Guia 9 Sensores Hall

UNIVERSIDAD MANUELA BELTRÁN

MACROPROCESO DE RECURSOS E INFRAESTRUCTURA ACADÉMICA

FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO

Fecha: Abril 2011 Código: GRL-006 Versión: 4.0

INFORMACIÓN BÁSICA

NOMBRE DE LA PRÁCTICA:SENSOR INDUCTIVO DE EFECTO HALL

PRÁCTICA No.:9

ASIGNATURA:LABORATORIOS DE SENSORES TEMA DE LA PRÁCTICA:SENSOR INDUCTIVO DE EFECTO HALL

LABORATORIO A UTILIZAR:LABORATORIO DE BIOMÉDICA

CONTENIDO DE LA GUÍA

OBJETIVOS.

Comprender el principio físico del efecto hall y sus aplicaciones en ingeniería

Conocer sobre el acondicionamiento de la señal de efecto hall

Diseñar un dispositivo sensor de distancia a través del efecto hall

INTRODUCCIÓN.

El ingeniero en instrumentación debe estar en capacidad de diseñar el procesamiento análogo para diferentes tipos de sensores sin importar el tipo de señal que entreguen. La estructura de un sistema de adquisición es muy importante para el diseño y el desempeño del dispositivo final.

A través de este laboratorio nos introduciremos en el diseño e implementación sistemas de acondicionamiento de señales para sensores de efecto hall, aplicado en la detección de movimiento y distancia, conocimiento que extrapolará al diseño de sistemas biomédicos donde se requiera censar movimiento.

MARCO TEORICO

El efecto Hall es un fenómeno físico que consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. A este campo eléctrico se le llama campo Hall. Este efecto fue descubierto en 1879 por el físico estadounidense Edwin Herbert. Los sensores basados en efecto Hall constan de un elemento conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita y de esta forma puede determinar la proximidad de un objeto. Los dispositivos de efecto Hall han sido usados relativamente poco en estudios biomédicos, una de sus aplicaciones más obvias es en el mapeo de campos magnéticos producido por una corriente aplicada por electrodos externos en estudios de electro anestesias y desfibrilación ventricular.

Se espera que los dispositivos Hall tengan un uso más extenso en estudios magneto biológicos, los cuales describen los efectos de campos magnéticos en especímenes vivos. El campo magnético que acompaña a una corriente eléctrica de acción biológica puede ser detectada por transductores que utilizan el efecto Hall.

CONSULTA PREVIA





Física mecánica Cursos de electrónica aplicada a sistemas biomédicos Análisis de circuitos Microcontroladores Amplificadores operacionales

METODOLOGIA

La práctica debe ser desarrollada por grupos de dos a tres estudiantes.

Para el desarrollo de la práctica cada grupo cuenta con tres clases prácticas.

MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS A UTILIZAR (Indicar las cantidades)

Materiales y Equipos Reactivos Materiales Estudiante

Estación de trabajo con computador (1).Fuente de Tensión (1).Multimetro (1).Osciloscopio (1).Generador de señales (1).

Sensor HallResistencias.LM324.LEDs.Microcontrolador

PRECAUCIONES Y MANEJO DE MATERIALES Y EQUIPOS. CONSULTA DE EQUIPO ESPECIALIZADO.

¿Funciona correctamente?

Estudiar las características de los elementos a utilizar en la práctica

Diseñar el sistema de acondiciona-miento para la señal de interés. Diagrama de bloques

Diseñar el circuito esquemático correspondiente al sistema de acondicionamiento, comprobar por medio de simulación.

Monte el circuito y acople cada una de las etapas necesarias

Tome las mediciones necesarias para comprobar el funcionamiento del circuito

Responda las preguntas y presente el informe correspondiente de la práctica





No ingresar con maletas al laboratorio. Recuerde que el uso de los computadores es únicamente académico. No cambie los equipos de puesto. No ingrese alimentos al laboratorio. No utilice el cautín dentro del laboratorio. No instale software ilegal en los computadores del laboratorio. Revise las conexiones de su diseño antes de conectarlo a la fuente de esta forma eliminará

posibles fuentes de error. Revise que no haya cortos en el montaje. Revise las conexiones del multímetro para la medición de corrientes y voltajes, recuerde

que una mala medición puede hacer que se queme el fusible interno del multímetro. Revise la polarización de los circuitos integrados antes de encender la fuente. Verifique que el multímetro esté seleccionado para medir voltaje y no corrientes.

PROCEDIMIENTO A UTILIZAR

Diseñe un sistema de reconocimiento de ubicación de un elemento a partir de un sensor de efecto Hall que cumpla con las siguientes características:

1. Detección de la ubicación en una superficie de 10x10cm.2. Indicación de donde se encuentra el elemento.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA.

Pérez, M. “Instrumentación electrónica”. 2ª ed. España: Thompson, 2006.

Pallás, R. “Sensores y Acondicionadores de Señal”. 3ª ed. México: Alfaomega Grupo Editor, 2001.

Helfrick, A.”Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”. México: Prentice Hall Hispanoamérica, 1991.

Webster, J. “Medical instrumentation: application and design”. 3a. ed. New York: John Wiley &Sons, 1998.

ELABORÓ

(Personas que elaboraron la guía)

REVISÓ

(Director de Programa o Área)

APROBÓ

(Laboratorios)

FirmaNombre : Armando A QuiñonesFecha: Diciembre 11 de 2013

FirmaNombre: Diana Estefy GutiérrezFecha: Diciembre 11 de 2013

FirmaNombre : Fecha:

INFORME DE LABORATORIO (Para elaborar por el Estudiante)





ESTUDIANTES:

Juan David MonroyDavid Mendoza

GRUPO:

NOTA:

CARRERA:

Ingeniería Biomédica

Formule tres objetivos que desee cumplir con la Práctica de Laboratorio

Comprender los principios de funcionamiento del efecto Hall.

Analizar sus componentes, acondicionamiento y procesamiento para su

aplicación en sensores.

Diseñar un circuito que a partir de este efecto detecte la posición de un objeto

en un tablero.

Conocer el comportamiento de específicos sensores hall, así como su

capacidad y la manera en que funcionan, para poder determinar el

posicionamiento de un objeto a través de un campo magnético que este genera,

y poder observar e investigar las aplicaciones que se le dan en el campo de la

ingeniería Biomédica.

Elabore un Mapa conceptual del tema a tratar en la Práctica de Laboratorio.





RESULTADOS





Los sensores de efecto hall, en este caso los usamos detectando la posición de un imán en un

campo magnético, en donde realizamos todo el esquema del circuito, y en la unión de 2

protoboards ubicamos de manera táctica 6 sensores, de manera que la posición la definiríamos

de acuerdo al comportamiento de los sensores, realizando un sistema en donde se toman como

referencia para 25 posiciones los sensores más cercanos, y así cuando se encontraba el imán

en un lugar determinado, generaba un campo magnético alrededor de los sensores que le

rodeaban, en donde por medio de mediciones, en donde a través de la interfaz gráfica de

arduino, se determinó cada campo generado de acuerdo a cada posición, para posteriormente

enviar la señal de respuesta a una entrada analógica que fue leída y registrada, y

posteriormente, realizamos la programación adecuada para cada campo magnético, y por medio

de programación, enviamos los datos a la pantalla LCD, de manera que pudimos informar cada

posición por medios visuales, en donde a través del esquema siguiente, nos basamos para

tomar las señales de los sensores de efecto hall:

Podemos observar cómo van conectados los sensores, alimentados por la fuente de 5v del

arduino en este caso, y es una representación esquemática, ya que cada sensor tuvo que estar





ubicado de manera precisa en el campo de 10 cm2, de manera que pudimos determinar la salida

del sensor hall, que estaba conectada a un pin analógico del Arduino. Una entrada analógica del

