Sensorer er transducere, der omsætter en fysisk størrelse til en anden (normalt en elektrisk størrelse), og de anvendes i vid udstrækning i husholdnings- og industriapparater. Uden dem er det meget vanskeligt, hvis ikke umuligt, at måle, digitalisere og behandle procesprocesparametre som f.eks. tryk og flow (af gas eller væske), temperaturtryk, niveau, magnetisk eller elektrisk feltstyrke osv. En af de mest udbredte sensorer er hallsensoren - den bruges både i husholdningsapplikationer (fra smartphones og bærbare computere) og i det mest avancerede industrielle udstyr.
Indhold
Hall-effekten - funktionsprincip
Effekten blev opdaget i 1879 af den amerikanske fysiker Edwin Hall og er opkaldt efter ham. Fænomenet går ud på, at hvis man tager en metalplade og lader en elektrisk strøm løbe igennem den (i retning AB i figuren) og derefter påvirker pladen med et magnetfelt, som f.eks. det, der skabes af en permanentmagnet, vil der opstå en potentialforskel i den retning, der er vinkelret på strømmen (CD i figuren).
Denne effekt skyldes Lorentz-kraften, der virker på de bevægelige ladninger og forskyder dem i en retning vinkelret på bevægelsesretningen. Dette resulterer i en potentialforskel ved pladens kanter, som kan måles eller bruges til at aktivere aktuatorer (ved forstærkning). Denne forskel afhænger af:
- styrken af den strøm, der strømmer;
- den magnetiske feltstyrke;
- koncentrationen af frie ladningsbærere i lederen.
Fænomenet er opkaldt efter sin opfinder - Hall-effekten.
Typer og konstruktion af Hall-sensorer
Denne effekt, som blev opdaget i forrige århundrede, har fundet en praktisk anvendelse. Det er grundlaget for magnetfeltsensorer. Fordelen er, at de ikke har nogen bevægelige eller gnidende elementer (i modsætning til reed switches), så deres pålidelighed er meget højere. I henhold til deres følsomhedsprincip industrielle sensorer Hall-sensorer er opdelt i:
- unipolær (reagerer kun på én magnetisk pol - nord eller syd);
- bipolar (aktiveres af et magnetfelt af samme polaritet, deaktiveres af et magnetfelt af modsat polaritet);
- omnipolær - reagerer på begge poler af en magnet.
Den potentialeforskel, der skabes af et magnetfelt, som virker på bevægelige ladninger, er enheder, i bedste fald ti mikrovolt. Dette er ikke nok til praktiske anvendelser, idet potentialforskellen skal forstærkes. Disse forstærkere er indbygget direkte i sensorhuset, og enhederne er opdelt i to klasser alt efter forstærkertype.
- Analogt. Spændingen ved sensorudgangen er proportional med magnetfeltet (den afhænger af magnetens styrke og afstanden til den). De er baseret på operationsforstærkere og kan anvendes til måling af magnetfelter.
- Digital. Efter forstærkeren er den komparator eller en Schmitt-trigger. Udgangsspændingen hopper fra nul til et højt niveau (normalt til forsyningsspændingsniveauet), når den magnetiske induktion når en bestemt tærskel. Disse sensorer bruges til at bygge magnetiske relæer eller pulsgeneratorer. Det forstærkede signal fra pladen føres til tærskelanordningen. Når det indstillede niveau er nået, udløses sensoren. Responsniveauet kan justeres ved at ændre afstanden fra sensoren til magnetfeltkilden.
Hallsensor-applikationer
Den mest almindelige anvendelse af Hall-sensorer i hjemmet er i kontaktløse tændingssystemer til køretøjer. De har den fordel, at der ikke er nogen mekaniske kontaktgrupper. Det betyder, at der ikke er nogen slitage, ingen forbrænding af kontakterne og ingen risiko for mekanisk nedbrud.
Fordelingssystemet indeholder en plade med fremspring, som drives i rotation af motorens krumtapaksel, en permanent magnet og selve Hall-sensoren. Når pladen roterer, rammer projektionerne spalten mellem sensoren og magneten på et præcist defineret tidspunkt, der er defineret af krumtapaksens position, og ændrer det magnetiske felt. Sensoren genererer impulser, der er synkroniseret med krumtapaksens rotation, og som regulerer den spænding, der påføres højspændingsspolen på de ønskede tidspunkter. Der anvendes også magnetfeltsensorer i køretøjet til at registrere krumtapaksellens position.
