霍尔式传感器优秀文档

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,第五章 磁电式传感器,本章要点:,2.霍尔传感器(特别是集成霍尔器件)的原理、设计方法和正确使用,第一节 磁电感应式传感器,简称感应式传感器，也称电动式传感器。,建立在电磁感应基础上，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势 e=BNlv。,应用于测振动速度、转速、扭矩等。,以磁电式速度传感器为例，一种是绕组与壳体连接，磁钢用弹性元件支承，另一种是磁钢与壳体连接，绕组用弹性元件支承。,第二节 霍尔式传感器,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于,霍尔效应,原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,目前，该类传感器主要是,霍尔集成电路,，所用的核心单元基于霍尔效应，利用集成电路技术制成。,所以它既是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。,一、霍尔效应,实验证明：,霍尔电势,R,H,霍尔系数，与薄片的材料有关；,k,H,灵敏度系数，,k,H,=R,H,/d,，,d,越薄，,k,H,越大。（薄,1,m）,B,与薄片法线成,角，则,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为,霍尔效应,。,简称感应式传感器，也称电动式传感器。,即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁钢的N极面。,简称感应式传感器，也称电动式传感器。,隙为4mm，在空隙中可得,（三）霍尔式压力传感器,按输出功能可分开关型和线性霍尔电路。,载RL电压降V的电压Vm,第一节 磁电感应式传感器,另两侧中点：霍尔输出引线,另两侧中点：霍尔输出引线,因此，线性霍尔元件可用来制作电子罗盘，也可根据实际需要制作指南针或指北针。,其中磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线,其主要是由内部施密特触发器是单稳型还是双稳型决定的。,霍尔效应演示,c,d,a,b,霍尔效应,长方向：控制电流端引线,红,控制电流极（或激励电极）,另两侧中点：霍尔输出引线,绿,霍尔电极,二、霍尔元件及应用,1.霍尔元件：基于霍尔效应原理工作的半导体器件。,a.霍尔元件为矩形半导体单晶片（,4,2,3,),H,常用材料有锗（,Ge,）、硅（,Si,）、锑化铟（,InSb,）、,砷化铟（,InAs,）等半导体材料。,电路符号：,c.壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。,a.,U,H,-I,特性：磁场,B,恒定，控制电流,I,与霍尔输出电势,U,H,之间呈线性关系。,b.,U,H,-B,特性：控制电流,I,恒定，霍尔元件的开路霍尔电势随磁感应强度增加并不完全呈线性关系。,c.,R-B,特性：磁阻效应：霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象（,增大）。,3.霍尔元件的零位误差(不等位电势和寄生直流电势)、温度误差及补偿,为了保证霍尔开关可靠工作，外加磁场应足够强。,之一通以控制电流I，输出电压为VH1=kHI cos，如果把该输,BOP=350750GS,(a)径向磁极 (b)轴向磁极 (c)遮断式,kH灵敏度系数，kH=RH/d，d越薄，kH越大。,工作过程：当磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压UH，经放大器放大后，送至施密特（触发器）整形电路，实现开关两种状态。,地球上每个地方的地磁场都有固定的方向和大小。,霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。,载RL电压降V的电压Vm,其中磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线,尔器件1上通过的控制电流I1。,广泛应用于无刷直流电机，活塞位置，齿轮位置，齿轮转速，阀门位置，磁盘速度，磁带转速，流速感应，速度感应等领域,壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。,超低频正弦（或余弦）发生器,安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着磁钢的相对极。,而VH1=kH1I1Bsin，,用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。,（一）霍尔式位移传感器,（二）霍尔式加速度传感器,M,S,N,N,S,a,（三）霍尔式压力传感器,测量铁心 气隙的,B,值,霍尔元件,霍尔传感器用于测量磁场强度,三、霍尔集成电路的分类和结构,金属的霍尔系数远远小于半导体材料，但就是比较大的霍尔电势材料如砷化铟，其数值一般也只能达到几十毫伏，为此用集成电路技术将霍尔元件、放大电路或开关电路等集成在一个半导体基片上，做成,线性,或,开关,型电路。,按输出功能可分开关型和线性霍尔电路。,它是利用集成电路技术在同一硅基片上集成稳压电路、霍尔元件、放大电路、整形电路和开关电路。,其基本功能是将磁输入信号转换成开关信号形式输出。,电源,霍尔元件,放大,整形,输出,地,1,2,3,VT,Vcc,工作过程：当磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压,U,H,，经放大器放大后，送至施密特（触发器）整形电路，实现开关两种状态。,一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。,实际的霍尔开关输出与输入磁场的关系有两种情况：,单向磁场工作型,（也叫,单稳开关型,）：当外加磁感应强度达到器件的导通磁场时，开关接通，磁场消失后，器件关断。,双向磁场工作型,（也叫,双稳态开关型、锁键型,）：当外加磁场使其导通后，去掉磁场仍然保持导通态，只有当施加反极性磁场达到一定数值后才能关断。,其主要是由内部施密特触发器是单稳型还是双稳型决定的。,OFF,ON,B,V,out,(V),0,B,RP,B,OP,B,H,V,out,B,B,H,0,其输出电压随外加磁场的变化而连续地、线性地变化。,霍耳线性集成传感器有,单端输出,和,双端输出,两种，其电路结构如下图。,为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。,3,稳压,2,1,地,V,cc,V,out,a.单端输出,单,端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。,因此，线性霍尔元件可用来制作电子罗盘，也可根据实际需要制作指南针或指北针。,在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等.,使用磁敏元件制作的无触点电位器可克,接线形式（以3019为例）比三极管还小，还薄。,只不过用霍尔开关取信号。,五、线性霍尔电路的应用,一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信号，,第一节 磁电感应式传感器,安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着磁钢的相对极。,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,在考虑到温度变化和器件参数离散性等因素的影响，磁感应强度应比BOP的最大值再增加20%30%。,目前，该类传感器主要是霍尔集成电路，所用的核心单元基于霍尔效应，利用集成电路技术制成。,其中磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线,另两侧中点：霍尔输出引线,应用于测振动速度、转速、扭矩等。,霍尔器件放在可旋转的马,8,稳压,4,3,5,输出,输出,6,地,V,cc,1,7,b.双端输出,以封装材料分为塑料封装和陶瓷封装两种。,以外形分为扁平单列式和双列直插式两种。,双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。,(1)开关型的工作特性,B,OP,为,导通点,（或,工作点,），,B,RP,为,释放点,，,B,H,=B,OP,-B,RP,为,磁滞,。,B,OP,越小，则灵敏度越高。,B,H,越大，抗干扰愈强。,上限频率通常为,100kHz,。,OFF,ON,B,V,out,(V),0,B,RP,B,OP,B,H,V,out,B,B,H,0,V,out,B(T),(2)线性霍尔电路的磁电特性为一斜线，磁场绝对值过大时，曲线趋于平坦，表明此时，霍尔电路已脱离线性区。,四、霍尔开关电路的应用,（一）器件介绍,美国,SPR,公司生产的：,UGN(S)3017T,3020T,3030T,3075T,上海半导体器件,16,厂生产的：,SLN(S)3019,3020,3030,3075,日本松下公司生产的：,DN835,839,6837,6839,南京半导体总厂相应的：,CS835,839,6837,6839,2.接线形式（以,3019,为例）比三极管还小，还薄。,开关标志面为敏感面,。即,S,型对着磁钢的,S,极面，,N,型对着磁钢的,N,极面。,3020,B,OP,=220GS,B,RP,=165GS,Vcc=4.524VDC,最大灌电流25mA,CS6837,B,OP,=350750GS,B,RP,=100GS,Vcc=4.59VDC,最大灌电流12mA,3019,B,OP,=300480GS,B,RP,=150420GS,B,H,=120GS,1,3,2,V,cc,V,0,UGN(S),3019T,1,2,3,（二）应用,做为一种新型接近开关，取代各种电子式接近开关，如机械运动限位器、无触点开关、压力开关、湿度开关、转速表、远传压力表、智能电机、键盘等。,1.霍尔电路转速表,低转速或每分钟,5,万转的情况下均可使用,(a)径向磁极 (b)轴向磁极 (c)遮断式,由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等.,软铁分流翼片,开关型霍尔IC,n,=,60,f,4,(,r,/min),转速测量演示,2、霍尔式接近开关,在右图中，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，经驱动电路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）起到限位的作用。,2.霍尔汽车点火器(,上海桑塔纳轿车,),它是安装在各种电动或气动阀门上的传感器，用来测量各种阀门的开关状态，是目前一些大中型化工企业急需的电子产品。,广泛应用于无刷直流电机，活塞位置，齿轮位置，齿轮转速，阀门位置，磁盘速度，磁带转速，流速感应，速度感应等领域,6.机械运动方向传感器（即辩向电路）,只不过用霍尔开关取信号。,7.机械运动时间传感器（或叫快慢传感器）,(三)注意事项,1.为了保证霍尔开关可靠工作，外加磁场应足够强。在考虑到温度变化和器件参数离散性等因素的影响，磁感应强度应比,B,OP,的最大值再增加,20%30%,。,2.施加磁场的方式有两种。可用靠近式。也可霍尔元件和磁场都固定，在被测物上固定一块小铁片，当铁片运动到磁钢与霍尔电路之间时，将磁力线短路。,3.安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着磁钢的相对极。即,S,型对着磁钢的,S,极面，,N,型对着磁钢的,N,极面。,4.安装时以免损坏，焊接温度也不要太高。,五、线性霍尔电路的应用,CS853，CS6835，CS131,是南京半导体器件总厂生产的三种线性霍尔效应集成电路，其磁电转换灵敏度在,10mV/GS,左右，输出电压动态范围在之间，工作磁场范围,350GS，,CS853,是两端共轭输出方式，而,CS6835,和,CS131,则是单端输出，CS131电路具有输出电位调节功能，而,CS853,输出线性好，可广泛用于位置传感器、非接触测距、无刷马达、功率电为器、互感器、高斯计等。,如果在霍尔元件控制电,流端通入的电流为,I,c,=K,1,I,，,K,1,为一比例系,数，,I,为通过负载,R,L,的,电流。而用一比例于负,载,R,L,电压降,V,的电压,V,m,来激励磁场，即,B=K,2,V,m,=K,2,V,，则,霍尔元件的输出电压为,指示仪表一般采用有功率刻度的伏特表。,在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有时直流电流值高达,10kA,以上。,用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。,铁心,线性霍尔IC,霍尔电流传感器,霍尔钳形电流表,一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信号，,而且寿命不长。使用磁敏元件制作的