چه چیزی است ترانسدوسر افکت هال؟

عنصر اثر هال: تعریف و اصل کار

تعریف

عنصر اثر هال یک نوع خاص از ترانسدیوسر است که برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی طراحی شده است. چون اندازه‌گیری مستقیم یک میدان مغناطیسی آسان نیست، ترانسدیوسر اثر هال به عنوان یک ابزار با ارزش عمل می‌کند. این دستگاه با تبدیل میدان مغناطیسی به یک نیرو الکتروموتوری (emf)، کمیتی الکتریکی که می‌توان به راحتی با استفاده از دستگاه‌های سنجش آنالوگ و دیجیتال اندازه‌گیری کرد، کار می‌کند. این تبدیل امکان کمی‌سازی و تحلیل قدرت و مشخصات میدان مغناطیسی را در کاربردهای مختلف فراهم می‌کند.

اصل کار ترانسدیوسر اثر هال

اصل کار ترانسدیوسر اثر هال بر پایه یک پدیده فیزیکی جذاب است. وقتی یک نوار رسانا حامل جریان در یک میدان مغناطیسی عرضی قرار می‌گیرد، یک نیرو الکتروموتوری (EMF) در لبه‌های رسانا القاء می‌شود. مقدار ولتاژ تولید شده مستقیماً متناسب با چگالی شار مغناطیسی عبوری از رسانا است. این ویژگی منحصر به فرد رساناها، که در آن حضور یک میدان مغناطیسی و یک جریان الکتریکی با یکدیگر تعامل دارند تا یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری تولید کنند، به عنوان اثر هال شناخته می‌شود.

هر دو فلزات و نیمه‌رساناها اثر هال را نشان می‌دهند، با قدرت و رفتار این اثر که بستگی به چگالی و حرکت‌پذیری الکترون‌های آنها دارد. برای درک بهتر این اصل، به عنصر اثر هال در شکل زیر توجه کنید. در این تنظیم، یک جریان الکتریکی از طریق سیم‌های 1 و 2 تامین می‌شود، در حالی که ولتاژ خروجی از طریق سیم‌های 3 و 4 اندازه‌گیری می‌شود. وقتی هیچ میدان مغناطیسی به نوار رسانا اعمال نمی‌شود، سیم‌های 3 و 4 در یک پتانسیل الکتریکی یکسان هستند.

وقتی یک میدان مغناطیسی به نوار اعمال می‌شود، یک ولتاژ خروجی در سیم‌های خروجی 3 و 4 تولید می‌شود. این ولتاژ القاء شده مستقیماً متناسب با قدرت میدان مغناطیسی است. ریاضیاً، این رابطه می‌تواند با فرمول زیر برای ولتاژ خروجی VH توصیف شود:

I جریان در آمپر و B چگالی شار در Wb/m2 است

ترانسدیوسر اثر هال: توانایی‌های سنجش و کاربردها

توانایی‌های سنجش

هر دو جریان عبوری از رسانا و قدرت میدان مغناطیسی می‌توانند با تجزیه و تحلیل ولتاژ‌های خروجی یک ترانسدیوسر اثر هال تعیین شوند. با این حال، در رساناها، نیرو الکتروموتوری (EMF) تولید شده توسط اثر هال معمولاً بسیار کوچک است که چالشی برای اندازه‌گیری دقیق می‌باشد. در مقابل، نیمه‌رساناها مانند جرمیوم یک EMF نسبتاً بزرگ‌تر تولید می‌کنند. این سیگنال بزرگ‌تر می‌تواند به راحتی با استفاده از دستگاه‌های مداری متحرک اندازه‌گیری شود، که نیمه‌رساناها را برای بسیاری از کاربردهای مبتنی بر اثر هال عملی‌تر می‌کند.

کاربردهای ترانسدیوسر اثر هال

ترانسدیوسر اثر هال به دلیل توانایی منحصر به فرد خود در تبدیل پدیده‌های مغناطیسی به سیگنال‌های الکتریکی در زمینه‌های مختلف مورد استفاده گسترده قرار می‌گیرد. برخی از کاربردهای اصلی آن به شرح زیر است:

1. تبدیل مغناطیسی به الکتریکی

یکی از کاربردهای اصلی عنصر اثر هال تبدیل شار مغناطیسی به یک سیگنال الکتریکی است. برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی، یک ماده نیمه‌رسانا در میدان مغناطیسی مورد نظر قرار می‌گیرد. به عنوان نتیجه، یک ولتاژ در دو انتهای نوارهای نیمه‌رسانا تولید می‌شود. این ولتاژ مستقیماً متناسب با چگالی میدان مغناطیسی است که امکان کمی‌سازی قدرت میدان مغناطیسی را فراهم می‌کند.

