Sensorer - omformere af en fysisk mængde til en anden (normalt til elektrisk) er meget udbredt i husholdnings- og industriudstyr. Uden dem er det meget svært, hvis ikke umuligt, at måle, digitalisere og behandle sådanne teknologiske parametre som tryk og flow (gas eller væske), temperatur, niveau, magnetisk eller elektrisk feltstyrke osv. En af de mest udbredte sensorer er Hall-sensoren - de bruges både i hverdagen (startende med smartphones eller bærbare computere) og i den mest komplekse industrielle teknologi.
Indhold
Hall-effekt - funktionsprincip
Denne effekt blev opdaget i 1879 af den amerikanske fysiker Edwin Hall og opkaldt efter ham.Essensen af fænomenet er, at hvis du tager en metalplade og sender en elektrisk strøm gennem den (i retningen AB i figuren), og derefter virker på pladen med et magnetfelt, for eksempel skabt af en permanent magnet, så i retningen vinkelret på strømmens passage (CD i figuren ), vil der være en potentialforskel.
Denne effekt opstår på grund af Lorentz-kraften, der virker på bevægelige ladninger og forskyder dem i en retning vinkelret på bevægelsesretningen. Som følge heraf opstår der en potentialforskel ved pladens kanter, som kan måles eller bruges til at udløse aktuatorer (forforstærkning). Denne forskel afhænger af:
- fra styrken af den strømmende strøm;
- fra styrken af det magnetiske felt;
- på koncentrationen af frie ladningsbærere i lederen.
Fænomenet er opkaldt efter dets opdager - Hall-effekten.
Typer og arrangement af Hall-sensorer
Effekten, opdaget tilbage i århundredet før sidste, fandt praktisk anvendelse. Ud fra det bygges magnetfeltsensorer. Deres fordel er, at de ikke har bevægelige og gnidende elementer (i modsætning til reed-kontakter), så deres pålidelighed er meget højere. Efter princippet om følsomhed industrielle sensorer Hallerne er opdelt i:
- unipolær (reager kun på en magnetisk pol - nord eller syd);
- bipolar (tænd, når den udsættes for et magnetfelt med en polaritet, sluk, når den udsættes for et magnetfelt med modsat polaritet);
- omnipolær - reagere på enhver poler af magneter.
Den potentielle forskel, der skabes af et magnetfelts virkning på ladninger i bevægelse, er enheder, i bedste fald titusinder af mikrovolt. For praktisk anvendelse er dette ikke nok, potentialforskellen skal øges. Disse forstærkere er indbygget direkte i sensorernes krop, og alt efter typen af forstærker er enhederne opdelt i to klasser.
- Analog. I dem er spændingen ved udgangen af sensoren proportional med magnetfeltet (det afhænger af magnetens styrke og afstanden fra den). Bygget på basis af en operationsforstærker og bruges til at måle magnetiske felter.
- Digital. Efter installeret forstærker komparator eller Schmitt trigger. Udgangsspændingen, når den magnetiske induktion når en vis tærskel, hopper fra nul til et højt niveau (normalt til forsyningsspændingsniveauet). Sådanne sensorer bruges til at bygge magnetiske relæer eller pulsgeneratorer. Det forstærkede signal fra pladen påføres tærskelanordningen. Når det indstillede niveau er nået, udløses sensoren. Triggerniveauet kan justeres ved at ændre afstanden fra sensoren til kilden til det magnetiske felt.
Anvendelse af Hall-sensorer
Den mest almindelige anvendelse af Hall-sensoren i hverdagen er kontaktløse biltændingssystemer. Deres fordel er fraværet af mekaniske kontaktgrupper. Det betyder ingen slid, ingen brænding af kontakter, ingen risiko for mekanisk fejl.
Fordelingssystemet inkluderer en plade med afsatser drevet af motorens krumtapaksel, en permanent magnet og selve Hall-sensoren. Når pladen roterer, falder fremspringene i et strengt defineret øjeblik, bestemt af krumtapakslens position, ind i mellemrummet mellem sensoren og magneten, hvilket ændrer magnetfeltets parametre.Sensoren genererer impulser synkroniseret med rotationen af krumtapakslen, som regulerer spændingsforsyningen til højspændingsspolen på de nødvendige tidspunkter. Også magnetfeltsensorer i bilen bruges til at genkende krumtapakslens position.
