سنسورهاي اثرهال

سنسورهاي اثرهال
Hall Effect Sensors
________________________________________
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.

________________________________________
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.

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.

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.

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

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 20 است.
ولتاژهال در رنج 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.

________________________________________
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.

مطالبي اضافه در مورد مدارات بهسازي سنسورهاي 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

________________________________________
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.

________________________________________
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

] 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.

مقايسه اي از اين سيستمها در زير آمده است :

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

________________________________________
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.

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.
پره خطي

پره يكنواخت

پره 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.

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.

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.

نمونه هايي از اين سنسور ها در زير آمده است .
2AV series
4AV series
SR 17 / 16 series

________________________________________
Sequence Sensors
شكل زير را در نظر داشته باشيد.

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.

________________________________________
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.

تك قطبي
دوقطبي

________________________________________
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.

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.

________________________________________
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.

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.

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.

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

________________________________________
برخي از نمونه ها
در اين بخش برخي از سنسورهاي شركت Honeywell به همراه اطلاعات كلي 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
يكي از شركت هايي كه در توليد سنسور هاي اثرهال فعاليت مي كند شركت Honeywell است . در سايت اين شركت اطلاعات كاملي در مورد اين نوع سنسورها و نيز انواع آنها وجود دارد.
دراين سايت كتابي نيز در مورد سنسورهاي اثرهال وجود دارد كه در اين لوح فشرده نيز موجود مي باشد .
1-www.honeywell.com\sensing
2-Book : HALL EFFECT SENSING AND APPLICATION

سنسورهاي اثرهال

مطالب مشابه :

دانلود نمونه سوالات ازمونهای استخدامی وزارت نیرو

طرز کار توربین های بادی

الکتریسیته بی سیم در حال توسعه و تکمیل است

طراحی لامپ بدون برق برای افراد فقیر!

سنسورهاي اثرهال

مپنا بزرگترین سازنده نیروگاه در خاورمیانه

انرژی باد