sensordeposicao efeitohall ariadne marcelo

8/8/2019 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.



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.



8

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



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