霍爾效應(yīng)式輪速傳感器精編版

1、霍爾輪速傳感器的工作原理1 引言霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá) m級）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)55150。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和 霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量， 后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象

2、的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為 : 直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。 前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。2 霍爾效應(yīng)和霍爾元件2.1霍爾效應(yīng)如圖 1 所示，在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如圖1 中的 VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879 年發(fā)現(xiàn)的。 VH稱為霍爾電壓。（ a）霍爾

3、效應(yīng)和霍爾元件這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場。霍爾電場產(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時，片子兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓。1在片子上作四個電極，其中C1、C2 間通以工作電流I ，C1、C2 稱為電流電極， C3、C4 間取出霍爾電壓VH，C3、C4 稱為敏感電極。 將各個電極焊上引線， 并將片子用塑料封裝起來，就形成了一個完整的霍爾元件（又稱霍爾片）。(1)或(2)或(3)在上述（ 1）、（ 2）、（ 3）式中 VH是霍爾電壓

4、， 是用來制作霍爾元件的材料的電阻率， n 是材料的電子遷移率， RH是霍爾系數(shù)， l 、 W、t 分別是霍爾元件的長、寬和厚度，f(I/W) 是幾何修正因子，是由元件的幾何形狀和尺寸決定的，I 是工作電流， V 是兩電流電極間的電壓，P 是元件耗散的功率。由 (1) (3)式可見，在霍爾元件中， 、RH、 n 決定于元件所用的材料，I 、 W、t 和 f(I/W)決定于元件的設(shè)計(jì)和工藝，霍爾元件一旦制成，這些參數(shù)均為常數(shù)。因此，式(1) (3) 就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結(jié)果。 (1) 式表示電流驅(qū)動，(2) 式表示電壓驅(qū)動，(3) 式可用來評估霍爾片能承受的最大功率。為了精確地測

5、量磁場 , 常用恒流源供電 , 令工作電流恒定 , 因而 , 被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 可用霍爾電壓來量度。在一些精密的測量儀表中，還采用恒溫箱，將霍爾元件置于其中，令RH保持恒定。若使用環(huán)境的溫度變化，常采用恒壓驅(qū)動，因和RH比較起來， n 隨溫度的變化比較平緩，因而VH受溫度變化的影響較小。為獲得盡可能高的輸出霍爾電壓VH，可加大工作電流，同時元件的功耗也將增加。(3) 式表達(dá)了 VH能達(dá)到的極限元件能承受的最大功耗。2.2霍爾器件霍爾器件分為 :霍爾元件和 霍爾集成電路兩大類， 前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片

6、上?；魻栐魻栐捎枚喾N半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si 、InSb 、GaAs、 InAs 、InAsP 以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等等。InSb 和 GaAs霍爾元件輸出特性見圖1(a) 、圖 1(b).（ a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件2（ b）InSb 霍爾元件的輸出特性(c)GaAs 霍爾元件的輸出特性圖 1 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和輸出特性這些霍爾元件大量用于直流無刷電機(jī)和測磁儀表?；魻栯娐坊魻柧€性電路它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B 成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖 3。這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測。霍爾

7、線性電路的性能參數(shù)見表3。圖 2 霍爾線性電路的功能框圖3圖 3 霍爾線性電路UGN3501的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線Vcc/V線性范圍 /mT 工作溫度 / 靈敏度 S/mV/mT 靜態(tài)輸出電壓 Vo/V型號mintyp maxmintypmaxUGN35018 12±100 20 853.57.02.53.65.0UGN35034.5 6±90 20 857.513.530.02.25 2.5 2.75Icc/mA引腳排列型號IOUT/mA Ro/k 乘積靈敏度 V/A·0.1T輸出形式外形結(jié)構(gòu)typmax1234UGN35014.00.11020射極輸出 VCC 地

8、 輸出 CI/PUGN35030.05 9.014射極輸出 VCC 地 輸出 CI/P表 3 線性霍爾電路的特性參數(shù)霍爾開關(guān)電路霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值BOP時，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B 再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場的B 值降低到 BRP時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點(diǎn)， BRP為釋放點(diǎn)， BOPBRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)。霍爾開關(guān)電路的功能框見圖 4。圖 4(a) 表示集電極開路(OC)輸出， (b) 表示雙輸出。它們的輸

9、出特性見圖5，圖 5(a) 表示普通霍爾開關(guān)， (b) 表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。4(a) 單 OC輸出 (b) 雙 OC輸出圖 4 霍爾開關(guān)電路的功能框圖(a) 開關(guān)型輸出特性 (b) 鎖定型輸出特性圖 5 霍爾開關(guān)電路的輸出特性一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場的南極 (S 極 ) 接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時，作用到霍爾電路上的磁場方向?yàn)檎?，北極接近標(biāo)志面時為負(fù)。鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場B 正向增加，達(dá)到 BOP時，電路導(dǎo)通，之后無論B 增加或減小，甚至將 B 除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的BRP時，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型?；魻栭_關(guān)電路的性能參數(shù)見表 4。表 4

10、霍爾開關(guān)電路的特性參數(shù)型號VCC/VBop/mTBRP/mTBH/mT I cc/mA I o/mA Vo/satI off/ A備注CS1018 4.818 1420 20 1461250.410CS1028 4.524 2830 30 2829250.410CS2018 4.0 20 10 20 20 106303000.610互補(bǔ)輸出CS302 3.5 24066 06950.410UGN31194.5 2416.5 5012.5 4559250.410A3144 4.5 247 355 3329250.410UGN31404.5 247 205 1829250.410A3121 4.5

11、 24 13 358 3059200.410UGN31754.5 241 25 25 1028500.410鎖定差動霍爾電路 ( 雙霍爾電路 )它的霍爾電壓發(fā)生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見圖6。5圖 6 差動霍爾電路的工作原理圖使用時在電路背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時，一對霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)差分放大后，使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的 汽車齒輪傳感器 具有極優(yōu)的性能。其它霍爾電路除上述各種霍爾元件外，目前還出現(xiàn)了許多特殊功能的霍爾電路，如功率霍爾電路，多重雙線霍爾傳感器電路，二維、三維霍爾集成電路等待。3 霍爾器件的應(yīng)

12、用3.1應(yīng)用的一般問題測量磁場使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片的表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測。工作磁體的設(shè)置用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個5×4×2.5 （ mm3）的釹鐵硼號磁鋼， 就可在它的

13、磁極表面上得到約2300 高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計(jì)算總有效工作氣隙時，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出。因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。6工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動方式有：(a) 對移； (b) 側(cè)移； (c) 旋轉(zhuǎn)； (d) 遮斷。如圖7 所示，圖中的TEAG即為總有效工作氣隙。圖 7 霍爾器件和工作磁

14、體間的運(yùn)動方式在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間隙時，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場。被傳感的運(yùn)動信息加在翼片上。這種方法的檢測精度很高，在 125的溫度范圍內(nèi)， 翼片的位置重復(fù)精度可達(dá)50m。圖 8 在霍爾器件背面放置磁體也可將工作磁體固定在霍爾器件背面（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動參數(shù)。與外電路的接口霍爾開關(guān)電路的輸出級一般是一個集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的NPN

15、開關(guān)管相同。輸出管截止時，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為 20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時，管子的飽和壓降也會隨之增大，使用者應(yīng)當(dāng)特別注意，僅這個電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。7以與發(fā)光二極管的接口為例，對負(fù)載電阻器的選擇作一估計(jì)。若在Io 為 20mA（霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流），發(fā)光二極管的正向壓降VLED=1.

