эффект Виганда

Эффект Виганда — нелинейный магнитный эффект, названный в честь его первооткрывателя Джона Р. Виганда , который производится в специально отожженной и закаленной проволоке, называемой проволокой Виганда. [1]

Принцип действия датчика Виганда и внешнего магнитного поля

Проволока Виганда — это низкоуглеродистый викалой , ферромагнитный сплав кобальта , железа и ванадия . Первоначально проволока полностью отожжена. В этом состоянии сплав «мягкий» в магнитном смысле; то есть он притягивается к магнитам, и поэтому линии магнитного поля будут отклоняться преимущественно в металл, но металл сохраняет только очень небольшое остаточное поле, когда внешнее поле снимается.

В процессе производства, чтобы придать проводу его уникальные магнитные свойства, он подвергается серии операций скручивания и раскручивания для холодной обработки внешней оболочки провода, сохраняя при этом мягкий сердечник внутри провода, а затем провод старится. В результате магнитная коэрцитивность внешней оболочки намного больше, чем у внутреннего сердечника. Эта высококоэрцитивная внешняя оболочка будет сохранять внешнее магнитное поле даже при удалении исходного источника поля.

Провод теперь демонстрирует очень большой магнитный гистерезис : если магнит поднести к проводу, то внешняя оболочка с высокой коэрцитивной силой исключает магнитное поле из внутреннего мягкого сердечника до тех пор, пока не будет достигнут магнитный порог, после чего весь провод — как внешняя оболочка, так и внутренний сердечник — быстро переключает полярность намагничивания. Это переключение происходит за несколько микросекунд и называется эффектом Виганда.

Значение эффекта Виганда заключается в том, что скорость переключения достаточно высока, чтобы с катушки с сердечником из проволоки Виганда можно было вывести значительное напряжение. Поскольку напряжение, индуцированное изменяющимся магнитным полем, пропорционально скорости изменения поля, сердечник из проволоки Виганда может увеличить выходное напряжение датчика магнитного поля на несколько порядков по сравнению с аналогичной катушкой с сердечником, отличным от Виганда. Это более высокое напряжение можно легко обнаружить электронным способом, а в сочетании с высоким порогом повторяемости переключения магнитного поля эффект Виганда становится полезным для позиционных датчиков.

После того, как провод Виганда перевернул намагниченность, он сохранит эту намагниченность до тех пор, пока не будет перевернут в другом направлении. Датчики и механизмы, использующие эффект Виганда, должны учитывать это удержание.

Эффект Виганда является макроскопическим расширением эффекта Баркгаузена , поскольку специальная обработка провода Виганда заставляет провод действовать макроскопически как один большой магнитный домен. Многочисленные небольшие домены с высокой коэрцитивностью во внешней оболочке провода Виганда переключаются лавинообразно, генерируя быстрое изменение магнитного поля эффекта Виганда.

Приложения

Датчики Виганда

Датчики Wiegand — это магнитные датчики , которые используют эффект Виганда для генерации постоянного импульса каждый раз, когда полярность магнитного поля меняется, и поэтому не зависят от внешнего напряжения или тока. [2] Постоянство импульсов, создаваемых датчиками Wiegand, может использоваться для обеспечения энергией маломощных и энергосберегающих приложений. [3] Будучи автономными, датчики Wiegand имеют потенциал в приложениях IoT в качестве сборщиков энергии, датчиков приближения и счетчиков событий. [4] [5]

Карты-ключи Wiegand

Джон Р. Виганд и Милтон Велински разработали карту контроля доступа с использованием проводов Виганда. [6]

Помимо датчиков, эффект Виганда используется для дверных замков с ключами-картами безопасности. [7] Пластиковая ключ-карта имеет ряд коротких отрезков провода Виганда, встроенных в нее, которые кодируют ключ по наличию или отсутствию проводов. Вторая дорожка проводов обеспечивает тактовую дорожку. Карта считывается путем протягивания ее через щель в считывающем устройстве, которое имеет фиксированное магнитное поле и сенсорную катушку. Когда каждый отрезок провода проходит через магнитное поле, его магнитное состояние меняется, что указывает на 1, и это обнаруживается катушкой. Отсутствие провода указывает на 0. Затем полученный цифровой код протокола Виганда отправляется на хост-контроллер, чтобы определить, следует ли электрически разблокировать дверь.

Карты Wiegand более долговечны и их сложнее подделать, чем карты со штрих-кодом или магнитной полосой . Поскольку ключевой код постоянно записывается на карту при изготовлении с помощью расположения проводов, карты Wiegand не могут быть стерты магнитными полями или перепрограммированы, как карты с магнитной полосой. [8]

Интерфейс Wiegand , изначально разработанный для карт Weigand-wire, до сих пор является фактическим стандартом для передачи данных с любого типа карты доступа на панель контроля доступа. [6]

Емкостная карта с ММ-кодом , как и карты Weigand, встраивает код внутрь пластика карты, поэтому она более долговечна и ее сложнее подделать, чем магнитные полосы или напечатанные штрих-коды на поверхности карты. [9]

Вращающийся энкодер

Провода Виганда используются некоторыми вращающимися магнитными энкодерами для питания многооборотной схемы. Когда энкодер вращается, катушка сердечника провода Виганда генерирует импульс электричества, достаточный для питания энкодера и записи количества оборотов в энергонезависимую память. Это работает на любой скорости вращения и устраняет механизм часов/шестеренки, обычно связанный с многооборотными энкодерами. [10] [11]

Датчик скорости колеса

Провода Виганда крепятся к внешнему диаметру колеса для измерения скорости вращения. Считывающая головка, установленная снаружи, обнаруживает импульсы Виганда.

Ссылки

  1. ^ Длугос, Дэвид Дж. (май 1998 г.). "Датчики эффекта Виганда: теория и применение". Журнал Sensors . Questex Media Group.
  2. ^ "Google Scholar". scholar.google.com . Получено 2020-06-22 .
  3. ^ "Датчики Wiegand" (PDF) . POSITAL .
  4. ^ "WIEGAND-IoT-SENSOR — Микроэлектроникфоршунг" . www.elektronikforschung.de . Проверено 03 сентября 2021 г.
  5. ^ Chotai, Janki; Thakker, Manish; Takemura, Yasushi (2020-07-09). "Одноразрядный, автономный цифровой счетчик с использованием датчика Wiegand для вращающихся приложений". Sensors (Базель, Швейцария) . 20 (14): 3840. Bibcode : 2020Senso..20.3840C. doi : 10.3390/s20143840 . ISSN  1424-8220. PMC 7412004. PMID 32660120  . 
  6. ^ Марк Миллер. «Виганд для чайников». 2014.
  7. ^ Зак, Франкен (31 января 2008 г.). "Системы контроля физического доступа" (PDF) . Конференция по безопасности Black Hat 08. Вашингтон, округ Колумбия: BlackHat.com. стр. 11. Получено 09.12.2009 .
  8. ^ Джеймс Маккеллар. «Как работает контроль доступа Wiegand?». 2021.
  9. ^ «Надзор и управление безопасностью: теория и практика защиты активов». 2007. С. 365.
  10. ^ "White Paper Magnetic Encoder" (PDF) . FRABA Inc. стр. 3 . Получено 13 февраля 2013 г. .
  11. ^ «Электромагнитный энкодер без аккумуляторной батареи» (PDF) . Полископ: Das Fachmagazin für Industrieelektronik und Automation . Бинкерт Медиен АГ. Сентябрь 2012 г. Архивировано из оригинала (PDF) 13 июля 2015 г. Проверено 13 июля 2015 г.
  • Патент США 3,820,090  — Оригинальный патент Виганда (1974)
  • Патент США 4,247,601  — Патент на Vicalloy
  • «Wiegand – Progeny Контроль доступа».— Объяснение эффекта Виганда, используемого в контроле доступа
  • Вер, Джон (1 сентября 2003 г.). «Эффект Виганда: 30-летний научный проект все еще влияет на современные системы безопасности». SecureIDNews . Архивировано из оригинала 2018-04-12.

Смотрите также

  • Интерфейс Wiegand  — интерфейс, изначально использовавшийся в считывателях карт Wiegand.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wiegand_effect&oldid=1242528964"