Czujniki Halla nazwane na cześć amerykańskiego fizyka Edwina Halla, który odkrył, że elektryczność i magnetyzm mogą współpracować ze sobą, aby poruszać obiektami, czujniki efektu Halla wykorzystują tę zasadę do przekształcania zakodowanych magnetycznie informacji na sygnały elektryczne.
Spis treści (kliknij aby szybko przejść)
- Czujnik Halla co to?
- Czujnik Halla zasada działania
- Jak działa czujnik Halla?
- Czujnik efektu Halla i magnesy
- Rodzaje czujników Halla
- Czujnik Halla zastosowanie
- Czujniki Halla zastosowanie w samochodzie
- Montaż czujników Halla
- Jak sprawdzić czujnik Halla?
Czujnik Halla co to?
Urządzenia te mają szereg zastosowań, a czujniki efektu Halla są często używane w systemach samochodowych do wykrywania położenia, odległości i prędkości. Sprytne urządzenie – czujnik Halla jest wykorzystywane w różnych dziedzinach, przede wszystkim w układach przeciwblokujących (ABS) i silnikach spalinowych do wspomagania zapłonu.
W tym przewodniku omówiono wszystko, co musisz wiedzieć o czujniku Halla, w tym informacje naukowe dotyczące urządzenia, jak działa, jak sprawdzić i zastosowanie tego czujnika.
Najpierw jednak ważne jest, aby zrozumieć, jak działa ten sprzęt.
Czujnik Halla zasada działania
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez dowolny materiał, elektrony w prądzie naturalnie poruszają się po linii prostej, a przepływający prąd wytwarza własne pole magnetyczne. Jeśli naładowany elektrycznie materiał zostanie umieszczony między biegunami magnesu trwałego, elektrony, zamiast poruszać się w linii prostej, będą poruszać się po krzywej. Dzieje się tak, ponieważ ich własne pole magnetyczne reaguje na przeciwstawne pole magnesu trwałego. W wyniku tego nowego zakrzywionego ruchu po jednej stronie elektrycznie naładowanego materiału znajduje się więcej elektronów. Dzięki temu różnica potencjałów (lub napięcia) pojawi się w poprzek materiału pod kątem prostym do pola magnetycznego, zarówno od magnesu trwałego, jak i od przepływu prądu elektrycznego.
Jak działa czujnik Halla?
Jak działa czujnik Halle? Wykorzystując półprzewodniki (takie jak krzem), czujniki efektu Halla mierzą zmieniające się napięcie, gdy urządzenie jest umieszczone w polu magnetycznym. Innymi słowy, gdy czujnik Halla wykryje, że znajduje się teraz w polu magnetycznym, jest w stanie wykryć położenie obiektów.
Czujnik efektu Halla i magnesy
Magnesy są nieodłącznym elementem czujników Halla, które są aktywowane przez obecność zewnętrznego pola magnetycznego. Urządzenie jest wtedy w stanie wykryć, kiedy obiekt zbliża się lub oddala, tylko dzięki różnym natężeniom pola magnetycznego.
Na przykład, gdyby czujnik Halla został umieszczony w ramie drzwi i magnes na drzwiach, czujnik byłby w stanie wykryć, kiedy drzwi są otwarte lub zamknięte dzięki obecności pola magnetycznego. Poniższy schemat pokazuje, jak czujnik Halla wykrywa magnes:
Czujnik Halla schemat wykrywania magnesu
Wszystkie pola magnetyczne mają dwie ważne cechy. Po pierwsze, tak zwana „gęstość strumienia”, która odnosi się do wielkości przepływu magnetycznego przechodzącego przez jednostkę powierzchni, a po drugie, wszystkie magnesy mają dwie polaryzacje (biegun północny i południowy).
Sygnał wyjściowy wychodzący z czujnika hallotronowego reprezentuje gęstość pola magnetycznego wokół urządzenia. Czujniki z efektem Halla mają ustawiony próg, a gdy indukcja magnetyczna przekroczy ten limit, urządzenie jest w stanie wykryć pole magnetyczne, generując sygnał wyjściowy zwany „napięciem Halla”.
Wszystkie czujniki efektu Halla mają wewnątrz cienki kawałek materiału półprzewodnikowego, który przepuszcza przez siebie stały prąd elektryczny, aby wygenerować pole magnetyczne. Gdy urządzenie jest umieszczone w pobliżu magnesu zewnętrznego, strumień magnetyczny wywiera siłę na materiał półprzewodnikowy.
Siła ta powoduje ruch elektronów, wytwarzając mierzalne napięcie i aktywując czujnik Halla.
Wyjściowe napięcie Halla z czujnika efektu Halla jest wprost proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego przechodzącego przez materiał półprzewodnikowy. Często to napięcie wyjściowe jest dość małe – równe zaledwie kilku mikrowoltom – w przypadku wielu urządzeń z efektem Halla, w tym wbudowanych wzmacniaczy prądu stałego, wraz z obwodami przełączającymi logikę i regulatorami napięcia, które mają pomóc poprawić czułość (a tym samym skuteczność) urządzenia.
Rodzaje czujników Halla
Istnieją dwa rodzaje czujników Halla: urządzenia z wyjściami liniowymi (lub analogowymi) oraz takie, które mają wyjścia cyfrowe. Czujniki analogowe wykorzystują ciągłe napięcie wyjściowe, które wzrasta w silnym polu magnetycznym i maleje w słabszym polu.
W przypadku czujników Halla z wyjściem liniowym, wraz ze wzrostem natężenia zewnętrznego pola magnetycznego, gdy urządzenie styka się z magnesem, sygnał wyjściowy wzrasta równolegle, aż osiągnie wartości graniczne narzucone przez zasilacz.
Cyfrowe urządzenie wyjściowe, odwrotnie, ma „wyzwalacz Schmitta”, który jest obwodem bistabilnym, który stale zwiększa i zmniejsza moc wyjściową, gdy napięcie rośnie i spada do różnych progów.
Dzięki wyzwalaczowi Schmitta, gdy strumień magnetyczny przechodzący przez czujnik Halla przekroczy ustawioną wartość urządzenia, wyjście z urządzenia przełącza go z „wyłączone” na „włączone”. Gdy czujnik wchodzi i wychodzi z pola magnetycznego, wbudowana histereza w urządzeniu eliminuje wszelkie oscylacje sygnału wyjściowego.
Czujnik Halla zastosowanie
Po wyjaśnieniu, jak działają czujniki Halla i jakie są dostępne rodzaje, kiedy są używane te urządzenia? Istnieją różne zastosowania czujnika efektu Halla, przy czym zastosowania urządzenia różnią się w zależności od położenia magnesu i sposobu, w jaki porusza się on w kierunku czujnika.
Typy ruchu magnesu to między innymi: czołowy, boczny, push-pull i push-push, przy czym te warianty zmieniają sposób, w jaki czujnik Halla odbiera pole magnetyczne. Zanim przyjrzymy się różnym zastosowaniom czujnika efektu Halla, warto przyjrzeć się dwóm najczęstszym ruchom magnetycznym, aby zrozumieć, jak i dlaczego działają.
Detekcja czołowa
Wymaga to, aby pole magnetyczne było prostopadłe do czujnika z efektem Halla, a magnes zbliżał się do czujnika na wprost. W tym podejściu czujniki liniowe wykrywają siłę pola magnetycznego na podstawie odległości magnesu. Im bliżej pola magnetycznego, tym jest silniejsze, co prowadzi do większego napięcia wyjściowego.
Detekcja boczna
Dzieje się tak, gdy magnes porusza się po powierzchni czujnika efektu Halla ruchem bocznym. Ten rodzaj ruchu jest szczególnie przydatny do liczenia magnesów obrotowych lub do wykrywania szybkości wirowania silnika.
Różne ruchy magnetyczne oferują różne zastosowania dla czujników Halla. Najczęstszym zastosowaniem czujników Halla jest pomiar obecności, położenia i bliskości obiektów, zarówno w warunkach przemysłowych, jak i domowych. W domu możesz mieć w drukarce czujnik efektu Halla, który służy do wykrywania otwartych pokryw lub gdy papier wymaga uzupełnienia. Detekcja ruchu bocznego umożliwia wykorzystanie czujników Halla jako czujników prędkości obrotowej, które są szczególnie przydatne w prędkościomierzach w samochodach i innych pojazdach, a także kołach rowerowych, zębach zębatych i elektronicznych układach zapłonowych.
Inne zastosowania czujników Halla obejmują czujniki prądu, czujniki ciśnienia i czujniki przepływu płynu, które są często używane w procesach przemysłowych i produkcyjnych. Czujniki Halla są również skutecznym, bezstykowym sposobem pomiaru strumienia magnetycznego prądu stałego w przekładnikach prądowych.
