Sustav mjerenja Hallovog efekta

Xiamen Dexing Magnet Tech. Co, Ltd.

Dexing Magnet veliko je poduzeće s izvrsnom kvalitetom i savršenom uslugom u međunarodnoj industriji magnetometara i strojeva.

Zašto odabrati nas

Profesionalni tim

Ima skupinu iskusnih tehničara i menadžera u magnetometarskoj i magnetskoj industriji.

Izvrsna kvaliteta

Uveo je napredne tehnologije iz Japana i Europe, surađivao s domaćim sveučilištima i znanstveno-istraživačkim institutima te može proizvoditi kompletne setove magnetoelektrične opreme.

Dobra usluga

Nudimo sveobuhvatno rješenje za prilagodbu, prilagođeno specifičnim potrebama i zahtjevima naših klijenata.

Rješenje na jednom mjestu

Pružanje tehničke podrške, rješavanje problema i usluge održavanja.

Što je mjerni sustav Hallovog efekta?

Hallov učinak je pojava koja stvara razliku napona (Hallov napon) na električnom vodiču, poprečno na električnu struju u vodiču i na primijenjeno magnetsko polje okomito na struju.

Razumijevanje i primjena Hallovog efekta

Hallov efekt otkrio je Edwin Hall 1879. godine, no prošlo je mnogo godina prije nego što je tehnološki razvoj omogućio integriranim krugovima da u potpunosti iskoriste ovaj fenomen. Danas IC-ovi senzora s Hallovim efektom nude prikladan način za postizanje točnih mjerenja struje koja održava električnu izolaciju između staze izmjerene struje i mjernog kruga.

Od Lorentza do Halla
Hallov efekt je produžetak Lorentzove sile, koja opisuje silu koja djeluje na nabijenu česticu - kao što je elektron - koja se kreće kroz magnetsko polje. Ako je magnetsko polje orijentirano okomito na smjer gibanja elektrona, na elektron djeluje sila koja je okomita i na smjer gibanja i na orijentaciju magnetskog polja.

Iskorištavanje Hallovog efekta
Naponi generirani Hallovim efektom mali su u odnosu na šum, pomake i temperaturne učinke koji obično utječu na strujni krug, pa stoga praktični senzori temeljeni na Hallovom efektu nisu bili rašireni sve dok napredak u tehnologiji poluvodiča nije omogućio visoko integrirane komponente koje uključuju Hallov element i dodatni strujni krugovi potrebni za pojačanje i kondicioniranje Hallovog napona. Ipak, Hallovi senzori imaju ograničenu sposobnost mjerenja malih struja. Na primjer, ACS712 tvrtke Allegro MicroSystems ima osjetljivost od 185 mV/A. To znači da bi struja od 10 mA proizvela izlazni napon od samo 1,85 mV. Ovaj napon može biti prihvatljiv ako krug ima nisku razinu šuma, ali ako se otpornik od 2 Ω može uključiti u strujni put, rezultirajući izlazni napon od 20 mV bio bi veliko poboljšanje.

Hallov učinak je relevantan za različite primjene senzora; uređaji temeljeni na ovom relativno jednostavnom odnosu između struje, magnetskog polja i napona mogu se koristiti za mjerenje položaja, brzine i jakosti magnetskog polja. Međutim, u ovom ćemo se članku usredotočiti na uređaje koji mjere struju putem Hallovog napona koji nastaje kada se magnetsko polje inducirano izmjerenom strujom koncentrira prema integriranom Hallovom elementu.

Za i protiv
Karakteristike izvedbe razlikuju se od jednog senzora struje s Hallovim efektom do drugog, tako da je teško precizno sažeti prednosti i nedostatke senzora s Hallovim efektom u odnosu na drugu uobičajenu tehniku senzora struje; Naime, umetanje preciznog otpornika u strujni put i mjerenje rezultirajućeg pada napona pomoću diferencijalnog pojačala. Općenito, međutim, senzori s Hallovim efektom cijenjeni su zbog toga što su "neintruzivni" i zbog toga što pružaju električnu izolaciju između strujnog puta i mjernog kruga. Ovi se uređaji smatraju nenametljivima jer se u strujni put ne ubacuje značajna količina otpora, pa se stoga krug koji se mjeri ponaša gotovo kao da senzor nije prisutan. Dodatna prednost je da senzor troši minimalnu snagu; ovo je osobito važno kod mjerenja velikih struja.

