Detectarea prezenței sau poziției unui obiect este una dintre cele mai răspândite aplicații în care sunt utilizați senzorii cu efect-Hall. Senzorii de câmp magnetic sunt foarte potriviți pentru acest tip de aplicație din două motive. Primul: câmpurile magnetice nu sunt afectate în mod semnificativ de materialele nemagnetice și trec prin ele neîngrădite. Cel de-al doilea motiv: câmpurile magnetice puternice nu apar adesea în natură (cel puțin pe Pământ) și dacă se întâlnește un câmp magnetic puternic, este de obicei făcut de om. Puternice surse magnetice de "interferență" nu sunt frecvente. Această raritate a surselor accidentale de interferență magnetică face un câmp magnetic puternic un bun indicator. În timp ce majoritatea obiectelor ar putea dori să detecteze că nu vor produce câmpuri magnetice semnificative, este de obicei o chestiune suficient de simplă pentru a le aplica un mic magnet permanent pentru a asigura un câmp ușor de detectat.

Capitolul va descrie câteva moduri în care magneții permanenți și senzorii cu efect-Hall pot fi utilizați pentru a detecta proximitatea și a măsura poziția obiectelor.

6.1 Detectarea frontală

Când oamenii încep să lucreze cu IC-urile senzor cu efect-Hall, unul dintre primele lucruri pe care le fac în mod obișnuit este să ia un magnet permanent și să aducă unul din poli pe dispozitiv pentru a-l activa. Acest mod de operare se numește acționare frontală, și este prezentat în Fig. 6-1 a. Acționarea frontală este una dintre metodele cele mai comune pentru acționarea senzorilor Hall în aplicațiile de detecție a proximității binare (on-off).

Într-o aplicație frontală, axa sensibilă a senzorului și axa de magnetizare sunt coliniare. Densitatea fluxului magnetic pe care senzorul cu efect-Hall o vede, ca urmare a faptului că este abordată de un pol de magnet, este extrem de neliniară în raport cu interstițiul magnet-senzor. Ea descrește rapid pe măsură ce crește interstițiul de aer, așa cum se arată în Fig. 6-1 b. O curbă ca aceasta, legând fluxul magnetic de poziția fizică, se numește hartă a fluxului sau hartă a magnetului. Astfel de hărți sunt un instrument extrem de valoros pentru dezvoltarea aplicațiilor bazate pe efect-Hall și vor fi utilizate în tot acest capitol și în capitolele ulterioare.

Figura 6-1: Modul de acționare frontal (a) și densitatea fluxului vs. airgap (b).

Pentru a obține o ieșire binară prezentă/absentă, senzorii digitali Hall de tip-switch sunt utilizați într-un sistem de detectare frontală. Pe măsură ce se apropie magnetul, câmpul crește ca o funcție inversă de distanță. Când câmpul depășește punctul de operare (BOP) al senzorului, acesta se va activa. Odată ce se îndepărtează magnetul, senzorul se va dezactiva când câmpul va cădea sub punctul de eliberare (BRP). Deoarece câmpul magnetului, de-a lungul axei sale de magnetizare, are întotdeauna aceeași polaritate, indiferent de distanța parcursă de-a lungul acelei axe, trebuie folosit un dispozitiv de tip-switch dacă doriți ca senzorul să comute OFF. Fig. 6-2 arată cum pot fi determinate punctele de operare și eliberare mecanică prin suprapunerea punctelor magnetice BOP și BRP pe o hartă a fluxului.

Fig. 6-2: Determinarea punctului de operare și de eliberare mecanică din BOP, BRP
și o hartă a fluxului.

În timp ce este posibilă obținerea unor puncte de operare mecanică consecvente, prin utilizarea unui senzor cu punct de comutare BOP înalt, astfel încât el comută ON aproape de fața magnetului, punctele de eliberare tind să fie mai puțin consecvente, în special pentru părțile cu valori de histerezis mari (BH). Acest lucru se datorează faptului că gradientul de câmp față de distanță este mai mare în apropierea magnetului decât mai departe. Aceasta înseamnă că, cu cât apropiați magnetul, cu atât mai sensibilă va fi măsurarea câmpului ca funcție de poziție. Caracterul neliniar al câmpului magnetic față de distanță face, de asemenea, dificilă proiectarea unei combinații magnet-senzor care îndeplinesc o specificație arbitrară pentru punctele mecanice de comutare ON și comutare OFF. Din aceste motive, detectarea frontală este deseori utilizată cel mai bine în aplicații unde nu sunt necesare toleranțe stricte de detectare a poziției.

Se poate folosi și un senzor de ieșire-liniară într-un efort de a măsura distanța reală dintre magnet și senzor. Caracteristicile fluxului nelinar față de interstițiul (airgap) frontal fac ca acesta să fie mai mic decât cel optim pentru majoritatea aplicațiilor de măsurare a poziției liniare. Mai târziu, în acest capitol, vom discuta despre sisteme magnetice care sunt mai potrivite pentru detectarea poziției liniare.

6.2 Detectare prin glisare

Un alt mod obișnuit de utilizare a unui senzor cu efect-Hall ca detector de proximitate este prin glisarea feței polului unui magnet peste dispozitiv, așa cum se arată în Fig. 6-3a. În acest scenariu, axa de magnetizare a magnetului și axa sensibilă a senzorului Hall sunt ambele paralele, dar magnetul se deplasează perpendicular pe axa de magnetizare. Această metodă de detectare este utilă în special atunci când există o șansă semnificativă ca magnetul să se deplaseze peste poziția sa normală de oprire finală. În cazul unei configurații de detectare frontală, o astfel de depășire ar putea deteriora senzorul sau magnetul.

Fig. 6-3: Modul de acționare prin glisare (a) și flux rezultant vs. poziție (b).

Deoarece magnetul se poate deplasa prin fața senzorului, configurația glisantă este utilă numai pentru a indica când magnetul se află efectiv în fața senzorului; dacă se utilizează această configurație pentru un indicator de sfârșit de cursă, trebuie prevăzut un opritor mecanic separat pentru a limita mișcarea magnetului.

În situațiile în care poate fi utilizată, configurația prin glisare oferă câteva avantaje semnificative față de configurația frontală. Primul este că, deoarece magnetul se deplasează din poziția centrală (x = 0), câmpul magnetic detectat poate scădea eventual ușor negativ, așa cum se arată în Fig. 6-3b. Aceasta se întâmplă deoarece atunci când senzorul este în afara centrului dincolo de marginea magnetului, acesta va detecta câmpul care se întoarce înapoi la polul din spate.

Aceasta oferă o comutare OFF garantată pentru orice tip-switch (BRP > 0) de IC Hall. Acest efect va fi deosebit de pronunțat pentru interstiții mici senzor-magnet. Deplasarea fizică la care câmpul trece prin zero, este, de asemenea, destul de consistentă în raport cu mici variații în interstițiul efectiv dintre magnet și senzor. Aceasta înseamnă că, prin utilizarea unui comutator Hall cu puncte scăzute BOP/BRP, pot fi obținute puncte fizice consistente de operare și eliberare. Acest lucru înseamnă, de asemenea, că lățimea regiunii ON poate fi controlată de lățimea magnetului utilizat. În multe cazuri, pentru comutator cu puncte BOP și BRP suficient de joase, lățimea regiunii de stare ON se va potrivi foarte bine cu lățimea feței de pol a magnetului, chiar pe variații semnificative ale distanței dintre magnet și senzor. Deoarece câmpul negativ dincolo de marginile magnetului poate fi mic în raport cu câmpul pozitiv de pe fața magnetului, un senzor tip-comutator va fi, adesea, cea mai bună alegere a tipului de senzor, deoarece câmpul negativ ajunge în final la zero la o anumită distanță, și chiar la marginea magnetului poate fi insuficient pentru a oferi o comutare OFF garantată pentru un senzor de tip-latch (blocare).

6.3 Detectarea punctului de nul al magnetului

În timp ce ultimele metode de detectare s-au bazat pe detectarea câmpului pozitiv finit pentru a declanșa un senzor, următoarea clasă de configurații senzor-magnet care urmează a fi discutate se bazează pe detectarea punctelor de nul în câmpul din jurul unui magnet sau a locurilor unde câmpul net într-o axă particulară este zero. Aceste tehnici sunt utile în special în situațiile în care este nevoie de un grad ridicat de acuratețe a comutării pe o cantitate mică de deplasare totală. Folosirea fluxului pozitiv pentru a indica regiunea ON și fluxul negativ pentru a indica regiunea OFF oferă mai multe avantaje:

Pozițiile punctelor de nul magnetic tind să fie stabile față de temperatură, în special pentru sistemele magnetice constând dintr-un singur magnet cu un singur material.

Se pot utiliza circuite integrate Hall de tip-latch simetrice cu foarte înaltă sensibilitate. Aceste părți, în special tipuri de auto-anulare, pot fi foarte stabile în ceea ce privește variațiile temperaturii și condițiilor de alimentare.

Este posibil să se creeze tranziții foarte ascuțite între câmpurile negative și pozitive cu circuite magnetice adecvate, permițând un control fin al punctelor de acționare. Rata acestei tranziții este cunoscută ca gradient.

Fig. 6-4 arată două metode de dezvoltare a unui punct de nul magnetic dintr-un singur magnet. Săgeata emanată din senzor indică axa sensibilă. Ambele tehnici sunt utile în aplicațiile de tip slide-by (glisare).

Configurația din Fig. 6-4a detectează fluxul normal (perpendicular) provenit de pe una din laturile nepolare ale unui magnet bară dreptunghiulară. La jumătatea distanței dintre poli, acest flux este zero și devine mai puternic pe măsură ce se apropie de oricare pol (de aceea obiectele din oțel nu sunt atrase de mijlocul magneților bară, ci de capete).

Figura 6-4b arată un senzor orientat pentru a detecta fluxul paralel cu o față de pol magnetic. Deoarece fluxul diverge de la pol, componenta sa paralelă cu suprafața polului este negativă la stânga liniei centrale, pozitivă la dreapta și zero la linia centrală.

Fig. 6-4: Metode de creare a punctelor de nul magnetice.

Deși ambele aceste configurații vor furniza aproximativ răspunsul arătat în Fig. 6-4c, pot exista diferențe semnificative atât în ​​forma, cât și în mărimea răspunsului, care rezultă din măsurarea câmpului la fața polului față de măsurarea câmpului de-a lungul lungimii magnetului. Deoarece ambalarea celor mai mulți senzori cu efect-Hall permite poziționarea elementului detector mai aproape de suprafața magnetului, în exemplul arătat în Fig.6-4a, această configurație va furniza, uzual, cei mai mari gradienți magnetici și cele mai clare puncte de comutare ale celor două alternative.

În general, atunci când se utilizează magneți comparabili, configurația din Fig. 6-4a va avea tendința de a oferi atât un răspuns mai mare, cât și un gradient mai abrupt decât configurația din Fig. 6-4b.

Fig. 6-5: Dezvoltarea gradienților magnetici înalți cu un magnet compus.

Pentru a dezvolta gradienți chiar mai abrupți, poate fi utilizat sistemul arătat în Fig. 6-5. Prin plasarea a doi magneți unul lângă celălalt într-o configurație antiparalelă, se poate face să apară o tranziție foarte accentuată în fluxul normal la fețele-poli, datorită tranziției abrupte dintre polii Nord și Sud. Un dezavantaj al acestei abordări, totuși, este faptul că efectele de margine provoacă inversări ale fluxului de-a lungul fețelor polilor, după cum s-a discutat anterior în cazul configurației de tip slide-by. Dacă senzorul magnetic este fie suficient de sensibil, fie suficient de apropiat de perechea de magnet de acționare, atunci când se utilizează un magnet compus, poate apărea o acționare falsă.

