate greșit sau se defectează altfel. Capacitatea de a seta limitele curentului de alimentare la o valoare arbitrar scăzută și nedistructivă este extrem de valoroasă în protejarea muncii dvs. pe măsură ce o depanați.

Mai multe ieșiri sunt, de asemenea, o caracteristică utilă; fiind capabilă să dea două sau trei tensiuni separate din aceeași cutie, poate reduce foarte mult aglomerația la masa de lucru. Multe surse de alimentare oferă, de asemenea, afișaje digitale sau analogice integrate, astfel încât să puteți monitoriza tensiunea și curentul de ieșire. Precizia acestor afișaje încorporate tinde să fie limitată, deci pentru măsurători critice este posibil să doriți să faceți monitorizarea cu un voltmetru sau ampermetru separat.

O sursă de alimentare de precizie este destul de diferită de o sursă de alimentare cu scop general. Multe dintre aceste unități vor avea comenzi numerice pe panoul frontal și adesea pot fi controlate extern printr-un port GPIB IEEE-488 sau un port serial. Ele pot fi programate să ofere o tensiune și să măsoare curentul tras, să furnizeze un curent și să măsoare tensiunea, adesea cu cinci sau mai multe cifre de acuratețe. Spre deosebire de afișajele construite în bancurile convenționale, afișajele pe sursele de alimentare cu precizie sunt în general destul de precise. Aceste unități sunt utilizate în mod obișnuit în sistemele cu echipament automat de testare (ATE). Agilent (fost Hewlett-Packard) și Keithley Instruments sunt doi dintre cei mai bine cunoscuți producători ai acestor dispozitive.

Ultima aplicație pentru surse de alimentare este pentru bobinele sau electromagneții de antrenare pentru a produce câmpuri magnetice. Aceste aplicații pot necesita valori semnificative de curent (> 10A) la tensiuni moderate (50V). Inutil să spun că cerințele exacte sunt în mod crucial dependente de magnet sau de bobina care trebuie acționată. O cerință comună, totuși, este ca sursa de alimentare să poată intra într-un mod de curent-constant. Acționarea unui electromagnet cu un curent constant, spre deosebire de o tensiune constantă, reduce dependența de temperatură a câmpului magnetic rezultant, deoarece rezistența bobinei crește de la încălzire.

Voltmetre și DMM

Abordarea mea preferată aici este obținerea câtorva multimetre digitale portabile (DMM) cu rezoluție moderată (cifre de 3½) și una sau două unități de înaltă rezoluție (rezoluție de 5-6 cifre) pentru banc. Merită să aveți mai multe DMM portabile în jur pentru că vor exista momente când veți avea nevoie de două sau trei (sau chiar mai multe) pentru o configurație a bancului de lucru. Pentru majoritatea măsurătorilor, un DMM portabil cu 3½ cifre va furniza suficiente acuratețe și rezoluție măsurătorii; DMM de banc cu 6 cifre este pentru acele situații, mai rare, în care este cu adevărat necesară o mai mare acuratețe.

Deși este posibil să achiziționați DMM portabil foarte ieftin dintr-o serie de surse, consider că, de obicei, merită să cheltuiți câteva bani în plus pentru a obține instrumente de calitate superioară, din mai multe motive. În primul rând, instrumentele mai bune tind să fie mai rezistente și să dureze mai mult. În plus, este de obicei ușor să obțineți servicii de etalonare pentru instrumentele cu nume de brand. În afară de dorința generală de a avea instrumentele ale căror citiri au o anumită corelație cu realitatea, calibrarea poate deveni o problemă majoră dacă dumneavoastră sau magazinul dvs. sunteți supus unor diverse sisteme de calitate (de exemplu, ISO 9000).

Osciloscop

Deoarece majoritatea senzorilor detectează mișcarea mecanică, ieșirile electrice rezultate au tendința de a varia încet, cel puțin la standarde electronice. Dacă viteza și lățimea de bandă erau singure considerente pentru selectarea unui osciloscop, atunci aproape orice osciloscop făcut de la cel de-al doilea război mondial ar fi probabil adecvat pentru majoritatea lucrărilor de dezvoltare a senzorilor cu efect-Hall. Osciloscoape analogice mici, fără fițe, pot fi obținute pentru câteva sute de dolari. O caracteristică a numeroaselor aplicații ale senzorilor este totuși faptul că trebuie adesea să se uite la evenimente care apar fie rar sau pe o singură încercare. În aceste cazuri, un osciloscop cu memorie digitală (DSO) este mult mai util decât unul analogic tradițional. Din fericire, prețurile la osciloscoape digitale au scăzut dramatic în ultimii ani, iar acum este posibil să se obțină un osciloscop cu bun nivel de intrare, cu două canale de intrare și 60 MHz lățime de bandă, pentru mai puțin de 1500 $.

