Capacitatea de a măsura viteza sau poziția unui arbore rotativ este necesară pentru buna funcționare a mai multor tipuri de mașini. Senzori de viteză, senzori de sincronizare și codificatori sunt utilizați în aplicații variate precum comenzi de aprindere în automobile, echipamente de exerciții și mașini-unelte CNC. Un exemplu de senzor tipic de viteză cu efect-Hall este prezentat în Fig. 8-1. Atunci când o țintă din oțel (de exemplu o roată dințată) este rotită peste capătul său plat, acest dispozitiv furnizează un tren de impulsuri de ieșire, unul pentru fiecare caracter țintă care trece.

Fig. 8-1: Ansamblu senzor Geartooth

8.1 Tehnologii competitive

Detectarea vitezei poate fi efectuată și de senzori bazați pe alte tehnologii decât efectul-Hall. Printre tehnologiile alternative utilizate mai obișnuit sunt reluctanța variabilă (VR), optica, și proximitatea inductivă.

Senzorii optici pot fi utilizați pentru a detecta viteza prin faptul că au caracteristici, pe o țintă rotativă, de întrerupere sau reflectare a unui fascicul de lumină care trece de la un emițător (LED sau laser) la un detector (fototranzistor). Senzorii optici există într-un spectru larg de forme și prețuri, variind de la ansambluri opto-întreruptoare de 0,50 $ până la encodere optice de înaltă rezoluție, care costă sute sau chiar mii de dolari.

Senzorii cu reluctanță variabilă operează magnetic și constau dintr-o bobină de sârmă înfășurată în jurul unui magnet. Dat fiind că trăsăturile țintei feroase trec prin fața senzorului, ele induc variații de flux în magnet, care apoi sunt transformate într-o tensiune în bobină. Senzorii VR au avantajul de a fi foarte ieftini și robuști. O aplicație este în sistemele de frânare antiblocare auto (ABS).

Senzorii inductivi de proximitate, denumiți și senzori ECKO (oscilator distrus de curenți-eddy), sunt frecvent utilizați ca elemente de automatizare industrială. Aceste dispozitive funcționează prin susținerea unei oscilații într-un circuit LC cu Q-înalt, format dintr-un condensator și un inductor de detectare. Fluxul magnetic din inductor este permis să treacă la exteriorul senzorului, printr-o suprafață de detecție. Când o țintă conductivă este adusă în apropierea suprafeței de detecție, aceasta absoarbe energie din câmpul magnetic și amortizează oscilaţia. Circuitele ulterioare raportează apoi prezența sau absența țintei în funcție de starea oscilației.

Deși fiecare dintre aceste tehnologii alternative are caracteristici care se potrivesc cu aplicații particulare, fiecare are și dezavantaje. Nici un singur tip de senzor de viteză, inclusiv dispozitive cu efect-Hall, nu este cea mai bună alegere pentru fiecare aplicație. Tabelul 8-1 prezintă câteva dintre avantajele și dezavantajele fiecăreia dintre aceste tehnologii.

Tabelul 8-1: Compararea tehnologiei de detectare a vitezei.

8.2 Ținte magnetice

Cel mai elementar senzor de viteză cu efect-Hall este cel bazat pe detectarea trecerii unei ținte magnetizate fixate pe un arbore. Ținta magnetizată poate lua fie forma unui număr de magneți discreți, cu fețe polare prezentate senzorului, fie ca un număr de poli magnetizați pe un singur magnet inelar. Decizia de a folosi un număr de magneți discreți sau un magnet inel va fi, ca de obicei, determinată de considerente funcționale, ecologice, mecanice și economice.

Dacă cineva alege să utilizeze magneți discreți, există două configurații fundamentale disponibile: una în care fiecare magnet prezintă același pol la senzor și unul în care magneții succesivi prezintă poli alternativi. Figura 8-2 ilustrează aceste două moduri de operare.

Fig. 8-2: Utilizarea comutatorului digital cu efect-Hall (a)
și a zăvorului (latch) (b) cu magneți discreți.

Când toți magneții sunt aliniați astfel încât să prezinte același pol la senzor (Fig. 8-2a), se va dori să se utilizeze un comutator digital, cu efect-Hall, ca element detector, cu un punct de operare (BOP) suficient de scăzut pentru a detecta câmpul disponibil la interstițiul de operare. Deoarece această configurație este în esență identică cu modul slide-by prezentat în Cap. 6, fluxul văzut de senzor va face o ușoară excursie negativă pe măsură ce magnetul trece, garantând că un comutator va fi comutat OFF. Ieșirea rezultată va fi o serie de impulsuri scurte, fiecare impuls corespunzând trecerii unui magnet. Ciclul de funcționare al formei de undă de ieșire depinde de următorii factori:

• Dimensiunea și separarea spațială a magneților.

• Materialul și geometria magnetului

• Interstițiul de operare Magnet-senzor

• Punctele de operare și eliberare ale senzorului

Deoarece, de obicei, senzorii digitali cu efect-Hall de tip-latch pot fi obținuți cu puncte de operare maxime mai joase decât dispozitivele tip-switch, este posibil să se utilizeze un dispozitiv de tip zăvor pentru a mări interstițiul de operare. Un zăvor, totuși, necesită un câmp negativ pentru a-l comuta OFF. Montarea magneților astfel încât magneții succesivi să prezinte fețe polare (Fig. 8-2b) alternante îndeplinește această cerință. În schimbul unui interstițiu de operare mai mare, totuși, se obține un singur impuls de ieșire pentru fiecare doi magneți care trec de senzor. Aceasta se datorează faptului că un magnet va comuta ON zăvorul, în timp ce celălalt magnet va comuta OFF zăvorul. Un avantaj suplimentar de la această schemă de operare este faptul că, deoarece se controlează punctele de comutare-ON și comutare-OFF de poziția magnetului, este posibil să se controleze ciclul de lucru al ieșirii (presupunând o viteză constantă a arborelui). Mai mult decât atât, pentru cazul magneților bine-potriviți, distanțați egali în jurul țintei, și zăvoarelor simetrice (BOP=BRP), ciclul de lucru va rămâne aproape constant la 50% într-o gamă largă de interstiții de operare. Un avertisment cu această abordare este că, dacă punctele de comutare ale zăvorului (latch) sunt suficient de scăzute sau interstițiul este suficient de mic, câmpul de întoarcere al magnetului poate provoca, din neatenție, ca zăvorul să comute tocmai după trecerea unui magnet, în loc să aștepte următorul magnet.

Deși introducerea unui număr de magneți discreți într-o țintă poate fi economică pentru aplicații cu volum mic și de specialitate, magneții inelari sunt adesea o alegere mai bună atunci când se fabrică un sistem de senzori cu volum mare. Un magnet inelar este o piesă omogenă de material cu magnet permanent în care un număr de poli a fost magnetizat (Fig. 8-3a).

Fig. 8-3: Magnet inel (a) și ieșire flux vs. rotație (b).

Un avantaj al utilizării unui magnet inelar este acela că este posibil să se magnetizeze economic un număr mare de poli în unul. Sunt obișnuite realizări de număr-poli variind de la 10-20 pe inci liniar de circumferință. Pentru un magnet cu diametrul de 1 inci, aceasta ar putea însemna 64 de poli sau 32 de impulsuri pe rotație. Pentru sistemele electronice de control a vitezei, numărul mare de impulsuri per rotație este adesea util pentru asigurarea unui control mai exact și consistent al vitezei.

O altă caracteristică a magneților inelari, cel puțin pentru aceia unde polii sunt mici în raport cu interstițiul de operare și sunt adiacent unul față de altul (nu există regiuni nemagnetizate între poli), semnalul magnetic prezentat la senzor tinde să fie oarecum sinusoidal ca funcție de poziția rotativă. O consecință a acestui fapt este că, dacă se utilizează un zăvor simetric ca senzor, se va obține un ciclu de funcționare aproape constant (50%) pe cea mai mare parte a interstițiului de operare. Un ciclu constant de sarcină la intrare face adesea proiectarea mai simplă a electronicii asociate. De asemenea, va exista o defazare semnificativă (lățimea polului V2) pe măsură ce un senzor se îndepărtează de suprafața magnetului inelar la interstițiul maxim. Deși acest efect este inconsecvent pentru multe aplicații de detectare a vitezei, el poate reprezenta o problemă atunci când este necesar să se facă referire la un punct absolut pe țintă.

O clasă de aplicații în care se utilizează în mod special senzori de viteză de detectare cu magnet sunt acelea în care doar o mică cantitate de cuplu este disponibilă pentru a deplasa ținta. Dintre toate metodele de detectare a vitezei bazate pe efect-Hall care urmează să fie prezentate în acest capitol, senzorii de viteză bazați pe magnet nu pun nici o sarcină de cuplu mecanic pe țintă, permițându-i să se rotească liber. Un caz în care acest lucru este esențial este în turbină și debitmetrele cu palete, unde viteza turbinei sau a paletei este proporțională cu viteza fluidului care curge prin ea. Magneții discreți pot fi încorporați în ansamblul roții cu padele (Fig. 8-4) și sunt detectați extern prin carcasa contorului. În această aplicație, sarcina de cuplu și "cogging" cauzate de un senzor geartooth ar putea oferi erori de măsurare inacceptabile sau chiar ar putea cauza o lipire a paletei într-o poziție, în special la debite mici.

Fig 8-4: Debitmetru de tip paddlewheel (roată cu zbaturi).

8.3 Comutatoare cu palete

Comutatorul cu palete prezentat în cap. 6 poate fi utilizat și ca senzor de viteză. Deoarece comutatoarele cu palete pot oferi o repetabilitate bună unitate-cu-unitate în punctele lor mecanice de acționare, au găsit o aplicare ca senzori de sincronizare pentru aprinderea automobilului. În această aplicație, senzorul cu palete este utilizat cu o țintă circulară prezentând un număr de steaguri de oțel care pot trece prin gâtul comutatorului cu palete. Geometriile țintei obișnuite includ roți dințate și cupe crestate, cum ar fi cele prezentate în Fig. 8-5. Dimensiunea reală a țintelor, cum ar fi cele arătate, ar avea între 2 și 3 inci în diametru.

Fig. 8-5: Ținte palete: disc (a) și cupă (b).

Deși este posibilă obținerea unei acuratețe bune a punctului de declanșare unitate-cu-unitate (< ± 1 mm deplasare liniară) pe marginile de ghidare și de tracțiune ale țintei, numărul de palete pe o țintă poate fi limitat. Deoarece dimensiunile steagurilor palete și interstițiile dintre steaguri trebuie să fie comparabile cu dimensiunile gâtului comutatorului cu palete, este dificil să se obțină de mare număr de impulsuri de la ținte de întrerupere cu palete rezonabil de mici.

Ce face senzorii cu palete atractivi pentru aplicații de detectare a vitezei, preferând schemele cu magnet inelar? Primul avantaj este că ținta este o ștanțare din oțel; în volume mari, acestea sunt extrem de ieftin de făcut. În al doilea rând, o ștanțare a oțelului este foarte robustă, rezistentă la temperatură, șoc mecanic și multe substanțe chimice întâlnite în interiorul sistemelor de propulsie auto. Magneții inelari tind să fie făcuți din materiale lipite pe bază de polimeri, fie din materiale sinterizate. Materialele lipite pot avea o gamă de temperatură limitată și probleme de compatibilitate cu solvent (benzină, lichid de transmisie fierbinte). Materialele sinterizate au tendința de a fi fragile și nu pot suporta condiții de șoc sau cicluri de temperatură repetată. De asemenea, deoarece un senzor cu palete are nevoie doar de o cantitate mică de material magnetic (care poate fi acoperit pentru protecția mediului), comutatorul cu palete poate fi realizat la un cost relativ scăzut. Economia oferită de comutatorul cu palete și ținta asociată este adesea motivul principal pentru utilizarea acestuia într-o aplicație dată.

Deoarece comutatoarele cu palete pot exercita o forță mecanică semnificativă pe un steag țintă care trece, ele vor avea tendința de a frâna sau "încleșta" arborele la care este atașată ținta. Aceasta poate fi o problemă din două motive. Dacă ținta nu este acționată cu suficientă forță pentru a trage ușor steagurile țintă prin comutatorul cu palete, atunci viteza țintei poate varia în timp ce se rotește sau, în cel mai rău caz, se poate bloca. O altă problemă mai subtilă este aceea că forța exercitată de comutatorul cu palete asupra steagurilor țintă va avea tendința de a "smulge" acestea, rezultând zgomot acustic. Deși acest lucru poate să nu fie o problemă la viteze reduse, poate crea zgomote enorme atunci când viteza paletei se încadrează în gama medie de frecvențe audio (500-5000 Hz) sau atunci când viteza paletei atinge o frecvență rezonantă a unei părți a sistemului, caz în care zgomotul rezultat poate fi deosebit de puternic. Deși zgomotul acustic poate să nu fie un considerent important în unele aplicații, acesta poate fi un dezavantaj major în aplicațiile cum ar fi un aparat de uz casnic sau un echipament de birou.

8.4 Detectarea Geartooth (dinte de angrenaj)

Adesea, nu este de dorit să se adauge un magnet inel sau o țintă paletă la un sistem pentru a-i detecta viteza. În multe cazuri, acest lucru se datorează faptului că senzorul de viteză este proiectat în ultima parte a ansamblului, iar o țintă suplimentară nu poate fi adaptată fără o reproiectare și o retehnologizare semnificativă. Apoi, este de dorit să detecteze viteza de la caracteristici care există deja sau sunt ușor de adăugat la un element rotativ, cum ar fi roți dințate, pinioane, orificii și găuri. Dacă caracteristicile țintă disponibile sunt feromagnetice și au geometrii adecvate, senzorii de viteză cu efect-Hall pot fi adesea utilizați pentru a le detecta. De când oțelurile feromagnetice sunt omniprezente în utilajele moderne, găsirea sau realizarea unei ținte adecvate este, uzual, simplă.