În toate cazurile de mai sus, trebuie remarcat faptul că, dacă se utilizează un senzor digital cu efect-Hall tip-latch, ieșirea va fi valabilă numai atunci când senzorul este de fapt suficient de apropiat de magnet pentru a fi comutat ON sau OFF. Deoarece un senzor tip-switch va fi OFF în absența câmpului magnetic, indică faptul că magnetul nu este prezent. Dar, dacă un senzor tip-latch este deplasat suficient de departe de magnet pentru a nu mai fi afectat de el, el va menține pur și simplu starea ultimă. Similar, dacă senzorul tip-latch este în afara influenței magnetului când este alimentat, starea sa este imprevizibilă. Dacă se planifică folosirea de dispozitive tip-latch într-o configurație de detectare punct de nul magnetic, trebuie să se ia măsuri pentru a se asigura că magnetul nu se deplasează peste senzor sau că sunt furnizate indicații separate privind condițiile de depășire a deplasării.

Un exemplu de sistem, în care un senzor de punct nul ar putea fi util, este un sistem de poziționare liniară a șinelor. Într-un sistem de poziționare liniară a șinelor, un bloc cu lagăre se deplasează înainte și înapoi de-a lungul tijelor de oțel lustruite, adesea propulsat fie de un șurub filetat, fie de o curea de acționare. În multe dintre aceste sisteme, este important să se știe când blocul a ajuns la capătul deplasării, în primul rând pentru ca sistemul are o poziție absolută de referință (poziția inițială) și, în al doilea rând, ca sistemul să nu fie deteriorat mecanic de depășirea deplasării. Un exemplu de modul în care un senzor de punct nul poate fi utilizat într-un astfel de sistem este prezentat în Fig. 6-6.

Fig. 6-6: Sistem de ghidare liniară a șinelor cu detectarea poziției inițiale
cu senzor cu efect-Hall.

Deoarece starea senzorului ar trebui să fie întotdeauna HIGH atunci când blocul cu lagăre este situat între poziția sa finală fizică și poziția inițială, trebuie să poziționați magnetul și senzorul astfel încât să asigure un răspuns cum este cel prezentat în Fig. 6-7.

În acest sistem, sfârșitul deplasării este indicat printr-o ieșire ON de la senzorul cu efect-Hall. Deoarece este important să fiți siguri când blocul cu lagăre este aproape de opritorul final sau nu, trebuie folosit un comutator sensibil în locul unui zăvor (latch). Acest lucru va asigura faptul că starea "aproape de casă" (ON) va fi raportată numai atunci când blocul cu lagăre se află de fapt în apropierea opritorului final. Poziția inițială este determinată acolo unde senzorul face tranziția OFF-ON. Deoarece histerezisul magnetic al senzorului se va traduce în histerezis în măsurarea mecanică, poziția inițială va fi, prin urmare, ușor diferită în funcție de direcția în care se întâlnește. Din acest motiv, poziția inițială trebuie să fie întotdeauna determinată atunci când se deplasează în aceeași direcție (de ex., către opritorul-final). Cu selecția unui magnet și a unui senzor adecvate, sunt posibile repetabilitatea poziției inițiale și histerezisul mecanic de ordinul câtorva miimi de centimetri. Această performanță ar fi dificilă, dacă nu chiar imposibilă, pentru a se realiza cu configurațiile mai simple frontală și glisare.

Figura 6-7: Răspunsul senzorului cu efect-Hall pentru poziția inițială.

6.4 Detectarea de nivel a flotorului

O aplicație de detectare a poziției care utilizează încă o altă configurație magnetică este detectarea de nivel a flotorului. În această aplicație, ansamblul senzor este folosit în mod obișnuit pentru a măsura nivelul unui lichid sau pentru a determina dacă acel nivel depășește un punct-inferior sau un punct-superior dat. Fig. 6-8 prezintă o vedere schematică a unui senzor de nivel cu flotor pe bază de efect-Hall. Pentru a asigura câmpul de acționare, se utilizează un magnet inelar în formă de gogoașă. Magnetul înconjoară un ax și este liber atât să se deplaseze de-a lungul lui, cât și să se poată roti. Magnetul este încorporat într-un ansamblu plutitor, care poate fi o bilă goală sau o bucată de material plutitor, cum ar fi spuma din plastic în celulă închisă. În interiorul axului sunt unul sau mai mulți senzori cu efect-Hall, care sunt utilizați pentru a detecta poziția magnetului.

Fig. 6-8: Exemplu de senzor de nivel al lichidului
folosind magnet plutitor și senzori cu efect Hall.

În această configurație magnetică, magnetul inelar este magnetizat paralel cu axa sa principală (prin gaura de gogoașă). Dacă diametrul interior al magnetului inelar are o dimensiune comparabilă cu înălțimea sa, va exista un câmp semnificativ în interiorul diametrului interior, cu o polaritate opusă celei în care magnetul inelar este magnetizat. Senzorii din ax sunt orientați astfel încât să detecteze câmpul aliniat de-a lungul direcției axului. Fig. 6-9 prezintă o secțiune transversală a câmpului care înconjoară un magnet inelar, precum și un grafic al câmpului de-a lungul axei majore.

Fig. 6-9: Secțiunea transversală și graficul densității de flux de-a lungul axei
principale a magnetului inelar magnetizat axial.

