مسبار مستشعر القاعة

مسبار هول هو جهاز يستخدم مستشعر تأثير هول المعاير لقياس قوة المجال المغناطيسي بشكل مباشر. ونظرًا لأن المجالات المغناطيسية لها اتجاه وكذلك حجم، فإن النتائج من مسبار هول تعتمد على اتجاه المسبار وموضعه.

مسبار هول هو مستشعر تأثير هول متطور مدمج مع إلكترونيات الأجهزة. تم تصميم هذه المكونات لتضخيم وتصفية وتحويل خرج المستشعر إلى إشارة رقمية بشكل تعاوني، مما يتيح إجراء قياسات دقيقة لكثافة التدفق المغناطيسي. يتوافق الخرج بشكل مباشر مع شدة المجال المغناطيسي.

ما هو الحقل B؟
يُشار إلى الحقل المغناطيسي غالبًا باسم الحقل B، وهو حقل متجه. وبعبارة مبسطة، يشير هذا إلى أنه يمتلك اتجاهًا وحجمًا، ويمكن فصله عند أي نقطة معينة إلى ثلاثة مكونات متعامدة على بعضها البعض. يمكن تصور ذلك بشكل بديهي للغاية: تخيل خطوط المجال المغناطيسي الناشئة من القطب الشمالي للمغناطيس وتنتهي عند قطبه الجنوبي. يوضح هذا المحاذاة اتجاه الحقل B.

من الأمثلة الرائعة على عمل المجال المغناطيسي ب البوصلة. فهي تشير دائمًا إلى الشمال الجغرافي للأرض لأنها تتوافق مع المجال المغناطيسي. ومن المثير للاهتمام أن هذا يعني أن الشمال المغناطيسي للأرض هو في الواقع قطب مغناطيسي جنوبي، لأنه يجذب القطب الشمالي للبوصلة، مما يكشف عن جانب يخالف البديهة في اتجاه الأرض المغناطيسي.

اعتبارات التوجيه والتركيب
إن تكوين مسبار هول وموقعه في المجال المغناطيسي أمر بالغ الأهمية لعمله الأمثل. في المقام الأول، يعتبر عنصر هول، باعتباره بنية ذات أبعاد 2-، شديد الحساسية ويقدم القراءات الأكثر دقة عندما يتم ترتيبه بشكل عمودي على اتجاه المجال B. والاتجاه مهم؛ على سبيل المثال، في ترتيب معين، يقرأ المسبار مجالاً موجبًا. اقلب الاتجاه، وستحصل على قراءة مجال سالب.

للحصول على قياسات دقيقة، من الضروري أن تكون المنطقة الحساسة للمجس ضمن المجال المغناطيسي الذي تفحصه. كن حذرًا من انحناء المجال الهامشي المحتمل، والذي قد يؤثر على قراءاتك.

علاوة على ذلك، إذا كان مجالك يشتمل على مكونات تيار متردد كبيرة، فيجب أن يكون هيكل تثبيت المجس غير موصل للكهرباء. يساعد هذا الاحتياط في منع عدم الدقة في قياساتك بسبب التيارات الدوامية. بهذه الطريقة، تضمن سلامة بياناتك وفعالية مجس هول الخاص بك.

حقول ب ذات الأيونات الموجبة
غالبًا ما تقيس مجسات Pyramid Hall الكهرومغناطيسات في خطوط الشعاع. تخيل أن مغناطيسًا كهربائيًا ينشئ مجالًا يحرف شعاعًا أيونيًا موجبًا. في هذا السيناريو، تتوافق القراءة الموجبة من مسبار هول بشكل مباشر مع اتجاه تدفق التيار داخل الكهرومغناطيسات. وبالتالي، توفر قراءات مسبار هول مؤشرًا دقيقًا لسلوك شعاع الأيونات في هذه الأنظمة، مما يعزز إدارة خطوط الشعاع والأداء.

ولتوضيح ذلك، لنفترض أن مغناطيسًا كهربائيًا يولد مجالًا يحرف شعاعًا من الأيونات الموجبة. ويوضح الشكل المرفق هذا السيناريو للرجوع إليه. وفي الاتجاه الموضح، تشير القراءة الموجبة من مسبار هول إلى انحراف في نفس اتجاه تدفق التيار داخل المغناطيسات الكهربائية.

التغلب على تحديات التكرار
إن مجسات هول، على الرغم من كونها أدوات ممتازة لقياس المجالات المغناطيسية، قد تكون عرضة للانحراف بسبب التقلبات في درجات الحرارة والتعرض للإشعاع. ويمكن أن يؤثر الانحراف في درجات الحرارة على دقة القراءات من خلال التسبب في تحولات في إشارة الخرج، مما يؤدي بالتالي إلى قياسات لا تمثل انعكاسات حقيقية لشدة المجال المغناطيسي. وعلى نحو مماثل، يمكن أن يؤدي التعرض للإشعاع إلى تلف تراكمي على مستوى أشباه الموصلات، مما يؤثر على أداء المجس وطول عمره بمرور الوقت.

وللتخفيف من حدة هذه المشكلات، يتم استخدام استراتيجيات معينة. على سبيل المثال، تسمح أجهزة استشعار درجة الحرارة المتكاملة بالتعويض في الوقت الفعلي عن انحراف درجة الحرارة. تراقب هذه المستشعرات باستمرار التغيرات في درجات الحرارة وتصحح بشكل ديناميكي ناتج مسبار هول، مما يضمن دقة قياسات المجال المغناطيسي بغض النظر عن الظروف البيئية. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام أشباه الموصلات المقاومة للإشعاع في بناء مسبار هول يعزز بشكل كبير من قدرته على تحمل الإشعاع. وهذا يعني أن المسبار يمكنه الحفاظ على دقته وأدائه حتى في البيئات ذات الإشعاع العالي، مما يجعله أداة لا تقدر بثمن في تطبيقات مثل مسرعات الجسيمات وخطوط الشعاع.

مسبار هول HP1 ومقياس جاوس T1
تم تصميم مسبار هول HP1 ووحدة التحكم T1 بخصائص فريدة، مما يشكل مزيجًا مثاليًا لقياسات المجال المغناطيسي الدقيقة. HP1 هو مستشعر مقاوم للإشعاع، مصمم خصيصًا لتطبيقات المسرع، ويتميز بنطاق اكتشاف واسع يتراوح من 0.1 جاوس إلى 2.8 كيلو جاوس (أو 2.8 تسلا). بفضل مستشعر درجة الحرارة المدمج، يمكن إجراء تصحيح ديناميكي في الوقت الفعلي، كما يتم تعزيزه بواسطة مضخم مكسب عالي الدقة لتحسين الدقة. علاوة على ذلك، يضمن غلاف المستشعر القابل للتخصيص المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد التوافق مع أي تكوين مغناطيسي.

تكمل وحدة التحكم T1 وحدة HP1 من خلال تقديم قياسات من 0 إلى 2.8 تسلا بطريقة ثنائية القطب بالكامل، إلى جانب خصائص ضوضاء ممتازة. تعمل بمعدلات بيانات من 25 كيلو هرتز إلى 10 هرتز وتتفاعل بسلاسة عبر JSON HTTP أو WebSockets أو EPICS API. توفر وحدة التحكم خرج شاشة BNC معايرة بجهد +/-10 فولت، ومثل HP1، تسمح بتصحيح درجة الحرارة الديناميكية وضبط المستخدم على الصفر من خلال واجهة المستخدم الرسومية أو واجهة برمجة التطبيقات القابلة للبرمجة. تضمن هذه التركيبة قياسات دقيقة وموثوقة وسهلة الاستخدام للمجال المغناطيسي.

عندما نتحدث عن مسبار تأثير هول، نحتاج أولاً إلى توضيح بعض المصطلحات. إذا تشكل مجال مغناطيسي حول مجال كهربائي، فإن خطوط المجال لهذين المجالين سوف تتكثف إذا امتدا في نفس الاتجاه. وعلى العكس من ذلك، إذا عملت خطوط المجال هذه في الاتجاه المعاكس، فإنها ستضعف. والقوة التي يتم الوصول إليها في هذه المرحلة هي قوة لورنتز.

إذا أثرت هذه القوة مباشرة على إلكترونات موصل يحمل تيارًا كهربائيًا، متصلًا بلوحة دوائر مطبوعة، فإننا نولد ما يسمى بإزاحة الحمل. وهذا يعني أن هناك نقصًا في أحد الجانبين وفائضًا من الإلكترونات في الجانب الآخر. يؤدي هذا المزيج في النهاية إلى إنشاء مجال كهربائي يسمى تأثير هول.

نأتي الآن إلى مسبار تأثير هول لمقياس جاوس. يُطلق على مجموعة لوحات الدوائر المطبوعة ودائرة التحكم والحقل المغناطيسي اسم مولد هول. إذا ظلت الدائرة المتكاملة ثابتة هنا، فإننا نتحدث عن مسبار هول، الذي يمكن من خلاله قياس المجالات المغناطيسية. تقاس شدة هذه المجالات المغناطيسية عمومًا بالأمبير لكل متر أو بوحدة تسلا. هناك أيضًا وحدة قياس أورستد، لكنها لم تعد مستخدمة. ومع ذلك، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا للنظر في كثافة التدفق المغناطيسي هذه الأيام هي وحدة تسلا، والتي يمكن قياسها أيضًا باستخدام مستشعر تأثير هول.

يتم دفع الإلكترونات عموديًا خارج اتجاه حركتها الأصلي بواسطة اللوحة الموصلة، بحيث تقع أيضًا على جانب واحد من اللوحة. الجهد الكهربائي الناتج يتناسب طرديًا مع المجال المغناطيسي، والذي لا نعرف قوته بعد. إذا استخدمنا الآن جهد هول عبر الموصل، فيمكننا حساب القوى الكهربائية التي تساوي قوة لورنتز وبالتالي قوة المجال المغناطيسي.