Frecvențmetru

Atunci când lucrați cu ținte rotative, un frecvențmetru este adesea util pentru a determina cu acuratețe viteza țintei (RPM). Din ce în ce mai mult, această funcție este încorporată în DMM-uri și osciloscoape digitale, deci nu este necesar să cumpărați un instrument separat pentru a obține această capacitate de măsurare.

Sonde de curent cu cleme

Dacă dezvoltați senzori de curent, este necesar un mijloc de măsurare a curenților mari. Cele mai multe DMM-uri portabile oferă doar intervale de până la aproximativ 10A. În plus, pentru a măsura curentul cu un DMM, trebuie să intrați în circuitul care transportă curentul. Pentru măsurarea neinvazivă a curenților mai mari, pot fi utilizate sonde de curent cu cleme. Aceste dispozitive vin în două variante fundamentale; AC și DC. Sondele de curent alternativ se bazează pe principii de detectare inductive și vor măsura numai curentul AC, în timp ce sondele de curent continuu pot fi utilizate pentru măsurarea atât a curenților AC, cât și a celor DC. O sondă de curent continuu cu cleme funcționează la fel ca senzorii de curent descriși în capitolul 7; principala diferență este că traseul magnetic este setat astfel încât acesta poate fi ușor deschis și închis în jurul unui conductor. Acest lucru permite efectuarea măsurătorilor de curent fără a fi necesară ruperea căii de curent. Multe sonde de curent nu au afișaj integrat, deci trebuie conectate la un DMM pentru a fi utilizate.

Plăci de testare fără lipituri (breadboards)

O piesă finală și foarte utilă de echipament electronic este placa de testare fără lipituri. Acest dispozitiv este alcătuit dintr-un bloc de plastic cu o mulțime de găuri în care puteți introduce componente cum ar fi rezistoare și IC-uri DIP. Apoi, legați componentele temporar împreună prin introducerea firelor în găurile din apropiere. Breadboards vă permit să construiți rapid circuite prototip și să permiteți modificări și depanare ușoare. Breadboards sunt disponibile în mai multe dimensiuni și configurații. Unele dintre ele furnizează și surse de alimentare.

Trebuie subliniat totuși că breadboards sunt destinate circuitelor de prototipare; orice circuit pe care vă așteptați să-l păstrați pentru o vreme ar trebui probabil să fie construit cu alte tehnici mai permanente. Altele decât lipsa de permanență, circuitele construite pe beadboards au și alte două limitări majore. Primul este că breadboards sunt proiectate să găzduiască componente prin găuri. În timp ce este posibil să cumpărați bare de adaptare pentru a face ca piesele de montare pe suprafață să se potrivească într-un breadboard, aceasta poate fi o provocare. Pentru modelele care utilizează componente de montare pe suprafață, de obicei, proiectarea plăcilor de circuite este mai bună pentru munca ta de prototip.

A doua limitare majoră a breadboards este aceea că circuitele construite pe ele au de obicei o mulțime de capacități și inductanțe parazite. Deși cele mai multe circuite cu senzor cu efect-Hall vor funcționa la frecvențe audio (10 Hz-20 kHz), acești paraziți pot avea efecte adverse asupra altor componente care pot avea răspunsuri în frecvență mult mai înalte. Din acest motiv, circuitele construite pe breadboards vor avea deseori caracteristici de performanță diferite, decât atunci când circuitul final va fi construit pe o placă cu circuite imprimate.

Datorită utilității și costului redus al acestora, și în ciuda limitărilor lor, este un obicei bun de a achiziționa câteva breadboards pentru a le avea în laborator.

10.2 Instrumente magnetice

În timp ce echipamentul descris mai sus poate fi găsit în aproape orice laborator de electronică, unele elemente mai specializate pot fi utile atunci când se dezvoltă senzori magnetici.

Gaussmetru

Un gaussmetru măsoară densitatea fluxului magnetic (B) la un anumit punct din spațiu. Majoritatea gaussmetrelor folosesc elemente senzor cu efect-Hall ca sonde magnetice. În forma sa cea mai simplă, un gaussmetru este un senzor cu efect Hall liniar și un cititor de măsură. Într-adevăr, este posibil să se construiască un gaussmetru simplu de la un IC senzor cu efect-Hall liniar, o cantitate mică de electronică de interfață și un DMM, dar rezultatul nu ar oferi nicio apropiere de capacitățile unui gaussmetru modern. Câteva dintre caracteristicile pe care trebuie să le căutați într-un gaussmetru sunt:

• Gama - cât de mic poate măsura un câmp și cât de mare poate măsura un câmp?

