رفتن به مطلب

پست های پیشنهاد شده

مقدمه

يك عنصر هال از لايه نازكي ماده هادي با اتصالات خروجي عمود بر مسير شارش جريان ساخته شده است وقتي اين عنصر تحت يك ميدان مغناطيسي قرار مي گيرد، ولتاژ خروجي متناسب با قدرت ميدان مغناطيسي توليد مي كند. اين ولتاژ بسيار كوچك و در حدود ميكرو ولت است. بنابراين استفاده از مدارات بهسازي ضروري است. اگر چه سنسور اثرهال، سنسور ميدان مغناطيسي است ولي مي تواند به عنوان جزء اصلي در بسياري از انواع حسگرهاي جريان، دما، فشار و موقعيت و استفاده شود. در سنسورها، سنسور اثر هال ميداني را كه كميت فيزيكي توليد مي كند و يا تغيير مي دهد حس مي كند

 

ويژگيهاي عمومي

ويژگيهاي عمومي سنسورهاي اثرهال به قرار زير مي باشند:

1 - حالت جامد ؛

2 - عمر طولاني ؛

3 - عمل با سرعت بالا-پاسخ فركانسي بالاي 100KHZ ؛

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

5 - اجزاي غير متحرك ؛

6-ورودي و خروجي سازگار با سطح منطقيLogic Compatible input and output ؛

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

8 - عملكرد تكرار پذيرعالي Highly Repeatable Operation ؛

9 - يك عيب بزرگ اين است كه در اين سيستمها پوشش مغناطيسي مناسب بايد در نظرگرفته شود، چون وجود ميدان هاي مغناطيسي ديگر باعث مي شود تا خطاي زيادي در سيستم اتفاق افتد.

لینک ارسال

تاريخچه

اثرهال توسط دكتر ادوين هال (Edvin Hall) درسال 1879 در حالي كشف شد كه او دانشجوي دكتراي دانشگاه Johns Hopkins در بالتيمر(Baltimore) انگليس بود.

هال درحال تحقيق بر تئوري جريان الكترون كلوين بود كه دريافت زماني كه ميدان يك آهنربا عمود بر سطح مستطيل نازكي از جنس طلا قرار گيرد كه جرياني از آن عبور مي كند، اختلاف پتانسيل الكتريكي در لبه هاي مخالف آن پديد مي آيد.

او دريافت كه اين ولتاژ متناسب با جريان عبوري از مدار و چگالي شار مغناطيسي عمود بر مدار است. اگر چه آزمايش هال موفقيت آميز و صحيح بود ولي تا حدود 70 سال پيش از كشف آن كاربردي خارج از قلمرو فيزيك تئوري براي آن بدست نيامد.

با ورود مواد نيمه هادي در دهه 1950 اثرهال اولين كاربرد عملي خود را بدست آورد. درسال 1965 Joe Maupin ,Everett Vorthman براي توليد يك سنسور حالت جامد كاربردي وكم هزينه از ميان ايده هاي متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت اين انتخاب جا دادن تمام اين سنسور بر روي يك تراشه سيليكن با هزينه كم و ابعاد كوچك بوده است اين كشف مهم ورود اثر هال به دنياي عملي و پروكاربرد خود درجهان بود.

تئوري اثرهال

اگر يك ماده هادي يا نيمه هادي كه حامل جريان الكتريكي است در يك ميدان مغناطيسي به شدت B كه عمود برجهت جريان عبوري به مقدار I مي باشد قرار گيرد، ولتاژي به مقدار V در عرض هادي توليد مي شود.

image002.jpg

 

اين خاصيت در مواد نيمه هادي داراي مقدار بيشتري نسبت به مواد ديگر است و از اين خاصيت در قطعات اثرهال تجارتي استفاده ميشود.

ولتاژها به اين علت پديد مي آيد كه ميدان مغناطيسي باعث مي شود تا نيروي لرنتز برجريان عمل كند و توزيع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهايتا حاملهاي جريان مسير منحني را مطابق شكل بپيمايند.

image004.jpg

 

image006.jpg

 

حاملهاي جريان اضافي روي يك لبه قطعه ظاهر مي شوند، ضمن اينكه در لبه مخالف كمبود حامل اتفاق مي افتد. اين عدم تعادل بار باعث ايجاد ولتاژ هال مي شود، كه تا زماني كه ميدان مغناطيسي حضور داشته و جريان برقرار است باقي مي ماند.

HowPic-Hall001.gif

براي يك قطعه نيمه هادي يا هادي مستطيل شكل با ضخامت t ولتاژهايV توسط رابطه زير بدست مي آيد:

hall%20e26.gif

KH ضريب هال براي ماده مورد نظر است كه بستگي به موبيليته بار و مقاومت هادي دارد.

آنتيمونيد ايريديم تركيبي است كه در ساخت عنصر اثرهال استفاده مي شود و مقدار KH براي آن hall%20e3.gif 20 است.

ولتاژهال در رنج hall%20e27.gif در سيليكن بوجود مي آيد و تقويت كننده براي آن حتمي است. سيليكن اثر پيز و مقاومتي دارد و بنابراين براثر فشار مقاومت آن تغيير مي كند. در يك سنسور اثر هال بايد اين خصوصيت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گيري افزوده شود. اين عمل با قرار دادن عنصر هال بريك IC براي به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام ميشود. بطوري كه بر هر يك از دو بازوي مجاور مدار پل يك عنصر هال قرار گيرد، در يكي جريان بر ميدان مغاطيسي عمود است و ولتاژ هال ايجاد مي شود و در ديگري جريان موازي با ميدان مغناطيسي مي باشد و ولتاژ هال ايجاد نمي‌شود. استفاده از 4 عنصر هال نيز مرسوم مي باشد.

 

image008.jpg

لینک ارسال

اساس سنسورهاي اثرهال

عنصرهال، سنسور ميدان مغناطيسي است. باتوجه به ويژگيهاي ولتاژ خروجي اين سنسور نياز منديك طبقه تقويت كننده و نيز جبران ساز حرارتي است. چنانچه از منبع تغذيه با ريپل فراوان استفاده كنيم وجود يك رگولاتور ولتاژ حتمي است.

رگولاتور ولتاژ باعث مي شود تا جريان I ثابت باشد بنابراين ولتاژ هال تنها تابعي از شدت ميدان مغناطيسي مي باشد.

اگر ميدان مغناطيسي وجود نداشته باشد ولتاژي توليد نمي شود. با وجود اين اگر ولتاژ هر ترمينال اندازه گيري شود مقداري غير ا ز صفر به ما خواهد داد. اين ولتاژ كه براي تمام ترمينال ها يكسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته مي‌شود. بنابراين تقويت كننده بكار گرفته شده مي بايست يك تقويت كننده تفاضلي باشد تا تنها اختلاف پتانسيل را تقويت كند.

hall%20e4.gif

 

سنسورهاي هال ديجيتال

در اين سنسورها وقتي بزرگي ميدان مغناطيسي به اندازه مطلوبي رسيد سنسور ON مي شود و پس از اينكه بزرگي ميدان از حد معيني كاهش يافت سنسور خاموش مي شود. لذا در اين سنسورها خروجي تقويت كننده تفاضلي را به مدار اشميت تريگر مي دهند تا اين عمل را انجام دهد، براي جلوگيري از پرش هاي متوالي از تابع هسترزيس زير استفاده مي كنند.

HowPic-Hall002.gif

hall%20e6.gif

لینک ارسال

سنسورهاي آنالوگ سنسورهاي آنالوگ ولتاژ خروجي خود را متناسب با اندازه ميدان مغناطيسي عمود بر سطح خود، تنظيم مي كنند. با توجه به كميت هاي اندازه گيري اين ولتاژ مي تواند مثبت يا منفي باشد. براي اينكه سنسورهاي ولتاژ خروجي منفي توليد نكند و همواره خروجي تقويت كننده تفاضلي را با يك ولتاژ مثبت را پاس مي كنند.

hall%20e7.gif

در شكل بالا توجه داريم كه يك نقطه صفر وجود دارد كه در آن ولتاژي توليد نمي شود . از ويژگيهاي اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحي اشباع در شكل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال مي باشد .

معمولا خروجي تقويت كننده تفاضلي را به ترانزيستور پوش-پول مي د هند.

hall%20e8.gif

سنسور آنالوگ اثر هال

 

سيستم هاي مغناطيسي

سنسور اثر هال درحقيقت بدين ترتيب عمل ميكند كه توسط يك سيستم مغناطيسي كميت فيزيكي به ميدان مغناطيسي تبديل مي شود. حال اين ميدان مغناطيسي توسط سنسور اثر هال حس مي شود. بسياري از كميت هاي فيزيكي با حركت يك آهنربا اندازه گيري مي شوند. مثلاً دما و فشار را مي توان بوسيله انقباض و انبساط يك Bellows كه به آهنربا متصل است اندازه گيري نمود.

hall%20e9.gif

روش هاي مختلفي جهت ايجاد ميدان مغناطيسي وجود دارد.

] Unipolar head-on mode

در اين حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حركت مي كند.

hall%20e10.gif

همانطور كه در شكل بالا ديده مي شود منحني تغييرات فاصله وميدان مغناطيسي در اين شكل آمده است (منحني بدست آمده غير خطي است) و دقت درحد متوسط است. مثلاً اگر يك سنسور اثرهال ديجيتالي را در نظر بگيريم در اين حالت در فاصله أي كه G1 حاصل مي شود سوئيچ عمل مي كند و On ميشود و وقتي كه فاصله به حدي رسيد كه G1 حاصل شود سوئيچ OFF ميكند.

] Unipolar slide-by mode

در اين حالت آهنربا در يك مسير افقي نسبت به سنسور تغيير مكان مي كند.

hall%20e11.gif

منحني تغييرات مكان نسبت به ميدان مغناطيسي بازهم غير خطي است- دقت اين روش كم است و لي حالت تقارني كاملاً ديده مي شود. مثلاً سنسور اثرهال ديجيتالي را در نظر بگيريد كه در اثر ميدان G1 روشن شده و در ميدان G2 خاموش مي شود وقتي آهنربا از سمت راست حركت مي كند و به موقعيت +D1 مي رسد آنگاه سنسور عمل ميكند. اين حركت ادامه مي تواند داشته باشد تا به موقعيت –D2 برسد، در اين هنگام سنسور آزاد مي شود و به همين ترتيب.

 

] Bipolar Slide –By made

در اين حالت از 2 آهنربا كه قطب S,N هر كدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده مي كنيم.

hall%20e3.gif

دقت در اين روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولي مي توان در بخش هايي، از خاصيت خطي منحني استفاده نمود. اگر همان سنسور ديجيتالي قبلي را در نظر بگيريم در حركت از راست به چپ وقتي كه فاصله به D2 مي رسد آنگاه سنسور عمل مي كند و تا به مرحله D4 پيش مي رود. بنابراين در يك حركت پيوسته از راست به چپ سنسور در بخش شيب تند عمل مي كند و در بخش شيب كند رها ميكند.

جهت حذف شيب تند در بخش مبدأ از يك تكنيك ديگر استفاده مي شود. بدين ترتيب كه در ميان ايندو آهنربا فاصله معيني قرار مي دهند.

hall%20e4.gif

اين عمل بطور چشمگيري دقت را افزايش مي دهد.

حالت ديگري نيز به كار مي‌رود كه در آن منحني حاصل بصورت يك تابع پالس است. در اين روش در ميان دو آهنربا، آهنرباي ديگري قرار مي دهند كه پهناي پالس متناسب با پهناي اين آهنربا مي باشد.

hall%20e5.gif

] Bipolar Slide –By mode (ring magnet)

در اين حالت از يك آهنرباي حلقه استفاده مي شود آهنرباي حلقه اي يك قطعه آهنرباي ديسك مانند است كه قطب هاي آن در پيرامون آن قرار دارند. در شكل زير آهنرباي حلقه اي با دو جفت قطب نمايش داده مي شود. به منحني حاصل شيبه به يك منحني سينوسي است. هرچه تعداد قطبهاي آهنرباي حلقه اي بيشتر باشد مقدار پيك حاصل در اندازه ميدان كمتر خواهد بود. تعداد پالس هاي حاصل در اين روش برابر با جفت قطبهاي آهنربا مي باشد. محدوديت در ساخت آهنرباي حلقه اي با جفت قطبهاي زياد، محدوديت اين روش محسوب مي شود.

hall%20e6.gif

مقايسه اي از اين سيستمها در زير آمده است :

hall%20e7.gif

منظور از All حركتهاي چرخشي، پيوسته و رفت و برگشتي است.

لینک ارسال

هم اكنون به تشريح برخي از كاربرد هاي سنسورهاي اثرهال مي پردازيم .

سنسورهاي موقعيت تشخيص پره ( Vane Operated Position Sensor)

اين سنسورها گاهاً تحت عنوان سنسورهاي پره شناخته مي شوند و شامل يك آهنربا و يك سنسور اثرهال با خروجي ديجيتالي مي باشند. شكل زير اين دو بخش را در يك بسته نشان ميدهد.

hall%20e1.gifhall%20e2.gif اين سنسور داراي يك فاصله هوايي ميان آهنربا و سنسور اثرهال مي باشد و توانايي موقعيت سنجي خطي و نيز موقعيت سنجي زاوايه اي را نيز دارد.

hall%20e8.gifپره خطي

hall%20e9.gifپره يكنواخت

hall%20e12.gifپره دايروي

اساس عملكرد

شكل مقابل را در نظر بگيريد. وقتي كه پره در فاصله هوايي بين اهنربا وسنسور اثرهال قرار گيرد خطوط شار مغناطيسي پراكنده مي شوند و توسط سنسوراثر هال احساس نمي شوند، بنابراين خروجي سنسور در سطح منطقي صفر (OFF) قرار مي گيرد.

 

hall%20e13.gif

hall%20e14.gif

شكل بالا نشان ميدهد كه وقتي كه يك پره ميان اين سنسور مي رود چه اتفاقي مي افتد. درحركت از چپ به راست وقتي لبه جلوي پره به ناحيه b مي رسد، آنگاه سنسور از حالت ON به حالت OFF تغيير وضعيت مي دهد و اين حالت تا زماني كه لبه انتهايي پره به ناحيه d برسد ادامه پيدا مي كند تا در آن لحظه از OFF به ON تغيير وضعيت دهد. بنابراين مدت زماني كه خروجي سنسور OFF است برابر با فاصله بين d ,b بعلاوه پهناي پره مي باشد. درحركت از راست به چپ نيز وضعيت كاملاً مشابه است. در اكثر مواقع پره ها بصورت به هم پيوسته مي باشند. اين حالت در شكل زير در نظر گرفته شده است.

hall%20e15.gif

توجه كنيد كه اين دو حالت هيچ تفاوتي باهم ندارند.

رابطه بين مدت زمان OFF ,ON براي حالت پره دندانه اي به پيوسته در جدول زير خلاصه شده است.

hall%20e16.gif

نمونه هايي از اين سنسور ها در زير آمده است .

محتوای مخفی

    برای مشاهده محتوای مخفی می بایست در انجمن ثبت نام کنید.

محتوای مخفی

    برای مشاهده محتوای مخفی می بایست در انجمن ثبت نام کنید.

محتوای مخفی

    برای مشاهده محتوای مخفی می بایست در انجمن ثبت نام کنید.

لینک ارسال

Sequence Sensors

شكل زير را در نظر داشته باشيد.

hall%20e17.gif

تعدادي ديسك آهني بر روي يك شفت قرار گرفته اند. اين ديسكها از فاصله هوايي سنسورهاي پره (Vane Sensor) عبور مي كنند. شكل هر كدام از اين ديسكها بگونه اي است كه يك مجموعه از آنها منجر به توليد كدهاي خاصي مي شود. سنسور پره در اثر حضور ديسك در فاصله هوايي خروجي را صفر و در اثر عدم حضور آن خروجي را يك مي گويند. به اين ترتيب كد حاصل از اين روش موقعيت يا وضعيت شفت را نشان مي دهد. به جاي استفاده از ديسك ها و سنسورهاي پره مي توان از آهنرباي حلقه اي متصل به شفت و سنسورهاي اثرهال دو قطبي (bipolar) استفاده نمود.

hall%20e18.gif

 

سنسورهاي مجاورتي Proximity Sensor

در دو طرح زير 4 سنسور اثرهال با خروجي ديجيتالي كه بر يك صفحه آلومينيومي قرار گرفته اند نشان داده شده است .در شكل اول سنسورها تك قطبي و در شكل دوم سنسورها دو قطبي هستند.

hall%20e19.gif

تك قطبي

hall%20e20.gif

دوقطبي

 

 

لینک ارسال

سنسور ماشين هاي اداري

دستگاههاي فتوكپي، فاكس، پرينترهاي كامپيوتر از اين سنسورها مي توانند استفاده كنند.

براي مثال پرينتر، جهت دريافت وجود كاغذ و نيز جريان كاغذ ازسوئيچ هاي اثرهال استفاده مي كنند.

hall%20e21.gif

ويژگي : بدون تماس - بدون اعمال نيروي اضافي - عمر طولاني

سنسور موقعيت چندگانه (Multiple position sensor)

شكل مقابل سنسور اثرهال را در كنار 3 مقايسه كننده ولتاژ نشان مي دهد اين سنسور چندگانه داراي 3 خروجي ديجيتالي است.

hall%20e22.gif

 

سنسور ضد لغزشي Anti-Skid sensor

شكل زير راه حلي را براي كنترل نيروي ترمز يك چرخ نشان ميدهد. هدف اين است بدون اينكه چرخ به اصطلاح قفل شود اتومبيل درحداقل زمان ممكن متوقف شود.

hall%20e23.gif

در اين سيستم سنسور بگونه اي قرار گرفته است كه يك چرخ دنده داخلي را حس مي كند. زمان عكس العمل سيستم توقف بر مبناي فركانس سيگنالي كه سنسور توليد مي كند تخمين زده مي شود.

 

سنسور موقعيت پيستون (Piston detection sensors)

در شكل مقابل روشي جهت موقعيت سنجي پيستون در يك سيلندر غير آهني داده شده است. درحالت نخست آهنربا هايي را در درون پيستون به گونه اي قرار مي دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجي خطي دريافت شوند.

hall%20e24.gif

در حالت دوم از يك پيستون آهني و آهنربا و سنسور اثرهال استفاده مي شود. در اين حالت نياز است تا مشخصات سيستم مغناطيسي بطور مطلوبي در دسترس باشد.

hall%20e25.gif

برقراري هاي استفاده از اثرهال در اين موقعيت سنجي به شرح زير مي باشد:

1- ابعاد كوچك سنسورها

2 - عدم نياز به منبع قدرت خارجي براي آهنرباها

3 - رنج دمايي بزرگ از 40°c تا 150°c

4 - توانايي عمل در محيط كثيف و آلوده

 

لینک ارسال
  • 7 months later...

به گفتگو بپیوندید

هم اکنون می توانید مطلب خود را ارسال نمایید و بعداً ثبت نام کنید. اگر حساب کاربری دارید، برای ارسال با حساب کاربری خود اکنون وارد شوید .

مهمان
ارسال پاسخ به این موضوع ...

×   شما در حال چسباندن محتوایی با قالب بندی هستید.   حذف قالب بندی

  تنها استفاده از 75 اموجی مجاز می باشد.

×   لینک شما به صورت اتوماتیک جای گذاری شد.   نمایش به صورت لینک

×   محتوای قبلی شما بازگردانی شد.   پاک کردن محتوای ویرایشگر

×   شما مستقیما نمی توانید تصویر خود را قرار دهید. یا آن را اینجا بارگذاری کنید یا از یک URL قرار دهید.

×
×
  • اضافه کردن...