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文檔簡介
項目五霍爾式傳感器
主要學習霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的應用,還涉及磁場測量技術。一、霍爾元件的結構及工作原理
半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中,磁場方向垂直于薄片,當有電流I流過薄片時,在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。
磁感應強度B為零時的情況cdab霍爾效應演示當磁場垂直于薄片時,電子受到洛侖茲力的作用,向內側偏移,在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab式中RH--霍爾常數(shù)(m3/C)
I--控制電流(A)B--磁感應強度(B)d--霍爾元件的厚度(m)霍爾電勢:
霍爾常數(shù)
霍爾電勢與導體厚度d成反比:為了提高霍爾電勢值,霍爾元件制成薄片形狀。
霍爾常數(shù)大小取決于導體的載流子密度:金屬的自由電子密度太大,因而霍爾常數(shù)小,霍爾電勢也小,故金屬材料不宜制作霍爾元件
半導體中電子遷移率(電子定向運動平均速度)比空穴遷移率高,因此N型半導體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。結論:霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比,且當B和I的方向改變時,霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場,則霍爾電勢為同頻率的交變電勢
二、霍爾元件的結構和基本電路圖(a)中,從矩形薄片半導體基片上的兩個相互垂直方向側面上,引出一對電極,其中1-1電極用于加控制電流,稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢,稱輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。圖(b)是霍爾元件通用的圖形符號。圖(c)所示,霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。通?;魻栯姌O位于基片長度的中間,其寬度遠小于基片的長度。圖(d)是基本測量電路。
使用一個運算放大器時,霍爾元件的輸出電阻可能會大于運算放大器的輸入電阻,從而產生誤差,采用下圖所示的電路,則不存在這個問題。三、霍爾元件的主要外特性參數(shù)
最大磁感應強度BM
上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯?(1特斯拉=10000高斯)線性區(qū)最大激勵電流IM:由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大,故在應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,因此每種型號的元件均規(guī)定了相應的最大激勵電流,它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。
以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當?5μA0.1mA2mA80mA
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便得多。(1)線性型單端輸出傳感器:三端器件雙端輸出傳感器:8腳雙列直插封裝元件UGN-3501T
是一種塑料扁平封裝的三端元件,它有T、U兩種型號,T型與U型的區(qū)別僅是厚度的不同,T型厚度為2.03mm,U型厚度為1.54mm。
UGN-3501M
雙端輸出線形集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出,5、6、7三腳之間接一個電位器,對不等位電動勢進行補償。
(2)開關型
開關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、OC門(集電極開路輸出門)等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時,OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),輸出變?yōu)榈碗娖剑划斖饧哟艌鰪姸鹊陀卺尫劈c時,OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài),輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc當放大后的電壓UO大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時,施密特整形電路翻轉,輸出高電平,使V導通,這種狀態(tài)我們稱之為開狀態(tài)。當磁場減弱時,霍爾元件輸出的UO很小,經放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關閉”閾值電壓,施密特整形電路再次翻轉,輸出低電平,使V截止,這種狀態(tài)稱為關狀態(tài)。
工作原理:五、霍爾傳感器的應用
霍爾電勢是關于I、B、
三個變量的函數(shù),即EH=KHIBcos
。利用這個關系可以使其中兩個量不變,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。1.霍爾特斯拉計(高斯計)
霍爾元件高斯計:接受所測物體的電磁波頻率,然后轉換成參數(shù)量顯示出來。主要用來測試高電壓環(huán)境電磁波特斯拉計:主要是檢測磁體單位面積磁通量的多少,也就是檢測磁感應強度?;魻杺鞲衅饔糜跍y量磁場強度
霍爾元件測量鐵心氣隙的B值2.霍爾轉速表
在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤,也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪,將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動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經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉速表原理
當齒對準霍爾元件時,磁力線集中穿過霍爾元件,可產生較大的霍爾電動勢,放大、整形后輸出高電平;反之,當齒輪的空擋對準霍爾元件時,輸出為低電平?;魻栟D速傳感器在汽車防抱死裝置(ABS)中的應用
若汽車在剎車時車輪被抱死,將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾霍爾轉速表的其他安裝方法
只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起,就可產生磁場強度的脈動,從而引起霍爾電勢的變化,產生轉速信號?;魻栐盆F3.霍爾式無刷電動機
霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷,而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置,其輸出信號經放大、整形后觸發(fā)電子線路,從而控制電樞電流的換向,維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題,所以它在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。普通直流電動機使用的電刷和換向器光驅用的無刷電動機內部結構1.由于無電刷,沒有磨損問題,壽命長、可靠性高。2.具有良好的旋轉特性,可以取得很寬的轉速特性、噪音低、起動轉矩為額定轉矩的2~3倍、穩(wěn)定性好。無刷電動機在電動自行車上的應用
電動自行車可充電電池組無刷電動機4.霍爾式接近開關
當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時,霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?;魻柺浇咏_關
用霍爾IC也能完成接近開關的功能,但是它只能用于鐵磁材料的檢測,并且還需要建立一個較強的閉合磁場。
在右圖中,當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時,霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?,經驅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?;魻柺浇咏_關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片
開關型霍爾ICT5.霍爾電流傳感器將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時,在導線周圍將產生磁場,磁力線集中在鐵心內,并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件,從而產生與電流成正比的霍爾電壓?;魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心線性霍爾IC
EH=KHIB
II其他霍爾電流傳感器霍爾鉗形電流表(交直流兩用)壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時示值為零70.9A鉗形表的
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