• Acuratețea - În ce măsură citirea reflectă realitatea?

• Opțiuni pentru interfață - în afară de afișajul panoului frontal, poate comunica cu PC-uri sau alte instrumente?

Gama este importantă, deoarece există momente când veți dori să măsurați câmpuri de câțiva gauss, iar altele unde veți dori să măsurați câmpuri de câțiva kilogauss. Gamele mici sunt adesea importante în activitatea senzorilor. Chiar dacă cele mai multe IC-uri senzor cu efect-Hall nu sunt utile pentru diferențierea câmpurilor sub 1 gauss, veți dori în mod obișnuit un instrument cu un ordin de mărime al rezoluției mai fin decât ceea ce trebuie măsurat.

Necesitatea acurateții necesită puțină elaborare. Instrumentele inexacte pot face viața mult mai dificilă. Instrumentele exacte, calibrate regulat, pot face munca de dezvoltare să meargă mai bine, reducând o sursă potențială de erori. Rețineți că acuratețea este o specificație esențială pentru gaussmetre și este adesea singura diferență între două modele de instrumente de preț diferite.

În timp ce opțiunile de interfață pot părea că nu sunt importante, ele permit ca cineva să cupleze gaussmeterul la un PC și să automatizeze multe sarcini simple. Standardele de interfață populare includ ieșirile RS-232, IEEE-488 și analogice.

Fluxmetru

Un fluxmetru măsoară variațiile fluxului magnetic, detectate printr-o bobină Helmholtz sau similară. Funcțional, un fluxmetru constă dintr-o bobină de preluare și un integrator electronic, așa cum se arată în Figura 10-1. O variație a fluxului total prin bobina de preluare induce o tensiune mică, care este apoi integrată în timp. Prin integrarea tensiunii dezvoltate de bobină, care în sine este proporțională cu derivata fluxului care trece prin bobină, un fluxmetru poate măsura variațiile nete în acest flux. Un fluxmetru este altfel decât un gaussmetru în două moduri majore. În primul rând, fluxmetrul măsoară fluxul total (ϕ) pe o arie, pe când gaussmetrul măsoară densitatea fluxului (B) la un singur punct mic, în spațiu. A doua diferență majoră este că, în timp ce un gussmetru poate rezolva o condiție de flux zero (la un anumit grad de acuratețe), fluxmetrul este un instrument complet relativ; măsurătorile se fac în raport cu o condiție arbitrară de "zero".

Această capacitate de a integra fluxul pe o arie largă face ca fluxmetrele să fie deosebit de utile pentru caracterizarea magneților. Problema majoră întâlnită la utilizarea unui gaussmetru pentru caracterizarea magnetului este că citirea obținută este extrem de sensibilă la relația pozițională dintre magnetul testat și sonda de măsurare. Deși această sensibilitate poate fi redusă prin fixarea corectă a magnetului și a sondei, acesta poate totuși să fie o sursă semnificativă de eroare. Cealaltă problemă cu utilizarea unui gaussmetru pentru caracterizarea magnetului este problema a ceea ce este cu adevărat măsurat. Un gaussmetru măsoară numai densitatea fluxului la un singur punct din spațiu; are foarte puține de spus despre caracteristicile materialului de magnet ca un întreg. Prin utilizarea unui fluxmetru, totuși, este posibil să se obțină informații utile despre gradul general de magnetizare al unui material. Unele fluxmetre controlate cu microprocesor au opțiuni pentru a introduce volumul magnetului testat, astfel încât aparatul poate raporta direct proprietățile magnetice într-o manieră independentă de dimensiunea magnetului. Deoarece măsurătorile fluxmetrului pot fi efectuate cu ușurință, ele sunt în mod special utile pentru efectuarea inspecțiilor de intrare și a altor sarcini de control al calității.

Fig. 10-1: Diagrama bloc funcțională a fluxmetrului.

IC-uri cu efect-Hall calibrate

Un IC cu efect-Hall liniar, calibrat, poate fi considerat o sondă de gaussmetru a unui om sărac. Valoarea principală a acestor dispozitive este că, deoarece acestea pot fi obținute în aceleași pachete, în cele din urmă vor fi utilizate pentru senzori în ansamblul terminat, ele pot fi substituite ușor (mecanic) pentru IC-ul dorit la urmă. Acest lucru permite obținerea unei curbe de răspuns magnetic măsurată de la un prototip. Deoarece aceste dispozitive sunt mult mai puțin costisitoare decât sondele de gaussmetru, ele pot fi considerate elemente de unică folosință și pot fi încorporate economic în ansambluri prototip. Producătorii de IC cu efect-Hall fac de multe ori aceste dispozitive disponibile clienților ca ajutor în dezvoltarea ansamblurilor senzorilor.

Sondă de polaritate

Adesea este util să fii capabil să distingi polul nord de polul sudic al unui magnet. Pentru acest scop, poate fi utilizată o sondă de polaritate portabilă. Aceste dispozitive pot fi cumpărate gata sau pot fi construite cu ușurință dintr-un comutator cu efect-Hall cu ieșire duală Allegro Microsystems UGN3235 și o pereche de LED-uri colorate diferite, așa cum se arată în Figura 10-2.

Fig. 10-2: Schema pentru indicatorul simplu de polaritate magnetică.

Peliculă de vedere magnetică

La un moment dat, în educația dvs. științifică, vă puteți aminti să vedeți sau să efectuați un experiment științific în care pilitura de fier este presărată pe o bucată de hârtie ținută deasupra unui magnet. Pilitura se aliniază într-un mod care indică polii magnetului și liniile de câmp. Un dezavantaj al utilizării acestei metode pentru vizualizarea poziției polilor magnetului este că pilitura de fier pierdută tinde să fie dezordonată. Totuși, factorul de dezordine a fost eliminat de o peliculă de plastic verde care conține particule feroase captive. Atunci când această peliculă este plasată pe un magnet, particulele se aliniază în mod corespunzător și indică în mod clar aranjarea polilor. Această peliculă este deosebit de utilă atunci când lucrați cu magneți inelari, deoarece vă permite să vedeți cu ușurință numărul și poziția polului.

Magnetizoare și condiționatoare de magnet

Abilitatea de magnetizare și demagnetizare a magneților este o capacitate utilă atât din punctul de vedere al dezvoltării cât și din punctul de vedere al producției. Principalele instrumente utilizate pentru a realiza aceste sarcini sunt magnetizatoarele și condiționatoarele de magnet.

O schemă simplificată a unui magnetizator cu descărcare capacitivă este prezentată în figura 10-3. Acest circuit are două moduri de funcționare. Primul este un mod de "încărcare" în care condensatorul este conectat la un circuit de încărcare, care este de obicei o sursă de alimentare în comutare. Atunci când condensatorul este încărcat la un nivel de tensiune dorit, comutatorul este apoi trecut pe modul "magnetizare". Sarcina stocată în condensator are ca rezultat un foarte mare impuls de curent (adesea multe mii de amperi) care este livrat la înfășurările din dispozitivul de magnetizare. Acest impuls are ca rezultat un câmp magnetic scurt și intens, care este utilizat pentru magnetizarea permanentă a materialelor introduse în dispozitiv. Deoarece circuitul LC format de condensator și elementul de magnetizare poate oscila negativ, în circuit poate fi folosită o diodă "flyback" pentru a proteja condensatorul de condiții de tensiune inversă. Dispozitivele solid-state, cum ar fi SCR sau TRIAC, sunt adesea folosite pentru a comuta condensatorul la dispozitivul de magnetizare datorită capacității lor de a manipula tensiuni și curenți foarte mari.

În funcție de valoarea capacității, tensiunea maximă de operare și schema dispozitivului de magnetizare, câmpuri de până la 50.0(0)00.000 Oersteds pot fi dezvoltate pentru câteva milisecunde. Un câmp de această magnitudine este capabil să magnetizeze virtual toate materialele de magnet disponibile în prezent la saturație completă.

Fig. 10-3: magnetizator cu descărcare capacitivă - schemă simplificată.

Un dispozitiv de condiționare a magnetului este similar cu un magnetizator cu descărcare capacitivă, cu excepția faptului că descărcarea capacitivă este, tipic, permisă să "basculeze" atât un număr pozitiv cât și un număr negativ de cicluri înainte de a scădea la zero. Acest lucru are ca rezultat un câmp de magnetizare care alternează polaritatea, cu reducerea intensității la fiecare inversare a polarității succesive. Aplicarea acestui tip de impuls sinusoidal amortizat la un magnet tinde să-l demagnetizeze. Demagnetizarea parțială a anumitor tipuri de materiale de magnet poate fi utilă deoarece poate reduce sensibilitatea lor la demagnetizare ulterioară, neintenționată ca urmare a șocului și variațiilor de temperatură.

Deoarece magnetizoarele și condiționatoarele de magneți funcționează la nivele de tensiune și curent foarte înalte (de obicei, sute de volți și mii de amperi), nu ar trebui să vedeți aceste tipuri de dispozitive ca proiecte „do-it-yourself“. În ciuda simplității aparente a unui magnetizor cu descărcare-capacitivă, proiectarea unei unități care funcționează în mod sigur și fiabil necesită o cantitate semnificativă de expertiză și experiență în domeniul electronicii de înaltă energie și nu ar trebui să fie încercată de cei fără pregătire de bază adecvată.

În aproape toate cazurile, cea mai bună abordare pentru obținerea unui magnetizor sau sistem de condiționare a magnetului este de a cumpăra unul de la un producător cu reputație. Atunci când utilizați un astfel de sistem, urmați instrucțiunile producătorului privind utilizarea și întreținerea echipamentului și acționați cu atenție atunci când lucrați cu aceste dispozitive.

Bobina Helmholtz

Este ocazional util să se poată genera câmpuri magnetice bine controlate, de până la câteva sute de gauss, în diverse scopuri, în principal pentru testarea circuitelor integrate și a ansamblurilor de senzori mici. O mică bobină Helmholtz poate fi utilizată adesea cu o sursă de alimentare pentru acest scop. O ilustrare a unei bobine Helmholtz este prezentată în Figura 10-4.

Fig. 10-4: Bobină Helmholtz.

O bobină Helmholtz constă din două bobine circulare relativ înguste care sunt distanțate de raza lor. Trăsătura principală a unei bobine Helmholtz este aceea că produce un câmp foarte uniform pe o regiune largă situată între cele două înfășurări. Câmpul magnetic dezvoltat de o bobină Helmholtz ideală, în care secțiunea transversală a înfășurării celor două bobine este zero, este dată de:

unde N este numărul de spire pe fiecare sub-bobină, I este curentul prin fiecare bobină, iar r este atât raza bobinei cât și separarea.

În plus față de generarea câmpurilor magnetice, bobinele Helmholtz pot fi utilizate pentru măsurarea câmpurilor magnetice. O bobină Helmholtz este adesea folosită ca bobină de detectare magnetică pentru un fluxmetru.

10.3 Unelte mecanice

Un aspect al dezvoltării senzorilor magnetici care ar putea surprinde un inginer electronist (EE) nou în domeniu este mecanismul efortului. În timp ce majoritatea EE-urilor sunt familiarizați cu DVM-uri, osciloscoape și alte echipamente electronice de testare, instrumentele pentru poziționarea și măsurarea mecanică provoacă adesea un mic șoc cultural. Totuși, atunci când proiectați senzori care măsoară proprietăți mecanice, aveți nevoie de o modalitate de a genera acele proprietăți mecanice. Iată câteva exemple de instrumente pe care le-am găsit utile.

Bancuri optice

Un banc optică este o masă rigidă, cu găuri filetate perforate și trase în fața superioară a acesteia, într-o grilă distribuită în mod regulat. Diferitele corpuri de fixare și dispozitive pot fi apoi ușor și sigur înșurubate la suprafața mesei. Bancurile optice pot fi folosite la dezvoltarea senzorilor pentru a ține senzori și ținte și pentru a construi standuri de testare temporare. Bancuri optice portabile mici pot fi obținute din numeroase surse. Dacă nu este nevoie de un grad înalt de exactitate absolută și este disponibil un magazin bun de mașini, este de asemenea posibil să se obțină un cost relativ ieftin dintr-o bucată de tablă de oțel sau aluminiu. Un banc optică permite construirea rapidă (și modificarea) setărilor de testare stabile pe care să se realizeze experimente și prototipuri de testare. Un banc mică, cu un sortiment bun de șuruburi cu cap hexagonal și corpuri mici de fixare, poate face mai multe sarcini de măsurare mult mai rapid și mai ușor de realizat și este mult mai sigur și mai plăcut să lucrați cu aceste corpuri improvizate de la cleme-c și bandă adezivă pe ambele părți!

