Датчик Холла

Рисунок 1: колесо с двумя магнитами, проходящее мимо датчика Холла. Напряжение с датчика достигает максимума дважды за каждый оборот. Такое устройство используется для измерения и регулирования скорости вращающихся объектов, в том числе дисковых накопителей .

Датчик Холла (также известный как датчик Холла или зонд Холла ) — это любой датчик , включающий в себя один или несколько элементов Холла, каждый из которых создает напряжение, пропорциональное одному осевому компоненту вектора магнитного поля B, используя эффект Холла (названный в честь физика Эдвин Холл ).

Датчики Холла используются для измерения приближения , позиционирования , определения скорости и тока . измерения и широко распространены в промышленных и потребительских приложениях. сотни миллионов интегральных схем датчиков Холла (ИС). Ежегодно продаются примерно 50 производителями, а мировой рынок составляет около миллиарда долларов .

Принципы

Символ цепи элемента Холла

Основная статья: Эффект Холла § Теория

В датчике Холла фиксированный постоянный ток смещения Прикладывается вдоль одной оси к тонкой полоске металла, называемой датчиком элемента Холла . Чувствительные электроды на противоположных сторонах элемента Холла вдоль другой оси измеряют разницу электрического потенциала ( напряжения ) поперек оси электродов. Носители заряда тока отклоняются под действием силы Лоренца в присутствии магнитного поля, перпендикулярного их потоку. Чувствительные электроды измеряют разность потенциалов (напряжение Холла), пропорциональную осевой составляющей магнитного поля, которая перпендикулярна как оси тока, так и оси чувствительных электродов.

Датчики Холла реагируют на статические и изменяющиеся магнитные поля. Вместо этого индуктивные датчики реагируют только на изменения полей.

Усиление

Устройства на эффекте Холла производят сигнал очень низкого уровня и поэтому требуют усиления. Технология на электронных лампах, усилителей доступная в первой половине 20-го века, была слишком большой, дорогой и энергоемкой для повседневных применений датчиков Холла, которые ограничивались лабораторными приборами. технологии раннего поколения Даже транзисторные не подходили; И только с разработкой недорогой кремниевых чипов (ИС) на основе микротехнологии интегральных схем датчик Холла стал пригодным для массового применения. Устройства, продаваемые в настоящее время как датчики Холла, содержат в одном корпусе как датчик, описанный выше, так и интегральный усилитель с высоким коэффициентом усиления. можно добавить стабильный стабилизатор напряжения В эти микросхемы датчика Холла в дополнение к усилителю , чтобы обеспечить работу в широком диапазоне напряжения питания и повысить напряжение Холла для получения удобного выходного аналогового сигнала, пропорционального компоненту магнитного поля. В некоторых случаях линейная схема может компенсировать напряжение смещения датчиков Холла. Более того, модуляция переменного тока управляющего тока также может уменьшить влияние этого напряжения смещения.

Датчики Холла называются линейными , если их выходной сигнал пропорционален напряженности падающего магнитного поля. Этот выходной сигнал может представлять собой аналоговое напряжение, сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или передаваться в цифровом виде по современному протоколу шины . Датчики Холла также могут быть логометрическими , если их чувствительность также пропорциональна напряжению питания. При отсутствии магнитного поля их выходное напряжение покоя обычно составляет ⁠ напряжение питания / 2 ⁠ . Они могут иметь выходной сигнал «rail-to-rail» (например, A1302).

переключатель зала

Хотя элемент Холла является аналоговым устройством , ИС переключателя Холла часто дополнительно включают в себя обнаружения порога схему для формирования электронного переключателя , который имеет два состояния (включено и выключено), который выводит двоичный цифровой сигнал .

Их выходы могут представлять собой с открытым коллектором NPN-транзисторы (или МОП-транзисторы n-типа с открытым стоком ) для совместимости с микросхемами, использующими различные напряжения питания. Вместо того, чтобы подавать напряжение на выходной сигнальный провод датчика Холла, включается выходной транзистор, образуя цепь заземления через выходной сигнальный провод.

Гистерезис

Можно применить триггерную фильтрацию Шмитта (или интегрировать ее в микросхему), чтобы обеспечить чистый цифровой выходной сигнал, устойчивый к шуму датчика. для Пороги гистерезиса переключения (обозначенные как B _OP и B _RP ) классифицируют цифровые ИС Холла как униполярные переключатели, всеполярные переключатели, или биполярные переключатели, которые иногда можно назвать защелками. Униполярный (например, A3144) относится к наличию порогов переключения только в одной полярности магнитного поля. Всеполярные переключатели имеют два набора порогов переключения, как для положительной, так и для отрицательной полярности, и поэтому работают попеременно с сильным положительным или сильным отрицательным магнитным полем.

