سنسور مغناطیسی و انواع آن
سنسور مغناطیسی
سنسور مغناطیسی نوعی سنسور مجاورتی است که عملکرد آن بر اساس حساسیت نسبت به میدان مغناطیسی اطراف آهنربای دائم یا الکتریکی میباشد. بخش اصلی این ابزار، کنتاکت های تیغه ای شکل از جنس مواد فرو مغناطیس مانند آلیاژ آهن و نیکل است که در داخل یک لوله ی کوچک قرار گرفتهاند. این لوله از گاز خنثی نیتروژن پر شده است. اغلب در داخل یک سنسور مغناطیسی یک LED نیز به منظور نمایش وضعیت حسگر نصب می گردد. اگر یک میدان مغناطیسی مانند میدان مغناطیسی یک آهنربای دائم نزدیک حسگر شود، کنتاکت های تیغه ای شکل جذب میدان مغناطیسی شده و یک یاچند کنتاکت را باز یا بسته می کند.
انواع سنسور مغناطیسی
از انواع سنسور های مغناطیسی میتوان به سنسور اثر هال، AMR، reed swich و فلاکس گیت اشاره کرد. در ادامه با این ابزار ها آشنا میشویم.
سنسور هال
هنگامیکه چگالی شار مغناطیسی اطراف این تجهیز، از یک آستانهی مشخص عبور کند، سنسور این موضوع را تشخیص داده و یک ولتاژ به نام ولتاژ هال در خروجی آن تولید میشود.
سنسور AMR
سنسورهای AMR از دسته حسگرهای مغناطیسی هستند که مقاومت آنها با توجه به قدرت یا جهت میدان مغناطیسی متغیر است. این ابزار ها میتوانند موقعیت خطی، زاویه ایی و جابهجایی در میدان مغناطیسی زمین را اندازهگیری کنند. سنسور های AMR، دارای حساسیت بیشتری نسبت به سنسور های هال و همچنین، دارای رزولوشنی مانند سنسور های هال ولی در فاصلهی هوایی بیشتر هستند. سنسورهای AMR برای تشخیص اشیا مغناطیسی در هواپیماها، اتومبیلها و قطار که میدان مغناطیسی زمین را به هم میزنند و همچنین در قطبنماهای مغناطیسی، سنسور های موقعیت و … به کار میروند.
Reed sensor
Reed sensor یک Reed switch است که برای محافظت در برابر تأثیرات محیطی و سادهسازی نصب و اتصال، در یک محفظهی خارجی بستهبندیشده است. این حسگر ها نوعی سنسور مجاورتی و دیجیتال هستند و همانطور که ذکر کردیم، نحوهی عملکرد آنها بر مبنای حساسیت نسبت به میدان مغناطیسی است که در انیمیشن زیر آن را نمایش دادهایم. همانطور که مشاهده میکنید، هنگام نزدیک شدن آهنربا، پلاتین بسته میشود و با دور شدن آهنربا، پلاتین به حالت اولیه ی خود یعنی NO باز میگردد.
کاربرد Reed Sensor
از Reed Sensor ها میتوان بهعنوان سنسور سطح مایعات در دستگاههای قهوه ساز، ظرفشویی، لباسشویی و آبگرمکن یا بهعنوان حسگر حرارتی در اجاقگاز یا بخارپز استفاده کرد. آنها همچنین میتوانند بهعنوان حسگر مجاورت در دربهای لوازمخانگی، درب یخچال و کیلومتر شمار دوچرخه نیز استفاده شوند. همچنین از Reed switch ها در سنسورهای سطح مایع برای مخازن روغن ترمز و برای کنترل سطح روغنموتور استفاده میشود. از دیگر کاربرد این حسگرها در اندازه گیری سرعت برای کنترل موتور و فرمان قدرت است. در قفل درب خودکار، کیسههای هوا، ترمز پارک، صندلی، در و حسگرهای مجاورت کاپوت نیز میتوان از Reed switch ها استفاده کرد. ازجمله کاربرد آنها در رباتیک نیز میتوان به کنترل حرکت، موقعیت و زاویه اشاره کرد.
در تصویر زیر نماد حسگر مغناطیسی طبق استاندارد IEC را مشاهده میکنید:
مشخصات سنسور مغناطیسی
در این حسگرها هیچ اتصال مکانیکی میان قسمتهای متحرک و قسمتهای ثابت وجود ندارد. این خاصیت منجر به افزایش طول عمر آنها شده است. علاوه بر این لغزش قسمتهای متحرک بر هم در دیگر حسگرها باعث ایجاد نویز میشود که این مشکل در حسگرهای مغناطیسی رفع شده است. همچنین به سبب ساختار مناسبي كه دارند در محیطهای آلوده، چرب و روغني بهخوبی عمل میکنند و به همين علت در اتومبيل و كاربردهاي اینچنینی بسيار مفيد هستند.
ازنظر برگشت به حالت عادی، حسگرهای مغناطیسی به دو گروه برگشتپذیر و خود نگهدار Latch Magnetic Sensor تقسیم میشوند. در مدل برگشتپذیر بافاصله گرفتن میدان و یا قطع شدن آن، پلاتین به حالت اول بر خواهد گشت اما در مدل خود نگهدار با قطع میدان مغناطیسی، پلاتین آخرین وضعیت خود را حفظ میکند.
حسگرهاي مغناطيسي بر مبناي رنج ميدان اعمالي بهصورت زير تقسیمبندی میشوند. در این موارد G به معنی گوس است:
- Low field: كمتر از 1 mG
- Medium field: مابین 1 mG و 10 G
- High field: بالاتر از 10 G
نکات مهم در هنگام انتخاب سنسور مغناطیسی
برای انتخاب حسگرهای مغناطیسی یا مگنت سوییچ باید به موارد زیر توجه داشت:
- نوع خروجی
- باز یا بسته بودن در حالت عادی
- آمپر قابلتحمل
- داشتن یا نداشتن خود نگهدار
- نحوهی نصب
کاربرد سنسور مغناطیسی
حسگرهای مغناطیسی برای کاربردهای امنیتی و نظامی مانند شناسایی، ناوبری، ردیابی موقعیت، سیستمهای ضد سرقت و قطبنما درگوشیهای هوشمند استفاده میشوند، همچنین در سیستمهای اتومبیل برای تشخیص فاصله و سرعت نیز کاربرد دارند. از این سنسورها معمولاً برای کنترل حرکت سیلندرها نیز استفاده میشود. به طور کلی در صوتی که امکان نصب یک میدان مغناطیسی دائمی به صورت آهنربای دائم یا میدان مغناطیسی الکتریکی بر روی تجهیزات باشد، میتوان در بسیاری از کاربردها مانند موارد زیر از این حسگر استفاده کرد:
- شمارش وسایل
- تشخیص باز یا بسته بودن دربها
- اندازهگیری سرعت چرخش
- کنترل موقعیت تجهیزات
حسگرهای مغناطیسی میتواند بهصورت تکی و یا با آهنربای دائم ارائه شود. بهعنوانمثال در تصویر زیر، حسگر مغناطیسی شرکت ABB به همراه آهنربای دائم جهت کنترل درب را مشاهده میکنید.
همانطور که ذکر شد حسگرهای مغناطیسی برای اندازهگیری سرعت چرخش یک چرخ نیز استفاده میشوند، برای اندازهگیری سرعت میتوان از حسگر هال، AMR، GMR و … استفاده کرد. تصویر زیر اندازهگیری سرعت با حسگر مغناطیسی را نمایش میدهد.
جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات آموزش مدار فرمان را مشاهده کنید.
