Phụ lục bài viết
Cảm biến từ trường là gì?
Cảm biến từ trường là một dụng cụ được sử dụng qđể chuyển đổi cường độ và sự biến đổi của từ trường thành tín hiệu điện.
Một số ví dụ từ trường mà bạn thường xuyên gặp nhất là từ trường của trái đất hoặc nam châm, đây là những loại từ trường luôn luôn xuất hiện quanh ta nhưng ta không thể nào nhận biết được vì chúng là vô hình. Cảm biến từ tính chuyển đổi từ trường vô hình thành tín hiệu điện, các tín hiệu điện này được truyền đến thiết bị đo và chuyển thành các biểu đồ hiển thị trên màn hình, để con người có thể phân tích, nghiên cứu
Các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu cảm biến từ trường nam châm từ nhiều thập kỷ trước với các cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ và những nỗ lực này đã được mở rộng sang các ứng dụng của hiệu ứng điện từ, hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng Josephson và các hiện tượng vật lý khác.
Các loại cảm biến từ và ứng dụng
Các cảm biến sử dụng hiệu ứng vật lý ngày càng xuất hiện nhiều chủng loại và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, trong phần này của bài viết chúng ta chỉ cùng nhau tìm hiểu những loại cảm biến từ phổ biến nhất và ứng dụng của các loại cảm biến này
a) Cảm biến từ dạng cuộn dây
Cuộn dây là dạng cảm biến cổ điển và đơn giản nhất và Kỹ Thuật Đo sẽ đề cập đến nó đầu tiên. Mặc dù một cuộn dây không thể hoạt động một mình để phát hiện trực tiếp từ trường, nhưng nó có thể phát hiện các biến thể trong từ trường.
Cụ thể khi đưa nam châm lại gần cuộn dây sẽ làm tăng mật độ từ thông trong cuộn dây. Sự tăng mật độ từ thông trong cuộn dây cũng sẽ sinh ra các lực đối kháng dưới dạng suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng. Khi cuộn dây ngừng chuyển động thì sự biến thiên mật độ từ thông cũng dừng lại, suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng cũng dừng lại.
Nguyên lý hoạt động của cuộn dây
Quan sát suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ cho phép bạn phát hiện tỷ lệ thay đổi mật độ từ thông và hướng truyền của nó.
Khi sử dụng một mình, một cuộn dây chỉ cung cấp chức năng hạn chế. Tuy nhiên, khi kết hợp với các cuộn dây hoặc vật liệu từ tính khác, nó có thể trở thành một cảm biến từ tính có độ nhạy cao.
Hiện tại, các cảm biến từ tính sử dụng cuộn dây bao gồm cuộn tìm kiếm, bộ phân giải hoặc cảm biến góc quay cũng như cảm biến từ thông, một loại cảm biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng.
b) Cảm biến từ dạng công tắc lưỡi gà
Công tắc lưỡi gà bao gồm một ống thủy tinh bao bọc hai lưỡi gà, các điểm tiếp xúc, đến từ đầu bên phải và bên trái của ống. Các lưỡi gà được làm bằng niken hoặc vật liệu từ tính khác và được ngăn cách bởi một khoảng trống. Ống thủy tinh chứa đầy nitơ hoặc khí trơ khác để ngăn chặn sự kích hoạt (suy hao) của các điểm tiếp xúc.
Công tắc lưỡi gà thường mở, nhưng khi cả hai đầu của vật liệu từ tính tiếp xúc với từ trường, vật liệu từ tính bị từ hóa và các tiếp điểm bị hút vào nhau, đóng mạch (trạng thái dẫn điện).
Nguyên lý hoạt động của công tắc lưỡi gà
Rơle lưỡi gà, một thiết bị công nghiệp thường được sử dụng, có thể được chế tạo bằng cách kết hợp cuộn dây để tạo từ trường với công tắc lưỡi gà.
Không giống như các cảm biến bán dẫn như phần tử cảm biến MR hoặc cảm biến Hall (xem bên dưới), cảm biến từ bằng công tắc lưỡi gà hoạt động mà không cần nguồn điện, do đó thường được sử dụng trong ô tô hoặc các vị trí khó cung cấp nguồn điện khác.
c) Cảm biến điện trở từ MR (Magnetoresistive)
Cảm biến từ trở MR là phần tử cảm biến từ tính sử dụng hiệu ứng Kháng từ (hiệu ứng MR). Có một số loại cảm biến MR sử dụng các nguyên tắc hoạt động khác nhau. Phần sau đây mô tả hiệu ứng MR cơ bản.
Hiệu ứng MR là hiện tượng điện trở thay đổi theo sự thay đổi của từ trường. Đó là một hiệu ứng xảy ra trong các vật liệu từ tính (ví dụ: sắt, niken hoặc coban).
Hiệu ứng MR đòi hỏi sự hiểu biết về spin của electron và cách thức hoạt động của lực Lorentz khi sử dụng các điện tích của electron.
Khi các electron di chuyển qua vật liệu sắt từ (vật liệu có mức từ tính nhất định) và sự quay tròn của các electron dao động, xác suất tán xạ (của các electron) trong vật liệu từ hóa tăng và giảm. Đây là nguyên nhân gây ra hiệu ứng MR.
Electron có hai thông số quan trọng: điện tích và spin. Chúng có cùng điện tích âm, nhưng spin của electron có hai loại: spin lên và spin xuống. Spin của electron đã được kiểm chứng bằng một thí nghiệm vào năm 1922 và người ta đã xác nhận rằng các electron thể hiện xung lượng góc điện tử và momen từ đặc trưng cho các electron.
Khi các điện tử đi qua vật liệu dẫn điện, chúng tán xạ (tán xạ điện tử). Tán xạ điện tử là hiện tượng do tĩnh điện trong vật liệu làm cho các điện tử lệch khỏi quỹ đạo bình thường của chúng.
Lực Lorentz là lực xuất hiện khi các hạt di động (electron) trong vật liệu dẫn điện tiếp xúc với từ trường. Nó ảnh hưởng đến tất cả các hạt tích điện và không phụ thuộc vào spin của electron.
– Cảm biến điện trở từ dị hướng AMR
Năm 1856, William Thomson phát hiện ra hiệu ứng điện trở từ dị hướng (Anisotropic Magneto-Resistive – hiệu ứng AMR) bằng cách quan sát một vật liệu sắt từ được đặt trong môi trường từ trường ngoài.
Khi hướng từ hóa trong vật liệu sắt từ song song với dòng điện, quỹ đạo của electron trở nên vuông góc với dòng điện, điều này làm cực đại điện trở. Đồng nghĩa với sự làm tăng sự tán xạ phụ thuộc vào spin làm tăng điện trở.
Khi hướng từ hóa vuông góc với dòng điện, quỹ đạo của electron trở nên nằm ngang với dòng điện làm giảm sự tán xạ phụ thuộc vào spin, giúp giảm thiểu điện trở.
Nguyên lý hoạt động của phần tử cảm biến AMR
Tốc độ thay đổi điện trở gây ra bởi trạng thái của từ trường được gọi là tỷ lệ điện trở từ (tỷ lệ MR). Tỷ lệ MR cho một phần tử cảm biến AMR là khoảng 5%. Phần tử cảm biến AMR thường được sử dụng trong công tắc từ và cảm biến xoay vì cấu trúc đơn giản của nó.
– Cảm biến điện trở từ khuếch đại GMR
Hiệu ứng điện trở từ khuếch đại (hiệu ứng GMR) được Albert Fert và Peter Grünburg phát hiện độc lập và đồng thời vào năm 1988 bằng cách quan sát cấu trúc màng mỏng dẫn điện không từ tính được kẹp giữa hai lớp vật liệu sắt từ dẫn điện.
Từ hóa của mỗi lớp sắt từ được tiếp xúc với sự tán xạ phụ thuộc vào spin của các electron khi chúng đi qua lớp giữa.
Nếu hướng spin của các electron đi qua lớp sắt từ ngược với hướng từ hóa của vật liệu sắt từ thì hiệu ứng tương tác yếu hơn nhiều so với khi hướng spin song song với từ hóa.
Kết quả là, khi hướng từ hóa của vật liệu sắt từ trên và dưới song song, điện trở đối với dòng điện chạy dọc theo bề mặt ranh giới của vật liệu dẫn điện giảm xuống, trong khi nó tăng lên nếu hướng từ hóa là ngược song song.
Nguyên lý hoạt động của phần tử cảm biến GMR
Cảm biến từ GMR là một phần tử cảm biến từ tính áp dụng hiệu ứng GMR. Nó có độ nhạy từ lớn hơn từ hai đến năm lần so với độ nhạy của phần tử cảm biến AMR. Độ nhạy lớn hơn, cho phép cảm biến GMR phát hiện những thay đổi nhỏ về mật độ từ thông mà các loại cảm biến từ đời trước không thể phát hiện được.
Bằng cách thay thế các cuộn dây trong các đầu đọc-ghi của ổ đĩa cứng, các đầu này có thể được làm nhỏ gọn hơn và nhạy hơn. Điều này đã làm tăng đáng kể mật độ lưu trữ của đĩa cứng, tăng dung lượng lưu trữ của chúng.
Tỷ lệ MR của phần tử cảm biến GMR vào khoảng 20%.
Độ nhạy cao của chúng làm cho các phần tử cảm biến GMR trở thành thiết bị được lựa chọn cho đầu từ, cảm biến quay và các thiết bị khác.
Cảm biến từ đường hầm TMR
Hiệu ứng điện trở từ đường hầm TMR (Tunnel Magneto-Resistance) ở nhiệt độ phòng được phát hiện bởi Giáo sư Terunobu Miyazaki tại Đại học Tohoku vào năm 1995. Phần tử cảm biến TMR là phần tử cảm biến từ tính sử dụng hiệu ứng TMR và được cấu hình từ một lớp cách nhiệt không từ tính rất mỏng xuống đến nanomet được kẹp giữa hai lớp sắt từ. Đường hầm điện tử từ lớp sắt từ này sang lớp sắt từ khác thông qua lớp cách điện. Đây là một hiện tượng cơ học lượng tử.
Điện trở giảm khi hướng từ hóa của hai vật liệu sắt từ song song và tăng khi hướng từ hóa của hai vật liệu sắt từ song song.
Nguyên tắc hoạt động của phần tử cảm biến TMR
Tỷ lệ MR (tỷ lệ thay đổi điện trở tùy thuộc vào trạng thái của từ trường) trong cảm biến TMR hiệu quả có thể đạt hơn 100% trong sản xuất. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, mức độ lên tới 1.000%.
Nhờ độ nhạy cao, các phần tử cảm biến TMR rất lý tưởng để sử dụng trong đầu từ của đĩa cứng hoặc cảm biến góc quay có độ nhạy cao.
d) Cảm biến từ Hall
Cảm biến từ Hall là một ứng dụng của hiệu ứng Hall. Hiệu ứng Hall do Edwin H. Hall phát hiện năm 1879 đã chứng minh rằng lực Lorentz tạo ra một điện áp vuông góc với hướng của dòng điện và từ trường. Điện áp này được gọi là điện áp Hall và theo quy tắc bàn tay trái của Fleming, hướng của điện áp thay đổi theo hướng của từ thông. Độ lớn và hướng (cộng, trừ) của điện áp cho phép phát hiện độ lớn và hướng của từ trường (cực N, cực S).
Nguyên lý hoạt động của phần tử Hall
Độ nhạy từ của cảm biến từ Hall không tốt bằng phần tử cảm biến từ điện trở. Tuy nhiên, đây là một cảm biến từ không dựa vào vật liệu từ tính, nó có thể được sử dụng trong môi trường sắt từ hoặc môi trường khắc nghiệt và do đó tìm thấy ứng dụng làm cảm biến dòng điện hoặc nhiều loại công tắc từ.
e) Từ kế Squid
Từ kế SQUID – Superconducting Quantum Interference Device – là một phần tử cảm biến từ, có khả năng đo từ trường nhỏ bằng cách áp dụng hiệu ứng Josephson. SQUID, với một thiết bị kết hợp chất siêu dẫn hình vòng với Josephson Junction do Brian D. Josephson đề xuất vào năm 1962 là cảm biến từ tính nhạy nhất hiện có.
Cảm biến này có thể phát hiện các trường điện từ của tim và não mà các công nghệ cảm biến khác không thể phát hiện được.
Ưu điểm của cảm biến từ trường
– Làm việc hiệu quả trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau ngay cả những môi trường khắc nghiệt nhất
– Độ bền cao có thể sử dụng trong thời gian dài
– Cấu tạo đơn giản, lắp đặt dễ dàng, hiệu quả sử dụng cao
Ứng dụng của cảm biến từ trường là gì?
Các đơn vị phân phối điện (PDU)
Ngành điện toán đám mây và phân tích dữ liệu lớn đang liên tục đổi mới. Do đó, các đơn vị nguồn cấp điện cho các sever ngày càng được phát triển, và trở thành bộ phận chính không thể thiếu ở các trung tâm dữ liệu và máy chủ lớn.
Cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu cần PDU để cung cấp nguồn điện AC hoặc DC cho các máy chủ. Cảm biến từ trường giúp PDU cung cấp khả năng lọc điện cho máy chủ và cân bằng tải thông minh, đồng thời có thêm lợi ích là được giám sát từ xa.
Robotics và tự động hóa nhà máy
Một lĩnh vực công nghiệp tăng trưởng vượt bậc trong thời gian gần đây khác là về robotics và việc áp dụng tự động hóa nhà máy. Cảm biến từ trường, đặc biệt là cảm biến vị trí tuyến tính và cảm biến từ trường góc đóng một vai trò quan trọng trong việc giữ cho máy móc trong nhà máy hoạt động trơn tru.
Nam châm được sử dụng để theo dõi chuyển động cơ của robot về độ chính xác và quỹ đạo làm việc. Khi nhu cầu tăng lên đối với các dây chuyền sản xuất nhanh hơn và hiệu quả hơn, vai trò của cảm biến từ trường cũng đã phát triển, bao gồm việc sử dụng các công tắc an toàn và phát hiện khoảng cách.
Thiết Bị Năng Lượng và Nước
Mặc dù cảm biến từ trường thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp công nghệ cao, nhưng chúng cũng có thể được sử dụng trong một số ngành cơ sở đã xuất hiện từ lâu đời là điện và nước.
Các cảm biến có thể được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nước thông qua phát hiện cửa mở/đóng thông minh, mức chất lỏng và cảm biến không tiếp xúc, cho phép các công ty tuân thủ các tiêu chuẩn quy định mới được cập nhật. Ngoài ra, cảm biến từ trường có thể được sử dụng trên các thiết bị thông thường như máy hút bụi và tủ lạnh.
Năng lượng xanh
Cảm biến từ trường có thể là một phần quan trọng của dòng điện không tiếp xúc, vị trí góc và cảm biến công tắc cho các nhà máy điện năng lượng xanh như tua-bin gió và trang trại tấm pin mặt trời. Cảm biến vị trí góc đặc biệt quan trọng để cho phép tạo ra năng lượng gió tối ưu trong khi các hộp kết hợp năng lượng mặt trời được hưởng lợi từ các cảm biến dòng điện không tiếp xúc.
Mua cảm biến từ trường ở đâu?
Hiện nay, trên thị trường có hai loại cảm biến từ trường nam châm chính một loại sử dụng trong dân dụng, các công việc sửa chữa cơ bản. Bạn có thể tìm được các loại cảm biến này ở các cửa hàng bán đồ điện tử ở các chợ điện tử trên toàn quốc hoặc cũng có thể tìm kiếm và mua chúng thông qua mạng
Đối với cảm biến từ trường công nghiệp cần độ chính xác cao và khả năng kháng nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Bạn cần phải có các loại cảm biến cao cấp hơn. Vui lòng liên hệ cho Lidinco theo thông tin bên dưới chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn tìm kiếm loại cảm biến công nghiệp phù hợp với nhu cầu của mình
CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
Trụ sở chính: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028.3977.8269 / 028.3601.6797
Email: sales@lidinco.com
Văn phòng Bắc Ninh: 184 Đường Bình Than, Phường Võ Cường, TP. Bắc Ninh
Điện thoại: 0222.7300.180
Email: bn@lidinco.com
