傳感器技術(shù)與應用任務4.1霍爾測速儀的設計

1、任務4.1霍爾測速儀的設計 4.1.1霍爾傳感器的工作原理如圖,1所示.在半導體薄片兩端通以控制電流八 并在薄片的垂直方向施加磁感 應強度為E的磁場.則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢差為的霍爾 電勢Uh =心 IB =IBT(4-1)圖42霍爾元件的外形、符號和基本應用電路武中，為薄片的厚度，為霍爾系數(shù)K”為霍爾靈敏度、可見作用在半導體薄片上的 磁場強度越強.霍爾電勢匕“也就越高，如改變方向.Un的方向也隨之改變n+一般選用型半導體材料制成霍爾元件。錯(Ge)、硅(Si)、 錘化鋼(InSb)、不申化鋼(InAs)和確化鐐(GaAs)是常見的制作霍爾元件的幾種半導體材料。-442霍爾傳感

2、器的外形與特性 4霍爾傳感器的外形、符號和基本應用電路(a)霍爾元件外形/h(b)電路符號(c)基本應用電路圖42霍爾元件的外形、符號和基本應用電路2 霍爾傳感器的分類霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩 種。(1)線性型霍爾傳感器線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成.輸出為模擬量。輸出 電壓與外加磁場強度呈線性關系.如圖43所示.在一B+B的磁感應強度范圉內(nèi)有較 好的線性度.磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)MAGNE I II) FI上UXGAUSS)JSHJOwDVJOHndJno圖43線性型霍爾傳感器的特性（2）開關型霍爾傳感器開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器

3、、霍爾元件、差分放大器施密特觸發(fā)器和輸出級組成 它輸岀數(shù)字量n如圖4T所示,Bop為工作點“開的磁感應強度，B好為釋放點“關”的磁感應強度=當外加的磁感應強度超過動作點冊時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作 點以下時傳感器輸岀電平不變.一直要降到釋放點Em時傳感器才由低電平躍變 為高電平，耳）卩與占好之間的滯后使開關動作更為可靠，另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”開關型霍爾傳感器.貝特性如圖44所示.當磁感應強度超過動作點Bp時傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖蕉谕獯艌龀?消后.其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)）.必須施加反向磁感應強度達到楷時.才能使電平產(chǎn)生變化Klin i(V)OFF

4、；3.霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)及材料(1)霍爾元件的材料錯(Ge)、硅(Si)、錘化錮(InSb)、碑化錮(InAs)和不申化鐐 (GaAs)是常見的制作霍爾元件的幾種半導體材料。表62 所列為制作霍爾元件的幾種半導體材料主要參數(shù)。(2)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)表示元件在單位磁感應強度和單位控制電流下所得到的開 路霍爾電動勢。 霍爾輸入電阻和霍爾輸出電阻輸入電阻是指霍爾控制電極間的電阻值。輸出電阻是指霍 爾輸出電極間的電阻值。 不等位電勢在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，由于存在電極 的不對稱、材料電阻率不均勻等因素，霍爾元件會輸出電 壓，稱為不等位電勢。霍爾最大允許激勵電流以霍爾元件允許最大

5、溫升為限制所對應的激勵電流稱為最 大允許激勵電流。溫度特性霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的 關系。與一般半導體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流 子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參 數(shù)也將隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度 的關系曲線見圖4-5。(3)溫度補償霍爾元件溫度補償?shù)姆椒ê芏啵@里介紹兩種常用的方法。 輸入補償利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償圖4-6是輸入補償?shù)幕?本線路，兩個輸入端串聯(lián)補償電阻并接恒電源，輸出端開 路。輸出補償利用輸岀回路的負載進行補償，如圖4-7所示，霍爾元件 的輸入采用恒流源，使控制電流/穩(wěn)定不變。(a)基本電路(b)等效

6、電路基本電路(b)等效電路圖4輸入補償原理圖圖47輸出補償原理圖-4.1.3霍爾測速儀的設計 1 任務分析以常見的玩具電機作為測速對象，用CS3020霍爾開關型傳 感器獲取信號，通過電壓比較器實現(xiàn)計數(shù)脈沖的輸出，既可 在單片機進行轉(zhuǎn)速測量，也可直接將輸出接到頻率計或脈沖 計數(shù)器，得到單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，進行換算即可得電機轉(zhuǎn) 速。CS3020的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。(3)外形(b)內(nèi)-部結(jié)構(gòu)2.測速儀電路設計測速儀電路如圖49所示在電源輸入端并聯(lián)電容C2用來濾去電源尖嘯使霍爾元 件穩(wěn)定工作?；魻栐蒀S3020,在霍爾元件輸出端（引腳3）與地并聯(lián)電容G濾左 波形尖峰？再接一個上拉電阻然

7、后將其接入的引腳3。用LM324構(gòu)成一個電 壓比校器將霍爾元件輸出電壓與電位器R巴上的電壓進行比較得出高低電平信號輸出 給單片機或頻率計。G用于波形整形以保證獲得良好數(shù)字信號.通過調(diào)節(jié)電位器 可實現(xiàn)提高或降低電機轉(zhuǎn)速的日的n圖4-9霍爾測速儀電路圉轉(zhuǎn)速的測量方法很多根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法（測頻法）、T法（測周期法）和MPT法（頻率周期法八該系統(tǒng)采用了 M法（測頻法，設測速儀輸出脈沖信號的頻率為則電機的轉(zhuǎn)速川=型（4-2）P式中.刃為電機轉(zhuǎn)速（單位為r/min）p為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)， 414霍爾接近開關傳感器霍爾接近開關是根據(jù)霍爾效應原理制成的新型自動化開關 器件，廣泛應用

8、于紡織、印制、機械、電信、交通以及計 算機等領域。完成所需的位置控制、自動計數(shù)、液位控制、 轉(zhuǎn)速檢測等各種功能。圖4-10所示為公共汽車門狀態(tài)顯示 器。圖410公共汽車門狀態(tài)測試圖使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關好的指示器，例如公共汽車的三個門必須關 閉，司機才可開車。電路如圖所示，三片開關型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上，在車門適當位置各固定一塊磁鋼，當車門開著時，磁鋼遠離霍爾開關，輸出端為高電平。若三個門中有一個未關好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關好，若三個門都關好，則 或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關好，司機可放 心開車。 415霍爾電流傳感器 (1)霍爾電流傳感器的工作原理由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可 以利用霍爾傳感器測量岀磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這 一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。