SensorDePosicao EfeitoHall Ariadne Marcelo
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISESCOLA DE ENGENHARIA
TRABALHO DE
INSTRUMENTAÇÃOINDUSTRIALTEMA: SENSORES DE POSIÇÃO - EFEITO HALL
Alunos: Ariadne Beatriz Medina Lopes Martins – 2004530035Marcelo de Azevedo Ávila - 2006015286
Belo Horizonte
2009
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TRABALHO DEINSTRUMENTAÇÃO
INDUSTRIALTEMA: SENSORES DE POSIÇÃO - EFEITO HALL
Trabalho apresentado para avaliaçãona disciplina de InstrumentaçãoIndustrial do Departamento deEngenharia Eletrônica, ministradaaos cursos de Engenharia de
Controle e Automação e EngenhariaElétrica da Universidade Federal deMinas Gerais.
Professor: Leonardo A. B. Tôrres
Belo Horizonte2009
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Sumário
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................4
2 SENSORES DE POSIÇÃO POR EFEITO HALL............................5 2.1 EFEITO HALL.......................................................................................5
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR HALL.......................6
3 TIPOS DISPONÍVEIS...........................................................................7
4 PONTOS POSITIVOS E NEGATIVOS..............................................8
4.1 PONTOS POSITIVOS.....................................................................................8
4.2 PONTOS NEGATIVOS..................................................................................8 5 CARACTERISTICAS CONSTRUTIVAS..........................................9
6 CUSTO..................................................................................................10
7 TIPO E SINAL PRODUZIDO............................................................11
8 PROCESSAMENTO DE SINAL NECESSÁRIO.............................11
9 CUIDADOS DE INSTALAÇÃO........................................................11
10 APLICAÇÕES......................................................................................12
11 PRODUTO COMERCIAL..................................................................12
11.1 PROCEDIMENTO PARA CALIBRAÇÃO DO TRANSMISSOR DE
POSIÇÃO............................................................................................13
11.1.1 Ajuste de zero..............................................................................14
11.1.2 Ajuste de ganho/sensibilidade........................................................14
12 ESPECIFICAÇÕES DE DESEMPENHO.........................................15
13 CONCLUSÃO......................................................................................17
14 REFERENCIAS...................................................................................18
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1 INTRODUÇÃO
A detecção de posição, necessária em diversos ambientes, utiliza sensores quedetectam objetos, pessoas e até mesmo substâncias. Estes dispositivos, os sensores de
posição, convertem algum parâmetro físico dependente da posição/deslocamento em
uma saída elétrica correspondente.
A detecção da posição pode ser feita de duas formas:
• por contato físico;
• sem contato físico.
Nas aplicações em que não há contato físico são utilizados sensores magnéticos,por ultra-som, fotoelétricos, dentre outros.
No presente trabalho pretende-se estudar os sensores de posição por efeito Hall,
um tipo de sensor magnético.
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2 SENSORES DE POSIÇÃO POR EFEITO HALL
2.1 EFEITO HALL
O efeito Hall é assim chamado devido ao fato de a sua descoberta ter sido feita,
em 1879, pelo físico americano Edwin H. Hall, cujo interesse era provar que um
magneto afeta diretamente a corrente elétrica e não o condutor, como se pensava na
época.
Edwin H. Hall descobriu que ao passar uma corrente elétrica (I) em um condutor,ao longo da uma determinada direção, e aplicar um campo magnético (B) perpendicular
à direção da corrente, surge uma diferença de potencial – denominada diferença de
potencial Hall - entre os dois lados do condutor perpendiculares a (I) e (B). Observação
que nada mais é que um resultado da Força de Lorentz.
Neste caso, como ilustrado na figura 1, a tensão é dada pela seguinte expressão:
Em que:
VH (tensão Hall) = tensão entre os extremos da largura da placa;
I = corrente ao longo do comprimento da placa;
d = profundidade da placa;
B = componente de campo magnético perpendicular ao comprimento e largura da placa;
e = carga do elétron;n = densidade, em lote, dos elétrons condutores.
Importante salientar a dependência linear entre H V e B.
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F
A razão entre o efeit
resistência Hall. A razão
resistência de entrada.
As resistências Hall e
alguns teslas. A dependênc
determinada pela dependên
Os sensores de efeito
semicondutores, adicionan
resultando em chaves digit
Adicionando-se ampl
aumentar a tensão Hall e p
2.2 PRINCÍPIO DE FU
O princípio de funcio
de medição de posição line
O magneto, ou ímã,
enquanto o sensor de efei
igura 1: Demonstração do efeito Hall
Hall (tensão Hall) e a corrente de entrad
entre a tensão aplicada e a corrente de entr
de entrada aumentam linearmente com o ca
ia com a temperatura, da tensão e da resistên
cia da mobilidade e do coeficiente Hall com
Hall são frequentemente combinados com
do-se, por exemplo, comparadores e dispo
is bipolares ou unipolares.
ificadores, juntamente com outros dispo
é-processar o sinal com funções como filtros
CIONAMENTO DO SENSOR HALL
amento deste sensor magnético, ideal para
ar ou rotativo, é baseado no efeito Hall.
é acoplado ao objeto cujo deslocamento
o Hall permanece estacionário. À medida
6
a é denominada
da denomina-se
po aplicado até
cia de entrada, é
a temperatura.
utros elementos
sitivos de saída,
sitivos, pode-se
, por exemplo.
uso em sistemas
se quer medir,
que o objeto se
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movimenta, há uma variação do campo magnético percebido pelo sensor, que fornecerá
uma tensão de saída proporcional a esta intensidade de campo (que depende da distância
entre o imã e o objeto monitorado).
Integrado no encapsulamento, juntamente com o sensor, existe um circuito
precondicionador com o qual é possível, através de resistores externos, definir o ganho e
a sensibilidade de saída do transdutor.
A figura 2 mostra uma configuração típica.
Figura 2: Sensor integrado de efeito Hall - AD22151 (cortesia da Analog Devices)
3 TIPOS DISPONÍVEIS
Os sensores Hall são divididos em sensores de posição linear e angular.
Dentro dessa classificação, ainda podem existir subdivisões, como:
• sensores de passagem que indicam se foi ultrapassada uma determinada
posição no movimento;
• detectores de fim-de-curso;
• contadores;
• sensores de posição que indicam a posição atual de um objeto, usados em
medição e posicionamento.
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4 PONTOS POSITIVOS E NEGATIVOS
4.1 PONTOS POSITIVOS
A grande vantagem do sensor Hall como elemento de medição de campo magnético
é sua capacidade de medir tanto campos contínuos (DC) como alternados em um único
instrumento.
Comparados aos sensores ópticos (par emissor-detector), os sensores de efeito Hall
apresentam a vantagem de serem insensíveis a condições ambientais como poeira,umidade e vibração.
Além disso, o acoplador magnético, em substituição à conexão mecânica, resulta
em uma redução significativa da zona morta.
4.2 PONTOS NEGATIVOS
Em algumas aplicações de sensores de posição por efeito Hall, é particularmente
importante que a relação de proporcionalidade⊥
= IBV H seja muito precisa.
Nestes casos, são várias as fontes de não-linearidades que afetam o sensor, sendo
dominante a não-linearidade originada pelo efeito de campo de junção, que depende da
estrutura do dispositivo e das condições de polarização.
Outra importante não-linearidade é a deriva causada pela sensibilidade das célulasHall às variações de temperatura.
Felizmente, essas influências podem ser minimizadas pelo uso de técnicas
adequadas de compensação que podem ser implementadas juntamente com o sensor na
própria pastilha de material semicondutor, como feito no CI AD22151 (sensor de campo
magnético de saída linear).
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5 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS
Muitos materiais podem ser utilizados como sensores de efeito Hall (InAs, Ge,GaAs e Si). Porém, o silício apresenta a vantagem de integrar o circuito condicionador
com o sensor.
Em termos construtivos, conforme explicado no item 1.1, considere um
determinado material com espessura d, conduzindo uma corrente I ao longo de seu
comprimento e sujeito a um campo magnético B aplicado paralelamente à direção de
sua espessura, conforme mostrado na figura 2.
O resultado destas condições é a geração de um tensão, conhecida como tensão deHall (VHALL), cuja magnitude é dada por:
V HALL = (RH/d) x i x B em que RH é a constante Hall do material.
Figura 3: Princípio de construção e funcionamento do sensor Hall
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6 CUSTO
O avanço da tecnologia, principalmente na área da microeletrônica, tornou ossensores de efeito Hall, por serem comercializados na forma de circuitos integrados,
financeiramente acessíveis, conforme a tabela abaixo:
Features:
• 3.5V to 20V DC operation
voltage
• Temperature compensation
• Wide operating voltage
range
• Open-Collector pre-driver
• 25mA maximum sinking
output current
• Reverse polarity protection
• Lead Free Package: SIP-3L
Differential Hall Effect Sensor IC Part #: HAL300UA-A
$1.75
Hall Effect Sensor IC -Latching Switching with High
Sensitivity Part #: HAL502SF-A
$0.60
Hall Effect Sensor IC - Unipolar Switching with HighSensitivity
Part #: HAL506UA-A
$0.75
Programmable Linear Hall-Effect Sensors with
Arbitrary Output Part #: HAL855UT-A
$3.85
Tabela 1: Lista de preços de vários sensores de efeito Hall.
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7 TIPO E SINAL PRODUZIDO
Os sensores Hall podem produzir saídas digitais ou analógicas.
Os sensores digitais são booleanos (ligado ou desligado), enquanto os analógicosfornecem uma saída em tensão contínua que aumenta com a intensidade do campo
magnético.
8 PROCESSAMENTO DE SINAL NECESSÁRIO
Os dispositivos de efeito Hall produzem um nível muito baixo de sinal de tensão.
Portanto, no uso como transdutores, necessitam de amplificação.
Usualmente, a eletrônica de condicionamento de sinal, além do bloco amplificador,
inclui também um bloco de compensação de temperatura.
9 CUIDADOS DE INSTALAÇÃO
Na instalação de sensores Hall, deve-se tomar os seguintes cuidados:
• quando instalar, deve-se, na medida do possível, reduzir o estresse mecânico
no CI Hall a fim de evitar a influência do ponto de operação e do ponto de
liberação;
• temperatura de solda dos espaçamentos (do condutor) deve ser inferior a
260 ºC por um período de até 5 segundos;
• se o pólo norte se aproximar pelo lado de trás do pacote do CI de efeito
Hall, a tensão de saída irá aumentar. Se o pólo sul se aproximar pelo lado de
trás do pacote do CI, a tensão de saída irá diminuir. E se aproximar-se do CI
pelo lado marcado do pacote, a situação da saída é a oposta.
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10 APLICAÇÕES
Atualmente existem inúmeras aplicações destes sensores. Como exemplos,aplicações em servomotores, em vídeos cassetes, sensores de catraca para controle de
acesso, sensores de velocidade, sistemas de injeção em motores automotivos, em
medição de corrente, potência e campo magnético, controle de motores DC sem escova,
sensores de proximidade, controle de rotação e controle de posição.
Os sensores de posição por efeito Hall são utilizados especialmente como sensores
de proximidade. Em automóveis, podem detectar a posição do pistão e a abertura de
vidros, entre outras utilidades.
Figura 4: Arranjo básico para medição de grandezaselétricas como um sensor de efeito Hall
Figura 5: Sensor de efeito Hall como sensor deposição
11 PRODUTO COMERCIAL
O produto comercial escolhido para análise é o TP301, um transmissor para
medidas de posição (tanto deslocamento/movimento linear quanto rotativo), produzido
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pela empresa Smar.
A parte referente ao sensor de posição por efeito Hall é feita acoplando-se um imã
ao eixo (parte móvel) da válvula que, de acordo com a posição/deslocamento deste,
encontra-se mais ou menos distante do sensor Hall. Este, por sua vez, disponibiliza em
sua saída uma tensão correspondente à posição relativa entre imã/sensor. Esta tensão
será, então, convertida em um sinal proporcional de corrente (entre 4 e 20mA) de modo
a possibilitar a transmissão do valor do mensurando.
Classificação quanto ao uso de fontes de energia
O instrumento pode ser classificado como sendo ativo, pois necessita de uma fontede energia externa para funcionar.
Classificação quanto ao tipo de sinal produzido
O instrumento pode ser classificado como digital. O sinal disponibilizado em sua
saída (display LCD) corresponde à conversão A/D de um sinal de tensão analógico
proporcional à distância relativa entre imã/sensor. Portanto, os valores de saídaindicados formam um conjunto finito enumerável de possibilidades.
Classificação quanto ao método de medição utilizado
O medidor emprega medição por deflexão. Uma variação do mensurando (posição
do eixo da válvula) conduz a uma variação correspondente da indicação do instrumento.
11.1 PROCEDIMENTO PARA CALIBRAÇÃO DO TRANSMISSOR DE
POSIÇÃO
Como o transmissor apresenta processamento embarcado e interface com
microcomputador, a calibração pode ser feita tanto localmente (no próprio instrumento)quanto via software.
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Além disso, devido à tecnologia empregada, a calibração do transmissor dispensa
dispendiosos ajustes manuais, conforme explicado pelo fabricante.
Para o caso de calibração local:
11.1.1 Ajuste de zero
De acordo com o manual,
“Passo 1: Posicione o ímã no ponto inferior do curso e, a seguir, insira o cabo da
chave no orifício Z”.
Com esse procedimento, faz-se o ajuste de zero do transmissor. Em outras
palavras, nesse ponto específico da posição do eixo, a saída do transmissor indicará 0
(zero).
11.1.2 Ajuste de ganho/sensibilidade
“Passo 2: Para o valor superior, posicione o ímã no ponto superior e insira a chave
no orifício S.
Após a realização desses passos, movimente o ímã pelo curso e confira as
indicações das posições no indicador. Se estiverem corretas, o seu transmissor está
calibrado. Caso contrário, repita os passos anteriores”.
Em outras palavras, dado que o zero foi anteriormente ajustado, o deslocamento
entre a posição zero e a posição superior pode ser estabelecido. Portanto, é possível
determinar, relativo ao ponto zero, a posição do ponto superior.
Dado os dois pontos extremos da curva estática, o medidor é capaz, para uma
terceira condição de posição, de determinar o deslocamento em relação àqueles.
Portanto, consegue indicar o valor relativo de tal condição de posição.
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12 ESPECIFICAÇÕES DE DESEMPENHO
De acordo com o fabricante do instrumento, tem-se as seguintes especificações,
transcritas exatamente como constam no manual:
• Calibração de posição (pontos 4 - 20 mA) via ajuste local ou remoto (via
configurador)
• Curso:
Movimento Linear: 3 - 100 mm
Movimento Rotativo: Ângulo de 30° - 120°
• Indicador digital (LCD) de 4½ dígitos numéricos e 5 caracteres
alfanuméricos (cristal líquido).
• Precisão de 0,1% do Fundo de Escala, incluídos os efeitos de
linearidade, histerese e repetibilidade.
• Resolução ≤ 0,1% do Fundo de Escala.
• Repetibilidade ≤ 0,5% do Fundo de Escala.
• Histerese ≤ 0,2% do Fundo de Escala.
• Estabilidade: ± 0,1% do Fundo de Escala.
• Efeito de Temperatura: ± 0,8% / 20ºC do Fundo de Escala.
Considerando o caso, para exemplificação, em que foram feitos os ajustes de
mínimo e máximo como
=→=
=→=
mAsaídamm
mAsaídamm
20100max
43min, tem-se:
• Faixa nominal = 4 a 20mA -> 0 a 97mm
• Fundo de escala = 20mA -> 97mm
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• Faixa de trabalho = 0 a 97mm
• Precisão = 0,1% do fundo de escala = m A µ µ 9720 →
• Resolução ≤ 0,1% do fundo de escala = m A µ µ 9720 →
• Repetibilidade ≤ 0,5% do fundo de escala = m A µ µ 485100 →
• Histerese ≤ 0,2% do fundo de escala = m A µ µ 19440 →
• Estabilidade: ± 0,1% do fundo de escala = ± ( m A µ µ 9720 → )
• Efeito de temperatura: ± 0,8% / 20ºC do fundo de escala = ± (
m A µ µ 776160 → ) / 20ºC
Como visto acima, as especificações dadas no manual, além de incompletas, não
estão totalmente de acordo com o VIM. Termos como “repetibilidade” ou
“estabilidade”, não mencionados em sala de aula, não possuem sequer uma explicação
do que sejam.
Além disso, no manual não há informações importantes, como o número de bits,
referentes ao conversor A/D.
Portanto, o que se entende de tais dados é que, quando o máximo e mínimo são
ajustados nesses pontos (100mm e 3mm, respectivamente), será possível a leitura de
deslocamento/posição entre 0 e 97mm, com uma incerteza expandida de ± m µ 97 e
resolução menor (sem o conhecimento do quão menor) que m µ 97 .
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13 CONCLUSÃO
O sensor de efeito Hall pode ser empregado em uma grande variedade de
instrumentos. Essa versatilidade deve-se às características satisfatórias de linearidade,sensibilidade e tempo de resposta reduzido.
Outras razões para o extenso uso de sensores Hall são, principalmente, a facilidade
de montagem e operação, dimensões reduzidas e pelo baixo custo, tanto de aquisição
quanto de manutenção.
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14 REFERÊNCIAS:
• http://www.bbautomacao.com.br/hall_magnetico/Pesquisa_Desenvolvimento.htm
• http://www.bbautomacao.com.br/hall_magnetico/PDFs_Portugues/Circuito%20Integrado%20Efeito%20Hall%20CYD%20543.pdf
• http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect
• http://www.smar.com/brasil2/
• Manual Transmissor de posição TP301 - Smar
• (ebook - english) CRC Press, Measurement, Instrumentation, and Sensors
Handbook.pdf - Product Manager: Maureen Aller- Project Editor: Susan Fox
• Balbinot, Alexandre; Brusamarelo, Valmer João. Instrumentação e Fundamentos
de Medidas, vol. 1 e 2. Rio de Janeiro: LTC 2007