37033

اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin   Hall) درسال ۱۸۷۹ در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns  Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود. هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید. او دریافت که 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 ۷۰ سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد. با ورود مواد نیمه هادی در دهه ۱۹۵۰ اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال ۱۹۶۵ Joe  Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود.

ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند:

۱٫      حالت جامد ؛

۲٫       عمر طولانی ؛

۳٫       عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای ۱۰۰KHZ ؛

۴٫       عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛

۵٫       اجزای غیر متحرک ؛

۶٫       ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic  Compatible  input and output ؛

۷٫        بازه  دمایی گسترده  (-۴۰°C ~ +۱۵۰°C) ؛

۸٫        عملکرد تکرار پذیرعالی Highly  Repeatable  Operation ؛

۹٫       یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم رخ دهد .

تئوری اثرهال

            اگر یک ماده هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی به شدت B که عمود برجهت جریان عبوری به مقدار Iمی باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود.

37032

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 که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند.      حاملهای 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، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند.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 که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند.      حاملهای 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، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند.

اساس کار حسگرهای اثر هال

یک حسگر اثر هال مبدلی است که در پاسخ به تغییرات میدان مغناطیسی خروجی ولتاژ نشان می‌دهد.با اعمال میدان‌های مغناطیسی نسبتا بزرگ ولتاژ خروجی در محدودهٔ چند میکروولت می‌باشد . برای ارتقا حساسیت حسگر و گرفتن خروجی مطلوب با بیشترین دقت و با حداقل خطای هیسترزیس باید از تقویت کننده، رگولاتور ولتاژ و مدارهای سوییچینگ منطقی استفاده کرد.

حسگرهای اثر هال به دو نوع عمده تقسیم می‌شوند:

۱.حسگرهای خطی یا آنالوگ

ولتاژ خروجی این نوع حسگر مستقیما از خروجی تقویت کننده گرفته می‌شود که متناسب است با اندازه میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده.

شکل VH=RH(IBt) که در آن :

• VH ولتاژ هال بر حسب ولت می‌باشد.
• RH ضریب اثر هال می‌باشد.
• I جریان الکتریکی عبوری از حسگر بر حسب آمپر می‌باشد.
• t ضخامت صفحه حسگر بر حسب میلیمتر می‌باشد.
• B چگالی شار میدان مغناطیسی بر حسب تسلا می‌باشد.

میدان مغناطیسی احساس شده می‌تواند مثبت یا منفی باشد و از آنجاییکه خروجی تقویت کننده‌ها نیز می‌تواند مثبت یا منفی باشد باید منبع ولتاژ مثبت و منفی در اختیار داشته باشیم. برای پرهیز از دو منبع ولتاژ جداگانه بهتر است که از تقویت کنندهٔ تفاضلی با آفست معین استفاده شود. هنگامیکه میدان مغناطیسی اعمال نشود مقدار آفست در خروجی ظاهر می‌شود .اگر میدان مغناطیسی مثبت وجود داشته باشد مقدار نشان داده شده بزرگتر از آفست و اگر میدان مغناطیسی اعمالی منفی باشد خروجی مقداری مثبت و کمتر از آفست خواهد بود.

شکل خروجی تقویت کننده نمی‌تواند از حدود اشباع خارج شود.باید خاطر نشان شد که در صورت اعمال میدان مغناطیسی بسیار بزرگ مثبت یا منفی حسگر اثر هال آسیب ندیده و تقویت کننده به اشباع می‌رود.
حسگرهای دارای خروجی آنالوگ ولتاژ خروجی پیوسته‌ای را نمایش می‌دهند که متناسب با اندازه میدان مغناطیسی تا محدودهٔ اشباع تغییر می‌کند. محدوده‌های عملکرد این نوع سنسورها می‌تواند ۴٫۵ تا ۱۰٫۵ ولت،۴٫۵ تا ۱۲ ولت و یا ۶٫۶ تا ۱۲٫۶ ولت باشد.
۲.حسگرهای اثر هال با خروجی دیجیتال
این نوع حسگرها دارای schmitt-trigger هستند که بر اساس حلقه هیسترزیس ساخته شده‌است و به تقویت کننده متصل می‌شود.خروجی آنها تنها دو وضعیت روشن (ON ) و خاموش (OFF) را پوشش می‌دهد.در صورتی که شار مغناطیسی با اندازه بزرگتر از یک مقدار مرجع از عنصر هال عبور کند خروجی سریعا از حالت خاموش (OFF) به حالت روشن (ON )تغییر وضعیت می‌دهد. (شایان ذکر است که مقدار مرجع توسط کارخانه سازنده حسگر معین می‌گردد.) و در صورتی که شار مغناطیسی کمتر از مقدار مرجع شود خروجی به حالت OFF میرود.
دو نوع حسگر اثر هال با خروجی دیجیتال وجود دارد : دو قطبی و تک قطبی.
حسگرهای دوقطبی برای تشخیص وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از OFF به ON به میدان مغناطیسی مثبت نیازدارند و برای تشخیص عدم وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از حالت ON به OFF به میدان مغناطیسی منفی احتیاج دارد. در حالیکه حسگرهای تک قطبی برای تشخیص وجود و عدم وجود میدان مغناطیسی از میدان مثبت استفاده می‌کند.

کاربردهای حسگر اثر هال

کاربردهای حسگر با خروجی دیجیتال:
کنترل موتور(تشخیص سرعت )
تجهیزات عکاسی (اندازه گیری زمان)
زمان احتراق
حسگر مکان
شمارنده پالس (چاپگر و درایو موتور)
حسگرتعیین مکان ساقه شیر
Joy stick
قفل شدن در
مشاهده جریان (سیستم موتور)
اندازه گیری سرعت چرخش
اندازه گیری فلو
رله
آشکارسازهای نزدیکی
امنیتی (کارت‌های مغناطیسی )
ماشین‌های بانکی (گوینده اتوماتیکی)
ارتباطات راه دور
فشارسنج‌ها
سوییچ‌های محدود کننده
سنسور تعیین مکان لنز
تست تجهیزات
سنسور تعیین مکان شفت
دستگاه‌های سکه‌ای
کاربردهای سنسور با خروجی خطی :
مشاهده جریان
درایو دیسک
درایو فرکانس متغیر
کنترل حفاظت موتور
حفاظت منبع تغذیه
اندازه گیری مکان
دیافراگم فشار
پتانسیومترهای غیر تماسی
سوییچ‌های انکودر
انکودرهای چرخشی
تنظیم کننده ولتاژ
ردیاب فلزات آهن دار
در زیر به توضیح چند یک از کاربردهای ذکر شده در بالا می‌پردازیم
بستن در(door interlock ) و زمان احتراق :
در این روش سنسور طوری قرار می‌گیرد که زمانی که کلید داخل قفل قرار می‌گیرد باعث می‌شود میدان مغناطیسی بچرخد.از مزایای این روش یخ، آب و دیگر مشکلاتی که مخالف شرایط طبیعی هستند حذف شده‌اند.
این روش همچنین به عنوان قفل الکتریکی می‌تواند به کار رود.
حسگر RPM :
حسگر RPM یکی ازعمومی‌ترین کاربردها برای حسگر اثر هال است.
شار مغناطیسی مورد نیاز برای عملکرد حسگر می‌تواند با آهن ربای جدا که بر روی شفت یا چرخ تصب شده‌است یا به وسیله حلقه مغناطیسی تامین شود.
حسگر دما و فشار :
حسگربا خروجی خطی این امکان را می‌دهد که پارامترهای دیگری به جز مکان و جریان را اندازه گرفت.

زمانی که سنسور خطی با نیروی مغناطیسی ترکیب می‌شود می‌تواند برای اندازه گیری دما یا فشار به کار رود.

در اندازه گیری فشار قسمت مغناطیسی به قسمت فانوس(bellows) متصل شده‌است. هنگامی که بلو منبسط یا منقبض می‌شود قسمت مغناطیسی حرکت می‌کند. اگر سنسور در نزدیکی قسمت مغناطیسی قرار گرفته باشد ولتاژ خروجی متناسب با فشار ورودی می‌توان به دست آورد.
طرز کار اندازه گیری دما نیز مشابه فشار است به غیر از اینکه گازبا انبساط حرارتی مشخصی در قسمت بلو قرار گرفته‌است و هنگامی که محفظه گرم می‌شود و گاز منبسط می‌شود و باعث ایجاد ولتاژی که متناسب با دما برای سنسور می‌کند.
کارت خوان مغناطیسی :
سیستم امنیتی قفل در می‌تواند با با استفاده از سنسور خروجی خطی ι کارت‌های مغناطیسی و مدارات میکروپروسسورهای خطی مانند شکل زیر طراحی شود.
در این مثال با لغزش کارت خروجی سنسور تغییر می‌کند. این سیگنال آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌شود تا برای عملکرد رله مناسب باشد.زمانی که پالسی به رله‌های سلنوئیدی می‌رسد در باز می‌شود.
حسگر اتومبیل:
در شکل زیر بسیاری از جاهایی که حسگر اثر هال می‌تواند به کار رود مانند مانیتورینگ ι تعین مکان یا وسایل فیدبک امنیتی برای صنعت خودروسازی به کار رود.
هر دو سنسور خروجی خطی و دیجیتال در این کاربردها استفاده می‌شود مانند اندازه گیری فلو حسگر جریان٬حسگر مکان٬قفل در ٬حسگر فشار٬حسگرRPM و غیره.
سنسورهای لرزشی
مطلب را در شبکه های اجتماعی اشتراک گذاری کنید.