بررسي يك نمونه سنسور موقعيت زاويه اي مطلق

با توجه به شباهت موقعيت سنجي زاويه اي مطلق در تمام ايده ها سعي شد تا با ارائه يك نمونه صنعتي ، روش كلي اين موقعيت سنجي توضيح داده شود.

اين سنسور بر مبناي تکنولوژي CMOS عمل مي كند. کاربرد اصلي اين سنسور كنترل ميکروموتورها مي باشد. اين سنسور بر اساس اثرهال عمل مي کند.

 چهار سنسورهال بر يک قطعه سيکيلن قرار گرفته اند. هر عنصر بخشي از ميدان مغناطيسي در صفحه سنسور را احساس مي كند. عناصر هال در چهار گوشه يک ديسک فرو مغناطيسي قرار گرفته اند و خروجيهاي X- Y را توليد مي کنند. براي هر محور وجوديک عنصر هال کافي است ولي با قراردادن 2 عنصر هال در هر محور، دقت افزايش و آفست کاهش مي يابد. ( از طريق اندازه گيري ولتاژ هاي تفاضلي) خروجي عناصر هال   X1 - X2 - Y1-Y2  توسط يک مدار بهسازي شامل باياس، تقويت کننده و حذف کننده آفست و نيز پايدار سازي حرارتي پردازش مي شود.

Click for larger image

خروجي خطي بين2V تا2.5V در ميدان به شدت 20mt) 200G) مي تواند به دست آيد. در صد غير خطي بودن سنسور کمتر از 0.1% است و هستيرزيس 0.03% مي باشد. ( تکرار پذيري خوب )

به دقت کمتر از 1 در رنج دمايي 60 تا 15 مي توانيم برسيم. در دماي پايدار دقت مي تواند بهتر0.2 مي باشد.

کاربرد اين سنسور در تعيين موقعيت زاويه اي يک محور چرخنده است. در اين مورد، يک آهنرباي دائمي بر محور موتور در بالاي سنسور قرارمي دهيم. اين آهنربا يک ميدان مغناطيسي موازي با سطح سنسور توليد مي کند. اين ميدان به عنوان يک واسطه غير تماس بين جهت محور و سنسور عمل مي کند.

معمولا قطر آهنربا1.5mm  و ابعاد سنسور2 بعدي mm 1* 3 است.

يک آهنرباي حلقه اي که بر شفت قرارگرفته است و بر بالاي سنسور مي چرخد، نشان مي دهد.

figure

 وقتي شفت مي چرخد سنسور بردار مغناطيسي را احساس مي کند و سيگنال هايvy  وvx را توليد مي کند. اين دو سيگنال سينوسي هستند و باهم 90 اختلاف فاز دارند. زاويه چرخش،  با محاسبه آرک تانژانت تقسيم vy بر vx توسط يک ميکروکنترلر 8 بيتي بدست مي آيد.

اين روابط بر کار ما حاکم هستند :

با فرض اينکه ضريب حساسيت سنسور هاي اثر هال با هم برابر است يعني sx =sy = s خواهيم داشت :

تابع معکوس تانژانت تابعي متناوب است که هر 180 تکرار مي شود و بازاي زواياي 180  و90 و نيز بازاي vx = 0 بي نهايت مي گردد.با اين پيش زمينه حالات زير اتفاق مي افتد :

يکي از کاربردهاي اين سنسور در موقعيت سنجي شير مي باشد. که آهنربا بر شفت داخلي قرار گرفته است و سنسور در بيرون بر يک بدنه غير فرو مغناطيسي قرار گرفته است.

    از ديگر کاربردها مي توان Single – Anis  joystick  نام برد.

در يک 2 – Axis joystick ، يک سنسور 2 بعدي را در مرکز کره اي که دسته در آن تغيير موقعيت مي دهد قرار مي دهند و آهنربا را نيز بر انتهاي دسته قرار مي دهند.

 در اين حالت سيگنال هاي خروجي vy و vx متناسب با بردار ميدان مغناطيسي مي باشد. همانطور که شکل زير نشان مي دهد در صد غير خطي سينوسي خروجي در يک باز 60 در اطراف نقطه صفر کمتر از 1% مي باشد.

برا ي افزايش رزولوشن موقعيت چرخشي از 2 IC و نيز 2 آهنربا استفاده مي کنند.        

 در اين حالت يک اندازه گيري غير دقيق توسط يک IC و آهنرباي دو قطبي انجام مي شود و اندازه گيري دقيق توسط يک آهنرباي حلقه اي N قطبي و IC دوم انجام مي پذيرد.

 اين آهنرباي چند قطبي باعث توليد N موج سينوسي و کسينوسي در هر دور مي شود.
 

    با فرض اينکه هر سيگنال خروجي داراي رزولوشن 0.1 باشد، رزولوشن نهايي در هر دور برابر0.1 /n = 0.1 /8 = 0.0125 مي شود. اطلاعات بدست آمده از اين آهنرباي چند قطبي جهت تعيين اينکه کدام قطاع از آهنرباي حلقه اي در برابر سنسور قرارگرفته است استفاده مي شود. در اين روش دقت نيز 1/n مي شود. سيگنال هاي بدست آمده دقيق و غير دقيق در نهايت توسط يک ميکروکنترولر براي توليد خروجي دقيق تر پردازش مي شوند.

کاربرد ديگري نيز در قطب نماي الکترونيکي وجود دارد.

 آهنربا بگونه اي در برابر IC قرار مي گيرد که براحتي و آزادانه مي تواند حرکت کند. آهنربا با توجه به جهت ميدان مغناطيسي زمين مي چرخد، ميدان مغناطيسي توليد مي کند که بسيار شديد تر از ميدان مغناطيسي زمين (در حد 600 mt) مي باشد. بنابراين IC با تاثير ميدان مغناطيسي قويتر سيگنال هاي خروجي vx و vyرا توليد مي کند. در اين حالت نيز ميکرو کنترلر را توليد خواهد نمود.