Датчик Холла (или просто датчик Холла ) представляет собой тип датчика , который обнаруживает наличие и величину в магнитном поле с помощью эффекта Холла . Выходное напряжение датчика Холла прямо пропорционально напряженности поля. Он назван в честь американского физика Эдвина Холла . [1]
Датчики Холла используются для определения приближения , позиционирования , определения скорости и измерения тока . [2] Часто датчик Холла сочетается с обнаружением порога, чтобы действовать как двоичный переключатель . Обычно они используются в промышленных приложениях, таких как пневматический цилиндр на фото , они также используются в бытовом оборудовании; например, некоторые компьютерные принтеры используют их для обнаружения отсутствующей бумаги и открытия крышек.
Датчики Холла обычно используются для измерения скорости вращения колес и валов, например, для определения угла опережения зажигания двигателя внутреннего сгорания , тахометров и антиблокировочных тормозных систем . Они используются в бесщеточных электродвигателях постоянного тока для определения положения постоянного магнита. На изображенном колесе с двумя одинаково расположенными магнитами напряжение датчика достигает пика дважды за каждый оборот. Такое расположение обычно используется для регулирования скорости дисководов .
Принцип работы
В датчике Холла ток подается на тонкую металлическую полоску. В присутствии магнитного поля, перпендикулярного направлению тока, носители заряда отклоняются силой Лоренца , создавая разницу в электрическом потенциале ( напряжении ) между двумя сторонами полосы. Эта разница напряжений (напряжение Холла) пропорциональна силе магнитного поля. [3]
Датчики на эффекте Холла реагируют на статические (неизменяющиеся) магнитные поля. Это ключевое отличие от индуктивных датчиков , которые реагируют только на изменение полей.
Зонд холла
Зонд Холла - это устройство, в котором используется откалиброванный датчик на эффекте Холла для прямого измерения силы магнитного поля. Поскольку магнитные поля имеют направление, а также величину, результаты датчика Холла зависят от ориентации, а также положения датчика.
Материалы
Ключевым фактором, определяющим чувствительность датчиков Холла, является высокая подвижность электронов . В результате для датчиков на эффекте Холла особенно подходят следующие материалы: [4]
- арсенид галлия (GaAs),
- арсенид индия (InAs),
- фосфид индия (InP),
- антимонид индия (InSb),
- графен .
Обработка сигналов и интерфейс
Датчики Холла - это линейные преобразователи . Такие датчики требуют линейной схемы для обработки выходного сигнала датчика. Эта схема обеспечивает напряжение возбуждения для датчика и используется для усиления выходного сигнала. В некоторых случаях линейная схема может нейтрализовать напряжение смещения датчиков Холла. Более того, модуляция переменного тока управляющего тока также может уменьшить влияние этого напряжения смещения. Датчики Холла с линейными преобразователями обычно интегрируются с цифровой электроникой. [5] Это позволяет выполнять расширенные корректировки характеристик датчика (например, поправки на температурный коэффициент) и цифровой интерфейс для микропроцессорных систем. В некоторых датчиках Холла на микросхемах используется интегрированный DSP , который позволяет использовать больше методов обработки непосредственно в корпусе датчика. [2] : 167 Интерфейсы датчика Холла могут включать диагностику входов, защиту от отказов для переходных состояний и обнаружение короткого замыкания / обрыва цепи. Он также может обеспечивать и контролировать ток самого датчика Холла. Для реализации этих функций доступны прецизионные ИС .
Преимущества и недостатки
Датчики Холла способны измерять широкий диапазон магнитных полей и чувствительны как к величине, так и к ориентации поля. При использовании в качестве электронных переключателей они менее подвержены механическим сбоям, так как физические части не изнашиваются. Они также могут работать на более высоких частотах, чем механические переключатели. [6]
Переключатели на эффекте Холла нельзя использовать в областях с сильными внешними магнитными полями. Датчики Холла могут быть подвержены тепловому дрейфу из-за изменений условий окружающей среды, а также временному дрейфу в течение срока службы датчика. [7]
Приложения
Определение положения
Одним из наиболее распространенных промышленных применений датчиков Холла, используемых в качестве двоичных переключателей, является определение положения. Датчики Холла также используются в бесщеточных двигателях постоянного тока для определения положения ротора и переключения транзисторов в правильной последовательности. Другой пример датчика положения на эффекте Холла - датчик, который определяет, закрыта ли крышка смартфона. [8] См. Аксессуары для Galaxy S4 .
Трансформаторы постоянного тока (DC)
Датчики Холла могут использоваться для бесконтактных измерений постоянного тока в трансформаторах тока . В этом случае датчик Холла устанавливается в зазоре магнитопровода вокруг токопровода. [9] В результате можно измерить постоянный магнитный поток и рассчитать постоянный ток в проводнике.
Индикатор уровня топлива в автомобиле
Датчики Холла используются в некоторых автомобильных индикаторах уровня топлива. Датчик используется для определения положения плавающего элемента в топливном баке. [10]
Переключатель клавиатуры
Переключатели на эффекте Холла для компьютерных клавиатур были разработаны в конце 1960-х годов Эвереттом А. Вортманном и Джозефом Т. Мопином в компании Honeywell . [11] Из-за высокой стоимости производства эти клавиатуры часто использовались для высоконадежных приложений, таких как аэрокосмическая и военная промышленность. Поскольку затраты на массовое производство снизились, стало доступно все большее количество потребительских моделей.
Смотрите также
- Геркон
Рекомендации
- ^ Все, что вам нужно знать о датчиках Холла | Компоненты RS | RS
- ^ a b Рамсден, Эдвард (2006). Датчики на эффекте Холла: теория и приложения (2, иллюстрированное изд.). Эльзевир . ISBN 978-0-7506-7934-3.
- ^ Попович, RS (2004). Устройства на эффекте Холла (2, иллюстрированное изд.). CRC Press . ISBN 978-0-7503-0855-7.
- ^ Петрук Олег; Шевчик, Роман; Чук, Тимотеуш; и другие. (2014). Проверка чувствительности и напряжения смещения в датчиках Холла из графена . Достижения в интеллектуальных системах и вычислениях. 267 . Springer. п. 631. DOI : 10.1007 / 978-3-319-05353-0_60 . ISBN 978-3-319-05352-3.
- ^ «Регулирование напряжения датчика эффекта Холла и управление питанием» . phareselectronics.com . Дата обращения 26 мая 2015 .
- ^ Штатный писатель. «Как выбрать между герконом или переключателем Холла» . II Томас . Проверено 20 апреля 2021 года .
- ^ Герц, Джейк. «Инженеры имеют дело с дрейфом разными способами. А как насчет датчика тока на эффекте Холла с нулевым дрейфом?» . Все о схемах . Проверено 20 апреля 2021 года .
- ^ «ZenFone 5 (A500CG)» . asus.com . Проверено 2 сентября 2017 года .
- ^ Петрук, О .; Szewczyk, R .; Salach, J .; Новицки, М. (2014). Трансформатор тока с цифровым управлением и датчиком Холла . Достижения в интеллектуальных системах и вычислениях. 267 . Springer. п. 641. DOI : 10.1007 / 978-3-319-05353-0_61 . ISBN 978-3-319-05352-3.
- ^ «Измерение уровня жидкости: измерение уровня жидкости с помощью датчиков Холла» (PDF) . infineon.com . 12 февраля 2009 . Проверено 2 сентября 2017 года .
- ^ Vorthmann, Everett A .; Мопен, Джозеф Т. (май 1969). «Твердотельная клавиатура» . Весенняя совместная вычислительная конференция AFIPS 1969 : 149–159. DOI : 10.1145 / 1476793.1476823 . S2CID 7540281 .
дальнейшее чтение
- Baumgartner, A .; Ihn, T .; Ensslin, K .; Папп, G .; Peeters, F .; Марановский, К .; Госсард, AC (2006). «Классический эффект Холла в экспериментах со сканирующим затвором» . Phys. Rev. B . 74 (16): 165426. Bibcode : 2006PhRvB..74p5426B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.74.165426 . ЛВП : 10067/613600151162165141 . S2CID 121163404 .
- Нейв, Р. "Эффект Холла" . Гиперфизика . Факультет физики и астрономии Государственного университета Джорджии . Проверено 20 апреля 2021 года .
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с датчиками Холла, на Викискладе?