傳感器課件-8霍爾傳感器

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1、第八章 霍爾傳感器 本章主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器 的工作原理、 霍爾集成電路 的 特性 及其在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用， 還涉及 交直流電流傳感器 以及 安全柵 。 霍爾元件是 一種 四端元件 第一節(jié) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中， 磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流 I 流過(guò)薄片時(shí)，在 垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) EH，這 種現(xiàn)象稱為 霍爾效應(yīng) 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B為零時(shí)的情況 c d a b 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 較大時(shí)的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度 B越強(qiáng) ， 霍爾電勢(shì) 也就越高 。 霍爾電勢(shì) EH可用下式表示： EH=KH IB 霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片

2、時(shí)，電子受到洛侖茲力的 作用， 向內(nèi)側(cè)（ d側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片 c、 d方 向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。 c d a b 磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì) 若磁感應(yīng)強(qiáng)度 B不垂直于霍爾元件 ， 而是與其 法 線成某一角度 時(shí) ， 實(shí)際上作用于霍爾元件上的 有效 磁感應(yīng)強(qiáng)度 是其法線方向 （ 與薄片垂直的方向 ） 的分 量 ， 即 Bcos， 這時(shí)的 霍爾電勢(shì)與法線的夾角的余弦 成正比 ： EH=KHIBcos 磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì) 演示 結(jié)論： 霍爾電勢(shì)與輸入電流 I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成正比。 當(dāng) B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。 如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，霍爾電

3、勢(shì)為同頻率 的交變電勢(shì) 。 a c d b 霍爾元件的主要外特性參數(shù) 最大 磁感應(yīng)強(qiáng)度 BM 上圖所示霍爾元件的線性范圍是 負(fù)的多少高斯 至正的多少高斯 ？（ 1T 104Gs） 線性區(qū) 霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)） 最大 激勵(lì)電流 IM : 由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故 在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì) 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(shì)的溫漂增大 ，因此每 種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的 最大激勵(lì)電流 ， 它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個(gè) 激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng) ？ 8 A 0.8mA 8mA 80mA 第二節(jié) 霍爾集成電路 霍

4、爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類。 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差 動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，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。 線性型三端 霍爾集成電路 線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙 端差動(dòng)輸出特性的線性 霍爾器件的輸出特性曲 線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它 的輸出電壓等于零；當(dāng) 感受的磁場(chǎng)為正向（磁 鋼的 S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件 的正面）時(shí)， 輸出為 正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出 為負(fù)。 請(qǐng)畫(huà)出線性范圍 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將 霍爾元件 、 穩(wěn) 壓電路 、 放大器 、 施密特觸發(fā)器 、 OC門 （集 電極開(kāi)路輸出門）

5、等電路做在同一個(gè)芯片上。 當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)， OC門 由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?； 當(dāng) 外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)， OC門重新變 為高阻態(tài)，輸出高電平 。較典型的開(kāi)關(guān)型霍 爾器件如 UGN3020等。 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路 的外形及內(nèi)部電路 OC門 施密特 觸發(fā)電路 雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放 霍爾 元件 . Vcc 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路 （ OC門輸出）的接線 請(qǐng)按以下電路，將下一頁(yè)中的有關(guān)元件連接起來(lái) . 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路 與繼電器的接線 ? 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越 大，抗振動(dòng) 干擾能力就 越強(qiáng)。 當(dāng)磁鐵 從遠(yuǎn)到近地接近霍爾 IC，到多少 特斯拉

6、時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng) 磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離 霍爾 IC，到多少特斯拉時(shí)輸出 再次翻轉(zhuǎn) ？ 回 差為多少特斯拉 ？相當(dāng)于多少高斯（ Gs）？ 第三節(jié) 霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾電勢(shì)是關(guān)于 I、 B、 三個(gè)變量的函 數(shù)，即 EH=KHIBcos 。 利用這個(gè)關(guān)系可以使 其中兩個(gè)量不變 ， 將 第三個(gè)量作為變量 ，或者固定其中一個(gè)量， 其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器 有許多用途。 霍爾傳感器主要用于測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為 磁場(chǎng)變化的其他物理量。 霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)） 霍爾元件 霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用 霍爾元件 磁鐵 霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度 霍爾元件 測(cè)量鐵心 氣隙的 B值 霍爾轉(zhuǎn)速表 60 22 f

7、n 在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè) 齒盤 ，也可選取機(jī) 械系統(tǒng)中的一個(gè) 齒輪 ，將 線性型 霍爾器件及磁路系統(tǒng) 靠近齒盤 。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)經(jīng)隔直、 放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速 。 設(shè)該齒輪有 22個(gè)齒 S N 線性霍爾 磁鐵 霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線 集中穿過(guò)霍爾 元件 ，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形 后輸出高電平；反之，當(dāng) 齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾 元件時(shí)，輸出為低電平 。 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置 （ ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時(shí)車輪被 抱死 ，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。 用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)和保持車輪

8、的 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 有助于 控制剎車力的大小 和防止 側(cè)偏 。 帶有微 型磁鐵 的霍爾 傳感器 鋼質(zhì) 霍爾 霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法 只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在 缺口或突 起 ，就 可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng) ，從而 引起霍爾 電勢(shì)的變化 ， 產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào) 。 霍爾元件 磁鐵 霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置 采用霍爾式無(wú) 觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置 能較好地 克服汽車 合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間 不準(zhǔn)確、 觸點(diǎn)易燒 壞 、 高速時(shí)動(dòng)力不 足 等缺點(diǎn) 。 汽車點(diǎn)火線圈 高壓輸出 接頭 12V低壓電源 輸入接頭 霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理 桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-觸發(fā)器葉片 2-槽口 3-分電器轉(zhuǎn)軸 4-永久

9、磁鐵 5-霍爾集成電路（ PNP型霍爾 IC） a）帶缺口的觸發(fā)器葉片 b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集 成電路之間的安裝關(guān)系 c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系 霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置 (續(xù)） 汽車電子點(diǎn)火電路及波形 1 點(diǎn)火開(kāi)關(guān) 2 達(dá)林頓晶體管功率開(kāi)關(guān) 3 點(diǎn)火線圈低壓側(cè) 4 點(diǎn)火線圈鐵心 5 點(diǎn)火線圈高壓側(cè) 6 分火頭 7 火花塞 a）電路 b）霍爾 IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形 霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置 (續(xù)） 當(dāng)葉片遮擋在霍爾 IC面前時(shí)， PNP型霍爾 IC的輸出為低電平，晶體管功率開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通 狀態(tài)， 點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過(guò) ，并以 磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心

10、中 。 當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾 IC面前時(shí)， 霍爾 IC輸 出跳變?yōu)楦唠娖?，經(jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑?達(dá)林頓 管截止 ， 切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流 。由于沒(méi) 有續(xù)流元件，所以存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的 磁 場(chǎng)能量在高壓側(cè)感應(yīng)出 3050kV的高電壓 。 汽車電子點(diǎn)火裝置使用的點(diǎn)火控制器、 霍爾傳感器及點(diǎn)火總成 磁鐵 點(diǎn)火總成 霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 取消 了換向器和電刷 ，而 采用霍爾 元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的 相對(duì)位置 ，其輸出信號(hào)控制電 樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的 正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 不產(chǎn)生 電火花及電刷磨損等問(wèn)題 ，所 以它在 錄像機(jī)、 CD唱機(jī) 、光 驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越

11、廣 泛的應(yīng)用。 普通直流電動(dòng)機(jī)使 用的電刷和換向器 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用 電動(dòng)自行車 可充電 電池組 無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng) 自行車上的應(yīng)用 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 的 外轉(zhuǎn)子采用高性能 釹鐵硼稀土永磁材料 ； 三個(gè)霍爾位置傳感器 產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信 號(hào) ， 控制逆變橋各功 率管通斷 ，使 三相內(nèi) 定子線圈與外轉(zhuǎn)子之 間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩 。具 有效率高、無(wú)火花、 可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。 電動(dòng)自行車的 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路 去速度 控制器 利用 PWM 調(diào)速 光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 霍爾式接近開(kāi)關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接 近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)， 霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。霍 爾接近開(kāi)關(guān)一般還配一塊 釹鐵

12、硼磁鐵。 霍爾式接近開(kāi)關(guān) 用霍爾 IC只能用于鐵 磁材料的檢測(cè)，并且還需要 建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。 當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到 距 霍爾接近開(kāi)關(guān)幾 毫米 時(shí)， 霍爾 IC 的輸出由高電平 變?yōu)榈碗娖?，使 繼電器吸合或釋 放 ，控制運(yùn)動(dòng)部 件 停止移動(dòng) （否 則將撞壞霍爾 IC）， 起限位的 作用 。 霍爾式接近開(kāi)關(guān)用于 轉(zhuǎn)速測(cè)量演示 n = 60 f 4 (r/min) 軟鐵分流翼片 開(kāi)關(guān)型霍爾 IC T 霍爾電流傳感器 將 被測(cè)電流的 導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流 傳感器的檢測(cè)孔 。 當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線 時(shí)， 在導(dǎo)線周圍將 產(chǎn)生磁場(chǎng) ，磁力線 集中在鐵心內(nèi)，并 在鐵心的缺口處穿 過(guò)霍爾元件 ，從而 產(chǎn)生與

13、電流成正比 的霍爾電壓 。 霍爾電流傳感器演示 鐵心 線性霍爾 IC E H=KI I 所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面： 其他霍爾 電流傳感器 其他霍爾電流 傳感器（續(xù)） 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 被測(cè)電流的 導(dǎo)線未放入 鐵心時(shí)示值 為零 70.9A 鉗形表的環(huán)形鐵 心可以張開(kāi)， 導(dǎo)線由此穿過(guò) 霍爾鉗形 電流表演示 霍爾鉗形 電流表演示 70.9A 霍爾鉗形電流表的使用 被測(cè)電流的導(dǎo)線從此處穿入 鉗形表的環(huán)形鐵心 手指按下此處，將鉗形表的 鐵心張開(kāi) 將被測(cè)電流導(dǎo)線逐根夾 到鉗形表的環(huán)形鐵心中 將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線” 夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗 形

14、表的示值為多少？為什么？ 霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)） 叉形 鉗形表 漏磁稍大， 但使用方便 用 鉗形表測(cè)量 電動(dòng)機(jī)的相電流 霍爾式電流 諧波分析儀 被測(cè)電流的 諧波頻譜 鐵心的 開(kāi)合縫隙 鐵心的 杠桿壓舌 霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo) 某型號(hào)霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo) 額定輸入電流： 300A 額定輸出電： 4 1% V 電源電壓： 15 5% V 失調(diào)電壓： 25 mV 失調(diào)電壓漂移： 1mV/ 線性度： 1%FS 響應(yīng)時(shí)間： 7S 絕緣電壓： 50HZ， 1min， 2.5 KV 工作溫度： -10 +70 匝數(shù)比： 1： 2000 閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理電路 霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算 “匝數(shù)比” ： P S S P I I N N NP被定義為 “ 一次測(cè)線圈 ” 的匝數(shù)， 一般取 NP=1； NS為廠家所設(shè)定的 “ 二次側(cè)線圈的匝數(shù) ” 霍爾電流傳感器的計(jì)算 設(shè)某型號(hào)霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比 NP/NS=1/2000，標(biāo)準(zhǔn)額定電流值 IPN=300A，二 次側(cè)的負(fù)載電阻 RS=30。通電后，用電流表測(cè) 得二次側(cè)電流 IS=0.1A，求輸出到弱電回路的電 壓 US和被測(cè)電流 IP。 解： 1） US=RS IS=3V 2）根據(jù) 匝數(shù)比公 式被測(cè)電流 IP為： A20 0A1.020 00S P S I N NI P