تبلیغات
بچه های برق دانشگاه آزاد کازرون - سنسورهای اثرهال
قالب وبلاگ قالب وبلاگ

بچه های برق دانشگاه آزاد کازرون
 

آپلود عکس رایگان و دائمی
 

اشتراک و ارسال مطلب به:

نوشته شده در تاریخ جمعه 5 اسفند 1390 توسط مجتبی جباری

سنسورهای اثرهال


سنسورهای اثرهال

Hall Effect Sensors

 
مقدمه

یك عنصر هال از لایه نازكی ماده هادی با اتصالات خروجی عمود بر مسیر شارش جریان ساخته شده است وقتی این عنصر تحت یك میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ولتاژ خروجی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی تولید می كند.

این ولتاژ بسیار كوچك و در حدود میكرو ولت است. بنابراین استفاده از مدارات بهسازی ضروری است.

اگر چه سنسور اثرهال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود.

در سنسورها، سنسور اثر هال میدانی را كه كمیت فیزیكی تولید می كند و یا تغییر می دهد حس می كند.



ویژگیهای عمومی

ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند:

1 - حالت جامد ؛

2 - عمر طولانی ؛

3 - عمل با سرعت بالا-پاسخ فركانسی بالای 100KHZ ؛

4 - عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛

5 - اجزای غیر متحرك ؛

6-ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic Compatible input and output ؛

7 - بازه دمایی گسترده (-40°C ~ +150°C) ؛

8 - عملكرد تكرار پذیرعالی Highly Repeatable Operation ؛

9 - یك عیب بزرگ این است كه در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد.


تاریخچه

اثرهال توسط دكتر ادوین هال (Edvin Hall) درسال 1879 در حالی كشف شد كه او دانشجوی دكترای دانشگاه Johns Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود.

هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الكترون كلوین بود كه دریافت زمانی كه میدان یك آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازكی از جنس طلا قرار گیرد كه جریانی از آن عبور می كند، اختلاف پتانسیل الكتریكی در لبه های مخالف آن پدید می آید.

او دریافت كه این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است. اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود 70 سال پیش از كشف آن كاربردی خارج از قلمرو فیزیك تئوری برای آن بدست نیامد.

با ورود مواد نیمه هادی در دهه 1950 اثرهال اولین كاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال 1965 Joe Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یك سنسور حالت جامد كاربردی وكم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یك تراشه سیلیكن با هزینه كم و ابعاد كوچك بوده است این كشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروكاربرد خود درجهان بود.


تئوری اثرهال

اگر یك ماده هادی یا نیمه هادی كه حامل جریان الكتریكی است در یك میدان مغناطیسی به شدت B كه عمود برجهت جریان عبوری به مقدار I می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود.


این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در قطعات اثرهال تجارتی استفاده میشود.
ولتاژها به این علت پدید می آید كه میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل كند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شكل بپیمایند.




 




حاملهای جریان اضافی روی یك لبه قطعه ظاهر می شوند، ضمن اینكه در لبه مخالف كمبود حامل اتفاق می افتد. این عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود، كه تا زمانی كه میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند.




برای یك قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شكل با ضخامت t ولتاژهایV توسط رابطه زیر بدست می آید:




KH ضریب هال برای ماده مورد نظر است كه بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد.

آنتیمونید ایریدیم تركیبی است كه در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود و مقدار KH برای آن 20 است.

ولتاژهال در رنج در سیلیكن بوجود می آید و تقویت كننده برای آن حتمی است. سیلیكن اثر پیز و مقاومتی دارد و بنابراین براثر فشار مقاومت آن تغییر می كند. در یك سنسور اثر هال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود. این عمل با قرار دادن عنصر هال بریك IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام میشود. بطوری كه بر هر یك از دو بازوی مجاور مدار پل یك عنصر هال قرار گیرد، در یكی جریان بر میدان مغاطیسی عمود است و ولتاژ هال ایجاد می شود و در دیگری جریان موازی با میدان مغناطیسی می باشد و ولتاژ هال ایجاد نمی‌شود. استفاده از 4 عنصر هال نیز مرسوم می باشد.



اساس سنسورهای اثرهال

عنصرهال، سنسور میدان مغناطیسی است. باتوجه به ویژگیهای ولتاژ خروجی این سنسور نیاز مندیك طبقه تقویت كننده و نیز جبران ساز حرارتی است. چنانچه از منبع تغذیه با ریپل فراوان استفاده كنیم وجود یك رگولاتور ولتاژ حتمی است.

رگولاتور ولتاژ باعث می شود تا جریان I ثابت باشد بنابراین ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان مغناطیسی می باشد.

اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد ولتاژی تولید نمی شود. با وجود این اگر ولتاژ هر ترمینال اندازه گیری شود مقداری غیر ا ز صفر به ما خواهد داد. این ولتاژ كه برای تمام ترمینال ها یكسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته می‌شود. بنابراین تقویت كننده بكار گرفته شده می بایست یك تقویت كننده تفاضلی باشد تا تنها اختلاف پتانسیل را تقویت كند.



مطالبی اضافه در مورد مدارات بهسازی سنسورهای اثر هال

Applying Linear Output Hall Effect Transducers 715k

Current Sink and Outsource Interface for Solid State Sensors 367k


Interfacing Digital Hall Effect Sensors 114k

Interfacing the SS9 LOHET with Comparators and OP Amps 387k




سنسورهای هال دیجیتال

در این سنسورها وقتی بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه مطلوبی رسید سنسور ON می شود و پس از اینكه بزرگی میدان از حد معینی كاهش یافت سنسور خاموش می شود. لذا در این سنسورها خروجی تقویت كننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر می دهند تا این عمل را انجام دهد، برای جلوگیری از پرش های متوالی از تابع هسترزیس زیر استفاده می كنند.





سنسورهای آنالوگ

سنسورهای آنالوگ ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود، تنظیم می كنند. با توجه به كمیت های اندازه گیری این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد. برای اینكه سنسورهای ولتاژ خروجی منفی تولید نكند و همواره خروجی تقویت كننده تفاضلی را با یك ولتاژ مثبت را پاس می كنند.




در شكل بالا توجه داریم كه یك نقطه صفر وجود دارد كه در آن ولتاژی تولید نمی شود . از ویژگیهای اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحی اشباع در شكل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال می باشد .

معمولا خروجی تقویت كننده تفاضلی را به ترانزیستور پوش-پول می د هند.



سنسور آنالوگ اثر هال 








سیستم های مغناطیسی

سنسور اثر هال درحقیقت بدین ترتیب عمل میكند كه توسط یك سیستم مغناطیسی كمیت فیزیكی به میدان مغناطیسی تبدیل می شود. حال این میدان مغناطیسی توسط سنسور اثر هال حس می شود. بسیاری از كمیت های فیزیكی با حركت یك آهنربا اندازه گیری می شوند. مثلاً دما و فشار را می توان بوسیله انقباض و انبساط یك Bellows كه به آهنربا متصل است اندازه گیری نمود.




روش های مختلفی جهت ایجاد میدان مغناطیسی وجود دارد.

] Unipolar head-on mode

در این حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حركت می كند.




همانطور كه در شكل بالا دیده می شود منحنی تغییرات فاصله ومیدان مغناطیسی در این شكل آمده است (منحنی بدست آمده غیر خطی است) و دقت درحد متوسط است. مثلاً اگر یك سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیریم در این حالت در فاصله أی كه G1 حاصل می شود سوئیچ عمل می كند و On میشود و وقتی كه فاصله به حدی رسید كه G1 حاصل شود سوئیچ OFF میكند.

] Unipolar slide-by mode

در این حالت آهنربا در یك مسیر افقی نسبت به سنسور تغییر مكان می كند.




منحنی تغییرات مكان نسبت به میدان مغناطیسی بازهم غیر خطی است- دقت این روش كم است و لی حالت تقارنی كاملاً دیده می شود. مثلاً سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید كه در اثر میدان G1 روشن شده و در میدان G2 خاموش می شود وقتی آهنربا از سمت راست حركت می كند و به موقعیت +D1 می رسد آنگاه سنسور عمل میكند. این حركت ادامه می تواند داشته باشد تا به موقعیت –D2 برسد، در این هنگام سنسور آزاد می شود و به همین ترتیب.




] Bipolar Slide –By made

در این حالت از 2 آهنربا كه قطب S,N هر كدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده می كنیم.




دقت در این روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولی می توان در بخش هایی، از خاصیت خطی منحنی استفاده نمود. اگر همان سنسور دیجیتالی قبلی را در نظر بگیریم در حركت از راست به چپ وقتی كه فاصله به D2 می رسد آنگاه سنسور عمل می كند و تا به مرحله D4 پیش می رود. بنابراین در یك حركت پیوسته از راست به چپ سنسور در بخش شیب تند عمل می كند و در بخش شیب كند رها میكند.

جهت حذف شیب تند در بخش مبدأ از یك تكنیك دیگر استفاده می شود. بدین ترتیب كه در میان ایندو آهنربا فاصله معینی قرار می دهند.




این عمل بطور چشمگیری دقت را افزایش می دهد.

حالت دیگری نیز به كار می‌رود كه در آن منحنی حاصل بصورت یك تابع پالس است. در این روش در میان دو آهنربا، آهنربای دیگری قرار می دهند كه پهنای پالس متناسب با پهنای این آهنربا می باشد.




