اساس کار سنسور اثر هال

 

اساس کار سنسور اثر هال یا Hall Effect Sensor بر پایه این اصل استوار است که اگر یک هادی از میدان مغناطیسی عبور کند و خطوط میدان را قطع نمایید ولتاژی در مسیر آن هادي القاء خواهد شد.  گرچه سنسور اثر هال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود. سنسور اثر هال، میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند.

 

سنسور-اثر-هال

 

ویژگی های عمومی سنسورهای اثر هال به قرار زیر است:

 ١- حالت جامد

۲- عمر طولانی

۳- پاسخ فرکانسی بالا

۴- عمل با ورودی ثابت

۵- اجزای غیر متحرک

۶- ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقی  (Logic Compatible input and output)

۷- بازده دمایی گسترده   (۴۰C ~ +150C -)

۸- عملکرد تکرار پذیر عالی (Highly Repeatable Operation) 

۹- در این سیستم ها، پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظر گرفته شود، زیرا وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث میشود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد و این یک ایراد بزرگ برای این نوع از سیستم ها است.

سنسور اثر هال
                                سنسور اثر هال

بیشتر بخوانید :

اندازه گیری دما با سنسور

هفت سنسور پرکاربرد در صنعت 

 


 

  • تئوری اثر هال

اگر به یک صفحه هادی یا نیمه هادی نازک مستطیل شکل، اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شود، جریان طولی از آن عبور می کند. حال با اعمال میدان مغناطیسی خارجی عمود بر این صفحه، ولتاژ عرضی در هادی ایجاد خواهد شد. نتیجه این امر (یعنی اعمال میدان مغناطیسی و عبور جریان طولی)، تجمع بارهای مثبت در یک سمت صفحه و تجمع بارهای منفی در سمت دیگر صورت می گیرد. بنابراین در اثر اختلاف پتانسیل عرضی، جریان عرضی عمود بر جهت جریان اصلی ایجاد می شود.

 

تئوری-اثر-هال

 

با ثابت نگه داشتن اختلاف پتانسیل طولی و جریان طولی، شدت میزان جریان عرضی متناسب با پارامترهای فیزیکی محیط تغییر می کند. از این پدیده می توان به منظور آشکار سازی پارامترهای فیزیکی محیط و به عنوان سنسور بهره گرفت.

 

نمایش-گرافیکی-عملکرد-سنسور-اثر-هال

 

این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در سنسورهای اثر هال تجارتی استفاده می شود. ولتاژها به این علت پدید می آیند که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لنز بر جریان عمل کند و توزیع آن را برهم بزند. حامل های جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند ضمن اینکه در لبه مخالف، کمبود حامل اتفاق می افتد. این عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود و تا زمانیکه میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند.

برای یک قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شکل با ضخامت ولتاژهای V توسط رابطه  VH= (KH.BI)/t به دست می آید. KH ضريب هال برای ماده مورد نظر است که بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد. آنتیمونید ایریدیم ترکیبی است که در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود و مقدار KH برای آن ۲۰ (V/T) است.

ولتاژ هال در رنج ۷μV / Vs در سیلیکون به وجود می آید و تقویت کننده برای آن حتمی است. سیلیکون اثر پیزو مقاومتی دارد و بنابراین بر اثر فشار، مقاومت آن تغییر می کند.

در یک سنسور اثرهال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود. این عمل با قرار دادن عنصر هال بر یک IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام می شود.

 

  • راه اندازی سنسور اثر هال

سنسور اثر هال یک سنسوری است که بر پایه میدان مغناطیسی عمل می کند. با توجه به ویژگی های ولتاژ خروجی، این سنسور نیازمند یک طبقه تقویت کننده و نیز جبران ساز حرارتی است.

