Использование эффекта Холла в датчиках

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Бесколлекторные двигатели постоянного тока

 

Бесколлекторные двигатели постоянного тока отличаются от обычных двигателей постоянного тока, имеющих коллекторно-щеточный узел, прежде всего тем, что коммутация секций якорной обмотки осуществляется электронной схемой, а не механическими скользящими контактами. Поэтому такие двигатели имеют гораздо большие надежность и ресурс, требуют меньше обслуживания, почти не создают электромагнитных помех и могут использоваться при пониженном атмосферном давлении. Рисунок 2.4.1 иллюстрирует, как может быть получена информация о положении ротора для управления электронным коммутатором с помощью трех датчиков Холла. [6]

 

Рисунок 2.4.1 – Датчики положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока

 

Работа двигателя этого типа основана на принципе самосинхронизации. Необходимую для работы датчиков Холла конфигурацию магнитного поля создают постоянные магниты, установленные на валу ротора. Датчики считывают угловую позицию вала и передают эту информацию схеме управления, которая обеспечивает своевременное отпирание и запирание силовых ключей электронного коммутатора обмоток статора. Подобные датчики положения ротора используются в системах векторного управления двигателями переменного тока. [4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2.5 Линейный датчик обратной связи по положению

 

 

 

Рисунок 2.5.1 – Позиционный привод с датчиком Холла в обратной связи по положению

 

Линейные датчики Холла могут быть использованы во многих видах позиционных приводов. Это проиллюстрировано на рисунке 2.5.1, где положение перемещаемой части, на которой закреплен магнит, устанавливается автоматически таким образом, чтобы разность между сигналом регулировки положения и сигналом датчика равнялась нулю. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Расходомер

 

Существуют различные методы измерения расхода с использованием цифровых датчиков Холла, но принцип у них, как правило, общий: каждое изменение магнитного потока через датчик соответствует некоторой порции жидкости или газа, прошедшей через трубопровод. В примере (в соответствии с рисунком 2.6.1) магнитное поле создаётся постоянными магнитами, установленными на лопастях рабочего колеса.

 

Рисунок 2.6.1 – Датчик расхода

 

Рабочее колесо вращается потоком воды. Датчик выдаёт два импульса за оборот колеса.[6,7].

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7 Магнитные датчики

 

Эффект Холла можно использовать для измерения магнитного поля, но я считаю, что более общим приложением является контроль перемещения, где имеется неподвижный датчик Холла и маленький магнит, прикрепленный к движущейся части, перемещение которой необходимо определить, например, в распределительном устройстве. Датчик Холла заменяет кулачки распределительного устройства и его электрические контакты, что в существенной мере увеличивает надежность этого устройства (ликвидируются: влияние износа кулачков распределительного устройства, искрение и загрязнение его контактов). Поскольку VH пропорционально магнитному полю, а не скорости изменения магнитного поля, как в случае индукционных датчиков, датчики Холла являются более надежными устройствами при низких скоростях перемещения по сравнению с индукционными. [8]

С помощью датчика Холла можно сделать простое устройство измерения скорости вращения, включающего в себя датчик, усилительный каскад и компаратор (в соответствии с рисунком 2.7.1). Эта цепь предназначена для определения скорости вращения применительно к автомобилю. Датчик реагирует на малое изменение магнитного поля, а компаратор имеет встроенный гистерезис для предотвращения осцилляции. Эти устройства широко распространены и выпускаются многими компаниями.

 

Рисунок 2.7.1 – Датчик Холла, используемый в качестве датчика вращения

 

Существует множество других приложений особенно в автомобилестроении, связанных с измерением перемещения заслонок, педалей, подвески и для измерения положения клапанов. AD22151 является линейным датчиком магнитного поля, выходное напряжение которого пропорционально магнитному полю, приложенному перпендикулярно к верхней части его корпуса (в соответствии с рисунком 2.7.2). Для минимизации температурных дрейфов характеристик ячейки Холла, объемный элемент Холла и нормирующая электроника объединены в одном кристалле ИС AD22151.

Данная архитектура обладает достаточной универсальностью и для различных приложений требуется минимальное количество внешних компонентов. Основные характеристики ИС включают в себя компенсацию динамического дрейфа смещения путем использования операционного усилителя стабилизированного прерыванием и встроенного датчика температуры. Устройство предназначено для работы с однополярным питанием + 5 В, имеет низкое смещение и малый температурный дрейф и допускает эксплуатацию в диапазоне температур - 40°С до 150°С. Температурная компенсация (устанавливаемая внешним резистором R1) может адаптировать ряд магнитных материалов, употребляемых обычно в позиционных датчиках. Диапазон выходных напряжений и усиление можно с легкостью изменять с помощью внешних резисторов. Типовой диапазон усиления составляет от 2 мВ/Гаусс до 6 мВ/Гаусс. Диапазон выходного напряжения можно настраивать на измерение как биполярного (переменного) магнитного поля так и униполярного. Выходное напряжение имеет динамический диапазон приблизительно (+0.5 В до +4.5 В) и может управлять индуктивной нагрузкой током до 1 мА. Во всех конфигурациях выходной сигнал образуется от положительной шины источника питания. [4,5]

 

Рисунок 2.7.2 – Датчик магнитного поля с линейным выходом

 

                            (2.7.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.8 Измерение электросопротивления

 

Перельман запатентовал схему прибора на датчиках Холла, применяемого для измерения активного сопротивления, активной проводимости, реактивного сопротивления и реактивной проводимости. В соответствии с рисунком 2.8.1а , два датчика Холла 1 и 2 помещаются в зазоре дросселя 3. Через датчик Холла 1 течет ток Ix1, пропорциональный току, текущему через измеряемое сопротивление токоприемника 4, а через датчик Холла 2 течет ток Ix2, пропорциональный напряжению U на токоприемнике 4.

1,2 –датчики Холла; 3 –  дроссель; 4 – приемник; 5 – резистор; 6 – гальванометр

Рисунок 2.8.1 – Схемы для измерения активных и реактивных сопротивлений и проводимостей.(1,2 –датчики Холла; 3 – дроссель; 4 – приемник; 5 – резистор; 6 – гальванометр)

Датчик Холла 1 работает при этом как квадратичный детектор тока (или напряжения), а датчик Холла 2 – как измеритель активной мощности (или пассивной). При измерении активного сопротивления (или активной проводимости) токоприемника 4 постоянные составляющие напряжения Холла обоих датчиков Холла уравновешиваются с помощью резистора 5. Зная величину активного сопротивления этого резистора, определенную при нулевом показании гальванометра, находим искомую величину активного сопротивления (или активной проводимости).

Измерение реактивного сопротивления или реактивной проводимости токоприемника 4 производится аналогично, только вместо резистора используют регулируемую реактивность. Такие же измерения можно провести, используя один датчик Холла (в соответствии с рисунком 2.8.1б). Отсутствие технической разработки этой схемы не дает возможности оценить её с точки зрения точности и других свойств. [9,10]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.9 Измерение угла поворота

Если в однородном магнитном поле датчик Холла вращается вокруг своей продольной оси, то напряжение Холла является правильной синусоидой. Ввиду трудностей подключения проводов к электродам движущегося датчика выгоднее, чтобы вращалось поле, а датчик Холла был неподвижен. Для усиления этого эффекта лучше, если основная часть магнитопровода состоит из железа (в соответствии с рисунком 2.9.1).

 

Рисунок 2.9.1 – Прибор для измерения угла поворота

 

Если вращающаяся часть в виде намагниченного в радиальном направлении вала N–S повернется на угол α, то в датчиках Холла X1 и X2 индуцируется напряжение UH1=UHsinα и UH2=UHcosα. Датчики Холла радиально установлены в зазорах наружного магнитного ярма и смешаны относительно друг друга на угол 900. Остальные два зазора сделаны для устранения асимметрии цепи. Модель прибора, диаметр которого составляет немногим больше 3 см, выполнена на германиевых датчиках Холла польского производства. Отсчет угла производится с точностью до 0,10. Модель может служить, так же как генератор функции синус–косинус, для передачи угла на расстояние в сельсин–приборах, а также как преобразователь механических угловых перемещений в электрические величины. Эта третья характерная особенность ввиду малых размеров устройства может, например, служить для преобразования в электрические величины показаний приборов давления, температуры и т.п., работающих на других принципах. К главным достоинствам этого типа преобразователей относятся: маленькие размеры и, прежде всего, бесконтактная передача информации. [6,8].

 

              3.  Практическая часть

 

В практической части я решил продемонстрировать работу датчика холла с помощью энкодера, аппаратно-программного средства для построения простых систем автоматики Arduino и обычного жесткого диска.

Суть эксперимента состоит в том, чтобы определить в какую сторону двигается диск и сколько оборотов он сделает за время от начала движения до полной остановки.

Обратимся к теоретической части.

Датчики Холла используются в качестве бесконтактных выключателей, как замена герконам, для бесконтактных замеров тока в проводниках, управления моторами, чтения магнитных кодов, измерения уровня жидкости (магнитный поплавок) и т.д. [1]

Биполярные датчики Холла включаются полем одной полярности, а выключаются полем противоположной полярности. (Именно этим свойством я и воспользуюсь в данном эксперименте).

Энкодер - «преобразователь угол-код», или сокращённо ПУК. 
Позволяет перевести угол поворота в некий код. Абсолютные энкодеры выдают непосредственно угол, абсолютное положение, тогда как инкрементальный — определённое число щелчков на оборот и направление.[3]

  Имея два цифровых биполярных Датчиков Холла (ДХ), я сделал бесконтактный магнитный энкодер. Принцип прост: на вращающийся диск прикрепим два магнита, находящихся неподалеку друг от друга, разными полюсами вверх (для униполярных Датчиков Холла (ДХ) хватит одного), а над ними размещаем цифровые ДХ и снимаем показания.

Конечная установка показана на рисунках 3.0.0 и 3.0.1

 

 

 

Рисунок 3.0.0 – Конечная установка.