Биполярные переключатели имеют положительный B _OP и отрицательный B _RP (и, следовательно, для работы требуются как положительные, так и отрицательные магнитные поля). Разница между B _OP и B _RP , как правило, больше для биполярных переключателей, описываемых как защелки, которые остаются в одном состоянии гораздо дольше (т.е. они фиксируются на своем последнем значении) и требуют большей напряженности поля для изменения состояний, чем требуется биполярным переключателям. Различие в названиях между «биполярным» и «защелкой» может быть немного произвольным, например, в спецификации Honeywell SS41F он описан как «биполярный», а другой производитель описывает свой SS41F. с сопоставимыми характеристиками как «защелка».

Характеристики

Направленность

Элементы Холла измеряют только компонент оси чувствительности вектора магнитного поля. Поскольку эта осевая составляющая может быть положительной или отрицательной, некоторые датчики Холла могут определять не только ее величину, но и бинарное направление осевой составляющей. Дополнительный перпендикулярно ориентированный элемент Холла (например, в § ИС двойного датчика Холла ) должен быть включен для определения двумерного направления, а еще один перпендикулярно ориентированный элемент Холла должен быть добавлен для обнаружения полных трехмерных компонентов вектора магнитного поля. .

Твердотельный

Поскольку микросхемы датчиков Холла являются полупроводниковыми устройствами , они не подвержены механическому износу. Таким образом, они могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем механические датчики, а срок их службы не ограничен механическими неисправностями (в отличие от потенциометров , электромеханических герконов , реле или другие механические переключатели и датчики). Однако датчики Холла могут быть склонны к тепловому дрейфу из-за изменений условий окружающей среды и временного дрейфа в течение срока службы датчика.

Устройства на эффекте Холла (при соответствующей упаковке) невосприимчивы к пыли, грязи, грязи и воде. Эти характеристики делают устройства на эффекте Холла более эффективными для определения положения, чем альтернативные средства, такие как оптические и электромеханические датчики.

Пропускная способность

Полоса пропускания практических датчиков Холла ограничена сотнями килогерц , а коммерческие кремниевые обычно ограничиваются 10–100 кГц. По состоянию на 2016 год , самый быстрый датчик Холла, доступный на рынке, имеет полосу пропускания 1 МГц, но использует нестандартные полупроводники.

Восприимчивость к внешним полям

Магнитный поток из окружающей среды (например, от других проводов) может уменьшить или усилить поле, которое зонд Холла намеревается обнаружить, что делает результаты неточными. Датчики Холла могут легко обнаружить рассеянные магнитные поля, в том числе и земные, поэтому они хорошо работают как электронные компасы: но это также означает, что такие рассеянные поля могут препятствовать точным измерениям небольших магнитных полей. Чтобы решить эту проблему, датчики Холла часто интегрируют с каким-либо магнитным экранированием.

Вместо этого механические положения внутри электромагнитной системы можно измерить без эффекта Холла с использованием оптических датчиков положения (например, абсолютных и инкрементных датчиков ) и индуцированного напряжения путем перемещения металлического сердечника, вставленного в трансформатор . Если сравнивать Холл со светочувствительными методами, с Холлом труднее добиться абсолютной позиции.

Дифференциальные датчики Холла

Хотя один элемент Холла чувствителен к внешним магнитным полям, дифференциальная конфигурация двух элементов Холла может исключить рассеянные поля из измерений. аналогично тому, как синфазные сигналы напряжения подавляются с помощью дифференциальной сигнализации .

Материалы

Следующие материалы особенно подходят для датчиков Холла:

• Арсенид галлия (GaAs)
• Арсенид индия (InAs)
• Фосфид индия (InP)
• Антимонид индия (InSb)
• Графен

Приложения

Рисунок 2: Магнитный поршень (1) в этом пневматическом цилиндре вызывает срабатывание датчиков Холла (2 и 3), установленных на его внешней стенке, когда он полностью втянут или выдвинут.

Вентилятор двигателя с датчиком Холла

Датчики Холла могут использоваться в различных датчиках, таких как датчики скорости вращения (велосипедные колеса, зубья шестерен, автомобильные спидометры , электронные системы зажигания), датчики расхода жидкости , датчики тока и датчики давления . Датчики Холла обычно используются для измерения скорости колес и валов (например, рисунок 1), например, для двигателя внутреннего сгорания определения угла опережения зажигания , тахометров и антиблокировочных тормозных систем .

