霍爾傳感器及其應(yīng)用

1、整理課件霍爾傳感器及其應(yīng)用姓名：陸鳴超學(xué)號：13721206導(dǎo)師：苗中華郵箱：整理課件目錄一、霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理二、霍爾傳感器的分類及應(yīng)用三、霍爾傳感器在測試系統(tǒng)中的一個舉例整理課件介紹 將霍爾元件、放大器、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個芯片上稱之為集成霍爾傳感器(簡稱霍爾傳感器)。它是磁敏傳感器最常見的一種, 具有感受磁場的獨特能力, 電路結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、體積小、動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、壽命長等優(yōu)點?？梢杂么艌鲎鳛楸粰z測信息的載體, 在測量技術(shù)中, 將位移、力、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等非電、非磁物理量轉(zhuǎn)換為電量。整理課件1、霍爾傳感器工作原理依據(jù)原理：霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原理：把

2、一個長度為L，寬度為b,厚度為d的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體薄片兩端通過控制電流I，在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的磁場，在薄片的兩外兩側(cè)就會產(chǎn)生一個與控制電流I和磁場強度B的乘積成比例的電動勢U。整理課件當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力f fL L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感應(yīng)電動勢。 f fL L=evB=evB圖2 霍爾效應(yīng)原理圖整理課件C CD DE EH H感應(yīng)電動勢U U在半導(dǎo)體膜上產(chǎn)生電場，于是電子在受到電場力f fE E的作用，方向與洛倫茲力相反。 f fE E =e =eU U/b/b圖3 霍爾效應(yīng)原理圖整理課件當洛倫茲力和電場力大小相等的時候就達

3、到了平衡即：即： f fL L + +f fE E =0=0。于是就產(chǎn)生了霍爾電勢E EH H。設(shè)通過半導(dǎo)體的電流設(shè)通過半導(dǎo)體的電流I I為為: : I I=-envbd=-envbd（n n為單位體積為單位體積的載流子數(shù)量）的載流子數(shù)量）則：則： E EH H= =IBIB/end=/end=S SH HIBIB S SH H靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)C CD DE EH H圖4 霍爾效應(yīng)原理圖整理課件霍爾元件材料為什么必須用半導(dǎo)體材料？用金屬材料可以么？用金屬材料可以么？霍爾元件材料為什么必須用薄片？用厚片可以么？用厚片可以么？E EH H= =IBIB/end=/end=S SH HIBIB

4、可見，元件厚度越小，輸出電壓也越大。 霍爾系數(shù):S SH H=1/(n*q)式中,n為載流子密度,一般金屬中載流子密度很大,所以金屬材料的霍爾系數(shù)系數(shù)很小,霍爾效應(yīng)不明顯;整理課件1.1、霍爾傳感器材料圖5 實物圖符號和測量電路1鍺(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。3砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。整理課件1.2、霍爾傳感器的主要技術(shù)指標（1）額定激勵電流（2）靈敏度（3）輸入電阻和輸出電阻（4）不等位電動勢和不等位電阻（5）寄生直流電勢（6）熱阻（7）最大磁感應(yīng)強度BM整理課件1.2.1、不等位電勢 概念：當霍爾元件通以控制電流IH而不加

5、外磁場時，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，稱為不等位電勢。出現(xiàn)的原因：l霍爾電極安裝不對稱l半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻l控制電極接觸不良造成的電流不均勻分布整理課件不等位電勢的解決方案：圖6 不等位電勢的補償電路把霍爾元件等效為一個電橋所有能使電橋達到平衡的方法都可以用來補償不等位電阻整理課件1.2.2、溫度補償 產(chǎn)生原因：霍爾元件是半導(dǎo)體材料制作的元件，因此，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。當溫度變化時，載流子濃度、電阻率都會有變化，導(dǎo)致霍爾系數(shù)靈敏度和輸入輸出電阻的變化。整理課件1.2.2、溫度補償采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。如圖所示：圖7 溫度補償電路整理課件2、霍

6、爾傳感器分類霍爾集成傳感器分為線性型和開關(guān)型兩大類。1、線性型霍爾集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強度呈線性關(guān)系。而且在0.15T范圍內(nèi)有較好的線性。因此可廣泛應(yīng)用在測量、自動控制等領(lǐng)域。圖8 線性霍爾傳感器特性整理課件 較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。目前,普及型錄音機一般都沒有全自動停機裝置。這樣,在錄音機快進、快退完畢或軋帶時電機還會繼續(xù)運轉(zhuǎn),很容易損壞,并會對其運轉(zhuǎn)部分造成較大磨損。為解決這個問題,可采用UGN3501T來進行全自動停機控制。圖9 UGN3501實物圖和錄音機全自動停機裝置整理課件2、開關(guān)型霍爾傳感器當外加的磁感應(yīng)強度超過動作點Bnp時，傳感器輸出低電平，當磁感

7、應(yīng)強度降到動作點Bnp以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點Brp時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bnp與Brp之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。 BnpBrp圖10 開關(guān)型霍爾傳感器特性整理課件較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。圖11 3020外形和結(jié)構(gòu)圖整理課件在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾開關(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。圖12 開關(guān)型霍爾傳感器應(yīng)用整理課件2、霍爾傳感器的應(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

