Thông thường trong quá trình sử dụng cần điều khiển, có hai cách để đạt được tín hiệu đầu ra tương tự: Dạng cảm biến Hall và dạng chiết áp.
1, Bài viết này nhằm làm rõ nguyên lý thực hiện cơ bản của cảm biến Hall, sự khác biệt, ưu điểm và nhược điểm giữa Hall 2D và Hall 3D.
Định nghĩa hiệu ứng Hall:
Hiệu ứng Hall được phát hiện bởi nhà vật lý Hall vào năm 1879. Nó xác định mối quan hệ giữa từ trường và điện áp cảm ứng. Hiệu ứng này hoàn toàn khác với cảm ứng điện từ truyền thống.
——Hình ảnh từ Internet
Như đã trình bày ở trên, khi dòng điện chạy qua một dây dẫn nằm trong từ trường (bề mặt được tô bóng), từ trường sẽ tác dụng lực lên các electron trong dây dẫn theo phương vuông góc với hướng chuyển động của các electron, dẫn đến hiệu điện thế theo hai phương vuông góc với dây dẫn và đường sức từ.
Khi đặt một từ trường vuông góc với hướng dòng điện vào chất bán dẫn, các electron và lỗ trống trong chất bán dẫn sẽ bị lực Lorentz hút theo các hướng khác nhau và tổng hợp theo các hướng khác nhau. Điện trường sẽ được tạo ra giữa các electron và lỗ trống tập hợp. Sau khi lực điện trường và lực Lorentz cân bằng, chúng sẽ không còn tổng hợp nữa. Trong trường hợp này, điện trường sẽ làm cho các electron và lỗ trống tiếp theo chịu lực điện trường và cân bằng lực Lorentz do từ trường tạo ra, để các electron và lỗ trống tiếp theo có thể đi qua trơn tru mà không bị lệch, đó là hiệu ứng Hall . Hiệu điện thế giữa hai bên gọi là hiệu điện thế Hall.
Sơ đồ
Electron tạo ra sự khác biệt tiềm năng trong từ trường dẫn đến lực Lorentz
Lực Lorentz F=qE cộng với qvB/c
Vậy trường Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Ứng dụng của hiệu ứng Hall:
Mặc dù hiệu ứng Hall được phát hiện sớm hơn nhưng nó bị hạn chế bởi sự phát triển của nam châm không đổi và các linh kiện điện tử. Cảm biến Hall lần đầu tiên xuất hiện vào khoảng những năm 1970.
Cảm biến Hall cơ bản được thiết kế như một mạch tích hợp chip Hall có độ tin cậy cao bằng cách đóng gói chip mạch bằng vật liệu đơn tinh thể silicon vào một cấu trúc đóng gói kín khí.
Tuy nhiên, do các vấn đề về thiết kế mạch, chip Hall lần đầu tiên được sử dụng sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp lớn do chênh lệch nhiệt độ, không thể áp dụng trong môi trường công nghiệp thực tế.
Sau đó, cho đến khoảng những năm 1990, một số công ty, chẳng hạn như MLX, đã sử dụng mạch bù nhiệt độ để bù đắp ảnh hưởng của các thông số liên quan đến nhiệt độ trong công thức tính toán từ trường, để từ trường không thay đổi theo nhiệt độ. Ngoài ra, chip Hall đã thực hiện hoạt động có thể lập trình, không cần điều chỉnh đầu ra tương tự do chip Hall đặt theo yêu cầu sử dụng và mở rộng đáng kể kịch bản sử dụng và phạm vi của chip Hall.
Chip Hall bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong môi trường công nghiệp và phương tiện, được sử dụng để đánh giá các thông số về độ dịch chuyển và Góc quay, đồng thời chuyển đổi chúng thành đầu ra tương tự.
Sau Công ty MLX, nhiều nhà sản xuất vi mạch trong và ngoài nước đã tham gia phát triển chip Hall. Chip Hall thông thường được sử dụng hiện nay thường được làm bằng nhiều chip Hall được xếp chồng lên nhau để đánh giá dự phòng, giúp cải thiện đáng kể độ phân giải và độ chính xác của đầu ra tương tự.
Sử dụng Hall trong tay cầm:
Tay cầm công nghiệp ban đầu đạt được đầu ra tương tự thông qua cấu trúc quay của tay cầm, giúp đẩy viên đạn để dẫn động van thủy lực. Sẽ có những thiếu sót trong điều khiển thông minh và thiết kế logic, và thiết bị thủy lực chắc chắn sẽ có hiện tượng rò rỉ dầu, không thể sử dụng trong bối cảnh có yêu cầu mức độ ô nhiễm cao hoặc trong bối cảnh cần môi trường sạch.
Sử dụng thủy lực của dạng viên đạn
——Hình ảnh từ Internet
Hall lần đầu tiên được sử dụng trong cần điều khiển bởi Danfoss, một nhà sản xuất của Đức. Các sản phẩm chính của nó là JS1, JS1000, v.v.
Các nhà sản xuất chip Hall thường được sử dụng trong tay cầm, bao gồm MLX, TI, McGahn, v.v.
Có sự khác biệt giữa hội trường mặt phẳng 2D và hội trường 3D theo các phương pháp sử dụng khác nhau.
Sự khác biệt giữa Hội trường 2D và Hội trường 3D:
Thông thường, việc sử dụng Hall trong tay cầm được chia thành quay và dịch chuyển và xoay. Loại quay là Hội trường 2D, và loại dịch chuyển và xoay là Hội trường 3D.
* Lưu ý sử dụng thép nhiễm từ:
Bất kể hình thức Hall nào, có hai yêu cầu kiểm soát quan trọng để đạt được sự ổn định trong công việc của Hall.
Đầu tiên là khoảng cách giữa thép từ tính và tâm Hall, khoảng cách này thay đổi tùy theo các mẫu chip Hall khác nhau. Nó thường là khoảng 1 ~ 5mm.
Thứ hai là kích thước từ hóa của thép từ tính, theo mô hình chip Hall là khác nhau, thường là hàng chục mT đến hàng trăm mT.
Nếu một trong hai tham số nằm ngoài phạm vi hoặc độ lệch lớn, nó sẽ gây ra sự mất ổn định của chip Hall, dẫn đến đột biến đầu ra hoặc độ lệch đầu ra.
Ngoài ra, nói chung, thép từ tính sẽ không gây ra sai lệch đầu ra do khử từ trong quá trình sử dụng lâu dài và thông số chính của nó là lực kháng từ của thép từ tính. Lực kháng từ đề cập đến cường độ cảm ứng từ B không trở về 0 khi từ trường bên ngoài trở về 0 sau khi từ hóa bão hòa của vật liệu từ tính. Chỉ bằng cách thêm một từ trường có kích thước nhất định theo hướng ngược lại với trường từ hóa ban đầu, cường độ cảm ứng từ mới có thể trở về 0, được gọi là từ trường cưỡng bức hoặc lực cưỡng bức.
Nói chung, lực kháng từ của thép từ tính yêu cầu Hcb Lớn hơn hoặc bằng 850KA/m; Lực kháng từ nội tại Hcj Lớn hơn hoặc bằng 955KA/m. Yếu tố ảnh hưởng chính là chất liệu thép nhiễm từ. Nói chung, lực kháng từ của vật liệu ferit nhỏ, điều này sẽ dẫn đến hiện tượng khử từ của thép từ tính trong một thời gian dài. Và lực kháng từ của vật liệu NdFeb lớn hơn, thường ở nhiệt độ cao không lâu dài (trên 60 ~ 80 độ) trong các điều kiện sử dụng, việc sử dụng khoảng 5 đến 10 năm là quá đủ.
Thép từ tính được sử dụng cho tay cầm thường là thép từ tính N35 Ndfeb.
Các yếu tố được kiểm soát khác của thép từ tính là từ dư Br và tích năng lượng từ trường cực đại BH(max).
1. Loại quay:
Hội trường quay thường được đặt ở tâm của trục quay và hướng từ hóa là hướng tâm. Khi xoay trục tay cầm, điện áp Hall được tạo ra do sự thay đổi từ thông qua cảm biến Hall.
Ưu điểm của phương pháp sử dụng này là:
1. Đối xứng điện áp tốt;
2. Độ khó hiện thực hóa thấp;
3. Trong trường hợp tay cầm trục kép, nhiễu trục XY nhỏ;
4. Tay cầm một trục chiếm ít không gian hơn.
5. Độ khó từ hóa thấp.
6. Góc quay có thể lớn (dưới 360 độ)
Những nhược điểm là:
1. Khi thực hiện xử lý trục kép, nó cần chiếm không gian tương đối lớn;
2. Phải được sử dụng ở tâm quay.
Loại vòng quay
1. Công thức độ dời:
Thông thường, việc sử dụng dịch chuyển cũng là sử dụng Hội trường 3D, chẳng hạn như chip MT1531 đầu tiên. Thông thường hướng từ hóa là hướng tâm. Theo cách này, thép từ trường phải có từ thông 0mT tại điểm giữa, cực đại ở cả hai bên. Khi thép từ được từ hóa theo cách này, cần phải có yêu cầu về độ từ hóa đồng đều trên cả hai mặt của thép từ dải hoặc thép từ cong. Nếu kích thước từ tính khác nhau, sự phân bố từ thông sẽ không đồng đều, dẫn đến độ lệch tuyến tính của đầu ra ở cả hai bên khi lắc tay cầm.
Thuận lợi:
1. Cấu trúc đơn giản và giá chuyển đổi hội trường thấp;
2. Giai đoạn kết cấu của thép từ tính khó đặt ở tâm quay tốt hơn;
3. Cấu trúc linh hoạt, có thể thực hiện nhiều loại cấu trúc hơn.
Nhược điểm:
1. Thép từ tính cần đối xứng từ hóa;
2. Nói chung, rất khó để nhận ra tính đối xứng tuyến tính của công thức chuyển vị;
3. Góc quay không được quá lớn; (thường không quá 40 độ)
——Hình ảnh từ thông số kỹ thuật MLX90333
1. Loại xích đu:
Sảnh dao động là một hiện thực phổ biến của sảnh hai trục. Nó nhận ra đầu ra hai trục hoặc thậm chí nhiều trục của một chip bằng cách đặt chồng nhiều chip Hall lên một cảm biến Hall.
Thông thường, hướng từ hóa thép từ tính là từ hóa dọc trục và từ hóa dọc trục của thép từ tính tròn sẽ làm giảm đáng kể độ khó từ hóa.
——Hình ảnh từ thông số kỹ thuật MLX90333
Đối với cảm biến Hall, mặc dù một chip 3D duy nhất đắt hơn chip 2D, nhưng chi phí triển khai đầu ra hai trục tương đối thấp hơn so với sử dụng hai chip 2D.
Thuận lợi:
1. Thép từ tính có độ khó từ hóa thấp. Độ khó lắp ráp thấp;
2. Chi phí thực hiện hai chiều thấp;
3. Không gian ngang của tay cầm ít bị chiếm dụng hơn;
Nhược điểm:
1. Yêu cầu bù của bản vá Hall tương đối cao và yêu cầu bù của SMT thường không quá 1/2 chân hàn; Nếu không, sẽ có nhiễu hai trục lớn (nghĩa là khi đẩy một trục, trục kia có dao động đầu ra, Hội trường 3D không thể tránh được nhiễu hai trục, nhưng nói chung trong phạm vi độ lệch đầu ra được coi là đủ tiêu chuẩn)
2. Chi phí để đạt được đầu ra đơn trục sẽ cao hơn;
3. Góc quay nhỏ hơn loại dịch chuyển (thường không quá 30 độ);
Tay cầm HJ8 của Điều khiển điện Chen Gong Thượng Hải dùng Sảnh 3D MLX90333.
II. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lệch đầu ra Hall:
Nói chung, các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp đầu ra Hall chủ yếu là những lý do sau. Nói chung, vì chip hiếm khi bị hỏng, nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp đầu ra chủ yếu được phân tích từ sự thay đổi từ thông:
1. Biến đổi từ thông do thép nhiễm từ gây ra:
Thép từ tính sẽ thay đổi từ thông và do đó làm thay đổi điện áp đầu ra do nhiều nguyên nhân, chẳng hạn như:
A. Bảo vệ kém dẫn đến bột sắt hấp phụ trên thép từ tính, dẫn đến thay đổi từ thông.
B. Việc cố định thép từ tính không đúng cách dẫn đến thép từ tính bị nới lỏng;
C. Các vết nứt ẩn tồn tại khi thép từ tính được tán hoặc cố định, có thể dẫn đến vết nứt và thay đổi từ thông sau nhiệt độ cao và thấp.
Cách để tránh:
Những yếu tố này cần được phân tích và các biện pháp cải thiện được theo dõi trong FEMA về thiết kế và quy trình.
2. Từ thông thay đổi do nguyên nhân bên ngoài:
Nói chung, từ thông qua chip Hall thay đổi do dao động mạch gây ra bởi từ trường bên ngoài hoặc tác động của điện áp, do đó ảnh hưởng đến đầu ra.
Cách để tránh:
Thử nghiệm EMC đã được thực hiện và tấm chắn được sử dụng để tăng khả năng che chắn cho chip Hall.
3. Sai lệch đầu ra do kết cấu cơ khí:
Sau thời gian dài sử dụng, độ hở cơ học tăng dẫn đến độ lệch đầu ra tăng.
Cách để tránh:
Tối ưu hóa thiết kế kết cấu.
4. Nguồn điện không điều chỉnh điện áp đầu vào bên ngoài:
Nói chung, điện áp đầu vào Hall danh nghĩa của nhà sản xuất tay cầm Hall là 5.0Vdc±0.5V, nhưng trên thực tế, điện áp này dùng để chỉ điện áp điều khiển cảm biến Hall. Nếu giá trị điện áp đầu ra hiệu chuẩn là đầu ra 0.5~2.5V~4.5V, điện áp đầu vào 5.5V, thì điện áp đầu ra trung bình sẽ là 2.75V, vượt quá phạm vi của các yêu cầu trung bình. Do đó, khách hàng thường được yêu cầu sử dụng nguồn điện quy định. Độ lệch nguồn cung cấp thường là ±0.2V với các điều kiện trong phạm vi tốt nhất là ±0.1V.