Датчик Холла — что это, как работает? Устройства, принцип работы, очистка и замена, признаки неисправности
Датчик Холла играет важную роль в автомобилестроении, авиации, приборостроении, а также в других отраслях промышленности. Хотя он является второстепенным компонентом автомобильной системы, он имеет огромное значение для синхронизации отдельных элементов автомобиля. Он устанавливается в различных местах автомобильной системы и присутствует в системе ABS, а также в системах ESP, VCS, PSM.
Устройство и функции датчика Холла
Преобразователь на эффекте Холла — это преобразователь, который изменяет свое выходное напряжение в результате изменения напряженности магнитного поля. Проще говоря, преобразователь на основе эффекта Холла — это устройство, измеряющее силу магнитного поля.
Датчик Холла представляет собой щель с полупроводником на одной стороне и постоянным магнитом на другой. Когда его магнитное поле пропускает ток, сила, действующая на электроны, имеет вектор, перпендикулярный току и магнитному полю.
Все типы датчиков, основанные на эффекте Холла, используются в современных прецизионных приложениях для определения скорости, бесконтактной коммутации, позиционирования. На основе эффекта Холла создаются и другие типы датчиков, например, датчики углового и линейного перемещения, магнитного поля, тока и потока.
Например, датчики Холла компании Logic Hall применяются в различных устройствах синхронизации, считывателях магнитных карт, бесконтактных выключателях, системах зажигания, клавиатурах и т.д. Интегральные линейные датчики также широко применяются для измерения линейных или угловых перемещений и электрического тока.
Помимо автомобилей и мотоциклов, сенсорные устройства на основе эффекта Холла также используются в производстве электронного оборудования. Подобные типы устройств, осуществляющих бесконтактный сбор информации, встречаются также в стиральных машинах для управления скоростью вращения барабана, клавиатурах и кулерах для компьютеров.
Одним из наиболее распространенных устройств, работающих на эффекте Холла, является датчик Холла для выключателей.
Его выход изменяет свое логическое состояние, если магнитное поле превышает определенное значение. Датчик Холла для переключателей широко используется в бесщеточных двигателях для определения положения ротора DPR.
Так называемый, эффект Холла был открыт в 1879 году американским физиком Э. Г. Холлом во время работы с тонкими золотыми пластинами. Он наблюдал интересное явление в поведении проводника с током в магнитном поле.
Ученый провел эксперимент, в ходе которого обнаружил, что при пропускании тока через медную пластину, помещенную между магнитами, на ее боковых поверхностях возникает разность потенциалов.
Эффект Холла — это прохождение электричества через проводник, в результате чего создается магнитное поле. Это происходит, когда проводящая пластина помещается в магнитное поле, в результате чего возникает напряжение, известное как напряжение Холла.
Величина магнитного поля зависит от величины протекающего через него тока. Датчик Холла полезен для измерения величины тока без прерывания питания.
Недостатком датчика Холла является его чувствительность к электромагнитным помехам. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции этого сенсорного устройства в определенной степени снижает его точность. Эти особенности необходимо учитывать при работе с данным оборудованием.
Датчик Холла в системе транспортного средства
Эффект Холла нашел применение в автомобильной промышленности через 75 лет после его открытия, когда началось производство полупроводниковых пленок со специфическими свойствами.
Датчик на эффекте Холла участвует в движении коленчатого и распределительного валов. Его роль заключается в определении того, в каком положении находятся коленчатый и распределительный валы, а также в том, чтобы отвечать за синхронизацию двигателя.
Датчики коленчатого и распределительного валов — одни из самых важных компонентов в автомобильной системе. Это автомобильное устройство сканирует обороты двигателя и положение поршней и клапанов, управляет моментом зажигания двигателя и впрыском топлива в цилиндры двигателя.
Полый датчик считывает положение кулачка распределительного вала в четырехтактных двигателях. Таким образом, он точно определяет, какой цилиндр в данный момент находится в положении сгорания, и синхронизирует зажигание двигателя и впрыск топлива соответствующим образом.
Существует несколько типов датчиков Холла — индуктивные датчики, магнитные (датчики на эффекте Холла) и оптические и другие. В большинстве автомобилей датчики являются магнитными, оптическими или индуктивными.
Магнитные и оптические датчики в основном используются в автомобилях старых моделей. Датчики Холла этого типа имеют длительный срок службы, но нуждаются в регулярной диагностике и чистке. В противном случае со временем они загрязняются, и способность к точному считыванию снижается. Оптические датчики Холла имеют выемку посередине, в то время как магнитные датчики имеют плоскую поверхность.
