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 da 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 da 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 10 4Gs）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 22fn 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 f4 (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 EH=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 K V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 ” ： PSSP IINN NP被 定 义 为 “ 一 次 测 线 圈 ” 的 匝 数 ，一 般 取 NP=1；N S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 I P为 ： A200A1.02000SPS INNIP