霍爾傳感器課件

模塊三傳感器原理及檢測實訓,霍爾傳感器浙江經濟職業(yè)技術學院徐文,3.4.1霍爾效應3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性3.4.3霍爾傳感器的應用3.4.4測量誤差及補償辦法3.4.5直流激勵時霍爾傳感器位移特性實驗,返回首頁,3.4霍爾傳感器,返回首頁,3.4.1霍爾效應,半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象是美國物理學家霍爾發(fā)現的，故稱為霍爾效應，相應的電動勢被稱為霍爾電動勢，半導體薄片稱為霍爾片或霍爾元件。,圖4-5-1霍爾效應原理圖,返回首頁,3.4.1霍爾效應,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EH。,C,A,B,霍爾效應演示,D,3.4.1霍爾效應,洛倫磁力作用下的電子流軌跡。,返回首頁,3.4.1霍爾效應,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,霍爾片半導體薄片(因為d小，KH大，l/b=2時KH最大)引線激勵電極(短邊端面)引線1、1霍爾電極(長邊端面)引線2、2封裝外殼陶瓷或環(huán)氧樹脂,圖4-5-2霍爾元件的結構和符號,1、霍爾元件(1)材料多用N型半導體(2)結構和符號,返回首頁,圖4-5-3霍爾電壓的基本測量電路,2、電路部分(1)基本電路(2)霍爾元件的輸出電路線性應用、開關應用(3)輸出疊加連接方式直流供電、交流供電,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,圖4-5-4霍爾元件的輸出電路,(a)線性應用,(b)開關應用,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,圖4-5-5霍爾元件輸出疊加連接方式,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,3、磁路部分圖4-5-6產生梯度磁場霍爾片沿x方向移動時，若控制電流I保持不變，則霍爾電勢為：,圖4-5-6霍爾式位移傳感器原理示意圖,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,4、基本特性霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統和霍爾元件的特性；提高磁場的磁感應強度B和增大激勵電流I，也可獲得較大的霍爾電勢。但I的增大受到元件發(fā)熱的限制；霍爾傳感器動態(tài)性能好。例4.5-1P125,3.4.3霍爾傳感器的應用,1、利用與I的關系可用于直接測量電流和能轉換為電流的其它物理量2、利用與B的關系可用于測量磁場及可轉換為磁場的其它物理量,圖4-5-7霍爾式鉗形電流表,3.4.3霍爾傳感器的應用,3、利用與IB的關系可進行乘法運算或功率測量,3.4.3霍爾傳感器的應用,圖4-5-8霍爾式功率變換器原理,3.4.3霍爾傳感器的應用,應用實例1、霍爾接近開關霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產生霍爾效應而使開關內部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。,3.4.3霍爾傳感器的應用,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?；魻柦咏_關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,3.4.3霍爾傳感器的應用,霍爾式接近開關用于轉速測量演示,n,=,60,f,4,(r/min),軟鐵分流翼片,開關型霍爾IC,T,3.4.3霍爾傳感器的應用,霍爾元件,應用實例2、霍爾特斯拉計(高斯計),3.4.3霍爾傳感器的應用,霍爾高斯計（特斯拉計）的使用,霍爾元件,磁鐵,3.4.3霍爾傳感器的應用,霍爾傳感器用于測量磁場強度,霍爾元件,測量鐵心氣隙的B值,3.4.3霍爾傳感器的應用,應用實例3、霍爾轉速表,在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。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。,S,N,線性霍爾,磁鐵,3.4.3霍爾傳感器的應用,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。,霍爾轉速表原理,3.4.3霍爾傳感器的應用,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,霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用,3.4.3霍爾傳感器的應用,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。,霍爾元件,磁鐵,3.4.3霍爾傳感器的應用,應用實例4、霍爾式無觸點汽車電子點火裝置,采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。,汽車點火線圈,高壓輸出接頭,12V低壓電源輸入接頭,3.4.3霍爾傳感器的應用,采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足。,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系c）葉片位置與點火正時的關系,3.4.3霍爾傳感器的應用,當葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通狀態(tài)，點火線圈低壓側有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。,汽車電子點火電路及波形,1點火開關2達林頓晶體管功率開關3點火線圈低壓側4點火線圈鐵心5點火線圈高壓側6分火頭7火花塞,a）電路b）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形,當葉片槽口轉到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，經反相變?yōu)榈碗娖剑_林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側感應出3050kV的高電壓。,3.4.3霍爾傳感器的應用,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,磁鐵,點火總成,3.4.3霍爾傳感器的應用,應用實例5、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,3.4.3霍爾傳感器的應用,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,3.4.3霍爾傳感器的應用,無刷直流電動機的外轉子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內定子線圈與外轉子之間產生連續(xù)轉矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。,無刷電動機在電動自行車上的應用,3.4.3霍爾傳感器的應用,電動自行車的無刷電動機及控制電路,去速度控制器,利用PWM調速,3.4.3霍爾傳感器的應用,光驅用的無刷電動機內部結構,3.4.3霍爾傳感器的應用,壓舌,豁口,霍爾鉗形電流表（交直流兩用）,應用實例6、霍爾鉗形電流表,3.4.3霍爾傳感器的應用,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,3.4.3霍爾傳感器的應用,鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導線由此穿過,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,70.9A,3.4.3霍爾傳感器的應用,被測電流的導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,將被測電流導線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中,將空調電源的“三芯護套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？,3.4.3霍爾傳感器的應用,叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便,用鉗形表測量電動機的相電流,3.4.3霍爾傳感器的應用,霍爾式電流諧波分析儀,被測電流的諧波頻譜,鐵心的開合縫隙,鐵心的杠桿壓舌,3.4.4測量誤差及補償辦法,四、測量誤差及補償辦法1、不等位電壓及其補償不等位電壓U0B=0時的空載霍爾電熱產生原因：1兩個霍爾電極不在同一等位面上2霍爾元件電阻率不均勻3霍爾元件厚度不均勻因為不成立，所以補償辦法（圖4-5-10）(c)方案最好,圖4-5-9霍爾元件不等位電壓示意圖,3.4.4測量誤差及補償辦法,圖4-5-10不等位電壓補償原理,3.4.4測量誤差及補償辦法,2溫度誤差及其補償溫度誤差產生原因霍爾元件內阻r霍爾靈敏度KH隨溫度變化，故UH隨溫度改變。溫度誤差補償電路(1)恒流源供電和輸入回路并聯電阻設輸入回路并聯電阻為一般很小，可忽略不計，且，故有,3.4.4測量誤差及補償辦法,圖4-5-11恒流源溫度補償電路,圖4-5-12恒壓源溫度補償電路,(2)采用恒壓源和輸入回路串聯電阻,3.4.4測量誤差及補償辦法,(3)合理選取負載電阻RL的阻值(4)采用溫度補償元件,2補償正溫度系數霍爾輸出，即,(5)不等位電壓U0的溫度補償,1補償負溫度系數霍爾輸