Istnieją również inne zastosowania czujników Halla, w których potrzebny jest przełącznik bezstykowy, takie jak elektryczne pistolety pneumatyczne, regulatory prędkości gokartów i na spustach elektropneumatycznych pistoletów do paintballa.
Czujniki Halla zastosowanie w samochodzie
Jednym z głównych zastosowań czujników Halla jest przemysł motoryzacyjny, m.in. w samochodowych wskaźnikach poziomu paliwa.
Czujniki Halla w samochodzie są wykorzystywane do pomiaru poziomu paliwa na dwa sposoby. Po pierwsze, w pionowym układzie pływakowym, magnes trwały jest przymocowany do powierzchni pływającego obiektu, podczas gdy czujnik jest mocowany do górnej części zbiornika, zgodnie z magnesem.
Po zatankowaniu samochodu lub pojazdu pływający magnes unosi się do górnej części zbiornika, kierując pole magnetyczne w kierunku czujnika i zwiększając napięcie. Gdy poziom paliwa spada, magnes opada, równolegle zmniejszając napięcie Halla.
Oprócz pomiaru poziomu paliwa, czujniki efektu Halla w samochodzie są powszechnie używane do pomiaru prędkości obrotowych części, takich jak koła i wały, i są szczególnie przydatne w różnych „tachometrach”, które mierzą takie rzeczy, jak prędkość pojazdu i obroty.
Montaż czujników Halla
Czujniki z efektem Halla są szczególnie przydatne w warunkach, w których obecne są rzeczy takie jak woda, wibracje lub brud, które mogłyby mieć wpływ na czujniki optyczne i świetlne. Dlatego są szczególnie skuteczne w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ pola magnetyczne nie mogą być zakłócane przez czynniki zewnętrzne. Czujnik Halla jest wtedy fizycznie montowany bezpośrednio tam, gdzie będzie pracował, jednak nie będziemy opisywać tego w artykule.
Jak sprawdzić czujnik Halla?
Chociaż czujniki Halla są używane głównie do wykrywania obiektów i przestrzeni, mogą być również wykorzystywane do pomiaru prądu. Jak ustalono na początku tego przewodnika, efekt Halla opiera się na relacji między polami magnetycznymi a prądami, przy czym powyższe urządzenia wykorzystują pola magnetyczne do wytwarzania prądów jako wyjścia.
Odwracając tę zasadę, można również użyć czujnika z efektem Halla do pomiaru prądu, przepuszczając prąd w celu uzyskania pola magnetycznego.
Czujniki prądu są ważnym narzędziem do monitorowania stanu sprzętu, wykrywania potencjalnych zmian i zapewniania, że sprzęt jest bezpieczny w użyciu. Podczas gdy przełączniki ciśnienia, czujniki optyczne i przełączniki zerowej prędkości były często używane w przeszłości do monitorowania sprzętu, pomiar prądu wejściowego może zapewnić dokładniejszy wgląd w działanie sprzętu.
Zastosowanie zarówno cyfrowego, jak i analogowego czujnika Halla do pomiaru prądu jest skutecznym podejściem, ponieważ urządzenia te działają w oparciu o zasadę, że dla danego przepływu prądu wytwarzane jest proporcjonalne pole magnetyczne.
Po pierwsze, cyfrowy czujnik efektu Halla składa się z trzech kluczowych elementów: rdzenia, urządzenia z efektem Halla i obwodu sygnału. Gdy czujnik jest włączony i wystawiony na działanie pola magnetycznego z rdzenia, wytwarza różnicę potencjałów (lub napięcie), które można zmierzyć, a następnie wzmocnić w postaci sygnałów poziomu procesu.
Jedną z głównych zalet stosowania czujników Halla do pomiaru prądu jest to, że są one całkowicie odizolowane od monitorowanego napięcia, co czyni je bezpiecznym sposobem testowania sprzętu. Pomiary są również dokładne i powtarzalne zarówno przy zasilaniu AC, jak i DC, dzięki czemu cyfrowe czujniki Halla są doskonałym wyborem do pomiaru prądu.
W kolejnych artykułach opisaliśmy:
Czujniki przemysłowe – budowa, działanie i zastosowanie
Czujnik magnetyczny – co to jest, właściwości
Czujnik położenia kątowego – rodzaje, budowa, zastosowanie, jak dobrać
Czujnik długości narzędzia – co to jest, budowa, montaż, jak używać?