16、4V，當(dāng)電源電壓VCC=12V時，所需的負(fù)載電阻器的阻值（ 4）和這個阻值最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻為560 ，因此，可取560 的電阻器作為負(fù)載電阻器。用圖 9 表示簡化了的霍爾開關(guān)電路，圖10 表示與各種電路的接口：（a）與 TTL 電路； (b) 與 CMOS電路；(c) 與 LED；(d) 與晶閘管。圖 9簡化的霍爾開關(guān)示意圖圖 10 霍爾開關(guān)與電路接口舉例與這些電路接口時所需的負(fù)載電阻器阻值的估算方法，和式（4）的方法相同。若受控的電路所需的電流大于20mA，可在霍爾開關(guān)電路與被控電路間接入電流放大器。霍爾器件的開關(guān)所需的電流大于20mA，可在霍爾開關(guān)電路與被電路間接入電流放大器。霍爾器件的開

17、關(guān)作用非常迅速，典型的上升時間和下降時間在400nS 范圍內(nèi)，優(yōu)于任何機(jī)械開關(guān)。3.2應(yīng)用實(shí)例下面我們將舉出一些應(yīng)用實(shí)例。這些例子僅是該類應(yīng)用中的一種，用同樣的原理和方法，使用者可根據(jù)自己的使用需要，設(shè)計(jì)出自己的應(yīng)用裝置。檢測磁場8用霍爾線性器件作探頭，測量 10 6T 10T 的交變和恒定磁場，已有許多商品儀器。這里，僅介紹一種用經(jīng)過校準(zhǔn)的 UGN3503或 A3515 型霍爾線性電路來檢測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡便方法。電路出廠時，工廠可提供每塊電路的校準(zhǔn)曲線和靈敏度系數(shù)。測量時，將電路第一腳（面對標(biāo)志面從左到右數(shù)）接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（ >10k）電壓表，通電后，將電

18、路放入被測磁場中，讓磁力線垂直于電路表面，讀出電壓表的數(shù)值，即可從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。用靈敏度系數(shù)計(jì)算被測磁場的B 值時，可用B=Vout(B) Vout(o)1000/S式中， Vout(B)= 加上被測磁場時的電壓讀數(shù)，單位為V， Vout(o)= 未加被測磁場時的電壓讀數(shù)，單位為V，S=靈敏度系數(shù)，單位為mV/G(高斯 ) ， B=被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為G。檢測鐵磁物體在霍爾線性電路背面偏置一個永磁體，如圖11 所示。圖11（ a）表示檢測鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測齒輪的齒。它們的電路接法見圖12，(a) 為檢測齒輪，

19、 (b) 為檢測缺口。用這種方法可以檢測齒輪的轉(zhuǎn)速。圖 11 用霍爾線性電路檢測鐵磁物體圖 12 用霍爾線性電路檢測齒口的線路用在直流無刷電機(jī)中直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令已通電的霍爾器件輸出一個電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。到下9一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖13。在這里，霍爾器件起位置傳感器的作

20、用，檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時，令上一個霍爾器件停止工作，下一個器件開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對推斥磁場，霍爾器件又起定子電流的換向作用。無刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用霍爾元件時，一般要外接放大電路，如圖14 所示，使用霍爾開關(guān)電路，可直接驅(qū)動電機(jī)繞組，使線路大為簡化，如圖15 所示。圖 13 霍爾元件在無刷電機(jī)中的工作（其中的HG為霍爾元件）圖 14 采用霍爾元件的電機(jī)驅(qū)動電路（圖中的 H 為霍爾元件）10圖 15 用 CS2018霍爾開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動電機(jī)的線路示意圖（圖中的線圈為電機(jī)定子繞組）鐵

21、磁材料受到磁場激勵時，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會發(fā)生彎曲，使局部磁場發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大小（如深度、寬度等），圖 16 示出兩種用于無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。(b) 檢測線材用(a) 檢測板材用圖 16 用于無損探傷的兩種霍爾探頭無損探傷霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。11磁記錄信息讀出用霍爾元件制成的磁讀頭，如圖 17 所示，將寫頭和讀頭裝在同一外殼里，采用長 1mm，寬

22、0.2mm,厚 1.4 m的 InSb 霍爾元件，其信噪比比普通磁頭高3db 5db, 由于寫頭和讀頭間的間距很小，僅2.6mm，故可用一讀頭去監(jiān)視幾分之一秒之前錄頭錄下的信息。圖 17 霍爾磁頭霍爾讀頭的輸出僅由記錄信息的磁感應(yīng)強(qiáng)度來決定，即使頻率到零，輸出仍然恒定，且因讀頭無電感，故可獲得優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。它的靈敏度隨溫度的變化也很小，約為 0.01db/ 。采用適當(dāng)?shù)那爸梅糯箅娐罚稍?050范圍內(nèi)保持± 0.5db 。由于霍爾磁讀頭具備這些優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)中得到很重要的應(yīng)用。特別在高密度垂直記錄的磁盤的信息讀出中，更能顯示其優(yōu)越性。專家預(yù)言，今后十年，霍爾讀頭很可能會占去磁阻

23、頭的部分市場?；魻柦咏鼈鞲衅骱徒咏_關(guān)在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個殼體內(nèi)，做成一個探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構(gòu)成如圖 18 所示的接近傳感器。它們的功能框見圖 19。(a) 為霍爾線性接近傳感器，(b) 為霍爾接近開關(guān)。圖 18 霍爾接近傳感器的外形圖a) 霍爾線性接近傳感器12(b) 霍爾接近開關(guān)圖 19 霍爾接近傳感器的功能框圖霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計(jì)數(shù)，黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測、測速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。霍爾接近開關(guān)主要用于各種自動控

24、制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動計(jì)數(shù)、各種計(jì)數(shù)、各種流程的自動銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測等等。霍爾翼片開關(guān)霍爾翼片開關(guān)就是利用遮斷工作方式的一種產(chǎn)品，它的外形如圖20 所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示于圖21。圖 20 霍爾翼片開關(guān)的外形圖13圖 21 霍爾翼片開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖翼片未進(jìn)入工作氣隙時，霍爾開關(guān)電路處于導(dǎo)通態(tài)。翼片進(jìn)入后，遮斷磁力線，使開關(guān)變成截止態(tài)，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的位置非常精確，在 125的溫度范圍內(nèi)位置重復(fù)精度可達(dá) 50nm。將齒輪形翼片和軸相連，用在汽車點(diǎn)火器中作為點(diǎn)火開關(guān)，可得到準(zhǔn)確的點(diǎn)火時間，使汽缸中的汽油充分燃燒，既可節(jié)約燃料，又能降低車輛排放的尾氣

25、的污染，已在桑塔那，克萊斯勒等許多名車中使用。將它們用在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，可作為轉(zhuǎn)速傳感器、位置開關(guān)、限位開關(guān)、軸編碼器、碼盤掃描器等?；魻桚X輪傳感器用中介紹的差動霍爾電路制成的霍爾齒輪傳感器，如圖22 所示 , 新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動機(jī)，作為點(diǎn)火定時用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動系統(tǒng)）作為車速傳感器等。在 ABS中，速度傳感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意圖如圖23 所示。圖中， 1 是車速齒輪傳感器；2 是壓力調(diào)節(jié)器； 3 是控制器。在制動過程中，控制器 3 不斷接收來自車速齒輪傳感器 1 和車輪轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖信號并進(jìn)行處理，得到車

26、輛的滑移率和減速信號，按其控制邏輯及時準(zhǔn)確地向制動壓力調(diào)節(jié)器2 發(fā)出指令，調(diào)節(jié)器及時準(zhǔn)確地作出響應(yīng)，使制動氣室執(zhí)行充氣、保持或放氣指令，調(diào)節(jié)制動器的制動壓力，以防止車輪抱死，達(dá)到抗側(cè)滑、甩尾，提高制動安全及制動過程中的可駕馭性。在這個系統(tǒng)中，霍爾傳感器作為車輪轉(zhuǎn)速傳感器，是制動過程中的實(shí)時速度采集器，是ABS中的關(guān)鍵部件之一。在汽車的新一代智能發(fā)動機(jī)中，用霍爾齒輪傳感器來檢測曲軸位置和活塞在汽缸中的運(yùn)動速度，以提供更準(zhǔn)確的點(diǎn)火時間，其作用是別的速度傳感器難以代替的，它具有如下許多新的優(yōu)點(diǎn)。（ 1）相位精度高，可滿足 0.4 °曲軸角的要求，不需采用相位補(bǔ)償。（ 2）可滿足 0.05

27、度曲軸角的熄火檢測要求。（3）輸出為矩形波， 幅度與車輛轉(zhuǎn)速無關(guān)。在電子控制單元中作進(jìn)一步的傳感器信號調(diào)整時，會降低成本。用齒輪傳感器，除可檢測轉(zhuǎn)速外，還可測出角度、角速度、流量、流速、旋轉(zhuǎn)方向等等。14圖 22 霍爾速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1. 車輪速度傳感器 2. 壓力調(diào)節(jié)器 3. 電子控制器圖 23 ABS 氣制動系統(tǒng)的工作原理示意圖旋轉(zhuǎn)傳感器按圖 24 所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾螅朋w每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。(a) 徑向磁極 (b) 軸向磁極 (c) 遮斷式圖 24 旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置15由此，可對轉(zhuǎn)動物體實(shí)施

28、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等，這些應(yīng)用的實(shí)例如圖25 所示。圖 25 的殼體內(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相連的磁體轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量。霍爾電路由電纜35 來供電和輸出。圖 25 霍爾流量計(jì)由圖 26 可見，經(jīng)過簡單的信號轉(zhuǎn)換，便可得到數(shù)字顯示的車速。利用鎖定型霍

29、爾電路，不僅可檢測轉(zhuǎn)速，還可辨別旋轉(zhuǎn)方向，如圖27 所示。曲線 1 對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖（ a）, 曲線 2 對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖 (b) ，曲線 3 對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖 (c) 。圖 26 霍爾車速表的框圖圖 27 利用霍爾開關(guān)鎖定器進(jìn)行方向和轉(zhuǎn)速測定霍爾位移傳感器16若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z 來決定。圖 28 示出 3 種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在 Z<2mm時，VH與 Z 有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1 m，結(jié)

30、構(gòu)（ C）的靈敏度高，但工作距離較小。圖 28 幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性用霍爾元件測量位移的優(yōu)點(diǎn)很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。以微位移檢測為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。3 2101 霍爾壓力傳感器霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖29 所示。在圖29 中，（ a）的彈性元件為膜盒， (b) 為彈簧片， (c) 為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如圖29 中的 (a) 、(b) ，也可采用單一磁體，如（ c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾

31、元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的 pf(VH) 曲線即可得到被測壓力 p 的值。圖 29 幾種霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理霍爾應(yīng)力檢測裝置17圖 30 示出用來進(jìn)行土壤和砂子與鋼界面上的法向和切向應(yīng)力檢測的霍爾傳感器裝置。(a) 檢測向切應(yīng)力，(b) 檢測壓應(yīng)力。箭頭所指是施加的外力方向。在圖30(a) 中，儀器上用鋼作成上下兩個塊子，它們之間有兩條較細(xì)的梁支撐，在鋼下塊上置一銷柱，銷上貼兩對永磁體，形成均勻梯度磁場，在上塊上貼兩個霍爾傳感器，受剪切力作用后，支撐梁發(fā)生形變，使霍爾傳感器和磁場間發(fā)生位移，使傳感器輸出發(fā)生變化。由霍爾傳感器的輸出可從事先校準(zhǔn)的曲線上查得與該裝置相

32、接的砂或土受到的剪切應(yīng)力。圖 30 霍爾應(yīng)力檢測裝 置圖 30(b) 的磁體固定在受力后產(chǎn)生形變的膜片上，霍爾傳感器固定在一桿上。檢測原理同上。應(yīng)用檢測壓應(yīng)力的原理，可構(gòu)成檢測重量的裝置，稱作霍爾稱重傳感器。3.2.10.3 霍爾加速度傳感器圖 31 示出霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的 O點(diǎn)上固定均質(zhì)彈簧片 S, 片 S 的中部 U處裝一慣性塊 M，片 S 的末端 b 處固定測量位移的霍爾元件H，H 的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當(dāng)它們與被測對象一起作垂直向上的加速運(yùn)動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件 H 產(chǎn)生一個相對盒體的位移，產(chǎn)生

33、霍爾電壓VH的變化?？蓮?VH與加速度的關(guān)系曲線上求得加速度。圖 31 霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)特性霍爾振動傳感器圖 32 所示為一種霍爾機(jī)械振動傳感器。圖中，1 為霍爾元件，固定在非磁性材料的平板2 上，平板2 緊固在頂桿 3 上，頂桿 3 通過觸點(diǎn) 4 與被測對象接觸，隨之做機(jī)械振動。元件1 置于磁系統(tǒng)6 中。當(dāng)觸頭4 靠18在被測物體上時，經(jīng)頂桿 3，平板 2 使霍爾元件在磁場中按被測物的振動頻率振動，霍爾元件輸出的霍爾電壓的頻率和幅度反映了被測物的振動規(guī)律。應(yīng)當(dāng)說明，在現(xiàn)代電子裝置中，上述應(yīng)力、壓力、加速度、振動等傳感器所得數(shù)據(jù)，都可經(jīng)微機(jī)進(jìn)行處理后直接顯示出被測量數(shù)據(jù)或?qū)⒈粶y量

34、數(shù)據(jù)供各種控制系統(tǒng)使用。圖 32 霍爾機(jī)械振動傳感器結(jié)構(gòu)原理（待續(xù)）霍爾液位傳感器圖 33 示出兩種霍爾液位檢測裝置。圖(a) 的結(jié)構(gòu)簡單，霍爾器件裝在容器外面，永磁體支在浮子上，隨著液位變化，作用到霍爾器件上的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，從而可測得液位。圖(b) 的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可實(shí)現(xiàn)自動測量。在圖 33(b) 中， 15 是一個中空的非磁材料的管子，浮子19 套在管子 15 外，可上下滑動，在19 的上端放著永磁 21，霍爾器件及其饋線和一根沖了許多孔的柔性帶在一起，吊在管子15 內(nèi)。多孔柔性帶像電影膠片一樣，用絞盤39 絞動，使之上下移動。當(dāng)柔性帶帶著的霍爾器件接近浮子上的磁體21 時，霍爾

35、器件將輸出霍爾電壓，校準(zhǔn)霍爾電壓和浮子位置的關(guān)系，即可由所得的霍爾電壓得到容器中液體的液位。用這種裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動檢測。用霍爾液位傳感器檢測液位時，因霍爾器件在液體之外，且系無接觸傳感，在檢測過程中不產(chǎn)生火花，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，因此，可用來檢測易燃、易爆、有腐蝕性和有毒的液體的液位和容器中的液體存量，在石油、化工、醫(yī)藥、交通運(yùn)輸中有廣泛的用途。盡管目前已有許多不同工作原理的液位計(jì)出現(xiàn)，但對上述各種危險(xiǎn)液體的液位實(shí)測表明，霍爾液位傳感器是其中最好的檢測方法和裝置之一?；谖灰苽鞲械幕魻柫髁坑?jì)圖 34 給出一種基于位移傳感的霍爾流量計(jì)。葉輪在流體推動下旋轉(zhuǎn)，帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，使磁系統(tǒng)產(chǎn)生上下移動

36、。流速高則位移量大。用霍爾器件檢出位移而獲得流速和流量。19(a)(b)圖 33 霍爾液位傳感器圖 34 基于位移傳感的霍爾流量計(jì)圖 35 霍爾電流傳感器的構(gòu)成原理20實(shí)現(xiàn)電磁電的轉(zhuǎn)換從所周知 , 在有電流流過的導(dǎo)線周圍會感生出磁場, 該磁場與流過的電流的關(guān)系, 可由安培環(huán)路定理求出。用霍爾器件檢測由電流感生的磁場 , 即可測出產(chǎn)生這個磁場的電流的量值。由此 , 可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。因?yàn)榛魻柶骷妮敵鲭妷号c加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個具有乘法器功能的器件，因而可用它檢測電功率，構(gòu)成具有各種特殊功能的霍爾功率計(jì)和霍爾電度表。由輸入的電信號建立的磁場，

37、經(jīng)霍爾器件的作用，實(shí)現(xiàn)了磁電變換后，又變成電信號輸出，這一變換實(shí)現(xiàn)了輸入輸出信號間的電隔離，由此可構(gòu)成隔離放大器、隔離耦合器等許多新型產(chǎn)品。霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 35 所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。圖 35（a）所示的傳感器用于測量電流強(qiáng)度較小的電流，圖 35(b) 所示的傳感器用于檢測較大的電流。實(shí)際的霍爾電流傳感器有兩種構(gòu)成形式，即直接測量式和零磁通式。直接測量式霍爾電流傳感器將圖 35 中霍爾器件的輸出（必要時可進(jìn)行

38、放大）送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高。可測直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。 這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。 當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進(jìn)行檢測等等。這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外已有許多廠家

39、生產(chǎn)。零磁通式（也稱為磁平衡式或反饋補(bǔ)償式）霍爾電流傳感器如圖 36 所示，將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，若滿足條件IoN1=IsN2 ，則磁芯中的磁通為0，這時下式成立：Io=Is(N2/N1)(5)式中， I1 為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1 為初級繞組的匝數(shù)，I2 為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由式（5）可知，達(dá)到磁平衡時，即可由Is 及匝數(shù)比N2/N1 得到 Io 。21圖 36 霍爾零磁通電流傳感器圖 37 霍爾電流傳感器在繼電保護(hù)與測量中的應(yīng)用（ H為霍爾電流傳感器）

40、這個平衡過程是自動建立的，是一個動態(tài)平衡。建立平衡所需的時間極短。平衡時，霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度極低（理想狀態(tài)應(yīng)為 0），不會使磁芯飽和，也不會產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當(dāng)?shù)剡x擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優(yōu)良的零磁通電流傳感器。在霍爾電流傳感器的輸出電路中接上恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻器，即可構(gòu)成霍爾電壓傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅鞯奶攸c(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電流的“無電位”檢測。即測量電路不必接入被測電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測，它們靠磁場進(jìn)行耦合。因此，檢測電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測過程中，被測電路的狀態(tài)不受檢測電路的影響，檢測電路也不受被檢電路的景響?；魻栯娏鱾鞲衅骺梢詸z測從直流到1

41、00kHz（通過仔細(xì)的設(shè)計(jì)和制作，甚至可以達(dá)到MHz級）的各種波形的電流，響應(yīng)時間可短到1 s 以下。由于這些優(yōu)點(diǎn)，霍爾電流傳感器得到了極其廣泛的應(yīng)用。3212 霍爾電流傳感器的應(yīng)用32121 繼電保護(hù)與測量如圖 37 所示，來自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流，經(jīng)三只霍爾電流傳感器H（圖中只畫出B 相的一只），按比例轉(zhuǎn)換成毫伏電壓輸出，然后再經(jīng)運(yùn)算放大器放大及有源濾波，得到符合要求的電壓信號，送微機(jī)進(jìn)行測量或處理。使用霍爾電流傳感器很方便地實(shí)現(xiàn)了無畸變、無延時的信號轉(zhuǎn)換。32122 在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用22在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中，用霍爾電流電壓傳感器代替電流互感器，不僅動態(tài)響應(yīng)好，還可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電流的最佳控制以及對晶閘管進(jìn)行過載保護(hù)，其應(yīng)用線路如圖38 所示。圖 38 在直流控制中的應(yīng)用圖 39 霍爾電流傳感器在逆變器中的應(yīng)用（ CS為霍爾電流傳感器）圖 40 霍爾電流傳感器在 UPS中的應(yīng)用（ 1、2、3 均為霍爾電流傳感器）23圖 41 霍爾電流傳感器在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用在逆變器