Detectarea unei ținte de oțel nemagnetizat, totuși, prezintă un set complet diferit de provocări decât cele de detectare a unui magnet. Atunci când detectează o țintă nemagnetizată, ansamblul senzorului trebuie să furnizeze atât un câmp magnetic, cât și să distingă perturbațiile în acest câmp, cauzate de caracteristicile țintă. Un "senzor geartooth" tipic va consta dintr-un IC senzor cu efect-Hall amplasat pe fața unui magnet de polarizare, așa cum se arată în Fig. 8-6a. Abordarea unei ținte feroase (Fig. 8-6b) intensifică fluxul normal la fața magnetului. Interpretarea diferențelor în tiparele de flux dintre stările țintă prezentă și țintă absentă este locul unde se află provocarea de a face un bun senzor geartooth.

Fig. 8-6: Fluxul în jurul magnetului (a) este modificat de prezența țintei feroase (b).

Deoarece detectarea prezenței sau absenței unei ținte poate fi dificilă, mulți senzori geartooth sunt proiectați numai pentru a detecta caracteristicile țintă în timp ce se deplasează peste ei. Un senzor de acest tip poate, sau nu, să înregistreze prezența unei ținte atunci când alimentarea este pornită pentru prima dată, după o întrerupere a alimentării sau când ținta nu s-a mișcat pentru un timp scurt. Capacitatea de a discrimina prezența unei caracteristici țintă staționate este adesea numită detectare reală a proximității sau recunoaștere la pornire. Pentru multe aplicații de detectare a vitezei, lipsa detecției reale a proximității nu reprezintă o problemă semnificativă. Lipsa acestei caracteristici, totuși, face majoritatea tipurilor de senzori geartooth complet nepotriviți pentru utilizare ca detectori de proximitate. Atunci când este utilizat în mod incorect ca detector de proximitate, un senzor geartooth care nu are capacitatea reală de detectare a proximității poate prezenta un comportament neregulat și imprevizibil.

8.5 Arhitectura senzorului Geartooth

Deși există, literal, zeci de scheme disponibile pentru realizarea senzorilor geartooth bazați pe efect-Hall, majoritatea se încadrează într-una din câteva categorii majore. Aceste categorii se bazează pe caracteristicile câmpului magnetic măsurat și cum sunt interpretate măsurătorile rezultate într-un semnal de ieșire.

Când se măsoară densitatea fluxului magnetic într-un efort de a discrimina o țintă, se poate căuta o magnitudine sau un gradient spațial. În timp ce magnitudinea este măsurată cu ușurință cu un singur element traductor cu efect-Hall, gradientul spațial nu poate fi măsurat direct; acesta trebuie aproximat prin scăderea măsurătorilor din două elemente de transductor independente, dar spațiate îndeaproape (Fig. 8-7). Schemele de detectare a magnitudinii sunt deseori numite single-point (punct singur), în timp ce schemele de detecție a gradientului sunt deseori numite diferențiale.

Fig. 8-7: Pentru măsurarea gradientului de flux sunt utilizate
două traductoare cu efect-Hall pe o matriță.

Ambele, magnitudine și gradient, detectează caracteristici diferite ale unei anumite ținte. Variațiile în magnitudinea fluxului sunt utile pentru a indica prezența corpului unei ținte. Se obține răspuns cu cea mai mare magnitudine atunci când senzorul este direct pe corpul unei caracteristici țintă. Detectoarele de gradient, pe de altă parte, răspund la discontinuitățile din țintă, cum ar fi marginile dinților angrenajelor sau marginile găurilor. Fiecare dintre aceste caracteristici este utilă în aplicații diferite.

A doua linie de divizare este metoda folosită pentru a interpreta semnalul traductorului. Ideea de bază în toate sistemele este de a compara semnalul traductorului cu un prag și a raporta prezența sau absența pe baza rezultatelor comparației. Distincția constă în faptul că pragul este constant (un prag static) sau este permis să varieze în timp (un prag dinamic). În timp ce pragurile statice oferă simplitate conceptuală, senzorii bazați pe utilizarea pragurilor dinamice pot oferi performanțe îmbunătățite semnificativ, ușurință în utilizarea și flexibilitatea aplicațiilor, permițând senzorului să se adapteze la caracteristica țintei care este detectată.

Combinația de detectare magnitudine (single-point) versus gradient (diferențial) și praguri fixe versus dinamice oferă patru clase posibile de senzori de viteză bazați pe efect-Hall:

• • Punct unic/prag fix

  • Punct unic/prag dinamic

  • Diferențial/prag fix

  • Diferențial/prag dinamic

În următoarele secțiuni vom discuta despre funcționarea și exemplele fiecăruia dintre tipurile de senzori de mai sus.

8.6 Detectarea unui singur punct

Într-un senzor geartooth cu un singur punct, pentru măsurarea magnitudinii unui câmp magnetic se utilizează doar un traductor Hall. Pentru a maximiza semnalul de la traductor, este comun să se pună traductorul de efect-Hall între ținta detectată și fața polului unui magnet, așa cum se arată în Fig. 8-8a. Răspunsurile magnetice tipice, așa cum sunt văzute de senzor la diferite interstiții senzor-țintă, sunt prezentate în Fig. 8-8b.

Fig. 8-8: Senzor pe fața polului (a) și răspuns (b).

Răspunsul magnetic al acestui exemplu prezintă câteva caracteristici care sunt importante pentru a înțelege dacă intenționează să implementeze sau să utilizeze senzori geartooth folosind această configurație magnetică. Primul este că semnalul vârf-vârf este o funcție de interstițiu. Semnalul vârf-vârf permite identificarea caracteristicilor țintă din necaracteristici. În cazul unui angrenaj, vârful pozitiv apare atunci când senzorul se află peste un dinte, iar un vârf negativ apare când senzorul se află peste rădăcina angrenajului (valea dintre dinți). Semnalul vârf-vârf scade rapid, cu o caracteristică aproape invers-exponențială, ca funcție de interstițiu. Datorită ratei exponențiale de cădere, este greu de obținut interstiții de operare crescute mult prin folosirea numai de materiale magnetice îmbunătățite. Un factor de creștere de trei ori a densității fluxului net (care ar putea fi asigurat prin înlocuirea unui magnet Alnico cu un magnet Samarium-Cobalt) va fi puțin probabil să genereze o creștere de 3 ori a interstițiului de operare.

A doua caracteristică importantă a semnalului este valoarea fluxului de referință măsurată atunci când senzorul este poziționat între dinți. Aceasta are două caracteristici cheie, dintre care prima este valoarea sa ridicată în raport cu semnalul vârf-vârf. Cea de-a doua caracteristică a liniei de bază este că ea tinde să scadă, deoarece interstițiul efectiv crește, deși scade cu o cantitate mult mai mică decât semnalul vârf-vârf. Țintele cu spații puțin adânci între dinți și/sau spațierea fină a dinților tind să aibă diferențe mai mici între linia lor de referință și densitatea fluxului de vârf decât țintele cu spațiere mai mare a dinților și spații mai adânci.

Valoarea ridicată a liniei de referință poate reprezenta o problemă, în special pentru acei senzori care trebuie să poată oferi o detecție reală a proximității. Amintiți-vă că senzorul nu are luxul să privească întreaga curbă de răspuns prezentată în Fig. 8-8b; trebuie să ia decizia țintă-prezentă/absentă bazată numai pe vederea unuia sau a două puncte apropiate pe acea curbă. În cazul unei variații mici de semnal vârf-vârf care se situează pe o citire a liniei de referință mult mai mare, determinarea țintei poate fi dificilă. In cele din urmă, o o linie de referință magnetică ridicată plasează cerințe suplimentare pe gama dinamică a oricărui circuit de procesare a semnalului care urmează traductorului. Circuitele ulterioare trebuie să poată accepta semnalele de intrare ridicate fără saturație, menținând în același timp suficientă sensibilitate pentru a detecta mici variații ale acelor semnale.

O a treia caracteristică a răspunsului magnetic al senzorului este depășirea (overshoot). Acest efect apare, de obicei, la interstiții efectiv mici (de exemplu, <0,04") și este cauzat de concentrația de flux la intrarea unui profil țintă. Acest efect apare deoarece o intrare sau o altă tranziție ascuțită la marginea unei caracteristici țintă poate acționa ca un concentrator de flux mai bun pe o regiune mai mică decât corpul caracteristicii țintă. Overshoot poate fi o problemă deoarece se manifestă adesea prin faptul că determină un senzor geartooth să emită impulsuri multiple pentru fiecare caracteristică țintă.

Dinții angrenajului tăiați pătrat și alte caracteristici țintă cu tranziții ascuțite sunt în mod special predispuse să contribuie la efecte de overshoot. Problema depășirii depinde de doi factori. Primul este dacă senzorul este chiar sensibil la overshoot; unele tipuri, cum ar fi punctul unic cu prag fix, pot să nu fie, dacă punctele de declanșare sunt ajustate la nivele adecvate pentru interstițiul de lucru. Al doilea factor este interstițiul. Efectele de overshoot scad rapid cu creșterea interstițiului, astfel încât chiar dacă senzorul particular nu lucrează bine în prezența depășirii, specificarea unui minim interstițiu de lucru pentru o anumită țintă poate rezolva problema. În cele din urmă, adăugarea de caneluri sau raze la caracteristicile țintă poate deseori să elimine overshoot-ul semnalului magnetic.

8.7 Scheme cu un singur punct/prag fix

Se poate face un senzor util de tip geartooth prin simpla comparare a semnalului rezultat din configurația punct-fix prezentat mai sus față de un set de praguri. Tot ceea ce este necesar este selectarea nivelelor adecvate pentru pragurile BOP și BRP, după cum se arată în Fig. 8-9. Din cauza variației liniei de referință magnetice măsurate pe interstițiul de operare, este posibil să nu fie posibil să selectați un set unic de praguri care să permită funcționarea pe mai mult decât o mică gamă de interstițiu. Operarea senzorului mai aproape decât un interstițiu minim de aer va avea ca rezultat o ieșire blocată "ON", în timp ce încercarea de a opera dincolo de un interstițiu maxim va duce la o stare permanentă "OFF". În plus, pe măsură ce se apropie de un interstițiu extrem, ciclul de funcționare a ieșirii poate varia semnificativ, iar forma de undă de ieșire poate să nu fie neapărat o bună reprezentare a profilului țintei.

Fig. 8-9: Utilizarea pragurilor unui semnal de la un senzor
cu un singur punct pentru a obține un semnal de ieșire.

Deși este simplu din punct de vedere conceptual, în practică această schemă cu prag fix se confruntă cu o serie de dificultăți. Cele mai mari probleme rezultă din nivelul ridicat al semnalului de referință în raport cu semnalul vârf-vârf. Variația fluxului în magnetul ansamblului senzorului, rezultată din variația normală a materialelor, va necesita aproape întotdeauna reglarea punctelor BOP și BRP ale fiecărui senzor produs. Dar chiar și acest lucru nu va elimina problemele de variație a referinței; coeficienții de temperatură din materialul magnetului și senzor pot provoca, de asemenea, schimbări de referință cu temperatura care nu pot fi ușor ajustate. În cele din urmă, este dificil să se obțină senzori care pot fi utilizați la nivele de referință utile. Majoritatea comutatoarelor digitale cu efect-Hall au puncte BOP mai mici de 500 gauss, în timp ce majoritatea dispozitivelor liniare moderne sunt limitate la o gamă de detectare de aproximativ ±1000 gauss înainte de a se satura. Intensitatea câmpului la fața unui magnet Alnico poate fi 1000-1500 gauss, în timp ce a unui magnet de pământ rar poate fi în domeniul de 2500-5000 gauss. Deși se poate îndepărta senzorul de pe fața magnetului pentru a reduce câmpul la nivele ușor de măsurat, această tehnică va reduce și interstițiul de lucru maxim al senzorului care rezultă. Deoarece puține comutatoare integrate sau senzori liniari, dacă există, operează la aceste nivele înalte de câmp, este posibil să se utilizeze elemente de traductor discrete și circuite de procesare a semnalului, ceea ce poate duce la creșterea costului sistemului.

Deoarece un câmp de referință ridicat poate face dificilă proiectarea unui senzor de prag fix eficient, s-au dezvoltat mai multe scheme pentru a elimina semnalul de referință, însă cu model magnetic inteligent. Deoarece anulările de offset sunt efectuate magnetic într-un singur magnet sau mai mulți magneți din același material, aceste tehnici asigură o bună stabilitate a temperaturii.

Fig. 8-10: Senzor de viteză cu câmp lateral.

O schemă [Wolfe90] se bazează pe detectarea fluxului care emană din partea laterală magnetului. Când nu există nici o țintă, există în mod normal un punct de nul al fluxului net zero situat la jumătatea distanței dintre polii magnetului (Fig. 8-10). Când o țintă se apropie de unul dintre polii magnetului, ea determină o redistribuire a fluxului în și în jurul magnetului și, în consecință, determină punctul nul să se îndepărteze de centrul magnetului și mai aproape de acel pol. Atunci, senzorul se confruntă cu un flux nenul, care îl poate determina să comute ON.

Localizarea traductorului este esențială pentru operarea corectă a acestui tip de senzor și este, de asemenea, dependentă de aplicație. Pentru o performanță optimă, senzorii trebuie ajustați astfel încât să corespundă țintei cu care sunt destinați să opereze.

Deoarece perturbația cauzată de o țintă apropiată este "filtrată" spațial prin volumul magnetului, nu ne-am aștepta la un răspuns vârf la vârf înalt la ținte mici (comparativ cu dimensiunea magnetului) așa cum am obține unde senzorul este plasat între polul magnetului și țintă. În multe cazuri, totuși, această caracteristică poate fi utilă, deoarece are ca rezultat o sensibilitate redusă la vânturi ascuțite și la rugozitatea suprafeței.

O a doua schemă de eliminare a offsetului de referință [VIG98] folosește un magnet compus sub forma unui "sandwich", așa cum se arată în Fig. 8-11. În acest aranjament, fluxul normal din stratul de magnet interior anulează fluxul de la straturile exterioare în vecinătatea traductorului cu efect-Hall, creând efectiv un punct nul lângă fața magnetului compus. O țintă feroasă care se apropie, totuși, provoacă o perturbare a fluxului de o magnitudine apropiată de ceea ce s-ar aștepta de la un singur magnet de dimensiune și compoziție comparabile. Deoarece elementul traductor se află la "fața polului" magnetului compus, în imediata apropiere a țintei, arhitectura ar trebui să dea o bună sensibilitate la caracteristicile țintă mici. Un exemplu comercial al acestui tip de senzor este modulul de senzor geartooth Allegro ATS535. Acest dispozitiv este alcătuit dintr-un comutator programabil, introdus într-un ansamblu cu un magnet compus. Pentru a implementa un senzor folosind acest ansamblu, trebuie să prezentați o țintă (adesea în rotație) la ansamblul senzorului și apoi să reglați electronic BOP-ul IC-ului cu efect-Hall astfel încât acesta să simtă corect prezența și absența caracteristicilor țintă.

Fig. 8-11: Senzor de viteză folosind "sandwich" magnetic pentru a dezvolta un punct nul.

8.8 Scheme cu un singur punct/prag dinamic

Deoarece variația fluxului liniei de referință face practic o necesitate să se adapteze punctele BOP/BRP pe senzori individuali, schemele de detectare a pragurilor fixe/punct unic pot fi dificil de implementat și de utilizat eficient. Dacă senzorul ar avea capacitatea de a ajusta schemele de detectare a pragurile sale pentru a se potrivi atât cu variantele țintă, magnet și senzor, ar avea ca rezultat un dispozitiv mai flexibil și mai ușor de utilizat.

Prima, și cea mai veche, schemă de detectare a pragului dinamic este adesea numită fie blocare DC, fie cuplare AC. O diagramă bloc a acestui tip de senzor este prezentată în Fig. 8-12.

Fig. 8-12: Senzor geartooth cuplat-AC.

Circuitul de mai sus blochează orice semnal de polarizare DC de la a trece prin detectorul de prag. Semnalul rezultat, așa cum este văzut de detectorul de prag, are o medie în timp de zero. Pragurile de operare și eliberare, prin urmare, sunt adesea setate simetric față de zero. Deoarece media DC este îndepărtată din semnalul de intrare, senzorul se comportă ca și cum ar fi ajustat punctele sale de operare și eliberare pentru a se potrivi cu această medie. Fig. 8-13 prezintă versiuni idealizate ale unora dintre formele de undă din interiorul unui senzor cuplat-AC. Semnalul de intrare este mai întâi deplasat ca nivel, astfel încât să fie simetric în jurul unui punct "zero". Acest semnal este apoi comparat cu nivelele BOP și BRP care sunt în mod obișnuit stabilite să fie simetrice în jurul valorii de zero. Aceasta are ca rezultat o formă de undă de ieșire care este independentă de fluxul de referință măsurat de traductor.

Deși este posibil să se bazeze un senzor geartooth efectiv pe o arhitectură cuplată-AC, schema are un număr de limitări. Prima este că ținta trebuie să se deplaseze la o anumită viteză minimă pentru a acționa senzorul. Deoarece răspunsul la frecvență joasă a filtrelor RC de ordinul întâi utilizate în acest tip de senzor se derulează gradual, nu se observă o viteză minimă abruptă sub care senzorul nu mai funcționează. Se produce o degradare mai grațioasă, cu scăderea efectivă a interstițiului maxim cu viteza țintei. În plus, caracteristicile abrupte în țintă introduc armonici în semnalul de intrare. Un semnal cu undă pătrată cu o frecvență de 1 Hz, de asemenea, conține energie semnificativă la 3 Hz și 5 Hz. Aceste armonici pot cauza și ele comutarea senzorului. Deoarece conținutul armonic al semnalului de intrare depinde de interstițiul și de geometria angrenajului, forma țintei angrenaj are de asemenea un efect semnificativ asupra frecvenței de operare mai scăzute.

Un alt dezavantaj al unei scheme simple de cuplare-AC este aceea că, pentru a obține un interstițiu efectiv larg, trebuie să setați punctele de operare și eliberare la o valoare scăzută. Deși acest lucru are ca rezultat un senzor care oferă performanțe satisfăcătoare la interstiții moderate până la largi, efectele overshoot pot duce la impulsuri de ieșire false atunci când ținta este prea aproape de senzor.

Fig. 8-13: Forme de undă în senzorul geartooth cuplat-AC.

În cele din urmă, un senzor cuplat-AC va avea un timp lung de "trezire" atunci când este pornit pentru prima oară. Atunci când este aplicată prima dată alimentarea, mai multe constante de timp RC vor fi de obicei necesare pentru ca filtrul de blocare-DC să se stabilizeze. În această perioadă, ieșirea senzorului poate fi eronată. Pentru un senzor geartooth "tipic" cuplat-AC, cu o frecvență de colț inferioară, de aproximativ 5 Hz, acest timp de trezire poate ajunge până la câteva sute de milisecunde. Pentru aplicațiile care necesită o trezire instantanee la pornire, cum ar fi sistemele de aprindere la autovehicule, acest lucru poate fi un dezavantaj serios.

O altă schemă de detectare cu prag dinamic este legată de cuplarea AC, dar utilizează condensatorul pentru a stoca temporar valoarea maximă a semnalului [VIG95]. Valoarea vârfului este apoi utilizată pentru a determina valorile punctelor de operare și de eliberare. Prin deducerea punctelor BOP și BRP, din fluxul de vârf, senzorul se poate adapta la caracteristicile atât ale magnetului folosit pentru polarizarea sa, cât și ale țintei detectate. O diagramă bloc a acestei tehnici este prezentată în Fig. 8-14.

Fig. 8-14: Senzor geartooth cu memorare vârf.

Această tehnică are o serie de avantaje față de schema de detectare cuplată-AC. Primul este că un circuit de detectare a vârfului va răspunde foarte repede la stabilirea unei valori de vârf și va menține această valoare pentru o cantitate substanțială de timp. Aceasta înseamnă că răspunsul de trezire poate fi foarte rapid, circuitul stabilizându-se imediat ce se întâlnește un vârf de semnal. Deoarece rata de scădere a unui circuit de menținere-vârf poate fi făcută mult timp în comparație cu timpul de captare vârf, este de asemenea posibil să se detecteze ținte care se deplasează la viteze foarte scăzute, cel puțin în comparație cu schemele de cuplare-AC. În final, prin scalarea valorilor punctelor de operare și de eliberare la mărimea semnalului de intrare de vârf, acest tip de sistem de procesare a semnalului oferă o performanță mult mai bună în timp decât schema simplă cuplată-AC.

De asemenea, este posibil să se efectueze operații de procesare a semnalelor în domeniul digital și, deoarece procesările circuitelor integrate produc densități mai mari de componente, aceasta va deveni o opțiune atractivă. Când se digitizează semnalul de la traductor, devine posibilă efectuarea unei procesări foarte sofisticate pentru a obține un semnal de ieșire. Schema bloc generală a acestui tip de sistem de procesare a semnalelor este prezentată în Fig. 8-15.

Fig. 8-15: Senzor Geartooth bazat pe prelucrarea semnalului digital.

Utilizarea DSP oferă posibilitatea de a alege dintr-un număr mare de tehnici de procesare. Un exemplu este găsit în senzorul geartooth Melexis 90217. Semnalul amplificat al traductorului analogic este mai întâi convertit într-o formă digitală printr-un convertor A/D. Logica digitală caută apoi minimele și maximele din acel semnal. Când se trece un maxim și semnalul scade prin valoarea histerezisului, ieșirea senzorului este comutată ON. Când se găsește minimul și semnalul crește cu histerezis, ieșirea va comuta OFF. Deoarece biții dintr-un registru de stocare digitală sunt utilizați pentru a stoca valori de referință temporare, spre deosebire de reprezentarea acestor valori ca sarcină pe un condensator analogic, acest tip de senzor poate detecta țintele care se deplasează la viteze arbitrare reduse.

8.9 Senzori Geartooth diferențiali

Prin plasarea a două traductoare cu efect-Hall aproape unul de celălalt pe aceeași IC, este posibil să se obțină o aproximare exactă a gradientului spațial al densității de flux magnetic [Avery85]. Pe majoritatea IC-urilor senzor geartooth diferențiale, disponibile comercial, traductoarele Hall sunt distanțate la aproximativ 2 mm distanță. Prin scăderea semnalelor de la traductoarele individuale, este posibil să se obțină o aproximare a gradientului în regiunea din apropierea senzorului. Atunci când un astfel de senzor este plasat pe fața polului unui magnet, așa cum se arată în Fig. 8-16a, un semnal ca cel prezentat în Fig. 8-16b poate fi obținut ca răspuns la o trecere de angrenaj.

Fig. 8-16: Poziționarea traductorului diferențial (a)
și semnalul care rezultă din trecerea roții (b).

Primul lucru de observat este faptul că acest senzor oferă doar un răspuns la marginile caracteristicilor țintă. Caracteristicile plate, indiferent dacă acestea sunt dinți de angrenaj sau spații între ei, nu provoacă nici un răspuns. În cazul prezentat mai sus, un dinte din dreapta senzorului are ca rezultat un semnal pozitiv, în timp ce un dinte la stânga senzorului duce la un semnal negativ. În toate celelalte momente, semnalul este zero.

Comportamentul de detectare-margini al unui senzor diferențial oferă o serie de avantaje față de schemele de detectare cu un singur punct. Principalul avantaj al unui semnal diferențial "ideal" este acela că, pentru că se caută evenimente de semnal pozitiv și negativ față de o bază de nivel zero, este ușor să se identifice marginile țintei. Detectarea diferențială ar trebui, de asemenea, să ușureze construirea unui senzor a cărui performanță este mai puțin susceptibilă la variațiile senzorului, țintei și interstițiului decât cea a unui senzor cu un singur punct. În timp ce cuplarea-AC sau alte tehnici de prag variabil pot fi folosite pentru a detecta margini prin modificarea semnalului în timp, un senzor diferențial cuplat-DC poate detecta o margine chiar și atunci când ținta este staționară.

Un alt avantaj potențial al unui senzor geartooth diferențial este cel al răspunsului de timing mai exact. Deoarece se uită la gradientul de flux spațial cauzat de marginea unei caracteristici țintă, este mai ușor de localizat marginea exactă cu metodele de detectare diferențială decât cu cele cu un singur punct.

În ciuda avantajelor lor potențiale, schemele de detectare diferențială au, de asemenea, cota lor de ciudățenii. Două dintre acestea sunt sensibilitate de orientare și inversare de fază.

Pentru a sesiza o margine, un senzor diferențial trebuie să fie orientat astfel încât IC-ul senzor să se încadreze pe acea margine, cu unul din elementele traductor cu efect-Hall în apropierea dintelui de angrenaj, iar celălalt în apropierea spațiului dintre dinți. Dacă senzorul este rotit 90°, totuși, astfel încât ambele traductoare "văd" dintele sau ambele traductoare "văd" spațiul, atunci nu va detecta un gradient. În timp ce 90° din rotația senzorului este cel mai rău caz (fără ieșire de semnal), performanța se va degrada deoarece senzorul este rotit din poziția optimă de lucru până la punctul în care încetează să detecteze ținta.

Dacă se rotește senzorul 180° din poziția normală de lucru, senzorul va emite încă un semnal; polaritatea, totuși, se va răsturna. Dacă marginile anterioare au fost reprezentate de semnale pozitive de ieșire și marginile posterioare prin semnale de ieșire negative atunci când senzorul a fost corect orientat, marginile anterioare vor fi reprezentate de semnale negative și marginile posterioare prin semnale pozitive dacă senzorul este rotit 180°. Deși acest efect poate să nu fie o problemă în aplicațiile de detectare a vitezei, unde tot ceea ce are grijă este numărul total de impulsuri, el poate provoca probleme în sistemele care caută în mod specific tranziții de margine speciale. Un exemplu de aplicație în care montarea unui senzor diferențial invers ar putea provoca dezastru este senzorul de sincronizare pentru un sistem de aprindere auto. Inversarea polarității trenului de ieșire împiedică controlerul motorului să identifice cu exactitate unghiurile de sincronizare critice și, în consecință, să funcționeze corect.

Un alt comportament contra-intuitiv unic pentru senzorii diferențiali este inversarea polarității, rezultată din direcția în care ținta se rotește. Cu un senzor diferențial, dacă rotiți ținta invers, faza semnalului de ieșire se inversează, într-un mod similar cu cel descris mai sus. Există totuși situații în care acest efect poate fi utilizat. Dacă realizați o țintă care are ca rezultat un semnal de ieșire cu un ciclu de funcționare care nu este de 50% (ieșirea este HIGH 50% din timp), puteți determina direcția de rotație a țintei. De exemplu, dacă ținta este tăiată astfel încât ciclul de funcționare în direcția înainte este de 75%, veți vedea un ciclu de funcționare de 25% atunci când ținta este rotită înapoi.

Dacă senzorii geartooth diferențiali prezintă toate comportamentele ciudate descrise mai sus, de ce îi folosesc oamenii? Motivul este că, atunci când sunt aplicați corespunzător, oferă o precizie bună de timing și, în general, performanțe ridicate. Și, ca și în cazul senzorilor cu un singur punct, există numeroase strategii de procesare a semnalelor care pot fi utilizate pentru a optimiza performanța pentru un anumit set de aplicații.

8.10 Prag-fixat diferențial

Metoda cea mai simplă de procesare a semnalelor pentru senzorii geartooth diferențiali este stabilirea unui prag fix. Deoarece este necesar să se caute vârfuri de semnal atât pozitive cât și negative, este necesară o pereche de praguri. În mod ideal, aceste praguri vor fi setate simetric față de zero, astfel încât BOP > 0, BRP < 0, și BRP = -BOP. Prin reținerea polarității ultimului "eveniment de front", ieșirea detectorului de prag va urmări profilul țintă. Diagrama bloc din Fig. 8-17 prezintă funcțiile majore și fluxul de semnal al unui senzor de viteză diferențial cu prag-fixat.

Fig. 8-17: Metoda de procesare a semnalului cu prag fixat la senzorul diferențial.

Deși această metodă poate fi făcută să lucreze, există numeroase subiecte care trebuie abordate pentru a asigura o implementare de succes. Primul și cel mai important este eroarea de offset. Semnalul văzut de detectoarele de prag poate avea un semnal de eroare constant adăugat. Dacă acest semnal de eroare este suficient de mare în comparație cu nivelele de prag, senzorul poate avea o funcționare defectuoasă sporadică sau totală. Unele surse de eroare de offset sunt:

• • Offset-urile electrice ale traductoarelor și a amplificatoarelor de instrumentație ulterioare

  • Neuniformitatea în câmpul magnetic furnizată de magnetul de polarizare

  • Înclinarea senzorului în raport cu ținta.

Deși aceste compensări pot fi reduse la minimum prin tehnici de proiectare adecvate, atât la nivel IC, cât și la nivel de asamblare, acestea reprezintă o limită la cât de jos pot fi setate pragurile și, în consecință, limitează interstițiul maxim de lucru al ansamblului. Din aceste motive, în timp ce senzorii diferențiali cu prag-fixat pot fi utilizați ca bază pentru ansamblurile senzorilor practici, acestea nu sunt de obicei cea mai bună alegere pentru majoritatea aplicațiilor.

8.11 Prag-variabil diferențial

Ca și în cazul senzorilor geartooth cu un singur punct, este de asemenea posibil să se utilizeze scheme de procesare a semnalelor cu prag variabil cu senzori geartooth diferențiali. Două dintre modurile în care pot fi ajustate pragurile sunt prin deplasarea lor (pentru a reduce efectele de offset) și lărgirea sau îngustarea lor (pentru a se adapta la variațiile în magnitudinea semnalului).

Deplasarea pragurilor sau deplasarea semnalului detectat poate fi utilizată pentru a reduce efectele offset-ului. O schemă de procesare a semnalului care efectuează această funcție va permite senzorului geartooth să facă față variațiilor în traductoare, magneți și alinierea ansamblului senzorului. Unul dintre cele mai simple circuite utilizate pentru a efectua această operație de deplasare a nivelului este cuplajul-AC care a fost prezentat pentru utilizare cu senzori geartooth cu un singur punct. O descriere detaliată a acestui tip de senzor poate fi găsită în [RAMS91]. Un dispozitiv reprezentativ de acest tip este Allegro UGN3059.

În timp ce deplasarea semnalului de intrare pentru a elimina offset-ul rezolvă multe probleme și rezultă într-un senzor cu performanță mult crescută și cu ușurință de utilizare față de cel al unui dispozitiv cu prag-fixat, acesta nu este un panaceu. Mai întâi, schema de cuplare-AC plasează o limită inferioară la viteza țintei detectabilă, la fel ca și în cazul unui senzor cuplat-AC cu un singur capăt. În plus, un singur set de praguri simetrice nu oferă performanțe optime în toate condițiile de funcționare. Dacă pragurile sunt setate înalt, atunci interstițiul maxim de lucru al senzorului este limitat. Dacă se dorește să crească interstițiul maxim prin stabilirea pragurilor foarte jos, pot apărea false declanșări de la efectele țintei și rugozitatea suprafeței.

O soluție este de a regla pragurile de comutare pe baza magnitudinii semnalului de intrare, așa cum s-a arătat în cazul senzorului cu un singur punct. Dacă amplitudinea semnalului de intrare este mare, atunci pragurile pot fi stabilite înalt. Dacă amplitudinea semnalului este scăzută, atunci pragurile devin, de asemenea, joase. Amplitudinea semnalului poate fi determinată fie prin luarea valorii sale absolute și mediere, fie prin detectarea valorii sale de vârf și prin menținerea acesteia. Prin reglarea pragurilor pentru a se potrivi cu semnalul, se poate realiza o gamă largă de interstiții de lucru. Un beneficiu suplimentar al acestei abordări este acela că va avea tendința de a crește acuratețea în măsura în care ieșirea semnalului senzorului urmărește caracteristicile țintei, o caracteristică utilă pentru aplicațiile sensibile la sincronizare. Un exemplu de senzor disponibil în comerț care utilizează acest tip de tehnică de procesare a semnalelor este modulul de senzor geartooth Allegro ATS610LSB.

O altă modalitate de a realiza acest efect este menținerea pragurile constante, dar să oferim un amplificator cu câștig variabil al cărui câștig este invers proporțional cu amplitudinea medie a semnalului. Acest tip de metoda de compensare este denumit control automat al câștigului sau AGC. Un exemplu de senzor de viteză disponibil în comerț care funcționează în această manieră este modulul Allegro ATS612.

8.12 Compararea metodelor de detectare a vitezei cu efect-Hall

Datorită gamei largi de aplicații în care sunt utilizați senzori geartooth, nu există o singură soluție care să funcționeze bine peste tot. Tabelul 8-2 rezumă câteva dintre avantajele și dezavantajele diferitelor scheme de detectare geartooth descrise mai sus. Sunt de asemenea furnizate exemple de IC-uri de senzori care utilizează fiecare dintre aceste tehnici.

Tabelul 8-2: Compararea diferitelor tehnici de detectare geartooth.

8.13 Detectarea vitezei și direcției

O caracteristică menționată anterior a senzorilor de viteză diferențiali este aceea că, cu o țintă adecvată, pot fi folosiți și pentru a determina direcția de rotație. Dacă cineva cunoaște direcția în care se rotește o țintă, este posibilă urmărirea poziției unghiulare a țintei. Măsurarea cu exactitate a poziției unghiulare a unui arbore este un lucru foarte util de făcut și este baza pentru multe tipuri de echipamente de poziționare cu precizie.

Cea mai obișnuită metodă de determinare a direcției de rotație este utilizarea a doi senzori separați, detectând aceeași țintă la puncte ușor diferite, așa cum se arată în Fig. 8-18a. Pentru a face o detectare simplă și fiabilă a țintei, ținta în acest caz este un magnet inelar, iar senzorii sunt zăvoare digitale cu efect-Hall. Prin distanțarea senzorilor la o jumătate de pol distanță între ei, se obțin două semnale de ieșire care sunt defazate la 90°, cu frontul anterior al unuia venind fie înainte, fie după frontul anterior al celuilalt. Direcția de rotație a țintei determină care semnal va conduce și care va fi întârziat. În cazul formelor de undă prezentate în Fig. 8-18b, rotația în sensul acelor de ceasornic prezintă canalul A care conduce în timp ce rotirea în sens invers acelor de ceasornic determină canalul B să conducă. Această calitate într-o pereche de semnale este deseori menționată drept cuadratură.

Fig. 8-18: Utilizarea a doi senzori (a)
pentru obținerea semnalelor de ieșire în cuadratură (b).

