传感器课件-8霍尔传感器

第八章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、 霍尔集成电路 的 特性 及其在检测技术中的应用， 还涉及 交直流电流传感器 以及 安全栅 。 霍尔元件是 一种 四端元件 第一节 霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中， 磁场方向垂直于薄片，当有电流 I 流过薄片时，在 垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH，这 种现象称为 霍尔效应 。 磁感应强度 B为零时的情况 c d a b 磁感应强度 B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度 B越强 ， 霍尔电势 也就越高 。 霍尔电势 EH可用下式表示： EH=KH IB 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用， 向内侧（ d侧）偏移，在半导体薄片 c、 d方 向的端面之间建立起霍尔电势。 c d a b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度 B不垂直于霍尔元件 ， 而是与其 法 线成某一角度 时 ， 实际上作用于霍尔元件上的 有效 磁感应强度 是其法线方向 （ 与薄片垂直的方向 ） 的分 量 ， 即 Bcos， 这时的 霍尔电势与法线的夹角的余弦 成正比 ： EH=KHIBcos 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 演示 结论： 霍尔电势与输入电流 I、磁感应强度 B成正比。 当 B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率 的交变电势 。 a c d b 霍尔元件的主要外特性参数 最大 磁感应强度 BM 上图所示霍尔元件的线性范围是 负的多少高斯 至正的多少高斯 ？（ 1T 104Gs） 线性区 霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大 激励电流 IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故 在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励 电流增大，霍尔元件的 功耗增大 ， 元件的温度 升高 ，从而 引起霍尔电势的温漂增大 ，因此每 种型号的元件均规定了相应的 最大激励电流 ， 它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个 激励电流的数值较为妥当 ？ 8 A 0.8mA 8mA 80mA 第二节 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如 UGN3501等。 线性型三端 霍尔集成电路 线性型霍尔特性 右图示出了具有双 端差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性曲 线。当磁场为零时，它 的输出电压等于零；当 感受的磁场为正向（磁 钢的 S极对准霍尔器件 的正面）时， 输出为 正；磁场反向时，输出 为负。 请画出线性范围 开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将 霍尔元件 、 稳 压电路 、 放大器 、 施密特触发器 、 OC门 （集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时， OC门 由高阻态变为导通状态，输出变为低电平 ； 当 外加磁场强度低于释放点时， OC门重新变 为高阻态，输出高电平 。较典型的开关型霍 尔器件如 UGN3020等。 开关型霍尔集成电路 的外形及内部电路 OC门 施密特 触发电路 双端输入、 单端输出运放 霍尔 元件 . Vcc 开关型霍尔集成电路 （ OC门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来 . 开关型霍尔集成电路 与继电器的接线 ? 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越 大，抗振动 干扰能力就 越强。 当磁铁 从远到近地接近霍尔 IC，到多少 特斯拉时输出翻转？当 磁铁从近到远地远离 霍尔 IC，到多少特斯拉时输出 再次翻转 ？ 回 差为多少特斯拉 ？相当于多少高斯（ Gs）？ 第三节 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于 I、 B、 三个变量的函 数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使 其中两个量不变 ， 将 第三个量作为变量 ，或者固定其中一个量， 其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器 有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为 磁场变化的其他物理量。 霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件 霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件 磁铁 霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件 测量铁心 气隙的 B值 霍尔转速表 60 22 fn 在被测转速的转轴上安装一个 齿盘 ，也可选取机 械系统中的一个 齿轮 ，将 线性型 霍尔器件及磁路系统 靠近齿盘 。齿盘的转动使磁路的 磁阻随气隙的改变 而 周期性地变化，霍尔器件输出的 微小脉冲信号经隔直、 放大、整形后可以确定被测物的转速 。 设该齿轮有 22个齿 S N 线性霍尔 磁铁 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线 集中穿过霍尔 元件 ，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形 后输出高电平；反之，当 齿轮的空挡对准霍尔 元件时，输出为低电平 。 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 （ ABS）中的应用 若汽车在刹车时车轮被 抱死 ，将产生危险。 