Što se tiče točnosti, trenutno dostupni senzori s Hallovim efektom mogu postići izlaznu grešku od samo 1%. Dobro dizajniran otporni strujni krug mogao bi to nadmašiti, ali 1% bi općenito bio dovoljan u primjenama visoke struje/visokog napona za koje su posebno prikladni uređaji s Hallovim efektom.

Izolacija
Jedna od dominantnih prednosti senzora s Hallovim efektom je električna izolacija, koja se u kontekstu dizajna strujnog kruga ili sustava često naziva galvanska izolacija. Načelo galvanske izolacije uključeno je kad god dizajn zahtijeva da dva strujna kruga komuniciraju na način koji sprječava izravni protok električne struje. Jednostavan primjer je kada digitalni signal prolazi kroz opto-izolator, koji pretvara naponske impulse u svjetlosne impulse i tako prenosi podatke optički, a ne električno. Jedan od primarnih razloga za implementaciju galvanske izolacije je sprječavanje problema povezanih s petljama uzemljenja:

Osnovna načela projektiranja strujnog kruga pretpostavljaju da međusobno povezane komponente dijele zajednički čvor uzemljenja, za koji se pretpostavlja da je na 0 V. U stvarnom životu, međutim, "čvor uzemljenja" sastoji se od vodiča otpora različitog od nule, a ti vodiči služe kao povratni put za struju koja teče iz kruga natrag u izvor napajanja. Ohmov zakon nas podsjeća da struja i otpor čine napon, a ti padovi napona u povratnom putu znače da "uzemljenje" u jednom dijelu kruga ili sustava nema isti potencijal kao "uzemljenje" u drugom dijelu. Ove razlike u potencijalu tla mogu dovesti do problema u rasponu od zanemarivih do katastrofalnih.

Sprječavanjem protoka istosmjerne struje između dva kruga, galvanska izolacija omogućuje uspješnu komunikaciju krugova s različitim potencijalima uzemljenja. Ovo je osobito relevantno za aplikacije za mjerenje struje: niskonaponski senzor i strujni krug možda će trebati nadzirati velike, vrlo varijabilne struje u, na primjer, krugu motornog pogona. Ove velike struje koje se brzo mijenjaju dovest će do značajnih fluktuacija napona u povratnom putu. Senzor s Hallovim efektom omogućuje sustavu i praćenje pogonske struje i zaštitu kruga senzora visoke preciznosti od ovih štetnih fluktuacija uzemljenja.

Zajednički napon
Druga važna primjena senzora s Hallovim efektom su strujna mjerenja koja uključuju visoke napone. U otporničkom krugu za mjerenje struje, diferencijalno pojačalo mjeri razliku u naponu između jedne i druge strane otpornika. Problem nastaje, međutim, kada su ti naponi veliki u odnosu na potencijal uzemljenja:

Pojačala u stvarnom životu imaju ograničen "raspon zajedničkog načina rada", što znači da uređaj neće ispravno funkcionirati kada su ulazni naponi, iako mali jedan u odnosu na drugi, preveliki u odnosu na masu. Opseg zajedničkog načina strujnog senzora obično ne prelazi 80 ili 100 V. Hallovi senzori, s druge strane, mogu pretvoriti struju u napon bez obzira na izmjereni potencijal uzemljenja kruga. Posljedično, sve dok naponi nisu dovoljno visoki da uzrokuju fizičku štetu, zajednički napon ne utječe na rad uređaja s Hallovim efektom.

Kako rade senzori s Hallovim efektom?

Kada električna struja teče kroz bilo koji materijal, elektroni unutar struje prirodno se kreću pravocrtno, pri čemu elektricitet stvara vlastito magnetsko polje dok se puni.

Ako se električki nabijen materijal postavi između polova trajnog magneta, umjesto da se kreću u ravnoj liniji, elektroni će umjesto toga skrenuti u zakrivljenu putanju dok se kreću kroz materijal. To se događa jer njihovo vlastito magnetsko polje reagira na kontrastno polje trajnog magneta.

Kao rezultat ovog novog zakrivljenog kretanja, više elektrona je tada prisutno na jednoj strani električki nabijenog materijala. Kroz to će se tada pojaviti razlika potencijala (ili napon) preko materijala pod pravim kutom u odnosu na magnetsko polje, i od trajnog magneta i od protoka električne struje.

Dakle, kako funkcionira senzor Hallovog efekta?
Koristeći poluvodiče (kao što je silicij), senzori s Hallovim efektom rade tako da mjere promjenu napona kada se uređaj postavi u magnetsko polje. Drugim riječima, nakon što senzor s Hallovim efektom otkrije da je sada u magnetskom polju, može osjetiti položaj objekata.

Hallovi senzori i magneti
Magneti su svojstveni senzorima s Hallovim efektom, koji se aktiviraju prisutnošću vanjskog magnetskog polja. Uređaj tada može osjetiti kako se objekt približava ili udaljava, samo kroz različite snage magnetskog polja.

Na primjer, ako je senzor s Hallovim efektom postavljen u okvir vrata i magnet na vrata, senzor bi mogao detektirati kada su vrata otvorena ili zatvorena kroz prisutnost magnetskog polja.

Sva magnetska polja imaju dvije važne karakteristike. Prvo, ono što se naziva 'gustoća toka', što se odnosi na količinu magnetskog toka koji prolazi kroz jedinicu površine, i drugo, svi magneti imaju dva polariteta (sjeverni i južni pol).

Izlazni signal koji izlazi iz Hallovog senzora predstavlja gustoću magnetskog polja oko uređaja. Senzori s Hallovim efektom imaju unaprijed postavljeni prag, a kada gustoća magnetskog toka prijeđe tu granicu, uređaj može otkriti magnetsko polje generiranjem izlaza koji se naziva 'Hall Voltage'.

Svi senzori s Hallovim efektom imaju tanki komad poluvodičkog materijala unutar sebe, koji kroz sebe propušta kontinuiranu električnu struju kako bi stvorio magnetsko polje. Kada se uređaj postavi blizu vanjskog magneta, magnetski tok djeluje silom na poluvodički materijal. Ta sila uzrokuje kretanje elektrona, stvarajući mjerljivi Hallov napon i aktivirajući senzor Hallovog efekta.

Izlazni Hallov napon iz Hallovog senzora izravno je proporcionalan jakosti magnetskog polja koje prolazi kroz poluvodički materijal. Često je ovaj izlazni napon prilično malen - jednak samo nekoliko mikrovolta - s mnogim uređajima s Hallovim efektom uključujući ugrađena DC pojačala, uz logičke sklopke i regulatore napona, koji su tu da pomognu poboljšati osjetljivost (a time i učinkovitost) uređaja.

Mjerenja Hallovog efekta bitna za karakterizaciju visoke mobilnosti nositelja

Hallov učinak može se uočiti kada kombinacija magnetskog polja kroz uzorak i struje duž uzorka stvara električnu struju okomitu na magnetsko polje i struju, što zauzvrat stvara transverzalni napon okomit na oba. Temeljni princip je Lorentzova sila: sila na točkasti naboj uslijed elektromagnetskih polja

Mjerenja Hallovog efekta neprocjenjiva su za karakterizaciju poluvodičkih materijala bilo da se radi o složenim poluvodičima na bazi silicija, tankoslojnim materijalima za solarne ćelije ili materijalima u nanorazmjeru poput grafena. Mjerenja obuhvaćaju niske otpore (visoko dopirane poluvodičke materijale, visokotemperaturne supravodiče, razrijeđene magnetske poluvodiče i GMR/TMR materijale) i visokootporne poluvodičke materijale, uključujući poluizolacijski GaAs, galijev nitrid i kadmijev telurid.

Sustav mjerenja s Hallovim efektom koristan je za određivanje različitih parametara materijala, ali primarni je Hallov napon (VH). Pokretljivost nositelja, koncentracija nositelja (n), Hallov koeficijent (RH), otpornost, magnetski otpor (RB) i vrsta vodljivosti nositelja (N ili P) izvedeni su iz Hallovog napona.

Dok istraživači razvijaju ICs sljedeće generacije i učinkovitije poluvodičke materijale, posebno su zainteresirani za materijale s visokom mobilnošću nositelja, što je ono što je potaknulo veliki dio interesa za grafen. Ovaj oblik ugljika debljine jednog atoma pokazuje kvantni Hallov efekt i, kao rezultat, relativistički protok struje elektrona. Istraživači smatraju da su mjerenja Hallovog efekta ključna za budućnost elektroničke industrije

Materijali s visokom mobilnošću nositelja omogućuju stvaranje uređaja koji ostvaruju maksimalan protok struje pri nižim razinama snage s bržim vremenima prebacivanja i većom propusnošću. Manipulacija Ohmovim zakonom pokazuje važnost mobilnosti nositelja u maksimiziranju struje. Struja je izravno proporcionalna pokretljivosti nositelja

Opcije za maksimiziranje protoka struje kroz uređaj uključuju povećanje napona, koncentraciju nositelja naboja, površinu poprečnog presjeka uzorka ili pokretljivost nositelja naboja. Svi osim posljednjeg imaju ozbiljne nedostatke.

Mjerenje mobilnosti
Prvi korak u određivanju mobilnosti nositelja je mjerenje Hallovog napona (VH) forsiranjem magnetskog polja okomito na uzorak (B) i struje kroz uzorak (I). Ova kombinacija stvara poprečnu struju. Rezultirajući potencijal (VH) mjeri se na cijelom uređaju. Također su potrebna točna mjerenja i debljine uzorka (t) i njegovog otpora (r). Otpor se može odrediti pomoću sonde s četiri točke ili van der Pauw tehnike mjerenja. Sa samo ovih pet parametara (B, I, VH, t i otpor), može se izračunati Hallova pokretljivost:
I Hallov napon i izmjereni van der Pauw otpor obično su prilično mali, tako da su prave tehnike mjerenja i prosjeka kritične za točne rezultate mobilnosti.

Zašto su potrebni trajni magneti u senzorima s Hallovim efektom

Senzor s Hallovim efektom ili pretvarač s Hallovim efektom je integrirani senzor temeljen na Hallovom efektu i sastavljen od Hallovog elementa i njegovog pomoćnog kruga. Hallov senzor ima široku primjenu u industrijskoj proizvodnji, transportu i svakodnevnom životu. Iz unutarnje strukture Hall senzora, ili u procesu korištenja, vidjet ćete da je permanentni magnet važan radni dio.

Hallov efekt je u biti otklon pokretnih nabijenih čestica uzrokovan Lorentzovom silom u magnetskom polju. Kada su nabijene čestice (elektroni ili šupljine) zatvorene u krutim materijalima, ovaj otklon dovodi do nakupljanja pozitivnih i negativnih naboja u smjeru okomitom na struju i magnetsko polje, stvarajući tako dodatno poprečno električno polje.

Znamo da kada se elektroni kreću u magnetskom polju, na njih će djelovati Lorentzova sila. Kao i gore, prvo pogledajmo sliku lijevo. Kada se elektron kreće prema gore, struja koju on stvara kreće se prema dolje. Pa, poslužimo se pravilom lijeve ruke, neka magnetska senzorska linija magnetskog polja B (snimak u ekran) prodre u dlan ruke, to jest, dlan ruke je okrenut prema van, i usmjerimo četiri prsta prema strujni smjer, odnosno četiri točke prema dolje. Zatim, smjer palca je smjer sile elektrona. Elektroni su prisiljeni udesno, pa će se naboj u tankoj ploči nagnuti na jednu stranu pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja. Ako se elektron nagne udesno, stvorit će se potencijalna razlika na lijevoj i desnoj strani. Kao što je prikazano na slici desno, ako je voltmetar spojen na lijevu i desnu stranu, napon će se detektirati. Ovo je osnovno načelo indukcije u dvorani. Detektirani napon naziva se Hallov inducirani napon. Ako se vanjsko magnetsko polje ukloni, Hallov napon nestaje. Ako je predstavljen slikom, Hallov efekt je poput sljedeće slike:

I: Trenutni smjer,

B: Smjer vanjskog magnetskog polja,

V: Hallov napon, a male točkice u okviru mogu se smatrati elektronima.

Iz principa rada Hallovog senzora može se zaključiti da je Hallov senzor aktivni senzor, koji mora zahtijevati vanjsko napajanje i magnetsko polje za rad. Uzimajući u obzir zahtjeve malog volumena, male težine, male potrošnje energije i prikladne upotrebe u primjeni senzora, za napajanje vanjskog magnetskog polja koristi se jednostavni permanentni magnet umjesto složenog elektromagneta. Štoviše, u glavne četiri vrste trajnih magneta, SmCo i NdFeB magneti rijetkih zemalja imaju prednosti kao što su visoka magnetska svojstva i stabilna radna stabilnost, što može omogućiti sondi ili senzoru s Hallovim efektom visokih performansi da postignu točnost, osjetljivost i pouzdana mjerenja. Stoga se NdFeB i SmCo više koriste kao magneti pretvarača s Hallovim efektom.

Naša tvornica

Dexing Magnet nalazi se u gradu Xiamen, Kina, koji je prekrasan poluotok i međunarodna morska luka, s tvornicom u Jiangsu, Zhejiang Kina, osnovana je 1985., bivši identitet je jedna vojna tvornica, istraživanje i razvoj komunikacijskih dijelova, ovo postrojenje je kasnije kupila Dexing grupa 1995.

Pitanja

P: Što je sustav mjerenja Hall efekta?

O: Hallov učinak je pojava koja proizvodi razliku napona (Hallov napon) na električnom vodiču, poprečno na električnu struju u vodiču i na primijenjeno magnetsko polje okomito na struju.

P: Što je Hall tehnika mjerenja?

O: Osnovna konfiguracija mjerenja Hall efekta vjerojatno će uključivati sljedeće komponente i dodatne dodatke: Izvor konstantne struje veličine koja ovisi o otporu uzorka. Za uzorke materijala s niskim otporom, izvor mora imati izlaz struje od miliampera do ampera.

P: Koja je jednostavna definicija Hallovog efekta?

O: Hallov učinak je skretanje elektrona (rupa) u poluvodiču n-tipa (p-tipa) sa strujom koja teče okomito na magnetsko polje. Otklon ovih nabijenih nositelja stvara napon, koji se naziva Hallov napon, čiji polaritet ovisi o efektivnom naboju nositelja.

P: Što nam Hall efekt omogućuje da odredimo?

O: Suprotno tome, ako je poznato magnetsko polje, Hallov efekt se može koristiti za karakterizaciju brzine pomicanja elektrona i drugih mikroskopskih veličina za materijal od kojeg je napravljena Hallova sonda. Hallov efekt nam omogućuje da utvrdimo da teče negativni, a ne pozitivni naboj.

P: Što je Hall efekt za lutke?

O: Hallov efekt je kretanje elektrona kroz vodič prema magnetskoj privlačnosti. Uzrokuje mjerljivu razliku napona na vodiču tako da je jedna strana pozitivno nabijena, a druga negativno.

P: Što mjeri struja Hallovog efekta?

O: Senzor struje s Hallovim efektom omogućuje kontrolu u stvarnom vremenu u solarnim inverterskim sustavima s pojačanim radnim naponima do 1.100 V. Senzori struje s Hallovim efektom omogućuju mjerenje struje za tračnice do 1.100 V, s pojačanom izolacijom kako bi se osigurala sigurnost drugih elektronika sustava.

P: Kako se Hallovim efektom mjeri brzina?

O: Ako je Hallov element instaliran blizu gramofona, kada se okretni tanjur okreće s osovinom, na Hallov element utječe magnetsko polje koje stvara magnet, tako da emitira pulsni signal čija je frekvencija proporcionalna brzini, tada se brzina može izračunati mjerenjem perioda ili frekvencije pulsa.

P: Što je to pick up s Hallovim efektom koji se koristi za mjerenje?

O: Hvatač s Hallovim efektom može se koristiti za mjerenje struje pomoću magnetskog polja koje nastaje uslijed protoka struje.

P: Je li Hallov efekt istinit za metale i poluvodiče?

O: Kaže da ako se uzorak (metal ili poluvodič) kroz koji teče struja (I) stavi u transverzalno magnetsko polje (B), električno polje se inducira u smjeru okomitom na I i B.

P: Zašto je Hallov efekt toliko važan?

O: Hallov efekt se također može koristiti za mjerenje gustoće nositelja struje, njihove slobode kretanja ili mobilnosti, kao i za otkrivanje prisutnosti struje na magnetskom polju.

P: Koji je osnovni princip Hallovog efekta?

O: Načelo Hallovog efekta kaže da kada se vodič kroz koji teče struja ili poluvodič uvede u okomito magnetsko polje, napon se može izmjeriti pod pravim kutom u odnosu na putanju struje. Ovaj učinak dobivanja mjerljivog napona poznat je kao Hallov efekt.

P: Koji je cilj Hallovog efekta?

O: Hallov efekt osnova je fizike čvrstog stanja i važan je dijagnostički alat za karakterizaciju materijala – posebno poluvodiča. Omogućuje izravno određivanje predznaka nositelja naboja, npr. elektrona ili šupljina (dodatak A), i njihove gustoće u danom uzorku.

P: Što je Hall efekt u mjerenju?

O: Kao rezultat toga, Hallov efekt je vrlo koristan kao sredstvo za mjerenje gustoće nosača ili magnetskog polja. Jedna vrlo važna značajka Hallovog efekta je da razlikuje pozitivne naboje koji se kreću u jednom smjeru i negativne naboje koji se kreću u suprotnom.

P: Za što se koristi Hallov efekt u stvarnom životu?

O: Primjene za IC s Hallovim efektom uključuju upotrebu u sustavima paljenja, kontrolama brzine, sigurnosnim sustavima, kontrolama poravnanja, mikrometrima, mehaničkim graničnim prekidačima, računalima, pisačima, diskovnim pogonima, tipkovnicama, alatnim strojevima, prekidačima s ključevima i prekidačima s tipkama.

P: Što se ne može odrediti Hallovim efektom?

O: Hallov efekt se ne može koristiti za određivanje magnetskog polja, koje ne djeluje okomito na smjer električnog polja.

P: Što možete pronaći korištenjem Hall efekta?

O: Dakle, Hallov efekt se koristi za mjerenje koncentracije nositelja naboja poluvodiča ili izolatora i napona proizvedenog magnetskim poljem.

P: Što je bit Hall efekta?

O: U biti, Hallov efekt se odnosi na prijenosnike naboja (najčešće elektrone) koji se kreću u smjeru pod pravim kutom i prema električnoj struji i prema magnetskom polju.

P: U čemu uređaj s Hallovim efektom otkriva promjenu?

O: Koristeći poluvodiče (kao što je silicij), Hallovi senzori rade tako da mjere promjenu napona kada se uređaj postavi u magnetsko polje. Drugim riječima, nakon što senzor s Hallovim efektom otkrije da je sada u magnetskom polju, može osjetiti položaj objekata.

P: Koja je svrha Hallovog mjerenja?

O: Mjerenje Hallovog efekta i otpora daje mnoštvo informacija kao što su gustoća nositelja, mobilnost nositelja i vrsta nositelja. Gustoća nositelja je broj pokretnih nositelja po volumenu u materijalu, a za poluvodiče je povezana s dopiranjem poluvodiča.

P: Kako se Hallovim efektom mjeri struja?

O: Sastoje se od senzora s Hallovim efektom postavljenog u otvor magnetske jezgre. Izlaz iz Hallovog senzora se pojačava i mjeri polje koje stvara struja bez ikakvog kontakta s njom. Ovo osigurava galvansku izolaciju između kruga i senzora.

Kao jedan od vodećih proizvođača i dobavljača sustava za mjerenje Hall efekta u Kini, srdačno vas pozdravljamo da u našoj tvornici kupite prilagođeni sustav mjerenja Hall efekta. Sva oprema je visoke kvalitete i konkurentne cijene.

Trenutni izvor za medicinsku opremu, Materijali od magnetskog odbijanja, industrijski kriostat