 

عملکرد-سنسور-اثر-هال

 

چنانچه از منبع تغذیه با ریپل فراوان استفاده کنید وجود یک رگولاتور ولتاژ حتمی است. رگولاتور ولتاژ باعث می شود تا جریان I ثابت باشد. بنابراین ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان مغناطیسی است. اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد ولتاژی تولید نمی شود، با وجود این اگر ولتاژ هر ترمینال اندازه گیری شود مقداری غیر از صفر خواهد داد. این ولتاژ که برای تمام ترمینال ها یکسان است با (CMV Common Mode Voltage) شناخته می شود. بنابراین تقویت کننده به کار گرفته شده باید یک تقویت کننده تفاضلی باشد تا تنها اختلاف پتانسیل را تقویت کند.

 


انواع سنسور ها را بشناسید : 

 


  • سنسور اثر هال دیجیتال

در این سنسورها وقتی بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه مطلوبی رسید، سنسور روشن شده و پس از اینکه بزرگی میدان از حد معینی کاهش یافت، سنسور خاموش می شود. لذا در این سنسورها خروجی تقویت کننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر می دهند تا این عمل را انجام دهد. برای جلوگیری از نوسانات متوالی از تابع هیسترزیس، استفاده نمایید.

خروجی سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال فقط دو وضعیت روشن (ON) و خاموش (OFF) را شامل می شود. اگر شار مغناطیسی که از سنسور هال عبور می کند، اندازه اش از مقدار مرجع (تعیین شده توسط کارخانه) بزرگ تر باشد، خروجی فوراً از حالت OFF به حالت ON تغییر پیدا می کند. اگر شار مغناطیسی کمتر از مقدار مرجع باشد، خروجی به حالت OFF خواهد رفت.

 

مدار-سنسور-اثر-هال-با-خروجی-دیجیتال

 

  • نمودار خروجی سنسور اثر هال دیجیتال

 

نمودار-خروجی-سنسور-اثر-هال-دیجیتال

 

سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال دو نوع هستند: تک قطبی و دو قطبی

سنسور اثر هال دو قطبی به منظور تشخیص وجود میدان مغناطیسی و به عبارتی تغییر وضعیت از OFF به ON، نیاز به میدان مغناطیسی مثبت دارد و برای تشخیص عدم وجود میدان مغناطیسی یا تغییر وضعیت از ON به OFF به میدان مغناطیسی منفی نیاز دارد.

 

سنسور-اثر-هال-با-خروجی-دیجیتال-دو-قطبی

 

سنسورهای تک قطبی اثر هال برای تشخیص هر دو حالت وجود یا عدم وجود میدان مغناطیسی از میدان مثبت استفاده می کنند.

 

سنسور-اثر-هال-با-خروجی-دیجیتال-تک-قطبی

 

  • سنسور اثر هال آنالوگ

 سنسورهای آنالوگ ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود، تنظیم می کنند. با توجه به کمیت های اندازه گیری، این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد.

برای اینکه سنسورها ولتاژ خروجی منفی تولید نکنند، همواره خروجی تقویت کننده تفاضلی را با یک ولتاژ مثبت تولید می کنند. از ویژگی های اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحی اشباع در (شکل زیر) مربوط به آپ امپ در سنسور اثرهال است. معمولاً خروجی تقویت کننده تفاضلی را به ترانزیستور پوش-پول می دهند.

 

 

مدار-سنسور-اثر-هال-با-خروجی-آنالوگ

 

  • نمودار خروجی سنسور اثر هال آنالوگ

 

نمودار-خروجی-سنسور-اثر-هال-آنالوگ

   

  • عملکرد سنسور اثر هال

   سنسور اثر هال در حقیقت بدین ترتیب عمل می کند که توسط یک سیستم مغناطیسی کمیت فیزیکی به میدان مغناطیسی تبدیل شده سپس این میدان مغناطیسی توسط سنسور اثرهال حس می شود. بسیاری از کمیت های فیزیکی با حرکت یک آهنربا اندازه گیری می شوند، مثلاً دما و فشار را می توانید به وسیله انقباض و انبساط یک دمنده (Bellows)  که به آهنربا متصل است اندازه گیری نمایید. روش های مختلفی جهت ایجاد میدان مغناطیسی وجود دارد.

سنسور اثر هال
                سنسور اثر هال

Unipolar head – on Mode

   در این حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حرکت می کند. که منحنی تغییرات فاصله و میدان مغناطیسی (منحنی به دست آمده غیر خطی است) و دقت در حد متوسط است. مثلاً اگر یک سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید، در این حالت در فاصله ای که GI حاصل می شود سوئیچ عمل می کند و ON می شود و وقتی که فاصله به حدی رسید که GI حاصل شود، سوئیچ را OFF می کند.

 

Unipolar Slide – by Mode 

   در این حالت آهنربا در یک مسیر افقی نسبت به سنسور، تغییر مکان می دهد. منحنی تغییرات مکان نسبت به میدان مغناطیسی که بدست می آید، باز هم غیرخطی است. دقت این روش کم است ولی حالت تقارنی کاملی دیده می شود، برای مثال سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید که در اثر میدان G1 روشن شده و در میدان G2 خاموش می شود، وقتی آهنربا از سمت راست حرکت می کند و به موقعیتی می رسد که سنسور عمل کند. این حرکت می تواند ادامه داشته باشد تا به موقعیت بعدی برسد تا سنسور آزاد شده و خاموش شود.

 

 Bipolar Slide – by Made

   در این حالت از دو آهنربا که قطب  S,N هر کدام به صورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته اند استفاده می شود. دقت در این روش در حد متوسط است و حالت تقارنی وجود ندارد. ولی می توان از بخش های منحنی که خاصیت خطی دارند استفاده نمود. اگز همان سنسور دیجیتالی قبلی را در نظر بگیرید، پیوسته از راست به چپ سنسور در بخش شیب تند عمل می کند و در بخش شیب کند رها می شود. جهت حذف شیب تند در بخش مبدأ از یک تکنیک دیگر استفاده می شود. بدین ترتیب که در میان این دو آهنربا فاصله معینی قرار می دهند.

   این عمل به طور چشمگیری دقت را افزایش می دهد. حالت دیگری نیز به کار می رود که در آن منحنی حاصل به صورت یک تابع پالس است. در این روش در میان دو آهنربا، آهنربای دیگری قرار می دهند که پهنای پالس متناسب با پهنای این آهنربا به وجود می آورد.

 

(Bipolar Slide-by mode (ring magnet

   در این حالت از یک آهنربای حلقه ای استفاده می شود. آهنربای حلقه ای یک قطعه آهنربای دیسک مانند است که قطب های آن در پیرامون آن قرار دارند. منحنی حاصل شبیه به یک منحنی سینوسی است. هرچه تعداد قطب های آهنربای حلقه ای بیشتر باشد مقدار پیک حاصل در اندازه میدان کمتر خواهد بود. تعداد پالس های حاصل در این روش برابر با جفت قطب های آهنربا خواهد بود. محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطب های زیاد، نقطه ضعف این روش محسوب می شود.

 

  • سنسور موقعیت تشخیص پره (Sensor Position Vane Operated)

   این سنسورها گاهی تحت عنوان سنسورهای پره شناخته می شوند و شامل یک آهنربا و یک سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی هستند. این سنسور دارای یک فاصله هوایی میان آهنربا و سنسور اثرهال است و توانایی موقعیت سنجی خطی و نیز موقعیت سنجی زاوایه ای را دارد.

 

سنسور-تشخیص-موقعیت-پره-سنسور-اثر-هال

 

نمونه ای-از-سنسور-تشخیص-موقعیت-پره
                              نمونه ای از سنسور تشخیص موقعیت پره

 

 


بیشتر بخوانید :

روش های اندازه گیری دما

اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی

دستگاه های اندازه گیری الکتریکی

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید.

مقالات مرتبط

نظرات