Как выбрать подходящий магнитный датчик

Добавлено 1 октября 2017 в 23:05

Нужна помощь в выборе правильных датчиков? Прочитайте эту статью.

Успех любой системы, использующей магнитные датчики, зависит от способности инженера-конструктора полностью понимать уникальные параметры, требования и ограничения всей системы, а не только датчика. Помимо ответа на простой, но важный вопрос «Что должен делать этот датчик?», важно определить среду, в которой этот датчик будет работать. Для гарантирования правильного выбора датчик среди прочего необходимо учесть факторы температуры, влажности, воздействия ультрафиолетового излучения, близости к другим компонентам системы.

Тем не менее, если во время процесса проектирования с выбором датчика запоздали, вполне вероятно, что специализированный датчик должен быть либо разработан, либо модифицирован в соответствии с конкретными требованиями конструкции реальной системы, что может стоить довольно дорого. Большинство инженеров сталкиваются с проблемой завершения проекта, обнаруживая, что параметры ключевого компонента проекта были проигнорированы, и необходимо вернуться к чертежной доске или САПР, чтобы выяснить, как всё состыкуется. Гораздо разумнее и дешевле учитывать все потенциальные факторы, влияющие на работу датчика до проектирования реальной системы, при этом всегда уделяя особое внимание конструкции всей системы. В тех случаях, когда использования изготовленного на заказ датчика избежать невозможно, существуют определенные параметры проектирования, которые следует учитывать для обеспечения надежности конструкции системы: окружающая среда, механические, электрические и магнитные факторы.

Рисунок 1 – Компоненты датчика Холла для приложения определения скорости. Когда магнит вращается над датчиком, микросхема датчика Холла детектирует магнитное поле.
Рисунок 1 – Компоненты датчика Холла для приложения определения скорости. Когда магнит вращается над датчиком, микросхема датчика Холла детектирует магнитное поле.
Рисунок 2 – Датчик геркон состоит из контактов на ферромагнитных пластинах, которые запечатаны в стеклянной колбе. Если поместить датчик в магнитное поле, контакты разомкнутся или замкнутся.
Рисунок 2 – Датчик геркон состоит из контактов на ферромагнитных пластинах, которые запечатаны в стеклянной колбе. Если поместить датчик в магнитное поле, контакты разомкнутся или замкнутся.

Окружающая среда: знайте, что вас окружает

Существует несколько факторов окружающей среды, которые могут повлиять на работу магнитного датчика. Понимание влияния на датчик любого из этих факторов имеет решающее значение в процессе выбора и поможет инженеру принять меры предосторожности для обеспечения целостности системы.

Температура: Температура эксплуатации и хранения, превышающая 100°C, может ухудшить работу датчика и магнита. Датчики на основе эффекта Холла имеют ограничения по максимальной температуре в диапазоне от 85°C до 150°C. После превышения значения максимальной температуры датчик теряет свою калибровку и перестает реагировать должным образом на магнитное поле. Работа геркона слабо зависит от температуры вплоть до 150°C. Заключительный раздел по магнитным параметрам дает более подробную информацию о том, как температура влияет на выбор магнитного материала привода.

Влажность: Она сильно влияет на выбор магнитного материала и, если требуется, возможного покрытия магнита. Некоторые магнитные материалы, такие как неодим, очень чувствительны к влаге и могут разрушаться, поскольку железо в сырости разрушается.

Удары и вибрация: Необходимо учитывать эти физические воздействия. На герконы могут негативно повлиять перегрузки во много g, а также может потребоваться специальная ориентация пластин.

Ультрафиолет: Для наружного монтажа рассматриваемый пластиковый материал для датчика должен выдерживать длительное воздействие ультрафиолетового излучения. Инженер должен проверить, требуются ли какие-либо специальные критерии проверки работы.

Температурный шок: Рекомендуется провести проверку температурным шоком, чтобы проверить конструкцию датчика и обеспечить его продолжительную работу. Этот тест обычно проводят, если возможен широкий диапазон температур, например, от –40°C до +150°C. Максимальная температура может достигать даже +150°C. При неправильном корпусе материалы могут разрушаться из-за высокого давления. Должны быть проанализированы коэффициенты теплового расширения для пластика и материалов заливки для обеспечения их совместимости с коммутирующим компонентом внутри датчика в полном диапазоне температур.

Механические проблемы: понимание пространственных требований датчика

Инженер-проектировщик должен рассмотреть в САПР 3D модель, показывающую область в изготавливаемой системе, где будут расположены датчик и магнитный привод, чтобы получить точное понимание того, как датчик должен будет работать в заданном пространстве. Этот процесс поможет инженеру выбрать для системы оптимальный дизайн датчика и магнитного привода. Чтобы понять механические ограничения приложения, инженеры должны задать себе следующие вопросы:

  • Задана ли конкретная ориентация чувствительного компонента, которая может повлиять на дизайн корпуса и способ монтажа?
  • Есть ли пространство, как для датчика, так и для привода? Есть ли ограничения по размеру?
  • Обеспечивают ли требуемые расстояния для активации и деактивации между датчиком и приводом правильную ориентацию магнита по отношению к датчику?
  • Требуется ли специальный разъем (например, герметичный), совместимый с соединительным жгутом или монтажной платой? (Тип изоляции провода важен при рассмотрении температур или химической среды, в которых может находиться датчик. Для монтажа на печатной плате может рассматриваться устройство поверхностного монтажа.)
  • Есть ли специальные материалы, которые следует учитывать для соблюдения механических требований? Для создания корпусов для магнитных датчиков, таких как датчики Холла и герконы, наиболее распространенными материалами являются термопласты и цветные металлы.
  • Кроме того, для защиты геркона и датчика Холла необходимы герметизирующие материалы. Существует множество марок эпоксидных смол для герметизации. Для защиты датчиков обычно эпоксиды обычно предпочтительны из-за своей стабильности в широком диапазоне температур.

Электрические факторы: учитывайте нагрузку, количество циклов коммутации и тип выхода датчика

  • Чтобы полностью понять, какие электрические факторы влияют на проект, инженеры-проектировщики должны спросить себя:
    • Какая электрическая нагрузка будет коммутироваться?
    • Какие напряжения и токи будут коммутироваться?
    • Это переменное напряжение или постоянное? Воспринимает ли нагрузка логические уровни?
    • Питается ли схема от аккумулятора? Если да, ток каково значение напряжения на батарее?
    • Коммутируемая нагрузка является резистивной, индуктивной или емкостной?
  • Сколько циклов коммутации потребуется в течение всего срока службы продукта?
  • Есть ли особые требования к скорости переключения (например, для датчиков скорости)?
  • Какой тип выходного сигнала датчика необходим: аналоговый или цифровой?
  • Требуется ли нормально разомкнутый, нормально замкнутый или переключающий геркон?
  • Есть ли какие-либо особые требования, такие как EMC, EMI и ESD? (Это очень важно при использовании датчика Холла.)

Магнитные параметры: выбор лучшего магнита

К сожалению, магнитный привод часто упускается из виду при выборе конкретного геркона или датчика Холла. Это особенно удивительно, так как и магнит, и датчик составляют по 50 процентов окончательной конструкции магнитной схемы. Затрачивание значительного времени для выбора подходящего датчика может быть напрасным, если он будет сопряжен с неподходящим магнитом.

Проектировщик системы может сказать, что у него уже есть магнит, добавленный в проект системы без учета возможности технических проблем. Для предотвращения проблем важно, чтобы инженер-конструктор рассмотрел дизайн магнита с учетом требований системы. Этот тщательный анализ магнитной схемы предотвратит длительные проблемы с качеством в процессе производства. Для оценки качества и работы магнита инженер должен использовать следующий список:

  • Используйте программное обеспечение для магнитного моделирования, чтобы получить полное представление о магнитной рабочей среде датчика в широком диапазоне условий. Этот инструмент охарактеризует работу датчика при работе и взаимодействие с движущимися магнитными полями. Он должен учитывать любые черные металлы, расположенные рядом с датчиком и магнитным приводом, которые могут шунтировать от датчика предполагаемое магнитное поле. Это моделирование должно быть выполнено до тестирования на прототипах.
  • Рассмотрите температуру приложения, поскольку она оказывает наибольшее влияние на магнитный материал. Некоторые магнитные материалы, такие как неодим, имеют ограничения на максимально допустимую рабочую температуру. Как только максимальная температура будет превышена, плотность потока значительно уменьшится и не сможет быть восстановлена. В неопасных средах, таких как приложения внутри помещений, могут хорошо работать магнит из альнико (сплав ЮНДК) или дешевый керамический магнит, если материал соответствует требуемому расстоянию для активации датчика. В высокотемпературных приложениях с большим количеством колебаний температуры (например, в автомобиле) часто требуется очень стабильный редкоземельный магнитный материал, такой как самарий-кобальт.
  • Изучите полярность и ориентацию магнита. Датчик Холла обычно работает только с использованием северного или южного полюса магнита. Герконовый датчик не чувствителен к полярности и будет хорошо работать с любым магнитным полюсом.
  • Если допуски на активацию довольно строги, отбросьте керамику и альнико, лучше взять магнит из неодима или самария-кобальта. За последние годы материалы из редкоземельных элементов стали более конкурентоспособны.
  • Будьте предельно осторожны с использованием неодимового магнита, когда приложение находится в среде с высокой влажностью. Никелевое покрытие является хорошей защитой для неодима. Однако это не гарантия того, что сырость не проникнет через трещину в никеле. Если требуется редкоземельный материал, выберите магнит из самария.
  • Если магнит помещен в корпус из пластика или цветного метала, то в условиях высокой влажности можно использовать магнит и из неодима.
  • Чтобы цена при заказе/изготовлении датчика не стала проблемой, материал магнита должен выбираться одновременно с проектированием датчика.

Заключение

Ключевым моментом в разработке надежной магнитной системы датчиков является способность охватить все параметры работы, необходимые для конкретного датчика, который необходимо подобрать. В тех случаях, когда требуются специальные датчики, для обеспечения оптимальной конструкции системы в процессе выбора датчика и магнита необходимо учитывать факторы окружающей среды, механические воздействия, электрические факторы и магнитные условия.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке