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自動檢測技術及應用(七)霍爾傳感器及應用第七章霍爾傳感器

本章主要學習霍爾傳感器的工作原理、霍爾元件的特性參數,霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的應用,還涉及磁場測量技術?;魻栐且环N四端元件第七章霍爾傳感器霍爾式傳感器是基于半導體材料的霍爾效應原理制成的敏感元件,它是利用霍爾元件將被測量電流、磁場、位移、壓力等轉換成電勢輸出的傳感器。1879年,霍爾即在金屬上發現了霍爾效應,但由于非常微弱,沒有引起重視。1948年后,由于半導體材料迅速發展,找到了霍爾效應比較明顯的半導體材料,并制成了砷化鎵、銻化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件?;魻柺絺鞲衅髯畲蟮奶攸c是非接觸測量。第一節霍爾元件的結構及工作原理

金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中,磁場方向垂直于薄片,當有電流I流過薄片時,在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH,這種現象稱為霍爾效應。

磁感應強度B為零時的情況cdab霍爾效應演示當磁場垂直于薄片時,電子受到洛侖茲力的作用,向內側偏移,在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab磁感應強度B較大時的情況作用在半導體薄片上的磁場強度B越強,霍爾電勢也就越高?;魻栯妱軪H可用下式表示:

EH=KHIB霍爾效應當|FL|=|FE|時,電子的積累達到平衡。這時在半導體薄片的前后端面之間建立的電勢就是霍爾電動勢EH,其大小可用下式表示:霍爾效應霍爾電動勢的大小正比于輸入電流I和磁感應強度B;當輸入電流I或磁感應強度B的方向改變時,霍爾電動勢的方向也隨之改變;根據公式,d越小,霍爾靈敏度越高,所以霍爾元件的厚度都比較薄,但d太小,會使元件的輸入、輸出電阻增加。

KH與組件材料的性質和幾何尺寸有關,在實際應用中,一般都采用N型半導體材料做霍爾元件稱KH為霍爾元件的靈敏度磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件,而是與其法線成某一角度

時,實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向(與薄片垂直的方向)的分量,即Bcos,這時的霍爾電勢為:

EH=KHIBcos

結論:霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比,且當B的方向改變時,霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場,則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

霍爾元件的結構、圖形符號利用霍爾效應產生霍爾電勢的器件稱為霍爾元件。結構:霍爾片引線殼體霍爾元件的結構、圖形符號圖形符號:

國產器件常用H代表霍爾元件,后面的字母代表元件的材料,數字代表產品的序號。如HZ-1元件,說明是用鍺材料制成的霍爾元件;HT-1元件,說明是用銻化銦材料制成的元件。

a、b通常用紅色,焊接處稱為激勵電極。c、d通常用綠色,焊接處稱為霍爾電極。第二節霍爾元件的特性參數及其誤差1、靈敏度KHKH是指I為單位電流,B為單位磁感應強度,霍爾電極為開路(RL=∞)時的霍爾電勢。2、輸入電阻RiRi為霍爾器件兩個電流極之間的電阻,Ri受溫度變化的影響,會引起霍爾電勢的變化而帶來測量誤差。為此,最好采用恒流源作為激勵源。3、輸出電阻R0R0為兩個霍爾電極之間的電阻。R0也受溫度變化的影響,選擇適當負載電阻與之匹配,可減小該影響。第二節霍爾元件的特性參數及其誤差4、額定控制電流Ic使在空氣中的霍爾器件產生10℃溫升的控制電流稱為額定控制電流。由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大,故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大,霍爾元件的功耗增大,元件的溫度升高,從而引起霍爾電勢的溫漂增大,Ic的大小與霍爾元件的尺寸有關:尺寸越小,Ic越小。因此每種型號的元件均規定了相應的額定控制電流,它的數值從幾毫安至十幾毫安。以下哪一個激勵電流的數值較為妥當?5μA0.1mA2mA80mA第二節霍爾元件的特性參數及其誤差5、不等位電勢U0和不等位電阻r0在額定激勵電流下,當B=0時,霍爾輸出端的開路電壓稱不等位電勢;不等位電勢與額定控制電流之比,稱為不等位電阻,ro=Uo/Ic.通常要求Uo<1mv。不等位電勢U0造成的原因:a、工藝上不可能將兩個霍爾電極絕對對稱地焊在霍爾片的兩側,致使兩電極點不處于同一等位面上,這是造成Uo的主要原因。b、霍爾片電阻率不均勻,厚薄不均勻,控制電流極接觸不良等均會造成等位面歪斜。不等位電勢U0通常通過橋路平衡的原理加以補償。第二節霍爾元件的特性參數及其誤差不等位電勢的補償:①、在工藝上采取措施②、采取電路補償當兩個霍爾電極處于同一等位上時,r1=r2=r3=r4,則Uo=0,否則Uo≠0,可通過電橋平衡原理對不等位電勢進行補償。

Rw為調節補償電位器,用來調節霍爾元件的零位平衡。a)、不對稱補償電路,由于Rw與等效橋臂電阻的電阻溫度系數一般不相同,故只能在一定溫度下能達到補償作用。b)、c)、兩種為對稱電路,當溫度在一定范圍內變化時,補償的穩定性較好,但同時減小了霍爾元件的輸入電阻,降低了霍爾電勢的輸出.d)、此電路為對稱電路,對輸入電阻的減小要小些,但它要求霍爾元件必須做成五端元件。第二節霍爾元件的特性參數及其誤差6、寄生直流電動勢Ug當不加外磁場,器件通以交流控制電流,在霍爾電極之間產生的直流電動勢,稱為寄生直流動電勢Ug。產生Ug的原因主要是器件本身的四個電極與極片之間的非歐姆接觸,產生整流效應造成的。因此在元件制作和安裝時,應盡量使電極歐姆接觸,有良好的散熱條件,并做到散熱均勻。(歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸,而其接觸面的電阻值遠小于半導體本身的電阻)第二節霍爾元件的特性參數及其誤差7、霍爾電動勢溫度系數α在一定的磁感應強度和控制電流下,溫度每變化1℃時,霍爾電勢的相對變化率稱為霍爾電勢溫度系數。它與霍爾元件材料有關。砷化鎵霍爾器件為10-5/℃數量級,鍺、硅器件為10-4/℃數量級。8、電阻溫度系數β溫度變化1℃霍爾元件材料的電阻變化率,內阻溫度系數約為10-3℃數量級。β越小越好。第二節霍爾元件的特性參數及其誤差9、霍爾元件溫度誤差及材料溫度補償電路半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化,霍爾元件的輸入、輸出電阻、霍爾常數等也隨溫度變化,帶來溫度誤差。為減小溫度誤差,首先應選用溫度系數較小的材料;采用適當的溫度補償電路:如采用恒流源供電、輸入回路并聯電阻、合理選擇負載電阻阻值、采用恒流源和輸入回路串聯電阻和溫度補償等。第二節霍爾元件的特性參數及其誤差A、恒流源供電,輸入端并聯電阻;或恒壓源供電,輸入端串聯電阻。溫度變化引起霍爾元件輸入電阻Ri變化,使控制電流變化,從而引起輸出誤差,因此最好采用恒流電源提供控制電流,要求穩定度為±0.1%第二節霍爾元件的特性參數及其誤差恒流源電路:KH也是溫度的函數,由EH=KHI.B可知KH變化,EH也變化,故采用恒流源電路在控制極兩端并聯一個合適的補償電阻rp,它對元件輸入電阻起分流作用,當溫度變化時,能自動調節霍爾元件控制電流大小,從而起到補償作用。rp=βRo/αβ:元件內阻溫度系數α:霍爾電勢的溫度系數Ro:元件的內阻恒壓源電路:I=U/(R+Ri)若R>>Ri,則I≈U/R,當Ri隨溫度變化時,控制電流I變化極小。第三節霍爾集成電路霍爾集成傳感器是將霍爾元件、放大器、施密特觸發器以及輸出電路等集成在一塊芯片上,提供了一種簡化的和較完善的磁敏傳感器。其輸出信號明快,傳送過程中無抖動現象,且功耗低,對溫度的變化是穩定的,靈敏度與磁場移動速度無關?;魻柤蓚鞲衅鞣譃榫€性集成電路和開關集成電路。第三節霍爾集成電路

線性型三端霍爾集成電路線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上,輸出電壓為伏級,比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時,它的輸出電壓等于零;當感受的磁場為正向(磁鋼的S極對準霍爾器件的正面)時,輸出為正;磁場反向時,輸出為負。請畫出線性范圍開關型霍爾集成電路

開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、OC門(集電極開路輸出門)等電路做在同一個芯片上。與線性集成傳感器不同之點是增設了施密特電路。它是一種開關特性。開關集成傳感器的輸出只有1端,是以一定磁場電平值進行開關工作的,由于內設有施密特電路,開關特性具有遲滯,因此有較好的抗波動效果。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。開關型霍爾集成電路

當放大后的電壓UO大于施密特觸發器“開啟”閾值電壓時,施密特整形電路翻轉,輸出高電平,使V導通,這種狀態我們稱之為開狀態。當磁場減弱時,霍爾元件輸出的UO很小,經放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關閉”閾值電壓時,施密特整形電路再次翻轉,輸出低電平,使V截止,這種狀態稱為關狀態。

開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門施密特觸發電路雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc開關型霍爾集成電路(OC門輸出)的接線請按以下電路,將下一頁中的有關元件連接起來.開關型霍爾集成電路

與繼電器的接線?第三節霍爾傳感器的應用

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數,即EH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變,將第三個量作為變量,或者固定其中一個量,其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。霍爾特斯拉計霍爾元件霍爾高斯計(特斯拉計)的使用

霍爾元件磁鐵霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤,也可選取機械系統中的一個齒輪,將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化,霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時,磁力線集中穿過霍爾元件,可產生較大的霍爾電動勢,放大、整形后輸出高電平;反之,當齒輪的空擋對準霍爾元件時,輸出為低電平?;魻栟D速傳感器在汽車防抱死裝置(ABS)中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死,將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾霍爾轉速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起,就可產生磁場強度的脈動,從而引起霍爾電勢的變化,產生轉速信號?;魻栐盆F霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發器葉片2-槽口3-分電器轉軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路(PNP型霍爾IC)

a)帶缺口的觸發器葉片b)觸發器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關系c)葉片位置與點火正時的關系

霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續)

當葉片遮擋在霍爾IC面前時,PNP型霍爾IC的輸出為低電平,晶體管功率開關處于導通狀態,點火線圈低壓側有較大電流通過,并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。

汽車電子點火電路及波形

1—點火開關2—達林頓晶體管功率開關3—點火線圈低壓側4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側6—分火頭7—火花塞

a)電路b)霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形

當葉片槽口轉到霍爾IC面前時,霍爾IC輸出跳變為高電平,經反相變為低電平,達林頓管截止,切斷點火線圈的低壓側電流。由于沒有續流元件,所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側感應出30~50kV的高電壓。

汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷,而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置,其輸出信號經放大、整形后觸發電子線路,從而控制電樞電流的換向,維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題,所以它在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。普通直流電動機使用的電刷和換向器五·霍爾無刷電動機無刷電動機與有刷電機相比有以下優點1·無電刷,沒有磨損問題,壽命長,可靠性高。2·具有良好的的旋轉特性,可以取得很寬的轉速特性,噪音低,啟動轉矩為額定轉矩的2~3倍,穩定性好。霍爾無刷電機控制器無刷電動機在電動自行車上的應用

電動自行車可充電電池組無刷電動機無刷電動機在電動自行車上的應用

無刷直流電動機的外轉子采用高性能位置傳感器產生六個狀態編碼信號,控制逆變橋各功率管通斷,使三相內定子線圈與外轉子之間產生連續轉矩,具有效率高、無火花、可靠性強等特點。電動自行車的無刷電動機及控制電路去速度控制器利用PWM調速光驅用的無刷電動機內部結構霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時,霍爾式接近開關動作?;魻柦咏_關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。霍爾式接近開關

用霍爾IC也能完成接近開關的功能,但是它只能用于鐵磁材料的檢測,并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中,當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時,霍爾IC的輸出由高電平變為低電平,經驅動電路使繼電器吸合或釋放,控制運動部件停止移動(否則將撞壞霍爾IC)起到限位的作用?;魻柺浇咏_關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾ICT霍爾電流傳感器

將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時,在導線周圍將產生磁場,磁力線集中在鐵心內,并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件,從而產生與電流成正比的霍爾電壓?;魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實現的多媒體界面:I其他霍爾電流傳感器其他霍爾電流傳感器(續)霍爾鉗形電流表(交直流兩用)壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程

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