مستشعرات تأثير القاعة: مبدأ العمل ، 5 تطبيقات مهمة

المحتويات:

  • المُقدّمة
  • مجسات مغناطيسية
  • مجسات تأثير هول
  • ما هو جهد القاعة (VH)?
  • معامل هول (RH)
  • بناء مجسات تأثير القاعة
  • رمز مستشعر تأثير القاعة
  • مبدأ عمل مجسات تأثير هول
  • تجربة تأثير القاعة
  • التناظرية والرقمية قاعة تأثير الاستشعار
  • نوع مجسات تأثير القاعة
  • تطبيقات مجسات تأثير القاعة

مجسات مغناطيسية

أجهزة الاستشعار المغناطيسية هي أجهزة قادرة على اكتشاف وتحليل المجالات المغناطيسية الناتجة عن مغناطيس أو الحالية. يمكن استخدامها لأنواع مختلفة من التطبيقات مثل الشعور بالتغير في موضع وزاوية المجال المغناطيسي ، أو الإحساس بالتغير في قوة أو اتجاه المجال المغناطيسي المطبق ، إلخ.

هناك أنواع مختلفة من المستشعرات المغناطيسية مثل مستشعر Hall Effect (مفاتيح Hall ، مستشعرات القاعة الخطية ، وما إلى ذلك) المستخدمة لاكتشاف التغيير في قوة المجال المغناطيسي ، ومستشعر Magneto Resistive المستخدم لاكتشاف التغيير في اتجاه المجال المغناطيسي ، مستشعرات الزاوية المستخدمة لاكتشاف التغيير في زاوية المجال المغناطيسي ، وأجهزة استشعار 3D Hall ، وكذلك مستشعرات السرعة المغناطيسية. يتم استخدام مستشعرات Hall Effect في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل مستشعر القرب وقياس الموضع والسرعة وما إلى ذلك ، بل إنها تستخدم في طابعة الكمبيوتر والأسطوانة الهوائية ولوحات مفاتيح الكمبيوتر وما إلى ذلك.

تعتبر المستشعرات المغناطيسية بشكل عام جهازًا صلبًا يزداد الطلب عليه في اليوم نظرًا لدقته العالية ودقته ، وتشغيل أقل ، وتكلفة صيانة منخفضة نسبيًا ، وتصميم مضغوط ، وما إلى ذلك. تتوفر التطبيقات الصناعية على سبيل المثال ، أجهزة Hall Effect المغلقة مقاومة للماء ومصنوعة بطريقة لمقاومة أي اهتزاز أيضًا.

تُستخدم المستشعرات المغناطيسية على نطاق واسع في أنظمة السيارات خاصةً لتحليل وضع مقاعد السيارة وأحزمة الأمان وللتحكم في نظام الأكياس الهوائية وأيضًا لاكتشاف سرعة دوران العجلات لنظام الفرامل المانعة للانغلاق (ABS).

مجسات تأثير هول

مستشعرات Hall Effect هي مستشعرات مغناطيسية يعتمد إخراجها على المجال المغناطيسي أو كثافة التدفق المغناطيسي حول المستشعر المغناطيسي.

  • جاءت كلمة "Hall" من قاعة الدكتور ادوين، الذي اكتشف تأثير هول هذا لأول مرة.
  • إذا كان هناك مجال مغناطيسي خارجي عمودي على الجسم الذي يمر من خلاله التيار ، فإن القوة الدافعة الكهربائية ستولد في الاتجاه العمودي على المجال المغناطيسي وعلى التيار.
استشعار قاعة تأثير
استشعار قاعة تأثير الجهاز 1880

ما هو جهد القاعة (VH)?

إذا تم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي في المستشعر المغناطيسي ، يتم تنشيطه. يتناسب جهد خرج مستشعر Hall Effect مع قوة المجال المغناطيسي المطبق الذي يمر به. بعد تجاوز عتبة معينة لكثافة التدفق المغناطيسي بواسطة المجال الخارجي ، يتم إنشاء جهد خرج ، والذي يُعرف عمومًا باسم جهد القاعة (VH).

معامل هول (RH)

كمية فرق الجهد لكل وحدة سمك للشريط المعدني في تأثير القاعة موزعة حسب ناتج الشدة المغناطيسية وكثافة التيار الطولي.

وحدات معامل القاعة RH يتم نقلها بشكل عام كـ m3/ ج ، أو Ω · سم / ز.

بناء مجسات تأثير القاعة:

تصميم مستشعر القاعة

تتكون مستشعرات Hall Effect عمومًا من قطعة مستطيلة من أشباه الموصلات مثل الإنديوم أنتيمونيت (InSb) أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs) المعروف باسم مسبار هول مركب على لوحة الألومنيوم ومغطاة بالكامل داخل رأس التحقيق. يتم توصيل مقبض المسبار المكون من مادة غير مغناطيسية برأس المجس بحيث يكون مستوى اللوحة المستطيلة لأشباه الموصلات عموديًا على مقبض المسبار.

عندما يتم تنشيط الجهاز ، يحدث تدفق مستمر للتيار من خلال أشباه الموصلات. إذا كانت خطوط المجال المغناطيسي الخارجية في زوايا قائمة على رأس المجس بحيث تمر الخطوط المودعة عبر الزوايا اليمنى عبر مستشعر المسبار ، ينشأ جهد يُعرف باسم جهد "تأثير هول" ويوفر الجهاز قراءة كثافة التدفق المغناطيسي (ب) للمجال الخارجي.

رمز مستشعر تأثير القاعة:

ما هو محول تأثير هول؟

مبدأ عمل مجسات تأثير هول

  • يعمل مستشعر Hall Effect بشكل أساسي بسبب تأثير Lorentz Force (إنها القوة التي يتعرض لها الجسيم المشحون بسبب مجال كهربائي أو مجال مغناطيسي ، أي ببساطة مغنطيسي كهربائي مجال).
  • في ظل وجود مجال مغناطيسي خارجي موجود بحجم كافٍ ، تنحرف الإلكترونات الموجودة في لوح أشباه الموصلات نحو حافة واحدة من اللوح ، أي أن الثقوب والإلكترونات تتحرك باتجاه جانبي اللوح بسبب تأثير قوة لورنتز عليها.
  • لهذا ، جانب واحد من أشباه الموصلات سالب الشحنة ، والجانب المقابل يكون موجب الشحنة. ينتج عن هذا تدرج جهد عبر الجانبين المتقابلين للبلاطة المستطيلة بسبب تراكم الشحنات المعاكسة في هذين الجانبين. يُعرف هذا الجهد بجهد القاعة (VH) ، ويعرف تأثير توليد جهد هول القابل للقياس باستخدام مجال مغناطيسي خارجي باسم تأثير هول.
  • لتوليد فرق جهد مثل إنتاج جهد قابل للقياس ، يجب أن تكون خطوط المجال المغناطيسي الخارجية في الزاوية اليمنى للمستوى حيث يتدفق التيار عبر اللوح. أيضًا ، يجب توفير قطبية صحيحة حتى تعمل مستشعرات Hall Effect.
محول تأثير القاعة يعمل
  • عندما تتحرك الإلكترونات والثقوب بعيدًا عن بعضها البعض ، يتم إنشاء تدرج محتمل ، ويزداد الفصل حتى توازن القوة الناتجة عن المجال الكهربائي القوة الناتجة عن المجال المغناطيسي. عندما تتوازن القوتان مع بعضهما البعض ، فإن التيار لا يتغير ، وقد تم حساب جهد القاعة الذي تم اكتشافه في هذه النقطة ومن كثافة التدفق المغناطيسي (B).                       
  • إذا كان جهد الخرج يعتمد خطيًا على كثافة التدفق المغناطيسي ، فإننا نسميها مستشعرات تأثير القاعة الخطية ، وإذا كان هناك انخفاض حاد في جهد الخرج عند كثافة تدفق مغناطيسي مختلفة ، فيُطلق عليها اسم مستشعر تأثير هول العتبة.
  • لقد سمعنا عن المستشعرات الحثية التي تستجيب لمجال مغناطيسي متغير لأنها تحفز تيارًا في ملف من الأسلاك وبالتالي تولد جهدًا في ناتجها. لذلك يمكن لأجهزة الاستشعار الحثية أن تكتشف فقط المجالات المغناطيسية الثابتة (غير المتغيرة) في حين أن مستشعرات Hall Effect يمكنها اكتشاف المجال المغناطيسي المتغير وغير المتغير.
  • يمكن أن يقدم مستشعر Hall Effect معلومات تتعلق بنوع القطب المغناطيسي المستخدم لتوليد الجهد وأيضًا حجم كثافة التدفق المغناطيسي الخارجي (B). باستخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار ، يمكننا إيجاد الموضع النسبي للمغناطيس الخارجي المستخدم.
  • يكون جهد خرج مستشعر Hall Effect عمومًا صغيرًا جدًا ، مثل عدد قليل من الفولتات الصغيرة حتى عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي قوي عبر المستشعر. ومن ثم ، فإن معظم مستشعرات Hall Effect المتوفرة تجاريًا يتم تصنيعها باستخدام مضخم تيار مستمر مدمج ومنظم جهد لتحسين حساسية المستشعر وحجم جهد الخرج.

تجربة تأثير القاعة

إغلاق مستشعر تأثير هول ذو الحلقة المغلقة
الصورة الائتمان: دراتشريكمستشعر تأثير قاعة الحلقة المغلقةCC BY-SA 3.0

مستشعر تأثير القاعة التناظرية والرقمية

يمكن أن يكون إخراج Hall Effect Sensor خطيًا (تناظريًا) أو رقميًا. يتناسب خرج مستشعر Hall Effect الخطي بشكل مباشر مع المجال المغناطيسي الخارجي ، أي كثافة التدفق المغناطيسي التي تمر عبر المستشعر ويتم أخذ الإخراج من خرج OP-AMP التفاضلي. مستشعرات Hall Effect الخطية (التناظرية) لها ناتج جهد مستمر يتغير حسب قوة تغيرات المجال المغناطيسي الخارجي.

صيغة مستشعر تأثيرات القاعة:

يمكن التعبير عن إخراج مستشعر Hall Effect الخطي على النحو التالي:

أين،

  • VH هو جهد القاعة
  • RH هو تأثير Hall ذي كفاءة مشتركة
  • أنا هو التيار المتدفق عبر المستشعر (لوح أشباه الموصلات)
  • ر هو سمك المستشعر
  • B هي كثافة التدفق المغناطيسي الخارجي

في حالة إخراج المستشعر الرقمي Hall Effect ، يتم أخذ خرج OPAMP ، والذي بدوره متصل بمشغل Schmitt مع المدمج في التخلفية نزعة المادة الممغنطة إلي البقاء في حالة مغناطيسية مما يقلل التذبذبات في جهد الخرج. في هذه الحالة ، فقط عندما تكون شدة المجال الخارجي أعلى من قيمة معينة في الجهاز ، يتحول الجهاز إلى حالة التشغيل من حالة الإيقاف.

نوع مجسات تأثير القاعة:

اعتمادًا على نوع القطب المغناطيسي الخارجي المطلوب لتشغيلها ، تتكون مستشعرات Hall Effect من نوعين.

  1. ثنائي القطب
  2. أحادي القطب

أكثر تكوينات الاستشعار شيوعًا في مستشعر Hall Effect باستخدام مغناطيس واحد هما الاكتشاف المباشر والكشف الجانبي. في الكشف الجانبي ، يلزم تحريك المغناطيس في حركة جانبية أمام وجه عنصر تأثير Hall. أثناء الكشف المباشر ، يتحرك المغناطيس باتجاه عنصر القاعة وبعيدًا عنه بطريقة متعامدة مع مستوى العنصر.

قاعة تأثير الاستشعار تستخدم في مروحة المحرك
الصورة الائتماناخطرالقابض مع مستشعر Hall EffectCC BY 2.0

تطبيقات مجسات تأثير القاعة:

  • موقف الاستشعار: عند التشغيل في وضع التشغيل / الإيقاف ، أي وجود مخرج رقمي ، واكتشاف حدوث المغناطيسية المواد هو أحد التطبيقات الصناعية الهامة لأجهزة استشعار تأثير Hall.
  • محولات التيار المستمر: يستخدم مستشعر Hall Effect لقياس التدفق المغناطيسي للتيار المستمر ، ونتيجة لذلك ، يمكن حساب تيار التيار المستمر.
  • تبديل لوحة المفاتيح: بالنسبة لبعض لوحات مفاتيح الكمبيوتر ، يتم استخدام مفاتيح Hall Effect. ولكن نظرًا لتكلفتها العالية نسبيًا ، فهي تقتصر على مجال الطيران والجيش لموثوقيتها العالية.
  • مؤشر مستوى الوقود: يستشعر مستشعر Hall Effect موضع العنصر العائم باستخدام استشعار الموضع ويعمل كمؤشر لمستوى وقود السيارات.
  • مشاية كهربائية: تُستخدم مستشعرات القاعة هنا لأجهزة استشعار السرعة وأيضًا للتوقف في حالات الطوارئ بسبب أي سقوط عرضي. يتم توصيل حزام المستخدم في جهاز المشي بسلك سحب يتم توصيله بدوره بمغناطيس. إذا سقط المستخدم عن طريق الخطأ ، ينفصل المغناطيس ، ويحدث انقطاع في مصدر الطاقة مما يؤدي إلى توقف الجهاز.

لمزيد من المقالات المتعلقة بالإلكترونيات انقر هنا

انتقل إلى الأعلى