Що таке датчик ефекту Холла

Елемент ефекту Холла: Визначення та принцип

Визначення

Елемент ефекту Холла — це спеціалізований тип перетворювача, призначений для вимірювання магнітних полів. Оскільки безпосереднє вимірювання магнітного поля не є простим завданням, перетворювач ефекту Холла є цінним інструментом. Він працює, перетворюючи магнітне поле на електродвижущу силу (ЕДС), яка є електричною величиною, яку зручно можна виміряти за допомогою аналогових та цифрових вольтметрів. Це перетворення дозволяє кількісно оцінити і аналізувати сили та характеристики магнітного поля у різних застосуваннях.

Принцип перетворювача ефекту Холла

Основний принцип перетворювача ефекту Холла базується на цікавому фізичному явищі. Коли стрічку провідника, по якій проходить струм, розташовують в поперечному магнітному полі, то по краях провідника виникає електродвижуча сила (ЕДС). Амплітуда згенерованого напруги прямо пропорційна густині магнітного потоку, що проходить через провідник. Ця унікальна властивість провідників, коли наявність магнітного поля та електричний струм взаємодіють, щоб створити вимірну напругу, відома як ефект Холла.

Як метали, так і напівпровідники демонструють ефект Холла, причому сила та поведінка цього ефекту залежать від густини та рухливості їх електронів. Для кращого розуміння цього принципу розгляньте елемент ефекту Холла, зображений на малюнку нижче. У цьому встановленні електричний струм подається через з'єднання 1 і 2, а вихідна напруга вимірюється між з'єднаннями 3 і 4. Коли до стрічки провідника не застосовується магнітне поле, з'єднання 3 і 4 знаходяться на однаковому електричному потенціалі.

Коли до стрічки застосовується магнітне поле, вихідна напруга генерується між вихідними з'єднаннями 3 і 4. Ця викликана напруга прямо пропорційна сили магнітного поля. Математично, співвідношення можна описати наступною формулою для вихідної напруги VH:

I — це струм у амперах, а B — це густина потоку в Вб/м²

Перетворювач ефекту Холла: Вимірювальні можливості та застосування

Вимірювальні можливості

Струм, що протікає через провідник, та сила магнітного поля можуть бути визначені шляхом аналізу вихідних напруг перетворювача ефекту Холла. Однак, у провідників електродвижуча сила (ЕДС), згенерована ефектом Холла, зазвичай дуже мала, що створює проблеми для точного вимірювання. Напівпровідники, такі як германій, виробляють відносно більшу ЕДС. Цей більший сигнал можна легко виміряти за допомогою інструментів з рухомими катушками, що робить напівпровідники більш практичними для багатьох застосувань на основі ефекту Холла.

Застосування перетворювачів ефекту Холла

Перетворювач ефекту Холла широко використовується в різних галузях завдяки своїй унікальній здатності перетворювати магнітні явища на електричні сигнали. Деякі з ключових застосувань наступні:

1. Перетворення магнітного поля на електричний сигнал

Одним з основних застосувань елемента ефекту Холла є перетворення магнітного потоку на електричний сигнал. Для вимірювання магнітних полів напівпровідниковий матеріал розташовують в магнітному полі, що вивчається. В результаті відбувається напруга по краях напівпровідникових стрічок. Ця напруга прямо пропорційна густині магнітного поля, що дозволяє кількісно оцінити силу магнітного поля.

Перетворювачі ефекту Холла мають ряд переваг. Вони займають мінімальний простір, що робить їх придатними для компактних конструкцій. Крім того, вони надають неперервний електричний сигнал, який точно відображає силу магнітного поля. Однак, в них є значна обмеження: висока чутливість до температурних варіацій. Ця чутливість означає, що часто необхідна калібрування для кожного окремого вимірювального сценарію, щоб забезпечити точні та надійні результати.

2. Вимірювання переміщення

Елементи ефекту Холла також використовуються для вимірювання переміщення конструктивних елементів. Наприклад, розглянемо феромагнітну конструкцію, інтегровану з постійним магнітом.

У застосуваннях для вимірювання переміщення, перетворювач ефекту Холла розташовується між полюсами постійного магніту. Коли змінюється положення феромагнітного компонента в рамках цієї установки магнітного поля, це змінює силу магнітного поля, яке діє на елемент ефекту Холла. Ця зміна сили магнітного поля потім перетворюється на відповідну зміну вихідної напруги перетворювача, що дозволяє точно виміряти переміщення феромагнітної конструкції. Цей невтручальний метод надає надійний спосіб моніторингу руху механічних частин в різних системах, таких як промислове обладнання або роботизовані руки.

3. Вимірювання струму

Перетворювач ефекту Холла надає дуже зручний і безпечний спосіб вимірювання електричного струму, оскільки дозволяє вимірювати струм без потреби будь-якого безпосереднього фізичного з'єднання між провідником і вимірювальним приладом. Чоловіч струм (AC) або постійний струм (DC), коли вони застосовуються до провідника, генерують магнітне поле навколо провідника. Сила цього магнітного поля прямо пропорційна величині застосованого струму. Це магнітне поле, в свою чергу, викликає електродвижучу силу (ЕДС) по стрічках перетворювача ефекту Холла. Величина цієї викликаної ЕДС залежить від сили магнітного поля, яке пов'язане зі струмом, що протікає через провідник. Вимірюючи цю викликану ЕДС, можна точно визначити значення струму, що робить перетворювачі ефекту Холла ідеальними для виявлення струму в широкому діапазоні електричних систем, від мереж розподілу електроенергії до електронних пристроїв.

4. Вимірювання потужності

Перетворювачі ефекту Холла також використовуються для вимірювання потужності електричного провідника. Коли через провідник проходить струм, він генерує магнітне поле, інтенсивність якого прямо корелює з величиною струму. Це магнітне поле викликає напругу по стрічках перетворювача ефекту Холла. З використанням множильного контуру разом з перетворювачем, вихідна напруга множильного контуру може бути зроблена пропорційною до потужності, що розряджується в провіднику. Цей підхід дозволяє ефективно та точно вимірювати електричну потужність в різних застосуваннях, включаючи електричні системи живлення, де моніторинг споживання та потоку енергії є важливим для управління енергією та оптимізації системи.