V prvním díle byl představen základní princip Hallova jevu a rozdělení dnes běžných senzorů, který ho využívají. Často však vyvstává otázka, pro jaké účely je vlastně použít. Z toho pohledu lze vytvořit dvě hlavní skupiny:
První skupina aplikací sice bývá častěji zastupována indukčními či kapacitními snímači, které však nelze jednoduše vytvářet na křemíkovém chipu a tedy je není možné dostatečně miniaturizovat. Narozdíl od nich Hallův element může být přímo křemíkový, a proto lze vytvořit opravdu milimetrový senzor vybavený kompletní elektronikou pro detekci pohybu či přiblížení i velmi malých objektů. Ty však musí buď samovolně (magnet) nebo s použitím elektřiny generovat stálé magnetické pole, případně musí být alespoň feromagnetické. Zde se pak využívá tzv. vychýleného Hallova senzoru, tj. senzoru s magnetem (zdrojem mag. pole). Typickým příkladem mohou být například klávesnice a tlačítka, kde je v tlačítku usazený malý magnet a klávesa je vyhodnocena jako stisknutá při jejím dostatečném přiblížení k Hallovu senzoru. Takový senzor má obvykle spínaný logický výstup 1 či 0, zatímco s analogovým či digitálním výstupem je možné plynule měřit vzdálenost zdroje magnet. pole od snímacího elementu. Druhá skupina pak zahrnuje aplikace, kde je potřeba buď opravdu měřit žádoucí nebo nežádoucí magnetické pole, nebo zprostředkovaně jiné elektrické veličiny, jako je el. proud a napětí. Také se této metody využívá v známých klešťových ampérmetrech, kde není nutné rozpojovat obvod, pouze je "kleštěmi" měřáku obepne měřený vodič. |
Detekce přiblížení feromag. materiálu pomocí tzv. vychýleného Hallova senzoru (Biased Hall sensor)
Měření el. proudu pomocí Hallova senzoru |
Detekce a měření přiblížení a pohybu
Velkou výhodou použití Hallova elementu při detekci přiblížení je schopnost rozlišit severní a jižní pól magnetu či elektromagnetu, čímž mimo samotného vydetekování přítomnosti objektu v nějaké definované vzdálenosti, je možné, narozdíl například od indukčních senzorů, i dvoupolohově určit natočení onoho předmětu. Na následujících obrázcích jsou pak ukázky průběhu výstupního napětí Hallova snímače v závislosti na jeho umístění a pohybu vůči jednomu stacionárnímu permanentnímu magnetu.
Pohybem Hallova snímače kolem severního a jižního pólu magnetu se vygeneruje symetrický napěťový signál (vlevo), zatímco při jeho pohybu okolo jedno z pólů se generuje skokový / obdélníkový signál (vpravo).
Při pohybu Hallova snímače okolo střídavé kombinace vzájemně obrácených pólů magnetů se generuje periodický napěťový signál (vlevo). V závislosti na šířce délce nebo šířce magnetů se mění i sklon charakteristiky (vpravo).
Při použití sady vedle sebe ležících střídavě opačně orientovaných magnetů pak lze při pohybu Hallova snímače dosáhnout vzniku střídavého napěťového signálu - viz následující obrázek. Ze vzdálenosti maxim a minim lze pak určit jak vzájemnou vzdálenost obou vedle sebe ležících magnetů při známé hodnotě rychlosti pohybu, či naopak zjistit rychlost pohybu při znalosti rozměrů magnetů. Toho se pak právě využívá pro měření rychlosti pohybu. V tomto režimu je však častěji stacionární snímač a pohybují se magnety.
