Sensorer - omvandlare av en fysisk kvantitet till en annan (vanligtvis till elektriska) används ofta i hushålls- och industriutrustning. Utan dem är det mycket svårt, för att inte säga omöjligt, att mäta, digitalisera och bearbeta sådana tekniska parametrar som tryck och flöde (gas eller vätska), temperatur, nivå, magnetisk eller elektrisk fältstyrka, etc. En av de mest använda sensorerna är Hall-sensorn - de används både i vardagen (med början med smartphones eller bärbara datorer) och i den mest komplexa industriella tekniken.
Innehåll
Halleffekt - funktionsprincip
Denna effekt upptäcktes 1879 av den amerikanske fysikern Edwin Hall och uppkallades efter honom.Kärnan i fenomenet är att om du tar en metallplatta och för en elektrisk ström genom den (i riktning AB i figuren) och sedan agerar på plattan med ett magnetfält, till exempel skapat av en permanentmagnet, då i riktningen vinkelrät mot strömpassagen (CD i figuren ), kommer det att finnas en potentialskillnad.
Denna effekt uppstår på grund av att Lorentzkraften verkar på rörliga laddningar och förskjuter dem i en riktning vinkelrät mot rörelseriktningen. Som ett resultat uppstår en potentialskillnad vid plattans kanter, som kan mätas eller användas för att utlösa ställdon (förförstärkning). Denna skillnad beror på:
- från styrkan hos den strömmande strömmen;
- från styrkan av magnetfältet;
- på koncentrationen av fria laddningsbärare i ledaren.
Fenomenet är uppkallat efter sin upptäckare - Hall-effekten.
Typer och arrangemang av Hall-sensorer
Effekten, som upptäcktes redan i århundradet före förra, fick praktisk tillämpning. Baserat på det byggs magnetfältssensorer. Deras fördel är att de inte har rörliga och gnidande element (till skillnad från reed switchar), så deras tillförlitlighet är mycket högre. Enligt principen om känslighet industriella sensorer Hallarna är indelade i:
- unipolär (reagerar bara på en magnetisk pol - norr eller söder);
- bipolär (slå på när den utsätts för ett magnetfält med en polaritet, stäng av när det utsätts för ett magnetiskt fält med motsatt polaritet);
- omnipolär - reagera på alla poler av magneter.
Potentialskillnaden som skapas av ett magnetfälts inverkan på rörliga laddningar är enheter, i bästa fall tiotals mikrovolt. För praktisk tillämpning är detta inte tillräckligt, potentialskillnaden måste ökas. Dessa förstärkare är inbyggda direkt i sensorkroppen, och beroende på typen av förstärkare är enheterna indelade i två klasser.
- Analog. I dem är spänningen vid sensorns utgång proportionell mot magnetfältet (det beror på magnetens styrka och avståndet från den). Byggd på basis av en operationsförstärkare och används för att mäta magnetfält.
- Digital. Efter att förstärkaren installerats komparator eller Schmitt trigger. Utspänningen, när den magnetiska induktionen når en viss tröskel, hoppar från noll till en hög nivå (vanligtvis till matningsspänningsnivån). Sådana sensorer används för att bygga magnetiska reläer eller pulsgeneratorer. Den förstärkta signalen från plattan tillförs tröskelanordningen. När den inställda nivån uppnås utlöses sensorn. Triggernivån kan justeras genom att ändra avståndet från sensorn till källan för magnetfältet.
Applicering av Hall-sensorer
Den vanligaste tillämpningen av Hall-sensorn i vardagen är beröringsfria biltändsystem. Deras fördel är frånvaron av mekaniska kontaktgrupper. Detta innebär inget slitage, ingen bränning av kontakter, ingen risk för mekaniska fel.
Fördelningssystemet inkluderar en platta med avsatser som drivs av motorns vevaxel, en permanentmagnet och själva Hall-sensorn. När plattan roterar faller utsprången i ett strikt definierat ögonblick, bestämt av vevaxelns position, in i gapet mellan sensorn och magneten, vilket ändrar parametrarna för magnetfältet.Sensorn genererar pulser synkroniserade med vevaxelns rotation, vilka reglerar spänningsförsörjningen till högspänningsspolen vid de erforderliga tidpunkterna. Även magnetfältssensorer i bilen används för att känna igen vevaxelns position.
