傳感器--8霍爾傳感器 ppt課件

1、第八章第八章 霍爾傳感器霍爾傳感器 本章主要學習霍爾傳感器本章主要學習霍爾傳感器 的任務原理、霍爾集成電路的的任務原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的運用，特性及其在檢測技術中的運用，還涉及交直流電流傳感器以及還涉及交直流電流傳感器以及平安柵。平安柵。 霍爾元件是霍爾元件是一種四端元件一種四端元件第一節(jié)第一節(jié) 霍爾元件的構(gòu)造及任務原理霍爾元件的構(gòu)造及任務原理 半導體薄片置于磁感應強度為半導體薄片置于磁感應強度為B 的磁場中，的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片時，在流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電

2、動勢EH，這，這種景象稱為霍爾效應。種景象稱為霍爾效應。 磁感應強度磁感應強度B為零時的情況為零時的情況c cd da ab b磁感應強度磁感應強度B B 較大時的情況較大時的情況 作用在半導體薄片上的磁場強度作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢越強，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB霍爾效應演示霍爾效應演示 當磁場垂直于薄片時，電子遭到洛侖茲力的當磁場垂直于薄片時，電子遭到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)作用，向內(nèi)側(cè)d d側(cè)偏移，在半導體薄片側(cè)偏移，在半導體薄片c c、d d方方向的端面之間建立起霍爾電勢。向的端面之間建立起霍爾電勢。

3、c cd da ab b磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 假設磁感應強度假設磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度法線成某一角度 時，實踐上作用于霍爾元件上的有時，實踐上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向與薄片垂直的方向的效磁感應強度是其法線方向與薄片垂直的方向的分量，即分量，即Bcos，這時的霍爾電勢與法線的夾角的余，這時的霍爾電勢與法線的夾角的余弦成正比：弦成正比： EH=KHIBcos 磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流結(jié)論：霍爾電勢與輸

4、入電流I I、磁感應強度、磁感應強度B B成正比。成正比。當當B B的方向改動時，霍爾電勢的方向也隨之改動。的方向改動時，霍爾電勢的方向也隨之改動。假設所施加的磁場為交變磁場，霍爾電勢為同頻率假設所施加的磁場為交變磁場，霍爾電勢為同頻率的交變電勢。的交變電勢。a ac cd db b霍爾元件的主要外特性參數(shù)霍爾元件的主要外特性參數(shù) 最大磁感應強度最大磁感應強度BM BM 上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯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？至正的多少高斯？1T104Gs線性區(qū)線性區(qū)霍爾元件的主要外特性參數(shù)續(xù)霍爾元件的主要外特性參數(shù)續(xù) 最大鼓勵電流最大鼓勵電流IM :I

5、M : 由于霍爾電勢隨鼓勵電流增大而增大，故由于霍爾電勢隨鼓勵電流增大而增大，故在運用中總希望選用較大的鼓勵電流。但鼓勵在運用中總希望選用較大的鼓勵電流。但鼓勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，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)定了相應的最大鼓勵電流，種型號的元件均規(guī)定了相應的最大鼓勵電流，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。 以下哪一個鼓勵電流的數(shù)值較為妥當？以下哪一個鼓勵電流的數(shù)值較為妥當？8A 0.8mA 8mA 80mA 8A 0.8mA 8mA 80mA 第

6、二節(jié)第二節(jié) 霍爾集成電路霍爾集成電路 霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關型兩大類。 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差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，比直動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接運用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件接運用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如如UGN3501UGN3501等。等。 線性型三端線性型三端 霍爾集成電路霍爾集成電路線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲霍

7、爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，它線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當?shù)妮敵鲭妷旱扔诹悖划敻惺艿拇艌鰹檎虼鸥惺艿拇艌鰹檎虼配摰匿摰腟 S極對準霍爾器件極對準霍爾器件的正面時，的正面時， 輸出為輸出為正；磁場反向時，輸出正；磁場反向時，輸出為負。為負。 請畫出線性范圍請畫出線性范圍開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)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、壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門集門集電極開路輸出門等電路做在同一個芯片上。電極開路輸出門等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超越規(guī)定的任務點時，當外加磁場強度超越規(guī)

8、定的任務點時，OC門門由高阻態(tài)變?yōu)閷ㄐ螤?，輸出變?yōu)榈碗娖?；由高阻態(tài)變?yōu)閷ㄐ螤?，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍為高阻態(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如爾器件如UGN3020等。等。開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路的外形及內(nèi)部電路OCOC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、 單端輸出運放單端輸出運放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路OCOC門輸出的接線門輸出的接線 請按以下電路，將下一頁中的有關元件銜接起來請按

9、以下電路，將下一頁中的有關元件銜接起來.開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路與繼電器的接線與繼電器的接線? ?開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越回差越大，抗振動大，抗振動干擾才干就干擾才干就越強。越強。 當磁鐵從遠到近地接近霍爾當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少，到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當磁鐵從近到遠地遠離特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)？回，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當于多少高斯差為多少特斯拉？相當于多少高斯Gs？ 第三節(jié)第三節(jié) 霍爾傳感器的運用霍爾傳感器的運用 霍爾電勢是關于霍爾

10、電勢是關于I、B、 三個變量的三個變量的函數(shù)，即函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。 利用這個關系可以使其中兩個量不變，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，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其他兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器其他兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。有許多用途。 霍爾傳感器主要用于丈量可以轉(zhuǎn)換為霍爾傳感器主要用于丈量可以轉(zhuǎn)換為磁場變化的其他物理量。磁場變化的其他物理量?；魻柼厮估嫺咚褂嫽魻柼厮估嫺咚褂?霍爾元件霍爾元件霍爾高斯計特斯拉計的運用霍爾高斯計特斯拉計的運用 霍爾元件霍爾元件磁鐵磁鐵霍爾傳感器用于丈量磁場強度霍爾

11、傳感器用于丈量磁場強度 霍爾元件霍爾元件丈量鐵心丈量鐵心 氣隙的氣隙的B值值霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表60 22fn 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)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)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)接近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改動而接近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改動而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。設該齒輪有設該齒輪有2222個齒個齒S SN N線性霍爾

12、線性霍爾磁鐵磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪放大、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。的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死安裝ABS中的運用中的運用 假設汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)假設汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和堅持生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和堅持車輪的轉(zhuǎn)動，有助于控制剎車力的大小和車輪的轉(zhuǎn)動，有助于

13、控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。防止側(cè)偏。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法 只需黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的外表存在缺口或突只需黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的外表存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。 霍爾元件霍爾元件磁鐵磁鐵霍爾式無觸點汽車電子點火安裝霍爾式無觸點汽車電子點火安裝 采用霍爾式無采用霍爾式無觸點電子點火安裝觸點電子點火安裝能較好地抑制汽車能較好地抑制汽車合金觸點點火時間合金觸點點火時間不準確、觸點易燒不準確、觸點易燒壞、高速

14、時動力缺壞、高速時動力缺乏等缺陷。乏等缺陷。 汽車點火線圈汽車點火線圈高壓輸出高壓輸出接頭接頭12V低壓電源低壓電源輸入接頭輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火安裝任務原理霍爾式無觸點汽車電子點火安裝任務原理 桑塔納汽車霍爾式分電器表示圖桑塔納汽車霍爾式分電器表示圖 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PNPPNP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系成電路之間的安裝關系 c c葉片

15、位置與點火正時的關系葉片位置與點火正時的關系 霍爾式無觸點汽車電子點火安裝霍爾式無觸點汽車電子點火安裝(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點火開關點火開關 2達林頓晶體管功率開關達林頓晶體管功率開關 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)輸出波形及點火線圈高壓側(cè)輸出波形 霍爾式無觸點汽車電子點火安裝霍爾式無觸點汽車電子點火安裝(續(xù)續(xù) 當葉片遮擋在霍爾當葉片遮擋在霍爾ICIC面前時，面前時，PNPPNP型霍爾型霍爾ICIC的輸出為低電平，

16、晶體管功率開關處于導通的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通形狀，點火線圈低壓側(cè)有較大電流經(jīng)過，并以形狀，點火線圈低壓側(cè)有較大電流經(jīng)過，并以磁場能量的方式儲存在點火線圈的鐵心中。磁場能量的方式儲存在點火線圈的鐵心中。 當葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾當葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，霍爾面前時，霍爾IC輸輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)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(cè)感應出場能量在高壓側(cè)感應出3050kV的高電壓。的高電壓

