第十一章霍尔传感器课件

霍尔传感器及反馈测量霍尔传感器及反馈测量霍尔传感器及反馈测量霍尔传感器及反馈测量第第1节节基本问题基本问题第第1节节基本问题基本问题原原理理 霍尔系数霍尔系数I I 控制电流（控制电流（A A）B B 磁感应强度（磁感应强度（T T）d d霍尔元件厚度（霍尔元件厚度（m m）+V2V1V2V1V2V1NoMagneticFieldSouthMagneticFieldNorthMagneticField为恒流符号为恒流符号iii左手定则左手定则霍尔电势霍尔电势洛伦磁力与电场力平洛伦磁力与电场力平衡时达到动态平衡。衡时达到动态平衡。原原理理霍尔系数霍尔系数+符号及基本接口电路符号及基本接口电路1 1、霍尔元件的基本符号、霍尔元件的基本符号2 2、基本接口电路、基本接口电路电电流流源源HallHall基本元件的输出有较强的共模电压，需要使用差动放大电路。最好是使用基本元件的输出有较强的共模电压，需要使用差动放大电路。最好是使用IA(IA(仪器放大器仪器放大器)。为什么？（仪器放大器具有共模抑制比高的特点，由全差动。为什么？（仪器放大器具有共模抑制比高的特点，由全差动放大器与差动放大器组成。放大器与差动放大器组成。）符号及基本接口电路符号及基本接口电路1、霍尔元件、霍尔元件Hall传感器级别传感器级别发展方向发展方向单片单片Hall元件元件一般集成一般集成Hall元件元件可编程可编程Hall元件元件Hall传感器级别发展方向单片传感器级别发展方向单片Hall元件元件霍尔器件的主要描述参数霍尔器件的主要描述参数a)a)额定控制电流额定控制电流b)b)输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻c)c)不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 d d）灵敏度灵敏度 e e）寄生直流电势寄生直流电势U U f f）霍尔电动势温度系数霍尔电动势温度系数 g g）内阻温度系数内阻温度系数h h）热阻热阻 霍尔器件的主要描述参数霍尔器件的主要描述参数a)额定控制电流额定控制电流线性霍尔器件线性霍尔器件THS119SpecificSpecific标称；标称；LinearityLinearity，线性；，线性；sensitivitysensitivity灵敏度灵敏度Temperature coefficient Temperature coefficient 温度系数温度系数线性霍尔器件线性霍尔器件THS119Specific标称；标称；LineariTHS119线性元件的输出特性曲线线性元件的输出特性曲线I IC C=5mA=5mATa=25Ta=25V VH H-B-B160160120120808040400 00 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3MAGNETIC FLUX B (T)MAGNETIC FLUX B (T)HALL VOLTAGGE VH (mA)HALL VOLTAGGE VH (mA)MAGNETIC FLUXMAGNETIC FLUX 磁通磁通THS119线性元件的输出特性曲线线性元件的输出特性曲线IC=5mAVH-B1THS119温度漂移曲线温度漂移曲线注意比较这两张图：一般来讲，恒流激励会有更好的温度稳定性。注意比较这两张图：一般来讲，恒流激励会有更好的温度稳定性。思考：估计从负思考：估计从负40度到度到120度两种情况的输出电压漂移。度两种情况的输出电压漂移。I IC C=5mA=5mAB=0.1TB=0.1TV VC C=4V=4VB=0.1TB=0.1T1021029494868678787070-40 0 40 80 120-40 0 40 80 120环境温度环境温度 Ta()霍尔电压霍尔电压 V VH H (mV)(mV)霍尔电压霍尔电压 V VH H (mV)(mV)14414412812811211296968080-40 0 40 80 120-40 0 40 80 120环境温度环境温度 Ta(Ta()恒流源激励恒流源激励V VH H Ta Ta恒压源激励恒压源激励V VH H Ta TaTHS119温度漂移曲线注意比较这两张图：一般来讲，恒流激励温度漂移曲线注意比较这两张图：一般来讲，恒流激励一般集成一般集成Hall器件的两种常用形式器件的两种常用形式线性线性开关型开关型REGREG123V VCCCCOUTPUTOUTPUTGROUNDGROUND稳压器稳压器输出输出地地V Vs s+REGREG:Regulator,:Regulator,调节器，稳压器调节器，稳压器迟滞比较器的符号迟滞比较器的符号电流源符号电流源符号一般集成一般集成Hall器件的两种常用形式线性开关型器件的两种常用形式线性开关型REG123VC第十一章霍尔传感器课件第十一章霍尔传感器课件第十一章霍尔传感器课件第十一章霍尔传感器课件霍尔开关器件的特性霍尔开关器件的特性U0HLBBB类似于磁滞效应类似于磁滞效应霍尔开关器件的特性霍尔开关器件的特性U0HLBBB类似于磁滞效应类似于磁滞效应可编程霍尔传感器可编程霍尔传感器可编程霍尔传感器可编程霍尔传感器优点：一种产品可以适应多种需要优点：一种产品可以适应多种需要Vdd(Supply)TestVssOutputDACDACDACDACDACDAC+-OPA+-OPA134Supply2ShiftRegisterEEPROMShift RegisterShift Register移位寄存器；移位寄存器；ADAD模数转换器；模数转换器；DADA数模转换器；数模转换器；OPAOPA：运放：运放EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)，电可擦可编程只读存储器，电可擦可编程只读存储器-一种掉电后数据不丢失的存储芯片。一种掉电后数据不丢失的存储芯片。可编程霍尔传感器优点：一种产品可以适应多种需要可编程霍尔传感器优点：一种产品可以适应多种需要Vdd(SupHallHall传感器的主要优点传感器的主要优点传感器的主要优点传感器的主要优点1 1、可以用来测量交直磁场、可以用来测量交直磁场2 2、动态特性极好、动态特性极好(最好最好GHz)GHz)3 3、体积小、体积小4 4、易于集成、易于集成Hall传感器的主要优点传感器的主要优点1、可以用来测量交直磁场、可以用来测量交直磁场第第2节节Hall元件的应用元件的应用第第2节节Hall元件的应用元件的应用(1)磁场强度测量磁场强度测量一般磁铁的磁场一般磁铁的磁场(1)磁场强度测量磁场强度测量一般磁铁的磁场一般磁铁的磁场第十一章霍尔传感器课件第十一章霍尔传感器课件(2)位移类测量位移类测量从曲线可见：从曲线可见：结构（结构（b b）在在Z2mmZ2mm时，时，VhVh与与Z Z有良好的线性关系，且分有良好的线性关系，且分辨力可达辨力可达1 1mm，结构（结构（C C）的灵敏度高，但的灵敏度高，但工作距离较小。工作距离较小。132SNNS(2)位移类测量从曲线可见：位移类测量从曲线可见：132SNN位移类位移类:位移测量位移测量SN位移类位移类:位移测量位移测量位移类位移类:加速度测量加速度测量-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.21.21.00.80.60.40.2141210864202468101214a(g)VH(mV)SNNSs sMHUHUI位移类位移类:加速度测量加速度测量-0.21.21412108642024位移类位移类:压力测量压力测量NS引线引线霍尔集成电路霍尔集成电路磁钢磁钢外套外套波纹管波纹管基座基座（c）位移类位移类:压力测量压力测量N引线霍尔集成电路磁钢外套波纹管基座（引线霍尔集成电路磁钢外套波纹管基座（c）位移类位移类:Hall电位器电位器位移类位移类:Hall电位器电位器(3)、数字类检测、无触点开关、数字类检测、无触点开关采用霍尔开关集成器件的无触点开关当适采用霍尔开关集成器件的无触点开关当适当的磁场加在器件上时，内部晶体管导通，当的磁场加在器件上时，内部晶体管导通，输出电压等于输出电压等于VTVT管的饱和压降，数值很小，管的饱和压降，数值很小，即输出低电平。当不存在磁场时，即输出低电平。当不存在磁场时，VTVT管截管截止，输出高电平。这种开关是一种无抖动止，输出高电平。这种开关是一种无抖动的无触点开关，工作频率可达的无触点开关，工作频率可达 100 100kHzkHz，电源电压范围大，极易与各种不同的输出电源电压范围大，极易与各种不同的输出负载接口，所以使用广泛。负载接口，所以使用广泛。霍尔霍尔集成电路集成电路E+VTR输出输出(3)、数字类检测、无触点开关、数字类检测、无触点开关数字类：转速测量、位置检测数字类：转速测量、位置检测NS动画动画NSSNSNNSNSS数字类：转速测量、位置检测数字类：转速测量、位置检测NS动画动画NSSNSNNSNSS 数字类：液位控制数字类：液位控制控制深水泵液位的原理示意图控制深水泵液位的原理示意图1 1、3 3霍耳传感器霍耳传感器2 2带磁钢的浮子带磁钢的浮子123数字类：液位控制控制深水泵液位的原理示意图数字类：液位控制控制深水泵液位的原理示意图1、3霍耳传感器霍耳传感器数字类：用于电机转动的探测数字类：用于电机转动的探测思考：如果不仅需要知道电机的转速，而且还需要知道转动思考：如果不仅需要知道电机的转速，而且还需要知道转动的方向，问应该如何使用霍尔传感器？的方向，问应该如何使用霍尔传感器？NSSNA-11数字类：用于电机转动的探测思考：如果不仅需要知道电机的转速，数字类：用于电机转动的探测思考：如果不仅需要知道电机的转速，（投影：光驱、软驱电机的结构）（投影：光驱、软驱电机的结构）（散热风扇）（散热风扇）（投影：光驱、软驱电机的结构）（散热风扇）（投影：光驱、软驱电机的结构）（散热风扇）(4)用于磁悬浮的位置检测用于磁悬浮的位置检测(4)用于磁悬浮的位置检测用于磁悬浮的位置检测控制器控制器霍尔元件霍尔元件线圈线圈铁心铁心悬浮物（磁铁）悬浮物（磁铁）磁悬浮原理磁悬浮原理1示意图示意图NS控制器霍尔元件线圈铁心悬浮物（磁铁）磁悬浮原理控制器霍尔元件线圈铁心悬浮物（磁铁）磁悬浮原理1示意图示意图NS磁悬浮原理磁悬浮原理2示意图示意图控制器控制器霍尔元件霍尔元件线圈线圈铁心铁心悬浮物（磁铁）悬浮物（磁铁）难点：电磁铁产生的磁场与悬浮物难点：电磁铁产生的磁场与悬浮物(磁铁磁铁)产生的磁场相互耦合，互相产生的磁场相互耦合，互相影响，不容易稳定影响，不容易稳定为了取得比较好的效果，必须使用为了取得比较好的效果，必须使用PIDPID控制原理。有关内容参见自动控制原控制原理。有关内容参见自动控制原理理。NS磁悬浮原理磁悬浮原理2示意图控制器霍尔元件线圈铁心悬浮物（磁铁）难点：示意图控制器霍尔元件线圈铁心悬浮物（磁铁）难点：第第3节节Hall电流传感器电流传感器-+V导磁环导磁环IHallHall元件元件RHk直接测量时，测量电流大小、频率范围都有所限制。主要原因是：直接测量时，测量电流大小、频率范围都有所限制。主要原因是：电流增大后，磁芯可能达到饱和；电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。这些都会对测量精度产生影响。第第3节节Hall电流传感器电流传感器-+V导磁环导磁环IHall元件元件RHk直直将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件测电流产生的磁场方向相反，若满足条件I0N1=I1N2，则，则磁芯中的磁通为磁芯中的磁通为0。？如何解决上述问题？如何解决上述问题这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡。建立平衡这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡。建立平衡所需的时间极短。平衡时，霍尔器件处于零磁通状态。磁所需的时间极短。平衡时，霍尔器件处于零磁通状态。磁芯中的磁感应强度极低（理想状态应为芯中的磁感应强度极低（理想状态应为0），不会使磁芯），不会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。采用反馈式测量原理采用反馈式测量原理将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过反馈测量原理及其优点反馈测量原理及其优点非常重要的内容非常重要的内容-+V导磁环导磁环I0HallHall元件元件RH0H1I1K当当HallHall元件检测到磁场的时元件检测到磁场的时候，输出一个电压，从而驱候，输出一个电压，从而驱动副绕组产生一个相反方向动副绕组产生一个相反方向的磁场。如果放大器的增益的磁场。如果放大器的增益K K为无穷大，无论为无穷大，无论I I1 1为何值，为何值，穿过穿过HallHall元件的磁场几乎为元件的磁场几乎为零。因此有关系：零。因此有关系：VVh 这部分内容的分析可以参考模拟电路里的：串联稳压电源这部分内容的分析可以参考模拟电路里的：串联稳压电源反馈测量原理及其优点非常重要的内容反馈测量原理及其优点非常重要的内容-+V导磁环导磁环I0Hall元元反馈测量分析反馈测量分析当当HallHall元件检测到磁场的时候，输出一个电压，从而驱动副绕组产生一元件检测到磁场的时候，输出一个电压，从而驱动副绕组产生一个相反方向的磁场。有关系：个相反方向的磁场。有关系：反馈测量分析当反馈测量分析当Hall元件检测到磁场的时候，输出一个电压，从元件检测到磁场的时候，输出一个电压，从反馈测量的优点及问题反馈测量的优点及问题优点优点 从前面的推导可以看出，只要放大器的放大倍数足够大，则测从前面的推导可以看出，只要放大器的放大倍数足够大，则测量结果与量结果与HallHall元件的线性无关。因此利用此原理可望制作精度更高电流元件的线性无关。因此利用此原理可望制作精度更高电流的探测器。另外，通过进一步分析，这种原理下的传感器有以下优点的探测器。另外，通过进一步分析，这种原理下的传感器有以下优点:线性好线性好可工作在更大的区间可工作在更大的区间精度高精度高动态特性好动态特性好(可以使用控制原理调整系统的特性)缺点缺点 结构复杂，可能会有自激振荡，调整麻烦，造价高结构复杂，可能会有自激振荡，调整麻烦，造价高反馈测量的优点及问题优点反馈测量的优点及问题优点从前面的推导可以看出，只要放大器的从前面的推导可以看出，只要放大器的零点调整零点调整注意注意-+V导磁环导磁环I0RH0H1I1K经验表明，使用经验表明，使用HallHall元件进元件进行行直流电流直流电流直流电流直流电流的测量时，必须的测量时，必须适时进行零点调整。这主要适时进行零点调整。这主要是由于是由于HallHall元件的零点电压元件的零点电压造成的，还有测量电路的不造成的，还有测量电路的不完善也可能造成零点误差。完善也可能造成零点误差。为此，在放大器的一端引入为此，在放大器的一端引入调零电位器，以消除其影响。调零电位器，以消除其影响。VVh-V+V零点调整注意零点调整注意-+V导磁环导磁环I0RH0H1I1K经验表明，使用经验表明，使用H钳形电流表钳形电流表钳形电流表钳形电流表