Использование эффекта Холла в датчиках

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Институт радиоэлектроник и информационных технологий

Радиотехнический факультет

Кафедра Автоматики

 

 

 

Реферат по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомплексы»

«Использование эффекта Холла в датчиках»

 

Выполнил:       Студент группы РИ-230101

Аютов М.В.

 

Проверил:        Секисов Ю.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2015

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..3

1. ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА…………………………………….4

1.1 Общие сведения………………………………………………………….4

2     ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА……...…………………7

2.1 Интегральные датчики Холла…………………………………………...7

2.2 Применение датчиков Холла…………………………………………..10

2.3 Датчики тока…………………………………………………………….11

2.4 Бесколлекторные двигатели постоянного тока…………………….....13

2.5 Линейный датчик обратной связи по положению…………………....15

2.6 Расходомер……………………………………………………………...16

2.7 Магнитные датчики………………………………………………….....17

2.8 Измерение электросопротивления…………………………………….19

2.9 Измерение угла поворота……………………………………………....22

3 Практическая часть………………………………………………..….24

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….29

5 Список литературы……………………………………………………30

 

Введение

 

Цель работы: Ознакомиться с эффектом холла и датчиками на его основе. Исследовать применение данных датчиков в промышленности. Выявить их положительные и отрицательные качества.

Актуальность работы: Актуальность данной работы велика, т.к в нашем развивающемся обществе микромагнитоэлектроника занимает одно из лидирующих мест в научно-технических направлениях. Развитие этой науки позволяет разрабатывать и производить, современные магнитоэлектронные устройства и приборы. Изделия микромагнитоэлектроники используются в системах управления производственными процессами, в автомобильной электронике, измерительной и вычислительной технике, в дефектоскопии, медицинских и бытовых приборах и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

 

1.1 Общие сведения

 

[1]Эффектом Холла называется появление в проводнике с током плотностью j, помещённом в магнитное поле Н, электрического поля Ех, перпендикулярного Н и j. При этом напряжённость электрического поля, называемого ещё полем Холла, равна:

Ex = RHj sin a,                                       (1.1.1)

где a угол между векторами Н и j (a<180°).

Когда  H^j, то величина поля Холла Ех максимальна: Ex = RHj. Величина R, называемая коэффициентом Холла, является основной характеристикой  эффекта Холла. Эффект открыт Эдвином  Гербертом Холлом в 1879 в тонких пластинках золота. Для наблюдения эффекта Холла вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины b и толщины d, пропускается ток I = jbd (в соответствии с рисунком 1.1.1).

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1.1 – Эффект Холла в прямоугольной пластине

 

На этом рисунке магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла Vx:

Vx = Ехb = RHj/d,                                        (1.1.2)

Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Холла эффект относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.

[2]Простейшая теория Холла эффекта объясняет появление ЭДС Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф),   средняя   скорость которого (дрейфовая скорость) vдр¹0. Плотность тока в проводнике j = nevдр, где n — концентрация числа носителей, е — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует сила Лоренца: F = eHvдp, под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном vдр и Н. В результате в обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле (поле Холла). В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесия eEx = еНvдр, Ex = Hj/ne, отсюда R = 1/ne (cмз/Кл). Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов, у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n»1022См-3), R~10-3(см3/Кл), у полупроводников концентрация носителей значительно меньше и R~105 (см3/Кл). Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей заряда m = еt/m* и удельную электропроводность s = j/E = еnvлр/Е:

R=m/s,                                              (1.1.3)

где m*— эффективная масса носителей; t — среднее время между двумя последовательными соударениями с рассеивающими центрами.

Иногда при описании эффекта Холла вводят угол Холла j между током j и направлением суммарного поля Е: tgj= Ex/E=Wt, где W — циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (Wt<<1) угол Холла j»Wt, можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время t. Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для поликристалла), у которого m* и t их— постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости sэ и sд и концентрации электронов nэ и дырок nд:

ssss                   (1.1.4)

где (a) – для слабых полей, (б) – для сильных полей. При nэ = nд, = n для всей области магнитных полей :

ssss                                                      (1.1.5)

Знак R указывает на преобладающий тип проводимости.

Для металлов величина R зависит от зонной структуры и формы Ферми поверхности. В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях (Wt»1) коэффициент Холла изотропен, а выражения для R совпадают с формулой (1.1.4,б). Для открытых поверхностей Ферми коэффициент R анизотропен. Однако, если направление Н относительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение для R аналогично (1.1.4,б).[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ДАТЧИКИ НА СОНОВЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

 

          2.1 Интегральные датчики Холла

 

Датчики Холла являются основой многих типов датчиков, таких как датчики линейного или углового перемещения, датчики магнитного поля, датчики тока, датчики расхода и др.

Плюсы – удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. [2]

Интегральные датчики Холла производят такие фирмы, как Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Analog Devices и др. Первая группа интегральных датчиков Холла – это линейные устройства, применяющиеся в измерителях напряжённости магнитного поля. Как правило, эти устройства содержат схемы усиления сигнала датчика. Необходимая предварительная обработка сигнала обычно заключается в усилении и температурной компенсации. Может понадобиться также стабилизация питающего напряжения. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель. Современные технологии позволяют ввести в состав ИМС датчиков магнитного поля сложные цифровые системы обработки информации. Примером такой ИМС может служить HAL805 фирмы Micronas Intermetall, содержащий на кристалле в трёхвыводном корпусе ТО92 АЦП, ЦАП, ЦПС и энергонезависимую память. Это позволяет программировать чувствительность и смещение датчика, осуществлять фильтрацию помех и механических возмущений.

Вторая группа включает в себя микросхемы компараторного типа с логическими уровнями напряжения на выходе. Эта группа более многочисленна в силу большего числа возможных применений. Микросхемы с логическим выходом (в соответствии с рисунком 2.1.1а) делятся на две подгруппы: переключатели и триггеры. Униполярный переключатель срабатывает только при наличии магнитного поля одной полярности и гарантирует выключенное состояние в отсутствие магнитного поля; магнитное поле противоположной полярности не оказывает на него никакого влияния (в соответствии с рисунком 2.1.1б). Биполярный триггер, напротив, реагирует на обе полярности: включается при приближении северного или южного полюсов магнита и выключается только в том случае, если поле с противоположным знаком достигнет определенного уровня. Термин «биполярный переключатель» обычно применяется к триггерам, реагирующим на пропадание поля. Такие переключатели переходят во включённое состояние при наличии магнитного поля, а выключаются при снижении уровня той же полярности, отсутствии поля, или в присутствии поля с противоположным знаком (в соответствии с рисунком 2.1.1в).Наличие ступени гистерезиса, которая является разностью между величинами магнитного поля в точках включения и выключения, повышает помехозащищенность устройства.

Логический двухвыводной датчик Холла HAL556 производит фирма Micronas Intermetall. Эта микросхема (в соответствии с рисунком 2.1.2) потребляет большой ток при приближении положительного полюса магнита к маркированной стороне корпуса и малый ток при удалении. Микросхемы имеют встроенную систему, увеличивающую напряжение, приложенное непосредственно к кристаллу датчика Холла, с тем чтобы сделать возможным применение недорогих постоянных магнитов, имеющих сравнительно малую коэрцитивную силу. [4].

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1.1 – Логический датчик Холла

 

Рисунок 2.1.2 – Двухвыводной логический датчик HAL556 обеспечивает изменение протекающего через него тока при изменении уровня магнитного поля

 

 

 

 

 

 

 

 

                  2.2 Применение датчиков Холла

 

Ниже я привел некоторые наиболее популярные применения интегральных датчиков Холла.

 Линейные датчики Холла:

– датчики тока;

– приводы переменной частоты вращения;

– схемы управления и защиты электродвигателей;

– датчики положения;

– датчики расхода;

– бесколлекторные двигатели постоянного тока;

– бесконтактные потенциометры;

– датчики угла поворота;

– детекторы ферромагнитных тел;

– датчики вибрации;

– тахометры.

Логические датчики Холла:

– датчики частоты вращения;

– устройства синхронизации;

– датчики систем зажигания автомобилей;

– датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0,5 мм);

– счётчики импульсов (принтеры, электроприводы);

– датчики положения клапанов;

– блокировка дверей;

– бесколлекторные двигатели постоянного тока;

– измерители расхода;

– бесконтактные реле;

– детекторы приближения;

– считыватели магнитных карточек или ключей

 

2.3 Датчики тока

 

 

 

Рисунок 2.3.1 – Конструкции датчиков тока (а – с установкой около провода; б – с установкой в прорезь магнитопровода)

 

Линейные датчики Холла могут быть использованы в составе измерителей силы тока в пределах от 250 мА до тысяч ампер. Важнейшим достоинством таких датчиков, по-моему, является полное отсутствие электрической связи с измеряемой цепью. Линейные датчики позволяют измерять постоянные и переменные токи, в том числе токи довольно высокой частоты. Если линейный датчик Холла расположен вблизи проводника с током, то выходное напряжение датчика пропорционально индукции магнитного поля, окружающего проводник. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна току. В простейшем случае датчик тока представляет собой конструкцию, в которой датчик Холла устанавливается около провода, по которому течёт измеряемый ток (в соответствии с рисунком 2.3.1а). Такие датчики используются для измерения больших токов, особенно в линиях электропередач. Индукция  В определяется по формуле:

                                             (2.3.1)

где r – расстояние от центра чувствительной области датчика до оси симметрии проводника в метрах. Чувствительность датчика тока может быть значительно увеличена путём использования концентратора магнитного потока в виде магнитопровода с прорезью, в которую помещается линейный датчик Холла (в соответствии с рисунком 2.3.1б). В этом случае индукция магнитного потока через датчик [5]

                                          (2.3.2)

 

Основные преимущества – отсутствие потерь проводимости и возможность измерения как постоянного, так и переменного тока. Недостатки – необходимость внешнего питания. [3]