用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的 转动 ， 有助于 控制刹车力的大小 和防止 侧偏 。 带有微 型磁铁 的霍尔 传感器 钢质 霍尔 霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在 缺口或突 起 ，就 可产生磁场强度的脉动 ，从而 引起霍尔 电势的变化 ， 产生转速信号 。 霍尔元件 磁铁 霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无 触点电子点火装置 能较好地 克服汽车 合金触点点火时间 不准确、 触点易烧 坏 、 高速时动力不 足 等缺点 。 汽车点火线圈 高压输出 接头 12V低压电源 输入接头 霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（ PNP型霍尔 IC） a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集 成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 霍尔式无触点汽车电子点火装置 (续） 汽车电子点火电路及波形 1 点火开关 2 达林顿晶体管功率开关 3 点火线圈低压侧 4 点火线圈铁心 5 点火线圈高压侧 6 分火头 7 火花塞 a）电路 b）霍尔 IC及点火线圈高压侧输出波形 霍尔式无触点汽车电子点火装置 (续） 当叶片遮挡在霍尔 IC面前时， PNP型霍尔 IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通 状态， 点火线圈低压侧有较大电流通过 ，并以 磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中 。 当叶片槽口转到霍尔 IC面前时， 霍尔 IC输 出跳变为高电平 ，经反相变为低电平， 达林顿 管截止 ， 切断点火线圈的低压侧电流 。由于没 有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的 磁 场能量在高压侧感应出 3050kV的高电压 。 汽车电子点火装置使用的点火控制器、 霍尔传感器及点火总成 磁铁 点火总成 霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机 取消 了换向器和电刷 ，而 采用霍尔 元件来检测转子和定子之间的 相对位置 ，其输出信号控制电 枢电流的换向，维持电动机的 正常运转。 由于无刷电动机 不产生 电火花及电刷磨损等问题 ，所 以它在 录像机、 CD唱机 、光 驱等家用电器中得到越来越广 泛的应用。 普通直流电动机使 用的电刷和换向器 无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车 可充电 电池组 无刷电动机 无刷电动机在电动 自行车上的应用 无刷直流电动机 的 外转子采用高性能 钕铁硼稀土永磁材料 ； 三个霍尔位置传感器 产生六个状态编码信 号 ， 控制逆变桥各功 率管通断 ，使 三相内 定子线圈与外转子之 间产生连续转矩 。具 有效率高、无火花、 可靠性强等特点。 电动自行车的 无刷电动机及控制电路 去速度 控制器 利用 PWM 调速 光驱用的无刷电动机内部结构 霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接 近、并达到动作距离时， 霍尔式接近开关动作。霍 尔接近开关一般还配一块 钕铁硼磁铁。 霍尔式接近开关 用霍尔 IC只能用于铁 磁材料的检测，并且还需要 建立一个较强的闭合磁场。 当磁铁随运动部件移动到 距 霍尔接近开关几 毫米 时， 霍尔 IC 的输出由高电平 变为低电平 ，使 继电器吸合或释 放 ，控制运动部 件 停止移动 （否 则将撞坏霍尔 IC）， 起限位的 作用 。 霍尔式接近开关用于 转速测量演示 n = 60 f 4 (r/min) 软铁分流翼片 开关型霍尔 IC T 霍尔电流传感器 将 被测电流的 导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔 。 当有电流通过导线 时， 在导线周围将 产生磁场 ，磁力线 集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿 过霍尔元件 ，从而 产生与电流成正比 的霍尔电压 。 霍尔电流传感器演示 铁心 线性霍尔 IC E H=KI I 所实现的多媒体界面： 其他霍尔 电流传感器 其他霍尔电流 传感器（续） 霍尔钳形电流表（交直流两用） 压舌 豁口 霍尔钳形电流表演示 直流 200A量程 被测电流的 导线未放入 铁心时示值 为零 70.9A 钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过 霍尔钳形 电流表演示 霍尔钳形 电流表演示 70.9A 霍尔钳形电流表的使用 被测电流的导线从此处穿入 钳形表的环形铁心 手指按下此处，将钳形表的 铁心张开 将被测电流导线逐根夹 到钳形表的环形铁心中 将空调电源的“三芯护套线” 夹到钳形表的环形铁心中，钳 形表的示值为多少？为什么？ 霍尔钳形电流表的使用（续） 叉形 钳形表 漏磁稍大， 但使用方便 用 钳形表测量 电动机的相电流 霍尔式电流 谐波分析仪 被测电流的 谐波频谱 铁心的 开合缝隙 铁心的 杠杆压舌 霍尔电流传感器的技术指标 某型号霍尔电流传感器技术指标 额定输入电流： 300A 额定输出电： 4 1% V 电源电压： 15 5% V 失调电压： 25 mV 失调电压漂移： 1mV/ 线性度： 1%FS 响应时间： 7S 绝缘电压： 50HZ， 1min， 2.5 KV 工作温度： -10 +70 匝数比： 1： 2000 闭环霍尔电流传感器的原理电路 霍尔电流传感器的技术指标与计算 “匝数比” ： P S S P I I N N NP被定义为 “ 一次测线圈 ” 的匝数， 一般取 NP=1； NS为厂家所设定的 “ 二次侧线圈的匝数 ” 霍尔电流传感器的计算 设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比 NP/NS=1/2000，标准额定电流值 IPN=300A，二 次侧的负载电阻 RS=30。通电后，用电流表测 得二次侧电流 IS=0.1A，求输出到弱电回路的电 压 US和被测电流 IP。 解： 1） US=RS IS=3V 2）根据 匝数比公 式被测电流 IP为： A20 0A1.020 00S P S I N NI P