Arduino, tiene 1024 pasos, es decir una lectura de ese pin, dará 1023 si la salida del pin del

sensor hall da una tensión de 5v, y 0 si la tensión de salida del sensor hall es 0v. El resto de

valores entre 0 y 1023 se pueden calcular con una simple regla de tres. Por ejemplo, la lectura

del pin analógico cuando el sensor hall no tiene ningún campo magnético cerca será de unos

500 pasos que corresponde a 2,5v. Esto quiere decir que puede variar unos 500 pasos hacia

abajo, hasta llegar a cero, o 500 pasos hacia arriba hasta llegar a 1023. Este recorrido de 500

pasos implica que el rango de medición que puede dar este dispositivo en Gauss es de 0 a 1878

Gauss (500*3,756) aproximadamente, ya que lo multiplicamos por este factor debido a las

características del sensor usado, en donde cada incremento (paso) en la entrada analógica

significa un incremento de 4,88 mV. Si un paso son 4,88mV, y la sensibilidad es 1,3mV/G, es

decir, cada 1,3 mV de variación, representa un Gauss, entonces cada paso representa 3,756

Gauss o 3756 miliGauss (4,88/1,3).

En nuestra guía convertimos a gauss cada cambio recibido, de manera que pudimos obtener un

campo más amplio en cuanto a rango se refiere, ya que por medio del flujo magnético recibido,

a través de un imán de neodimio, que es uno de los más potentes en el mercado, podemos

obtener un alto rango que nos permitió mayor facilidad de clasificación de cada sensor cuando

estaba el imán en un lugar determinado.

La fórmula que utilizaremos para calcular los Gauss es B=1000*( concampo)/sensibilidad. Si el

resultado es negativo, se trata del polo sur, y si es positivo, se trata del polo norte.

#include <LiquidCrystal.h>

Los pins usados en el código los usamos en el circuito, en donde indica cómo se conecta

el LCD

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

int concampo1=0; //Esta variable almacenará la medición del sensor con un campo magnético

cerca.

int concampo2=0;

int concampo3=0;

int concampo4=0;





int concampo5=0;

int concampo=0;

const long TOMILLIGAUSS = 3756; // Para el sensor: 1.3mV = 1Gauss, y la entrada analógica

varía entre 0 (0V) y 1024 (5000mV).Por lo tanto cada incremento (paso) en la entrada analógica

// significa un incremento de 4,88 mV. Por regla de tres (1*5000/1024).

Posteriormente inicializamos el LCD {

lcd.clear();

lcd.begin(16, 2);

Serial.begin(9600);

}

}

void MedirCampo()

{

// Mide el campo magnético

concampo = analogRead(0); // Rango : 0..1023

long compensada = concampo; // Calcula el incremento o decremento de tensión.

long gauss = compensada * TOMILLIGAUSS / 1000; // Convierte a Gauss el valor de tensión

del sensor hall

concampo1 = analogRead(1);

long compensada1 = sincampo-concampo1;

long gauss1 = compensada1 * TOMILLIGAUSS / 1000;

















Serial.print ( "gauss" );

Serial.println (gauss);

Serial.print ( "gauss1" );

Serial.println (gauss1);









lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Efecto Hall");

posteriormente definimos los rangos en donde pudimos medir el comportamiento de

cada sensore, de acuerdo al cambio de posición del imán, en donde encontramos

valores positivos y negativos de acuerdo al polo magnético que mide, y de acuerdo a la

distancia que se encuentra del sensor, en donde, para cada lectura definimos valores

predeterminados que finalmente entraron en un ciclo que compara constantemente

if (gauss > -743 && gauss < -715) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 1"); } else if (gauss > -595 && gauss < -420) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 2"); } else if (gauss >= -760 && gauss <= -706 && gauss3 >= -910 && gauss3 <= -865) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 3"); } else if (gauss3 > -790 && gauss3 < -334) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 4"); } else if (gauss3 > -912 && gauss3 < -867) { lcd.setCursor(0, 1);





lcd.print("Campo 5"); } else if (gauss >= -674 && gauss <= -650 ) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 6"); } else if (gauss >= -940 && gauss <= -750 && gauss1 >= -894 && gauss3 <= -830) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 7"); } else if (gauss3 >= -840 && gauss3 <= -810 && gauss >= -680 && gauss3 <= -654) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 8"); } else if (gauss3 >= -1200 && gauss3 <= -910) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 9"); } else if (gauss3 >= -840 && gauss3 <= -810) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 10"); } else if (gauss1 >= -822 && gauss1 <= -770) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 11"); } else if (gauss1 >= 300 ) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 12"); } else if (gauss1 >= -920 && gauss1 <= -875 && gauss4 >= -880 && gauss4 <= -810) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 13"); } else if (gauss4 <= -1000) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 14"); } else if (gauss4 >= -880 && gauss4 <= -810) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 15"); } else if (gauss2 >= -810 && gauss2 <= -800) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 16"); } else if (gauss2 >= -690 && gauss2 <= -500 && gauss1 >= -830 && gauss1 <= -690) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 17");





} else if (gauss5 >= -882 && gauss5 <= -860 && gauss2 >= -810 && gauss2 <= -786) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 18"); } else if (gauss5 >= -820 && gauss5 <= -660) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 19"); } else if (gauss5 <= -860 && gauss5 >= -880) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 20"); } else if (gauss2 >= -754 && gauss2 <= -700) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 21"); }else if (gauss2 >= -1200 && gauss2 <= -850) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 22"); }else if (gauss5 >= -820 && gauss5 <= -780 && gauss2 >= -755 && gauss2 <= -720) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 23"); }else if (gauss5 >= -1560 && gauss5 <= -1000) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 24"); }else if (gauss5 >= -836 && gauss5 <= -800) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Campo 25"); } else { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(" *** "); } }

en esta parte del código, condicionamos nuestro circuito de tal manera que va a estar en

un ciclo repetitivo de comparación, en donde se está constantemente revisando cada

condición en cada campo, y así cuando nuestro imán esté presente en un campo

determinado, automáticamente nuestra pantalla LCD muestra la posición, ya que

reconoce los valores en los que se encuentra el campo

void loop()

{

delay(1000);

MedirCampo();

}





En los anteriores ciclos de comparación, encontramos los rangos en donde cada sensor que

tiene el resultado de la variable gauss, gauss1, gauss2, gauss3, gauss4 y gauss5 que

representan a los 6 sensores ubicados en el campo, nos ofrecen qué campo está reconociendo

de acuerdo al lado del polo del imán, que en algunos casos da positivo y en otros casos es

positivo.

Se encuentra en el momento de medir, que un sensor a medida que cambia de posición, se

observa que en algunos rangos de distancia, se puede confundir con otra posición debido a que

están muy cercanas las mediciones y dependen de un sensor las dos posiciones, en donde esta

sensibilidad es una causa de error, que no nos deja medir el campo en todo el cuadro de 2 cm *

2cm, por lo que detectará errores en el momento de medición.

Los errores obtenidos de las 25 posiciones, es que se detectaron 24 en total, y en algunas

posiciones se demoraba en reconocerlas mas que en otras posiciones, por lo que se les puede

considerar causas de error.

CUESTIONARIO

1. Justifique la elección del circuito empleado para el acondicionamiento del sensor

de efecto Hall.