En annan användning av magnetiskt känsliga sensorer är att bestämma positionen för rotorerna på elmotorer. Reläelementet är monterat på motorstatorn och aktiveras när stolpen passerar. På denna princip kan du bygga en varvräknare eller en hastighetsmätare.
Enheter byggda på Hall-effekten används i bärbara datorer eller mobila enheter - som en indikator på lockets stängda läge. När sensorn utlöses går datorn i viloläge eller stängs av. Och i smartphones är en av funktionerna hos sensorn som svarar på jordens magnetfält organisationen av den elektroniska kompassen.
Analoga Hall-sensorer används i mätinstrument - där det är nödvändigt att bedöma nivån på magnetfältet. De är oumbärliga för beröringsfri mätning av strömstyrka i en ledare. Som du vet, när ström passerar genom en ledare, uppstår ett magnetfält runt den. Dess intensitet beror på strömstyrkan. Om strömmen är alternerande kan fältet mätas på andra sätt (till exempel med en strömtransformator), men med likström är en Hall-sensor oumbärlig. DC-strömklämmor fungerar enligt denna princip.
Den mest exotiska tillämpningen av Hall-effekten är konstruktionen av jonraketmotorer enligt dess princip.
Hur man kontrollerar Hall-sensorns prestanda
För att kontrollera sensorn kan du montera en enkel krets, för vilken du, förutom själva sensorn, behöver:
- strömförsörjning för önskad spänning;
- motstånd med ett motstånd på cirka 1 kOhm;
- Ljusdiod;
- magnet.
Om det inte finns någon lysdiod kan du istället för den (och det strömbegränsande motståndet) göra det använd en multimeter (digital eller pekare) i spänningsmätningsläge.
Det finns inga speciella krav på strömförsörjningen - strömmarna i kretsen är mycket små. Dess spänning måste ligga inom matningsspänningen för sensorn som testas. Lysdioden är ansluten med anoden till spänningskällans plus, katoden till utgången på enheten som testas, eftersom sensorn vanligtvis är gjord med en öppen samlare (men det är bättre att kontrollera det på databladet).
Testproceduren beror på vilken typ av enhet som testas.
- För att testa en unipolär digital sensor måste du ta med en magnet till den med en pol. Lysdioden ska lysa (pilen på pekarens voltmeter avviker eller avläsningarna på den digitala testaren ändras abrupt). När magneten avlägsnas ett stort avstånd, bör kretsen återgå till sitt ursprungliga läge. Om sensorn inte fungerar är det nödvändigt att vända magneten med den andra polen och upprepa proceduren. Om lysdioden blinkar, fungerar sensorn. Om framgång inte uppnåddes i någon position av magneten är enheten oanvändbar.
- En bipolär digital sensor testas med en liknande teknik, endast lysdioden lyser vid en position av magneten och slocknar inte när magnetfältskällan tas bort. Kretsen ska inte reagera på ytterligare manipulationer med samma pol. Om du vänder på magneten och för den till sensorn i motsatt polaritet, bör lysdioden släckas. Detta indikerar tillståndet för enheten som testas.Om kretsen inte fungerar är sensorn ur funktion.
- En omnipolär digital Hall-sensor testas på samma sätt som en unipolär, men den magnetiskt känsliga enheten bör fungera i valfri position på magneten.
Analoga sensorer kontrolleras på samma sätt som digitala, men utspänningen bör inte ändras abrupt, utan jämnt när den magnetiska kraften ökar (till exempel närmar sig en permanent magnet eller en ökning av strömmen i elektromagnetlindningen).
Ur praktisk synvinkel är frågan om hur man kontrollerar Hall-sensorn installerad i det kontaktlösa tändsystemet i en bil intressant. För att göra detta, ta bort kontakten från sensorn och montera den angivna kretsen direkt på stiften.
Här kan du även byta ut lysdioden mot en multimeter. Genom att vrida bilens vevaxel manuellt kan du observera periodiska blinkningar av lysdioden eller förändringar i utspänningen från noll till ungefär spänningen i bilens elektriska system. Ett alternativt sätt att checka in i ett garage är att tillfälligt byta ut enheten mot en känd reservsensor.
Hall-sensorn har funnit bred användning i hushålls- och industriutrustning. Det är inte svårt att kontrollera det för användbarhet om det finns en förståelse för principen för dess funktion.
Liknande artiklar:
