تولید سنسور زاویه‌ای بر مبنای اثر مگنتو الکتریک

اثر مگنتو الکتریک یعنی ایجادِ (القای) قطبش توسط اعمال یک میدان مغناطیسی یا القای مغناطیس کنندگی (مغناطیش پذیری)^[1] با اعمال میدان الکتریکی می‌باشد (به عبارت دیگر، اثر مگنتو الکتریک پدیده‌­ای است که با اعمال کردن میدان الکترکی (یا مغناطیسی) بتوانیم قطبش مغناطیسی (الکتریکی) را القاء کنیم). مهم‌ترین شاخص کارایی آن (اثر مگنتو الکتریک)، ضریب ME است که محققان بسیاری آن را مورد توجه قرار داده و در مورد چگونگی افزایش آن (ضریب  ME)، مطالعه و بررسی کرده‌­اند. روش مدار معادل، روش خصوصیت­‌های مکانیکی الاستیک ^[2]، تکنیک تابع گرین و اصل همیلتون مورد استفاده قرار گرفتند تا یک مدل فرضی (نظری) از اثر ME ساخته شود.
نقش اثر مغناطیس زدایی شکل­‌ها (اجزا) ^[3] برای بهینه سازی مدل فرضی اثر ME، مورد بحث قرار گرفت. نتایج حاصله، کاربرد بالقوه اثر ME در سنسورهای مغناطیسی و برداشت کننده‌های انرژی را اثبات کردند. از اثر ME می­‌توان مستقیماً برای برداشت انرژی مغناطیسی استفاده کرد. اما آن نوع از انرژی مغناطیسی را که بتوان برداشت کرد در تولید و زندگی غیر معمول است. اثر ME معمولاً برای برداشت انرژی مکانیکی مورد استفاده قرار می­‌گیرد.
برای برداشت انرژی دورانی/ چرخشی و ارتعاشی توسط اثر ME، تعدادی سازه مکانیکی (وسیله مکانیکی) که بتواند انرژی مکانیکی را به انرژی مغناطیسی تبدیل کند، مورد نیاز است. یک تیر آزاد ^[4] (پایه‌­ای که یک طرف آن گیردار باشد) با مواد مغناطیسی متصل به انتهای آزاد (طرف باز، رایج­‌ترین گزینه انتخابی برای این منظور است. زمانی که اثر ME به طور مستقیم برای تشخیص میدان مغناطیسی مورد استفاده قرار می­‌گیرد، حساسیت گزارش شده از یک کامپوزیتِ FeCuNbSiB/Ni/PZT در حدود  10.12 V/Oe می‌­باشد.
یک سنسور زاویه‌ای میدان ژئومگنتیک (وابسته به جاذبه زمین) بر پایه یک ساختار ورق‌ه­ای مت گلاس (فلز شیشه)/ PZT را می­‌توان به طور کامل سروو کرد (به سیستم خوردکار تبدیل کرد) تا نیرو و چرخش میدان مغناطیسی اندازه گیری شود. از آن جایی که میدان مغناطیسی متغیر در اطراف سیم منتقل کننده جریان  AC وجود دارد‌، بنابراین اثر ME را می‌­توان برای اندازه گیری جریان، مورد استفاده قرار داد. علاوه بر این، اگر یک فرآیند فیزیکی بتواند یک میدان مغناطیسی را به کمک برخی از سازه‌ها و وسایل مکانیکی مورد نیاز تولید کند، اثر ME را می­‌توان برای شناسایی و تشخیص پارامترهای فیزیکی مورد نظر، مورد استفاده قرار داد.