Общие применения часто встречаются там, где требуется надежная и бесконтактная альтернатива механическому переключателю или потенциометру. К ним относятся: электрические страйкбольные пистолеты, спусковые крючки электропневматических пейнтбольных пистолетов , картинга регуляторы скорости , смартфоны и некоторые системы глобального позиционирования.

Определение положения

Одним из наиболее распространенных промышленных применений датчиков Холла, используемых в качестве двоичных переключателей, является определение положения (например, Рисунок 2).

Датчики Холла используются для определения того, закрыта ли крышка смартфона (с небольшим магнитом).

Некоторые компьютерные принтеры используют датчики Холла для обнаружения отсутствия бумаги и открытых крышек, а некоторые 3D-принтеры используют их для измерения толщины нити.

Датчики Холла используются в некоторых автомобильных указателях уровня топлива путем определения положения плавающего элемента в топливном баке.

Датчики Холла, прикрепленные к механическим манометрам с намагниченными стрелками индикатора, могут преобразовывать физическое положение или ориентацию стрелки механического индикатора в электрический сигнал, который может использоваться электронными индикаторами, элементами управления или устройствами связи.

Магнитометры

В магнитометрах на эффекте Холла (также называемых тесла-метрами или гаусс-метрами) используется датчик Холла . с элементом Холла для измерения магнитных полей или проверки материалов (таких как трубы или трубопроводы) с использованием принципов утечки магнитного потока . Зонд Холла — это устройство, которое использует калиброванный датчик Холла для непосредственного измерения силы магнитного поля. Поскольку магнитные поля имеют не только величину, но и направление, результаты зонда Холла зависят как от ориентации, так и от положения зонда.

Амперметры

Датчики Холла могут быть использованы для бесконтактного измерения постоянного тока в трансформаторах тока . В этом случае датчик Холла устанавливается в зазоре магнитопровода вокруг проводника с током. В результате постоянный магнитный поток можно измерить и рассчитать постоянный ток в проводнике.

Датчик тока на эффекте Холла со встроенным усилителем на интегральной схеме. Отверстие 8 мм. Выходное напряжение нулевого тока находится посередине между напряжениями питания, которые поддерживают разность от 4 до 8 В. Ненулевая токовая характеристика пропорциональна подаваемому напряжению и линейна до 60 ампер для этого конкретного устройства (25 А).

Когда электроны проходят через проводник, создается магнитное поле. Таким образом, можно создать бесконтактный датчик тока или амперметр . Устройство имеет три терминала. Напряжение датчика подается на две клеммы, а третья обеспечивает напряжение, пропорциональное измеряемому току. Это имеет несколько преимуществ; Никакое дополнительное сопротивление ( шунт , необходимый для наиболее распространенного метода измерения тока) не требуется вводить в первичную цепь. Кроме того, напряжение, присутствующее в измеряемой линии, не передается на датчик, что повышает безопасность измерительного оборудования.

Схема датчика тока на эффекте Холла , встроенного в ферритовое кольцо

Множественные «витки» и соответствующая передаточная функция

Улучшение соотношения сигнал-шум

Интеграция датчика Холла в ферритовое кольцо (как показано) концентрирует плотность потока магнитного поля тока вдоль ферритового кольца и через датчик (поскольку поток протекает через феррит гораздо лучше, чем через воздух). что значительно снижает относительное влияние полей рассеяния в 100 раз и более. Эта конфигурация также обеспечивает улучшение отношения сигнал/шум и эффект дрейфа более чем в 20 раз по сравнению с обычным устройством Холла.

Диапазон действия данного проходного датчика также можно расширить вверх и вниз с помощью соответствующей проводки. Чтобы расширить диапазон до более низких токов, через отверстие можно провести несколько витков токоведущего провода, каждый виток добавляя к выходному сигналу датчика ту же величину; при установке датчика на печатную плату витки можно осуществлять с помощью скобы на плате. Чтобы расширить диапазон до более высоких токов, можно использовать делитель тока. Делитель разделяет ток по двум проводам разной ширины, и более тонкий провод, по которому проходит меньшая часть общего тока, проходит через датчик.

Токовый зажим

Основная статья: Токовые клещи

В варианте кольцевого датчика используется разделенный датчик , который крепится к линии, что позволяет использовать устройство во временном испытательном оборудовании. При использовании в стационарной установке разделенный датчик позволяет проверять электрический ток без демонтажа существующей цепи.