Их производят такие известные компании, как:
• Siemens,
• Micronas Intermetall,
• Honeywell,
• Melexis,
• Analog Device.
Признаки неисправности датчика Холла
Когда датчик Холла загрязнен или поврежден, разница в поведении автомобиля сразу же становится заметной. Существует несколько характерных признаков, по которым можно определить, что датчик Холла нашего автомобиля поврежден или загрязнен.
Например:
• один из цилиндров отказывается работать,
• двигатель трудно запустить,
• на приборной панели загорается предупреждающая лампочка,
• задержка подачи газа,
• наличие вибраций двигателя.
Замена датчика Холла
Замена датчика холостого хода коленчатого вала не является сложным процессом. Он легко снимается на большинстве моделей автомобилей и имеет зажим, облегчающий откручивание болта датчика.
Прежде всего, необходимо определить его местонахождение, поскольку обычно он находится рядом с ремнем/цепью на автомобиле. Следует иметь в виду, что на некоторых моделях автомобилей доступ к датчику Холла затруднен.
При определении местоположения датчика следует ориентироваться по длинному болту, который удерживает его на месте. Никаких других болтов, гаек или зажимов, которыми крепится датчик корпуса, нет. Исключение составляют некоторые модели Mercedes, в которых датчик удерживается двумя болтами.
Сначала необходимо вынуть шплинт, а затем длинный болт на датчике Холла. При снятии датчика необходимо также снять клеммы аккумулятора. При замене старого датчика Холла на новый рекомендуется сначала очистить старый датчик.
Очистка датчика Холла
Процесс очистки датчика холостого хода коленчатого вала также не представляет особой сложности. Единственная сложность заключается в его обнаружении. Для очистки понадобится растворитель, чтобы удалить слой грязи на датчике.
Иногда очистка датчика коленчатого вала может помочь устранить проблему без необходимости его замены.
Если после очистки датчика вы все еще видите следы повреждения, рекомендуется сразу приобрести новый. Его стоимость относительно невысока.
В автомобилях марки BMW существуют некоторые трудности при подключении датчика Холла. Особенностью этих автомобилей является то, что датчики нуждаются в более частой очистке, чем в других типах автомобилей.
Более старые модели автомобилей, такие как Golf 2, 3 и 4, также имеют определенные проблемы с датчиком Холла. W-образные двигатели, с другой стороны, имеют два датчика.
Лучший способ продлить срок службы датчика коленчатого вала автомобиля — регулярно проводить полную диагностику. При диагностике лучше всего выяснить, есть ли серьезная неисправность в датчике Холла или он просто нуждается в чистке.
устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя
Датчик Холла — прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля.
Его работа основана на эффекте Холла, который представляет собой явление возникновения разности потенциалов в магнитном поле при помещении в него проводника с постоянным током. Это устройство нашло широкое применение в различных приборах и механизмах.
- История создания прибора
- Конструктивные особенности
- Принцип действия
- Виды устройств
- Применение датчика
- Использование сенсоров в смартфонах
История создания прибора
В конце XIX века американский ученый из Балтимора Эдвин Герберт Холл поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и подключил к ней электрический ток. Такое действие привело к появлению напряжения на широких сторонах пластины.
Это явление получило название эффекта Холла и привлекло внимание общественности. Спустя 75 лет, когда промышленность начала выпускать полупроводниковые пленки, это открытие нашло широкое применение в области техники.
- В электронном зажигании на автомобилях.
- В двигателях компьютерного дисковода и вентилятора.
- Как основа электронного компаса в смартфонах.
- В бесконтактных электрических приборах для измерения силы тока и напряжения.
- В некоторых моделях ионных реактивных двигателей.
Первые разновидности датчиков стали выпускаться в середине XX века. В 1965 году американские специалисты создали твердотельный прибор, который значительно улучшил работу оборудования. Датчики считаются практически вечными, так как не имеют взаимодействующих и трущихся элементов.
Конструктивные особенности
Наиболее эффективными материалами для изготовления датчика считаются полупроводники арсениды галлия и индия. Чаще прибор представляет собой пленку, толщина которой не превышает 10 мкм. Датчик имеет три клеммы:
- питающая с входным напряжением 6В;
- нулевой контакт;
- выходная, с которой сигнал поступает на коммутатор.