La conceperea unui senzor de nivel cu flotor, există câteva puncte care trebuie reținute. În primul rând, dacă cineva încearcă să facă un comutator de nivel minim sau maxim, trebuie să puneți un stop de oprire mecanic la punctele adecvate pentru a vă asigura că flotorul nu trece prin senzor. Dacă cineva încearcă să determine nivelul real, spre deosebire de a face doar un tip de măsurare mai mic decât/mai mare decât, trebuie să folosiți mai mulți senzori distanțați de-a lungul lungimii axului. În acest caz, este important să vă asigurați că senzorii sunt distanțați suficient de aproape între ei, astfel încât magnetul să acționeze cel puțin unul din ei în orice moment; în caz contrar veți avea măsurători "pete moarte". În cele din urmă, deoarece câmpul din interiorul diametrului interior al magnetului inel nu prezintă gradienți abrupți, atunci când se utilizează această configurație magnetică, poate fi dificil să se facă un senzor flotor cu puncte de declanșare foarte exacte. Acuratețea punctului de declanșare inferior poate fi înrăutățită prin folosirea unor flotoare care se potrivesc prea puțin pe ax și care sunt lăsate să se învârtă într-o orientare în afara axului. În ciuda problemelor potențiale de acuratețe redusă a punctului de declanșare, această configurație oferă o soluție simplă și robustă a problemei măsurării nivelului lichidului.

6.5 Detectarea poziției liniare

Pe lângă faptul că sunt utili ca detectoare binare de prezență/absență, senzorii cu efect-Hall pot fi utilizați pentru a măsura deplasare continuă. Pentru efectuarea acestei măsurări se cer două elemente: un traductor Hall cu ieșire liniară și un circuit magnetic care oferă un câmp magnetic care variază monoton ca o funcție de deplasare pe o gamă anumită de mișcare specificată. În timp ce un răspuns magnetic liniar nu este esențial, deoarece "corecția" poate fi aplicată mai târziu, fie electronic, fie în software, răspunsul liniar face să se lucreze mai ușor cu sistemul. Dacă răspunsul magnetic vs. deplasare este suficient de liniar, nu este necesară corecție în multe aplicații.

Senzorii de poziționare continuă simpli pot fi implementați prin luarea oricărei scheme de detectare a proximității descrise mai sus și înlocuirea senzorului digital cu un dispozitiv de ieșire liniară. În timp ce astfel de implementări pot fi utile pentru anumite aplicații, ele suferă deoarece ieșirea va fi semnificativ neliniară în raport cu poziția. O altă problemă întâlnită va fi sensibilitatea la toleranța mecanică dintre magnet și senzor.

Din fericire, există mai multe configurații magnetice care pot asigura o densitate de flux aproape liniară ca funcție de deplasarea mecanică pe distanțe comparabile cu dimensiunea magneților folosiți. O astfel de schemă utilizează doi magneți menținuți la o distanță fixă de un jug nemagnetic cu poli similari față în față, așa cum se arată în Fig. 6-10. Densitatea fluxului în direcția Y dintre cei doi magneți variază de la minim negativ la o față de pol, ajunge la zero la jumătatea distanței dintre poli și crește până la un maxim pozitiv la fața polului celuilalt magnet. Aproape la jumătatea drumului, panta este aproape constantă, rezultând o regiune cu o funcție de transfer aproximativ liniară. O caracteristică a acestui aranjament este că este posibil să se aleagă magneți care să furnizeze un câmp variind liniar pe cea mai mare parte a distanței dintre ele. Dacă dimensiunile fețelor polilor sunt mari comparativ cu separarea polilor, câmpul văzut de senzorul cu efect-Hall va fi și el relativ insensibil la traducerile în poziția senzorului în alte direcții decât axa Y.

Fig 6-10: Magneți aranjați pentru a da un câmp variat liniar în spațiul (gap) dintre ei.

Deși acest aranjament oferă o densitate a fluxului magnetic proporțională cu deplasarea, cu un punct de nul cu flux-zero în mijloc, nu permite posibilitatea depășirii-deplasării. Când nu se poate garanta că magneții nu se vor opri din mișcare înainte de a lovi senzorul, configurația magnetului din Fig. 6-11 poate oferi o soluție alternativă.

Fig. 6-11: O altă schemă de densitate a fluxului liniar vs. de poziție.

Avantajul acestui ultim aranjament este că senzorul nu se va prăbuși în magneți în condiții de depășire a deplasării. Cu o selecție adecvată de materiale magnetice și geometrii, acesta oferă de asemenea o variație a fluxului liniară ca răspuns la mișcare. Principalul dezavantaj este acela că, deoarece senzorul se mișcă în afara interstițiului în direcția de deplasare, fluxul măsurat începe să scadă, ceea ce poate cauza citiri de poziție falsă. Pentru acest motiv, trebuie să luăm în considerare efectele depășirii deplasării, dar din punct de vedere al performanței sistemului.

Când se ia în considerare utilizarea uneia dintre schemele de mai sus, există mai multe probleme de ținut minte. Prima este că lungimea-cursei pe care pot fi efectuate măsurătorile va fi comparabilă cu dimensiunea magneților. Dacă nu se dorește utilizarea unor magneți foarte mari, se va limita la intervale mici de măsurători mecanice.

A doua problemă este alegerea materialelor magnetice. În timp ce materialele magnetice cu pământuri rare, cum ar fi NdFeB sau SmCo, sunt adesea o alegere logică pentru dispozitivele de acționare într-un sistem de detectare a proximității binare (On/Off) datorită intensității lor înalte de câmp, acestea nu pot fi la fel de eficiente într-un sistem de detectare a poziției liniare. Acest lucru se datorează faptului că multe IC-uri senzor liniar sunt proiectate să funcționeze pe gama de ± 1000 gauss sau mai puțin; 3000 - 5000 gauss obținuți de la un dispozitiv de acționare cu pământuri rare poate să satureze senzorul, scurtând gama de măsurare efectivă la o mică parte a deplasării mecanice totale. În cazul în care este necesară liniaritatea pe o gamă largă de deplasări, ar trebui să se țină seama și de utilizarea magneților de tip Alnico sau ceramică, dat fiind că ieșirea lor de flux, în multe configurații, este comparabilă cu gama de detecție a multor senzori liniari cu efect-Hall.

În timp ce am descris magneții necesari pentru a obține liniaritatea, am ignorat probleme precum offset și span. Erorile de offset vor rezulta din tolerențele de asamblare și din neomogenitățile în magneți. Erorile de span vor rezulta din variațiile în magnetizare, precum și din erorile de toleranță. Atâta timp cât sistemul rezultant (magnetic + senzor) este liniar, totuși, offset-ul și span-ul pot fi adesea contabilizate și decupate în aval de senzor în procesarea ulterioară a semnalului.

6.6 Detectarea poziției rotative

Uneori trebuie să cunoaștem unghiul, spre deosebire de poziția liniară a unui obiect. În timp ce este posibil să se creeze legături mecanice care convertesc o mișcare rotativă într-o deplasare liniară, există și modalități de a măsura mișcarea rotativă direct. Fig. 6-12 prezintă una dintre cele mai simple metode, care este de a roti un câmp uniform în jurul unui senzor cu efect-Hall.

Dacă senzorul cu efect-Hall este amplasat în centrul de rotație, acesta va fi întotdeauna expus la același câmp, dar dintr-o direcție diferită. Deoarece un senzor cu efect-Hall reacționează numai la componentele câmpului într-o singură axă, rezultă un răspuns care are forma Vo = k sin Θ. Deși nu este liniară, această funcție este monotonă în intervalul ± 90^o de rotație. Aceasta înseamnă că este posibil să se determine unghiul din citirea senzorului în acest interval prin aplicarea funcției sin^-1. Pentru senzorii practici, conversiile necesare pot fi adesea implementate ca tabele de căutare într-un microcontroler.

Reglajul de câștig și de offset sunt operații critice care trebuie efectuate pe semnalul traductorului înainte ca acesta să treacă printr-o corecție sin^-1 (Fig. 6-13). Offset-ul trebuie ajustat atunci când ansamblul se află în poziția 0^o. Fluxul net în acest punct, așa cum se vede de către senzor, ar trebui să fie foarte aproape de zero, presupunând că nu există asimetrii în magneți sau în locațiile lor. Sursa dominantă a erorii de offset la 0⁰ va fi adesea traductorul. Atunci când magneții sunt mutați la 90^o (sau intervalul maxim de intrare funcțional al ansamblului senzor), se poate efectua reglarea câștigului. Eroarea de câștig va fi o combinație a variației fluxului în magnet (grad de magnetizare) și câștigul traductorului.

Fig. 6-12: Senzor de poziție rotativă și răspunsul.

Fig. 6-13: Corecția semnalului pentru senzorul rotativ.

Dacă este necesară o gamă de detectare unghiulară mai mică, este posibil să se ignore neliniaritatea răspunsului sinusoidal. Răspunsul pe gama de ± 30^o, sau mai puțin, este suficient de apropiat de liniar pentru a fi util în multe aplicații, fără a fi necesară o corecție sin^-1. În acest caz este, de asemenea, de dorit să se utilizeze nivele mai mari de flux în circuitul magnetic, astfel încât să se mărească sensibilitatea.

Adăugarea unui concentrator de flux circular (Fig. 6-14) poate fi o îmbunătățire utilă a unui circuit magnetic al senzorului de poziție rotativă. Prin rutarea fluxului printr-un circuit magnetic închis, concentratorul reduce foarte mult fluxul care poate să scape în mediul exterior și, eventual, să interfereze cu orice alte dispozitive magnetice. Prin același mecanism de șuntare, concentratorul poate reduce și erorile de măsurare cauzate de câmpurile magnetice externe. În cele din urmă, prin scurtarea traiectoriei globale, câmpul trebuie să se ducă prin circuitul magnetic, un concentrator poate permite utilizarea de material de magnet mai puțin sau a unor grade inferioare de material de magnet, reducând costul total al sistemului.

Ce se întâmplă dacă măsurătorile unghiulare sunt necesare la mai mult de ± 90^o de deplasare rotativă? O soluție este folosirea a doi senzori Hall, plasați în unghi drept, așa cum se arată în Fig. 6-15. În această configurație se obțin ieșiri care sunt proporționale cu funcțiile sin θ și cos θ. Privind la polaritatea și magnitudinea relativă a celor două semnale de ieșire, unghiul poate fi determinat pe întreaga gamă de 360^o.

Fig. 6-14: Concentrator de flux circular.

Figura 6-15: Senzor pentru gama de lucru 360⁰ (±180⁰).

În timp ce se poate rezolva unghiul prin prelucrarea separată a ieșirilor fiecărui senzor, cu corecția sin^-1 și cos^-1 și determinarea cadranului de operare luând în considerare semnele ieșirilor individuale, există o modalitate mai bună de a efectua această funcție.

Unghiul (Θ) poate fi, de asemenea, dedus prin considerarea funcției:

6.7 Comutatoare cu palete

Uneori nu este de dorit să se atașeze un magnet la un membru mobil pentru detectarea poziției. Un alt senzor de proximitate care poate fi realizat cu senzori cu efect-Hall este comutatorul cu palete. Acest tip de senzor detectează prezența sau absența unui steag feros (paleta). În forma sa cea mai simplă, un comutator cu paletă constă dintr-un comutator cu efect-Hall și un magnet în imediata vecinătate. Când steagul nu este prezent, senzorul Hall detectează câmpul magnetului și rămâne ON (Fig. 6-16a). Când steagul trece între magneți și comutatorul Hall, întrerupe câmpul și comutatorul comută OFF (Fig. 6-16b). Rețineți că steagul nu blochează câmpul magnetic; aceasta oferă doar o cale mai scurtă înapoi la polul îndepărtat al magnetului și, prin aceasta, protejează senzorul de câmpul magnetului.

Fig. 6-16: Operarea comutatorului cu palete. Absența paletei (a) și prezența paletei (b).

Fig. 6-17 prezintă caracteristicile generale ale modului în care densitatea fluxului magnetic observată de senzor variază ca răspuns la paleta care intră în spațiul dintre magnet și senzor. Atunci când paleta este în afara spațiului, senzorul detectează o cantitate maximă de flux pe stare ON. Pe măsură ce paleta începe să intre în spațiu, fluxul începe să scadă rapid. Atât punctul în care începe scăderea, cât și rata de scădere depind de o combinație a modelului magnetic al comutatorului cu palete și de geometria și compoziția paletei. Pentru comutatoarele practice, scăderea fluxului poate începe să apară atunci când paleta este încă o distanță semnificativă față de linia centrală a comutatorului.

Când paleta a intrat complet în spațiu, senzorul va vedea încă o mică cantitate de flux de scurgere. Acesta este câmpul care a trecut prin paletă spre senzor, spre deosebire de faptul că a fost manevrat înapoi la magnet. În cele din urmă, pentru a face lucrurile și mai complexe, poziția paletei în spațiu va influența, de asemenea, comportamentul. Pentru a dezvolta un comutator cu palete eficient, trebuie luați în considerare următorii factori:

• Câmpul de stare ON

• Câmpul de scurgere

• Puncte de pornire și de oprire mecanice ale densității de flux în rulare (roll-off)

• Rata de roll-off a densității de flux (panta)

• Corelarea modelului magnetic cu dispozitivele cu efect-Hall disponibile

Fig. 6-17: Harta fluxului comutatorului cu palete și caracteristicile cheie.

Câmpul de flux în starea ON este important deoarece, dacă nu există flux suficient pentru a activa comutatorul cu efect-Hall fără paletă în interstițiu, comutatorul nu va indica niciodată absența paletei. Densitatea de flux în starea ON, prin urmare, trebuie să fie mai mare decât BOP maxim al senzorului în condițiile cele mai rele. În plus, dacă BOP este doar puțin mai mic decât densitatea de flux în starea ON, ansamblul comutator cu palete poate să nu comute ON până când paleta este la o distanță semnificativă de linia centrală a ansamblului, eventual rămânând OFF chiar și atunci când paleta este mecanic afară din ansamblu.

Câmpul de scurgere prezintă problema opusă. Dacă paleta și magneții permit prea mult flux de scurgere pentru a ajunge la senzor, comutatorul cu efect-Hall nu poate să comute OFF niciodată, ceea ce înseamnă că nu se indică prezența paletei. De aceea, fluxul de scurgere ar trebui să fie mai mic decât BRP minim al senzorului în condițiile cele mai nefavorabile. În multe cazuri, această problemă poate fi abordată și prin proiectarea corespunzătoare a paletei. Steagurile paletă care sunt prea mici (nu ecranează senzorul), prea subțiri sau din materiale care se saturează cu ușurință pot duce la nivele excesive de flux de scurgere. Pentru acest ultim motiv, o bucată de oțel laminat la rece face adesea un întrerupător mai bun din paletă decât o piesă scumpă de mu-metal sau permalloy (aliaje magnetice de înaltă permeabilitate specială), deoarece aceste aliaje tind să se saturează mai ușor decât oțelurile obișnuite .

Startul, oprirea și rata de roll-off sunt factori extrem de complecși pentru a determina a priori într-un model, dar trebuie să fie caracterizați fie prin simularea cu element finit, fie prin măsurarea ansamblurilor prototip, pentru a obține o idee despre cât de sensibil va fi modelul la variații atât în ​​magneți, cât și în caracteristicile senzorului cu efect-Hall.

Deoarece comutatoarele cu efect-Hall cu prag-reglabil (BOP și/sau BRP sunt selectabile de utilizator) sunt, la momentul scrierii acestei lucrări, mult mai puțin frecvente și mai scumpe decât dispozitivele cu prag-fix, modelele de comutator cu palete practice mai economice vor folosi dispozitive cu prag fix. Aceasta înseamnă că, în calitate de proiectant, aveți un număr oarecum limitat de opțiuni pentru a selecta un comutator cu efect-Hall. În consecință, magneții trebuie proiectați astfel încât să se potrivească cu caracteristicile comutatoarelor Hall disponibile, ceea ce poate face procesul de proiectare destul de dificil. Acest lucru este valabil mai ales atunci când trebuie să se dezvolte un comutator cu palete pentru a opera și a elibera la puncte arbitrare atunci când este operat cu o țintă specifică.

Fig 6-18: Arhitecturi magnetice ale comutatorului cu palete.

Există multe structuri magnetice care pot fi utilizate pentru a implementa comutatoare cu palete. Fiecare dintre aceste structuri va schimba atât cantitatea de câmp prezentă în interstițiu, cât și rata la care se schimbă ca răspuns la o paletă de intrare. Obiectivele principale ale utilizării structurilor magnetice complexe într-un ansamblu senzor cu palete sunt reducerea costurilor (permițând utilizarea magneților mai mici) și controlul punctelor de declanșare ale senzorilor cu palete. Datorită complexității interacțiunilor magnetice și a proiectării unei combinații de comutator cu palete și palete pentru o anumită aplicație, nu putem furniza formule specifice de proiectare sau chiar reguli generale de aplicare. Ceea ce urmează este însă o descriere generală a câteva structuri magnetice potențial utile și ceea ce fac ele:

1) Magnet doghouse (Fig. 6-18a). Formarea magnetului într-un punct aplatizat va avea tendința de a concentra fluxul în acel punct. Tehnica este mai eficientă cu magneții tip Alnico decât cu magneții din pământuri rare, datorită permeabilității mai scăzute a magneților din pământuri rare. Folosind o bucată de oțel moale pentru a forma vârful doghouse rezultă o concentrare chiar mai eficientă a fluxului, cel puțin până când densitatea fluxului crește până la punctul în care el saturează oțelul.

2) Înfășurare în jurul piesei polare (Fig. 6-18b). Înfășurarea unui oțel moale în jurul piesei polare din spatele magnetului către partea din spate a senzorului reduce traiectoria efectivă pe care fluxul magnetului trebuie să se deplaseze. Acest lucru intensifică câmpul văzut de senzor, permițând utilizarea unor magneți mai mici. De asemenea, oferă avantajele secundare ale reducerii câmpurilor rătăcite produse de ansamblul cu palete și poate în unele cazuri face ca paleta să fie mai puțin susceptibilă de a fi influențată de câmpurile rătăcite externe.

3) Piesă polară de sprijin a senzorului (Fig. 6-18c). Sprijinirea senzorului cu o bucată de material cu permeabilitate ridicată va intensifica câmpul pe care îl vede, permițând utilizarea unui magnet mai mic și oferind un control mai bun asupra punctelor de declanșare. Spre deosebire de piesa polară înfășurată, totuși, o piesă polară care susține un senzor va avea tendința de a face ansamblul cu palete mai susceptibil la interferențe din câmpurile exterioare.

4) Piesă polară cu miez E (Fig. 6-18d). Aceasta reprezintă un compromis între 2) și 3).

De asemenea, este posibil să se combine diferite aspecte ale acestor structuri pentru a îndeplini un set de cerințe date. Dezvoltarea unui întrerupător cu palete, eficient din punct de vedere al costurilor, este o sarcină nu tocmai ușoară, care necesită atât o bună cunoaștere a magnetismului, cât și o disponibilitate de a experimenta.

Deoarece comutatoarele cu palete cu efect-Hall sunt în mare parte neafectate de contaminare, lumină externă și pot funcționa bine la temperaturi extreme, ele sunt adesea folosite în medii dure ca alternative mai rezistente la întrerupătoarele optice. O mare diferență între folosirea unui întrerupător optic și utilizarea unui comutator cu palete cu efect-Hall este forța mecanică exercitată asupra paletei de către magneți. Magnetul comutatorului cu palete va avea tendința de a trage paleta în interstițiu (airgap). Pentru aplicații în care există valori semnificative de cuplu disponibil pentru a deplasa paleta, cum ar fi un comutator de limitare a capătului de deplasare cu șurub de avans, este posibil ca tragerea mecanică a senzorului să nu fie o problemă. Pentru alte aplicații, cum ar fi un senzor al traseului de hârtie al imprimantei, unde paleta trebuie mutată cu o bucată de hârtie, un comutator cu palete poate fi complet inadecvat.

Un exemplu comercial al unui comutator cu palete, proiectat special pentru a înlocui întrerupătoarele optice în medii cu contaminare ridicată, este prezentat în Fig. 6-19. Deoarece a fost conceput ca o înlocuire directă, atât costurile, cât și geometria carcasei au fost principalele constrângeri în proiectare. Acest lucru a necesitat utilizarea unui sistem senzor-magnet foarte simplu, alcătuit dintr-un mic magnet de pământuri rare și un comutator bipolar de bază. Rezultatul este o unitate care poate fi utilizată pentru a înlocui întrerupătoarele optice în numeroase aplicații prin simpla schimbare a modelelor de suport ale plăcii de circuite imprimate în care urmează să fie lipită și asigurarea că o paletă feroasă este utilizată ca țintă.

Fig. 6-19: Exemplu de ansamblu comutator cu palete cu efect-Hall împachetat

6.8 Unele gânduri privind proiectarea senzorilor de proximitate

O capcană comună de proiectare, în care oamenii cad în dezvoltarea ansamblurilor senzor în jurul IC-urilor cu efect-Hall, gata de utilizare, este simplitatea înșelătoare de a obține un prototip de lucru. Multe modele pot fi modificate astfel încât un număr mic de articole vor funcționa adecvat. Problema care apare adesea este efectul mare negativ atunci când proiectul este transferat la producție și trebuie să funcționeze în fața variației aleatorii atât în IC-urile senzor, cât și în magneții asociați. Soluția la această problemă este o examinare atentă a efectelor variației și toleranței componentelor.

Există trei surse majore de variație într-un senzor de poziție tipic cu efect-Hall:

1) Parametrii magnetici ai IC-ului senzor
2) Caracteristicile materialelor magnetice
3) Toleranța mecanică

Producătorii de IC senzori cu efect-Hall publică, de obicei, limite minime și maxime pentru parametrii cheie ai dispozitivelor lor, adesea specificate pe gamele lor de temperatură de operare. Aceste limite minime și maxime din foaia de date sunt extrem de importante ca indicații de orientare, deoarece produsul poate cădea oriunde între aceste limite. Datorită naturii discontinue a proceselor de fabricare a IC, dispozitivele din același substrat sau același lot de prelucrare vor avea tendințe de a avea caracteristici similare, cu o distribuție statistică mult mai strictă decât ar putea fi dedusă din limitele datasheet. Dispozitivele dintr-un alt lot, totuși, în timp ce încă se încadrează în specificațiile publicate, pot avea o distribuție statistică diferită semnificativ. Fig. 6-20 ilustrează acest tip de variație lot-cu-lot.

Fig. 6-20: Variația ipotetică între loturi în parametrii IC cu efect-Hall.

Datorită variației potențiale lot-cu-lot, este riscant să evaluăm un model exclusiv pe baza unui număr de prototipuri funcționale, mai ales dacă nu se cunosc caracteristicile individuale ale IC-urilor senzor utilizate. Pentru a ajuta la ameliorarea acestei probleme, unii producători de IC senzori pot oferi cantități mici de dispozitive caracterizate ca un ajutor pentru proiectant.

O problemă similară apare și în cazul componentelor magnetice utilizate într-un model. Atât magneții permanenți, cât și componentele magnetice moi sunt realizate în procese pe loturi și sunt supuse ambelor variații pe dispozitive dintr-un singur lot, precum și variații potențial mai mari între loturi. În funcție de gradul de agresivitate al departamentului de achiziții în ceea ce privește reducerea costurilor, este posibil să aveți de-a face cu variații în materialele "identice" provenite de la mai mulți producători.

Un dezavantaj major al variației materialului magnetic este faptul că majoritatea fișelor tehnice pentru materiale magnetice nu oferă limite superioare și inferioare clar definite (dacă există!) pentru mulți parametri importanți sau cum variază în funcție de temperatură. Dar, producătorii cu mai multă reputație vor fi dispuși să ofere anumite îndrumări în ceea ce privește modul în care ar trebui să țineți cont de toleranța parametrilor cheie, dacă aveți legături cu departamentele de inginerie a aplicațiilor.

Toleranța mecanică poate fi, de asemenea, o sursă semnificativă de variație a performanței în modelele de senzor. Cel puțin trebuie să înțelegeți cum se pot combina toleranțele diferitelor componente și efectele lor de performanță pentru a lua decizii inteligente cu privire la care toleranțe trebuie să fie strânse și chiar dacă senzorul are șansa de a fi viabil în producție.

Deși contabilizarea efectelor tuturor toleranțelor în proiectarea senzorilor poate fi o întreprindere complexă, este posibil să se obțină o estimare de prim ordin a unora dintre aceste efecte. Pentru a începe, dacă se cunoaște funcția care descrie fluxul magnetic vs. interstițiu și are punctele de operare și de eliberare (BOP și BRP) în cel mai rău caz (min/max) pentru ca senzorul să fie utilizat, se poate anticipa gama punctele de comutare fizică pentru acea combinație senzor-magnet. Fig. 6-21 arată cum se poate face acest lucru. Primul pas este plasarea (BOP și BRP) minime și maxime pe axa B a curbei de densitate de flux vs. interstițiu. Liniile sunt apoi extinse până la curbă și coborâte până la axa "poziție". Se pot citi punctele de operare fizică și punctele de eliberare fizică cele mai defavorabile (POPMAX, POPMIN, PRPMAX, PRPMIN) pe axa interstițiului. Rețineți unele dintre diferitele regiuni fizice definite de acest grafic. Către capete sunt regiuni în care comportamentul senzorului este bine definit (trebuie să fie ON/trebuie să fie OFF), în timp ce în mijloc există regiuni în care dispozitivul ar putea fi într-o stare nedeterminată (fie ON sau OFF).

Valorile BOP și BRP maxime și maxime trebuie selectate pe baza gamei dorite de temperatură de operare a ansamblului senzor.

Fig. 6-21: Raportarea BOP și BRP la punctele fizice de operare și eliberare.

Odată ce s-a obținut puncte fizice de operare și de eliberare minime și maxime, sistemul poate fi descris, de asemenea, printr-o curbă de histerezis raportând stările ON și OFF la poziția fizică, așa cum se arată în Fig. 6-22. Din nou, există mai multe regiuni de operare fizice reprezentate de acest grafic, cu stări de ieșire senzor bine-definite și nedeterminate.

Fig. 6-22: Curba de histerezis raportând stările ON și OFF la poziția fizică.

Dacă cineva are acces la software de modelare magnetică (descris în Capitolul 10) și poate obține modele de material magnetic minim/maxim de la furnizorii lor, este posibil să se repete exercițiul de mai sus utilizând o varietate de curbe flux magnetic vs. poziție. Prin modificarea parametrilor și a geometriei materialelor magnetice în software de modelare, este posibilă estimarea efectelor atât a materialului magnetic, cât și a variației dimensionale asupra comportamentului magnetic al sistemului senzorilor.

Deși metoda de mai sus nu este o soluție magică și nu oferă magneți și specificații IC bazate pe un set de puncte de comutare fizice, aceasta poate fi utilă atunci când este aplicată într-o manieră iterativă și folosită pentru a trece de la o presupunere inițială de magnet și IC spre un model final și viabil.

Chiar dacă este vorba de mai mult lucru decât de a lua pur și simplu abordarea "construiește-și-vezi", există câteva avantaje tangibile pentru măsurarea sau simularea caracteristicilor flux magnetic vs. interstițiu și efectuarea iterativă a exercițiului de mai sus. Primul este că puteți obține o idee despre cât de robust este modelul dvs. în raport cu variațiile potențiale de fabricație. Datorită gradelor ridicate de variație în unele dispozitive cu efect-Hall și materiale magnetice, este destul de posibil să se găsească din greșeală un model marginal pentru care primele prototipuri vor funcționa în mod satisfăcător, dar care vor produce mai târziu un procent ridicat de defecte în producție.

Al doilea motiv pentru efectuarea unei analize, precum cea prezentată mai sus, este că vă permite să optimizați ansamblul senzorului. Posibilele obiective de optimizare includ dimensiunea, performanța și costul. Prin faptul că vă permiteți rapid să vedeți efectul utilizării unui anumit IC Hall cu un magnet special, este posibil să vă uitați la limitele de performanță ale multor alternative, cu o experimentare fizică minimă. Această informație poate fi utilizată pentru selectarea celor mai potrivite combinații de magneți și IC cu efect-Hall pentru aplicație.

Nimic din cele de mai sus, desigur, nu este un înlocuitor pentru construirea unui eșantion larg util de dispozitive, măsurarea performanțelor lor și, în cele din urmă, testarea lor în aplicația finală, înainte de a se angaja proiectul în producție. Abordarea generală prezentată mai sus poate oferi doar o mică înțelegere în ceea ce privește modul în care funcționează un anumit model.

Acest lucru la rândul său face mai ușor să ajungeți la un punct în care aveți un model care să îndeplinească obiectivele de cost și de performanță.