Применение датчиков Холла
Определение положения является одним из наиболее важных применений датчиков Холла. Устройство на эффекте Холла определяет силу приложенного магнитного поля. Чтобы определить положение объекта, мы можем прикрепить к нему небольшой постоянный магнит. Когда объект перемещает магнит по отношению к устройству Холла, сила магнитного поля изменяется. Эти изменения могут быть обработаны системой для определения положения объекта.
Существует несколько различных конфигураций датчика и магнита, которые можно использовать в приложениях определения положения на основе эффекта Холла. В каждой конфигурации магнит перемещается по отношению к сенсору по-разному. Это влияет на магнитное поле, воспринимаемое устройством Холла, и изменяет характеристики системы. В этой статье мы рассмотрим некоторые из основных конфигураций, которые используются в определении положения на основе эффекта Холла, и обсудим их преимущества и недостатки.
Конфигурация «лицом к лицу»
Самая простая конфигурация – расположение датчика Холла и магнита лицом к лицу, как показано на следующем рисунке.
В данном случае южный полюс магнита перемещается прямо к датчику или от него. Когда магнит находится очень близко к датчику, большее количество магнитных линий потока проходит через чувствительную поверхность датчика. Однако по мере того, как южный полюс магнита удаляется от датчика, напряженность магнитного поля быстро уменьшается, как показано на рисунке (b). Обратите внимание, что кривую зависимости гауссов от расстояния иногда называют картой потока структуры. Плотность магнитного потока такой конфигурации обратно пропорциональна квадрату расстояния между магнитом и датчиком. Значения магнитного потока, приведенные на рисунке (b), могут быть получены с помощью магнита длиной примерно 30 мм и диаметром примерно 6 мм.
Конфигурация «лицом к лицу» может использоваться с цифровым (ВКЛ/ВЫКЛ) датчиком Холла для обнаружения присутствия объекта. Предположим, что магнитные точки срабатывания и отпускания датчика показаны на рисунке (b). Точка срабатывания магнитного поля указывает уровень усиления магнитного поля, при котором включается устройство Холла. Точка магнитного отпускания соответствует ослаблению магнитного поля, при котором устройство Холла выключается.
По мере приближения магнита к датчику напряженность магнитного поля становится все больше. На расстоянии около 3,1 мм измеренное магнитное поле равно точке срабатывания магнитного поля (около 620 Гаусс в нашем примере), которая включает датчик. Приближение магнита к датчику приводит к еще большему магнитному полю и сохраняет датчик включенным. Когда датчик удаляется от магнита, магнитное поле уменьшается. Однако, пока магнитное поле не меньше точки отпускания (около 420 Гаусс в нашем примере), датчик остается включенным. Только когда магнитное поле опускается ниже точки отпускания, устройство выключается. Таким образом мы можем обнаружить присутствие объекта.
У данной конфигурации имеются свои недостатки. Она менее точна, особенно с точки зрения расстояния, на котором датчик отключается. Это связано с тем, что наклон карты потока (кривая зависимости Гаусса от расстояния) меньше вокруг точки отпускания. Данное изменение значения точки магнитного отпускания может привести к относительно большому изменению значения расстояния, на котором датчик отключается. Такое же изменение магнитной точки срабатывания приводит к меньшему изменению расстояния. Это показано на следующем рисунке.
Предположим, что изменение точек срабатывания и отпускания от компонента к компоненту составляет ΔB для гипотетического датчика, как показано на приведенном рисунке. Поскольку кривая имеет больший наклон в точке срабатывания магнитного поля, Δd1 намного меньше, чем Δd2. Следовательно, расстояние, соответствующее точке срабатывания магнитного поля, будет более согласованным между разными платами. Другой недостаток заключается в том, что такое считывание не может использоваться для обнаружения больших диапазонов смещения, поскольку силовые линии магнитного поля очень быстро затухают. Кроме того, при данной конфигурации связь между воспринимаемым полем и расстоянием нелинейна. Это затрудняет обнаружение движения с большим ходом, когда требуется измерение линейного положения. Из-за этих ограничений конфигурация «лицом к лицу», как правило, используется в качестве средства определения приближения в приложениях, где требования к точности не очень высокие.
Униполярное скользящее измерение
В конфигурации, предполагающей скользящее перемещение, единственный полюс магнита перемещается в сторону мимо чувствительной поверхности датчика. Это показано на следующем рисунке (а).
Полюс магнита находится на постоянном перпендикулярном расстоянии (показано «воздушным зазором» на рисунке), когда он проходит мимо датчика. В центральном положении (расстояние = 0) измеренное магнитное поле максимально. По мере удаления магнита от датчика магнитное поле уменьшается. Поскольку магнитное поле, создаваемое магнитом, является симметричным, карта магнитного потока симметрична относительно начала координат, как показано на предыдущем рисунке (b). Пиковое значение карты потока изменяется со значением «воздушного зазора», как показано на следующем рисунке.
Конфигурация «лицом к лицу» и конфигурация со скользящим измерением – что лучше
Важно отметить, что выбор магнитной конфигурации зависит от типа обнаруживаемого движения. Каждая система может иметь свой набор механических ограничений и функций. Например, при конфигурации «лицом к лицу» объект не может пройти мимо датчика. Такое расположение подходит для приложений, в которых обнаруживаемый объект имеет определенное конечное положение, и мы заинтересованы в обнаружении наличия/отсутствия объекта в этой конечной точке. Например, конфигурация «лицом к лицу» может быть хорошим выбором для определения того, открыта или закрыта крышка смартфона. У конфигурации со скользящим перемещением ограничения нет, ее можно использовать независимо от того, проходит ли объект мимо датчика или нет.
Одна интересная особенность конфигурации со скользящим измерением – ее симметрия. Поскольку кривая зависимости Гаусса от расстояния для этой структуры симметрична относительно начала координат, точки срабатывания и отпускания не зависят от того, движемся ли мы к датчику или от него. Это может быть полезно при обнаружении отклонения от центральной линии.
Обратите внимание на то, что существуют и другие скользящие конфигурации, некоторые из которых не обеспечивают симметричный отклик.
© digitrode.ru