發(fā)電傳感器[2]（霍爾式傳感器.pps

傳感器與自動(dòng)檢測(cè)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(jī)電系 洪 濱 E-mail: mobile:http:hongbin2050.wiseman.tv,【題1】：什么是霍耳效應(yīng)?簡(jiǎn)述霍耳傳感器的特點(diǎn)。 【題2】：影響霍爾元件測(cè)量精度的因素有哪些？霍爾元件的測(cè)量誤差的補(bǔ)償方法有哪幾種？,補(bǔ)充題：,【題3】設(shè)計(jì)一種霍爾液位控制器，要求：1)、畫(huà)出磁路系統(tǒng)示意圖。 2)、畫(huà)出電路原理簡(jiǎn)圖。 3)、簡(jiǎn)要說(shuō)明工作原理。,一、霍爾效應(yīng)及傳感器,1879年美國(guó)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(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開(kāi)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(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)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(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)。,霍爾元件符號(hào),當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，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(shì)。,霍爾效應(yīng)原理圖,霍爾效應(yīng)演示,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)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(shì)，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(jiàn)，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(cè)量電路 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(zhǎng)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(diǎn)的形式對(duì)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(zhǎng)度之比要小于0.1，否則影響輸出。,霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖所示。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)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(cè)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(lì)電流IH 和最大允許激勵(lì)電流Imax 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。以元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。,因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵(lì)電流增加。,線性區(qū),2）、輸入電阻Ri和輸出電阻RS 激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢(shì)對(duì)外電路來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)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(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在205時(shí)確定的。,3)、不等位電勢(shì)及零位電阻r0 當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流IH時(shí)，若磁場(chǎng)B=0，理論上霍爾電勢(shì)UH=0,但實(shí)際UH不等于0，這時(shí)測(cè)得的空載電勢(shì)稱不等位電勢(shì)U0。等位電動(dòng)勢(shì)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(duì)稱 b)、半導(dǎo)體材料不均勻 產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因,4）、寄生直流電勢(shì) 在外加磁場(chǎng)為零, 霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí), 霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外, 還有一直流電勢(shì), 稱寄生直流電勢(shì)。寄生直流電勢(shì)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(lì)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(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱, 則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同, 散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢(shì)。,5）、熱阻RQ： 表示在霍爾電極開(kāi)路情況下，在霍爾元件上輸入lmw的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為。C/mW。 ,4、霍爾元件的補(bǔ)償電路 (1)、不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償 不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí), 有時(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢(shì), 而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的, 因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒ā?由于不等位電動(dòng)勢(shì)與不等位電阻是一致的，因此可以用分析其電阻的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。,如圖所示, 其中A、B為激勵(lì)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(shì)為零。,a)在較大臂上并聯(lián)電阻 b)在兩個(gè)臂上并聯(lián)電阻,實(shí)際上, 由于不等位電阻的存在, 說(shuō)明此四個(gè)電阻值不相等, 可將其視為電橋的四個(gè)橋臂, 則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡， 可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻, 或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。,c)在兩個(gè)臂上并聯(lián)電阻 d)在較大臂上并聯(lián)電阻,e)、f)在兩個(gè)臂上并聯(lián)電阻的等效電路 圖 不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償,(2)、溫度補(bǔ)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(shí)元件之間參數(shù)離散性也很大，不便于互換。為此對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)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(gè)有效措施, 可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。 ,還可以使用電橋補(bǔ)償法，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示， 霍爾元件的不等位電動(dòng)勢(shì)用調(diào)節(jié)電位器RP的方法進(jìn)行補(bǔ)償。在霍爾輸出電極上串入一個(gè)溫度補(bǔ)償電橋，此電橋的4個(gè)臂R1R4中有一個(gè)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(gè)臂均為錳銅電阻。,圖 電橋補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路,因此補(bǔ)償電橋可以輸出一個(gè)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(gè)不平衡的非線性電壓就可以補(bǔ)償霍爾元件的溫度漂移，在-40+40溫度范圍內(nèi)可以達(dá)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(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn), 它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度, 有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量, 也在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用?；魻栯妱?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。,霍爾元件,霍爾元件,霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）,霍爾高斯計(jì)的使用,磁鐵,霍爾元件,霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度,測(cè)量鐵心氣隙的B值,霍爾元件,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。,霍爾轉(zhuǎn)速表,N,S,線性霍爾元件,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表測(cè)速示意圖,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(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(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)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理。采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無(wú)磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)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(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系。,汽車點(diǎn)火線圈,高壓輸出接頭,12V低壓電源輸入接頭,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)。,霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置,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,霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形,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)火線圈的鐵心中。當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時(shí)，,霍爾傳感器,控制器,點(diǎn)火總成,霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑_(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。,磁鐵,汽車點(diǎn)火線圈,高壓輸出接頭,12V低壓電源輸入接頭,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)。,霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置,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)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(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)越廣泛的應(yīng)用。,霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī),無(wú)刷電動(dòng)機(jī),可充電電池組,電動(dòng)自行車,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)。,直流電刷,換向器,利用 PWM調(diào)速,去速度控制器,電動(dòng)自行車的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路,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?；魻柦咏_(kāi)關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,用霍爾IC也能完成接近開(kāi)關(guān)的功能，但是它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)。,霍爾式 接近開(kāi)關(guān),在上圖中，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?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路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）起到限位的作用。,霍爾式接近開(kāi)關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示,T,開(kāi)關(guān)型霍爾IC,軟鐵分流翼片,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(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)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(cè)電流的導(dǎo)線放入鐵心時(shí)示值,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