發(fā)電傳感器[2]（霍爾式傳感器.pps

傳感器與自動檢測技術(shù) 第三章 發(fā)電傳感器 2 霍爾式傳感器 淮南聯(lián)合大學(xué)機電系 洪 濱 E-mail: mobile:http:hongbin2050.wiseman.tv,【題1】：什么是霍耳效應(yīng)?簡述霍耳傳感器的特點。 【題2】：影響霍爾元件測量精度的因素有哪些？霍爾元件的測量誤差的補償方法有哪幾種？,補充題：,【題3】設(shè)計一種霍爾液位控制器，要求：1)、畫出磁路系統(tǒng)示意圖。 2)、畫出電路原理簡圖。 3)、簡要說明工作原理。,一、霍爾效應(yīng)及傳感器,1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。,霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。它廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。,1、霍爾效應(yīng)與霍爾元件 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,霍爾元件符號,當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)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。,霍爾效應(yīng)原理圖,霍爾效應(yīng)演示,若磁感應(yīng)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(yīng)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(jié)論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不一定都可以制造霍爾元件。 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小，不適用。, 半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。 由EH=KHIBcos 式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度 KH 越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似1.0微米。,2、霍爾元件結(jié)構(gòu)及測量電路 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四極引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，在它的長度方向兩端面上焊有兩根引線(圖中a、b線),稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線。,在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有兩根霍爾輸出端引線(圖中c、d線)，通常用綠色導(dǎo)線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與長度之比要小于0.1，否則影響輸出。,霍爾元件的基本測量電路如圖所示。激勵電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電動勢UH的負(fù)載電阻，通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。,位移傳感器,圖4-21霍爾元件的測量電路,霍爾元件外型,3、霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo) 1）、額定激勵電流IH 和最大允許激勵電流Imax 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。,因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵電流增加。,線性區(qū),2）、輸入電阻Ri和輸出電阻RS 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。,3)、不等位電勢及零位電阻r0 當(dāng)霍爾元件通以激勵電流IH時，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0,但實際UH不等于0，這時測得的空載電勢稱不等位電勢U0。等位電動勢U0也可用不等位電阻r0(或稱零位電阻)表示，即：,a)、引出電極不對稱 b)、半導(dǎo)體材料不均勻 產(chǎn)生不等位電勢的原因,4）、寄生直流電勢 在外加磁場為零, 霍爾元件用交流激勵時, 霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外, 還有一直流電勢, 稱寄生直流電勢。寄生直流電勢一般在 1mV以下, 它是影響霍爾片零漂的原因之一。 ,其產(chǎn)生的原因有: 激勵電極與霍爾電極接觸不良, 形成非歐姆接觸, 造成整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱, 則兩個電極點的熱容不同, 散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。,5）、熱阻RQ： 表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmw的電功率時產(chǎn)生的溫升，單位為。C/mW。 ,4、霍爾元件的補償電路 (1)、不等位電動勢的補償 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級, 有時甚至超過霍爾電勢, 而實用中要消除不等位電勢是極其困難的, 因而必須采用補償?shù)姆椒ā?由于不等位電動勢與不等位電阻是一致的，因此可以用分析其電阻的方法來進行補償。,如圖所示, 其中A、B為激勵電極,C、D為霍爾電極, 極分布電阻分別用R1、R2、R3、 R4表示。理想情況下, R1=R2=R3=R4, 即可取得零位電勢為零。,a)在較大臂上并聯(lián)電阻 b)在兩個臂上并聯(lián)電阻,實際上, 由于不等位電阻的存在, 說明此四個電阻值不相等, 可將其視為電橋的四個橋臂, 則電橋不平衡。為使其達到平衡， 可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻, 或在兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻。,c)在兩個臂上并聯(lián)電阻 d)在較大臂上并聯(lián)電阻,e)、f)在兩個臂上并聯(lián)電阻的等效電路 圖 不等位電動勢的補償,(2)、溫度補償 一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化?；魻栐砂雽?dǎo)體材料制成，因此它的性能參數(shù)，如靈敏度、輸入電阻及輸出電阻等也隨溫度變化而變化，同時元件之間參數(shù)離散性也很大，不便于互換。為此對其進行補償是必要的。,為了減小霍爾元件的溫度誤差, 除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒 溫措施外, 由UH=KHIP可看出：采用恒流源供電是個有效措施, 可以使霍爾電勢穩(wěn)定。 ,還可以使用電橋補償法，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示， 霍爾元件的不等位電動勢用調(diào)節(jié)電位器RP的方法進行補償。在霍爾輸出電極上串入一個溫度補償電橋，此電橋的4個臂R1R4中有一個臂是錳鋼電阻并聯(lián)的熱敏電阻器，以調(diào)整其溫度系數(shù)，其他3個臂均為錳銅電阻。,圖 電橋補償法的溫度補償電路,因此補償電橋可以輸出一個隨溫度而改變的可調(diào)不平衡電壓，該電壓與溫度為非線性關(guān)系，只要細(xì)心調(diào)整這個不平衡的非線性電壓就可以補償霍爾元件的溫度漂移，在-40+40溫度范圍內(nèi)可以達到滿意的效果。,二、霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例,霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點, 它不僅用于磁感應(yīng)強度, 有功功率及電能參數(shù)的測量, 也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。霍爾電勢是關(guān)于I、B、 三個變量的函數(shù)， 即 EH=KHIBcos 。,利用這個關(guān)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。,霍爾元件,霍爾元件,霍爾特斯拉計（高斯計）,霍爾高斯計的使用,磁鐵,霍爾元件,霍爾傳感器用于測量磁場強度,測量鐵心氣隙的B值,霍爾元件,在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，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(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。,霍爾轉(zhuǎn)速表,N,S,線性霍爾元件,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表測速示意圖,當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。,霍爾轉(zhuǎn)速表工作原理,只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。,霍爾元件,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法,汽車防抱死裝置,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置中的應(yīng)用。,若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。,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-永久磁鐵 5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）,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(zhǔn)確、高速時動力足。其中， 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）、葉片位置與點火正時的關(guān)系。,汽車點火線圈,高壓輸出接頭,12V低壓電源輸入接頭,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(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。,霍爾式無觸點汽車電子點火裝置,汽車電子點火電路及波形,1點火開關(guān) 2達林頓晶體管功率開關(guān) 3點火線圈低壓側(cè) 4點火線圈鐵心 5點火線圈高壓側(cè) 6分火頭 7火花塞,霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形,當(dāng)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(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)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。當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，,霍爾傳感器,控制器,點火總成,霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓。,磁鐵,汽車點火線圈,高壓輸出接頭,12V低壓電源輸入接頭,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(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。,霍爾式無觸點汽車電子點火裝置,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(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)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(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。,霍爾式無刷電動機,無刷電動機,可充電電池組,電動自行車,無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用,無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，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、無火花、可靠性強等特點。,直流電刷,換向器,利用 PWM調(diào)速,去速度控制器,電動自行車的無刷電動機及控制電路,霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,用霍爾IC也能完成接近開關(guān)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。,霍爾式 接近開關(guān),在上圖中，當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)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。,霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示,T,開關(guān)型霍爾IC,軟鐵分流翼片,霍爾電流傳感器 將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。,鐵心,線性霍爾IC,EH=KH IB,霍爾電流傳感器演示,其他霍爾 電流傳感器,霍爾鉗形電流表（交直流兩用）,豁口,壓舌,霍爾鉗形電流表演示,被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零,直流200A量程,70.9A,霍爾鉗形電流表演示(續(xù)),70.9A,被測電流的導(dǎo)線放入鐵心時示值,霍爾鉗形電流表的使用,被測電流的導(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,將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中,將空調(diào)電源的“三芯護套線”夾