Что такое датчик Холла и как он работает. Какие бывают типы датчиков Холла. Где применяются датчики Холла в современной технике. Каковы преимущества и недостатки датчиков Холла.
Что такое датчик Холла и принцип его работы
Датчик Холла — это устройство, работа которого основана на эффекте Холла. Эффект Холла был открыт Эдвином Холлом в 1879 году и заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (напряжения Холла) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.
Как работает датчик Холла? Принцип его действия можно описать следующим образом:
- Через полупроводниковую пластину пропускается электрический ток.
- При воздействии внешнего магнитного поля на носители заряда в полупроводнике действует сила Лоренца.
- Под действием силы Лоренца происходит отклонение носителей заряда к краям пластины.
- На краях пластины возникает разность потенциалов — напряжение Холла.
- Величина напряжения Холла пропорциональна индукции магнитного поля.
Таким образом, измеряя напряжение Холла, можно определить величину магнитного поля, воздействующего на датчик. Это позволяет использовать датчики Холла для измерения магнитных полей и определения положения объектов, создающих магнитное поле.
Основные типы датчиков Холла
Существует несколько основных типов датчиков Холла, различающихся по принципу работы и области применения:
Аналоговые (линейные) датчики Холла
Аналоговые датчики Холла выдают выходной сигнал, пропорциональный величине магнитного поля. Они позволяют измерять не только наличие, но и силу магнитного поля. Применяются для точных измерений магнитных полей и определения положения объектов.
Цифровые (пороговые) датчики Холла
Цифровые датчики срабатывают при достижении определенного порогового значения магнитного поля. Выходной сигнал имеет только два состояния — включено или выключено. Используются в качестве бесконтактных переключателей.
Биполярные датчики Холла
Биполярные датчики реагируют на магнитные поля обеих полярностей. Могут определять направление магнитного поля. Применяются в системах определения положения и скорости вращения.
Униполярные датчики Холла
Униполярные датчики срабатывают только при воздействии магнитного поля одной определенной полярности. Используются, когда требуется реакция только на магнитное поле конкретной направленности.
Области применения датчиков Холла
Датчики Холла нашли широкое применение в различных областях современной техники и электроники:
Автомобильная промышленность
- Системы зажигания двигателей
- Антиблокировочные системы тормозов (ABS)
- Датчики положения педалей и рулевого колеса
- Датчики скорости вращения колес
Бытовая техника
- Стиральные машины (определение скорости вращения барабана)
- Холодильники (контроль работы компрессора)
- Кухонные комбайны (контроль скорости вращения двигателя)
Компьютерная техника
- Жесткие диски (определение скорости вращения пластин)
- Вентиляторы охлаждения (контроль скорости вращения)
- Датчики закрытия крышки ноутбука
Промышленное оборудование
- Измерение скорости вращения валов и шестерен
- Определение положения поршней и клапанов
- Бесконтактные переключатели в производственных линиях
Преимущества и недостатки датчиков Холла
Датчики Холла обладают рядом преимуществ, которые обусловили их широкое распространение:
Преимущества датчиков Холла:
- Бесконтактное измерение
- Высокая надежность и долговечность
- Нечувствительность к загрязнениям
- Широкий диапазон рабочих температур
- Высокое быстродействие
- Простота конструкции
Однако у датчиков Холла есть и некоторые недостатки:
Недостатки датчиков Холла:
- Чувствительность к внешним магнитным полям
- Необходимость источника питания
- Зависимость характеристик от температуры
- Ограниченная чувствительность
Перспективы развития датчиков Холла
Несмотря на то, что эффект Холла был открыт более 140 лет назад, датчики на его основе продолжают активно развиваться и совершенствоваться. Каковы основные направления развития датчиков Холла в ближайшем будущем?
- Повышение чувствительности и точности измерений
- Уменьшение энергопотребления
- Интеграция с микроконтроллерами и другими электронными компонентами
- Расширение температурного диапазона работы
- Разработка многоосевых датчиков Холла
Эти усовершенствования позволят расширить области применения датчиков Холла и сделать их еще более востребованными в современной электронике и технике.
Как выбрать подходящий датчик Холла
При выборе датчика Холла для конкретного применения необходимо учитывать несколько ключевых параметров:
- Тип выходного сигнала (аналоговый или цифровой)
- Чувствительность к магнитному полю
- Диапазон измеряемых магнитных полей
- Напряжение питания
- Температурный диапазон работы
- Габаритные размеры и тип корпуса
Правильный выбор датчика Холла позволит обеспечить надежную и точную работу устройства в соответствии с требованиями конкретного применения.
Заключение
Датчики Холла являются важным элементом современной электроники и находят применение в самых разных областях техники. Их простота, надежность и универсальность обеспечивают широкие возможности для измерения магнитных полей и определения положения объектов. Несмотря на некоторые ограничения, датчики Холла продолжают активно развиваться и совершенствоваться, открывая новые перспективы для их использования в будущем.
Датчик Холла | это… Что такое Датчик Холла?
ТолкованиеПеревод
- Датчик Холла
Эффект Холла
1. Электроны
2. Зонд
3. Магниты
4. Магнитное поле
5. Источник токаЭффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также Холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Э. Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.
Содержание
- 1 Свойства
- 2 Аномальный эффект Холла
- 3 Квантовый эффект Холла
- 4 Магнитосопротивление
- 5 Применение
- 6 См. также
- 7 Ссылки
Свойства
В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через металлический брус в слабом магнитном поле
Магнитное поле будет отклонять носители заряда (для определенности электроны) от их движения вдоль или против электрического поля к одной из граней бруса. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом электрон не начнет двигаться по спирали.Таким образом, сила Лоренца приведет к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска и положительного возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1 не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца: Скорость электронов v можно выразить через плотность тока: , где n — концентрация носителей заряда. Тогда .
Коэффициент пропорциональности между E1 и jB называется коэффициентом (константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (в сильных полях), таких как алюминий, цинк, железо, кобальт, наблюдается положительный знак RH, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твердого тела.
Аномальный эффект Холла
Случай появления напряжения (электрического поля) в образце перпендикулярного направлению пропускаемого через образец тока, наблюдающегося в отсутствие приложенного постоянного магнитного поля, то есть явление полностью аналогичное эффекту Холла, но наблюдающееся без внешнего постоянного магнитного поля — называется Аномальный эффект Холла.
Необходимым условием для наблюдения аномального эффекта Холла является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе. Например, аномальный эффект Холла может наблюдаться в образцах с намагниченностью.
Датчики на основе эффекта Холла получили очень большое распространение в вентильных двигателях (сервомоторах). Они закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в ДПТ.
Квантовый эффект Холла
В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квази-двумерном электронном газе) в системе начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к квантовому эффекту Холла: квантованию холловского сопротивления.
В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.Магнитосопротивление
Холл проводил опыты в надежде обнаружить возрастание сопротивления проводника в магнитном поле, но в слабых полях не зарегистрировал его. Также оно не следует из теории металлов Друде, расчеты по которой приводились выше. Однако при более строгих расчетах и в сильных полях магнитосопротивление проявляется достаточно хорошо.
Применение
Датчик Холла, используемый для измерения силы тока в проводнике.
Эффект Холла, в некоторых случаях, позволяет определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, что делает его незаменимым методом исследования свойств полупроводников.
На основе эффекта Холла работают датчики Холла: приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля.
См. также
- Гальваномагнитные эффекты
- Термогальваномагнитные эффекты
- Эффект Нернста-Эттингсгаузена
- Эффект Риги-Ледюка
- Эффект Эттингсгаузена
Ссылки
- Эффект Холла — описание на Effects. ru.
- Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М., «Наука», главная редакция физико-математической литературы. — 1987.
- Н. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела.
В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.
ru.Wikimedia Foundation. 2010.
Игры ⚽ Поможем сделать НИР
- Датура
- Датчик перемещения
Полезное
что это, зачем используется и где применяется / Хабр
Измерять характеристики магнитного поля можно как при помощи элементарных систем, так и посредством весьма сложных технологических решений. Все зависит от того, какие именно измерения выполняются и какие результаты ожидается получить. Самые простые датчики магнитного поля — герконы. Эти элементы изменяют состояние подключенной электрической цепи при воздействии магнитного поля. Герконы используются повсеместно, например, в датчиках открытия двери.
Герконы — очень простые системы. Для получения дополнительной информации о магнитном поле можно использовать еще и компас.
Примерно так работали первые магнитометры. Но сейчас возможностей гораздо больше, ведь появились новые системы, включая распространенные датчики, где используется эффект Холла.
Спектр моделей таких датчиков чрезвычайно обширен — от клавиатур до оценки закрытия или открытия клапана. Датчики Холла используются в бесконтактной системе зажигания бензиновых двигателей, они служат для считывания показаний распредвала двигателя, с тем, чтобы определять параметры вращения. Электронный блок управления автомобиля по показаниям датчика определяет исправность системы зажигания и старта.
История появления датчика
Все началось с работы Эдвина Холла, который обнаружил эффект, позже названный его именем, в 1878 году. Основная идея проста: при воздействии магнитного поля на проводник, по которому проходит электрический ток, на концах проводника возникает разность напряжений при протекании тока, перпендикулярного полю.
Этот эффект называют обычным эффектом Холла, поскольку есть и другие явление, которое базируются на взаимодействии проводника, тока и магнитного поля.
Соответственно, датчики, чья работа основывается на эффекте Холла — лишь одна из разновидностей современных магнитометров. Есть множество разных датчиков других типов, где используются приемные катушки индуктивности. Они могут вращаться ил инет, используются также шкалы или пружины для измерения силы магнитного поля. Обнаружить магнитное поле можно даже при помощи оптических свойств материалов и соответствующих эффектов — например, эффекта Керра или Фарадея.
Есть и весьма специфические датчики, которые можно назвать экзотикой. Они основываются на измерении протонного резонанса в богатых водородом соединениях и веществах вроде керосина, либо определении энергетического состояния молекул газов типа цезия. Есть и датчики со сверхпроводящими катушками.
Но именно датчики на эффекте Холла являются наиболее недорогими, имеют небольшой размер и весьма практичны. Как уже говорилось выше, миниатюрные датчики Холла используются в клавиатурах. Сложно представить клавиатуру, основа которой — сверхпроводящие датчики, прикрепленные к нижней части клавиш.
Датчики Холла — идеальный вариант при создании систем контроля частоты вращения чего-либо, от кулеров до двигателей в технике. Датчики использовались в видеомагнитофонах и кассетных магнитофонах класса «люкс». Пример — Вега- МП122.
Используются датчики Холла и в смартфонах для решения самых разных задач, включая:
- Работа цифрового компаса, который применятся в навигационных программах и помогает повышать скорость позиционирования.
- Оптимизация взаимодействия девайса с разными аксессуарами, например, магнитными чехлами.
- Применение датчика в моделях с раскладной конструкцией, для включения и отключения экрана при открывании или закрывании крышки.
Как это работает?
В сети есть многочисленные видео, объясняющие физические принципы, лежащие в основе эффекта Холла. Но понять можно и без всяких видео — здесь все относительно просто. Представьте себе проводник размером и формой повторяющий денежную купюру.
Левая и правая сторона подключены к источнику постоянного тока, который и проходит через проводник. Если проводник исправен, то без воздействия магнитного поля напряжение в верхней и нижней части проводника будет близким к нулю.Но если в системе появится магнитное поле, линии которого расположены под прямым углом к течению тока, на электроны и дырки в проводнике начинает воздействовать сила Лоренца. Частицы начинают отклоняться. Соответственно, электроны соберутся на одной стороне проводника, а на другой их не будет.
При помощи мультиметра можно измерить напряжение на верхней и нижней частях проводника. Если убрать магнитное поле, то напряжение снова станет почти равным нулю.
В устройствах, где используется эффект Холла, добавляется еще одна схема, где обычно присутствует усилитель холловского напряжения. Иногда есть регулятор напряжения смещения. У цифрового выходного датчика может быть компаратор и выходной транзистор.
Все датчики — разные
Есть две основные разновидности датчиков Холла — это цифровые датчики, которые, в свою очередь, разделяются на униполярные и биполярные.
А также аналоговые датчики.Если вы хотите использовать датчик Холла в своем проекте, нужно детально разобраться в его базовых характеристиках. У датчиков есть ограничения по частотному диапазону, плюс некоторые могут быть весьма дорогими. Например, у компании Melexis есть девайс на 250 кГц, эта частота гораздо более высокая, чем у большинства похожих систем. Работать оно будет только при 5В и 15 мА.
В примере даташита показано, что есть две разновидности этого датчика — 7,5 mT (миллитесла), второй — 20 mT. Есть даже версия с 60 mT.
Датчики Холла могут быть встроены в электронные схемы. Например, у ESP32 есть собственный датчик Холла, как показано на видео выше.
Разработка систем на основе эффекта Холла
Как и было показано выше, придумать можно много чего. В качестве примера можно привести еще портативный магнетометр, плата которого умещается в пластиковую коробочку из-под Tic Tac. С его помощью можно облегчить задачу отслеживания проложенной в стене или потолке электропроводки.
Еще один пример — мониторинг кофе-машин, с целью оценки количества приготовленных чашек кофе.Принцип эффекта Холла I Melexis
Принцип эффекта Холла назван в честь физика Эдвина Холла. В 1879 году он обнаружил, что, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, напряжение может быть измерено под прямым углом к пути тока. Распространенной аналогией, популярной во время открытия Холла, была аналогия электрического тока в проводе с текущей жидкостью в трубе. Теория Холла приравнивала магнитную силу к току, что приводило к скоплению на одной стороне «трубы» или провода. Теория электромагнитного поля позволила более точно интерпретировать физику, ответственную за эффект Холла.