8、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。整理課件常見霍爾常見霍爾傳感器應(yīng)用傳感器應(yīng)用霍爾傳感器霍爾特斯拉計霍爾接式近開關(guān)整理課件 采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足?；饡r間準確、高速時動力足。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 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） 整理課件a）原理圖 b）霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形11點火開關(guān)點火開關(guān)

9、2 2達林頓晶體管功率開關(guān)達林頓晶體管功率開關(guān) 3 3點火線圈低壓點火線圈低壓側(cè)側(cè) 4 4點火線圈鐵心點火線圈鐵心 5 5點火線圈高壓側(cè)點火線圈高壓側(cè) 6 6分火頭分火頭 7 7火花塞火花塞 整理課件位移測量原理圖磁鐵中心位置磁場強度為零磁場分布越均勻輸出線性越好比較適用于小位移的機械振動整理課件壓力傳感器原理圖彈性元件收到不同的壓力產(chǎn)生不同的位移霍爾元件在磁場中移動使霍爾電勢變化整理課件3、霍爾測速計 霍爾傳感器可以測量的物理參數(shù)有磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速等。在電機控制系統(tǒng)中,測速電路是其中具有代表性的實例之一。本實驗系統(tǒng)采用博世力士樂傳感實驗裝置, 主要由傳感器實驗臺、直流穩(wěn)壓電

10、源、傳感器、直流電機和信號處理電路模塊組成。整理課件3. 1、框圖設(shè)計根據(jù)霍爾傳感器的工作原理, 設(shè)計一個路程測試電路, 通過信號拾取、低通濾波電路、單片機信號處理、顯示輸出等單元電路實現(xiàn)其功能, 采用數(shù)字示波器進行輸出信號的動態(tài)觀察和測量。該測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。圖13 霍爾傳感器設(shè)計性電路框圖整理課件3.2、工作原理信號拾取信號處理信號顯示旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)動速度的數(shù)字檢測基本方法是利用與該設(shè)備同軸連接的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列，測量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動方向。整理課件3.2.1、信號拾取電路 其拾取過程大致是這樣的：信號盤有24個齒，

11、當信號盤隨電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，信號盤的每個齒經(jīng)過HZL201探頭正前方時產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個標準的脈沖信號。對該信號盤而言，每24個脈沖對應(yīng)電機的1個工作循環(huán)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低，可由單片機進行測量并換算為轉(zhuǎn)速。圖14 信號盤結(jié)構(gòu)和檢測信號圖整理課件3.2.2、信號處理電路 通過三極管和反相器調(diào)理成一個可以滿足單片機輸入脈沖的方波脈沖信號。反相器圖15 信號處理電路三極管整形電路整理課件測速的計算公式：根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有1：M法(測頻率法)、T法(測周期法)和M/T法(頻率/周期法)M法:在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，檢測霍爾傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號的個數(shù)

12、來確定轉(zhuǎn)速。（缺點：起止時間具有隨機性）T法:它是測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速。M/T法。它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)霍爾傳感器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。(缺點：它的實時性差)整理課件 T法實際上是對計時器進行計數(shù)，相對于 M 法對脈沖進行計數(shù)，該方法有著較高的精度。另外 T 法對每個轉(zhuǎn)速脈沖都進行了轉(zhuǎn)速的計算，最大限度地利用了傳感器所提供的轉(zhuǎn)速信息，能實時地反映轉(zhuǎn)速的變化過程。綜合考慮文中系統(tǒng)采用了測周期法 (T 法)。整理課件單片機信號處理 信號處理電路輸出端與 AT89C52 單片機的 INT1引腳相連，由 INT1 引腳接收轉(zhuǎn)速脈沖信號

13、，進而控制單片機內(nèi)部定時計數(shù)器 T1 的啟動和停止。當INT1 低電平時啟動計數(shù)，高電平時停止計數(shù)。此時計數(shù)器中記得的數(shù)值m 為12分頻時鐘的周期數(shù)。該裝置采用 T 法測速，因此轉(zhuǎn)速測量公式為n=60f/zm。其中f 為AT89C52的內(nèi)部時鐘脈沖頻率，m 為單片機響應(yīng)中斷從計數(shù)器 T1 讀出的計數(shù)值。60代表每分鐘的轉(zhuǎn)速。z為齒輪信號盤每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)。整理課件3.2.3、信號顯示電路 由 AT89C52單片機和 LED 顯示器組成, 單片機的I/O口線數(shù)據(jù)采用串行輸入并行輸出, LED顯示器采用共陽極接法。圖16 信號顯示電路整理課件RXDP3.0TXDP3.1串行數(shù)據(jù)MCS-51ABCLK128移位脈沖QHQGQFQEQDQCQBQA74LS164擴展的并行輸出口1312111065439R2.2 k5 VCLR 圖17 單片機和74LS164接法串行輸入并行輸出整理課件3.3、數(shù)據(jù)仿真示波器檢測, 可以得出傳感器的輸出電壓與車輪的轉(zhuǎn)速有關(guān), 如表2所示。整理課件整理課件結(jié)語 轉(zhuǎn)速檢測裝置選用集成霍爾齒輪傳感器采集轉(zhuǎn)速信號，具有頻率響應(yīng)快、抗干擾能力