Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογές

Περιεχόμενα:

  • Εισαγωγή
  • Μαγνητικοί αισθητήρες
  • Αισθητήρες Hall Effect
  • Τι είναι η τάση Hall (VH)?
  • Συντελεστής Hall (RH)
  • Κατασκευή αισθητήρων εφέ Hall
  • Σύμβολο αισθητήρα εφέ Hall
  • Αρχή λειτουργίας των αισθητήρων Hall Effect
  • Πείραμα Hall Effect
  • Αισθητήρας αναλογικού και ψηφιακού εφέ Hall
  • Τύπος αισθητήρων εφέ Hall
  • Εφαρμογές αισθητήρων Hall Effect

Τι είναι ο μαγνητικός αισθητήρας;

Μαγνητικοί αισθητήρες

Οι μαγνητικοί αισθητήρες είναι συσκευές που μπορούν να ανιχνεύσουν και να αναλύσουν μαγνητικά πεδία που παράγονται από μαγνήτης ή τρέχουσα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικά είδη εφαρμογών, όπως για την ανίχνευση της αλλαγής στη θέση και τη γωνία ενός μαγνητικού πεδίου, για την ανίχνευση της μεταβολής της ισχύος ή της κατεύθυνσης του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου κ.λπ.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μαγνητικών αισθητήρων, όπως αισθητήρας Hall Effect (διακόπτες Hall, γραμμικοί αισθητήρες Hall, κ.λπ.) που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση μεταβολής της ισχύος του μαγνητικού πεδίου, Magneto Resistive sensor που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση αλλαγής στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου , αισθητήρες γωνίας που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση αλλαγής στη γωνία ενός μαγνητικού πεδίου, των αισθητήρων 3D Hall και των μαγνητικών αισθητήρων ταχύτητας. Οι αισθητήρες Hall Effect χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως αισθητήρας εγγύτητας, μέτρηση θέσης και ταχύτητας κ.λπ. Χρησιμοποιούνται ακόμη και σε εκτυπωτές υπολογιστών, πνευματικοί κύλινδροι, πληκτρολόγια υπολογιστών κ.λπ.

Οι μαγνητικοί αισθητήρες είναι γενικά μια συσκευή στερεάς κατάστασης η οποία έχει μεγάλη ζήτηση σήμερα την ημέρα λόγω της υψηλής ακρίβειας και της ακρίβειας, της επαφής με λιγότερη λειτουργία, του συγκριτικά χαμηλού κόστους συντήρησης, του συμπαγούς σχεδιασμού κ.λπ. βιομηχανικές εφαρμογές είναι διαθέσιμες, για παράδειγμα, οι σφραγισμένες συσκευές Hall Effect είναι αδιάβροχες και κατασκευάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να αντιστέκονται και σε τυχόν δονήσεις.

Οι μαγνητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται εκτενώς σε συστήματα αυτοκινήτων ειδικά για την ανάλυση της θέσης των καθισμάτων του αυτοκινήτου, των ζωνών ασφαλείας και για τον έλεγχο του συστήματος αερόσακων και επίσης για την ανίχνευση της ταχύτητας περιστροφής των τροχών για το σύστημα αντιμπλοκαρίσματος πέδησης (ABS).

Αισθητήρες Hall Effect

Οι αισθητήρες Hall Effect είναι μαγνητικοί αισθητήρες των οποίων η έξοδος εξαρτάται από το μαγνητικό πεδίο ή την πυκνότητα μαγνητικής ροής γύρω από τον μαγνητικό αισθητήρα.

  • Η λέξη "Hall" προήλθε από Δρ Edwin Hall, ο οποίος ανακάλυψε αυτό το Hall Effect για πρώτη φορά.
  • Εάν υπάρχει ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο κατακόρυφο προς το αντικείμενο μέσω του οποίου διέρχεται το ρεύμα, μια ηλεκτροκινητική δύναμη παράγει προς την κατεύθυνση κάθετη προς το μαγνητικό πεδίο και προς το ρεύμα.
Αισθητήρας Hall Effect
Αισθητήρας Hall Effect συσκευή 1880

Τι είναι η τάση Hall (VH)?