Pentru a determina direcția de rotație se cere un circuit care poate determina relația condus-întârziat dintre cele două semnale. Unul dintre cele mai simple circuite care pot face acest lucru constă într-un singur flip-flop de tip D (Fig. 8-19a). Semnalul canalului B este trimis la intrarea de ceas (clock), în timp ce semnalul canalului "A" este trimis la intrarea D (data). Modul în care funcționează un flip-flop de tip D este că, ori de câte ori există un front în creștere pe intrarea ceas, flip-flop-ul va proba instantaneu starea intrării D. Acesta va actualiza apoi ieșirea sa (Q) la acea stare de eșantionare și o ține până când intrarea ceas vede un alt front în creștere. Fig. 8-19b prezintă unele forme de undă exemplu care rezultă dintr-o țintă care se mișcă înainte, apoi inversează direcția.

Fig. 8-19: Folosirea unui flip-flop D (a)
pentru a determina direcția de la semnalele în cuadratură (b).

Un semnal de direcție poate fi utilizat împreună cu unul dintre semnalele senzorului pentru a urmări mișcarea relativă. Semnalul de direcție este utilizat pentru a determina dacă un contor va crește (direcția înainte) sau descrește (direcția inversă) la primirea unui impuls de la unul dintre senzori. Numărul total va reprezenta o mișcare relativă de la momentul în care a fost ultima dată resetată. În practică, o logică oarecum mai complexă decât cea descrisă aici este utilizată în mod tipic pentru a asigura acuratețea contorului și, prin urmare, reduce eroarea de urmărire a poziției.

Deși este posibilă implementarea unui "senzor de viteză și direcție" dintr-o pereche de zăvoare digitale cu efect-Hall și un flip-flop D, este posibilă obținerea acestei funcții sub forma unui singur circuit integrat. IC-urile Allegro Microsystems A3421 și A3422 furnizează senzorii duali necesari, distanțați la o distanță de 1,5 mm, precum și toată logica necesară pentru a dezvolta atât semnale de ieșire de direcție, cât și de număr. Pentru acele situații în care este nevoie doar de cele două semnale de ieșire senzor (A și B), Melexis MLX90224 omite logica de decodare în cuadratură și oferă numai semnalele de cuadratură digitală.

8.14 Cât de repede detectează senzorii de viteză?

O întrebare care apare frecvent în contextul performanței senzorului geartooth este cea a cât de repede se poate deplasa o țintă și poate fi încă detectată în mod fiabil de un anumit senzor geartooth. Răspunsul este destul de complex și depinde de o serie de factori.

Mai întâi, să definim "viteza" în raport cu numărul de treceri de ținte pe secundă pe care senzorul le poate detecta fără eroare (adăugând sau pierzând impulsuri de ieșire). Aceasta ne permite să definim viteza maximă de operare în hertz. De exemplu, o țintă cu 25 de dinți care se deplasează la 6000 RPM ar prezenta 2500 dinți pe secundă senzorului, echivalent cu o frecvență de operare de 2,5 kHz. Să presupunem, de asemenea, că senzorul operează cu o țintă adecvată la un interstițiu din gama sa de operare și, prin urmare, are un semnal magnetic puternic din care să funcționeze. Un senzor care operează marginal la viteze reduse probabil va eșua la unele puțin mai înalte.

Prima limitare este în interiorul IC-ului senzor în sine. Deși răspunsul în frecvență al traductorului Hall în sine este foarte înalt (bine în gama megahertz pentru cele utilizate pe IC-uri Hall), circuitele de procesare a semnalului pot impune limitări suplimentare. Circuitele de stabilizare-chopper pot limita lățimea de bandă a IC la câteva zeci de kilohertzi. Multe sisteme de procesare-semnal au lărgimi de bandă care depășesc câteva sute de kilohertzi. Răspunsul exact în frecvență al IC senzor depinde de model și tehnologia procesului cu care a fost implementat. Multe (dar nu toate) IC-uri senzor cu efect-Hall sunt, totuși, capabile să detecteze cu acuratețe ținte la frecvențe ce depășesc 25 kHz. Dacă aceasta nu sună prea repede, amintiți-vă că discutăm despre sistemele mecanice. Un semnal de ieșire de 25 kHz corespunde unei ținte de 25 de dinți care se rotește la 60.000 RPM.

În multe cazuri, însă, siliciul nu este factorul limitator atunci când vine vorba de viteza maximă de detectare a țintei. Tehnicile utilizate pentru a ambala ansamblul senzorului și chiar IC-ul pot introduce limitări semnificative de viteză.

Deși obiectele realizate din metale neferoase, cum ar fi alama sau aluminiu, nu au multe interacțiuni semnificative cu câmpurile magnetice DC de stare constantă, ele pot interacționa puternic cu cele variabile în timp. Acest lucru se datorează faptului că un câmp care variază în timp are tendința de a crea curenți turbionari în orice corp conductiv din interiorul câmpului. Acești curenți turbionari curg într-un mod care încearcă să împiedice intrarea unui câmp magnetic aplicat extern în corpul conductiv. În schimb, odată ce un câmp magnetic este stabilit în interiorul unui corp conductiv, curenții turbionari vor curge într-un mod care încearcă să împiedice plecarea câmpului. Calitativ, acest efect este ilustrat în Fig. 8-20.

Fig. 8-20 - Câmp magnetic stepped (în trepte) care intră în discul conductiv.
Câmp imediat după ce câmpul comută ON (a),
câteva microsecunde mai târziu
(b), starea staționară (c).

Când un câmp magnetic extern este inițial aplicat pe un disc conductiv ca o funcție treaptă de timp, curenții turbionari (eddy) formați în disc vor încerca să excludă câmpul extern (Fig. 8-20a). După un scurt timp, acești curenți turbionari vor începe să dispară și câmpul va începe să intre pe disc (Fig. 8-20b). În cele din urmă, după un timp suplimentar, curenții turbionari s-au diminuat la valori nesemnificative, iar câmpul staționar va trece prin disc ca și când nu ar fi acolo (Fig. 8-20c).

Acest efect are loc în grade diferite în toate părțile metalice ale carcasei senzorului prin care trebuie să treacă fluxul detectat. În general, cu cât corpul metalic este mai mare și mai gros, cu atât mai mult va atenua câmpurile care variază în timp. De asemenea, materialele cu conductivități electrice înalte, cum ar fi cuprul și aluminiu, vor avea efecte mai pronunțate decât cele cu conductivități inferioare, cum ar fi bronzul sau zincul. Acest efect apare chiar și în unele cazuri în cadrele de bază utilizate în pachetele IC pentru senzorul cu efect-Hall, deși constantele de timp implicate pentru structuri așa mici pot fi măsurate în microsecunde.

Deoarece aceste efecte dinamice de curenți turbionari sunt foarte complexe la modelul analitic (sau chiar cu analiza elementului finit), este dificil, dacă nu chiar imposibil, să se prevadă cantitativ efectele acestora asupra performanței senzorului. Fiind conștienți de existența lor, totuși, poate oferi cel puțin o mică perspectivă care ar putea fi utilă pentru a ajuta la proiectarea senzorilor care îndeplinesc obiectivele de performanță.