Příklad Hallova senzoru TLE 4953C s PWM výstupem měřící rychlost a směr otáčení magnetické kotouče
Detekce pohybu, resp. otáčení kotouče, pomocí Hallova snímače není nemožná ani u materiálů negenerující magnetické pole. U prvků, kotoučů či ozubených kol z feromagnetických materiálů, např. železa, je to možné pomocí tzv. vychýlené detekce, resp. vychýleného Hallova senzoru. Ten je prakticky realizován připevněním pevného permanentního magnetu na zadní stranu Hallova snímače. Tento magnet generuje konstantní kolmé magnetické pole, jehož velikost se mění s velikostí vzduchové mezery (vzdálenosti mezi magnetem a feromag. materiálem, kde je umístěn Hallův senzor). Ta pak může být proměnná právě právě střídáním výstupků a prohlubní, jak je tomu například u ozubeného kola. |
 |
Konstrukce snímače s dvěma Hallovými elementy (Hall Probe 1 a 2) umožňuje snadno generovat obdélníkový výstupní signál v rytmu střídání výstupků ozubeného kola (Gear Wheel) nebo severního a jižního pólu magnetického kola (Magnet Wheel) - obrázek vlevo. V případě, že např. jeden zub chybí, je porušena i perioda impulsů v signálu, čímž lze chybějící zub snadno vydetekovat - obrázek vpravo - - pro zvětšení klikněte na obrázek
Při použití 2 ks dvouelementových Hallových snímačů (Sensor 1 a Sensor 2) lze mimo generování / počítání impulsů (Count Pulse) detekovat i směr otáčení (Direction) - pro zvětšení klikněte na obrázek
Měření el. proudu pomocí Hallova snímačeMimo proudových transformátorů a dalších principů, jako je například Rogowského cívka, se velmi často používá i Hallův snímač. Výhodou tohoto měření je úplné oddělení měřeného a vyhodnocovacího obvodu. Celý princip je založen na generování magnetického pole uvnitř vzduchové mezery fermagnetického jádra, do kterého je vložen právě měřící Hallův senzor. Se změnou velikosti proudu protékající závity primární cívky se v mění i magnetický tok a i magnetické pole (indukce mag. pole) působící kolmo na snímač. Ten pokud je napájen konstantním proudem, generuje se na výstupu napětí přímo úměrné hodnotě proudu. Změně proudu tedy odpovídá i lineární změna napětí. |
 |
Základní princip měření elektrického proudu pomocí Hallova senzoru (výstupní veličina je tedy napětí, jehož velikost je úměrná hodnotě proudu).
Závěr
Jak je vidět, možností použití senzorů s Hallovými elementy je mnoho a někdy se jejich použití kryje s použitím indukčních senzorů. Díky lepší možnosti miniaturizace Hallova elementu z křemíkovém polovodičovém materiálu je však možné detekovat výrazně menší objekty, jako například kontrolovat (počítat) jednotlivé zuby i malého ozubeného kola. K tomuto účelu mohou velmi dobře posloužit miniaturní křemíkové senzory dnes již nabízené i SMD provedení. Dále lze mimo klasických 1D senzorů najít v nabídkách i snímání ve 2D a v plenkách je 3D detekce. O tom však již v dalších článcích zaměřených na vlastnosti a provedení reálných nabízených a prodávaných senzorů.
Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Domovská stránka firmy Honeywell, mimo jiné výrobce integrovaných senzorů s Hallovým efektem - www.honeywell.com
- Domovské stránky firmy Infineon, výrobce Hallových senzorů řady TLE - www.infineon.com
- Domovské stránky firmy Allegro MicroSystems, Inc., mj.i výrobce Hallových senzorů - www.allegro.com
- Honeywell: "MICRO SWITCH Sensing and Control", Chapter 2
- SYPRIS Test & Measurement - www.fwbell.com
Komentáře
Magnetické senzory mne momentálně zajímají
Potřebuji zjišťovat (alespoň porovnávat) intenzitu magnetického pole permanentních magnetů.
Existují (asi ano ale jsou pro mne dostupné?) senzory kde by byl výstupní signál nějak úměrný intenzitě magnetického pole které na senzor působí? Zatím jsem narazil jen na senzory které na výstupu mají dvouhodnotový signál podle toho jestli magnetické pole překročí nějakou prahovou hodnotu.
Bude to v nějakém pokračování tohoto příspěvku?
Aha - teprve teď jsem si přečetl zprávy od autora - děkuji.