ترانسدیوسرهای اثر هال مزایای متعددی دارند. آنها فضای کمی نیاز دارند که آنها را برای طراحی‌های فشرده مناسب می‌کند. علاوه بر این، آنها یک سیگنال الکتریکی مداوم ارائه می‌دهند که به صورت دقیق قدرت میدان مغناطیسی را منعکس می‌کند. با این حال، آنها همچنین یک محدودیت قابل توجه دارند: حساسیت بالا به تغییرات دما. این حساسیت به این معناست که برای هر سناریوی اندازه‌گیری جداگانه کالیبراسیون اغلب ضروری است تا نتایج دقیق و قابل اعتمادی به دست آید.

2. اندازه‌گیری جابجایی

عناصر اثر هال همچنین برای اندازه‌گیری جابجایی اجزای ساختاری استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، یک ساختار فرومغناطیسی که با یک مغناطیس دائمی یکپارچه شده است را در نظر بگیرید.

در کاربردهای اندازه‌گیری جابجایی، یک ترانسدیوسر اثر هال بین قطب‌های یک مغناطیس دائمی قرار می‌گیرد. وقتی موقعیت یک مؤلفه فرومغناطیسی در این تنظیم میدان مغناطیسی تغییر می‌کند، چگالی میدان مغناطیسی تجربه شده توسط عنصر اثر هال تغییر می‌کند. این تغییر در چگالی میدان مغناطیسی سپس به تغییر متناظر در ولتاژ خروجی ترانسدیوسر تبدیل می‌شود که امکان اندازه‌گیری دقیق جابجایی ساختار فرومغناطیسی را فراهم می‌کند. این روش غیرتهاجمی روشی مطمئن برای نظارت بر حرکت قطعات مکانیکی در سیستم‌های مختلف مانند ماشین‌آلات صنعتی یا بازوی رباتیک است.

3. اندازه‌گیری جریان

ترانسدیوسر اثر هال روشی بسیار راحت و ایمن برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی ارائه می‌دهد، چون این دستگاه امکان اندازه‌گیری جریان بدون نیاز به هیچ اتصال فیزیکی مستقیم بین مدار رسانا و دستگاه سنجش را فراهم می‌کند. چه جریان متناوب (AC) یا مستقیم (DC) باشد، وقتی به یک رسانا اعمال می‌شود، یک میدان مغناطیسی حول رسانا تولید می‌کند. قدرت این میدان مغناطیسی مستقیماً متناسب با مقدار جریان اعمال شده است. این میدان مغناطیسی، به نوبه خود، یک نیرو الکتروموتوری (emf) در نوارهای ترانسدیوسر اثر هال القاء می‌کند. مقدار این emf القاء شده بستگی به قدرت میدان مغناطیسی دارد که مرتبط با جریان عبوری از رسانا است. با اندازه‌گیری این emf القاء شده، مقدار جریان می‌تواند به صورت دقیق تعیین شود، که ترانسدیوسرهای اثر هال را برای تشخیص جریان در محدوده گسترده‌ای از سیستم‌های الکتریکی، از شبکه‌های توزیع برق تا دستگاه‌های الکترونیکی، مناسب می‌کند.

4. اندازه‌گیری توان

ترانسدیوسرهای اثر هال همچنین برای اندازه‌گیری توان یک رسانا استفاده می‌شوند. وقتی یک جریان از طریق رسانا عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که شدت آن مستقیماً مرتبط با مقدار جریان است. این میدان مغناطیسی سپس یک ولتاژ در نوارهای ترانسدیوسر اثر هال القاء می‌کند. با استفاده از یک مدار ضرب‌کننده در کنار ترانسدیوسر، می‌توان ولتاژ خروجی ضرب‌کننده را متناسب با توان مصرفی در رسانا کرد. این رویکرد امکان اندازه‌گیری موثر و دقیق توان الکتریکی را در کاربردهای مختلف، از جمله در سیستم‌های توان الکتریکی، که نظارت بر مصرف و جریان توان برای مدیریت انرژی و بهینه‌سازی سیستم حیاتی است، فراهم می‌کند.