第5章 磁傳感器ppt課件

1、 5.1 霍爾傳感器霍爾元件是一種四端元件 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電動勢稱為霍爾電動勢。該電動勢稱為霍爾電動勢。磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況為零時的情況磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時較大時磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B不為零時的情況不為零時的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也

2、就越越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱莞?。霍爾電勢EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB霍爾效應(yīng)動畫演示霍爾效應(yīng)動畫演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向d d側(cè)偏側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片移，在半導(dǎo)體薄片c c、d d方向的端面之間建立起霍爾電勢。方向的端面之間建立起霍爾電勢。dc（1最大磁感應(yīng)強(qiáng)度最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM線性區(qū)線性區(qū)（2最大激勵電流最大激勵電流IM 由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件

3、的功耗增大，元件的溫度電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。（1 1線性型線性型 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、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。較

4、典型的線性型霍爾器件如便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501UGN3501等。等。 線性型三端霍爾集成電路線性型三端霍爾集成電路線性型霍爾元件輸出特性曲線線性型霍爾元件輸出特性曲線 右圖示出了右圖示出了具有雙端差動輸具有雙端差動輸出特性的線性霍出特性的線性霍爾器件的輸出特爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸為零時，它的輸出電壓等于零；出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為當(dāng)感受的磁場為正向磁鋼的正向磁鋼的S S極對準(zhǔn)霍爾器件極對準(zhǔn)霍爾器件的正面時，的正面時， 輸出為正；磁場輸出為正；磁場反向時，輸出為反向時，輸出為負(fù)。負(fù)。 （2 2開關(guān)型開關(guān)型 開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件

5、、開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、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門集電極開路輸出門等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點時，規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)殚T由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁導(dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點時，場強(qiáng)度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)殚T重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型高阻態(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如霍爾器件如UGN3020等。等。開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC

6、OC門門 施密特施密特 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放單端輸出運(yùn)放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路OCOC門輸出的接線門輸出的接線請按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來。請按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來。開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越大，抗振動回差越大，抗振動干擾能力就越強(qiáng)。干擾能力就越強(qiáng)。 當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特，到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)

7、？回差，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯Gs）？）？ 霍爾電勢是關(guān)于霍爾電勢是關(guān)于I、B、 三個變量三個變量的函數(shù)，即的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。 利用這個關(guān)系可以使其中兩個量利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固不變，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。量。這使得霍爾傳感器有許多用途。 霍爾傳感器主要用于測量能夠轉(zhuǎn)霍爾傳感器主要用于測量能夠轉(zhuǎn)換為磁場變化的其他物理量。換為磁場變化的其他物理量。（1 1霍爾式無觸點汽車電子點

8、火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 采用霍爾式無采用霍爾式無觸點電子點火裝觸點電子點火裝置能較好地克服置能較好地克服汽車合金觸點點汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高觸點易燒壞、高速時動力不足等速時動力不足等缺點。缺點。 汽車點火線圈汽車點火線圈高壓輸出接頭高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭低壓電源輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-1-觸發(fā)器葉片觸發(fā)器葉片 2-2-槽口槽口 3-3-分電器轉(zhuǎn)軸分電器轉(zhuǎn)軸 4-4-永久磁鐵永久磁鐵 5-5-霍爾集成電路霍爾集成電路PN

9、PPNP型霍爾型霍爾ICIC） a a帶缺口的觸發(fā)器葉片帶缺口的觸發(fā)器葉片 b b觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系成電路之間的安裝關(guān)系 c c葉片位置與點火正時的關(guān)系葉片位置與點火正時的關(guān)系 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置( (續(xù)）續(xù)） 汽車電子點火電路及波形汽車電子點火電路及波形 1點火開關(guān)點火開關(guān) 2達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)達(dá)林頓晶體管功率開關(guān) 3點火線圈低壓側(cè)點火線圈低壓側(cè) 4點火線圈鐵心點火線圈鐵心 5點火線圈高壓側(cè)點火線圈高壓側(cè) 6分火頭分火頭 7火花塞火花塞 a a電路電路 b b霍爾霍爾ICIC及點火線圈高壓側(cè)輸出

10、波形及點火線圈高壓側(cè)輸出波形 汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成及點火總成磁鐵磁鐵點火總成點火總成（2 2霍爾式無刷電動機(jī)霍爾式無刷電動機(jī) 霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號控制電子之間的相對位置，其輸出信號控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CDC

11、D唱唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。 普通直流電動機(jī)使普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器用的電刷和換向器無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用 電動自行車電動自行車可充電可充電電池組電池組無刷電動機(jī)無刷電動機(jī)無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用 無刷直流電動無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)管通斷，使三相內(nèi)定子線圈

12、與外轉(zhuǎn)子定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。具有效率高、無火具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特花、可靠性強(qiáng)等特點。點。電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM調(diào)速調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（3 3霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。般還配一塊釹鐵硼磁鐵。霍爾式接近開關(guān)應(yīng)用于限位霍爾式接近開關(guān)應(yīng)用于限位 用霍爾用霍爾ICIC只

13、能用于鐵磁材料的檢只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合測，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合磁場。磁場。 當(dāng)磁鐵隨運(yùn)當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾毫米時，霍爾ICIC的輸出由高電平的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑棺優(yōu)榈碗娖?，使繼電器吸合或釋繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部放，控制運(yùn)動部件停止移動否件停止移動否則將撞壞霍爾則將撞壞霍爾ICIC），起限位的），起限位的作用。作用。 霍爾式接近開關(guān)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測量演示霍爾式接近開關(guān)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測量演示n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾IC IC T T（5

14、5霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 將被測電流將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電成正比的霍爾電壓。壓?；魻栯娏鱾鞲衅鲬?yīng)用演示霍爾電流傳感器應(yīng)用演示鐵心鐵心 線性霍爾線性霍爾IC EH=KI I 其他霍爾電流傳感器其他霍爾電流傳感器其他霍爾電流傳感器續(xù)）其他霍爾電流傳感器續(xù)）霍爾鉗形電流表交直流兩用）霍爾鉗形電流表交直流兩用）壓舌壓舌

15、豁口豁口霍爾鉗形電流表的使用霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心被測電流的導(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手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中形鐵心中 將空調(diào)電源的將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套三芯護(hù)套線夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，線夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？鉗形表的示值為多少？為什么？霍爾鉗形電流表的使用續(xù)）霍爾鉗形電流表的使用續(xù)） 叉形鉗形表叉形鉗形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便用鉗形表測量用鉗形表測量 電電動機(jī)的相電流動機(jī)的相電流霍爾電流傳感

16、器的技術(shù)指標(biāo)霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)某型號霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo)某型號霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo) 額定輸入電流：額定輸入電流：300A額定輸出電：額定輸出電：41% V電源電壓：電源電壓： 155% V失調(diào)電壓：失調(diào)電壓： 25 mV失調(diào)電壓漂移：失調(diào)電壓漂移：1mV/線性度：線性度： 1%FS響應(yīng)時間：響應(yīng)時間：7S絕緣電壓：絕緣電壓：50HZ，1min，2.5 KV工作溫度：工作溫度：-10+70 匝數(shù)比：匝數(shù)比：1：2000 閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理電路閉環(huán)霍爾電流傳感器的原理電路霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計算霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計算 “ “匝數(shù)比匝數(shù)比” ” ： NP被定義為被定義為

17、“一次測線圈的匝數(shù)，一般取一次測線圈的匝數(shù)，一般取NP=1；NS為廠家所設(shè)定的為廠家所設(shè)定的“二次側(cè)線圈的匝數(shù)二次側(cè)線圈的匝數(shù)” PSSPIINN霍爾電流傳感器的計算霍爾電流傳感器的計算 設(shè)某型號霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比設(shè)某型號霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比NP/NS=1/2000，標(biāo)準(zhǔn)額定電流值，標(biāo)準(zhǔn)額定電流值IPN=300A，二次側(cè)的負(fù)載電阻二次側(cè)的負(fù)載電阻RS=30。通電后，用電。通電后，用電流表測得二次側(cè)電流流表測得二次側(cè)電流IS=0.1A，求輸出到弱，求輸出到弱電回路的電壓電回路的電壓US和被測電流和被測電流IP。 解：解：1US=RSIS=4.5V 2根據(jù)匝數(shù)比公式被測電流根據(jù)匝數(shù)比

18、公式被測電流IP為：為： 200AA1 . 02000SPSPINNI 5.2 其他磁傳感器（1 1圖形符號圖形符號 用RM或R表示（2 2結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 電阻體做成彎彎曲曲的形狀提高靈敏度（3 3磁敏電阻的原理磁敏電阻的原理 1 1物理磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng) 2 2幾何磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng) 幾何磁阻效應(yīng)是指：半導(dǎo)體材料磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體片幾何磁阻效應(yīng)是指：半導(dǎo)體材料磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體片幾何形狀有關(guān)的物理現(xiàn)象。幾何形狀有關(guān)的物理現(xiàn)象。 （1 1磁阻比磁阻比 磁阻比是指在某一規(guī)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的電阻磁阻比是指在某一規(guī)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的電阻值與零磁感應(yīng)強(qiáng)度下的電阻值之比。值與零磁感

19、應(yīng)強(qiáng)度下的電阻值之比。 （2 2磁阻系數(shù)磁阻系數(shù)（3 3磁阻靈敏度磁阻靈敏度 （4 4其他方面其他方面 磁敏電阻在弱磁場時，磁阻磁敏電阻在弱磁場時，磁阻比與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比；比與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比；在強(qiáng)磁場時，與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正在強(qiáng)磁場時，與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。比。 3.磁敏電阻的典型應(yīng)用磁敏電阻的典型應(yīng)用 （1 1敏感傳感器敏感傳感器 由由 與與 構(gòu)成的三端式元件構(gòu)成的三端式元件 （2 2無觸點電位器無觸點電位器1R1R2R 5.2 其他磁傳感器（1 1圖形符號圖形符號 （2 2基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 磁敏感面P+-I-N+結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件 （3 3工作原理工作原理 流過磁敏二極管的電流會隨

20、磁場的強(qiáng)弱和方向流過磁敏二極管的電流會隨磁場的強(qiáng)弱和方向變化，因此磁敏二極管是探測磁場的有效器件。變化，因此磁敏二極管是探測磁場的有效器件。（4 4常用的磁敏二極管常用的磁敏二極管2ACM2ACM系列和系列和2DCM2DCM系列）系列） 參數(shù)型號最大耗散功率（mW）工作電壓（V）工作電流（mA）負(fù)載電阻（k）磁場輸出電壓/VV+溫度系數(shù)工作頻率（kHz）V+V2DCM-2A4012.52.830.50.750.250.61002DCM-2B4012.52.830.751.250.350.61002DCM-2C4012.52.831.250.60.61002ACM-1A504622.530.80

21、.61.5102ACM-2A50681.5230.60.80.61.510（5 5磁敏二極管的溫度特性磁敏二極管的溫度特性 （1 1磁敏二極管的典型應(yīng)用電路磁敏二極管的典型應(yīng)用電路 正常工作時，隨著磁場方向和大小的變化，負(fù)載兩端就可正常工作時，隨著磁場方向和大小的變化，負(fù)載兩端就可以得到極性相同而大小改變的電信號以得到極性相同而大小改變的電信號 Ou（2 2具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路 1） 互補(bǔ)方式互補(bǔ)方式 背靠背或面對面地重疊起來，再接成差動或互補(bǔ)連接方背靠背或面對面地重疊起來，再接成差動或互補(bǔ)連接方式式 ，克服溫漂，克服溫漂（2 2具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路 2加熱敏電阻補(bǔ)償方式加熱敏電阻補(bǔ)償方式（2 2具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路 3全橋連接補(bǔ)償全橋連接補(bǔ)償 4只磁敏二極管每兩只重疊。這樣既可以補(bǔ)償因溫度特性造只磁敏二極管每兩只重疊。這樣既可以補(bǔ)償因溫度特性造成的漂移，又可大大提高磁靈敏度。成的漂移，又可大大提高磁靈敏度。（2 2具有溫度補(bǔ)償作用的典型應(yīng)用電路具有溫度