項目5位移檢測—霍爾傳感器.ppt

四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院,電子工程系自動檢測技術(shù)教研組,項目5 位移測量霍爾傳感器應(yīng)用,自動檢測技術(shù),主要內(nèi)容,一、霍爾傳感器發(fā)展歷史； 二、霍爾效應(yīng)和霍爾傳感器原理； 三、應(yīng)用實例； 四、實訓(xùn)位移測量系統(tǒng)。,自動檢測技術(shù),概述,霍爾傳感器是磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。1879年霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的，已有一百多年的歷史，由于霍爾效應(yīng)在金屬中非常微弱，只是在大學(xué)的教科書中作為一種理論而存在，并未付諸實際應(yīng)用。直到60多年以后，大約到上世紀四十年代后期，半導(dǎo)體工藝的成熟，科學(xué)家利用半導(dǎo)體工藝重新試驗霍爾效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：半導(dǎo)體工藝（P或N型）都可以再現(xiàn)霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，而且N型半導(dǎo)體尤其明顯。使霍爾效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。我國大約到上世紀七十年代開始研究霍爾元件，已能生產(chǎn)各種性能霍爾元件， 例如：普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫測磁性和開關(guān)型等。,自動檢測技術(shù),圖1 霍爾效應(yīng)原理圖,自動檢測技術(shù),1.2 霍爾元件結(jié)構(gòu) 霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相對兩側(cè)對稱的焊上兩對電極引出線（一對稱激勵電流端，另一對稱霍爾電勢輸出端），如下圖所示。,自動檢測技術(shù),如下圖所示?？刂齐娏饔呻娫碋供給，R為調(diào)節(jié)電阻，霍爾輸出端接負載 ，它也可以是放大器的輸入電阻或表頭電阻。 由于霍爾元件必須在磁場與控制電流的作用下，才會輸出霍爾電勢，實際使用時，可把I或B作為輸入信號，而輸出信號正比于I和B。 由于建立霍爾效應(yīng)的時間很短（ ）S，因此，控制電流用交流時， 頻率可達 Hz以上。,2 霍爾元件的基本電路,自動檢測技術(shù),自動檢測技術(shù),霍爾元件的輸出信號可采用運算放大器加以放大，元件與放大器集成在同一芯片內(nèi)。如下圖所示。,自動檢測技術(shù),3 霍爾元件主要參數(shù),輸入電阻 與輸出電阻 ： 指控制電流極之間的阻值； 指霍爾電壓極之間的阻值。 額定激勵電流(mA) ：使霍爾元件溫升 所施加的控制電流，實際使用時，控制電流的增加受到霍爾元件最高溫升限制。 霍爾溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率稱霍爾溫度系數(shù)。,自動檢測技術(shù),自動檢測技術(shù),4 實際應(yīng)用,利用霍爾元件測量機械加工工件的凹和凸。如下圖所示。工件凸會導(dǎo)致霍爾元件向上位移x，導(dǎo)致磁感應(yīng)強度B發(fā)生變化，引起霍爾電勢UH的變化；工件凹會導(dǎo)致霍爾元件向下位移x，導(dǎo)致磁感應(yīng)強度B發(fā)生變化，引起霍爾電勢UH的變化。 若測得輸出量UH為正，則可判斷工件為凸，再利用轉(zhuǎn)換電路和控制電路去控制車床去車掉多余的部分。若測得輸出量UH為負，則可判斷工件為凹，再利用轉(zhuǎn)換電路和控制電路判斷該工件凹的程度，以便決定是報廢該工件還是留用該工件。,自動檢測技術(shù),自動檢測技術(shù),隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前，霍爾器件大多已集成化?；魻柤呻娐酚性S多優(yōu)點，例如：體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對電源穩(wěn)定性要求低等。,5 霍爾集成電路,自動檢測技術(shù),霍爾集成元件是霍爾元件與集成運放一體化的結(jié)構(gòu)，是一種傳感器模塊。可分為線性輸出型和開關(guān)輸出型兩大類。 開關(guān)輸出型是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高電阻狀態(tài)變?yōu)榈酵顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)輸出型霍爾集成元件與微型計算機等數(shù)字電路兼容，因此，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 線性輸出型是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便，已得到廣泛的應(yīng)用。較典型的線性霍爾器件如UGN3501等。,自動檢測技術(shù),5.1 開關(guān)輸出型霍爾集成元件 下圖為開關(guān)輸出型霍爾集成元件UGN3020的封裝及外形尺寸。1為接地端，2為電源端，3為輸出端。,自動檢測技術(shù),下圖所示為UGN3020的內(nèi)部電路圖。其中，X為霍爾元件，A為放大器，S為施密特電路，T為輸出晶體管，E為穩(wěn)定電源。由于增設(shè)了施密特電路，使其具有時滯特性，提高了抗噪聲的性能。該電路主要用于接近開關(guān)。,自動檢測技術(shù),5.2 線性輸出型霍爾集成元件,下圖為線性霍爾器件UGN3501M的內(nèi)部電路圖和輸出特性曲線圖。當(dāng)UGN3501M感受的磁場為零時，1、8引腿之間的輸出電壓為零；感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準3501M的正面）時，輸出電壓為正；磁場為反方向時，輸出電壓為負。UGN3501M的第5、6、7腳外接一只微調(diào)電位器后，就可以微調(diào)并消除不等位電勢引起的差動輸出零點漂移。,自動檢測技術(shù),自動檢測技術(shù),自動檢測技術(shù),霍爾電勢UH是關(guān)于I、B兩個變量的函數(shù)，即UH=KIB，人們利用這個關(guān)系可以使其中兩個變量不變，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。三個變量的多種組合使得霍爾傳感器具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 霍爾傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、無觸點、動態(tài)特性好、壽命長等特點，因而得到了廣泛應(yīng)用。 如磁感應(yīng)強度、電流、電功率等參數(shù)的檢測都可以選用霍爾器件。它特別適合于大電流、微小氣隙中的磁感應(yīng)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量。 此外，也可用于位移、加速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量以及自動控制。,6 霍爾位移傳感器應(yīng)用實驗,自動檢測技術(shù),如下圖（a)所示。在磁場強度相同而極性相反的兩個磁鐵氣隙中放置一個霍爾元件。當(dāng)元件的控制電流I恒定不變時，霍爾電勢 與磁感應(yīng)強度B成正比。若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度 為一常數(shù)如下圖（b）所示。則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動時， 的變化為: 式中K為位移傳感器輸出靈敏度。 將上式積分后得:,6.1 位移測量,自動檢測技術(shù),上式說明，霍爾電勢 與位移量成線性關(guān)系，其極性反映了元件位移的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線型度越好。 當(dāng)元件位于磁場中間位置上時， ，這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結(jié)果。 一般用來測量12mm 的小位移，其特點是：慣性小，響應(yīng)速度快，無接觸測量。利用這一原理還可以測量其他非電量，如力、壓力、壓差、液位和加速度等,自動檢測技術(shù),霍爾電勢UH與磁感應(yīng)強度B關(guān)系曲線,自動檢測技術(shù),6.2 霍爾元件測位移實驗 霍爾元件測位移實驗電路原理圖見圖2，印制電路版圖見圖3。 當(dāng)游標卡尺螺旋轉(zhuǎn)動時，會帶動與其連接的磁鐵前后移動，導(dǎo)致霍爾元件所處的磁場強度發(fā)生變，因此輸出的霍爾電壓發(fā)生變化 ，輸出電壓通過運放后直接在數(shù)字電壓表頭上顯示出來。,自動檢測技術(shù),圖2 霍爾元件測位移實驗電路原理圖,自動檢測技術(shù),圖3 霍爾元件測位移實驗電路板圖,自動檢測技術(shù),第一步，讓磁鐵向前移動，記錄10組位移數(shù)據(jù)和霍爾電壓數(shù)據(jù)，記