Выходной сигнал пропорционален как приложенному магнитному полю, так и приложенному напряжению датчика. Если магнитное поле создается соленоидом, выходной сигнал датчика пропорционален произведению тока через соленоид и напряжения датчика. Поскольку большинство приложений, требующих вычислений, в настоящее время выполняются небольшими цифровыми компьютерами , остается полезное приложение для измерения мощности, которое сочетает в себе измерение тока с измерением напряжения в одном устройстве на эффекте Холла.

Измеряя ток, подаваемый на нагрузку, и используя приложенное к устройству напряжение в качестве напряжения датчика, можно определить мощность, рассеиваемую устройством, для формирования ваттметра .

Обнаружение движения

Устройства на эффекте Холла, используемые в датчиках движения и концевых выключателях движения, могут обеспечить повышенную надежность в экстремальных условиях. Поскольку в датчике или магните нет движущихся частей, средний срок службы увеличивается по сравнению с традиционными электромеханическими переключателями. Кроме того, датчик и магнит могут быть заключены в соответствующий защитный материал.

Момент зажигания

Обычно используемый в распределителях для определения момента зажигания (и в некоторых типах датчиков положения коленчатого и распределительного валов для определения времени импульса впрыска, измерения скорости и т. д.), датчик Холла используется в качестве прямой замены механических прерывателей, использовавшихся в более ранних автомобильных моделях. приложения. Его использование в качестве устройства опережения зажигания в различных типах распределителей заключается в следующем: стационарный постоянный магнит и полупроводниковый чип Холла устанавливаются рядом друг с другом, разделенные воздушным зазором, образуя датчик Холла.

Металлический ротор, состоящий из окон или выступов, закреплен на валу и устроен так, что при вращении вала окна или выступы проходят через воздушный зазор между постоянным магнитом и полупроводниковым чипом Холла. Это эффективно защищает чип Холла и подвергает его воздействию поля постоянного магнита независимо от того, проходит ли через датчик Холла выступ или окно. Для определения момента зажигания металлический ротор будет иметь несколько окон или выступов одинакового размера, соответствующих количеству цилиндров двигателя (выступ цилиндра №1 всегда будет уникальным для распознавания блоком управления двигателем).

Это дает равномерный выходной сигнал, похожий на прямоугольную волну, поскольку время экранирования и экспозиции равны. Этот сигнал используется компьютером двигателя или ЭБУ для управления моментом зажигания.

Антиблокировочная тормозная система

Определение вращения колес особенно полезно в антиблокировочных тормозных системах . Принципы таких систем были расширены и усовершенствованы, теперь они предлагают больше, чем просто функции противоскольжения, и теперь обеспечивают расширенные улучшения управляемости автомобиля .

Бесщеточные двигатели

В некоторых типах бесщеточных электродвигателей постоянного тока используются датчики Холла для определения положения ротора и передачи этой информации в контроллер двигателя. Это позволяет более точно управлять двигателем. Датчики Холла в 3- или 4-контактных бесщеточных двигателях постоянного тока определяют положение ротора и переключают транзисторы в правильной последовательности.

Двигатель на эффекте Холла

Основная статья: Двигатель на эффекте Холла

Двигатель на эффекте Холла (HET) — это устройство, которое используется для приведения в движение некоторых космических кораблей после того, как они выходят на орбиту или выходят дальше в космос. В HET атомы ионизируются электрическим и ускоряются полем . Радиальное магнитное поле, создаваемое магнитами на двигателе, используется для захвата электронов , которые затем вращаются по орбите и создают электрическое поле из-за эффекта Холла. Между концом двигателя, куда подается нейтральное топливо, и частью, где производятся электроны, устанавливается большой потенциал; поэтому электроны, захваченные в магнитном поле, не могут упасть до более низкого потенциала. Таким образом, они чрезвычайно энергичны, а это означает, что они могут ионизировать нейтральные атомы. Нейтральное топливо закачивается в камеру и ионизируется захваченными электронами. Положительные ионы и электроны затем выбрасываются из двигателя в виде квазинейтральной плазмы , создавая тягу. Создаваемая тяга чрезвычайно мала, с очень низким массовым расходом и очень высокой эффективной скоростью истечения/удельным импульсом. Это достигается за счет очень высоких требований к электрической мощности, порядка 4 кВт для тяги в несколько сотен миллиньютон.

Интегрированная цифровая электроника

ИС датчиков Холла часто включают в себя цифровую электронику. Это обеспечивает расширенную коррекцию характеристик датчика (например, коррекцию температурного коэффициента), цифровую связь с микропроцессорными системами и может предоставлять интерфейсы для входной диагностики, защиту от неисправностей в переходных условиях и обнаружение короткого замыкания/обрыва цепи.

В некоторые микросхемы датчиков Холла встроен DSP , который позволяет использовать больше методов обработки непосредственно в корпусе датчика.

Некоторые микросхемы датчиков Холла имеют аналого-цифровой . преобразователь ² C (протокол связи между интегральными схемами) IC для прямого подключения к . порту ввода-вывода микроконтроллера

Микроконтроллер ESP32 даже имеет встроенный датчик Холла , микроконтроллера который гипотетически может быть прочитан внутренним аналого-цифровым преобразователем , хотя он не работает.

Двухпроводной интерфейс

Для датчиков Холла обычно требуется как минимум три контакта (для питания, заземления и выхода). Однако двухпроводные микросхемы используют только контакты питания и заземления и вместо этого передают данные, используя разные уровни тока. Несколько двухпроводных микросхем могут работать от одной линии питания, что позволяет еще больше сократить количество проводов.

Устройства пользовательского интерфейса

Переключатели на эффекте Холла для компьютерных клавиатур были разработаны в конце 1960-х годов Эвереттом А. Вортманном и Джозефом Т. Мопином из Honeywell . Из-за высоких производственных затрат эти клавиатуры часто предназначались для приложений с высокой надежностью, таких как аэрокосмическая и военная промышленность. Поскольку затраты на массовое производство снизились, стало доступно все больше потребительских моделей.

Датчики Холла также можно найти на некоторых высокопроизводительных игровых клавиатурах (производимых такими компаниями, как SteelSeries , Wooting, Corsair ), причем сами переключатели содержат магниты.

Хотя Sega первой использовала датчики Холла в своем Sega Saturn . 3D-контроллере и Dreamcast стандартный контроллер с 1990-х годов датчики Холла начали набирать популярность для использования в потребительских игровых контроллерах только с начала 2020-х годов, особенно в аналоговых джойстиках / джойстиках и триггерных механизмах, за расширенные возможности благодаря бесконтактным измерениям положения и движения с высоким разрешением и малой задержкой, а также более длительному сроку службы из-за отсутствия механических частей.

Применение датчиков Холла также распространилось на промышленные применения, где теперь используются джойстики на эффекте Холла для управления гидравлическими клапанами, заменяя традиционные механические рычаги бесконтактными датчиками. К таким применениям относятся карьерные самосвалы, экскаваторы-погрузчики, краны, экскаваторы, ножничные подъемники и т. д.

Двойные микросхемы датчика Холла

Некоторые микросхемы содержат два элемента Холла. Это полезно для подсчета серии приращений ( инкрементальный энкодер ) для создания линейного или вращательного энкодера , при этом движущееся или вращающееся расположение магнитов создает переменный магнитный рисунок, воспринимаемый как квадратурный кодированный рисунок. Затем этот шаблон можно декодировать, чтобы определить скорость и направление движения, или просто посчитать вверх и вниз, чтобы определить положение или угол. (Когда используется только один элемент Холла, направление линейного или вращательного энкодера определить невозможно). Два элемента, расположенные на точном расстоянии друг от друга на штампе, могут быть ориентированы либо в одном направлении, либо в одном направлении. в этом случае шаг между магнитными полюсами в идеале должен быть в два раза больше шага Холла между элементами. Альтернативно, элементы Холла могут быть ориентированы под углом 90 градусов, чтобы обеспечить измерение по двум осям.

См. также

• Герконовый переключатель
• МЭМС-датчик магнитного поля

Дальнейшее чтение

• Навид, А.; Ин, Т.; Энслин, К.; Папп, Г.; Питерс, Ф.; Марановский, К.; Госсард, AC (2006). «Классический эффект Холла в экспериментах со сканирующими воротами» (PDF) . Физ. Преподобный Б. 74 (16): 165426. Бибкод : 2006PhRvB..74p5426B . дои : 10.1103/PhysRevB.74.165426 . hdl : 10067/613600151162165141 . S2CID   121163404 .
• Нейв, Р. «Эффект Холла» . Гиперфизика . Факультет физики и астрономии Университета штата Джорджия . Проверено 20 апреля 2021 г.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с датчиками Холла , на Викискладе?