Glisiere de poziționare liniară

Un glisier de poziționare liniară constă dintr-o masă mică care rulează pe o pistă liniară care conține rulmenți cu bile sau role și este prevăzută cu niște mijloace de stabilire exactă a deplasării. Acest dispozitiv vă permite să mutați masa înainte și înapoi cu cantități mici, controlate precis. O aplicație a glisierelor liniare este pentru crearea de spații de aer precise și repetate între senzori și ținte. În timp ce unitățile mai mici pot folosi un tambur micrometric pentru poziționare, cele mai mari pot folosi un șurub de precizie și o bilă pentru a acționa ansamblul alunecător al mesei. Aproape toate glisierele liniare au găuri prevăzute pentru montarea la un banc optic sau alt ansamblu.

Masă rotativă

Ca o glisieră micrometru, o masă rotativă asigură un control fin al poziționării, dar pentru o mișcare unghiulară. Într-o masă rotativă tipică, un potențiometru de comandă este utilizat pentru a roti o roată cu melc. Ansamblul melcat cuplează cu filetul unei roți dințate de asamblare montată sub suprafața mesei. Când se schimbă roțile melcate, aceasta face ca masa să se rotească într-o mică cantitate. Prin utilizarea acestui aranjament, este posibil să se obțină raporturi mari între rotirea butonului de comandă și rotația mesei, cu rapoarte de reducere de 90:1 și 180:1 comune. Aceste raporturi ridicate fac posibilă rotirea exactă a unei ținte cu doar câteva sutimi de grad. Un dezavantaj, totuși, al mesei rotative este că aceasta nu este de obicei desemnată să se rotească rapid și încercarea de a acționa una la viteză mare poate deteriora ansamblul de antrenare a angrenajului melcat. Figura 10-5 prezintă un exemplu de masă rotativă mică.

Fig. 10-5: Exemplu de masă de poziționare rotativă manuală (4").

Calibre și micrometre

Un set bun de etriere și micrometre merită, de asemenea, să se obțină pentru setul de unelte. Aceste instrumente de măsurare permit efectuarea cu ușurință a măsurătorilor dimensionale până la 0,001" sau o acuratețe mai bună. Multe dintre aceste dispozitive sunt dotate cu cititoare digitale, ceea ce le face utilizarea extrem de simplă în comparație cu instrumentele de citire vechi și cu vernier. Într-un laborator de dezvoltare a senzorilor orice cutie de unelte ar trebui să aibă un set bun de calibre și micrometre.

Mașini-unelte

Mașini-unelte precum strunguri și mașini de frezat pot fi de neprețuit atunci când se dezvoltă produse cu senzori. În primul rând, acestea vă permit să implementați rapid carcasele de senzori mici și dispozitivele pentru a vă încerca ideile. O a doua aplicație este pentru modificarea carcaselor și a accesoriilor pe care le cumpărați de la o sursă exterioară. Abilitatea de a tăia cu precizie o fantă, de a fora o gaură sau de a rade câteva milimetri de pe o fixare strânsă vă poate salva de multe ori o excursie înapoi la atelierul de mașini din exterior și câteva zile. Deoarece cele mai multe dintre operațiile de prelucrare pe care probabil că doriți să le faceți unui senzor sunt la scară relativ mică, mașinile-unelte miniatură sunt adesea mai mult decât adecvate pentru aceste scopuri și oferă avantajele de a ocupa un spațiu mic și de a fi relativ ieftine. În funcție de instrucțiunile organizației dvs. privind cheltuielile de capital, ați putea chiar să ascundeți multe mașini-unelte și accesorii mici în buget ca "unelte" generice, evitând astfel scenariul urât care apare adesea atunci când conducerea consideră că personalul își înființează propriul atelier de mașini.

O altă aplicație pentru mașini-unelte este ca standuri de testare temporară a senzorilor. În timp ce este posibil construirea unui accesoriu personalizat pentru montarea și rotirea țintei și menținerea senzorului la un spațiu de aer specificat, am constatat că mașinile-unelte miniatură pot fi adesea folosite pentru a efectua această funcție, cel puțin pentru țintele cu diametru mai mic. Utilizarea unui strung sau o mașină de frezat ca suport de testare poate oferi câteva caracteristici și avantaje semnificative. Primul este că mașinile-unelte bune au o inexactitate minimă și pot menține un spațiu aer-senzor controlat bine pe parcursul unei rotații întregi, presupunând, desigur, că ținta este concentrică. Un al doilea avantaj oferit de unele unelte este controlul vitezei variabile. Acest lucru facilitează modificarea vitezei de testare prin rotirea unui buton. O altă caracteristică a mașinilor-unelte este aceea că acestea includ în mod obișnuit mese liniare de precizie pentru poziționarea pieselor de lucru și a sculelor de tăiere și pot poziționa cu exactitate țintele și ansamblurile senzorilor. În sfârșit, deoarece mașinile-unelte sunt proiectate să țină și să poziționeze locuri de muncă în forme diverse, accesoriile de prindere și de asamblare asociate permit, de asemenea, instalarea unui test dat, cu o cantitate minimă de accesorii personalizate. Figura 10-6 prezintă un exemplu de strung miniatural cu control al vitezei variabile, care ține o țintă și un senzor. Menghina permite două axe de control al poziției pentru senzor.

Fig. 10-6: Exemplu de strung miniatural care ține țintă și senzor.

Deoarece mașinile-unelte, chiar și cele mici, pot dezvolta suficiente viteze și cupluri pentru a cauza răniri grave dacă sunt utilizate necorespunzător, urmați mereu instrucțiunile producătorului și acordați atenția cuvenită (de exemplu, purtați ochelari de protecție, țineți degetele departe de piesele în mișcare etc.) când lucrați cu aceste dispozitive.

Camera de mediu

O cameră de mediu oferă o modalitate convenabilă de a supune ansamblurile senzorilor atât la medii calde cât și la cele reci, pentru a vedea cum și dacă acestea funcționează la temperaturi extreme. O cameră de mediu bună are un controler programabil care permite setarea temperaturilor țintă. În multe cazuri, controlerul permite de asemenea unui utilizator să introducă profiluri de temperatură, care specifică o secvență de condiții pe care cuptorul o va genera automat.

În majoritatea camerelor de mediu, căldura este generată de elemente de încălzire rezistive. Camerele sunt de obicei răcite în două moduri. Camerele de mediu mai mari (și mai scumpe) au sisteme de refrigerare autonome pentru a asigura condiții frigorifice, în timp ce unitățile mai mici se bazează adesea pe furnizarea externă de azot lichid (LN2) sau bioxid de carbon lichid (CO2) pentru răcire. Ambele materiale au avantajele și dezavantajele lor. LN2 este mai eficient la dezvoltarea temperaturilor scăzute decât CO2. Dezavantajul major al lui LN2 este durata limitată de depozitare; este depozitat rece (≈-196^oC) într-un balon Dewar și fierbe spontan departe în timp. Pe de altă parte, CO2 lichid este stocat sub presiune la temperatura camerei, într-un cilindru cu gaz, și poate fi stocat pe termen nelimitat, cu excepția scurgerii supapei. CO2 din rezervor nu este de fapt rece, se răcește atunci când iese din vas și apoi fierbe. În cazul utilizării unei camere de mediu încărcate cu CO2 sau LN2, este important să se asigure că zona are o ventilație adecvată pentru a preveni acumularea acestor gaze la nivel periculos.

Dacă se folosește frecvent o cameră de mediu, ar putea fi util să achiziționați o cameră cu o unitate frigorifică integrată, deoarece aceasta va elimina problemele legate de cost, manipulare și depozitare asociate fie cu LN2, fie cu CO2 lichid.

10.4 Software de simulare magnetică

Deși ecuațiile fundamentale care descriu câmpurile magnetice sunt ușor de exprimat, ele nu sunt atât de simple de rezolvat, cu excepția a foarte puține cazuri idealizate. Soluțiile analitice în formă închisă pot fi dificil sau imposibil de găsit, cu excepția celor mai simple sisteme magnetice. Un sistem magnetic nu trebuie să devină foarte complex înainte de a deveni practic imposibil de a găsi soluții în formă închisă. Din acest motiv, s-au dezvoltat o serie de tehnici de aproximare, dar ele pot să nu ofere rezultate satisfăcătoare pentru sistemele complexe.

Simularea computerizată oferă o soluție la problema predicției performanței unui sistem magnetic fără a trebui să o construiască. Pentru acest scop au fost elaborate mai multe tehnici de calcul, cu analize de element-finite (FEA) și analiză de element-limită (BEA) cele mai frecvent implementate. În fiecare caz, sunt cunoscute geometria sistemului, proprietățile materialelor folosite și caracteristicile oricărei "surse" (cum ar fi curenții electrici în bobine), software-ul de simulare magnetică modern poate oferi o bună estimare a modului în care un sistem magnetic se va comporta într-o varietate de condiții.

Primul pas în construirea unui model de simulare este definirea geometriei sistemului. Cu puțin timp în urmă, s-a limitat la construirea aproximărilor bidimensionale și a trebuit să se facă numeroase ipoteze cu privire la modul în care comportamentul modelului bidimensional ar fi extrapolat în realitatea tri-dimensională. Datorită progreselor înregistrate atât în algoritmii de simulare, cât și în viteza și memoria calculatoarelor, este posibilă acum modelarea sistemelor tri-dimensionale. Figura 10-7 prezintă un exemplu de model 3-D construit în simulatorul MAXWELL de la Ansoft.

Fig. 10-7: Model geometric 3-D al senzorului geartooth (Ansoft, Inc.).

După ce se definește geometria modelului, următorul pas este definirea caracteristicilor diferitelor materiale folosite. Modelarea corectă a comportamentelor neliniare, precum saturația, este esențială pentru obținerea unor rezultate bune. Îmbunătățirea algoritmilor de simulare fundamentală a determinat, de asemenea, îmbunătățiri în domeniul modelării materialelor.

Odată ce geometria și materialele au fost definite, următorul pas este definirea surselor și a condițiilor limită. În cazul unei simulări magnetice statice (staționare DC), cele două surse majore de interes sunt magneții permanenți și curenții electrici. În cazul magneților permanenți, magnetizarea este adesea definită atunci când se definește un obiect ca fiind realizat dintr-un anumit material. Direcția de magnetizare trebuie totuși definită. În cazul curentului electric, este necesar să se definească atât mărimea, cât și direcția. Condițiile limită definesc modul în care simulatorul trebuie să se comporte la marginile spațiale ale simulării. Mai multe opțiuni sunt de obicei disponibile pentru definirea condițiilor limită; selectarea setului corespunzător depinde atât de sistemul de modelat, cât și de algoritmii folosiți de simulator.

După ce geometria, materialele și sursele au fost definite, software-ul poate începe rezolvarea problemei. Pentru metoda elementului finit, primul pas este de a subdiviza geometria pe care ați definit-o într-o colecție de subunități mai mici, adesea tetraedru sau "cărămizi". Acest proces se numește în general discretizare (meshing). Fig. 10-8 prezintă un exemplu de discretizare. O problemă trebuie să fie discretizată pentru o soluție cu elemente finite, deoarece metoda funcționează prin definirea soluțiilor analitice pentru câmpurile din fiecare subunitate și apoi prin rezolvarea iterativă a soluțiilor, pentru un set de soluții care satisfac în același timp toate relațiile dintre subunitățile. Din punct de vedere matematic, aceasta necesită rezolvarea unor seturi mari de ecuații simultane și de aceea aceste tipuri de programe de simulare necesită de obicei cantități mari de memorie și un procesor rapid.

Fig. 10-8: Exemplu de discretizare cu elemente finite (de la Ansoft Inc.).

În cele din urmă, după rezolvarea problemei, rezultatele trebuie văzute. Prezentarea datelor sub formă de numere brute nu tinde să fie deosebit de utilă, în special pentru probleme mari. Din acest motiv, majoritatea pachetelor de simulare magnetică includ un fel de postprocesor, care permite utilizatorului să compileze datele în mai multe moduri. Unele dintre traseele mai comune și mai utile care pot fi generate de aceste postprocesoare sunt:

• Trasee 2-D, cantitatea magnetică funcție de poziție

• Hărți de contur

• Hărți scală de culoare

• Trasee vectoriale

Figura 10-9 prezintă un exemplu de grafic vectorial a densității de flux pentru modelul de senzor geartooth.

Fig. 10-9: Trasare vectorială a densității de flux magnetic (de la Ansoft Inc.).

Deși instrumentele de simulare magnetică nu elimină necesitatea de a construi un senzor și de a-l evalua, ele pot accelera foarte mult procesul de a ajunge la un model care merită prototip și testare. Pentru sistemele magnetice relativ simple utilizate cu cele mai multe ansambluri de senzor cu efect-Hall, instrumentele de simulare tridimensionale pot oferi un grad ridicat de acuratețe. Deoarece este mult mai rapid să încerci alternative pe calculator decât în ​​laborator, poate fi evaluat un număr mai mare de alternative de proiectare, care să conducă la modele de produse mai bune. Abilitatea de a pune rapid întrebarea "ce se întâmplă dacă" poate, de asemenea, să conducă la modele mult mai robuste, deoarece puteți face lucruri precum variația caracteristicilor materialelor și a toleranțelor mecanice pentru a explora problemele de sensibilitate ale modelului. Utilizarea instrumentelor de simulare magnetică ar trebui să fie luată în considerare serios de oricine în ceea ce privește proiectarea ansamblurilor senzorilor de înaltă calitate cu efect-Hall.