機(jī)械工業(yè)出版社課件

機(jī)械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第八章

多媒體課件

2009－5－1更新2/6/20231第八章霍爾傳感器在這一章里，卡卡要給大家介紹霍爾傳感器的原理、特性、霍爾集成電路（霍爾IC）及其應(yīng)用?；魻朓C可以用于測(cè)量地球磁場(chǎng)，制成電羅盤；將霍爾IC夾在環(huán)形鐵心的缺口中，可以制成大電流變送器?；魻杺鞲衅鬟€廣泛用于高斯計(jì)、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、接近開關(guān)等?；魻杺鞲衅鞯淖畲筇攸c(diǎn)是非接觸測(cè)量。最基本的霍爾元件是一種四端元件2/6/20232第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

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)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab2/6/20233霍爾效應(yīng)動(dòng)畫演示當(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)（d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)。cdabadcb2/6/20235磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

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)與法線的夾角的余弦成正比：

EH=KHIBcos

2/6/20236磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)演示結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。acdb2/6/20237霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）

最大激勵(lì)電流IM:由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)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(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？8μA0.8mA

8mA80mA

2/6/20239第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路2/6/202310線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。請(qǐng)畫出線性范圍2/6/202311開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc2/6/202313開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線請(qǐng)按以下電路，將下一頁(yè)中的有關(guān)元件連接起來(lái).2/6/202314開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?2/6/202315第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(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?；魻杺鞲衅髦饕糜跍y(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)變化的其他物理量。2/6/202317霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件2/6/202318霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵2/6/202319霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(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。SN線性霍爾磁鐵2/6/202321霍爾轉(zhuǎn)速表原理

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。2/6/202322霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）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)和保持車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾2/6/202323霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

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)。

汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭2/6/202325霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

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）

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

2/6/202326霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）

汽車電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(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

a）電路b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形

2/6/202327汽車電子點(diǎn)火裝置使用的點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成2/6/202329霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

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)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。

普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器2/6/202330無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

電動(dòng)自行車可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)2/6/202331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)。2/6/202332電動(dòng)自行車的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路去速度控制器利用PWM調(diào)速2/6/202333光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2/6/202334霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2/6/202335霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC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)。當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑估^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），起限位的作用。

2/6/202336霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT2/6/202337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。2/6/202338霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KI

I

I所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：I2/6/202339其他霍爾電流傳感器2/6/202340其他霍爾電流傳感器（續(xù)）2/6/202341霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2/6/202342霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零70.9A2/6/202343鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過(guò)霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A2/6/202344霍爾鉗形電流表磁力線磁力線2/6/202345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”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？2/6/202346霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流2/6/202347霍爾式電流諧波分析儀

被測(cè)電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