سنسورهای مغناطیسی

سنسورهای مغناطیسی نسبت به بقیه‌ی سنسورها متفاوت هستند؛ به این خاطر که خاصیت فیزیکی مد نظر را، به صورت مستقیم اندازه‌گیری نمی‌کنند. دستگاه‌هایی که ویژگی‌هایی از قبیل دما، فشار و کشش یا جریان را نمایش می‌دهند، خروجی‌شان مستقیما پارامتر مدنظر را ارائه می‌دهد.

از طرف دیگر سنسورهای مغناطیسی تغییرات یا اختلالات ایجاد شده در میدان مغناطیسی را شناسایی می‌کنند و سپس بر اساس آن، اطلاعات مورد نیاز هم‌چون جهت، حضور، چرخش، زاویه یا جریان الکتریکی را استخراج می‌کنند. برای بدست‌آوردن پارامتر مدنظر، نیاز به پردازش سیگنال داده خروجی سنسور است. سنسورهای مغناطیس را می‌توان بر اساس محدوده میدان حسگری‌شان )پایین، متو سط و بالا( دسته‌بندی کرد. دستگاه‌هایی که میدان‌های مغناطیسی کمتر از یک میکرو گوس را حس می‌کنند، به عنوان سنسورهای میدان‌ضعیف در نظر گرفته می‌شوند. سنسورهایی که محدوده بین یک تا ۱۰ میکرو گوس را حس می‌کنند، سنسورهای‌میدان زمین در نظر می‌گیریم و سنسورهایی که میدان‌های مغناطیسی بزرگتر از ۱۰ گوس را حس می‌کنند، به‌عنوان سنسورهای میدان متعادل در نظر گرفته می‌شوند‌. شکل ۲ فهرست فناوری‌های سنسورهای مغناطیسی و محدوده حسگری‌شان را نشان می دهد.

میدان مغناطیسی، کمیتی برداری است که اندازه و جهت دارد. سنسورهای مغناطیسی این کمیت را به روش‌های مختلف، اندازه‌گیری می‌کنند. بعضی سنسورها فقط اندازه میدان را اندازه‌گیری می‌کنند و جهت آن را تعیین نمی‌کنند. بقیه اندازه میدان را در جهت محور حساسیت‌شان اندازه‌گیری می‌کنند و ممکن است جهت را نیزتعیین کنند. سنسورهای مغناطیسی برداری، دو یا سه سنسور دو جهته دارند. برخی یک آستانه داخلی دارند و هروقت عبوری از آن آستانه رخ دهد، خروجی می‌دهند. سنسورهای مغناطیسی بر اساس محدوده سنسوری‌شان به سه دسته تقسیم می‌شوند: میدان کوچک، میدان زمین و میدان متعادل

سنسورهای میدانکوچک

سنسورهای میدان کوچک در مقایسه با سایر دستگاه‌های مغناطیسی، بزرگ و گران هستند. کاربرد آن‌ها دردستگاه‌های پزشکی و سامانه‌های نظارتی نظامی است.

سنسورهای میدانزمین (میدان متوسط)

در محدوده سنسوری سنسورهای میدان متوسط، از میدان مغناطیسی زمین برای تعیین قطب‌های قطب‌نما درناوبری، تشخیص ناهنجاری‌های بوجود آمده برای حس کردن وسیله نقلیه و اندازه‌گیری مشتق تغییرات میدان برای تعیین نرخ انحراف، استفاده می‌شود.

سنسورهای میدان متعادل

 بسیاری از سنسورهای صنعتی، برای تشخیص، از یک آهنربای دائمی به عنوان منبع میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند. این آهنرباها اشیا فرومغناطیسی نزدیک سنسور را، مغناطیس می‌کنند، سپس کل تغییرات اطرافش راحس می‌کنند. این سنسورها، میدان‌هایی که عموما بزرگتر از میدان مغناطیس زمین هستند را حس می‌کنند.

در ادامه چند مدل از حسگرهای مغناطیسی توضیح داده می‌شود.

سنسورهای AMR

ویلیام تامسون بعد از لرد کلوین، اولین کسی بود که در سال ۱۸۵۶، اثر مگنتورزیست را در فلزات فرومغناطیس مشاهده کرد. کشف او به مدت ۱۰۰ سال بلا استفاده ماند تا این که تکنولوژی فیلم نازك، آن را تبدیل به یک حسگر کاربردی کرد. حسگرهای مگنتورزیست انواع و شکل‌های مختلفی داشته و در زمینه‌های مختلفی هم‌چون هدر ضبط صوت و دیسک درایورها، سرعت سنج خودرو و موقعیت میل لنگ، قطب‌نما، تشخیص خودرو و تشخیص جریان، کاربرد دارند.

