霍爾傳感器解析

1、一霍爾傳感器市場(chǎng)調(diào)研1. 霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。2. 霍爾傳感器霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、載流

2、子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。3. 霍爾傳感器的工作原理霍爾電流傳感器有兩種工作方式，即磁平衡式和直式?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐?、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級(jí)線圈和放大電路等組成。 直放式電流傳感器（開(kāi)環(huán)式） 眾所周知，當(dāng)電流通過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)鷮a(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過(guò)磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標(biāo)定為4V。 磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式） 磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測(cè)

3、零磁通的工作狀態(tài)。 磁平衡式電流傳感器的具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸 出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再

4、次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1s，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。4. 霍爾傳感器的分類(lèi)霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩種。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，它輸出模擬量。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。5. 霍爾傳感器的特性線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，可見(jiàn)，在B1B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖所示，其中BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作

5、點(diǎn)BOP時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)BOP以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健OP與BRP之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖所示。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)BOP時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，而在外磁?chǎng)撤消后，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(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。6. 霍爾傳感器的應(yīng)用（一） 線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。1電流傳感器 由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出

6、磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。2位移測(cè)量 兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作Z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。 如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，按這一原理可制成力傳感器。（二） 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開(kāi)關(guān)、關(guān)門(mén)告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。在非磁性材料的圓盤(pán)邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤(pán)

7、邊緣處，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。 如果把開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車(chē)輛上的永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)速度。7. 目前常用的霍爾傳感器型號(hào)隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源做在一個(gè)芯片上，成為霍爾集成傳感器（又稱霍爾傳感器），為了應(yīng)用上的需要，霍爾集成傳感器又分為線性霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器又分為單極霍爾開(kāi)關(guān)，雙極霍爾開(kāi)關(guān)和全極霍爾開(kāi)關(guān)。雙極霍爾傳感器霍爾微電子如：HAL732 177

8、HAL41F HAL40A HAL512 HAL513 HAL1881 HAL732 AH513 AH413 AH512 AH173 AH175 S41 276 277 雙極霍爾開(kāi)關(guān)用于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，電機(jī)風(fēng)扇，無(wú)刷風(fēng)機(jī)······單極霍爾傳感器如：HAL系列：HAL3144(即有貼片SOT-23封裝,又有直插TO-92UA封裝)，HAL44L，HAL58，HAL202 HAL443A HAL443F，HAL131，HAL130，HAL543 ,HAL3134AH系列：AH44E AH201 AH44L AH543 AH443單極霍爾元件

9、用于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，汽車(chē)點(diǎn)火器，剎車(chē)電路，位置、轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制，安全報(bào)警裝置，紡織控制系統(tǒng)、水流檢測(cè)裝置、電機(jī)測(cè)速······全極性霍爾傳感器霍爾微電子如：HAL148 HAL13S HAL149 4913 W131 用于手機(jī)、水表、相機(jī)、筆記本電腦、手電筒霍爾開(kāi)關(guān)A1104 A04E A3144 為美國(guó)ALLEGRO公司產(chǎn)品。2 霍爾位移傳感器被測(cè)物體分別與恒定電流I和恒定磁場(chǎng)B垂直。當(dāng)被測(cè)物體相對(duì)于原來(lái)位置有微小位移變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量，會(huì)在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流的兩個(gè)端面之間產(chǎn)生電勢(shì)差，即UH（霍爾電壓）。霍爾位移傳感器是通過(guò)研

10、究微小位移與霍爾電壓的關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)的?；魻栐鳛闇y(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)中的變換元件或計(jì)算元件得到了廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體工藝的提高, 它們的性能也得以大幅度地改善。高性能的霍爾元件和高性能的磁性材料為研究高性能的霍爾式傳感器提供了條件?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯耐怀鰞?yōu)點(diǎn)是輸出變化量大、靈敏度高、分辨力高、質(zhì)量輕、慣性小、反應(yīng)速度快；霍爾元件的頻響范圍寬,適合作動(dòng)態(tài)位移測(cè)試。雖然霍爾式位移傳感器的原理成熟, 但是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上成形的產(chǎn)品和生產(chǎn)廠家較少。下面介紹一種新型敏感元件砷化鎵與高性能稀土永磁材料構(gòu)成的小位移傳感器, 同時(shí)設(shè)計(jì)了以MCS-51微處理器為核心的智能化儀表測(cè)試系統(tǒng), 對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控

11、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理、顯示測(cè)試結(jié)果。1. 傳感器設(shè)計(jì) 置于磁場(chǎng)中的靜止載流體若電流方向與磁場(chǎng)方向垂直, 則在載流體的平行于電流與磁場(chǎng)方向所組成的兩個(gè)側(cè)面產(chǎn)生電勢(shì): （1）式中霍爾電勢(shì), V 霍爾片的靈敏度, V/A T I 流過(guò)載流體的電流, A B 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度, T 如果保持控制電流I不變, 使霍爾元件在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng),則輸出霍爾電壓UH 取決于它在磁場(chǎng)中的位移量x。磁場(chǎng)梯度越大,靈敏度越高,梯度變化越均勻, 霍爾電壓與位移之間的線性度越高, 這就是霍爾式位移傳感器的原理。當(dāng)霍爾元件處于單塊永磁體形成的磁場(chǎng)中, 任一工作點(diǎn)都有霍爾電勢(shì)輸出, 這使得傳感器沒(méi)有零點(diǎn), 對(duì)測(cè)量來(lái)講是很不

12、方便的。采用兩塊永磁體同極性放置構(gòu)成的磁系統(tǒng)既解決了零點(diǎn)問(wèn)題又改善了傳感器的線性度。霍爾元件感受軸向的磁場(chǎng)變化, 沿軸向運(yùn)動(dòng), 這樣可使傳感器獲得較高的靈敏度。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1. 導(dǎo)桿 2.調(diào)節(jié)螺絲 3.外殼 4.磁鐵 5.外套 6.薄片螺母 7.引線 8.預(yù)緊彈簧 9.引線孔 10.定位墊片 11. 霍爾元件 12.支承彈簧2. 傳感器數(shù)學(xué)模型建立建立如下圖所示坐標(biāo)系：磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算圖首先分析單個(gè)磁鐵II在坐標(biāo)系XOZ中的情況，根據(jù)安培分子電流學(xué)說(shuō), 永久磁鐵可等效為空心螺線管。對(duì)于軸對(duì)稱的圓柱形永磁體, 其柱面法向量與磁化強(qiáng)度方向垂直, 故有電流密度J=Heb,Hcb為永磁體的矯頑力

13、。根據(jù)畢奧-薩伐定律, 螺線管上長(zhǎng)度為dl的微元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為: （2）式中 R原線圈半徑，m 軸線上一點(diǎn)到原線圈的距離，m I流過(guò)原線圈的電流，A 真空中磁導(dǎo)率由磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算圖可知，將積分變量變換為，整個(gè)螺線管在在P點(diǎn)產(chǎn)生的總磁場(chǎng)為： （3）經(jīng)坐標(biāo)變換，考慮到磁體I在P點(diǎn)的作用有 （4）這里，將上式展開(kāi)成冪級(jí)數(shù)形式，忽略的高次項(xiàng)，整理后代入（1）式即霍爾電勢(shì)與位移間的近似關(guān)系。 （5）3 交流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饨涣骷?lì)時(shí)霍爾式傳感器的特性。2. 實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì) U=KIB，當(dāng)霍爾元件處在梯度磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的電勢(shì)會(huì)發(fā)生變化，利用這一

14、性質(zhì)可以進(jìn)行位移測(cè)量。3. 需用器件與單元：主機(jī)箱、測(cè)微頭、霍爾傳感器、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒁葡嗥?相敏檢波器/低通濾波器模板、雙線示波器。4. 實(shí)驗(yàn)步驟：1） 如下圖所示，在實(shí)驗(yàn)板上連接好線路。2） 首先檢查接線無(wú)誤后，合上主機(jī)箱總電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)主機(jī)箱音頻振動(dòng)器的頻率和幅度旋鈕，用示波器、頻率表監(jiān)測(cè)L V輸出頻率為1KHz，幅值為 4V的峰峰值；關(guān)閉主機(jī)箱電源，再將LV輸出電壓(1KHz、4V)作為傳感器的激勵(lì)電壓接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯校ㄗ⒁怆妷悍颠^(guò)大會(huì)燒壞傳感器）。3） 合上主機(jī)箱電源，調(diào)節(jié)測(cè)微頭使霍爾傳感器的霍爾片處于兩磁鋼中點(diǎn)，先用示波器觀察使霍爾元件不等位電勢(shì)為最小，然后從數(shù)顯表上觀察，調(diào)節(jié)電位器RW1、RW2使顯示為零。 4） 調(diào)節(jié)測(cè)微頭使霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)較大位移，利用示波器觀察相敏檢波器輸出，旋轉(zhuǎn)移相單元電位器Rw和相敏檢波電位器Rw，使示波器顯示全波整流波形，且數(shù)顯表顯示相對(duì)值。5） 使數(shù)顯表顯示為零，然后旋動(dòng)測(cè)微頭記下每轉(zhuǎn)動(dòng) 0.2mm時(shí)表頭讀