霍爾效應(yīng)傳感器的特殊應(yīng)用

1、霍爾效應(yīng)傳感器的特殊應(yīng)用0 引言開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器是磁敏接近式傳感器，具有應(yīng)用靈活、寬工作電壓范圍和采樣頻率高等特點(diǎn)，是一種可靠性高無(wú)接觸清潔型傳感器，在位置傳感、旋轉(zhuǎn)測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器主要分單極接近型和雙極鎖存型，其基本原理和應(yīng)用不再闡述，以下介紹幾種在位置傳感和旋轉(zhuǎn)測(cè)量中的特殊用法。1 雙極性開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器成品霍爾傳感器在芯片封裝時(shí)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，或用磁體的S 極觸發(fā)，或用N極觸發(fā)，當(dāng)磁體是嵌入固定時(shí)，用戶在維護(hù)和更換時(shí)需要對(duì)磁體極性做出判別，應(yīng)用不便。雙極性開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器則無(wú)須判別磁體極性，具有很大的靈活性和方便性。1 1 基本原理霍爾芯片A3144的某

2、一個(gè)感應(yīng)面為磁體的 S極敏感，假設(shè)該面為s面，那 么另一面一定是N極敏感，假設(shè)該面叫 N面。將兩個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾芯片 A B貼近疊放在一起，A芯片在前且s面朝外，B芯片在后且N面朝外，兩芯片的開(kāi)路輸出 0a、0b連接作為一個(gè)輸出端，共用同一電源，弁封裝在一個(gè)銅質(zhì)羅栓裝置中，芯片的作用面朝向磁體的磁極N或S,結(jié)構(gòu)原理參見(jiàn)圖1。1. 2實(shí)現(xiàn)方法 由于A、B芯片前后疊放，磁場(chǎng)要穿過(guò) A芯片作用B芯片 的敏感面，顯然B芯片的靈敏度會(huì)有所下降。實(shí)驗(yàn)證明磁體對(duì)底層B芯片的觸發(fā)距離與A芯片相比減少1. 5m在右，為補(bǔ)償B芯片靈敏度的降低， 可通過(guò)在其背后襯加一小鐵磁質(zhì)材料的方法來(lái)補(bǔ)償。稀土磁鋼的磁場(chǎng)無(wú)須補(bǔ)償就能

3、夠穿過(guò)A芯片弁能作用觸發(fā)B芯片，當(dāng)S極接近傳感器時(shí)，A芯 片輸出，N極接近傳感器時(shí)，B芯片輸出。這樣，無(wú)論磁體的那個(gè)磁極接 近傳感器，總有一個(gè)芯片輸出，而對(duì)磁體的極性無(wú)需關(guān)心。雙極性開(kāi)關(guān)型 霍爾效應(yīng)傳感器優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須關(guān)心磁體極性，傳感器的互換性強(qiáng)，更換維護(hù) 方便。不足的是采用兩個(gè)芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距離稍微減少。2霍爾效應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)編碼器精確測(cè)量旋轉(zhuǎn)角時(shí)常采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在使用環(huán)境惡劣和精度要求不高的場(chǎng)合，使用光電旋轉(zhuǎn)編碼器會(huì)造成系統(tǒng)成本過(guò)高，為提高可靠性一般采用多個(gè)廉價(jià)可靠的開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器按不同的角度位置安裝，用旋轉(zhuǎn)的磁體分別掠過(guò)傳感器的作用面來(lái)采樣。當(dāng)采樣點(diǎn)較多時(shí)

4、，這種方法使用的傳感器數(shù)量和信號(hào)線較多，安裝不便，且占用控制系統(tǒng)接口資源較多。2. 1基本原理 同雙極性開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，不同點(diǎn)是A、B兩芯片分別輸出。其中芯片A作為起始“零點(diǎn)”脈沖輸出，芯片B作為旋轉(zhuǎn)角度” 順序”脈沖輸出，無(wú)論采樣點(diǎn)是多少，只需安裝一支旋轉(zhuǎn)編碼傳感器，一條四芯電纜線，占用兩個(gè)系統(tǒng)接口，結(jié)構(gòu)原理參見(jiàn)附圖1。2 2 實(shí)現(xiàn)方法安裝磁體時(shí)，其中只有一個(gè)比如s 極朝向傳感器的作用面，其它磁體N 極朝向作用面，當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，s 極作用開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，編碼器輸出一個(gè)零點(diǎn)脈沖，而N極作用旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)則是序列脈沖輸出，由控制系統(tǒng)做出判斷和計(jì)量，見(jiàn)附圖1 。由于磁體間有較大間隙

5、，零點(diǎn)脈沖與序列脈沖并不重疊，采用兩線輸入，控制系統(tǒng)的軟件處理非常簡(jiǎn)單。這種傳感器優(yōu)點(diǎn)是用一個(gè)傳感器代替多個(gè)傳感器，安裝簡(jiǎn)單成本低，采樣點(diǎn)越多，優(yōu)越性越明顯。不足的是兩個(gè)輸出的脈沖寬度與旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)；采樣點(diǎn)較多時(shí)，需要較大直徑的磁體安裝輪。在印刷設(shè)備的程序控制系統(tǒng)中，采用了開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了傳感器數(shù)量。3 磁偏置霍爾效應(yīng)高速齒輪接近開(kāi)關(guān)電容或電感式接近開(kāi)關(guān)由于工作頻率低，難以滿足高速旋轉(zhuǎn)的測(cè)量。而能滿足高速測(cè)量的齒輪傳感器則價(jià)格相對(duì)昂貴?？衫瞄_(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器芯片設(shè)計(jì)廉價(jià)的高速霍爾效應(yīng)接近開(kāi)關(guān)，參見(jiàn)附圖2。3. 1基本原理 開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度有一

6、臨界值，磁感應(yīng) 強(qiáng)度超過(guò)臨界值時(shí)霍爾芯片被觸發(fā)輸出。采用順磁物質(zhì)或加大磁通量，可 增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，鐵質(zhì)齒輪正好能滿足這一要求。3. 2實(shí)現(xiàn)方法 將一小型高強(qiáng)度磁體與霍爾芯片封裝在一個(gè)傳感器中，磁 體與芯片的距離稍大于臨界觸發(fā)距離，這時(shí)芯片無(wú)輸出，相當(dāng)于給芯片預(yù) 加一磁偏置。當(dāng)鐵磁質(zhì)接近傳感器時(shí)，由于鐵磁質(zhì)產(chǎn)生較強(qiáng)的附加磁場(chǎng)， 與原磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同，加強(qiáng)了作用于霍爾芯片的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度 大于臨界觸發(fā)強(qiáng)度時(shí)芯片有接近信號(hào)輸出。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度 高達(dá)10KHz;且成本低廉。在高溫、高濕、飛花落塵嚴(yán)重的惡劣環(huán)境中， 性能穩(wěn)定，效果較好。不足的是這種設(shè)計(jì)只能檢測(cè)鐵磁質(zhì)，作用距離稍近，須選

7、用磁感應(yīng)強(qiáng)度長(zhǎng)期穩(wěn)定的磁體。畫(huà)4霍爾效應(yīng)可逆計(jì)量傳感器光電可逆計(jì)量傳感器具有較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)換電路和機(jī)械傳動(dòng)裝置，價(jià)格相對(duì)昂貴，安裝精度要求高，存在傳動(dòng)摩擦，不利于高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。利用鎖存 型霍爾效傳感器配合簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化電路可實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)量，克服了光電可逆計(jì)量傳感器的缺點(diǎn)，性能價(jià)格比高。4. 1基本原理鎖存型霍爾效應(yīng)傳感器 A3290具有觸發(fā)鎖存特點(diǎn)，需采用磁體的M s極交替觸發(fā)才有信號(hào)輸出，單極性磁極觸發(fā)不能輸出連續(xù)脈沖，因此Z S極間隔影響輸出脈沖寬度。利用這一特點(diǎn)，合理安排磁極 安裝位置，鎖存型霍爾效傳感器可設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向判定傳感器，用于可逆計(jì)量。圖3霍爾效應(yīng)可逆計(jì)量傳感器電路原理5. 2實(shí)現(xiàn)方法 雙磁

8、鐵采用非對(duì)稱安裝，其中一個(gè)磁鐵的s極朝外，另一個(gè)N極朝外，參見(jiàn)圖3。假設(shè)s極置位霍爾傳感器 HL N極復(fù)位傳感器， 顯然磁極順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)謩e掠過(guò)HL時(shí)，輸出脈沖寬度不同。電路中 IC為六施密特觸發(fā)器，IC B和IC C將HL的輸出信號(hào)反相弁分為兩路信號(hào)， 一路輸入到由R1、C1與ICA構(gòu)成的微分電路，輸出計(jì)量脈沖。另一路 輸入到由R2 C2與ICD構(gòu)成的積分電路。合理選取 R2、C2參數(shù)，使積 分電路對(duì)寬脈沖能夠積分到IC-D的輸入門(mén)限電壓，而對(duì)窄脈沖則不能。顯然磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)IC D輸出高電平，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)IC D輸出低電 平。采樣輪的正反轉(zhuǎn)得到判斷，弁輸出可逆計(jì)量控制電平。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，特別適于高速旋轉(zhuǎn)采樣系統(tǒng)，不足的是低 速旋轉(zhuǎn)會(huì)影響判斷。實(shí)際應(yīng)用時(shí)為修正低速缺點(diǎn)，采樣輪直徑盡量大，s、N極要盡量靠近。5結(jié)束語(yǔ)霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù)成熟、