حرکت چرخشی (دورانی) یکی از رایج‌ترین و مهم‌ترین حرکت‌های مکانیکی در زندگی مردم و تولید می‌باشد. درک (مشاهده) و اندازه‌گیری پارامترهای چرخشی از جمله پوزیشن (موقعیت)، سرعت و غیره، مربوط به کارایی عملیاتی این دستگاه‌ها و استفاده امن از آن‌ها می‌باشد. برای برآوردن و تأمین تقاضای موجود برای دستگاه‌های مختلف، انواع مختلفی از سنسورهای زاویه‌ای بر مبنای اصول و مفاهیم نوری، الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده و توسعه یافته‌اند. یک رمز گذار گریتینگ (شبکه‌ای) نوری که دقت و قدرت تشخیص (رزولوشن) بالایی دارد، به طور گسترده در بسیاری از ابزار ماشینی برای ایجاد دقت (ساخت دقیق)، مورد استفاده قرار گرفته است.
اما آن برای محیط کار، سخت گیرانه است. بر مبنای مفهوم گریتینگ نوری و بر اساس دانش مغناطیس و الکتریسیته، یک گریتینگ مغناطیسی و یک گریتینگ خازنی ایجاد شده‌اند و به طور موفقیت آمیزی در رمزگذاری مغناطیسی و مبدل‌های گریتینگ خازنی ( ‌ترانسدوکتورها) مورد استفاده قرار گرفته‌اند. رمزگذار مغناطیسی در مقایسه با رمزگذار گریتینگ نوری، دارای ساختار ساده‌ای است و مقاومت خوبی در برابر محیط‌های آلوده و مرطوب از خود نشان می‌دهد. علاوه بر این، ساختار گریتینگ (تروی/ شبکه)، به صورت یک تیغ/ شمشیر دو لبه می‌باشد.
این رمز گذار‌ها معمولاً بزرگ‌تر و گران‌تر می‌باشند اگر که دقت بالاتری در اندازه گیری زاویه‌ای، مورد نیاز باشد. امروزه، یک وسیله سنکرونیزه کننده (سنکروز/ سینکرومش) و تفکیک کننده سنکرویی‌، به عنوان سنسورهای زاویه‌ای، در کاربردهای صنعتی گسترده می‌باشد اگرچه آن‌ها در محیط‌های نامساعد دارای دقت پایدار و قدرت (بدون اشکال) می‌باشد‌، اما از مشکل بزرگ بودن حجم نمی‌توان چشم پوشی کرد.

با پیشرفت تکنولوژی و توسعه‌ی چند منظوره ( چندعاملی) در فیوژن (هم جوشی و ترکیب)، مشخصه‌های سنسور زاویه‌ای (از جمله، سایز کوچک، پاور/ توان پایین و به هم پیوستگی آسان (پیوستگی آسان اجزاِ)، نقش مهمی را ایفا می‌کنند. محققان تعدادی سنسور زاویه‌ای مغناطیسی را طراحی کرده‌اند که متشکل از سنسورهای هال (Hall) می‌باشند که اطراف یک حلقه مغناطیسی (مغناطیسی/ آهنربایی شده) محوری کوچک یا آهنربای حلقه‌ای/ استوانه‌ای که کاملا مغناطیسی شده است (در امتداد و راستای قطر مغناطیسی شده است)، واقع شده ‌و الکتریک که متشکل از MPLC و MPMR می‌باشد، مطرح شد تا نقش اثر ME در تشخیص (آشکارسازی) پارامترهای چرخشی، مورد استفاده قرار گیرد. بر اساس این سنسور، سرعت چرخشی را می‌توان با محاسبه بسامد سیگنال خروجی و موقعیت چرخشی (موقعیت حاصل از دوران) توسط افتراق فاز (تفکیک و تمیز فاز) به دست آورد.
در این سنسور، اثر ME برای تشخیص و یافتن میدان مغناطیسی AC که توسط حلقه آهنربایی تولید شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، این سنسور فقط برای تست‌های دینامیکی مناسب است. در این مقاله، برای درک چگونگی انجام تست‌های استاتیک و دینامیکی توسط اثر ME، یک سنسور زاویه‌های (متشکل ازMPLC ، MPMR، سیم پیچ مدولاسیون و یک محور استوانه‌ای) و اصول کاری آن در بخش‌های بعدی توضیح داده شده است.
[1] magnetization
[2] elastic mechanics method
[3] Shape demagnetizing effect
[4] cantilever beam