Магнитные сенсоры. Сенсоры на сквидах. Индуктивные сенсоры

12.2. Магнитные сенсоры

12.2.1. Магнитодиагностические сенсоры

Уже в 20-х годах ХХ века начали использовать магнитодиагностику железных, стальных, чугунных и других изделий из ферромагнитных материалов. Дело в том, что как механические, так и магнитные свойства этих материалов прямо определяются их микрокристаллической структурой. Поэтому, измеряя их магнитные свойства – магнитную проницаемость, коэрцитивную силу, магнитную индукцию насыщения и т.д., – можно контролировать соблюдение технологических режимов их изготовления, микроструктуру и механические свойства.

Функциональная схема одного из возможных интеллектуальных магнитных сенсоров для такого контроля показана на рис. 12.3.

Рис. 12.3. Функциональная схема интеллектуального сенсора для магнитного контроля качества ферромагнитных материалов: 1 – контролируемая деталь; 2 – магниточувствительный элемент; 3 – магнитопровод; 4 – соленоид; 5 – регулируемый источник тока; 6 – схема усиления и обработки сигналов: 7 – микропроцессор; 8 – блок взаимодействия с пользователем; 9 – интерфейс к внешнему компьютеру или компьютерной сети

В режиме магнитной дефектоскопии, когда надо обнаруживать невидимые дефекты изделий, связанные с нарушениями однородности материала (пустоты, трещины, посторонние включения), контролируемая деталь 1 протягивается рядом с магнитопроводом 3. Дефекты выявляются по изменению магнитного поля в промежутке, где расположен магниточувствительный элемент 2, так как указанные дефекты сопровождаются уменьшением магнитного потока через контролируемую деталь. Магниточувствительным элементом могут быть датчики Холла или магниторезисторы, описанные в предыдущем разделе.

В режиме магнитоструктурного анализа через соленоид 4 пропускают постоянный ток, задаваемый источником 5. Величина тока программно регулируется микропроцессором 7. Индукция магнитного поля, которая измеряется чувствительным элементом 2, зависит от магнитных свойств детали 1. Сигналы от чувствительного элемента 2 усиливаются, обрабатываются электронной схемой 6 и поступают в микропроцессор 7.

Постепенно изменяя силу и направление электрического тока в соленоиде, микропроцессор может измерить и построить всю кривую гистерезиса или заданный ее участок, вычислить магнитную проницаемость и коэрцитивную силу материала детали, найти магнитную индукцию насыщения и т.п. Основываясь на этих данных, он может выдавать и определенные диагностические выводы. Блок 8 обеспечивает взаимодействие с пользователем: принимает от него команды относительно режимов работы, запросы, указания, а также выводит на экран дисплея результаты контроля и другие сообщения. Узел интерфейса 9 обеспечивает возможность обмена информацией с внешним компьютером или с компьютерной сетью.

Сенсоры для магнитодиагностики материалов описаны в литературе довольно полно [ [ 161 ] , [ 241 ] , [ 255 ] , [ 256 ] , [ 340 ] ], поэтому более детально мы их рассматривать не будем.

12.2.2. Магнитные считывающие головки

Известными магнитными сенсорами являются магнитные считывающие головки, которые сначала применяли в магнитофонах, а потом – для считывания данных с других магнитных носителей информации (с магнитных лент, дисков, барабанов, карточек и т.п.). Магнитные считывающие головки на своем входе всегда имеют дело с сигналами, информацией, закодированными в виде переменного магнитного поля на поверхности носителя.

В течение длительного времени в считывающих головках, как и в записывающих, применяли принцип магнитной индукции, и головки были индуктивными. Но, начиная с 90-х годов ХХ ст., для считывания все шире применяют магниторезистивные головки, которые стали меньше, чувствительнее, надёжней.

На рис. 12.4, а показана традиционная магнитная головка, которая и до сих пор применяется в магнитофонах, считывателях с магнитных карточек и т.п. А на рис. 12.4, б,в показаны изображения современной магнитной считывающей головки, созданной японской фирмой NEC на основе так называемого "экстраординарного магниторезистивного эффекта" (ЭМР) для сверхбыстрой и сверхбольшой магнитной памяти. Изображения получены при помощи сканирующего электронного микроскопа: слева – вид головки сверху, справа – вид под углом 30 . Размер головки, изготовленной с применением нанолитографии, – около 200 нм.

Рис. 12.4. Магнитные считывающие головки: а – традиционная индуктивная; б, в – ЭМР магнитная головка (снято в сканирующем электронном микроскопе)

Магнитное поле измеряется в головке 4-зондовым методом. На 2 зонда, контактирующих с поверхностью полупроводникового магниторезистора, подается напряжение, а с двух других снимается электрический ток. На снимках хорошо видны золотые электроды 1, 2, 3, 4, ведущие к зондам. Чувствительность головки составляет порядка 150 Ом/Тл. Она может обеспечивать считывание информации, записанной с плотностью выше 100 Гб/дюйм². Разработчики указывают на возможность достижения плотности записи даже свыше 10¹⁵ бит/дюйм².

12.2.3. Некоторые интеллектуальные магнитные сенсоры

Магнитные считывающие головки – это простые магнитные сенсоры. А функционально завершенные считывающие устройства на их основе, в которых применены микрокомпьютеры для автоматического управления процессом считывания, точным позиционированием головок на поверхности носителя, усилением сигналов, для цифровой фильтрации сигналов, для компенсации возможных ошибок считывания, форматирования считанной информации и т.д., – такие устройства являются интеллектуальными магнитными сенсорами. К этому виду интеллектуальных сенсоров можно отнести большинство устройств магнитной памяти, аудио- и видеомагнитофоны и т.п.

Другим хорошо известным примером интеллектуальных магнитных сенсоров являются устройства для считывания информации с магнитных дорожек пластиковых карточек. Один из них – считыватель МПС 1023 (размеры 150x45x43 мм, масса 180 г) – показан на рис. 12.5. Для считывания информации карточку надо провести сквозь щель.

Рис. 12.5. Устройство МПС 1023 для считывания информации с магнитных дорожек пластиковых карточек в стандарте ISO

Если с подвижным объектом кинематически связать постоянный магнит так, чтобы при перемещении объекта магнит смещался относительно неподвижного магниточувствительного элемента, то его движение будет приводить к изменению магнитного поля и сигнала от этого элемента. Если подвижный объект сделан из ферромагнитного материала, то постоянный магнит может тоже быть неподвижным. Перемещение детали будет изменять конфигурацию магнитного поля и его величину в зоне магниточувствительного элемента. На этом принципе строятся сотни видов разнообразных магнитных сенсоров пространственного положения и приближения объектов, сенсоров ориентации, сенсоров перемещения, сенсоров угла поворота подвижных деталей механизмов [ [ 51 ] , [ 119 ] , [ 141 ] , [ 249 ] , [ 305 ] ]. Среди них есть и интеллектуальные, которые, отслеживая положение и перемещение поршней, зубчаток, гидроприводов и других деталей, автоматически регулируют режимы работы так, чтобы обеспечить оптимальное функционирование сложных мощных машин, т.е. выступают как интеллектуальные сенсоры-регуляторы.