Клемма, к которой подходит питание, широкая и занимает всю сторону прямоугольника. Выходная клемма обладает точечным электродом. В качестве нулевого контакта выступает общая точка. Так как при отсутствии магнитного поля на контактах остается небольшой сигнал, то для коррекции выходных данных применяется дифференциальный усилитель.
Микросхема наносится на подложку методом литографии, что позволяет повысить точность показаний. Обычно в различных приборах это применяется для проверки положения элементов механизма.
Принцип действия
Принцип работы датчика Холла основан на гальваномагнитном явлении, которое показывает результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником. Полупроводник подключен к электрической цепи, которая меняет его свойства.
Как только появляется поперечное напряжение, то сразу возникает эффект Холла. В этот момент заряд направлен перпендикулярно вектору поля. Такое явление объясняется воздействием на электроны или дырки силы Лоренца, которая и приводит к их отклонению.
Под воздействием этой силы частицы в полупроводнике двигаются в разные стороны, в соответствии со своим знаком. На одной стороне пластины собираются электроны (отрицательный заряд), а на другой частицы с положительным знаком.
По мере накопления зарядов между ними возникает электрический поток, который препятствует их перемещению под воздействием силы Лоренца. При достижении равенства этой силы и магнитного поля полупроводник вступает в фазу равновесия. Именно так и работает датчик Холла.
Виды устройств
Основной задачей этого прибора считается определение напряженности магнитного потока. Практически это сенсор определения значений магнитного поля. Существуют датчики двух видов:
- цифровые;
- аналоговые.
Цифровые приборы бывают биполярными и униполярными. Биполярные элементы работают в зависимости от полярности магнитного поля, то есть одна включает датчик, а вторая отключает.
Униполярные приборы включаются при появлении любой полярности и отключаются по мере ее уменьшения. Цифровые сенсоры измеряют индукцию и появление соответствующего напряжения, то есть наличие или отсутствие магнитного поля.
Прибор показывает единицу, когда индукция поля достигает пороговое значение. До этого момента сенсор будет показывать ноль. Такой датчик не сможет определить наличие магнитного поля со слабой индукцией. Кроме того, на точность показаний будет влиять дистанция до измеряемого объекта.
Применение датчика
Широко применяются преобразователи Холла в современной бытовой технике. С их помощью происходит взвешивание белья в стиральных машинах. При запуске агрегата вещи сначала намокают, а потом начинает вращаться барабан. По его скорости вращения определяется общий вес и происходит программирование машины на расход порошка, воды и ополаскивателя.
В серийном производстве впервые датчики стали использоваться в компьютерных клавиатурах.
Здесь происходит взаимодействие чувствительного элемента на плате и магнита на клавишах. Упругость осуществляется за счет полимерного материала, который обладает большим сроком службы.
Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.
Благодаря индуктивности из медной проволоки, находящейся в клещах, создается возбуждение и образуется электромагнитная волна. Часть ее значения оценивается сенсором, который передает данные в контроллер. По заложенным в нем формулам производится расчет, и результат выводится на дисплей.
Применяются датчики в сотовых телефонах для слежения за зарядом аккумулятора и его расходом. Но очень важным такой момент считается в эксплуатации электромобилей, так как наличие энергии в них занимает особое место.
Но особенно широко эти приборы применяются в автомобильной промышленности. В автомобилях с их помощью происходит определение частоты вращения коленвала двигателя, положение дроссельной заслонки, скорости движения автомобиля и так далее. Применяется датчик в электронной системе зажигания. Находится он в трамблере и заменяет контакты для образования искры.
Использование сенсоров в смартфонах
Благодаря небольшим размерам датчики Холла нашли широкое применение в современных электронных гаджетах. В смартфонах они помогают возвращать экран в исходное положение, обеспечивают быстрый запуск GPS поиска, увеличивают срок службы аккумуляторной батареи и так далее.
Способность реагировать на магнитное поле используется в раскладывающихся телефонах и ноутбуках. Благодаря наличию датчика, происходит включение устройств при открытии и отключение при закрытии экрана.
- обеспечивает ориентирование по отношению к горизонту земли;
- работает в качестве компаса мобильного устройства;
- совершает ориентирование экрана.
Немаловажное значение датчик имеет в устройстве видеокамеры. Вкупе со специальной микросхемой он позволяет корректировать качество изображения. Особенно это проявляется при съемках в вечернее время.
Как работают датчики Холла?
Опубликовано
Датчики Холла — это магнитные датчики, которые выдают электрический сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля вокруг них.
