Theo quan niệm vật lý, ta có thể nói hiệu ứng Hall có quan hệ với điện thế giữa hai điểm trong vật liệu dẫn và bán dẫn trong từ trường của vật liệu. Khi sử dụng sensor hiệu ứng Hall chỉ có thể phát hiện các vật liệu nhiễm từ. Tuy nhiên, khi sử dụng nam châm vĩnh cửu (hình 3-9), chúng có khả năng phát hiện ra tất cả các vật liệu sắt từ. Khi sử dụng cách này, thiết bị hiệu ứng Hall cảm nhận được độ lớn của từ trường khi không có vật liệu sắt từ trong trường lân cận (hình 3-9a). Khi vật liệu đến gần không gian lân cận với thiết bị, từ trường ở sensor sẽ yếu đi ở chỗ uốn cong của đường thông lượng xuyên qua vật liệu, như đã chỉ ra trên hình 3-9b.
Sensor hiệu ứng Hall dựa theo nguyên lý lực Lorentz, nó có tác dụng khi các phần tứ điện tích đi qua từ trường. Lực này có tác dụng khi các trục trực giao với mặt phẳng được thiết lập bởi hướng của chuyển động của các hạt điện tích và hướng của từ trường. Do vậy, lực Lorentz được cho bởi phương trình sau:
F=q(v X B)
trong đó q l à điện tích, V l à vectơ vận tốc, B l à vectơ từ trường, và dấu “ x ” là tích có
hướng của vectơ. Ví dụ, giả sử có dòng chảy qua chất kích tạp, chất bán dẫn loại n đặt trong từ trường (hình 3-10). Các hạt điện tử là hạt mang chủ yếu trong chất bán dẫn loại n và dòng điện thông thường ngược chiều với dòng điện tử, chúng ta có được hướng trên hình 3-10. Lực này có ảnh hưởng đến các điện tử , nó có khuynh hướng thu thập điện tử ở phía dưới của vật liệu và do vậy, sẽ sinh ra điện áp .
Bằng cách đặt vật liệu sắt từ đến gần thiết bị bán dẫn từ làm giảm độ lớn của từ trường nên đã làm giảm lực Lorentz và cuối cùng làm giảm điện thế rơi trên chất
bán dẫn. Điện thế rơi là chìa khoá để nhận biết không gian lân cận của sensor hiệu ứng Hall. Mức nhị phàn sẽ xem xét sự hiện diện của đối tượng, nó được thực hiện nhờ so sánh với ngưỡng của điện áp ra trên sensor.
Hình 3-9. Hoạt động của sensor hiệu ứng Halỉ khi kết liựp với nam châm vĩnh cửu.
Một điều thú vị là khi sử dụng chất bán dẫn, chẳng hạn là silic, thì có nhiều ưu điểm về: kích cỡ, độ gồ ghề, và
chống giao thoa điện. Hơn nữa, khi sử dụng chất bán dẫn cho phép xây dựng mạch điện tử để khuếch đại và phát hiện một cách trực tiếp trên sensor nên
làm giảm kích thước và giá 2
thành sensor.
ị F=q(v X B)
Chiểu dòng điện
Chiều dòng điện tử (q=-)
Hình 3-10. Minh hoạ điện thếHali
3.4.3. Sensor điện dung —
Không giống như sensor
cảm ứng và sensor hiệu ứng
Hall chỉ phát hiện các vật liệu
sắt từ, còn sensor điện dung là khả năng của điện thế (với độ nhạy biến thiên) để phát hiện các vật liệu chất lỏng và chất rắn. Sensor này phát hiện sự thay đổi điện dung trên bề mặt nơi mà nó được mang đến gần phần tử cảm nhận.
Các thành phần cơ bản của sensor điện dung được chỉ ra trên hình 3.11. Phần tử cảm nhận là bao gồm điện cực nhạy và điện cực chuẩn. Ví dụ, đĩa kim loại và đai được tách rời bởi vật liệu điện môi. Lỗ hổng của không khí khô thường được đặt phía sau phần tử điện dung để cách ly. Phần còn lại của sensor bao gồm mạch điện tử, nó được đóng trong lớp vỏ bằng nhựa tổng hợp để làm tăng độ bền của máy.
V I , ; . . . , . I , u : 1,1.A Vỏ h ộ pĐ iện cực c h u a n Đ iện cực c h u a n Dialectric Bịt k ín b ằ n g n h ự a M ạch in Đ iện cự c n h ạ y
Hình 3-11. Sensor điện dung cự ly gần.
Phương pháp dùng điện tử để phát hiện không gian lân cận dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung. Một phần mạch dao động được thiết kế sao cho dao động xuất hiện khi điện dung của sensor vượt quá ngưỡng quy định. Khi bắt đầu dao động, nó được biến đổi thành điện thế lối ra để khẳng định sự có mặt của đối tượng. Phương pháp này có lối ra ở dạng nhị phân, độ nhạy trigger (khởi phát) phụ thuộc vào giá trị ngưỡng.
Phương pháp phức tạp hơn là sử dụng phần tử điện dung như là một phần của mạch điện, nó liên tục điều khiển nhờ tín hiệu sin chuẩn. Sự thay đổi trong điện dung tạo ra sự dịch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu nhận được từ phần tử điện dung. Sự dịch pha này tỷ lệ với sự thay đổi điện dung và do vậy, có thể sử dụng nó như thành phần cơ khí cơ bản để phát hiện không gian lân cận.
Hình 3.12 minh hoạ cách điện dung biến đổi theo hàm của khoảng cách của sensor cự ly gần dựa trên những khái niệm vừa thảo luận trên. Một điều thú vị là độ nhạy giảm xuống vài milimet, và hình dạng của đường cong đáp ứng phụ thuộc vào vật liệu được dùng làm cảm nhận. Thông thường, các sensor này hoạt động trong mođe nhị phân, khi sự thay đổi điện dung lớn hơn ngưỡng đặt trước T thì ta nói rằng đã xuất hiện đối tượng, khi sự thay đổi nhỏ hơn ngưỡng thì chỉ thị sự vắng mặt của đối tượng, giới hạn phát hiện được thiết lập bởi giá trị T.
Hình 3-12. Khả năng của sensor điện dưng là hàm của
khoảng cách A C /C (%) 20 10 lỉ 0 15