En anden anvendelse af magnetisk følsomme sensorer er at bestemme positionen af rotorerne på elektriske motorer. Relæelementet er monteret på motorstatoren og aktiveres, når stangen passerer. På dette princip kan du bygge en omdrejningstæller eller en hastighedsmåler.
Enheder bygget på Hall-effekten bruges 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 i sensoren, der reagerer på Jordens magnetfelt, organiseringen af det elektroniske kompas.
Analoge Hall-sensorer bruges i måleinstrumenter - hvor det er nødvendigt at vurdere niveauet af magnetfeltet. De er uundværlige til berøringsfri måling af strømstyrke i en leder. Som du ved, når strømmen passerer gennem en leder, opstår der et magnetfelt omkring den. Dens intensitet afhænger af strømmens styrke. Hvis strømmen er vekslende, så kan feltet måles på andre måder (for eksempel med en strømtransformator), men med jævnstrøm er en Hall-sensor uundværlig. DC strømklemmer arbejder efter dette princip.
Den mest eksotiske anvendelse af Hall-effekten er konstruktionen af ionraketmotorer efter dets princip.
Sådan kontrolleres Hall-sensorens ydeevne
For at kontrollere sensoren kan du samle et simpelt kredsløb, som du ud over selve sensoren skal bruge:
- strømforsyning til den ønskede spænding;
- modstand med en modstand på omkring 1 kOhm;
- Lysdiode;
- magnet.
Hvis der ikke er nogen LED, så kan du i stedet for den (og den strømbegrænsende modstand) gøre det brug et multimeter (digital eller pointer) i spændingsmålingstilstand.
Der er ingen særlige krav til strømforsyningen - strømmene i kredsløbet er meget små. Dens spænding skal være inden for forsyningsspændingen for sensoren, der testes. LED'en er forbundet med anoden til spændingskildens plus, katoden til udgangen af den testede enhed, da sensoren normalt er lavet med en åben samler (men det er bedre at kontrollere det på databladet).
Testproceduren afhænger af typen af enhed, der testes.
- For at teste en unipolær digital sensor skal du medbringe en magnet til den med en pol. LED'en skal lyse (pilen på pointervoltmeteret afviger, eller aflæsningerne fra den digitale tester ændres brat). Når magneten fjernes en betydelig afstand, bør kredsløbet vende tilbage til sin oprindelige position. Hvis sensoren ikke virker, er det nødvendigt at vende magneten med den anden pol og gentage proceduren. Hvis LED'en blinker, virker sensoren. Hvis succes ikke blev opnået i nogen position af magneten, er enheden ubrugelig.
- En bipolær digital sensor er testet ved hjælp af en lignende teknik, kun LED'en lyser i den ene position af magneten og slukker ikke, når magnetfeltkilden fjernes. Kredsløbet bør ikke reagere på yderligere manipulationer med den samme pol. Hvis du vender magneten og bringer den til sensoren i den modsatte polaritet, bør LED'en slukke. Dette indikerer tilstanden af den enhed, der testes.Hvis kredsløbet ikke fungerer, er sensoren ude af drift.
- En omnipolær digital Hall-sensor testes på samme måde som en unipolær, men den magnetisk følsomme enhed bør fungere i enhver position af magneten.
Analoge sensorer kontrolleres på samme måde som digitale, men udgangsspændingen bør ikke ændre sig brat, men jævnt, når den magnetiske kraft øges (for eksempel nærmer en permanent magnet sig eller en stigning i strøm i elektromagnetviklingen).
Fra et praktisk synspunkt er spørgsmålet om, hvordan man kontrollerer Hall-sensoren installeret i en bils kontaktløse tændingssystem interessant. For at gøre dette skal du fjerne stikket fra sensoren og samle det angivne kredsløb direkte på benene.
Her kan du også udskifte LED'en med et multimeter. Ved at dreje bilens krumtapaksel manuelt kan du observere periodiske blink af LED'en eller ændringer i udgangsspændingen fra nul til cirka spændingen i bilens elektriske system. En alternativ måde at tjekke i en garage på er midlertidigt at udskifte enheden med en velkendt reservesensor.
Hall-sensoren har fundet bred anvendelse i husholdnings- og industriudstyr. Det er ikke svært at kontrollere det for brugbarhed, hvis der er en forståelse af princippet om dets drift.
Lignende artikler:
