تاریخچه:

اثرهال توسط دكتر ادوينهال (Edvin Hall) درسال 1879 در حالي كشف شد كه او دانشجوي دكترايدانشگاه Johns Hopkins در بالتيمر(Baltimore) انگليس بود.هال درحال تحقيقبر تئوري جريان الكترون كلوين بود كه دريافت زماني كه ميدان يك آهنرباعمود بر سطح مستطيل نازكي از جنس طلا قرار گيرد كه جرياني از آن عبور ميكند، اختلاف پتانسيل الكتريكي در لبه هاي مخالف آن پديد مي آيد.او دريافتكه اين ولتاژ متناسب با جريان عبوري از مدار و چگالي شار مغناطيسي عمود برمدار است. اگر چه آزمايش هال موفقيت آميز و صحيح بود ولي تا حدود 70 سالپيش از كشف آن كاربردي خارج از قلمرو فيزيك تئوري براي آن بدست نيامد.باورود مواد نيمه هادي در دهه 1950 اثرهال اولين كاربرد عملي خود را بدستآورد. درسال 1965 Joe Maupin ,Everett Vorthman براي توليد يك سنسور حالتجامد كاربردي وكم هزينه از ميان ايده هاي متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند.علت اين انتخاب جا دادن تمام اين سنسور بر روي يك تراشه سيليكن با هزينهكم و ابعاد كوچك بوده است اين كشف مهم ورود اثر هال به دنياي عملي وپروكاربرد خود درجهان بود.
تئوری اثر هال:

اگر يك ماده هادي يا نيمه هادي كهحامل جريان الكتريكي است در يك ميدان مغناطيسي عمود بر جریان قرارگیرد،ولتاژی در عرض ماده پدید می آید.

عنصرهال، سنسور ميدان مغناطيسياست. باتوجه به ويژگيهاي ولتاژ خروجي اين سنسور نيازمند يك طبقه تقويتكننده و نيز جبران ساز حرارتی است. چنانچه از منبع تغذيه با ريپل فراواناستفاده كنيم وجود يك رگولاتور ولتاژحتمی است.رگولاتور ولتاژ موجب میشودکه جریان ثابت بماند.

ويژگيهای عمومی سنسورهای اثرهال:
  1. حالت جامد
  2. عمر طولاني .
  3. پاسخ فرکانسی بالای KHz 100
  4. ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقی
  5. تاثیر پذیری از نویزهای مغناطیسی محیط
  6. بازه دمایی گسترده



Sequence Sensors : شكل زير را در نظر داشته باشيد.
[JUSTIFY]تعدادي ديسك آهني بر روي يك شفت قرار گرفته اند. اينديسكها از فاصله هوايي سنسورهاي پره (Vane Sensor) عبور مي كنند. شكل هركدام از اين ديسكها بگونه اي است كه يك مجموعه از آنها منجر به توليدكدهاي خاصي مي شود. سنسور پره در اثر حضور ديسك در فاصله هوايي خروجي راصفر و در اثر عدم حضور آن خروجي را يك مي گويند. به اين ترتيب كد حاصل ازاين روش موقعيت يا وضعيت شفت را نشان مي دهد. به جاي استفاده از ديسك ها وسنسورهاي پره مي توان از آهنرباي حلقه اي متصل به شفت و سنسورهاي اثرهالدو قطبي (bipolar) استفاده نمود.[/JUSTIFY]

سنسورهاي مجاورتي Proximity Sensor :در دو طرح زير 4 سنسور اثرهال با خروجي ديجيتالي كه بر يك صفحهآلومينيومي قرار گرفته اند نشان داده شده است .در شكل اول سنسورها تك قطبيو در شكل دوم سنسورها دو قطبي هستند.

سنسور ماشين هاي اداري :
دستگاههاي فتوكپي، فاكس، پرينترهاي كامپيوتراز اين سنسورها مي توانند استفاده كنند. براي مثال پرينتر، جهت دريافتوجود كاغذ و نيز جريان كاغذ ازسوئيچ هاي اثرهال استفاده مي كنند.


ويژگي : بدون تماس - بدون اعمال نيروي اضافي - عمر طولاني

سنسور موقعيت چندگانه (Multiple position sensor) :
[JUSTIFY]شكل مقابل سنسور اثرهال را در كنار 3 مقايسه كننده ولتاژ نشان مي دهد اين سنسور چندگانه داراي 3 خروجي ديجيتالي است.[/JUSTIFY]


سنسور ضد لغزشي Anti-Skidsensor :
شكل زير راه حلي را براي كنترل نيروي ترمزيك چرخ نشان ميدهد. هدف اين است بدون اينكه چرخ به اصطلاح قفل شود اتومبيلدرحداقل زمان ممكن متوقف شود.

در اين سيستم سنسور بگونه اي قرار گرفته است كه يك چرخ دندهداخلي را حس مي كند. زمان عكس العمل سيستم توقف بر مبناي فركانس سيگناليكه سنسور توليد مي كند تخمين زده مي شود.

سنسور موقعيت پيستون (Piston detection sensors):
در شكل مقابل روشي جهت موقعيت سنجي پيستون در يك سيلندر غيرآهني داده شده است. درحالت نخست آهنربا هايي را در درون پيستون به گونه ايقرار مي دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجي خطي دريافت شوند.


در حالت دوم از يك پيستون آهني و آهنربا و سنسور اثرهالاستفاده مي شود. در اين حالت نياز است تا مشخصات سيستم مغناطيسي بطورمطلوبي در دسترس باشد.


برقراري هاي استفاده از اثرهال در اين موقعيت سنجي به شرح زير مي باشد:

  1. ابعاد كوچك سنسورها

  2. عدم نياز به منبع قدرت خارجي براي آهنرباها

  3. رنج دمايي بزرگ از 40°c تا 150°c

  4. توانايي عمل در محيط كثيف و آلوده

سنسورهاي هال ديجيتال:
در اين سنسورها وقتي بزرگي ميدان مغناطيسيبه اندازه مطلوبي رسيد سنسور ON مي شود و پس از اينكه بزرگي ميدان از حدمعيني كاهش يافت سنسور خاموش مي شود. لذا در اين سنسورها خروجي تقويتكننده تفاضلي را به مدار اشميت تريگر مي دهند تا اين عمل را انجام دهد،براي جلوگيري از پرش هاي متوالي از تابع هسترزيس زير استفاده مي كنند.


سنسورهاي آنالوگ:
سنسورهاي آنالوگ ولتاژ خروجي خود را متناسببا اندازه ميدان مغناطيسي عمود بر سطح خود، تنظيم مي كنند. با توجه بهكميت هاي اندازه گيري اين ولتاژ مي تواند مثبت يا منفي باشد. براي اينكهسنسورهاي ولتاژ خروجي منفي توليد نكند و همواره خروجي تقويت كننده تفاضليرا با يك ولتاژ مثبت را پاس مي كنند.

[JUSTIFY]در شكل بالا توجه داريم كه يك نقطه صفر وجود دارد كهدر آن ولتاژي توليد نمي شود . از ويژگيهاي اثرهال نداشتن حالت اشباع است ونواحي اشباع در شكل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال ميباشد .معمولاخروجي تقويت كننده تفاضلي را به ترانزيستور پوش-پول مي د هند.[/JUSTIFY]

سيستم هاي مغناطيسي:
سنسور اثر هال درحقيقت بدين ترتيب عمل ميكند كه توسط يكسيستم مغناطيسي كميت فيزيكي به ميدان مغناطيسي تبديل مي شود. حال اينميدان مغناطيسي توسط سنسور اثر هال حس مي شود. بسياري از كميت هاي فيزيكيبا حركت يك آهنربا اندازه گيري مي شوند. مثلاً دما و فشار را مي توانبوسيله انقباض و انبساط يك Bellows كه به آهنربا متصل است اندازه گيرينمود.

روش هاي مختلفي جهت ايجاد ميدان مغناطيسي وجود دارد.
  • Unipolar head-on mode :در اين حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حركت مي كند.

همانطور كه در شكل بالا ديده مي شود منحنيتغييرات فاصله وميدان مغناطيسي در اين شكل آمده است (منحني بدست آمده غيرخطي است) و دقت درحد متوسط است. مثلاً اگر يك سنسور اثرهال ديجيتالي را درنظر بگيريم در اين حالت در فاصله أي كه G1 حاصل مي شود سوئيچ عمل مي كند و On ميشود و وقتي كه فاصله به حدي رسيد كه G1 حاصل شود سوئيچ OFF ميكند.
  • [JUSTIFY]Unipolar slide-by mode : در اين حالت آهنربا در يك مسير افقي نسبت به سنسور تغيير مكان مي كند.[/JUSTIFY]


منحني تغييرات مكان نسبت به ميدان مغناطيسيبازهم غير خطي است- دقت اين روش كم است و لي حالت تقارني كاملاً ديده ميشود. مثلاً سنسور اثرهال ديجيتالي را در نظر بگيريد كه در اثر ميدان G1روشن شده و در ميدان G2 خاموش مي شود وقتي آهنربا از سمت راست حركت مي كندو به موقعيت +D1 مي رسد آنگاه سنسور عمل ميكند. اين حركت ادامه مي تواندداشته باشد تا به موقعيت –D2 برسد، در اين هنگام سنسور آزاد مي شود و بههمين ترتيب.
  • [JUSTIFY]Bipolar Slide –By made : در اين حالت از 2 آهنربا كه قطب S,N هر كدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده مي كنيم.[/JUSTIFY]


دقت در اين روش درحد متوسط است- حالت تقارنوجود ندارد ولي مي توان در بخش هايي، از خاصيت خطي منحني استفاده نمود.اگر همان سنسور ديجيتالي قبلي را در نظر بگيريم در حركت از راست به چپوقتي كه فاصله به D2 مي رسد آنگاه سنسور عمل مي كند و تا به مرحله D4 پيشمي رود. بنابراين در يك حركت پيوسته از راست به چپ سنسور در بخش شيب تندعمل مي كند و در بخش شيب كند رها ميكند.جهت حذف شيب تند در بخش مبدأ از يكتكنيك ديگر استفاده مي شود. بدين ترتيب كه در ميان ايندو آهنربا فاصلهمعيني قرار مي دهند.اين عمل بطور چشمگيري دقت را افزايش مي دهد.حالت ديگرينيز به كار مي‌رود كه در آن منحني حاصل بصورت يك تابع پالس است. در اينروش در ميان دو آهنربا، آهنرباي ديگري قرار مي دهند كه پهناي پالس متناسببا پهناي اين آهنربا مي باشد.
  • [JUSTIFY]Bipolar Slide –By mode یا ring magnet : دراين حالت از يك آهنرباي حلقه استفاده مي شود آهنرباي حلقه اي يك قطعهآهنرباي ديسك مانند است كه قطب هاي آن در پيرامون آن قرار دارند. در شكلزير آهنرباي حلقه اي با دو جفت قطب نمايش داده مي شود. به منحني حاصل شيبهبه يك منحني سينوسي است. هرچه تعداد قطبهاي آهنرباي حلقه اي بيشتر باشدمقدار پيك حاصل در اندازه ميدان كمتر خواهد بود. تعداد پالس هاي حاصل دراين روش برابر با جفت قطبهاي آهنربا مي باشد. محدوديت در ساخت آهنربايحلقه اي با جفت قطبهاي زياد، محدوديت اين روش محسوب مي شود.[/JUSTIFY]


مقايسه اي از اين سيستمها در زير آمده است :




منظور از All حركتهاي چرخشي، پيوسته و رفت و برگشتي است.
کاربرد سنسورهای اثر هال در صنعت:
  • [JUSTIFY]سنسورهاي موقعيت تشخيص پره یا Vane Operated Position Sensor:اين سنسور داراي يك فاصله هوايي ميان آهنربا و سنسور اثرهال مي باشد. وتوانايي موقعيت سنجي خطي و نيز موقعيت سنجي زاوايه اي را نيز دارد .[/JUSTIFY]



این سنسور دارای یک فاصله هوایی ما بین آهنربا و سنسور هال می باشد و توانایی موقعیت سنجی هم خطی و هم زاویه ای را دارا می باشد.


اساس عملكرد:
شكل زیر را در نظر بگيريد. وقتي كه پره در فاصله هوايي بين اهنرباوسنسور اثرهال قرار گيرد خطوط شار مغناطيسي پراكنده مي شوند و توسطسنسوراثر هال احساس نمي شوند، بنابراين خروجي سنسور در سطح منطقي صفر(OFF) قرار مي گيرد.

[JUSTIFY]شكل بالا نشان ميدهد كه وقتي كه يك پره ميان اين سنسورمي رود چه اتفاقي مي افتد. درحركت از چپ به راست وقتي لبه جلوي پره بهناحيه b مي رسد، آنگاه سنسور از حالت ON به حالت OFF تغيير وضعيت مي دهد واين حالت تا زماني كه لبه انتهايي پره به ناحيه d برسد ادامه پيدامي كند تا در آن لحظه از OFF به ON تغيير وضعيت دهد. بنابراين مدت زمانيكه خروجي سنسور OFF است برابر با فاصله بين d ,b بعلاوه پهناي پره ميباشد. درحركت از راست به چپ نيز وضعيت كاملاً مشابه است. در اكثر مواقعپره ها بصورت به هم پيوسته مي باشند. اين حالت در شكل زير در نظر گرفتهشده است.[/JUSTIFY]

توجه كنيد كه اين دو حالت هيچ تفاوتي باهم ندارند.
رابطه بين مدت زمان OFF ,ON براي حالت پره دندانه اي به پيوسته در جدول زير خلاصه شده است.