Cảm biến từ

Cảm biến từ (Magnetic Sensor) là gì? Phân loại và nguyên lý hoạt động

1. Cảm biến từ tính là gì?

Cảm biến từ là một cảm biến phát hiện độ lớn của từ tính được tạo ra bởi nam châm hoặc dòng điện và từ tính của trái đất. Phần này giải thích các loại cảm biến điển hình và tính năng của chúng.

2. Các loại cảm biến từ và nguyên lý hoạt động

2.1 Cuộn dây

Cuộn dây là cảm biến từ trường đơn giản nhất có thể phát hiện những thay đổi của mật độ từ thông. Như hình 1, khi đưa nam châm lại gần cuộn dây, mật độ từ thông trong cuộn dây tăng thêm ΔB. Khi đó, suất điện động cảm ứng / dòng điện cảm ứng tạo ra từ thông theo hướng cản trở sự gia tăng mật độ từ thông được tạo ra trong cuộn dây. Ngược lại, di chuyển nam châm ra khỏi cuộn dây làm giảm mật độ từ thông trong cuộn dây, do đó trong cuộn dây sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng làm tăng mật độ từ thông.

Sơ đồ nguyên lý cuộn dây cảm bién từ
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cuộn dây cảm bién từ

Ngoài ra, vì không có sự thay đổi mật độ từ thông khi nam châm không di chuyển nên sẽ không tạo ra suất điện động cảm ứng hoặc dòng điện cảm ứng. Bằng cách đo hướng và độ lớn của suất điện động cảm ứng này, có thể phát hiện sự thay đổi mật độ từ thông.

Bởi vì cấu trúc đơn giản của nó, một cuộn dây không dễ bị hư hỏng. Tuy nhiên, điện áp đầu ra phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của từ thông. Có thể không sử dụng cuộn dây để phát hiện nam châm cố định hoặc từ thông thay đổi rất chậm.

2.2 Công tắc sậy (Reed switch)

Công tắc sậy là một cảm biến trong đó các mảnh kim loại (cây sậy) kéo dài từ cả hai bên trái và phải được bao bọc trong một ống thủy tinh có khoảng trống ở vị trí chồng lên nhau của các cây sậy. Khi một từ trường được đặt bên ngoài, những cây sậy này sẽ bị nhiễm từ. Khi lau sậy bị nhiễm từ, các phần chồng lên nhau sẽ hút nhau và tiếp xúc với nhau, khi đó công tắc sẽ bật.

Sơ đồ nguyên lý Reed switch
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý Reed switch

2.3 Phần tử Hall (Hall Element)

Phần tử Hall là một thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall. “Hall” xuất phát từ tên của Tiến sĩ Hall vì đã khám phá ra hiệu ứng Hall. Dựa vào hiện tượng suất điện động xuất hiện có phương trực giao với cả dòng điện và từ trường khi tác dụng một từ trường vuông góc với dòng điện vào vật mà dòng điện chạy qua.

Sơ đồ nguyên lý phần tử Hall
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý phần tử Hall

Khi một dòng điện được đặt vào một chất bán dẫn màng mỏng, một điện áp tương ứng với mật độ từ thông và hướng của nó được tạo ra bởi hiệu ứng Hall. Hiệu ứng Hall được sử dụng để phát hiện một từ trường, (thể hiện trong Hình 3).

Phần tử Hall có thể phát hiện ra từ trường ngay cả trong trường hợp từ trường tĩnh mà mật độ từ thông không thay đổi. Do đó, các phần tử Hall được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như công tắc không tiếp xúc được sử dụng kết hợp với nam châm, cảm biến góc và cảm biến dòng điện. Cảm biến địa từ sử dụng phần tử Hall được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh và các ứng dụng khác.