Εάν εφαρμοστεί εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στον μαγνητικό αισθητήρα, ενεργοποιείται. Η τάση εξόδου του αισθητήρα Hall Effect είναι ανάλογη με την ισχύ του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου που περνά. Μετά την υπέρβαση ενός συγκεκριμένου ορίου πυκνότητας μαγνητικής ροής από το εξωτερικό πεδίο, δημιουργείται τάση εξόδου, η οποία είναι κοινώς γνωστή ως Τάση αίθουσας (VH).

Συντελεστής Hall (RH)

Η ποσότητα της διαφοράς δυναμικού ανά μονάδα πάχους μεταλλικής λωρίδας στο Hall Effect που κατανέμεται από το προϊόν της μαγνητικής έντασης και της διαμήκους πυκνότητας ρεύματος.

Οι μονάδες συντελεστή Hall RH γενικά μεταφέρονται ως m3/ C, ή Ω · cm / G.

Κατασκευή αισθητήρων εφέ αίθουσας:

Σχεδιασμός αισθητήρα Hall

Οι αισθητήρες Hall Effect αποτελούνται γενικά από ένα ορθογώνιο κομμάτι ημιαγωγού όπως το ίνδιο αντιμονίτης (InSb) ή αρσενίδιο γαλλίου (GaAs) γνωστό ως ανιχνευτής Hall τοποθετημένος σε πλάκα αλουμινίου και καλυμμένη εντελώς μέσα στην κεφαλή του καθετήρα. Μια λαβή ανιχνευτή που αποτελείται από ένα μη μαγνητικό υλικό συνδέεται με την κεφαλή του καθετήρα έτσι ώστε το επίπεδο της ορθογώνιας πλάκας του ημιαγωγού να είναι κάθετο στη λαβή του καθετήρα.

Όταν η συσκευή είναι ενεργοποιημένη, πραγματοποιείται συνεχής ροή ρεύματος μέσω του ημιαγωγού. Εάν οι γραμμές εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι σε ορθή γωνία προς την κεφαλή του καθετήρα έτσι ώστε οι αρχειοθετημένες γραμμές να διέρχονται από τις ορθές γωνίες μέσω του αισθητήρα του ανιχνευτή, δημιουργείται μια τάση η οποία είναι γνωστή ως τάση «φαινόμενο Hall» και η συσκευή παρέχει ένδειξη της πυκνότητας μαγνητικής ροής (B) του εξωτερικού πεδίου.

Σύμβολο του αισθητήρα Hall Effect:

Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογές
Σύμβολο αισθητήρα Hall Effect, Credit Credit - Grahamatwp at Αγγλικά WikipediaΣύμβολο κοινού αισθητήρα αίθουσαςCC BY-SA 3.0

Τι είναι ο μετατροπέας Hall Effect;

Αρχή λειτουργίας των αισθητήρων Hall Effect

  • Ο αισθητήρας Hall Effect λειτουργεί κυρίως λόγω της επίδρασης του Lorentz Force (είναι η δύναμη που βιώνει ένα φορτισμένο σωματίδιο λόγω ηλεκτρικού πεδίου ή μαγνητικού πεδίου, δηλαδή απλά ηλεκτρομαγνητικού πεδίου).
  • Παρουσία υφιστάμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου επαρκούς μεγέθους, τα ηλεκτρόνια στην πλάκα ημιαγωγού εκτρέπονται προς το ένα άκρο της πλάκας, δηλαδή οι οπές και τα ηλεκτρόνια μετατοπίζονται προς κάθε πλευρά της πλάκας λόγω της δύναμης Lorentz που ενεργεί πάνω τους.
  • Για αυτό, η μία πλευρά του ημιαγωγού είναι αρνητική και η αντίθετη πλευρά είναι θετική. Αυτό παράγει μια κλίση τάσης στις δύο απέναντι πλευρές της ορθογώνιας πλάκας λόγω της συσσώρευσης αντίθετων φορτίων σε αυτές τις δύο πλευρές. Αυτή η τάση είναι γνωστή ως τάση Hall (VH), και το αποτέλεσμα της δημιουργίας αυτής της μετρήσιμης τάσης Hall με χρήση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι γνωστό ως Hall Effect.
  • Για να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού έτσι ώστε να παράγεται μια μετρήσιμη τάση, οι εξωτερικές γραμμές μαγνητικού πεδίου πρέπει να είναι σε ορθή γωνία προς το επίπεδο στο οποίο το ρεύμα ρέει μέσω της πλάκας. Επίσης, πρέπει να παρέχεται σωστή πολικότητα για να λειτουργούν οι αισθητήρες Hall Effect.
Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογές
Ο μετατροπέας εφέ Hall λειτουργεί
  • Καθώς τα ηλεκτρόνια και οι οπές μετακινούνται μεταξύ τους, δημιουργείται μια πιθανή κλίση και ο διαχωρισμός αυξάνεται έως ότου η δύναμη λόγω του ηλεκτρικού πεδίου εξισορροπεί τη δύναμη που παράγεται από το μαγνητικό πεδίο. Όταν και οι δύο δυνάμεις ισορροπούν η μία την άλλη, το ρεύμα δεν αλλάζει και έχει υπολογιστεί η τάση Hall που ανιχνεύεται σε αυτό το σημείο και από αυτήν την πυκνότητα μαγνητικής ροής (B).                       
  • Εάν η τάση εξόδου εξαρτάται γραμμικά από την πυκνότητα μαγνητικής ροής, τότε την ονομάζουμε ως γραμμικούς αισθητήρες Hall Effect και αν υπάρχει απότομη μείωση της τάσης εξόδου σε διαφορετική πυκνότητα μαγνητικής ροής, τότε καλείται ως αισθητήρας Hall Effect κατωφλίου.
  • Έχουμε ακούσει για τους επαγωγικούς αισθητήρες που αποκρίνονται σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο καθώς προκαλεί ένα ρεύμα σε ένα πηνίο σύρματος και ως εκ τούτου παράγει μια τάση στην έξοδο του. Επομένως, οι επαγωγικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο στατικά (μη μεταβαλλόμενα) μαγνητικά πεδία, ενώ οι αισθητήρες Hall Effect μπορούν να ανιχνεύσουν τόσο το μεταβαλλόμενο όσο και το μη μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο.
  • Ο αισθητήρας Hall Effect μπορεί να δώσει πληροφορίες σχετικά με τον τύπο του μαγνητικού πόλου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της τάσης και επίσης το μέγεθος της εξωτερικής πυκνότητας μαγνητικής ροής (B). Χρησιμοποιώντας μια ομάδα αισθητήρων, μπορούμε να βρούμε τη σχετική θέση του εξωτερικού μαγνήτη που χρησιμοποιείται.
  • Η τάση εξόδου του αισθητήρα Hall Effect είναι γενικά αρκετά μικρού μεγέθους, όπως μερικά μικρο-βολτ ακόμη και όταν εφαρμόζεται ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο κατά μήκος του αισθητήρα. Ως εκ τούτου, οι περισσότεροι εμπορικά διαθέσιμοι αισθητήρες Hall Effect είναι κατασκευασμένοι με έναν ενσωματωμένο ενισχυτή DC και ρυθμιστές τάσης για τη βελτίωση της ευαισθησίας του αισθητήρα και του μεγέθους της τάσης εξόδου.

Πείραμα Effect Hall

Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογές
Κλείσιμο βρόχου αισθητήρα τρέχοντος εφέ
Πιστωτικά Εικόνα: DracheschreckΑισθητήρας ρεύματος εφέ κλειστού βρόχουCC BY-SA 3.0

Αισθητήρας αναλογικού και ψηφιακού εφέ Hall

Η έξοδος του αισθητήρα Hall Effect μπορεί να είναι γραμμική (αναλογική) ή ψηφιακή. Η έξοδος του γραμμικού αισθητήρα Hall Effect είναι άμεσα ανάλογη με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, δηλαδή πυκνότητα μαγνητικής ροής που διέρχεται από τον αισθητήρα και η έξοδος λαμβάνεται από την έξοδο του διαφορικού OP-AMP. Οι γραμμικοί (αναλογικοί) αισθητήρες Hall Effect έχουν συνεχή έξοδο τάσης που αλλάζει ανάλογα με την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

Τύπος αισθητήρα εφέ Hall:

Η έξοδος του γραμμικού αισθητήρα Hall Effect μπορεί να εκφραστεί ως:

Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογές

Που,

  • VH είναι η τάση Hall
  • RH είναι η αποδοτικότητα Hall Effect
  • Είμαι το ρεύμα που ρέει μέσω του αισθητήρα (πλάκα ημιαγωγού)
  • t είναι το πάχος του αισθητήρα
  • Το Β είναι η εξωτερική πυκνότητα μαγνητικής ροής

Στην περίπτωση του Hall Effect, η έξοδος του ψηφιακού αισθητήρα λαμβάνεται από την έξοδο του OPAMP, το οποίο με τη σειρά του συνδέεται με μια σκανδάλη Schmitt με ενσωματωμένη υστέρηση που μειώνει τις ταλαντώσεις στην τάση εξόδου. Σε αυτήν την περίπτωση, μόνο όταν η ισχύς του εξωτερικού πεδίου είναι υψηλότερη από μια συγκεκριμένη τιμή στη συσκευή, η συσκευή μεταβαίνει στην κατάσταση ON από την κατάσταση OFF.

Τύπος αισθητήρων εφέ αίθουσας:

Ανάλογα με τον τύπο του εξωτερικού μαγνητικού πόλου που απαιτείται για τη λειτουργία τους, οι αισθητήρες Hall Effect είναι δύο τύπων.

  1. διπολικός
  2. Μονοπολική

Οι δύο από τις πιο κοινές διαμορφώσεις ανίχνευσης σε έναν αισθητήρα Hall Effect που χρησιμοποιούν έναν μόνο μαγνήτη είναι Head-on Detection και Sideways Detection. Στην πλαϊνή ανίχνευση, απαιτείται η μετακίνηση του μαγνήτη σε πλάγια κίνηση μπροστά από την όψη του στοιχείου Hall Effect. Κατά την ανίχνευση head-on ο μαγνήτης κινείται προς και μακριά από το στοιχείο της αίθουσας κατά τρόπο κάθετο προς το επίπεδο του στοιχείου.

Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογές
Αισθητήριο εφέ Hall χρησιμοποιείται στον ανεμιστήρα του κινητήρα
Image CreditÐ¤Ð¸Ð³Ñ ?? Ñ ?? киΣυμπλέκτης με αισθητήρα Hall EffectCC-BY 2.0

Εφαρμογές αισθητήρων Hall Effect:

  • Αισθητήρας θέσης: Όταν λειτουργείτε σε λειτουργία on / off, δηλαδή έχοντας ψηφιακή έξοδο, η ανίχνευση της ύπαρξης μαγνητικών υλικών είναι μία από τις σημαντικές βιομηχανικές εφαρμογές των αισθητήρων Hall Effect.
  • Μετασχηματιστές DC: Ο αισθητήρας Hall Effect χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της μαγνητικής ροής DC και, ως αποτέλεσμα, μπορεί να υπολογιστεί το ρεύμα DC.
  • Διακόπτης πληκτρολογίου: Για ορισμένα πληκτρολόγια υπολογιστή χρησιμοποιούνται διακόπτες Hall Effect. Ωστόσο, λόγω του σχετικά υψηλού κόστους, περιορίζεται στον τομέα της αεροδιαστημικής και της στρατιωτικής για την υψηλή αξιοπιστία τους.
  • Ένδειξη στάθμης καυσίμου: Ο αισθητήρας Hall Effect ανιχνεύει τη θέση ενός κινητού στοιχείου χρησιμοποιώντας την ανίχνευση θέσης και χρησιμοποιείται ως δείκτης στάθμης καυσίμου αυτοκινήτου.
  • Ηλεκτρικός διάδρομος: Οι αισθητήρες Hall χρησιμοποιούνται εδώ για αισθητήρες ταχύτητας και επίσης για στάση έκτακτης ανάγκης λόγω τυχόν τυχαίας πτώσης. Η ζώνη μέσης του χρήστη στο διάδρομο συνδέεται με ένα κορδόνι έλξης το οποίο με τη σειρά του συνδέεται με έναν μαγνήτη. Εάν κατά λάθος πέσει ο χρήστης, ο μαγνήτης αποσπάται και υπάρχει διακοπή στην παροχή ρεύματος που σταματά το μηχάνημα.

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με την Ηλεκτρονική Κάνε κλικ εδώ

Σχετικά με τον Amrit Shaw

Αισθητήρες εφέ αίθουσας | Είναι τύποι | 5 σημαντικές εφαρμογέςΣυνδεθείτε στον πρώην συντάκτη μας: LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/amrit-shaw/)

en English
X