حسگرهای AMR به خوبی می‌توانند موقعیت خطی و زاویه‌ای و جابجایی در میدان مغناطیسی زمین رااندازه‌گیری کنند. این حسگرها از فیلم نازك نیکل آهن، نشانیده شده بر روی یک ویفر سیلیکونی، به شکل یک نوار مقاومتی ساخته شده‌اند. به‌خاطر خاصیت فیلم، مقاومت در حضور یک میدان مغناطیسی ۲ تا ۳ درصد تغییر می‌کند. در یک پیکربندی متداول، چهار تا از این مقاومت‌ها به صورت پل واتسون به یکدیگر متصل شده‌اند تا بتوان اندازه و جهت میدان را حول یک محور اندازه گیری کرد. پهنای باند آن حدود ۱ الی ۵ مگاهرتز است. واکنش اثر مگنتورزیست بسیار سریع است و توسط سیم‌پیچ‌ها یا فرکانس‌های نوسان محدود نمی‌شود. معمولا حسگرهای AMR ، به صورت عمده بر روی ویفرهای سیلیکونی ساخته و در بسته‌بندی‌های IC تجاری قرار می‌گیرند. از این رو می‌توان آنها را با دیگر مدارات و اجزای سیستم‌ها مونتاژ کرد. هم‌چنین حساسیت بالا، اندازه کوچک و نویز کمتری دارند. این حسگرها در مواردی هم‌چون شناسایی اشیا آهنی که سبب بر هم زدن میدان مغناطیسی زمین می‌شوند، مانند هواپیماها، قطار و خودروها، کاربرد دارند. کاربرد دیگرشان در قطب‌نما، حسگر چرخشی، حسگر جریان، ناوبری حفاری زیرزمینی، حسگر موقعیت خطی، حسگرهای سرعت حرکت وردیابی سر برای واقعیت مجازی، می‌باشد

سنسورهای اثر هال

سنسورهای اثر هال، به خاطر کاهش هزینه‌ها از سیلیکون نوع n و از GaAs به خاطر ظرفیت حرارتی بالای آن استفاده می‌کنند. علاوه بر این، InAs، InSb و دیگر نیمه‌رساناها به خاطر موبیلیتی بالای حامل‌ها، که منجر به حساسیت بالا و پاسخ فرکانسی بالای ۲۰-۱۰ کیلوهرتز می‌شوند، محبوبیت دارند. سازگاری مواد سازنده سنسور هال با سطح نیمه‌هادی بسیار مهم است. زیرا این حسگرها به طور مجتمع با دیگر ساختارهای نیمه‌هادی ساخته می‌شود

سنسور فلاکس گیت

مگنتومترهای فلاکس گیت، در بسیاری از سامانه‌های ناوبری، کاربرد داشته‌اند. این حسگرها در سال ۱۹۲۸ توسعه یافتند و بعدا توسط ارتش برای شناسایی زیر دریایی‌ها استفاده شدند. همچنین برای جستوجوهای ژئوفیزیکی و نقشه برداری‌های هوایی استفاده می‌شوند. معمولا به آن‌ها دستگاه‌های هارمونیک دوم می‌گویند و از دو سیم‌پیچ پیچیده شده به دور یک هستنه فرومغناطیسی تشکیل شده‌اند. در حضور میدان مغناطیسی خارجی، القای مغناطیسی هسته تغییر می‌کند. یک سیگنال راه‌انداز به سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود و منجر به نوسان هسته حول نقاط اشباع می‌شود. سیم‌پیچ ثانویه سیگنالی را در خروجی ارائه می‌دهد. سیگنال خروجی متاثر از تغییرات تراوایی هسته است و به صورت تغییرات دامنه ظاهر می‌شود. می‌توان سیگنال را توسط یک آشکار ساز فاز و یک فیلتر پایین گذر دمدوله کرد تا مقدار میدان مغناطیسی بدست آید.

اندازه گیري شدت میدان مغناطیسی در غلظتهاي متفاوت نانوذرات سیال مغناطیسی با استفاده از حسگر فیبر نوري باریک شده بی دررو است.

اخیرا حسگرهاي میدان مغناطیسی مبتنی بر تار نوري به طور گسترده اي مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند. دسته اي از این حسگرهاي تار نوري از سی ال مغناطیسی به عنوان ماده حس کننده استفاده می کنند. ماده سیال مغناطیسی ماده کلوئیدي از نانو ذرات مغناطیسی با پایداري بالا است ک ه ب ه طو ر یکنواختی

در مایع حامل مثل آب ی ا اتر پخش شد ه است. به واسطه اینکه، مواد

سیال مغناطیسی داراي خواص مگنتو اپتیکی گوناگونی از جمله اثر فارادي ، ضریب شکست تنظیم پذیر، شدت عبور وابسته به میدان و دوشکستی است بنابراین به طور چشمگیري مورد علاقه محققین می باشد و به عنوان ماده

حس کننده براي پیشرفت حسگر میدان مغناطیسی به کار می رود[ 1] . تعدادي از حسگرهاي تار نوري میدان مغناطیسی که گزارش شده اند، از ماده سیال مغناطیسی برا ي پوشاند ن سط ح وسای ل تار نوري مختلف از جمله

تداخل سنج ها [ 2]، توري هاي تار نوري [ 3] و حلقه هاي میکرونی تارنوري [ [4] ، بهر ه گرفت ه ان د و ب ه ای ن وسیله میدا ن مغناطیس ی ر ا از طریق اثر تغییر پذیري ضریب شکست ماده سیال مغناطیسی تحت اعمال میدان

مغناطیسی اندازه گیري کرده اند. روش دیگر استفاده از این مواد سیال مغناطیسی تزریق کردن آنها به داخل حفره هاي تارهاي بلور فوتونیکی یا کاواك فابري پرو است که علی رغم حساسیت خوبشان ساخت این حسگرها تا حدي مشکل است و تارهاي بلور فوتونیکی عمدتا گران قیمت می باشند.

[ 5] این حسگرها داراي قطر بسیار کوچک و میدان

میراشونده بزرگی هستند که منجر می شود تا حساسیت بسیار بالایی به ضریب شکست محیط خارجی نسبت به سایر تداخل سنج هاي فیبر نوري معمولی نشان دهند

آزمایش و نتایج تجربی

 چیدمان تجربی براي حس کردن میدان مغناطیسی در شکل 3 نشان داده شده است. دو انتهاي حسگر تار نوريبه تحلیل گر طیف نوري و چشمه نور خروجی از آن

متصل شده است. میدان مغناطیسی به وسیله دو سیم پیچ مغناطیسی به وجود می آید و قدرت میدان با تنظیم جریان ورودي به داخل سیم پیچ ها کنترل می شود. در

این چیدمان برخلاف کار قبلی که توسط این گروه انجام شده است [ 5] میدان مغناطیسی موازي با راستاي انتشار نور است و تاثیرات متفاوت آن بر روي نانوذرات سیال مغناطیسی مشاهده شده است.

طیف عبوري از حسگر تار نوري را در میدان هاي مغناطیسی متفاوت براي غلظت هاي گوناگون نانو ذرات مغناطیسی نشان می دهد. مشاهده می شود که طیف با افزایش میدا ن مغناطیسی و غلظت به سمت طول موج هاي بزرگتر جابه جا می شود و به طور همزمان شدت عبوري با افزایش میدان مغناطیسی کاهش می یابد. جهت پیکانها در شکل 4 نشان دهنده جهت افزایش میدان در هر غلظت از نانو ذرات mT مغناطیسی از 0 تا 25 مغناطیسی است. جاب ه جای ی ب ه سم ت طو ل مو ج هاي بزرگتر نشان می دهد که ضریب شکست نانو ذرات فروسیال مغناطیسی در حال افزایش یافتن است. همچنین با افزایش غلظت نانو ذرات فروسیال مغناطیسی میزا ن جاب ه جای ی طو ل موجی و نیز افت توان افزایش می یابد. به گونه اي که مشاهده می شود ضریب شکست با درصد غلظت B= اولیه نانو ذرات فروسیال در حالت 0 بالاتر نان و ذرا ت د ر بی ن طیف حسگ ر ب ا غلظ ت پایینتر  نانوذرات (و در حالت 0 ) قرار گرفته است. شکل 5 جابه جایی شدت نور عبوري دره اي از طیفکه نزدیک 1550 است را نشان می دهد

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.