2.4 Phần tử từ trở (Magnetoresistive Element)

Một phần tử từ trở (Magnetoresistive – MR) là phần tử có điện trở thay đổi khi có lực từ tác dụng

Ngoài phần tử từ trở bán dẫn, (SMR), có ba loại cảm biến làm ví dụ đại diện cho phần tử từ trở sử dụng vật liệu màng mỏng sắt từ: phần tử từ trở dị hướng (AMR), phần tử từ trở “Giant” (GMR) và Phần tử từ trở Tunnel (TMR).

2.4.1 Phần tử từ trở bán dẫn (SMR)

Trong khi phần tử Hall là một cảm biến đo điện áp Hall do lực Lorentz tạo ra, thì phần tử điện trở là một cảm biến sử dụng sự thay đổi giá trị điện trở do lực Lorentz gây ra. 

Sơ đồ nguyên lý phần tử từ trở bán dẫn
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý phần tử từ trở bán dẫn

Hình 4 cho thấy giá trị điện trở của phần tử từ trở bán dẫn loại N (SMR: Semiconductor Magnetoresistive), thay đổi như thế nào. 

Các điện cực kim loại được đặt trên một màng mỏng bán dẫn trong cấu trúc của SMR. Khi một dòng điện theo chiều kim đồng hồ như trong hình vẽ chạy qua màng mỏng bán dẫn, các điện tử là hạt tải điện (Electron) của chất bán dẫn loại N chạy ngược chiều kim đồng hồ, và vận tốc của vectơ được giả định là “v”. Khi đặt một từ trường B có định hướng như trong hình, các điện tử chịu lực Lorentz và đường đi trở nên dài hơn khi bị uốn cong,

Cảm biến sử dụng phần tử SMR được sử dụng để phát hiện chuyển động quay của bánh răng.

2.4.2 Phần tử từ trở dị hướng (AMR)

Mức độ tán xạ của điện thay đổi giữa trường hợp (a) trong đó chiều từ hóa của màng sắt từ song song với chiều dòng điện và trường hợp (b) nơi hướng từ hóa vuông góc với chiều dòng điện. Do đó, giá trị điện trở cũng thay đổi.

Phần tử từ trở dị hướng
Hình 5: Phần tử từ trở dị hướng

2.4.3 Phần tử từ trở Giant (GMR)

Trong trường hợp màng nhiều lớp của vật liệu sắt từ (lớp ghim), kim loại không từ tính và vật liệu sắt từ (lớp tự do), mức độ tán xạ của điện tử thay đổi tùy thuộc vào hướng từ hóa của lớp được ghim và lớp tự do là không song song (a) hoặc song song (b). Do đó, giá trị điện trở thay đổi.

Phần tử từ trở Giant
Hình 6: Phần tử từ trở Giant

2.4.4 Phần tử từ tính Tunnel (TMR)

Trong trường hợp màng nhiều lớp bằng vật liệu sắt từ (lớp ghim), chất cách điện và vật liệu sắt từ, (lớp tự do), tỷ lệ các điện tử đi qua chất cách điện thay đổi do hiệu ứng Tunnel và giá trị điện trở thay đổi tùy thuộc vào hướng của từ hóa của lớp ghim và lớp tự do là không song song (a) hoặc song song (b).

Phần tử từ trở Tunnel
Phần tử từ trở Tunnel

Cảm ơn Bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc Bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Bài viết được tham khảo từ nhà sản xuất cảm biến từ AKM

Bài viết liên quan:

  1. Cảm biến tiệm cận là gì? Các loại cảm biến tiệm cận và ứng dụng
  2. Cảm Biến Hồng Ngoại là gì? Nguyên lý hoạt động, Các câu hỏi thường gặp
  3. Các loại Cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
  4. Cảm biến áp suất là gì? Các công nghệ chế tạo và Nguyên lý hoạt động
  5. Load Cell là gì? Phân loại và nguyên lý hoạt động của Load Cell
  6. Cảm biến quang là gì? Phân loại, Nguyên lý hoạt động và Ứng dụng
  7. Cảm biến siêu âm là gì? Những câu hỏi thường gặp

Thư viện bài viết:

Chia sẻ Bài viết!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *