11.2.7 Датчики Виганда
Принцип действия датчика основан на так называемом эффекте Виганда.
Этот эффект проявляется в том, что если ферромагнитную проволоку, имеющую специальный химический состав и физическую структуру, внести в магнитное поле, то произойдет спонтанное изменение ее магнитной поляризации, как только напряженность поля превысит некоторое пороговое значение. Этот предел называется порогом зажигания. Изменение состояния проволоки можно регистрировать при помощи обмотки, намотанной вокруг проволоки или размещенной рядом с ней.
Датчик Виганда представляет собой двухполюсник, реагирующий на магнитные поля и вырабатывающий сигналы до нескольких вольт при условии, что напряженность управляющего магнитного поля превышает величину напряженности порога зажигания.
Датчики Виганда не требуют какого-либо источника питания, их выходной сигнал практически не зависит от частоты изменения поля, и их можно использовать в широком диапазоне рабочих температур (-196…+175 °С).
Конструкция простейшего датчика Виганда приведена на рис. 11.43. Датчик состоит из проволоки, изготовленной из ферромагнитного сплава типа викаллой (10% ванадия, 52% кобальта и железа), и обмотки. Точный состав материала проволоки, как правило, является секретом фирмы.Проволока Виганда (рис.11.44.) представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки. Получать такие структуры удается за счет использования специальной технологии изготовления. Диаметр проволоки 0,2-0,3 мм, длина – 5 – 40 мм. Обмотка датчика обычно составляет 1000-2000 витков медного провода диаметром 0,05-0,1 мм.
Модульное исполнение датчика, состоящего из проволоки, обмотки и постоянного магнита, позволяет разрабатывать большое число вариантов датчиков перемещения. Область их применения простирается от задач измерения и контроля до систем управления доступом, в которых они служат носителями информации в идентификационных картах.
а) обмотка 
\ Проволока
\ Проволока
Рис.11.43.Конструкция датчика Виганда: а) – с обмоткой, б) – с обмоткой и постоянным магнитом.
оболочка
сердцевина
Рис.11.44.Структура проволоки Виганда.
Ниже приводятся некоторые примеры, которые дают представления о широкой области применения датчика Виганда. На рис. 11.45 поясняется принципиальная схема восприятия вращательного движения. Проволока с обмоткой вокруг нее фиксируется, тогда как магнит насыщения и магнит гашения располагаются на вращающемся барабане, изготовленном из алюминия. Для датчика длиной 40 мм, установленном в промежутке от 1 до 2 мм между проволокой и вращающимся барабаном, используются два стержневых магнита с индукцией 80 и 30 мТл соответственно для генерации сигнала с амплитудой по 2 В при достаточной временной стабильности.
Для того чтобы исключить установку двух подвижных магнитов, магнит гашения (30 мТл) можно расположить очень близко к датчику (рис.11.46). При фиксированном магните гашения в качестве подвижного магнита насыщения должен использоваться более «сильный» магнит, чтобы компенсировать поле магнита гашения. В этом заключается достоинство датчика, который всегда «видит» поле любого магнита и, следовательно, менее восприимчив к внешним полям. Если требуется получить более одного импульса за один оборот, можно воспользоваться другой конструкцией. Проволоки Виганда равномерно распределяют вокруг барабана из цветного металла и ориентируют параллельно его оси. Проволоки получаются подвижными и отделенными от обмотки датчика, которая вместе с двумя магнитами располагается в головке
Барабан
Магнит гашения
Рис.11.45. Пример использования датчика Виганда с одной обмоткой в качестве датчика угла вращения
б)
Барабан
Магнит насыщения
Датчик Виганда
Рис. 11.46. Пример использования датчика Виганда с одной обмоткой и постоянным магнитом гашения в качестве датчика угла вращения.
воспроизведения. Относительно датчика с вращающимися магнитами в этом случае изменяются параметры проволоки и магнита. Вследствие меньшего диаметра проволоки угловое разрешение этого датчика угла вращения может быть значительно увеличено. Стержневые магниты и обмотка датчика между ними ориентированы параллельно проволокам. Магниты имеют противоположную полярность, и их индукция соответственно равняется ±60 мТл.
При некотором изменении конструкции датчик может быть использован в качестве двухнаправленного прибора. При этом выходной сигнал примет вид, показанный на рис. 11.47.
Датчики вращательного движения можно легко превратить в датчики линейного перемещения. Если в качестве исходного материала взять описанные варианты датчиков вращательного движения, то проще всего вставить проволоки между полосками пластиковой или алюминиевой фольги. Эти полоски крепят к поверхностям с помощью клея, зажимных приспособлений или прессованием, соблюдая линии изгиба соответствующего радиуса. Подобные датчики используют совместно с одно- и двухнаправленными головками воспроизведения с разрешением 2 мм. Производство таких датчиков экономично.
Рис 11.47. Вид выходного сигнала двухнаправленного датчика Виганда
Вследствие остаточной намагниченности проволока Виганда остается в намагниченном состоянии до тех пор, пока поле возбуждения, достаточно сильное для того, чтобы преодолеть коэрцитивную силу проволоки, не переключит ее в противоположное состояние.
Это свойство может быть использовано для хранения информации так, как это происходит в устройствах памяти на магнитных сердечниках.
Способность датчика к хранению информации остается стабильной до тех пор, пока не будет уменьшена в результате воздействия сильных внешних полей. Поскольку хранение информации не требует какой-либо электрической энергии, ключи на основе эффекта Виганда очень удобны для ввода данных с циклическим опросом. Вследствие запоминания данных скорость опроса может быть значительно снижена. В случае отключения питания подключенной схемы опроса ни одно действие ключа не будет потеряно.
Способность проволоки Виганда хранить данные очень успешно используется в считываемых идентификационных картах. Они состоят из двух рядов коротких кусков проволоки, представляющих 0 и 1 (максимальная емкость 56 бит), которые вставлены в пластиковые карты точно установленного размера, Перед тем как карта поступит на устройство считывания, все проволоки должны быть насыщены в одном и том же направлении магнитного насыщения. Следовательно, информация станет полностью независимой от воздействия внешних полей, которые могут изменять магнитное состояние проволок перед считыванием. Информация основана только на геометрической конфигурации проволок и поэтому не изменяется.