Czujniki zbliżeniowe to elementy, które znalazły zastosowanie przede wszystkim w aplikacjach automatyki przemysłowej, ale można je również spotkać w urządzeniach powszechnego użytku.

Cel

Celem ćwiczenia jest wykorzystanie zasad generowania i wykrywania pola magnetycznego do zbudowania prostego czujnika zbliżeniowego i obserwowania, jak jego napięcie wyjściowe wzrasta, gdy elektromagnes zbliża się do niego.

Podstawy teoretyczne

Prosty czujnik zbliżeniowy wykrywa, jak blisko jeden obiekt znajduje się od drugiego i może być używany do wielu zastosowań, od prostego wykrywania otwartych i zamkniętych drzwi i okien po zaawansowane, precyzyjne czujniki położenia bezwzględnego. Istnieje wiele konstrukcji czujników zbliżeniowych, które są wybierane w zależności od zastosowania. Przykładowo, w jednej z nich wykrywane jest natężenia pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes (często magnes stały, ale może to być również elektromagnes). W tym ćwiczeniu generujemy pole magnetyczne za pomocą solenoidu z rdzeniem ferrytowym. Solenoid to cewka z drutu owinięta w sposób cylindryczny wokół rdzenia (zwykle w celu wytworzenia cewki indukcyjnej o określonej indukcyjności). Może to być też elektromagnes.

Cewka indukcyjna 100 μH może być używana do generowania pola magnetycznego, które jest wystarczająco silne, aby mogło zostać wykryte przez czujnik pola magnetycznego AD22151. Układ AD22151 jest liniowym przetwornikiem pola magnetycznego. Na wyjściu tego elementu pojawia się napięcie proporcjonalne do pola magnetycznego przyłożonego prostopadle do górnej powierzchni obudowy. Działanie czujnika pola magnetycznego AD22151 opiera się na efekcie Halla. Jest to zjawisko, w którym napięcie (napięcie Halla) powstaje na końcach przewodniku przez który płynie prąd znajdujący się w polu magnetycznym. Przewodnik musi być przy tym ułożony prostopadle do linii sił pola magnetycznego. Napięcie Halla jest spowodowane polem elektrycznym wytwarzanym przez odchylenie poruszających się ładunków przez pole magnetyczne za pośrednictwem siły Lorentza.

Materiały

• Uniwersalny zestaw pomiarowy ADALM2000
• Stykowa płytka prototypowa
• Zestaw przewodów połączeniowych
• Cztery rezystory 100 Ω
• Jedna cewka indukcyjna 100 μH
• Jeden przetwornik pola magnetycznego AD22151
• Dwa rezystory 470 Ω
• Jeden rezystor 100 kΩ
• Jeden kondensator 0,1 μF
• Jeden kondensator 10 μF
• Jeden rezystor 200 kΩ
• Jedna dioda LED

Konfiguracja sprzętu

Zacznij od zbudowania na płytce stykowej obwodu elektromagnesu przedstawionego na rys. 1.

Rys. 1. Obwód elektromagnesu

Dodaj do płytki stykowej układ czujnika efektu Halla z przetwornikiem pola magnetycznego AD22151 (rys. 2).

Rys. 2. Obwód czujnika efektu Halla

Połączenia płytki prototypowej pokazano na rys. 3.

Rys. 3. Połączenia płytki prototypowej magnetycznego czujnika zbliżeniowego

Procedura

Użyj generatora sygnału W1 do wygenerowania stałego napięcia 5 V jako wejście VCC układu AD22151. Włącz dodatnie zasilanie V+ do 5 V, aby zasilić elektromagnes. Przebieg z wyjścia AD22151 oglądany w kanale 1 oscyloskopu z elektromagnesem daleko od chipu i bez pola magnetycznego obecnego w pobliżu czujnika.

Napięcie to odpowiada zerowemu punktowi gaussa i idealnie odpowiada średniemu napięciu zasilania, które przy zasilaniu 5,0 V wynosi 2,5 V. Będzie się ono jednak różnić od średniego napięcia zasilania z powodu offsetu prądu stałego w czujniku i wzmacniaczu operacyjnym pomnożonemu przez wzmocnienie zamkniętej pętli wzmacniacza operacyjnego.

Rys. 4. Przesunięcie napięcia wyjściowego

Jeśli elektromagnes znajduje się bliżej układu scalonego, napięcie wyjściowe wzrośnie proporcjonalnie do obecnego pola magnetycznego. Na rys. 5 zilustrowano sytuację, w której napięcie wyjściowe czujnika wzrasta, gdy elektromagnes znajduje się blisko układu scalonego i spada z powrotem do napięcia spoczynkowego, gdy elektromagnes znajduje się dalej od układu scalonego

Rys. 5. Zmiana napięcia wyjściowego podczas zbliżania elektromagnesu do czujnika

Napięcie offsetu wyjściowego można zmienić, dodając rezystor R4 między zasilaniem 5,0 V a węzłem sumującym wzmacniacza operacyjnego na nóżce 6. Celem jest zmniejszenie napięcia wyjściowego czujnika bez przyłożonego pola magnetycznego jak najbliżej dolnego końca jego zakresu liniowego. Wartość R4 obliczymy w kilku następnych krokach.

Oznaczymy V_CC jako napięcie zasilania AD22151 i V_MID jako średnie napięcie zasilania.

Zmierz V_CC za pomocą woltomierza w kanale 2. Aby obliczyć R4, konieczne jest poznanie prądów wpływających i wypływających z węzła sumującego wzmacniacza operacyjnego. Prąd płynący przez R2 jest zdefiniowany jako I_R2. W idealnych warunkach prąd ten wynosiłby zero, ponieważ napięcie po każdej stronie byłoby równe V_MID, ale istnieje niewielkie napięcie offsetu między wewnętrznym napięciem wyjściowym czujnika efektu Halla z zerowym polem a wewnętrznie buforowanym V_REF. W przypadku małych wzmocnień napięcie to można w wielu przypadkach zignorować, ale należy je uwzględnić w obwodach o dużym wzmocnieniu, takich jak ten.

Za pomocą woltomierza zmierz i zapisz napięcie na nóżce 7 i określ je jako V_REF. Zmierz i zapisz za pomocą woltomierza napięcie na nóżce 6 i określ je jako V_CM. Jest to napięcie w wspólne na wejściu wzmacniacza operacyjnego i jest sterowane tak, aby było bardzo zbliżone do wyjścia wewnętrznego czujnika Halla przez ujemne sprzężenie zwrotne. Oblicz napięcie na R2 jako:

V_R2 = V_REF – V_CM (1)

a prąd płynący przez R2 jako:

I_R2 = V_R2/235 Ω (2)

Prąd płynący przez rezystor sprzężenia zwrotnego R3 można obliczyć, biorąc pod uwagę napięcie wyjściowe czujnika z elektromagnesem daleko od układu scalonego, odpowiadające zerowemu punktowi gaussa czujnika. Zdefiniuj to napięcie jako V_OUT,Z i oblicz prąd w następujący sposób:

I_R3 = (V_CM – V_OUT,Z)/100 kΩ (3)

Oblicz offset napięcia niezbędnego do przesunięcia V_OUT,Z z aktualnego poziomu w dół do niższego poziomu, w tym przypadku 0,5 V. Należy pamiętać, że jest to wartość ujemna i jest obliczana jako:

V_SHIFT = 0,5 V – V_OUT,Z (4)

Dodatkowy prąd, I_SHIFT, wymaganego przez rezystor sprzężenia zwrotnego R3 do przesunięcia V_OUT,Z do 0,5 V jest obliczany jako:

I_SHIFT = V_SHIFT/100 kΩ (5)

Należy zauważyć, że jest to wartość ujemna, ponieważ V_SHIFT jest ujemne. Prąd płynący do węzła sumującego przez R4, I_R4, który jest używany do utworzenia pożądanego przesunięcia, jest w kierunku przeciwnym do I_SHIFT, więc możemy napisać I_R4 = -I_SHIFT, co jest wielkością dodatnią.

Oblicz wartość R4, zauważając, że napięcie na R4 jest różnicą między V_CC i V_CM, jako:

R4 = (V_CC – V_CM)/IR4 (6)

Rys. 6. Obwód z rezystorem R4, który zmienia napięcie offsetu

Wybierz rezystor z zestawu, który jest najbliższy wartości obliczonej dla R4. Zaokrąglij w górę, aby każdy błąd skutkował wyższym napięciem wyjściowym. Umieść R4 w układzie, jak pokazano na schemacie na rys. 6. Na rys. 8 pokazano również, jak ten rezystor jest umieszczony na płytce stykowej. W tym przypadku najbliższą wartością dostępną w zestawie jest 200 kΩ. W kanale 1 oscyloskopu widać, że wyjściowe napięcie offsetowe spadło do dolnego końca zakresu liniowego, blisko pożądanego poziomu 0,5 V.

Rys. 7. Obniżone napięcie offsetu wyjściowego

Magnetyczny czujnik zbliżeniowy ze wskaźnikiem LED

Jako wskaźnika wizualnego można użyć diody LED dołączonej do wyjścia czujnika zbliżeniowego. Podłączenie można wykonać jak na rys. 8. Umieść rezystor 100 Ω między anodą diody LED a wyjściem czujnika. Ograniczy to prąd przepływający przez diodę LED. Katoda jest podłączona do GND. Zauważysz, że intensywność światła LED wzrasta, w miarę zbliżania elektromagnesu do chipu, ponieważ pole magnetyczne zwiększa napięcie wyjściowe czujnika.

Rys. 8. Magnetyczny czujnik zbliżeniowy ze wskaźnikiem LED

Pytania:

1. Jak zmieni się odpowiedź obwodu, jeśli zmieni się wartość cewki indukcyjnej?
2. Dlaczego chcemy obniżyć wyjściowe napięcie offsetowe?

Autorzy oryginału: Andreea Pop, Antoniu Miclaus

Opracowanie: Jarosław Doliński