] Bipolar Slide –By mode (ring magnet)

در این حالت از یك آهنربای حلقه استفاده می شود آهنربای حلقه ای یك قطعه آهنربای دیسك مانند است كه قطب های آن در پیرامون آن قرار دارند. در شكل زیر آهنربای حلقه ای با دو جفت قطب نمایش داده می شود. به منحنی حاصل شیبه به یك منحنی سینوسی است. هرچه تعداد قطبهای آهنربای حلقه ای بیشتر باشد مقدار پیك حاصل در اندازه میدان كمتر خواهد بود. تعداد پالس های حاصل در این روش برابر با جفت قطبهای آهنربا می باشد. محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطبهای زیاد، محدودیت این روش محسوب می شود.




مقایسه ای از این سیستمها در زیر آمده است :



منظور از All حركتهای چرخشی، پیوسته و رفت و برگشتی است. 




كاربرد های سنسورهای اثرهال


هم اكنون به تشریح برخی از كاربرد های سنسورهای اثرهال می پردازیم .

سنسورهای موقعیت تشخیص پره ( Vane Operated Position Sensor)

این سنسورها گاهاً تحت عنوان سنسورهای پره شناخته می شوند و شامل یك آهنربا و یك سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی می باشند. شكل زیر این دو بخش را در یك بسته نشان میدهد.



این سنسور دارای یك فاصله هوایی میان آهنربا و سنسور اثرهال می باشد و توانایی موقعیت سنجی خطی و نیز موقعیت سنجی زاوایه ای را نیز دارد.

پره خطی

پره یكنواخت

پره دایروی


اساس عملكرد

شكل مقابل را در نظر بگیرید. وقتی كه پره در فاصله هوایی بین اهنربا وسنسور اثرهال قرار گیرد خطوط شار مغناطیسی پراكنده می شوند و توسط سنسوراثر هال احساس نمی شوند، بنابراین خروجی سنسور در سطح منطقی صفر (OFF) قرار می گیرد.







شكل بالا نشان میدهد كه وقتی كه یك پره میان این سنسور می رود چه اتفاقی می افتد. درحركت از چپ به راست وقتی لبه جلوی پره به ناحیه b می رسد، آنگاه سنسور از حالت ON به حالت OFF تغییر وضعیت می دهد و این حالت تا زمانی كه لبه انتهایی پره به ناحیه d برسد ادامه پیدا می كند تا در آن لحظه از OFF به ON تغییر وضعیت دهد. بنابراین مدت زمانی كه خروجی سنسور OFF است برابر با فاصله بین d ,b بعلاوه پهنای پره می باشد. درحركت از راست به چپ نیز وضعیت كاملاً مشابه است. در اكثر مواقع پره ها بصورت به هم پیوسته می باشند. این حالت در شكل زیر در نظر گرفته شده است.




توجه كنید كه این دو حالت هیچ تفاوتی باهم ندارند.

رابطه بین مدت زمان OFF ,ON برای حالت پره دندانه ای به پیوسته در جدول زیر خلاصه شده است.



نمونه هایی از این سنسور ها در زیر آمده است .

2AV series

4AV series

SR 17 / 16 series




Sequence Sensors

شكل زیر را در نظر داشته باشید.




تعدادی دیسك آهنی بر روی یك شفت قرار گرفته اند. این دیسكها از فاصله هوایی سنسورهای پره (Vane Sensor) عبور می كنند. شكل هر كدام از این دیسكها بگونه ای است كه یك مجموعه از آنها منجر به تولید كدهای خاصی می شود. سنسور پره در اثر حضور دیسك در فاصله هوایی خروجی را صفر و در اثر عدم حضور آن خروجی را یك می گویند. به این ترتیب كد حاصل از این روش موقعیت یا وضعیت شفت را نشان می دهد. به جای استفاده از دیسك ها و سنسورهای پره می توان از آهنربای حلقه ای متصل به شفت و سنسورهای اثرهال دو قطبی (bipolar) استفاده نمود.




سنسورهای مجاورتی Proximity Sensor

در دو طرح زیر 4 سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی كه بر یك صفحه آلومینیومی قرار گرفته اند نشان داده شده است .در شكل اول سنسورها تك قطبی و در شكل دوم سنسورها دو قطبی هستند.



تك قطبی


دوقطبی


بازگشت به ابتدا


سنسور ماشین های اداری

دستگاههای فتوكپی، فاكس، پرینترهای كامپیوتر از این سنسورها می توانند استفاده كنند.

برای مثال پرینتر، جهت دریافت وجود كاغذ و نیز جریان كاغذ ازسوئیچ های اثرهال استفاده می كنند.




ویژگی : بدون تماس - بدون اعمال نیروی اضافی - عمر طولانی




سنسور موقعیت چندگانه (Multiple position sensor)

شكل مقابل سنسور اثرهال را در كنار 3 مقایسه كننده ولتاژ نشان می دهد این سنسور چندگانه دارای 3 خروجی دیجیتالی است.




سنسور ضد لغزشی Anti-Skid sensor

شكل زیر راه حلی را برای كنترل نیروی ترمز یك چرخ نشان میدهد. هدف این است بدون اینكه چرخ به اصطلاح قفل شود اتومبیل درحداقل زمان ممكن متوقف شود.




در این سیستم سنسور بگونه ای قرار گرفته است كه یك چرخ دنده داخلی را حس می كند. زمان عكس العمل سیستم توقف بر مبنای فركانس سیگنالی كه سنسور تولید می كند تخمین زده می شود.




سنسور موقعیت پیستون (Piston detection sensors)

در شكل مقابل روشی جهت موقعیت سنجی پیستون در یك سیلندر غیر آهنی داده شده است. درحالت نخست آهنربا هایی را در درون پیستون به گونه ای قرار می دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجی خطی دریافت شوند.




در حالت دوم از یك پیستون آهنی و آهنربا و سنسور اثرهال استفاده می شود. در این حالت نیاز است تا مشخصات سیستم مغناطیسی بطور مطلوبی در دسترس باشد.




برقراری های استفاده از اثرهال در این موقعیت سنجی به شرح زیر می باشد:

1- ابعاد كوچك سنسورها

2 - عدم نیاز به منبع قدرت خارجی برای آهنرباها

3 - رنج دمایی بزرگ از 40°c تا 150°c

4 - توانایی عمل در محیط كثیف و آلوده



برخی از نمونه ها

در این بخش برخی از سنسورهای شركت Honeywell به همراه اطلاعات كلی آنها آمده است.


SS552MT Series Surface Mount Sensor 230k

SS49E/SS59ET Series Economical Linear Position Sensor 260k

RPN Series Hall-Effect Rotary Position Sensor 112k

GTN Series Hall-Effect Gear-Tooth Sensor 103k

SS 520 Series Dual Hall-effect Digital Position Sensor with speed and direction outputs 72k


SR 13/15 Series Hall Effect Sensor 247k

SS490 Series Miniature Ratiometric Linear Hall Effect Sensor 148k


103SR Series Analog Position Sensors 154k

103SR Series Digital Position Sensors 131k


2SSP Series Digital Position Sensors 124k


Analog Solid State Position Sensors 62k

Digital Solid State Position Sensors 73k

GT1 Series Hall Effect Gear Tooth Sensors 213k




SR3 Series Digital Position Sensors 126k

SS10 Series Digital Position Sensors 117k

SS40 Series Digital Position Sensors 97k

SS100 Series Digital Position Sensors 209k

SS400 Series Digital Position Sensors 238k

SS49/SS19 Series Analog Position Sensors 140k

SS94A Series Analog Position Sensors 126k

SS94B1 Series Analog Position Sensors 139k

SS490 Series Miniature Ratiometric Linear Sensors 551k

VX Series Solid State Basic Switches 222k



مراجع

یكی از شركت هایی كه در تولید سنسور های اثرهال فعالیت می كند شركت Honeywell است . در سایت این شركت اطلاعات كاملی در مورد این نوع سنسورها و نیز انواع آنها وجود دارد.

دراین سایت كتابی نیز در مورد سنسورهای اثرهال وجود دارد كه در این لوح فشرده نیز موجود می باشد .

1-www.honeywell.com\sensing

2-Book : HALL EFFECT SENSING AND APPLICATION

3.http://mariottim.interfree.it/index_e.htm

4.www.wondrmagnet.com





طبقه بندی: مقالات برق، 
.: Weblog Themes By Pichak :.


شرکت کوشا الکام پارس نماینده رسمی اینترنت پرسرعت شاتل در کازرون * سرعت فوق العاده * ادرس:چهار راه بانک ملی مجتمع تجاری کوثر واحد 1 * تلفن:11-2219410

اللّهُمَّ كُنْ لِوَلِیِّكَ الْحُجَّةِ بْنِ الْحَسَنِ صَلَواتُكَ عَلَیْهِ وَعَلى آبائِهِ فی هذِهِ السّاعَةِ وَفی كُلِّ ساعَةٍ وَلِیّاً وَحافِظاً وَقائِدا ‏وَناصِراً وَدَلیلاً وَعَیْناً حَتّى تُسْكِنَهُ أَرْضَك َطَوْعاً وَتُمَتِّعَهُ فیها طَویلاً

Google

در این وبلاگ
در كل اینترنت

دریافت کد قلب دنبال موس
تمامی حقوق این وبلاگ محفوظ است
قالب وبلاگقالب وبلاگ
تحلیل آمار سایت و وبلاگ