Рисунок 3.0.1 – Конечная установка в близи.

Я разобрал старый нерабочий жёсткий диск и установил на его пластину два магнита от системы позиционирования головки CD-ROM-а на расстоянии ~5 мм друг от друга, а датчики разместил на креплении над пластиной, на расстоянии ~15 мм друг от друга.

Для работы данной установки, я написал программу и ввел ее через специальное программное обеспечение для ПК в аппаратно-программное средство для построения простых систем автоматики Arduino.

#include <LiquidCrystal.h> 
LiquidCrystal lcd(13, 12, 11, 10, 9, 8); 
/* Пины, к которым подключен энкодер */ 
enum { ENC_PIN1 = 2, ENC_PIN2 = 3 }; 
enum { FORWARD = 1, BACKWARD = -1 }; 
/* Если что, revolutions здесь и далее - обороты, а не революции (: */ 
long revolutions = 0, revolutions_at_last_display = 0; 
int direction = FORWARD; 
uint8_t previous_code = 0; 
/* Реакция на событие поворота */ 
void turned(int new_direction) 
{ 
  if (new_direction != direction) 
  { 
    revolutions = 0; 
    revolutions_at_last_display = 0; 
  } 
  else 
    ++revolutions; 
  direction = new_direction; 
} 
/* Объеденил чтение кода Грея с энкодера с его декодированием */ 
uint8_t readEncoder(uint8_t pin1, uint8_t pin2) 
{ 
  uint8_t gray_code = digitalRead(pin1) | (digitalRead(pin2) << 1), result = 0; 
  for (result = 0; gray_code; gray_code >>= 1) 
    result ^= gray_code; 
 
  return result; 
} 
void setup() 
{ 
  pinMode(ENC_PIN1, INPUT); 
  pinMode(ENC_PIN2, INPUT); 
  lcd.begin(8, 2); 
} 
void loop() 
{ 
  /* Читаем значение с энкодера */ 
  uint8_t code = readEncoder(ENC_PIN1, ENC_PIN2); 
  /* Обрабатываем его */ 
  if (code == 0) 
  { 
    if (previous_code == 3) 
      turned(FORWARD); 
    else if (previous_code == 1) 
      turned(BACKWARD); 
  } 
  previous_code = code; 
  /* Раз в секунду выводим накопленную информацию */ 
  static unsigned long millis_at_last_display = 0; 
  if (millis() - millis_at_last_display >= 1000) 
  { 
    /* Выводим на экран направление вращения */ 
    lcd.clear(); 
    lcd.print(direction == FORWARD ? ">> " : "<< "); 
    /* ... скорость вращения в оборотах в секунду */ 
    lcd.print(revolutions - revolutions_at_last_display); 
    lcd.print("/s"); 
    /* ... и общее число обротов в текущем направлении */ 
    lcd.setCursor(0, 1); 
    lcd.print(revolutions); 
    millis_at_last_display = millis(); 
    revolutions_at_last_display = revolutions; 
  } 
}

Запускаем программу, включаем установку, вращаем диск и видим на экране монитора следующую картину:

 

Рисунок 3.0.2 – Serial monitor

<< - поворот был осуществлен в левую сторону.

8-10s – за 10 секунд диск сделал 8 оборотов.

>> - поворот был осуществлен в правую сторону.

3-4s – за 4 секунды диск сделал 3 оборота.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной домашней работе я ознакомился с датчиками на основе эффекта Холла. Мною были рассмотрены их наиболее популярные применения. Так же я экспериментально продемонстрировал метод использования датчиков Холла.

Среди современных технических устройств и объектов, работа которых основана на взаимодействии с магнитным полем или в которых магнитное поле используется в качестве управляющей среды, за последнее десятилетие совершенствовались отдельные вопросы теории преобразователей магнитного поля, разрабатывались и внедрялись новые принципы их конструирования и технология производства. На мировом рынке появились принципиально новые приборы и устройства.

В результате получения микроэлектроники и интегральных магниточувствительных элементов (преобразователей магнитного поля) возникло новое научно-техническое направление – микромагнитоэлектроника. Развитие микромагнитоэлектроники 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.

 

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т. VIII. Электродинамика сплошных сред. / М., Наука – 1982.

2. В.Л. Бурковский, Ю.Н. Глотова, Д.А. Ефремов, А.В. Романов.

Физические явления и эффекты в технических системах.

3. Большая советская энциклопедия, том 28, третье издание. / М., издательство «Советская энциклопедия» – 1978. С.220.

4. Герасимов В. «Датчик Холла. Общее описание». НПФ «Электропривод» http://d.17-71.com/2010/02/11/datchik-xolla-obshhee-opisanie/ «Новости электроники»

5 И.В. Савельев. Курс общей физики, т. II. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / Учебное пособие. – 2-е издание, переработанное. / М., Наука, главная редакция физико-математической литературы – 1982.

6. Кобус А. Датчики Холла и магниторезисторы.1971. С. 348

7. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, 2005. С. 528