En anden anvendelse af magnetisk følsomme sensorer er at bestemme positionen af elektromotorens rotorer. Relæelementet er fastgjort til motorens stator og udløses, når polen passeres. Dette princip kan bruges til at bygge en hastighedstæller eller en hastighedsmåler.
Enheder baseret på Hall-effekten anvendes i bærbare computere eller mobile enheder - som en indikator for lågets lukkede position. Når sensoren udløses, går computeren i dvale eller lukker ned. Og i smartphones er en af funktionerne ved en sensor, der reagerer på jordens magnetfelt, at organisere driften af et elektronisk kompas.
Analoge Hall-sensorer anvendes i måleinstrumenter, hvor det er nødvendigt at vurdere magnetfeltet. De er uundværlige til berøringsfri målinger af strømgennemstrømningen i en leder. Som du ved, dannes der et magnetfelt omkring en leder, når der strømmer strøm gennem den. Dens styrke afhænger af strømstyrken. Hvis strømmen er vekselstrøm, kan feltet måles på anden vis (f.eks. med en strømtransformator), men ved jævnstrøm er en Hall-sensor nødvendig. Dette er det princip, som jævnstrømsklemmer fungerer efter.
Den mest eksotiske anvendelse af Hall-effekten er konstruktionen af ionraketmotorer baseret på dens princip.
Sådan tester du en Hall-sensor
For at teste sensoren kan du samle et simpelt kredsløb, som ud over selve sensoren kræver
- En strømforsyning med den korrekte spænding;
- en modstand modstand på ca. 1 kΩ;
- LED;
- magnet.
Hvis der ikke er nogen LED til rådighed, kan der i stedet anvendes et multimeter (og en strømbegrænsende modstand). multimeter (digital- eller multifunktionsmåler) i spændingsmåletilstand.
Der er ingen særlige krav til strømforsyningen - strømmene i kredsløbet er ret små. Dens spænding skal ligge inden for den afprøvede sensors forsyningsspænding. Tilslut LED'en med anoden til spændingskildens plus-side og med katoden til udgangen af den enhed, der skal testes, da sensoren normalt er lavet med en åben samler (men det er bedre at kontrollere det i databladet).
Prøvningsproceduren afhænger af den type enhed, der skal prøves.
- For at teste en unipolær digital sensor skal en magnet med én pol placeres foran sensoren. LED'en skal lyse (pilen på voltmeteret skal afbøjes, eller aflæsningen på den digitale tester skal ændre sig med stormskridt). Kredsløbet skal vende tilbage til sin oprindelige position, når magneten fjernes i en betydelig afstand. Hvis sensoren ikke virker, skal du dreje magneten den anden vej rundt og gentage proceduren. Hvis LED'en blinker, fungerer sensoren. Hvis det ikke lykkes i nogen af magnetens positioner, er anordningen uegnet til brug.
- Den bipolære digitale sensor testes ved hjælp af en lignende metode, men LED'en lyser ved en magnetposition og slukker ikke, når magnetfeltkilden fjernes. Kredsløbet bør ikke reagere på yderligere manipulation med den samme pol. Hvis du vender magneten om og fører den til sensoren med den modsatte polaritet, skal LED'en slukke. Dette indikerer, at den enhed, der testes, fungerer korrekt. Hvis kredsløbet ikke virker, er sensoren defekt.
- En omnipolær digital Hall-sensor testes på samme måde som en unipolær sensor, men den magnetfølsomme enhed skal udløses ved enhver magnetposition.
Analoge sensorer testes efter samme metode som digitale sensorer, men udgangsspændingen skal ikke ændres pludseligt, men jævnt, når den magnetiske kraft øges (f.eks. ved at nærme sig en permanent magnet eller ved at øge strømmen i elektromagnetviklingen).
På den praktiske side er det et interessant spørgsmål, hvordan man kontrollerer Hall-sensoren, der er installeret i en bils kontaktløse tændingssystem. For at gøre dette skal du fjerne stikket fra sensoren og montere det angivne kredsløb direkte på stifterne.
Også her kan LED'en erstattes af et multimeter. Ved at dreje bilens krumtapaksel manuelt kan du observere intermitterende LED-blink eller ændringer i udgangsspændingen fra nul til ca. bilens indbyggede spænding. En alternativ måde at kontrollere på i værkstedet er ved midlertidigt at udskifte enheden med en kendt god erstatningssensor.
Hall-sensoren har fundet udbredt anvendelse i husholdnings- og industriapplikationer. Det er ikke svært at kontrollere det, hvis du har en forståelse for, hvordan det fungerer.
Relaterede artikler:
