项目5位移检测-霍尔传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,四川航天职业技术学院,电子工程系,自动检测技术教研组,项目,5,位移测量,霍尔传感器应用,自动检测技术,主要内容,一、霍尔传感器发展历史；,二、霍尔效应和霍尔传感器原理；,三、应用实例；,四、实训,位移测量系统。,自动检测技术,概述,霍尔传感器是磁电转换的一种传感器。,1879,年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到,60,多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应，结果发现：半导体工艺（,P,或,N,型）都可以再现霍尔效应现象，而且,N,型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件，例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。,自动检测技术,图,1,霍尔效应原理图,自动检测技术,1.2,霍尔元件结构,霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下图所示。,自动检测技术,如下图所示。控制电流由电源,E,供给，,R,为调节电阻，霍尔输出端接负载 ，它也可以是放大器的输入电阻或表头电阻。,由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下，才会输出霍尔电势，实际使用时，可把,I,或,B,作为输入信号，而输出信号正比于,I,和,B,。,由于建立霍尔效应的时间很短（,）,S,，因此，控制电流用交流时，频率可达,Hz,以上。,2,霍尔元件的基本电路,自动检测技术,自动检测技术,霍尔元件的输出信号可采用运算放大器加以放大，元件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。,自动检测技术,3,霍尔元件主要参数,输入电阻 与输出电阻 ：指控制电流极之间的阻值；指霍尔电压极之间的阻值。,额定激励电流,(mA),：使霍尔元件温升 所施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增加受到霍尔元件最高温升限制。,霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化,1,度时，霍尔电势变化的百分率称霍尔温度系数。,自动检测技术,自动检测技术,4,实际应用,利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如下图所示。工件凸会导致霍尔元件向上位移,x,，导致磁感应强度,B,发生变化，引起霍尔电势,UH,的变化；工件凹会导致霍尔元件向下位移,x,，导致磁感应强度,B,发生变化，引起霍尔电势,UH,的变化。,若测得输出量,UH,为正，则可判断工件为凸，再利用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若测得输出量,UH,为负，则可判断工件为凹，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。,自动检测技术,自动检测技术,随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。,5,霍尔集成电路,自动检测技术,霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型两大类。,开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、,OC,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,门由高电阻状态变为到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，,OC,门重新变为高电阻状态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如,UGN3020,等。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。,线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如,UGN3501,等。,自动检测技术,5.1,开关输出型霍尔集成元件下图为开关输出型霍尔集成元件,UGN3020,的封装及外形尺寸。,1,为接地端，,2,为电源端，,3,为输出端。,自动检测技术,下图所示为,UGN3020,的内部电路图。其中，,X,为霍尔元件，,A,为放大器，,S,为施密特电路，,T,为输出晶体管，,E,为稳定电源。由于增设了施密特电路，使其具有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电路主要用于接近开关。,自动检测技术,5.2,线性输出型霍尔集成元件,下图为线性霍尔器件,UGN3501M,的内部电路图和输出特性曲线图。当,UGN3501M,感受的磁场为零时，,1,、,8,引腿之间的输出电压为零；感受的磁场为正向（磁钢的,S,极对准,3501M,的正面）时，输出电压为正；磁场为反方向时，输出电压为负。,UGN3501M,的第,5,、,6,、,7,脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。,自动检测技术,自动检测技术,自动检测技术,霍尔电势,UH,是关于,I,、,B,两个变量的函数，即,UH=KIB,，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，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。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。,霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。,如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。,此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。,6,霍尔位移传感器应用实验,自动检测技术,如下图（,a),所示。在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流,I,恒定不变时，霍尔电势 与磁感应强度,B,成正比。若磁场在一定范围内沿,x,方向的变化梯度 为一常数如下图（,b,）所示。则当霍尔元件沿,x,方向移动时，的变化为,:,式中,K,为位移传感器输出灵敏度。,将上式积分后得,:,6.1,位移测量,自动检测技术,上式说明，霍尔电势 与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。,当元件位于磁场中间位置上时，这是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的结果。,一般用来测量,12mm,的小位移，其特点是：惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压差、液位和加速度等,自动检测技术,霍尔电势,UH,与磁感应强度,B,关系曲线,自动检测技术,6.2,霍尔元件测位移实验,霍尔元件测位移实验电路原理图见图,2,，印制电路版图见图,3,。,当游标卡尺螺旋转动时，会带动与其连接的磁铁前后移动，导致霍尔元件所处的磁场强度发生变，因此输出的霍尔电压发生变化，输出电压通过运放后直接在数字电压表头上显示出来。,自动检测技术,图,2,霍尔元件测位移实验电路原理图,自动检测技术,图,3,霍尔元件测位移实验电路板图,自动检测技术,第一步，让磁铁向前移动，记录,10,组位移数据和霍尔电压数据，记录表格见表,1,；,第二步，让磁铁向后移动，记录,10,组位移数据和霍尔电压数据；,重复第一步和第二步,2,次。,求得前向位移、后向位移、霍尔电压等数据的平均值，拟合霍尔传感器的特性曲线和公式，求得其灵敏度指标。,根据实测数据和特性公式，求得传感器量程和精度指标。,自动检测技术,测量次数,前向位移（,mm,）,前向霍尔电压,(mV),后向位移,(mm),后向霍尔电压,(mV),1,2,3,4,5,6,7,8,表,1,实验数据记录表,