Hallův senzor hlídá okna v budovách

Senzory citlivé na magnetické pole pronikají do mnoha oblastí zejména proto, že je na čipu spolu se senzorem integrována vyhodnocovací elektronika, takže jde o „chytré“ snímače s různorodými možnostmi použití. Integrace na křemíkovém substrátu umožňuje velkosériovou výrobu, která přispívá k příznivé ceně snímačů a k jejich rozšíření.

Na veletrhu Sensor+Test 2012 v Norimberku bylo možné si ve stánku Fraunhoferova insitutu pro integrované obvody IIS (Institut für Interierte Schaltungen, [1]) prohlédnout zařízení pro indikaci polohy okna (obr. 1). Základem je magnetický senzor HallinOne, který měří magnetické pole permanentního magnetu připevněného na pohyblivé části okna.

Ke každému oknu se senzorem přísluší jeden datový uzel, který vyhodnocuje data ze senzoru a předává je do centrálního počítače v domě. Zpracovaná data lze využít k dohledu a ochraně objektů v systémech automatizace budov. Datovým uzlem jsou každé čtyři sekundy odečítány hodnoty ze senzoru. To zaručuje malou spotřebu energie z lithiové baterie, která tak vydrží až dvanáct let. Senzory lze zabudovat i do stávajících oken. Cena senzoru zatím není známa, jeden datový uzel stojí přibližně 50 eur (obr. 1).

Při předvádění senzoru na veletrhu byly na monitoru vidět hodnoty magnetického pole ve všech třech osách a vedle bylo zobrazeno přímo příslušné okno otevřené, zavřené nebo zčásti vyklopené (obr. 2).

Další vývoj systému hlídání oken směřuje k bezbateriovému napájení senzoru i datového uzlu energií z termogenerátoru zabudovaného do rámu okna a využívajícího rozdíl venkovní a vnitřní teploty.

Princip senzoru HallinOne

Pro určení polohy v prostoru se používá trojrozměrné měření magnetického pole Hallovým senzorem vyrobeným na křemíkovém substrátu standardním procesem CMOS, který umožňuje integrovat v jediném čipu i vyhodnocovací jednotku [3]. Měřeny jsou hodnoty magnetického pole v osách x, y a z. Z nich je pak vyhodnocována poloha okna.

Senzor je necitlivý k vnějším rušivým magnetickým polím a nepotřebuje teplotní kompenzaci. Pro každou magnetickou osu je zvláštní čidlo a naměřené hodnoty jsou digitalizovány přímo na čipu.

Citlivost senzoru v ose z je přibližně 200 mV/T (při offsetu menším než 2 µV), na osách x a y jen 40 mV/T (při offsetu menším než 20 µV). Maximální rozlišení v ose z je 0,6 µT (při šířce pásma 100 Hz) u obou dalších os je rozlišení 6 µT.

Hallovy senzory vyrobené na základě křemíku vykazují při vyšších teplotách menší citlivost. Citlivost senzoru HallinOne je při teplotě 100 °C zmenšena o 30 %. Při vektorovém vyhodnocování magnetického pole však není absolutní citlivost omezujícím faktorem.

Vícerozměrné magnetické senzory HallinOne jsou částí obsáhlé knihovny senzorů, ze které je možné sestavovat komplexní snímače pro měření magnetického pole v zákaznických integrovaných obvodech ASIC. Zejména lze na jediném čipu integrovat převodníky A/D i D/A, mikroprocesory, sběrnicová rozhraní a libovolné logické obvody. Je tak možné realizovat celý měřicí systém na čipu – SoC (System on Chip). Toto řešení je dobrou ochranou proti kopírování, při sériové výrobě navíc klesne cena čipů.

Dalšími výhodami jsou menší rozměry a lepší funkční spolehlivosti díky menšímu počtu vnějších spojů. Na čipu je možné kombinovat senzory magnetického pole např. se senzory teploty, světla a dalších fyzikálních veličin.

Další použití senzoru

Hallovy senzory lze použít také ve snímačích proudu, které měří magnetické pole vznikající průtokem proudu. Značná citlivost senzorů a možnost kompenzovat teplotní závislost a offset integrovanou vyhodnocovací elektronikou dovolují eliminovat vliv magnetického pole koncentrujících prvků (např. feritových jader). Je vyloučen také vliv hystereze a nevznikají ani problémy při nasycení feromagnetických prvků. Konstrukce snímačů proudu je zjednodušena a zmenšena.

S integrovaným magnetickým senzorem lze výhodně sestavit ovládací páku (joystick). Senzor umožňuje bezdotykové trojrozměrné určení polohy páky, na jejímž spodním konci se nachází permanentní magnet. Poloha magnetu v prostoru je nepřetržitě určována z naměřených hodnot. K pohyblivé páce není nutné vést žádný kabel a díky tomu fungují ovládací páky dobře i v zaprášeném nebo vlhkém prostředí.

Možnost téměř bodového měření magnetického pole ve všech třech osách a vektorové vyhodnocení dovolují využívat senzory v mnoha dalších oblastech, jako jsou: jednoduché nebo tříosé magnetické spínače, trojrozměrné měření magnetických polí a charakteristik permanentních magnetů, bezkontaktní potenciometry, přibližovací spínače (až do vzdálenosti 15 cm) a mnohé jiné.

Použití senzoru v pračce

Ve většině moderních praček je zabudován senzor polohy, jenž je založen na trojrozměrném měření magnetického pole. Senzor udává přesnou polohu bubnu a měřicí signál je sběrnicí přenášen do řídicího počítače. Informace o poloze bubnu určuje při vkládání prádla jeho hmotnost a při praní nevyváženost bubnu. To pračce umožňuje při nevhodném rozložení prádla přerušit praní a prádlo vhodně přemístit. Snímač polohy určuje polohu bubnu v prostoru s přesností 0,1 mm (měřicí kmitočet je 50 Hz). Senzor s vyhodnocovací elektronikou a napojením na sběrnici odebírá 25 mA při napájecím napětí 9 V.

Literatura:

[1] www.iis.fraunhofer.de [cit. 5. 4. 2013].

[2] s-net – Drahtlose sensornetze Evaluation-Kit DATA. Prospekt Fraunhofer IIS Abteilung KOM (Kommunikationsnetze), Nürnberg.

[3] Taschka, K.: Intelligente 3D-Magnetfeldsensorik. Fraunhofer IIS Erlangen.

[4] www.seuffer.de [cit. 5. 4. 2013].

           Ing. Jan Hájek

Obr. 1. Otevřené okno vybavené senzorem, v popředí datové uzly

Obr. 2. Na monitoru jsou zobrazeny hodnoty magnetického pole a obrázek otevřeného okna