霍爾式傳感器說課教案

1、第八章 霍爾傳感器課題：霍爾傳感器的原理及應用課時安排：2課次編號：12教材分析難點：開關型霍爾集成電路的特性重點：霍爾傳感器的應用教學目的和要求1、了解霍爾傳感器的工作原理；2、了解霍爾集成電路的分類；3、掌握線性型和開關型霍爾集成電路的特性；4、掌握霍爾傳感器的應用。采用教學方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：各種霍爾元件、霍爾傳感器各教學環(huán)節(jié)和內容演示1：將小型蜂鳴器的負極接到霍爾接近開關的OC門輸出端，正極接Vcc端。在沒有磁鐵靠近時，OC門截止，蜂鳴器不響。當磁鐵靠近到一定距離（例如3mm）時，OC門導通，蜂鳴器響。將磁鐵逐漸遠離霍爾接近開關到一定距離（例如5mm）時，OC門再

2、次截止，蜂鳴器停響。演示2：將一根導線穿過10A霍爾電流傳感器的鐵芯，通入0.11A電流，觀察霍爾IC的輸出電壓的變化，基本與輸入電流成正比。從以上演示，引入第一節(jié)霍爾效應、霍爾元件的工作原理。第一節(jié) 霍爾元件的工作原理及特性一、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（Hall Effect），該電動勢稱為霍爾電動勢（Hall EMF），上述半導體薄片稱為霍爾元件（Hall Element）。用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器（Hall Transducer）。圖8-1 霍

3、爾元件示意圖a）霍爾效應原理圖 b）薄膜型霍爾元件結構示意圖 c）圖形符號 d）外形霍爾屬于四端元件：其中一對（即a、b端）稱為激勵電流端，另外一對（即c、d端）稱為霍爾電動勢輸出端，c、d端一般應處于側面的中點。由實驗可知，流入激勵電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場強度B越強，霍爾電動勢也就越高?；魻栯妱觿軪H可用下式表示EH=KH IB （8-1）式中 KH霍爾元件的靈敏度。 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，這時的霍爾電動勢為EH=KHIBcos （8-2）從式（8-2）

4、可知，霍爾電動勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電動勢為同頻率的交變電動勢。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹脂等制造。 二、主要特性參數 （1）輸入電阻R i 恒流源作為激勵源的原因：霍爾元件兩激勵電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數值從幾十歐到幾百歐，視不同型號的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流Iab變大，最終引起霍爾電動勢變大。使用恒流源可以穩(wěn)定霍爾原件的激勵電流。 （2）最大激勵電流Im 激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電動勢的溫

5、漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。提問：霍爾原件的最大激勵電流Im 為宜。A0mA B0.1 mA C10mA D100mA（4）最大磁感應強度Bm 磁感應強度超過Bm時，霍爾電動勢的非線性誤差將明顯增大，Bm的數值一般小于零點幾特斯拉。提問：為保證測量精度，圖8-3中的線性霍爾IC的磁感應強度不宜超過 為宜。A0T B0.10T C0.15T D100Gs第二節(jié) 霍爾集成電路霍爾集成電路（又稱霍爾IC）的優(yōu)點：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?；魻柤呻娐返姆诸悾壕€性型和開關型兩大類。線性型的內部電路：霍爾元件和恒流源

6、、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。開關型霍爾集成電路的內部電路：霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。圖8-2 線性型霍爾集成電路a）外形尺寸 b）內部電路框圖圖8-3 線性型霍爾集成電路輸出特性 圖8-4 開關型霍爾集成電路a）外形尺寸 b）內部電路框圖圖8-5 開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性注：1特斯拉（T）104高斯（Gs）提問：磁鐵從遠到近，逐漸靠

7、近圖8-5所示的開關型霍爾IC，問，多少高斯時，輸出翻轉？成為什么電平？表8-1 具有史密特特性的OC門輸出狀態(tài)與磁感應強度變化之間的關系 B/ T OC門輸出狀態(tài)OC門接法磁感應強度B的變化方向及數值 0 0.02 0.023 0.03 0.02 0.016 0接上拉電阻RL 高電平 高電平 低電平 低電平 低電平 高電平 高電平不接上拉電阻RL 高阻態(tài) 高阻態(tài) 低電平 低電平 低電平 高阻態(tài) 高阻態(tài)：OC門輸出的高電平電壓由VCC決定；、：OC門的遲滯區(qū)輸出狀態(tài)必須視B的變化方向而定.第三節(jié) 霍爾傳感器的應用霍爾電動勢是關于I、B、三個變量的函數，即EH=KHIBcos，使其中兩個量不變，

8、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等。1）維持I、不變，則EH=f(B），這方面的應用有：測量磁場強度的高斯計、測量轉速的霍爾轉速表、磁性產品計數器、霍爾角編碼器以及基于微小位移測量原理的霍爾加速度計、微壓力計等。2）維持I、B不變，則EH=f(），這方面的應用有角位移測量儀等。3）維持不變，則EH=f(IB），即傳感器的輸出EH與I、B的乘積成正比，這方面的應用有模擬乘法器、霍爾功率計、電能表等。1角位移測量儀角位移測量儀結構示意圖如圖8-8所示?；魻柶骷c被測物連動，而霍爾器件又在一個恒定的磁場中轉動，于是霍爾電動勢EH就反映了轉角的變化。圖8

9、-8 角位移測量儀結構示意圖1極靴 2霍爾器件 3勵磁線圈發(fā)散性思維：將圖8-8的鐵芯氣隙減小到夾緊霍爾IC的厚度。則B正比于Ui，霍爾IC的Uo正比于B，可以改造為霍爾電壓傳感器。與交流互感器不同的是：可以測量直流電壓，如右圖所示。4霍爾接近開關在第四章里，曾介紹過接近開關的基本概念。用霍爾接近開關也能實現接近開關的功能，但是它只能用于鐵磁材料，并且還需要建立一個較強的閉合磁場?；魻柦咏_關應用示意圖如圖圖8-12所示。在圖8-12b中，磁極的軸線與霍爾接近開關的軸線在同一直線上。當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾接近開關的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑涷寗与娐肥估^電器吸合或釋放

10、，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾接近開關）起到限位的作用。圖8-12 霍爾接近開關應用示意圖a）外形 b）接近式 c）滑過式 d）分流翼片式1運動部件 2軟鐵分流翼片提問：b）接近式 c）滑過式哪一種不易損壞？為什么？在圖8-12d中，磁鐵和霍爾接近開關保持一定的間隙、均固定不動。軟鐵制作的分流翼片與運動部件聯動。當它移動到磁鐵與霍爾接近開關之間時，磁力線被屏蔽（分流），無法到達霍爾接近開關，所以此時霍爾接近開關輸出跳變?yōu)楦唠娖?。改變分流翼片的寬度可以改變霍爾接近開關的高電平與低電平的占空比。發(fā)生性思維：電梯“平層”如何利用分流翼片的原理？霍爾傳感器的其他用途：霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳

11、感器、霍爾電能表、霍爾高斯計、霍爾液位計、霍爾加速度計等。5霍爾電流傳感器能夠測量直流電流，弱電回路與主回路隔離，能夠輸出與被測電流波形相同的“跟隨電壓”，容易與計算機及二次儀表接口，準確度高、線性度好、響應時間快、頻帶寬，不會產生過電壓等。（1）工作原理 用一環(huán)形（有時也可以是方形）導磁材料作成鐵心，套在被測電流流過的導線（也稱電流母線）上，將導線中電流感生的磁場聚集在鐵心中。在鐵心上開一與霍爾傳感器厚度相等的氣隙，將霍爾線性IC緊緊地夾在氣隙中央。電流母線通電后，磁力線就集中通過鐵心中的霍爾IC，霍爾IC就輸出與被測電流成正比的輸出電壓或電流。霍爾電流傳感器原理及外形如圖8-13所示。圖8

12、-13 霍爾電流傳感器原理及外形a）基本原理 b）外形1被測電流母線 2鐵心 3線性霍爾IC（2）技術指標及換算 霍爾電流傳感器可以測量高達2000A的電流；電流的波形可以是高達100kHz的正弦波和電工技術較難測量的高頻窄脈沖；它的低頻端可以一直延伸到直流電；響應時間小于1s，電流上升率（di/dt）大于200A/s。被測電流稱為一次測電流IP，將霍爾電流傳感器的輸出電流稱為“二次側電流” IS（霍爾傳感器中并不存在二次側）?！霸褦当取备拍睿篒S/IP和NP/NS。在霍爾電流傳感器中，N P被定義為“一次測線圈”的匝數，一般取N P=1；NS為廠家所設定的“二次側線圈的匝數”。因此有： （8

13、-3）依據霍爾電流傳感器的額定技術參數和輸出電流IS以及式（8-3），就可以計算得到被測電流。如果將一只負載電阻RS并聯在 “二次側”的輸出電流端，就可以得到一個與“一次測電流”（被測電流）成正比的、大小為幾伏的電壓輸出信號。隔離作用：霍爾電流傳感器的“一次測”與“二次側”電路之間的擊穿電壓可以高達6kV，可直接將“二次側”的輸出信號接到計算機電路。提問：有一個額定值很高的傳感器（例如100A）、而欲測量的電流值又低于額定值很多時（例如10A），如何提高測量準確度？可以把“一次測”導線在鐵心中間多繞幾圈。例如，當用額定值為200A的傳感器去測量10A的電流時，為提高準確度，可將“一次測”導線在傳感器的鐵心內孔中心繞10圈，即NP=10，則NP10A=100A，達到傳感器額定值的一半，從而提高了準確度。缺點：當被測導線在鐵心之間穿繞的匝數太多時，被測回路的感抗將增大許多，有可能人為地減小被測回路的電流，因此這種方法不予提倡。例8-1 設某型號霍爾電流傳感器的額定匝數比NP/NS=1/2000，