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Sensores Magneticos

La mayoría de los sensores magnéticos funcionan por un fenómeno físico llamado efecto hall. Veamos un poco de que trata.
En un conductor por el que circula una corriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento de las cargas, aparece una separación de cargas que da lugar a un campo eléctrico en el interior del conductor, perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado. A este campo eléctrico se le denomina campo Hall. Llamado efecto Hall en honor a su modelador Edwin Herbert Hall.

Explicación cualitativa del efecto hall clásico.

Cuando por un material conductor o semiconductor, circula una corriente eléctrica, y estando este mismo material en el seno de un campo magnético, se comprueba que aparece una fuerza magnética en los portadores de carga que los reagrupa dentro del material, esto es, los portadores de carga se desvían y agrupan a un lado del material conductor o semiconductor, apareciendo así un campo eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería (). Este campo eléctrico es el denominado campo Hall (), y ligado a él aparece la tensión Hall, que se puede medir mediante el voltímetro de la figura.
En el caso de la figura, tenemos una barra de un material desconocido y queremos saber cuáles son sus portadores de carga. Para ello, mediante una batería hacemos circular por la barra una corriente eléctrica. Una vez hecho esto, introducimos la barra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular a la tableta.
Aparecerá entonces una fuerza magnética sobre los portadores de carga, que tenderá a agruparlos a un lado de la barra, apareciendo de este modo una tensión Hall y un campo eléctrico Hall entre ambos lados de la barra. Dependiendo de si la lectura del voltímetro es positiva o negativa, y conociendo la dirección del campo magnético y del campo eléctrico originado por la batería, podemos deducir si los portadores de carga de la barra de material desconocido son las cargas positivas o las negativas.
En la figura siguiente vemos como el material tiene dos zonas: la de la izquierda y la de la derecha. En una zona, los portadores son huecos y en la otra electrones.

 Diagrama del efecto Hall, mostrando el flujo de electrones. (en vez de la corriente convencional).

1. Electrones
2. Sensor o sonda Hall
3. Imanes
4. Campo magnético
5. Fuente de energía

Descripción

En la imagen A, una carga negativa aparece en el borde superior del sensor Hall (simbolizada con el color azul), y una positiva en el borde inferior (color rojo). En B y C, el campo eléctrico o el magnético están invertidos, causando que la polaridad se invierta. Invertir tanto la corriente como el campo magnético (imagen D) causa que la sonda asuma de nuevo una carga negativa en la esquina superior.

Aplicaciones de afecto hall

  • Los sensores de Efecto Hall permiten medir:
  • La movilidad de una partícula cargada eléctricamente (electrones, lagunas, etc).
  • Los campos magnéticos (Teslámetros)
  • La intensidad de corrientes eléctricas (sensores de corriente de Efecto Hall)
  • También permiten la elaboración de sensores o detectores de posición sin contacto, utilizados particularmente en el automóvil, para detectar la posición de un árbol giratorio (árbol de levas, caja de cambios, paliers, etc.).
  • Encontramos también sensores de efecto Hall bajo las teclas de los teclados de los instrumentos de música modernos (órganos, órganos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste que sufren los contactos eléctricos tradicionales.
  • Encontramos sensores de efecto Hall en el codificador de un motor de CD.
  • Los motores de Efecto Hall (HET) son aceleradores de plasma de gran eficacia.

Magnetómetro

Antes que nada, les recordamos que magnetómetro, compas (brújula digital) son la misma cosa y solo pendenciando de la aplicación seria el nombre que recibiría.

¿Qué es un magnetómetro?

Se llaman magnetómetros a los dispositivos que sirven para cuantificar en fuerza o dirección la señal magnética de una muestra.

El magnetismo varía de lugar en lugar y a las diferencias en el campo magnético terrestre (la magnetósfera) y puede ser causada por las diferentes naturalezas de las rocas y la interacción entre las partículas cargadas del Sol y la magnetósfera de un planeta. Los magnetómetros son un frecuente componente instrumental de naves espaciales que exploran planetas.

Importancia de los magnetómetros.

La Tierra genera un campo magnético que crea disturbios magnéticos medibles en la atmósfera. Un magnetómetro es un instrumento científico que mide este fenómeno en términos de densidad de flujo magnético. La unidad científica para la lectura de la densidad del flujo magnético es el Tesla o As/m2. Las sustancias y materiales que perturban este flujo se denominan magnéticos. Cuando hay materiales magnéticos presentes, un magnetómetro detecta la cantidad de distorsión que estos materiales causan en el campo de la Tierra. Un magnetómetro no sólo nos dice cómo afectan el flujo magnético ciertos materiales magnéticos en particular, sino que también puede medir la fuerza de los campos magnéticos. Esta información puede utilizarse para discernir la dirección, la rotación y el ángulo de los campos magnéticos, así como la ubicación de objetos específicos dentro de ellos.

Tipos de magnetómetros.

Magnetómetros escalares: solo miden la intensidad del campo magnético al que están sometidos. cómo por ejemplo el A1391.Además de tener una magnitud, el flujo magnético también tiene una dirección o vector. Los magnetómetros vectoriales miden las propiedades del campo magnético que viajan en una determinada dirección. Estos instrumentos ofrecen una lectura más precisa de la densidad del flujo magnético al eliminar la sensibilidad cruzada y funcionar con un nivel de ruido muy bajo.

Uso del sensor a1391

Empecemos con el sensor de efecto hall A1391 el cual tiene Vout analógico el cual cambia en función a la intensidad del campo magnético al que es sometido.

Sensor conectado en un protoboard.

  • VCC a 3.3V
  • GND a gnd (tierra)
  • SLP a VCC
  • VREF a VCC
  • VOUT a pin A0-A5 arduino

Un ejemplo del código para arduino lo podrán encontrar en la pagina del producto. (LINK)

Cargamos el ejemplo y veremos algo así:

Datos mostrados por la componente X del campo magnético.

También podemos ver Vout con un osciloscopio sin necesidad de código y veremos cómo incrementa o disminuye Vout dependiendo del polo del imán que este de frente al sensor.

Vout se mantiene a 1.5V en ausencia del campo magnético.

 Imagen que muestra el voltaje de Vout constante a 1.5 V

Vout sube de 1.5V hasta 3V(saturación) cuando uno de los polos del imán es acercado al sensor.

 La imagen muestra el asenso de voltaje de 1.5V a 3V.

Vout baja de 1.5V hasta 0V cuando el otro polo del imán es acercado al sensor

Imagen que muestra el voltaje en 0V.

Entonces tenemos tres estados 0V para un polo, 1.5V para usencia de campo y 3V para el otro polo del campo. Esto hace que este pequeño sensor sea muy versátil en muchas aplicaciones magnéticas.

Nota:Revise la hoja de datos del fabricante si usted piensa usar este sensor como un encoder, para ver que cumpla con sus especificaciones.

Uso del magnetómetro con arduino.

Ahora vamos a ver un sensor magnético funcionando como un magnetómetro.Hacemos las conexiones del sensor con el arduino cómo se en la imagen posterior. A diferencia del sensor A1391 que es analógico este sensor es digital usando el protocolo I2C, puede checar nuestro tutorial del I2C.

Conexión de un magnetómetro con el Arduino.

Bajamos el  código de aquí (DESCARGA)
Abrimos la terminal serial del arduino y nos preguntará que eje queremos medir ingresamos 1 en la barra de texto y damos “ENTER” y empezará a arrojarnos valores en miliGauss.

Ejes de medición.

Sensor apuntando con el eje X hacia el norte magnético. Donde el máximo valor para cada eje se alcanza cuando se encuentra sobre el sentido del campo magnético, primero alejamos nuestro sensor de toda fuente que genere algún campo magnético (motores, monitores, fuentes, etc.) entonces con el eje X activo buscamos donde el sensor arroja el valor más alto en milliGauss y ese señor es la dirección del polo norte magnético como se muestra en la imagen anterior. Ahora bien el sensor medirá el campo de mayor fuerza presente entonces acerquen un imán por cualquier lado  y vean lo que pasa.

Los valores del sensor aumentan o disminuyen según la distancia del imán que acerquemos sin importar desde donde acerquemos el imán el sensor arroja los valores para la componente X del campo magnético. Si dejan fijo en imán y miden los ejes Y y Z medirán las componentes en cada uno de los ejes del campo magnético presente. Usando las componentes en X,Y y Z del campo magnético presente podremos calcular su dirección y convertir nuestro magnetómetro en una brújula digital y lo usamos para medir el campo de la tierra.