سنسور اثر هال

رایج ترین و گسترده ترین فناوری در تئوری میدان EM برای تشخیص میدان مغناطیسی، روش اثر هال در میان فناوری های مختلف سنجش است. بر اساس اصل اثر هال، حسگرها و مبدل‌های اثر هال متعددی در کاربردهای گسترده‌ای در اندازه‌گیری یافت می‌شوند که بیشتر برای سنجش نزدیکی، فاصله، سرعت، جریان و موقعیت و غیره استفاده می‌شوند.

سنسور اثر هال (یا به سادگی به عنوان سنسور هال نامیده می شود) دستگاهی است که حضور و بزرگی میدان مغناطیسی اطراف خود را با استفاده از اصل اثر هال تشخیص می دهد. سنسور هال اساساً نوعی از سنسورهای مغناطیسی هستند که برای پاسخگویی به طیف گسترده ای از میدان های مغناطیسی مثبت و منفی در کاربردهای مختلف طراحی شده اند. از آنجایی که میدان مغناطیسی دارای دو مشخصه مهم چگالی شار مغناطیسی (B) و قطبیت (قطب N یا S) است، ولتاژ خروجی یک سنسور هال مستقیماً با قدرت میدان مغناطیسی (B) متناسب است. در اینجا ولتاژ تولید شده عرضی است و ولتاژ هال (VH) نامیده می شود.

یک نمودار معمولی سنسور اثر هال در زیر نشان داده شده است:

 

 

اصل کار سنسور اثر هال

سنسورهای هال بر اساس اصل اثر هال هستند و اصل اثر هال بیان می کند که وقتی یک هادی حامل جریان یا یک نیمه هادی در یک میدان مغناطیسی عمود قرار می گیرد، یک ولتاژ عرضی در زاویه مناسب نسبت به مسیر جریان تولید یا اندازه گیری می شود. این اثر به دست آوردن ولتاژ قابل اندازه گیری در سراسر مواد به عنوان اثر هال شناخته می شود. و این ولتاژ عرضی را ولتاژ هال می نامند. برای توضیح تئوری، نموداری در زیر نشان داده شده است.

 

 

هنگامی که یک عنصر هال /حسگر هال  به مدار حاوی منبع DC متصل می‌شود، جریانی شروع به جریان می‌کند و حامل‌های شارژ یک «خط دید» تقریباً مستقیم را دنبال می‌کنند. برای تشخیص کمیت های فیزیکی مانند موقعیت، سرعت، جریان، دما و غیره، از سیستم مغناطیسی برای تبدیل کمیت های فیزیکی به تغییر در میدان مغناطیسی استفاده می شود. هنگامی که میدان مغناطیسی که یک جزء عمود بر جریان جریان است، تغییر می کند، میدان مغناطیسی حامل های بار مخدوش می شود. این باعث ایجاد اختلال در جریان مستقیم حامل های شارژ می شود. بنابراین یک نیروی لورنتس ایجاد می شود که هم بر مسیر “خط دید” و هم بر میدان مغناطیسی اعمال شده عمود است. این یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که با مهاجرت حامل های بار دیگر مخالفت می کند و بنابراین یک پتانسیل الکتریکی ثابت در نتیجه جریان بار برای مدت طولانی تر ایجاد می شود. به این ولتاژ هال (VH) می گویند.

 

 

فرمول ولتاژ هال

 

ولتاژ هال (VH) به صورت زیر تعریف شده است:

 

 

از فرمول، مشخص است که ولتاژ خروجی سنسور یا مبدل هال به طور مستقیم با قدرت میدان مغناطیسی متناسب است. بنابراین می توان از مبدل اثر هال برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی استفاده کرد.

مدار سنسور اثر هال

اساسا حسگر اثر هال میدان مغناطیسی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. انواع مختلفی از آی سی سنسور هال برای کاربردهای مختلف موجود است، مانند تشخیص حرکت، موقعیت، سرعت، تغییر در قدرت میدان مغناطیس الکترومغناطیسی، آهنربای دائمی یا مواد فرومغناطیسی و غیره. سنسور هال می تواند برای کاربرد سوئیچ نیز استفاده شود. بلوک دیاگرام سنسور هال در زیر ذکر شده است.

 

 

یک نمودار مدار برای سنسور اثر هال IC 3144 در زیر نشان داده شده است:

 

 

انواع اثر سنسور هال

بر اساس انواع خروجی از سنسور هال، دو دسته وجود دارد :

• سنسور خطی هال
• سنسور دیجیتال هال

سنسورهای خطی اثر هال اساساً حسگر هال آنالوگ هستند. در اینجا خروجی سنسور هال آنالوگ و متناسب با قدرت میدان مغناطیسی (B) است. بنابراین سیگنال آنالوگ (خروجی) با میدان مغناطیسی قوی تر افزایش می یابد و زمانی که میدان مغناطیسی ضعیف می شود کاهش می یابد.

سنسورهای دیجیتال اثر هال اساسا خروجی دیجیتال را در پاسخ به تغییر میدان مغناطیسی با تبدیل ولتاژ هال به شکل دیجیتال ارائه می‌کنند. آنها از مدارهای ماشه اشمیت به عنوان مدار دو پایدار استفاده می کنند که با افزایش و کاهش ولتاژ به مقادیر آستانه به طور پیوسته خروجی را افزایش و کاهش می دهد. سنسورهای هال دیجیتال را می توان برای نظارت بر سرعت، تشخیص مجاورت، شمارش اشیا، و طیف گسترده ای از کاربردهای سوئیچینگ و غیره استفاده کرد. نموداری برای سنسور هال دیجیتال در زیر نشان داده شده است.

 

 

پروب هال 

پروب هال وسیله ای است که از سنسور هال کالیبره شده برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی استفاده می کند. به همین دلیل است که نتیجه یک کاوشگر هال به جهت گیری و همچنین موقعیت کاوشگر بستگی دارد.

عامل کلیدی تعیین کننده حساسیت حسگرهای هال تحرک بیشتر الکترون است. مواد مختلفی وجود دارد که مخصوصاً برای حسگرهای هال اثر هال مناسب هستند که در زیر نشان داده شده است.

•      آرسنید گالیم (GaAs)
•      ایندیوم آرسنید (InAs)
•      فسفید ایندیم (InP)
•      آنتیمونید ایندیم (InSb)
•      گرافن

کاربردهای حسگر اثر هال

•      در BLDC (جریان مستقیم بدون جاروبک) از فناوری استفاده می شود.
•      در موتور BLDC (پنکه BLDC)
•      برای زمان بندی احتراق موتور احتراق داخلی
•      در موبایل و تبلت
•      در سنسورهای RPM مانند سرعت سنج
•      در رمزگذارها
•      در سیستم های ترمز ضد قفل (در صنایع خودروسازی)
•      در برنامه سوئیچینگ
•      در حسگرهای موقعیت و مجاورت
•      در سنسورهای جریان
•      در رایانه ها به عنوان سنسورهای شاخص درایو دیسک، در صفحه کلید.

آنها همچنین برای اندازه گیری جریان، سطح، فشار و دما و غیره استفاده می شوند.

سازنده سنسور هال

Allegro Microsystems (مدل‌ها- A3141، A3142، A3143، A3144، A1101، A1102، A1103، A1104)

سنسور هانیول (مدل- SS39ET، SS49E، سری SS59ET)

مایکروویو کارتر (مدل OH137)

سنسور اثر هال رابط آردوینو

یک نمودار مدار برای رابط سنسور هال با آردوینو Uno با سنسور هال در زیر نشان داده شده است.