سنسور اثر هال

با استفاده از سنسور اثر هال می توان تغییرات میدان مغناطیسی را به سیگنال الکتریکی تبدیل کرد. عملکرد این سنسور با توجه به اثر فیزیکی هال تعریف می شود. اثر هال وضعیت یک عنصر حامل جریان در میدان مغناطیسی را شرح می کند. در سال 1879 میلادی دکتر ادوین هال Edvin Hall در دانشگاه هاروارد آزمایشی را جهت تعیین علامت حامل های بار داخل رسانا انجام داد. دکتر هال در این آزمایش از یک اثر فیزیکی جهت تعیین مثبت یا منفی بودن حامل ها استفاده کرد. نتیجه ی این آزمایش بیانگر منفی بودن حامل های بار در فلزات بود. به این ترتیب جریان الکتریکی داخل رسانا ناشی از حرکت بارهای منفی در خلاف جهت جریان است.

قرارگرفتن یک عنصر حامل جریان در میدان مغناطیسی باعث تولید نیرو محرکه خواهد شد. نیرومحرکه هنگامی ایجاد می شود که میدان حاصل از جریان و میدان مغناطیسی بر یکدیگر عمود باشند. در این حالت نیرومحرکه در عرض رسانا و عمود بر میدان مغناطیسی ایجاد خواهد شد. تصویر زیر نمونه ایی از یک سنسور اثر هال را نشان می دهد.

اصول عملکرد سنسور

جهت درک بهتر از عملکرد سنسور؛ یک صفحه ی رسانا را در نظر بگیرید. این صفحه حامل جریان بوده و رفتار آن با توجه به میدان مشخص می شود. هدف از این مثال بررسی حامل های بار در حضور یا عدم حضور میدان مغناطیسی در اطراف هادی است. عملکرد سنسور در شرایط مختلف عبارت است از:

1. هنگامی که میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، حامل های بار در مسیر اصلی خود حرکت می کنند.
2. با اعمال میدان مغناطیسی به صورت عمود بر جهت جریان، مسیر حرکت حامل های بار منحرف می شود.
3. با حضور میدان مغناطیسی به بارهای در حال حرکت نیرویی اعمال می شود. این نیرو موجب جهت گیری حامل های بار موجود در نیمه هادی به دو طرف تیغه می شود.
4. پدیده ی تجمع حامل های بار در دو سمت تیغه موجب اختلاف پتانسیل در دو طرف نیمه هادی میشود. این ولتاژ تولیدی همان ولتاژ هال نام دارد. در صورت ثابت بودن جریان عبوری از صفحه ی رسانا ، مقدار ولتاژ هال تابعی از شدت میدان مغناطیسی خواهد بود. ولتاژ هال در صورت عدم حضور میدان مغناطیسی برابر با صفر خواهد بود.

اگر یک ماده ی هادی یا نیمه هادی حامل جریان در میدان مغناطیسی به شدت B قرار گیرد، با توجه به قانوان اثر هال در عرض آن ولتاژی به مقدار V تولید می شود. در این حالت میدان مغناطیسی باید بر جهت جریان عبوری عمود باشد. مواد نیمه هادی در برابر اثر هال رفتار بهتری داشته و به همین علت در سنسورها استفاده می شوند. تصویر زیر نحوه ی عملکرد سنسور اثر هال را نمایش می دهد.

ولتاژ ایجاد شده طبق اثر هال بسیار کوچک و در حد میکرو ولت هستند. جهت استفاده از ولتاژهای بسیار پائین از مدارت جبران ساز یا بهسازی استفاده می شود. اگر چه سنسور اثر هال یک سنسور میدان مغناطیسی است اما می تواند به عنوان جز اصلی در بسیاری از انواع حس گرهای جریان، دما، فشار، موقعیت و غیره استفاده شود. تصویر زیر ساختار یک سنسور اثر هال را به صورت کامل نمایش می دهد.

اجزای داخلی سنسورهای اثر هال

ولتاژ خروجی سنسور هال بسیار کوچک است. با توجه به ویژگی های این ولتاژ، سنسور هال نیازمند یک طبقه تقویت کننده و یک جبران ساز حرارتی است. در صورت استفاده از منبع تغذیه با ریپل فراوان باید از یک رگولاتور ولتاژ نیز استفاده شود. رگولاتور ولتاژ باعث ثتبیت جریان I در سنسور می شود. در این حالت ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان بوده و وابسته به جریان عبوری نخواهد بود. میزان ولتاژ تولیدی سنسور در صورت صفر بودن میدان مغناطیسی باید برابر با صفر خواهد باشد اما در عمل اینگونه نیست. در صورت اندازه گیری ولتاژ هر ترمینال سنسور هال مقداری غیر از صفر نمایش داده می شود. این ولتاژ در تمام ترمینال ها یکسان بوده و با CMV یا Common Mode Voltage شناخته می شود. با وجود این ولتاژ باید از تقویت کننده ی تفاضلی استفاده شود تا فقط اختلاف پتانسیل تقویت گردد. تصویر زیر موقعیت استفاده از تقویت کننده ی تفاضلی در سنسور را نشان می دهد.

روش های ایجاد میدان مغناطیسی

برخی از روش های ایجاد میدان مغناطیسی عبارتنداز:

• Unipolar head-on mode
• Unipolar slide-by mode
• Bipolar Slide – By mode
• Bipolar Slide –By mode (ring magnet)

روش Unipolar head-on mode

در روش Unipolar head-on mode  آهن ربا نسبت به نقطه ی مرجع سنسور حرکت می کند. همانطور که در تصویر مشاهده می کنید منحنی تغییرات فاصله و میدان مغناطیسی در این حالت غیرخطی است. جهت درک بهتر این تصویر یک سنسور اثر هال دیجیتال را در نظر بگیرید. اگر فاصله ی بین سنسور و آهنربا برابر با G1 باشد، آنگاه سوئیچ یا سنسور دیجیتال عمل خواهد کرد. با رسیدن فاصله به مقدار G2 سنسور یا سوئیچ Off خواهد شد.

روش Unipolar slide-by mode

در این حالت یک آهن ربا در یک مسیر افقی نسبت به سنسور تغییر مکان می دهد. همانطور که در تصویر مشاهده می کنید؛ منحنی تغییرات مکان نسبت به میدان مغناطیسی در این حالت نیز غیر خطی است. با وجود دقت کم این روش، حالت تقارنی آن کاملا دیده می شود. با حرکت آهنربا از سمت راست و رسیدن آن به موقعیت D1+ سنسور عمل خواهد کرد. عملکرد سنسور می تواند تا رسیدن آهنربا به موقعیت D2- ادامه یابد. با عبور از موقعیت D2- سنسور غیر فعال می شود.

روش Bipolar Slide – By mode

در این حالت از دو آهن ربا استفاده می شود. در حالت Bipolar Side قطب N و S هر یک از آهن ربا ها به صورت غیر هم نام و در مجاورت یکدیگر قرار می گیرند. دقت این روش متوسط بوده و در نمودار آن حالت تقارنی وجود ندارد. در برخی بخش ها می توان از خاصیت خطی منحنی استفاده کرد. طبق تصویر با حرکت سنسور از سمت راست به چپ و رسیدن به فاصله ی D2 خروجی سنسور On خواهد شد. فعال بودن سنسور تا موقعیت D4 ادامه دارد. به عبارت دیگر سنسور در قسمت شیب تند منحنی عمل کرده و در شیب کند آن غیر فعال می شود. جهت حذف این شیب تند در مبدا نمودار می توان از یک Gap یا فاصله ی معین میان دو آهنربا استفاده کرد. این عمل موجب افزایش چشم گیر دقت خواهد شد.

روش Bipolar Slide –By mode (ring magnet)

در این روش از یک آهنربای حلقه ای استفاده می شود. این آهنربا شبیه به دیسک بوده و قطب هایش در پیرامون آن قرار دارند. در تصویر زیر آهنربای حلقه ای با دو جفت قطب آن نمایش داده شده است. منحنی حاصل از این آهنربا به شکل سینوسی می باشد. هر چه تعداد قطب های آهن ربای حلقه ای بیشتر شود، مقدار پیک حاصل در اندازه ی میدان کمتر خواهد بود. تعداد پالس های حاصل از این روش برابر با جفت قطب های آهنربا است. یکی از معایب این روش، محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطب های زیاد است.

جمع بندی

در جدول زیر انواع میدان های مغناطیسی با یکدیگر مقایسه شده اند. در این جدول منظور از عبارت * All حرکت های چرخشی، پیوسته و رفت و برگشت است.

گروه بندی سنسورهای اثر هال

دو دلیل اصلی برای پردازش سیگنال خروجی در سنسور اثر هال عبارت اند از:

1. تقویت تغییرات ولتاژ خروجی این سنسور در اثر تغییرات میدان مغناطیسی
2. وجود نویز در محیط های صنعتی

سنسور های اثر هال را می توان بر اساس حالات به دست آمده از پردازش سیگنال خروجی آن ها دسته بندی کرد. در این حالت سنسورها به مدل های خطی و سوئیچ تقسیم می شوند. تعریف این مدل ها عبارت است از:

1. سنسورهای خطی هال : در این مدل یک خروجی آنالوگ وابسته به شار مغناطیسی گذرنده از صفحات سنسور تولید می شود.
2. سوییچ هال: در این سنسورها یک خروجی دیجیتال تولید می شود.

سنسورهای اثر هال دیجیتال

سنسور های دیجیتال تنها شامل دو حالت خروجی On و Off هستند. خروجی سنسورهای اثر هال دیجیتال وقتی فعال یا On می شوند که اندازه ی میدان مغناطیسی به مقدار مطلوب رسیده باشد. با کاهش میدان از حد معینی، خروجی سنسور Off خواهد شد. جهت پیشگیری از پرش های متوالی در این سنسورها از تابع هیسترزیس استفاده می شود. تصویر زیر Circuit diagram مربوط به یک Digital output Hall Effect Sensor را نشان می دهد. با استفاده از Schmitt Trigger اثر هیسترزیس القا می شود.

Hall Effect Switch نوعی از سنسورها با خروجی دیجیتال بوده که به عنوان لیمیت سوئیچ در ماشین های CNC، چاپگرهای سه بعدی و غیره استفاده می شوند. در تصویر زیر نمودار خروجی یک Digital Output Hall Effect Sensor را مشاهده می کنید.

تصویر زیر مربوط به یک ماژول Hall-effect sensor  است:

دو نوع سنسور اثر هال با خروجی دیجیتال عبارتنداز:

• دوقطبی یا Bipolar Hall Effect Sensor: در حسگر های دو قطبی جهت تشخیص وجود میدان مغناطیسی و یا تغییر وضعیت از OFF به میدان مغناطیسی مثبت نیاز است. عدم وجود میدان مغناطیسی یا تغییر وضعیت آن ها از On به Off توسط میدان مغناطیسی منفی انجام می شود.

• تک قطبی یا Unipolar Hall Effect Sensor : تشخیص وجود یا عدم وجود میدان مغناطیسی در حسگر های تک قطبی با استفاده از میدان مغناطیسی مثبت انجام می شود.

برخی از کاربردهای حسگر با خروجی دیجیتال عبارت اند از:

• کنترل موتور: تشخیص سرعت
• تجهیزات عکاسی: اندازه گیری زمان
• زمان احتراق
• حسگر مکان
• امنیتی: کارت های مغناطیسی
• شمارنده ی پالس: چاپگر و درایو موتور
• قفل شدن درب
• اندازه گیری سرعت چرخش
• اندازه گیری فلو
• ماشین های بانکی: گوینده ی اتوماتیکی

سنسورهای اثر هال آنالوگ

در سنسورهای آنالوگ میزان ولتاژ خروجی با اندازه ی میدان مغناطیسی عمود بر سطح؛ تنظیم خواهد شد. با توجه به کمیت اندازه گیری این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد.