سنسور های (حسگر) اثر هال

مقدمه

اگر جریانی از یک بلور رسانا در جهت عمود بر میدان مغناطیسی یکنواخت (H) اعمال شده عبور کند، رسانا دارای اختلاف پتانسیل میان ضلع های عمود بر جهت جریان و میدان مغناطیسی خواهد.

تاریخچه

اثر هال در سال ۱۸۷۹ به وسیله ادوین هربرت هال در حالی که داشت روی درجه دکترای خود در دانشگاه جان هاپکینز در آمریکا کار می‌کرد، کشف گردید. اندازه‌گیری تأثیرات ریز در ابزاری که با آن کار می‌کرد، یک شاهکار تجربی بود که ۱۸ سال پیش از کشف الکترون رخ داد.

اثر هال چیست؟

اثر هال نتیجه طبیعت جریان عبوری از هادی است. جریان از حرکت تعداد زیادی حامل ‌های بار تشکیل می‌شود که معمولاً الکترون ها، حفره ‌ها، یون ها یا ترکیبی از این سه هستند. حامل ‌های بار هنگام حرکت در میدانی که بر مسیر حرکت آن ها عمود است، نیرویی را تجربه می‌کنند، که نیروی لورنتز نامیده می‌شود. وقتی چنین میدان مغناطیسی حاضر نباشد، بارها تقریباً به صورت مستقیم حرکت می‌نمایند. اما وقتی یک میدان مغناطیسی عمود اعمال شود، مسیر آن ها منحرف می‌شود و روی یکی از سطوح ماده تجمع می‌کنند. نتیجه این امر به جای ماندن بارهای مساوی اما با علامت مخالف در سطح دیگر خواهد بود، یعنی همان ‌جایی که کمبود حامل بار وجود دارد و بدین ترتیب یک توزیع نامتقارن از چگالی بار در سطح عنصر هال به وجود می ‌آید که جهت آن عمود بر میدان مغناطیسی و جهت حرکت حامل‌های بار است. جدا شدن بارها، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که با ادامه مهاجرت بارها مخالفت خواهد کرد؛ بنابراین یک اختلاف پتانسیل ثابت تا زمانی که جریان ادامه داشته باشد به وجود خواهد آمد.

اثر هال به عنوان ابزاری که می‌توان به وسیله آن چگالی حامل یا میدان مغناطیسی را اندازه گرفت، بسیار سودمند است. یکی از ویژگی های بسیار مهم اثر هال این است که بین حامل‌ های مثبت که در یک جهت حرکت می‌کنند و حامل‌ های منفی که در جهت دیگر حرکت می‌کنند، تفاوت می‌گذارد. اثر هال اولین برهان واقعی بود که اثبات می‌کرد جریان الکتریکی در فلزات به وسیله الکترون ‌های در حال حرکت ایجاد می‌شود و نه پروتون‌ها. همچنین اثر هال نشان داد که در برخی مواد، مخصوصاً نیمه ‌هادی ‌های نوع P، بهتر است جریان را به صورت حرکت حفره ‌های الکتریکی در نظر بگیریم تا الکترون ‌های در حال حرکت. یکی از عوامل مهم در پیچیدگی اثر هال این است که حفره‌ هایی که در حال حرکت به سمت چپ هستند، در واقع الکترون‌ های در حال حرکت به سمت راست می ‌باشند، بنابراین ممکن است شخصی انتظار داشته باشد که ضریب هال برای الکترون ‌ها و پروتون‌ ها یکسان و هم علامت باشد. در هر صورت، رفع این پیچیدگی تنها به وسیله نظریه مکانیک کوانتومی مدرن درباره جابجایی در جامدات ممکن است. با این حال باید در نظر داشت که حتی اگر الکترود های وَن دِر پا ایده‌آل تنظیم شوند، یک ناهمگن نمونه، ممکن است منجر شود علامت اثر هال نامعقول جلوه کند. برای مثال در یک نیمه رسانا که مشخصا از نوع N بود، اثر هال به صورت مثبت مشاهده شد.

اساس کار سنسور های اثر هال

یک سنسور اثر هال مبدلی است که در پاسخ به تغییرات میدان مغناطیسی خروجی ولتاژ نشان می ‌دهد. با اعمال میدان های مغناطیسی نسبتاً بزرگ ولتاژ خروجی در محدوده چند میکروولت می ‌باشد. برای ارتقا حساسیت سنسور و گرفتن خروجی مطلوب با بیشترین دقت و با حداقل خطای هیسترزیس باید از تقویت کننده، رگولاتور ولتاژ و مدارهای سوییچینگ منطقی استفاده کرد.

سنسورهای اثر هال به دو نوع عمده تقسیم می‌شوند:
1. سنسورهای خطی یا آنالوگ

ولتاژ خروجی این نوع سنسور مستقیماً از خروجی تقویت کننده گرفته می‌شود که متناسب است با اندازه میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده. میدان مغناطیسی احساس شده می‌تواند مثبت یا منفی باشد و از آنجایی که خروجی تقویت کننده ‌ها نیز می‌تواند مثبت یا منفی باشد باید منبع ولتاژ مثبت و منفی در اختیار داشته باشیم. برای پرهیز از دو منبع ولتاژ جداگانه بهتر است که از تقویت کننده تفاضلی با آفست معین استفاده شود. هنگامی که میدان مغناطیسی اعمال نشود مقدار آفست در خروجی ظاهر می‌شود. اگر میدان مغناطیسی مثبت وجود داشته باشد مقدار نشان داده شده بزرگ تر از آفست و اگر میدان مغناطیسی اعمالی منفی باشد خروجی مقداری مثبت و کم تر از آفست خواهد بود. سنسورهای دارای خروجی آنالوگ ولتاژ خروجی پیوسته ‌ای را نمایش می ‌دهند که متناسب با اندازه میدان مغناطیسی تا محدوده اشباع تغییر می‌کند. محدوده ‌های عملکرد این نوع سنسورها می‌تواند ۴.۵ تا ۱۰.۵ ولت، ۴.۵ تا ۱۲ ولت یا ۶.۶ تا ۱۲.۶ ولت باشد.

2. سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال

این نوع سنسورها دارای schmitt-trigger هستند که بر اساس حلقه هیسترزیس ساخته شده‌ است و به تقویت کننده متصل می‌شود. خروجی آن ها تنها دو وضعیت روشن (ON) و خاموش (OFF) را پوشش می‌دهد. در صورتی که شار مغناطیسی با اندازه بزرگ تر از یک مقدار مرجع از عنصر هال عبور کند خروجی سریعاً از حالت خاموش (OFF) به حالت روشن (ON)تغییر وضعیت می‌دهد. (شایان ذکر است که مقدار مرجع توسط کارخانه سازنده سنسور معین می‌گردد) و در صورتی که شار مغناطیسی کمتر از مقدار مرجع شود خروجی به حالت OFF می‌رود.

دو نوع سنسورهای اثر هال با خروجی دیجیتال وجود دارد: دو قطبی و تک قطبی.
سنسورهای دوقطبی برای تشخیص وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از OFF به ON به میدان مغناطیسی مثبت نیازدارند و برای تشخیص عدم وجود میدان مغناطیسی به بیان دیگر برای تغییر وضعیت از حالت ON به OFF به میدان مغناطیسی منفی احتیاج دارد. در حالی که سنسورهای تک قطبی برای تشخیص وجود و عدم وجود میدان مغناطیسی از میدان مثبت استفاده می‌کند.

برای سنسورهای القایی فاصله عملکرد بر اساس قطعه استاندارد تعریف می شود.
قطعه استاندارد برای تعیین فاصله عملکرد سنسورهای القایی، یک قطعه فلز از جنس فولاد ( ST37 ) به ضخامت 1mm و به شکل دایره با قطر d و یا مربع با مساحت d2 می باشد که در شکل زیر نیز قابل مشاهده است :

کاربرد های سنسورهای (حسگر) اثر هال
  • کنترل موتور (تشخیص سرعت)
  • تجهیزات عکاسی (اندازه‌گیری زمان)
  • زمان احتراق
  • سنسور مکان
  • شمارنده پالس (چاپگر و درایو موتور)
  • سنسور تعیین مکان ساقه شیر
  • Joy stick
  • قفل شدن درب
  • مشاهده جریان (سیستم موتور)
  • اندازه‌گیری سرعت چرخش
  • اندازه‌گیری فلو
  • رله
  • آشکارسازهای نزدیکی
  • امنیتی (کارت ‌های مغناطیسی)
  • ماشین ‌های بانکی (گوینده اتوماتیکی)
  • ارتباطات راه دور
کاربرد های سنسور با خروجی خطی :
  • مشاهده جریان
  • درایو دیسک
  • درایو فرکانس متغیر
  • کنترل حفاظت موتور
  • حفاظت منبع تغذیه
  • اندازه‌گیری مکان
  • دیافراگم فشار
  • پتانسیومترهای غیر تماسی
  • سوییچ ‌های انکودر
  • انکودرهای چرخشی
  • تنظیم کننده ولتاژ
  • ردیاب فلزات آهن دار