17、。 汽車電子點火安裝運用的點火控制器、汽車電子點火安裝運用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成霍爾傳感器及點火總成磁鐵磁鐵點火總成點火總成霍爾式無刷電動機霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機取消霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號控制電相對位置，其輸出信號控制電樞電流的換向，維持電動機的樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。正常運轉(zhuǎn)。 由于無刷電動機不產(chǎn)生由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、以它在錄像機、CDCD唱機、光驅(qū)唱機、光驅(qū)等家用電器中

18、得到越來越廣泛等家用電器中得到越來越廣泛的運用。的運用。 普通直流電動機運普通直流電動機運用的電刷和換向器用的電刷和換向器無刷電動機在電動自行車上的運用無刷電動機在電動自行車上的運用 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無刷電動機無刷電動機在電動無刷電動機在電動自行車上的運用自行車上的運用 無刷直流電動機無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁資料；釹鐵硼稀土永磁資料；三個霍爾位置傳感器三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個形狀編碼信產(chǎn)生六個形狀編碼信號，控制逆變橋各功號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生

19、延續(xù)轉(zhuǎn)矩。具間產(chǎn)生延續(xù)轉(zhuǎn)矩。具有效率高、無火花、有效率高、無火花、可靠性強等特點。可靠性強等特點。電動自行車的無刷電動機及控制電路電動自行車的無刷電動機及控制電路 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)用的無刷電動機內(nèi)部構(gòu)造光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部構(gòu)造霍爾式接近開關霍爾式接近開關 當磁鐵的有效磁極接當磁鐵的有效磁極接近、并到達動作間隔時，近、并到達動作間隔時，霍爾式接近開關動作。霍霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關普通還配一塊爾接近開關普通還配一塊釹鐵硼磁鐵。釹鐵硼磁鐵。霍爾式接近開關霍爾式接近開關 用霍爾用霍爾ICIC只能用于鐵只能用于鐵磁資料的檢測，并且還需求磁資料的檢測，并且還

20、需求建立一個較強的閉合磁場。建立一個較強的閉合磁場。 當磁鐵隨運當磁鐵隨運動部件挪動到距動部件挪動到距霍爾接近開關幾霍爾接近開關幾毫米時，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?，使變?yōu)榈碗娖剑估^電器吸合或釋繼電器吸合或釋放，控制運動部放，控制運動部件停頓挪動否件停頓挪動否那么將撞壞霍爾那么將撞壞霍爾ICIC，起限位的，起限位的作用。作用。 霍爾式接近開關用于霍爾式接近開關用于轉(zhuǎn)速丈量演示轉(zhuǎn)速丈量演示n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片 開關型霍爾開關型霍爾IC IC T T霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 將被測電流的將被測電流的導線穿過霍爾電流導線穿過霍爾電

21、流傳感器的檢測孔。傳感器的檢測孔。當有電流經(jīng)過導線當有電流經(jīng)過導線時，在導線周圍將時，在導線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。的霍爾電壓。霍爾電流傳感器演示霍爾電流傳感器演示鐵心鐵心 線性霍爾線性霍爾IC EH=KI I 所實現(xiàn)的多媒體界面：所實現(xiàn)的多媒體界面：其他霍爾其他霍爾 電流傳感器電流傳感器其他霍爾電流其他霍爾電流傳感器續(xù)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豁口豁口霍爾鉗形電流扮演示霍爾鉗形電流扮演示直流直流200A

22、量程量程被測電流的被測電流的導線未放入導線未放入鐵心時示值鐵心時示值為零為零70.9A70.9A鉗形表的環(huán)形鐵鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，心可以張開， 導線由此穿過導線由此穿過霍爾鉗形霍爾鉗形 電流扮演示電流扮演示霍爾鉗形霍爾鉗形 電流扮演示電流扮演示霍爾鉗形霍爾鉗形 電流扮演示電流扮演示70.9A70.9A霍爾鉗形電流表的運用霍爾鉗形電流表的運用被測電流的導線從此處穿入被測電流的導線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開鐵心張開將被測電流導線逐根夾將被測電流導線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中到鉗形表的環(huán)形鐵心中 將空調(diào)電源的將空調(diào)電源的“三芯護套線三芯護套線夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，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？霍爾鉗形電流表的運用續(xù)霍爾鉗形電流表的運用續(xù) 叉形鉗形表叉形鉗形表漏磁稍大，漏磁