Хорошо известно, что эффект Холла возникает в результате взаимодействия заряженных частиц, таких как электроны, в ответ на электрические и магнитные поля. Отличное, подробное, но легко читаемое объяснение можно найти в книге Эда Рамсдена «Датчики на эффекте Холла: теория и приложения».
А также в Википедии.
Первоначально это открытие использовалось для классификации химических образцов. Разработка полупроводниковых соединений арсенида индия в XIX в.50-е годы привели к появлению первых полезных магнитных инструментов на эффекте Холла. Датчики Холла позволяли измерять постоянные или статические магнитные поля, не требуя движения датчика. В 1960-х годах популяризация кремниевых полупроводников привела к появлению первых комбинаций элементов Холла и интегральных усилителей. Это привело к появлению классического переключателя Холла с цифровым выходом.
Непрерывная эволюция технологии датчиков Холла привела к переходу от одноэлементных устройств к двойным ортогонально расположенным элементам. Это было сделано для минимизации смещения на клеммах напряжения Холла.
Следующим этапом стали квадратичные или четырехэлементные преобразователи. В них использовались четыре элемента, ортогонально расположенные в конфигурации моста.
Все кремниевые датчики той эпохи были построены на основе полупроводниковых процессов с биполярным переходом.
Переход на КМОП-процессы позволил реализовать стабилизацию прерывателя в усилителе схемы. Это помогло уменьшить количество ошибок за счет уменьшения ошибок смещения входа на операционном усилителе. Все ошибки в стабилизированной цепи без прерывателя приводят к ошибкам порога переключения для датчиков цифрового типа или к ошибкам смещения и усиления для датчиков с линейным выходом.
Текущее поколение КМОП-датчиков Холла также включает в себя схему, которая активно переключает направление тока через элементы Холла. Эта схема устраняет ошибки смещения, характерные для полупроводниковых элементов Холла. Он также активно компенсирует ошибки смещения, вызванные температурой и деформацией. Общий эффект активного переключения пластин и стабилизации прерывателя дает датчикам на эффекте Холла улучшение на порядок дрейфа точек переключения или ошибок усиления и смещения.
Компания Melexis использует исключительно процесс CMOS для обеспечения наилучшей производительности и минимального размера микросхемы.
Текущие разработки в технологии датчиков Холла в основном связаны с интеграцией сложных схем формирования сигнала в ИС Холла.
Компания Melexis представила первую в мире программируемую линейную интегральную схему Холла. Он позволяет программировать функциональные характеристики, такие как усиление, смещение, температурный коэффициент усиления (для компенсации тепловых зависимостей различных магнитных материалов). Новейшие ИС Холла имеют встроенные ядра микроконтроллера, чтобы сделать еще более «умный» датчик с программируемыми в ПЗУ алгоритмами для сложной обработки сигналов в режиме реального времени.
Пример использования компанией Melexis эффекта Холла
- Triaxis®: уникальное сенсорное решение
- Технический доклад IMC-Hall® по измерению тока
Продукты Melexis, использующие эффект Холла
- ИС магнитных датчиков положения
- ИС датчиков тока
- ИС магнитных защелок и переключателей
sensor:hall_effect [SensorWiki.
org]Содержание
Эффект Холла
Сводка
Введение
Типы датчиков Холла
Применение
Устройства
Медиа
Внешние ссылки и ссылки
Эффект Холла возникает, когда электрический заряд, проходящий через электрический проводник, создает асимметричное распределение заряда, что приводит к разнице напряжений и магнитному полю, перпендикулярному току.
Датчик Холла — это устройство, которое реагирует на магнитное поле магнита и выдает заряд, пропорциональный расстоянию до магнита.
Очень ясное и подробное объяснение профессора Боули из Ноттингемского университета:
Резюме
Введение
Чтобы проиллюстрировать, как ведут себя электроны, путешествуя по проводнику, давайте рассмотрим параллельный пример. Свойство направленности потока электронов по проводнику больше напоминает движение туриста по тропе, чем движение воды по трубе.
Тропа — это путь наименьшего сопротивления, но если на него воздействует внешняя сила (скажем, присутствие медведя и медвежонка), турист отклонится на противоположную сторону тропы. Это означает, что на поток электронов в проводнике могут напрямую влиять силы вне канала.
С электрическим током тесно связан магнетизм. Любой электрический ток порождает магнитное поле, и, как показал Майкл Фарадей, любое магнитное поле порождает электрический ток. В проводнике с установившимся течением тока наличие магнитного поля вызовет отклонение тока, при котором потенциал одной поперечной стороны проводника будет иметь более высокий потенциал, чем другой. Это так называемый эффект Холла.
Простой датчик Холла состоит из двух отдельных цепей:
Цепь смещения , которая подает фиксированное напряжение на «верхний» и «нижний» выводы полупроводникового материала
Измерительная схема , которая измеряет напряжение между одной «стороной» полупроводникового материала и другой.
В отсутствие магнитного поля измеренное напряжение незначительно, но когда магнитное поле прикладывается либо «внутрь», либо «из» полупроводникового материала, по ширине материала индуцируется напряжение. Напряжение Холла прямо пропорционально силе магнитного поля. Обратите внимание, что напряженность поля и, следовательно, напряжение не зависят линейно от расстояния между датчиком и источником магнитного поля (то есть магнитом). Ориентация полюса магнита (северная или южная полярность) по отношению к датчику определяет, направлены ли силовые линии магнитного поля «внутрь» или «от» датчика.
Типы датчиков Холла
Датчики Холла бывают двух основных типов:
Порог (также называемый цифровым или двухпозиционным ), которые создают постоянное напряжение Холла, когда напряженность поля достигает определенной амплитуды и/или полярности. Существует множество различных конфигураций пороговых устройств, таких как фиксирующие устройства, которые включаются, когда напряженность положительного поля достигает порога, но выключаются только при отрицательном поле той же силы, или устройства, которые включаются, когда только положительное поле достигает определенного порога и выключены в противном случае, или устройства, которые включаются, когда положительное или отрицательное поле достигает порогового значения, и отключаются в противном случае, и т.
д. Некоторые устройства даже имеют программируемые пороги.
д. Некоторые устройства даже имеют программируемые пороги.Линейный , (аналоговый выходной датчик), который создавал напряжение Холла, пропорциональное напряженности магнитного поля вокруг него. Ориентация окружающего магнитного поля определяет полярность колебаний напряжения. Линейные устройства чаще используются в музыкальных приложениях, когда выразительные жесты должны восприниматься как крошечные изменения положения.
Использование
Датчики Холла обычно используются для измерения скорости вращения колес и валов, например, для определения угла опережения зажигания двигателя внутреннего сгорания или тахометров. В изображенном колесе с двумя равноудаленными магнитами напряжение от датчика будет достигать пика дважды за каждый оборот. Такое расположение обычно используется для регулирования скорости дисководов. Он также использовался для измерения скорости вращения Gyrotyre Эллиота Синьора в конфигурации, аналогичной показанной ниже.
Пороговые устройства могут использоваться как бесконтактные выключатели или как счетчики. Несколько из них можно использовать вместе для временного анализа или очень грубых позиционных измерений.
Линейные устройства могут измерять напряженность поля, которая зависит от положения (и, следовательно, от скорости и ускорения), хотя и не линейно. Методы подбора кривой могут быть применены для получения линейной зависимости между выходным напряжением и расстоянием между магнитами. Линейные устройства также могут быть использованы в качестве датчиков наклона, поскольку напряженность магнитного поля меняется в зависимости от проекции на поперечную ось. Существуют двух- или трехосевые устройства, позволяющие проводить измерения с большим количеством степеней свободы.
Функции
Проблемы
Приложением для этого датчика, используемого в контексте музыкальных инструментов, является Hyper Flute Клео Паласио Квентина. На рычагах G# и C# флейты используются два датчика Холла.
Небольшой диапазон клавиш измеряется девяноста пятью шагами, что дает исполнителю очень точный контроль над параметрами, которыми он управляет.
Объяснение и исполнение художника на сайте Interfaces Montreal (на французском языке): http://www.interfacesmontreal.org/en/videos/hyper-flutefrom-instrumental-gestureto-digital-processing
Устройства
| Ханиуэлл SS49E | Источники | |
|---|---|---|
| Описание | Описание: Линейный датчик Холла | Дигикей |
| Техническая спецификация | пдф | Ресурсы | Примечания |
| Варианты | ||
| Мелексис US1881EUA | Источники | |
|---|---|---|
| Описание | Описание: Пороговый датчик Холла с цифровой защелкой | Дигикей |
| Техническая спецификация | пдф | Ресурсы | Примечания |
| Варианты | ||
| Эверлайт HI300/D1 | Источники | |
|---|---|---|
| Описание | Описание: Пороговый датчик Холла | Партмайнер |
| Техническая спецификация | эффект холла. Похожие записи | |