از دیگر کاربردهای حسگرهای مغناطیسی میتوان به کنترل سطح مایعات با سنسورهای Reed اشاره کرد که در مقالهی فلوتر مغناطیسی بیشتر به توضیح آن پرداختهایم. نحوهی کلی عملکرد این حسگرها به این صورت است که از یک آهنربا و Reed Switch برای تشخیص وجود مایع استفاده میکنند. در یک یا چند نقطهی تعیینشده در مخزن موردنظر نصب میشوند و شناورهای آنها نیز در سطح مایعات قرارگرفته و به همراه آنها حرکت میکنند. حرکت این شناورها موجب تحریک سوئیچها شده و خروجی دستگاه را فعال میکند. از سیگنال تولیدشده میتوان برای کنترل پمپ موتور استفاده کرد.
همچنین حسگرهای مغناطیسی در آسانسورها کاربرد دارند. حسگرهای مغناطیسی مورداستفاده در صنعت آسانسور از نوع لچ میباشند به این معنی که آخرین حالت خود را حفظ میکنند.
فرض کنید یک حسگر مغناطیسی لچ و یک آهنربا در اختیاردارید. در داخل حسگر یک کنتاکت بسیار ریز طراحیشده است که اگر مثلاً قطب منفی آهنربا روبه روی حسگر قرار گیرد باعث بسته شدن کنتاکت میشود و اگر قطب مثبت آهنربا جلوی حسگر قرار گیرد باعث باز شدن کنتاکت خواهد شد. به خاطر اینکه کنتاکت از نوع لچ میباشد، آخرین حالت کنتاکت حفظ خواهد شد.
بنابراین برای اینکه هر طبقه را شناسایی کنیم چند آهنربا در نزدیکی هر طبقه بر روی ریل کابین تعبیه میکنیم تا سنسوری که بر روی کابین و نزدیک به ریل نصبشده است، این آهنرباها را شناسایی کرده و فرمان توقف آسانسور را بدهد. در نصب حسگر باید دقت زیادی صورت گیرد تا از حوادث احتمالی جلوگیری شود.
سنسور مغناطیسی آسانسور بهصورت عمومی دو نوع است:
1) سنسور مغناطیسی با آهنربای گرد
این حسگر پس از عبور از مقابل هر یک از قطبهای یک آهنربا تغییر وضعیت داده و حالت خود را تا دیدن قطب دیگر آهنربای بعدی حفظ میکنند. این نوع برای تنظیم سطح طبقات دقیقتر عمل میکند. در آهنرباهای گرد طرف مشکی قطب S و طرف نشاندار یا قرمز قطب N است.
2) سنسور مغناطیسی با آهنربای تخت
در این حسگر پس از عبور از مقابل آهنربا یکبار کنتاکت باز میشود و پس از عبور از آن بسته خواهد شد.
معایب سنسورهای مغناطیسی لچ
حسگرهای مغناطیسی بهمرورزمان خاصیت خود را از دست میدهند و گاهی بهدرستی قطبهای مغناطیسی آهنرباها را تشخیص نمیدهند و یا اینکه ممکن است کنتاکت ها آخرین حالت خود را حفظ نکنند که در این صورت باعث عدم توقف کابین در طبقهی موردنظر میشود.
سنسور مجاورتی مغناطیسی – القایی Inductive-Magnetic Proximity Sensor
سنسورهای مغناطیسی – القایی شبیه به سنسورهای القایی دارای یک اسیلاتور LC میباشند؛ اما تفاوت اساسی در هستهی بوبین اسیلاتور آنهاست. در سنسورها ی القایی هسته، نیمی از بوبین را پوشانده و یک میدان مغناطیسی به بیرون هدایت میشود. اگر فلزی در این میدان قرار داده شود، در جریان مدار اسیلاتور تغییر ایجاد کرده و از این طریق وجود فلزات را تشخیص میدهد؛ اما هستهی فریت اسیلاتور سنسورهای مجاورتی مغناطیسی – القایی تمام هسته را پوشش میدهد و با نزدیک شدن یک آهنربا به این سنسور، هستهی بوبین اسیلاتور اشباع میشود و اشباع هسته منجر به تغییر در جریان اسیلاتور میگردد و این تغییر سبب تشخیص آهنربا توسط حسگر میگردد.
سنسور مغناطیسی – القایی ساختمان پیچیدهتری نسبت به حسگرهای مغناطیسی دارند اما این سنسورها نسبت به حسگرهای مغناطیسی دارای مزایای زیر میباشند:
- عدم پرش کنتاکت های حسگر در زمان عملکرد سنسور
- فرسودگی کم به دلیل نداشتن قسمت متحرک
- عدم قطع و وصل حسگر در صورت همتراز بودن با قطبهای آهنربا
طراحی مدار نصب سنسور مغناطیسی
جهت بررسی وضعیت باز یا بسته بودن درب یا پنجرهی اماکن، ماشینآلات و … از انواع حسگرهای مغناطیسی استفاده میشود. همانطور که در ابتدای این مقاله شرح داده شد، این حسگر به میدان مغناطیسی حساس بوده و از دو جزء رلهی حساس به میدان و آهنربا تشکیل شده که روی قسمت ثابت و متحرک درب نصب میشوند.
تصور کنید بخواهیم وضعیت باز یا بسته بودن درب مربوط به ورود قطعه را در یک ماشین تراش خودکار کنترل کنیم.
این کار که جهت افزایش ایمنی اپراتور انجام میشود باید دو شرط زیر را داشته باشد:
- هنگام باز بودن درب ماشین روشن نشود.
- باز شدن درب حین کار، ماشین را متوقف کند.
علامت مداری حسگر مغناطیسی و دیاگرام مدار مورد نظر در تصویر زیر نمایش داده شده است. با توجه به این تصویر میتوانید به روش نصب سنسور مغناطیسی در مدار پی ببرید. در این مدار از یک حسگر با پلاتین نرمال باز بعد از شستی قطع اضطراری استفاده شده است.
بسته شدن کامل درب باعث قرار گرفتن آهنربا روی قسمت ثابت حسگر و در نتیجه بسته شدن پلاتین آن میشود. در این شرایط فشردن شستی استارت باعث وصل و پایدار شدن کنتاکتور KF4 و راه اندازی ماشین خواهد شد.
در صورتی که حین کار درب ماشین باز شود، آهنربا از قسمت حساس حسگر فاصله گرفته و باز شدن پلاتین آن مانند یک شستی استپ مدار را متوقف میکند. از این حسگر در سیستمهای مختلف مانند متوقف کردن ماشینآلات، رباتها، به صدا در آوردن آژیر خطر، تحریک سیستمهای امنیتی و غیره نیز استفاده میشود.
با درود بی کران بر شما
بسیار سپاسگذارم از اطلاعات مفیدی که در اختیار بنده گذاشتین
واقعا گره ای از کارم گشوده شد
خداوند گره گشای مشکلات شما باشد انشالله🙏🙏
سلام، وقتتون بخیر.
ممنون از نظر لطف و همراهی شما.
عالی.ممنونم از اطلاعات مفیدتان
ممنون از نظر لطف شما. خوشحالیم که براتون مفید بوده.
درود و خداقوت خدمت شما ، سپاس بابت مطالب کاربردی و مفیدی که ارائه میدید
راهنمایی میخواستم
تو یه فضا اندازهی ورودی فروشگاه مثلا به طول ۲متر سنسوری مغناطیسی داریم که حساس به آهنربا باشه؟
تشخیص بده یه آهنربا رو اندازهی آهنربا باند ماشین مثلا؟
سپاس
سلام وقت بخیر. تا حالا سنسوری برای اینکار ندیدم متاسفانه.
متشکرم از شما
سپاس از همراهی شما