Затем электрический сигнал обрабатывается специальной схемой для получения требуемого выходного сигнала. Это бесконтактные датчики, что означает, что им не нужно вступать в контакт с каким-либо физическим элементом для генерации выходного сигнала, поскольку они зависят от магнитных полей. Это бесконтактное обнаружение дает им большое преимущество перед другими обычными типами датчиков физического контакта, такими как концевые выключатели. Прежде чем понять внутреннюю работу этих датчиков, нам нужно понять Эффект Холла , основной принцип работы этих датчиков.
Эффект Холла
Если у вас есть базовые представления о магнетизме и о том, как он работает, вы знаете, что протекание тока по проводу создает вокруг него магнитное поле. Чтобы лучше понять, если вы обхватите рукой провод с током так, чтобы ваш большой палец указывал в направлении тока, направления остальных ваших пальцев покажут направление магнитного поля. Это известно как закон Эрстеда.
Теперь, когда мы знаем об этой важной концепции магнетизма, мы можем двигаться дальше, чтобы понять, что именно представляет собой эффект Холла. Возьмем проводящую пластину и приложим к ней напряжение. Как и в любом другом проводнике, ток начнет течь от одного конца батареи к другому через проводящую пластину. Носители заряда будут течь почти по прямой линии от одного конца пластины к другому концу, генерируя ток в противоположном направлении согласно обычному течению. И, как объяснялось выше с помощью закона Эрстеда, мы знаем, что этот поток тока будет индуцировать магнитное поле вокруг нашей проводящей пластины. Направление создаваемого здесь магнитного поля показано стрелками.
Но что, если я поднесу магнит к этой пластине? Это интересная часть! Это внешнее магнитное поле будет взаимодействовать с существующим магнитным полем вокруг пластины.
Это вызовет нарушение прямолинейного потока носителей заряда, отклоняя отрицательно заряженные электроны на одну сторону пластины и отклоняя положительно заряженные дырки на другую сторону проводящей пластины в зависимости от полярности внешнего магнитного поля. Сила, толкающая носители заряда к сторонам пластины, возникает из-за взаимодействия двух магнитных полей и известна как сила Лоренца.
Если мы измерим напряжение на сторонах, где отклонились носители заряда, мы заметим, что на ней присутствует чрезвычайно малая разность потенциалов. Генерация этого измеряемого напряжения на пластине известна как эффект Холла и представлена буквой VH на изображении выше.
Работа датчиков Холла
Рисунок 4: Схема датчика Холла На рис. 4 показаны основные компоненты внутри датчика Холла. Во-первых, есть регулятор напряжения, который доводит напряжение питания до допустимого уровня для схемы.
Затем это регулируемое напряжение подается на тонкую прямоугольную полупроводниковую пластину p-типа, обычно состоящую из арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb) или арсенида индия (InAs). Эта полупроводниковая пластина известна как элемент Холла . Привлечение внешнего магнитного поля к датчику создает небольшую разность потенциалов на других концах элемента Холла, известную как Напряжение Холла . Это напряжение чрезвычайно мало, и его трудно обнаружить, обычно в микровольтах (мкВ), даже при воздействии сильных магнитных полей. Чтобы решить эту проблему, датчики на эффекте Холла состоят из дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления. Сгенерированное напряжение Холла затем подается на вход усилителя, который выдает усиленное напряжение, которое изменяется в зависимости от напряженности магнитного поля. Иногда в цепи присутствует триггер Шмитта, в зависимости от типа датчика Холла.
Классификация датчиков Холла
Датчики Холла классифицируются на основе их аналогового или цифрового выхода.
Выходные сигналы для аналоговых или линейных датчиков Холла снимаются непосредственно с выхода операционного усилителя. Выход в этом случае прямо пропорционален магнитному полю, проходящему через датчик. На рисунке ниже показано, как происходит увеличение выходного напряжения усилителя с увеличением магнитного поля, пока оно не достигнет пределов насыщения, наложенных на него из-за источника питания.
Датчик Холла с аналоговым выходом можно преобразовать в датчик с цифровым выходом, добавив схему триггера Шмитта на выходе усилителя. Триггер Шмитта сравнивает выходной сигнал усилителя с двумя предустановленными или пороговыми значениями. Если вход выше верхнего порогового значения, он выдает высокий логический уровень. Если вход ниже нижнего порогового значения, он выдает сигнал низкого логического уровня. Когда вход находится между двумя пороговыми значениями, выход сохраняет свое текущее значение. Эта характеристика триггера Шмитта позволяет получать цифровые сигналы на выходе датчика Холла, логические 0 или 1.
Применение
Прочная конструкция датчиков Холла без движущихся частей делает их не требующими технического обслуживания, поскольку они не изнашиваются. Они также невосприимчивы к вибрации, пыли и воде. Это делает их отличным выбором для различных приложений, таких как:
- Бесщеточные двигатели постоянного тока для определения положения постоянных магнитов и соответствующего переключения токов.
- Датчики вращения и вала для расчета числа оборотов в минуту и определения направления движения.
- Измерение тока токоизмерительными клещами.
- Датчик углового положения коленчатого вала для зажигания свечей зажигания в транспортных средствах.
- Обнаружение любой поверхности без контакта с ней.
Электромагнетизм — Как работает датчик скорости вращения колеса на эффекте Холла?
спросил
Изменено 2 года, 9несколько месяцев назад
Просмотрено 8к раз
\$\начало группы\$
Я изучал, как работает датчик скорости вращения колеса или коленчатого вала в транспортных средствах, и мне трудно найти суровую правду.
Я думаю, что я понимаю, как это работает просто. Что датчик обнаруживает изменение магнитного поля и, таким образом, создает напряжение Холла. Изображение ниже имеет смысл. Но что происходит внутри?
Я видел другие изображения, на которых виден магнит внутри датчика, который создает магнитное поле. Итак, когда металлический ротор или кривошип приближается к датчику, магнитное поле ослабевает или изменяется в достаточной степени, чтобы вызвать срабатывание датчика? Следовательно, создаст ли магнитное поле на конце датчика сигнал?
С YouTube-канала How To Mechatronics.
В конечном счете, какое магнитное поле вокруг сенсора вызывает срабатывание сенсора?
- электромагнетизм
- магнетизм
- скорость
- эффект холла
\$\конечная группа\$
4
\$\начало группы\$
Но мне было любопытно, как магнит и ротор взаимодействуют, чтобы изменить поле для создания сигнала.
Этот тип датчика известен как «датчик переменного магнитного сопротивления».
Магнитные поля образуют петли, и путь, по которому движется поле, можно представить как «магнитную цепь». Схема включает в себя постоянный магнит (эквивалент батареи) и материалы с разным сопротивлением (эквивалентно сопротивлению). У стали низкое сопротивление, а у воздуха очень высокое сопротивление. Напряженность поля эквивалентна току.
В этом случае цепь включает магнит, шестерню и другие стальные конструкции, удерживающие их друг относительно друга. При вращении зубчатого колеса периодически увеличивается и уменьшается воздушный зазор в магнитопроводе, что непосредственно уменьшает и соответственно увеличивает напряженность поля, проходящего через датчик Холла.
\$\конечная группа\$
0
\$\начало группы\$
Магнитное поле слегка меняется каждый раз, когда проходит зубец на шестерне.
Это вызывает незначительное изменение напряжения на датчике Холла.
Небольшое изменение напряжения усиливается, а затем проходит через компаратор, который выдает сигнал с прямыми краями каждый раз, когда обнаруживает зуб.
Вам действительно стоит взглянуть, как работают датчики Холла.
То, как это работает, впечатляет, а чрезвычайно малый размер эффекта (и то, что нужно для создания простого, надежного, удобного в использовании датчика) должен заставить вас оценить изобретательность тех незамеченных инженеров, которые заставляют его «просто работать». .»
По сути, у вас есть физическая лаборатория, полная точных инструментов, упакованных в один маленький чип.
Основной эффект вызван тем, что магнит отклоняет электроны, движущиеся в одном направлении по проводнику. Магнитное поле заставляет их идти по слегка изогнутой траектории, в результате чего больше электронов течет сбоку. Результатом является напряжение на проводнике, перпендикулярное потоку тока.
(Перефразировано из Википедии.)
Почти любое (относительно) внезапное изменение магнитного поля вызовет импульс на выходе.
Если вы подключите такой датчик, чтобы он мог работать, вы можете наблюдать за выходным сигналом с помощью осциллографа.
Проведение кончиком отвертки по поверхности датчика вызовет появление импульсов.
Насколько далеко от датчика может находиться отвертка (или другой магнитный предмет), зависит от силы магнита и чувствительности датчика Холла, что связано с тем, насколько тонкий внутренний проводник датчика. Тоньше более чувствителен.
Первоначальные эксперименты использовали сусальное золото в качестве проводника в датчике и довольно высокие токи, чтобы получить достаточно высокое напряжение, чтобы его можно было обнаружить.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Датчики Холла с магнитами и без.