Czujniki Halla - pomiary pola magnetycznego i detekcja położenia obiektów

Pod względem liczby zastosowań z czujnikami Halla wygrywają chyba jedynie czujniki temperatury. W wielu aplikacjach komercyjnych i domowych czujniki Halla są niezastąpione. Znajdujemy je w czytnikach DVD, CD, w zautomatyzowanych zabawkach, telefonach komórkowych, elektronicznych kompasach, układach zapłonowych, przetwornikach obrotowych, pozycjonujących itp. Są w urządzeniach cywilnych, wojskowych, kosmicznych.

Trudno wyobrazić sobie układy sterowania procesami produkcyjnymi bez czujników Halla. Niektóre pomiary mogą być prowadzone także w oparciu o zupełnie inne podzespoły, ale w pewnej grupie zastosowań czujniki Halla okazują się najlepsze. Są też pomiary, których nie można wykonać innymi czujnikami. Wszechstronność tego elementu potwierdzają przykładowe zastosowania: pomiar natężenia prądu stałego, wyznaczanie położenia elementu, pomiar pola magnetycznego i wiele innych.

Zasada działania czujnika Halla

Rys. 1. Generowanie i pomiar napięcia Halla w stałym polu magnetycznym

Zjawisko Halla (efekt Halla) polega na powstawaniu napięcia w umieszczonym w polu magnetycznym materiale przewodzącym prąd elektryczny. Czujnik jest najczęściej wykonywany jako prostokątna płytka półprzewodnikowa stanowiąca "obszar aktywny", w którym generowane jest napięcie (rys. 1). Płytka ma wymiary l (długość), w (szerokość) i t (głębokość).

Jeżeli wektor strumienia pola magnetycznego jest prostopadły do powierzchni Halla, maksymalne napięcie Halla V_H jest równe iloczynowi czułości magnetycznej materiału, z którego jest wykonany czujnik γ_B i indukcji magnetycznej (gęstości strumienia pola magnetycznego) B:

V_H=γ_B·B

Jest to maksymalne napięcie mierzone na płytce Halla. Jeżeli powierzchnia płytki nie jest prostopadła do wektora strumienia pola magnetycznego, tworząc z nim kąt θ, wytwarzane napięcie Halla jest równe:

V_H=γ_BB×sinθ

Prąd o natężeniu I przepływa w kierunku długości płytki l od styku I_C(+) do I_C(-). Pole magnetyczne jest skierowane w osi z, czyli prostopadle do płaszczyzny płytki. Pole to oddziałuje na nośniki prądu (elektrony lub dziury) siłą Lorentza odpychającą je w kierunku krawędzi płytki. Na skutek tego, na krawędziach płytki gromadzi się pewien nadmiar ładunków, po jednej stronie dodatnich, po drugiej ujemnych, a w konsekwencji na stykach V_H(+) i V_H(-) powstaje napięcie Halla proporcjonalne do gęstości strumienia pola magnetycznego.

Konfiguracja urządzenia

Rys. 2. Typowa konfiguracja wewnętrzna generatora Halla

Na podstawie opisu zjawiska Halla można wnioskować, że kompletny element musi być wyposażony w dodatkowy osprzęt umożliwiający użytkowanie czujnika. Jest to źródło prądowe zapewniające przepływ prądu przez płytkę czujnika oraz woltomierz mierzący napięcie Halla pomiędzy stykami V_H(+) i V_H(-). W niektórych aplikacjach stosowany jest rezystor obciążający włączany na wyjściu czujnika zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 2.

W wielu przyrządach opartych na efekcie Halla konfiguracja taka stanowi integralną część systemu pomiarowego. Wyprowadzenia napięciowe VH(+) i VH(-) mogą być dołączane bezpośrednio do wysokoimpedancyjnego woltomierza w celu bezpośredniego odczytu napięcia, mogą też być łączone z innymi obwodami, takimi jak: wzmacniacze, układy kondycjonujące sygnał w celu dalszego przetwarzania. Można też stosować bardziej wyszukane systemy zawierające przetworniki analogowo-cyfrowe, wzmacniacze lock-in itp.

Czujniki do pomiaru pola magnetycznego

Rys. 3. Przykłady geometrii czujników Halla - poprzeczne i osiowe

Największym odbiorcą czujników Halla jest przemysł. Czujniki mierzą tu m.in. pole magnetyczne, położenie obiektów poruszających się ruchem posuwistym lub obrotowym.

W przemyśle często zachodzi potrzeba precyzyjnego, certyfikowanego pomiaru pola magnetycznego. Jest to problem, do rozwiązania którego idealnie nadają się czujniki oparte na efekcie Halla. Przykłady zastosowań to: sterowanie polem magnetycznym w procesach przemysłowych, sterowanie wiązką w procesach implantacji jonów, kontrola magnesów i materiałów magnetycznych, sporządzanie map pola magnetycznego, pomiary i detekcja prądu, monitorowanie pola magnetycznego itp. W zastosowaniach takich alternatywnym urządzeniem pomiarowym mógłby być gausometr, w praktyce jednak przyrząd ten przegrywa z czujnikami Halla z powodu ograniczeń technicznych, kosztów itp.

Użytkownik często chciałby mieć dokładną informację na temat pola magnetycznego w określonym miejscu, czy to w zadanej objętości, powierzchni czy szczelinie. W zależności od charakterystyki przestrzennej dobierane jest optymalne umieszczenie i orientacja czujnika, w czym pomagają spotykane konfiguracje: poprzeczna lub osiowa (rys. 3).

Czujniki poprzeczne mają kształt prostokątny, są cienkie, świetnie nadają się do pomiarów w szczelinach, na powierzchniach i w otwartej przestrzeni. Czujniki osiowe mają budowę cylindryczną i zasadniczo są przeznaczone do pomiarów średnic otworów, pola wewnątrz cewek, detekcji pola na powierzchni i ogólnych pomiarów pola magnetycznego.

Uwagi praktyczne

Czujniki wysokiej jakości zapewniają bardzo dużą dokładność i liniowość pomiarów, charakteryzują się niskim współczynnikiem temperaturowym. Sondy z czujnikami Halla przeznaczone do określonych pomiarów są bardzo dokładnie kalibrowane przez producentów, którzy oferują je wraz z odpowiednimi certyfikatami. Poniżej zamieszczono kilka ważnych uwag dotyczących użytkowania czujników Halla.

Dokładność. Konstruktor powinien rozważyć, jaka dokładność pomiaru będzie wymagana w danej aplikacji. W zakresie od 1,0 do 2,0% nie jest potrzebny układ kondycjonujący sygnał. Stosując układ mikroprocesorowy, można poprawić dokładność do poziomu 0,4%.

Kąt. Jak już było powiedziane, sygnał wyjściowy czujnika Halla zmienia się zgodnie z funkcją sinus kąta pomiędzy obszarem aktywnym sensora a wektorem pola magnetycznego. Największy sygnał występuje zatem wtedy, gdy płytka sensora jest prostopadła do tego wektora (sin90°=1) i minimalny (około zera), gdy linie pola układają się wzdłuż powierzchni czujnika. Producent kalibruje czujniki na maksymalny sygnał wyjściowy, w zastosowaniach praktycznych należy więc uwzględniać ewentualne błędy wynikające z kąta ustawienia czujnika względem wektora pola magnetycznego.

Temperatura. Czujniki Halla charakteryzują się dużym zakresem pomiarowym pól magnetycznych i temperatury pracy. Dostępne są elementy pracujące w temperaturze już od 1,5 K (-271°C) do 448 K (+175°C). Mierzą one pola w zakresie od 0,1 do 300 gausów (10^-5...0,03 T). Czujnik Halla jest charakteryzowany dwoma współczynnikami temperaturowymi.

Jeden, dotyczący czułości, opisuje procentowy błąd odczytu w funkcji zmian temperatury, drugi określa off set (położenie zera) również w funkcji temperatury. Zmiana offsetu ma szczególne znaczenie w pomiarach małych indukcji magnetycznych (poniżej 100 gausów). Konstruktor powinien sprawdzać, czy przewidziany do zastosowań czujnik będzie spełniał kryteria dokładności w zakładanym zakresie temperatury pracy urządzenia.

Ograniczenia dotyczące prądu czujnika. Projektant powinien zwracać uwagę na to, aby prąd płynący przez czujnik nigdy nie przekraczał dopuszczalnych natężeń określonych w specyfikacji. Należy też pamiętać, że parametry czujnika są określone dla ustalonego prądu.

Wszelkie odchyłki tego parametru od wartości katalogowej będą przyczyną niezgodnych ze specyfikacją wskazań czujnika. Jakkolwiek cechą charakterystyczną czujnika Halla jest to, że podwojenie natężenia prądu czujnika powoduje podwojenie napięcia wyjściowego. Zależność tę można wykorzystywać w praktyce, pamiętając, by nigdy nie przekroczyć prądu maksymalnego.

Jak już było wspomniane, w czujniku Halla jest zastosowana niskorezystancyjna płytka z czterema wyprowadzeniami. Obwody wyjściowe i wejściowe nie są izolowane pomiędzy sobą, należy więc unikać bezpośredniego łączenia poszczególnych wyprowadzeń zarówno od strony wejścia, jak i wyjścia. Warunek ten może być spełniany przez użycie izolowanego źródła prądowego lub wzmacniacza różnicowego na wyjściu.

Opcje montażu

Rys. 4. Techniki montażu czujników Halla: a) montaż tubowy i montaż w otworze czujników osiowych, b) montaż we wnęce czujników poprzecznych

W niektórych zastosowaniach stosowanie standardowej sondy nie jest ani praktyczne, ani pożądane. Czujnik jest wówczas mechanicznie montowany bezpośrednio w miejscu przeznaczenia, jednak nie będziemy dokładnie poruszać tego tematu w artykule. Należy jednak wspomnieć o kilku najważniejszych zaleceniach.

Wrażliwość na udary. Materiał, z którego jest wykonany czujnik Halla, jest bardzo kruchy i delikatny. Jest wrażliwy na działające na niego siły. Płytkę czujnika należy chronić przed kontaktem z innymi elementami, które mogą wywierać na nią bezpośredni nacisk. W wielu zastosowaniach czujnik jest zabezpieczany nieprzewodzącą ceramiczną płytką stykową.

Łączenie. Do mocowania czujnika Halla powinny być stosowane starannie wybierane kleje adhezyjne, które nie będą źródłem sił odkształcających płytkę. Jeżeli temperatura pracy czujnika nie różni się więcej niż o ±10°C w odniesieniu do temperatury pokojowej, można zalecać stosowanie 5-minutowych utwardzalnych klejów epoksydowych.

Umieszczanie miniaturowych elementów w szczelnych obudowach (potting) może być stosowane tylko w wyjątkowych przypadkach, np. w silnie korozyjnych warunkach otoczenia. Metody łączenia dotyczą nie tylko samego czujnika, ale też jego wyprowadzeń. Dopuszczalne jest klejenie przewodów do podłoża montażowego.

Otwory montażowe. Technika montażu czujników Halla z zastosowaniem otworów montażowych jest dopuszczalna, przy czym należy dbać o to, by wierzchołek elementu był umieszczony poniżej powierzchni dla zabezpieczenia przed ściskaniem lub ścieraniem.

Montaż tubowy. Typ montażu przedstawiony na rysunku 4a może być również stosowany do zabezpieczania osiowych czujników Halla.

Jeśli przewidywany jest niestandardowy montaż czujników, zalecane jest wybieranie elementów o najsolidniejszej budowie, a więc produkowanych w obudowach ceramicznych lub fenolowych.

Zintegrowane czujniki zbliżeniowe i obrotowe

Czujniki Halla przystosowano do wykrywania zbliżania się do siebie poruszających się obiektów, na zasadzie reakcji na zmieniające się pole magnetyczne. Przykładowo, czujnik reaguje na przechodzący nad powierzchnią czynną magnes. Napięcie na wyjściu czujnika zmienia się odpowiednio do ruchu magnesu. Dołączony układ interfejsowy wzmacnia napięcie Halla i przekształca je w sygnał elektryczny kompatybilny ze standardami cyfrowymi.

Działające na tej zasadzie czujniki są wykorzystywane do wykrywania położenia kątowego, wyznaczania prędkości ruchu obrotowego i posuwistego w cyklicznie zmieniających się położeniach obiektu. Przykładem może być pomiar prędkości obrotowej wału silnika. W praktyce na wał jest naklejany element magnetyczny a czujnik Halla zostaje umieszczony stacjonarnie w odpowiedniej odległości od osi. Podobnie wygląda pomiar np. kąta obrotu wału korbowego.

Należy dodać, że ważnym elementem systemu pomiarowego jest w tych przykładach odpowiedni układ elektroniczny, który oblicza wartości mierzonych parametrów na podstawie zliczanych impulsów, które są wytwarzane przez czujnik Halla. Element ten pełni więc w tych przykładach funkcję przełącznika dwustanowego przyjmującego stan wyjściowy w zależności od otaczającego go pola magnetycznego. Czujnik Halla w połączeniu z cewką z prądem może być też wykorzystywany np. w układach zabezpieczeń przeciążeniowych.

Praca jako przełącznik

Rys. 5. Uproszczony schemat zintegrowanego czujnika Halla

Czujniki Halla są często wykorzystywane jako przełączniki. W zastosowaniach takich są wyróżniane trzy tryby:

Tryb bipolarny. Do przełączania stanów czujnika wymagane jest odpowiednio silne pole magnetyczne o biegunowości północnej i południowej. Po wystąpieniu takiego pola element zmienia stan i pozostaje w nim aż do pojawienia się pola o biegunowości przeciwnej. Z uwagi na zatrzaskiwanie stanu, tak działający czujnik jest zaliczany do przełączników typu latch.

Tryb unipolarny dodatni. Przełącznik tego typu zmienia stan (na niski lub na wysoki) wyłącznie na skutek oddziaływania odpowiednio silnego pola magnetycznego o ustalonej (dodatniej) biegunowości. Powrót do stanu wyjściowego następuje zazwyczaj po zaniku tego pola (ogólnie po osiągnięciu wartości minimalnej).

Tryb unipolarny ujemny. Przełącznik tego typu zmienia stan (na wysoki lub na niski) wyłącznie na skutek oddziaływania odpowiednio silnego pola magnetycznego o ustalonej (ujemnej) biegunowości. Powrót do stanu wyjściowego następuje zazwyczaj po zaniku tego pola (ogólnie po osiągnięciu wartości minimalnej).

Rys. 6. Typowe obudowy czujników Halla

Stan przełącznika jest określony przez pole magnetyczne otaczające płytkę czujnika. Sygnał z czujnika jest wykrywany i wzmacniany tak, aby mógł sterować elementami przełączającymi ustalającymi napięcie wyjściowe. W ten sposób wraz z rezystorami podciągającymi zapewniona jest kompatybilność ze standardami układów cyfrowych - CMOS, TTL itp. Tak wykonane, zintegrowane czujniki Halla (rys. 5) w masowej produkcji są tanie i łatwo dostępne.

Występujące w ofertach czujniki Halla są dostępne w obudowach przeznaczonych do montażu powierzchniowego oraz przewlekanego (rys. 6). Kierunek linii pola magnetycznego względem obudowy zapewniający maksymalną czułość elementu jest podawany przez producenta w specyfikacji technicznej.

Stosując czujniki Halla we własnych aplikacjach, warto pamiętać o kilku zaleceniach:

1. Dobierać czujniki o czułościach odpowiednich do wymogów aplikacji. Do detekcji położenia (kątowej lub liniowej) wybierać czujniki zbliżeniowe.
2. Znać ważne parametry czujnika: robocze natężenie pola magnetycznego (indukcji magnetycznej), typ pola AC lub DC, częstotliwość pracy, zakres temperatury, wpływ szumu zewnętrznego (magnetycznego lub elektrycznego).
3. Wybierać obudowy o możliwie najlepszych parametrach mechanicznych dla danej aplikacji.
4. Dobierać magnes stały dla danego czujnika Halla, konsultując się ze sprzedawcą.

Jarosław Doliński