Nuestro circuito fue usado con unas específicas condiciones de ubicación de cada sensor, de

manera que nuestro objetivo fue abarcar de la distribución más adecuada el cubrimiento del

campo sin el uso de más de 6 sensores, por lo tanto, con la menor cantidad de sensores por

hacer económico en el momento de diseñar el circuito, por efectos de practicidad y calidad en el

momento de medir cada campo magnético y cada posición, escogimos realizarlo de esta

manera, y con un microcontrolador, que nos da la oportunidad de controlar los datos y

compararlos constantemente para cada vez que se realiza un cambio de posición, y por lo tanto,

con cada dato obtenido se muestra finalmente el resultado en la pantalla del LCD, que nos

informa en qué posición se encuentra el imán que genera el campo magnético detectado por el

sensor de efecto hall, como se observa a continuación, fueron ubicados los sensores en medio

de las 25 posiciones, de manera que cada cuadro equivale a 2 cm, y por lo tanto, cada sensor

se encarga de referenciar la posición a su alrededor, y así se cumplen todas las condiciones

para ubicar el objeto, en donde en ocasiones, una posición es el resultado de las mediciones de

2 sensores, ya que en esos casos el imán queda en medio de los dos, y se puede detectar con

mayor precisión.





2. Que elementos se pueden emplear para realizar la indicación de ubicación?

Para realizar un circuito capaz de detectar la ubicación de un objeto es necesario utilizar

sensores de efecto Hall como el DHIDSIHDFSI. En este caso, se utilizaron 6 sensores,

colocados cada uno en la mitad de su casilla correspondiente para facilitar los cálculos y

obtener la mayor precisión posible, y a partir de los datos que envía cada sensor, usamos un

microcontrolador que estará comparando constantemente los datos, así como un sistema de

visualización en donde informe al usuario la posición de cada sensor, de manera que es un

sistema integrado que funciona a partir de la lectura de cada sensor cuando el imán se

encuentra en una posición específica

3. Que sugerencias puede hacer para aumentar la distancia de detección.

Para aumentar la distancia de detección es necesario que se usen imanes de neodimio, ya que

actualmente son los más potentes en estos casos, de manera que generarán un mayor campo a

mayor distancia, y la conversión de estos voltios que se reciben del sensor de efecto hall, es

necesario que sea en un amplio rango, debido a que a mayor distancia existirá una menor

variación en el voltaje del sensor y será mas difícil reconocer cada posición, por lo tanto, con

estrategias de ubicación de los sensores, se puede distribuir de la manera más adecuada, en

donde no pierdan su falta de sensibilidad en el momento en el que se encuentre un objeto, por

eso se pueden realizar cálculos con cada sensor, testeando cuál es la mayor distancia que

puede detectar, y así se pueden ubicar en un campo amplio y tomar referencia de dónde se

encuentra el imán a partir de los pequeños cambios de voltaje que se noten en varios sensores,

para ser más preciso en una posición con respecto a varios sensores, en donde a mayor

sensores de efecto hall utilizados, podremos encontrar mayor precisión al momento de detectar

una posición, y debido a que entre más sensores se usen, más cerca podrán estar y por lo

tanto, estarán con una variación de campo mayor, que reduce los errores de detección, gracias

a que aumenta el rango de detección.

4. En qué aplicaciones biomédicas se podría utilizar un sensor de efecto hall?





En ingeniería biomédica es necesario el uso de sensores de efecto Hall para poder adquirir,

procesar y analizar las diferentes señales biomagnéticas del cuerpo humano. Gracias a esto

es posible mapear los campos magnéticos producidos por las corrientes fisiológicas del

cuerpo y diagnosticar alteraciones eléctricas. También es posible ver la aplicación del efecto

Hall en biomédica por medio de la electroestimulación, donde por medios externos se busca

reestablecer el orden eléctrico y magnético del cuerpo para obtener efectos analgésicos y

terapéuticos a nivel muscular principalmente.

CAUSAS DE ERROR Y ACCIONES PARA OBTENER MEJORES RESULTADOS:

Para obtener mejores resultados sería recomendable trabajar con una mayor cantidad de sensores en el diseño de la matriz o tablero sobre el cual se va a trabajar. De esta manera se hace mucho más interesante y visible la detección de un objeto en un área de mayor tamaño a comparación del área trabajada en esta práctica de laboratorio. La distribución de los sensores es clave, se debe garantizar que todos estén formando una matriz simétrica, con una disposición que facilite tanto los cálculos como la programación del circuito.En algunos casos, es complicado determinar los rangos de detección de cada sensor, debido a que en el momento de ubicar un imán en una posición, existe un cuadro de 2 cm*2 cm, de manera que cuando observamos el campo detectado por el sensor, existe una variación que se puede parecer a otra variación de una posición que se encuentre alrededor del mismo sensor, y en el momento de detectar, el sensor puede confundir con los datos de otra posición, por eso se trata de tomar las posiciones de cada campo, cuando el imán se encuentra en el centro del cuadro, para evitar estos errores, por lo tanto, es una causa de error en el momento de detección, ya que sólo se toma la posición central, y así se evita pasar el imán por los límites del cuadro, ya que es difícil determinar con tan pocos sensores dos posiciones que se encuentren muy cercanas, ya que cada referencia depende de un sensor que ha sido ubicado específicamente en lugares donde se logre el mayor cubrimiento de campos magnéticos que se vayan a detectar.

CONCLUSIONES

El efecto Hall permite trabajar con tres variables esenciales que son voltaje, corriente y campo magnético. Gracias a las interrelaciones entre estos tres elementos es posible detectar, variar, y trabajar en general con cada uno según sea la necesidad. Principalmente, los sensores de efecto Hall son utilizados en la detección de posición por campos magnéticos.

Para la detección de posición de un objeto dentro de un área, es necesario garantizar la cantidad





óptima de sensores y la distribución más conveniente de éstos dentro de los límites. Pocos sensores son insuficientes, pero demasiados pueden ser complicados, aparte de innecesarios. Lo ideal es manejar uno por cada casilla, que esté estratégicamente ubicado en el centro del sitio respectivo y abarque el área de la casilla.

Gracias a la programación de microcontroladores es posible facilitar la tarea de detección de posición y análisis de los datos obtenidos por el sensor, pues por medio de condiciones lógicas y ciclos de comparación y análisis se puede identificar fácilmente cuál sensor está recibiendo más información correspondiente a la mayor cercanía del objeto.

APLICACIÓN PROFESIONAL DE LA PRÁCTICA REALIZADA

En ingeniería existen diversas aplicaciones para el efecto Hall. En principio, como se realizó en esta práctica, la aplicación más común es la elaboración de sensores y detectores de posición. Al no tener que haber contacto necesariamente en la detección de posición, es bastante común el uso de sensores de efecto Hall para teclados eléctricos, pues evita el desgaste mecánico en cada pulsación.Aún así, el componente de voltaje, carga eléctrica y campo magnético le permite tener otros usos como teslámetros o medidores de campos magnéticos, sensores de corriente, movimiento de partículas cargadas eléctricamente, o aceleradores de plasma. Por esta razón es de vital importancia conocer los principios de este fenómeno y saber interpretarlos para darle una aplicación óptima en las diversas ramas de la ingeniería, especialmente en el área de instrumentación electrónica, donde sea necesario el uso de sensores inductivos de campos magnéticos y corrientes eléctricas.

BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

1. Pallás, R. “Sensores y Acondicionadores de Señal”. 3ª ed. México: Alfaomega Grupo

Editor, 2001.

2. Davinci Institute. Efecto Hall. Disponible en línea:

http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/fisica.htm. Fecha de consulta:

Noviembre 12 de 2014.

3. Stormer, Horst L., Efecto Hall, Revista de Física Moderna, 71, 4, 1999, 875-889

http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/fisica.htm

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