霍爾傳感器在機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用

1、霍爾傳感器在機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用測(cè)速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對(duì)側(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測(cè)量。      霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方案可分成兩類：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)或用脈沖發(fā)生器檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠

2、，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。    所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能好。在機(jī)車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。    霍爾傳感器的原理    1霍爾效應(yīng)    在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為

3、d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。    2.工作原理    霍爾開關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。    側(cè)量磁場(chǎng)及工作設(shè)置&

4、#160;   1測(cè)量磁場(chǎng)    使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直子霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，磁力線必須和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到電場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫、小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。    2.工作磁體的設(shè)置   

5、0;用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)冀片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在冀片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125的溫度范圍內(nèi)，冀片的位置重復(fù)精度可達(dá)50m。當(dāng)兩齒之間的空隙正對(duì)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)某一齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個(gè)mV級(jí)的準(zhǔn)

6、方波電壓。此信號(hào)還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓，當(dāng)外加磁場(chǎng)的S極接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?#160;   也可將工作磁體固定在霍爾器件（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在圖2的霍爾效應(yīng)速度傳感器中，當(dāng)測(cè)速的靶轉(zhuǎn)到霍爾效應(yīng)傳感器的位置，即霍爾傳感器位于靶及磁鐵之間，霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到靶感應(yīng)的磁通量變化。霍爾效應(yīng)傳感器感測(cè)的是磁通量的大小。    霍爾電路設(shè)計(jì) 

7、60;   1工作方法    當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場(chǎng)中時(shí)，其上的兩個(gè)霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號(hào)。無論該磁場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個(gè)單元面向磁場(chǎng)集中的輪齒，另一個(gè)單元?jiǎng)t面向一個(gè)齒隙，如果兩個(gè)霍爾單元之間存在磁場(chǎng)梯度，那么將產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)，并在芯片上放大。實(shí)際上，這個(gè)差值體現(xiàn)了一個(gè)小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制電路來修正。這種動(dòng)態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。    2.齒輪、感應(yīng)距離和角精度 &#

8、160;  一個(gè)齒輪可由其模數(shù)來表征：md/z。其中d是齒輪直徑，Z是輪齒數(shù)量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計(jì)算公式為T=m、當(dāng)一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)輪齒而另一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)齒隙時(shí)，感應(yīng)到的差值最大。該器件內(nèi)兩個(gè)霍爾傳感器的間隔為2.5mm，在模數(shù)為1，對(duì)應(yīng)的齒距為3.14win的條件下，該器件都可以感應(yīng)到差值。如果該模數(shù)大于3或者齒輪不規(guī)則，將可能在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到足夠的差值，這意味著輸出信號(hào)將不確定。傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數(shù)、磁體和速度的一個(gè)函數(shù)，速度可以用每次輪齒/齒隙轉(zhuǎn)變時(shí)在輸出端出現(xiàn)一個(gè)脈沖來表征。如果減小距離，將產(chǎn)生較大的有用信號(hào)。

9、因此，切換精度可以隨傳感器低高轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這種低高轉(zhuǎn)變可以代表齒輪的一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。    3.電路圖設(shè)計(jì)    當(dāng)霍爾元件輸出高電平時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，信號(hào)輸出端輸出方波的低電平；當(dāng)霍爾元件輸出低電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出端為方波的高電平。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度VNT（Tm）。 霍爾傳感器及其應(yīng)用    對(duì)磁敏感的傳感器稱為磁敏傳感器，主要有干簧管、磁敏二極管、磁敏三

10、極管、磁阻傳感器及霍爾傳感器等。本文介紹的是霍爾傳感器及其應(yīng)用。     以磁場(chǎng)作為媒介，利用霍爾傳感器可以檢測(cè)多種物理量，如位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并且采用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，不需附加能源。另外，霍爾傳感器尺寸小、價(jià)格便宜、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單、性能可靠，因而獲得極為廣泛的應(yīng)用。除了直接利用霍爾傳感器外，還利用它開發(fā)出各種派生的傳感器。     霍爾效應(yīng)與霍爾元件     金屬或半導(dǎo)體薄片的兩個(gè)端面通以控制電流Ic，并在薄片的垂直方向

11、上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)Uh，稱為霍爾電勢(shì)或霍爾電壓(如圖l所示)。霍爾電勢(shì)Uh=KhIcB(其中Kh為霍爾元件靈敏度，它與所用的材料及幾何尺寸有關(guān))。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，而用這種效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件。     由于霍爾元件輸出的電壓信號(hào)較小，并且有一定的溫度誤差，目前已較少直接使用霍爾元件作傳感器。     霍爾集成傳感器     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

12、成傳感器(目前習(xí)慣上稱為霍爾傳感器)。為了應(yīng)用上的需要，霍爾集成傳感器又分成線性型霍爾傳感器及開關(guān)型霍爾傳感器。根據(jù)使用要求不同又開發(fā)出不同性能的系列產(chǎn)品。這里僅介紹一些新型的典型產(chǎn)品及應(yīng)用電路。     線性型霍爾傳感器     這里介紹Honevwell公司的SS49系列及SS495系列。     1  SS49系列     SS49系列霍爾傳感器是一種三端器件，它敏感于外界的磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例的

13、電壓信號(hào)。該元件的特點(diǎn)是：電源電壓范圍為4V-10V，隨著電源電壓增加，輸出信號(hào)幅度增大，但線性度范圍卻縮??；靜態(tài)工作電流較小，典型值為4mA，適用于便攜式電池供電的場(chǎng)合；響應(yīng)于N極或s極；在很寬的磁場(chǎng)范圍內(nèi)有較好的線性度；能有較大的輸出電流的能力(10mA連續(xù)，20mA最大)；尺寸小(貼片式器件)。     該元件在不同工作電壓時(shí)的輸出特性如圖2所示。     在5V工作電壓、OT(特斯拉)時(shí)輸出為2V。該元件的溫度特性如圖3所示，在溫度范圍較大時(shí)需加溫度補(bǔ)償。     該

14、器件有TO-92封裝及SOT-89貼片式封裝，其管腳排列如圖4所示。典型應(yīng)用電路如圖5所示，Rl為負(fù)載電阻。     2SS495A1     ss495A1是高精度線性輸出霍爾元件。該元件特點(diǎn)是：內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路并由激光對(duì)電阻進(jìn)行修正，使零點(diǎn)溫漂為±004，靈敏度漂移為+002-±003；輸出電壓在-0.064T+0.064T范圍時(shí)為05v45v(典型值)，它可以直接與單片機(jī)接口；OT時(shí)為25v±0075V；靈敏度為3125±O094；線性度誤差為-10量程)；工作溫度范

15、圍-40+150；工作電壓范圍為45v105v，工作電流7mA(典型值)。     該元件尺寸小(約4mm×3mm)，并有貼片式封裝形式，其管腳排列與前同。     該元件典型輸出特性如圖6所示。     應(yīng)用電路     1位移測(cè)量     將線性霍爾傳感器放在兩塊磁鐵的中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。這個(gè)位置可作為位移的零點(diǎn)(如圖7(a)所示)。當(dāng)霍爾傳感器在Z軸作AZ位移時(shí)，經(jīng)調(diào)整電路處理

16、后其輸出電壓Vo與位移Z特性如圖7(b)所示。圖7(b)是按同樣的原理制成的力傳感器。     2簡(jiǎn)易磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)     圖8是一種用SS49制成的簡(jiǎn)易磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)的電路圖。在0-±01T的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出為05v。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為-01T時(shí)，調(diào)RPl，使輸出為0V；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為+01T時(shí)，調(diào)RP2，使輸出為5V(在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，輸出為25v)。若外接一個(gè)O5V表頭即成為±01T的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)了(刻度要重畫)。     由于SS49有一定的溫度誤差，可在

17、68k電阻并聯(lián)一個(gè)PTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，其阻值要根據(jù)傳感器的溫度特性來調(diào)試，如圖8右圖所示。     若采用495Al高精度線性霍爾元件來做磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，則在±064T時(shí)，輸出05v45V，則可直接接一個(gè)05V電壓表頭即制成較高精度的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，無需任何電路(僅僅將電壓刻度換成T即可：在05V處刻度為一064T；在25v處刻度為0T；在45V處刻度為+064T即成)。 霍爾傳感器及其應(yīng)用（二）     開關(guān)型霍爾傳感器     開關(guān)型霍爾傳感器是一種集成傳感器，它內(nèi)

18、部含有霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓電源、帶一定滯后特性的比較器及集電極開路輸出部分等，如圖1(a)所示，外形如圖1(b)所示。     開關(guān)型霍爾傳感器的工作特性如圖2所示。     當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，但磁感應(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)BRE時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與Bre之間的滯后(或稱為回差)使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。     由于傳感器內(nèi)部為集電極開路輸出，所以需外接一個(gè)上拉電阻，其阻值與

19、電源電壓大小有關(guān)，一般取12k，如圖3所示。     另外還有一種“鎖鍵型”(或稱鎖存型)開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖4所示。     當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)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Bre時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。     這里介紹SS100系列及ss40兩種典型產(chǎn)品。這兩種產(chǎn)品都是Honev we公司的產(chǎn)品。     1SSl00系列 

20、0;   SSl00系列是貼片式器件，SOT-89封裝如圖1(b)所示。它的特點(diǎn)是工作電壓范圍較寬(3824V)；工作電流小(最大為10mA)；其輸出級(jí)集電極最大電流可達(dá)20mA；工作溫度范圍較寬(-40-+125)；有單極、雙極及鎖存型，可供用戶選擇。參數(shù)性能見附表(僅選擇該系列部分產(chǎn)品)。     2SS40(雙極型)     SS40為TO-92封裝，其外形及管腳見圖1(b)。該器件工作速度可達(dá)100kHz；工作溫度范圍可達(dá)-55150；工作電壓范圍45-24v；工作電流最大值為

21、87mA(典型值為4mA)，輸出低電平時(shí)典型值為015v(最大值為04V)；上升時(shí)間02us(典型值)，下降時(shí)間05us(典型值)；在25度時(shí)的 動(dòng)作點(diǎn)最大值為40mT，最小釋放點(diǎn)為-40mT，最小回差為80mT。     典型應(yīng)用電路     開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。它只要配合一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器(如公共汽車的三個(gè)門必須關(guān)閉，司機(jī)才可開車；電梯門關(guān)好，電梯才能升降)和防盜報(bào)警器(當(dāng)門或窗被非法撬開時(shí)，開關(guān)型霍爾元件可輸出報(bào)警信號(hào)

22、，如圖3所示)。     另外一類是可以利用它做成測(cè)量轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)數(shù))等，如圖5所示。     幾種典型的連接負(fù)載電路如圖6所示。圖6(a)為與繼電器連接，圖6(b)為與晶閘管連接。轉(zhuǎn)自維修吧- 霍爾傳感器在機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用測(cè)速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對(duì)側(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測(cè)量。      霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它

23、具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方案可分成兩類：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)或用脈沖發(fā)生器檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。    所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能好。在機(jī)車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡

24、劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。    霍爾傳感器的原理    1霍爾效應(yīng)    在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。    2.工作原理

25、    霍爾開關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。    側(cè)量磁場(chǎng)及工作設(shè)置    1測(cè)量磁場(chǎng)    使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直子霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，磁力線必須和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂

26、直分量來計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到電場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫、小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。    2.工作磁體的設(shè)置    用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)冀片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在冀片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125的溫度范圍內(nèi)

27、，冀片的位置重復(fù)精度可達(dá)50m。當(dāng)兩齒之間的空隙正對(duì)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)某一齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個(gè)mV級(jí)的準(zhǔn)方波電壓。此信號(hào)還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓，當(dāng)外加磁場(chǎng)的S極接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?#160;   也可將工作磁體固定在霍爾器件（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等）

28、，得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在圖2的霍爾效應(yīng)速度傳感器中，當(dāng)測(cè)速的靶轉(zhuǎn)到霍爾效應(yīng)傳感器的位置，即霍爾傳感器位于靶及磁鐵之間，霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到靶感應(yīng)的磁通量變化?；魻栃?yīng)傳感器感測(cè)的是磁通量的大小。    霍爾電路設(shè)計(jì)     1工作方法    當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場(chǎng)中時(shí)，其上的兩個(gè)霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號(hào)。無論該磁場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個(gè)單元面向磁場(chǎng)集中的輪齒，另一個(gè)單元?jiǎng)t面向一個(gè)齒隙，如果兩個(gè)霍爾單元之間存在磁場(chǎng)梯度

29、，那么將產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)，并在芯片上放大。實(shí)際上，這個(gè)差值體現(xiàn)了一個(gè)小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制電路來修正。這種動(dòng)態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。    2.齒輪、感應(yīng)距離和角精度    一個(gè)齒輪可由其模數(shù)來表征：md/z。其中d是齒輪直徑，Z是輪齒數(shù)量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計(jì)算公式為T=m、當(dāng)一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)輪齒而另一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)齒隙時(shí)，感應(yīng)到的差值最大。該器件內(nèi)兩個(gè)霍爾傳感器的間隔為2.5mm，在模數(shù)為1，對(duì)應(yīng)的齒距為3.14win的條件下，該器件都可以

30、感應(yīng)到差值。如果該模數(shù)大于3或者齒輪不規(guī)則，將可能在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到足夠的差值，這意味著輸出信號(hào)將不確定。傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數(shù)、磁體和速度的一個(gè)函數(shù)，速度可以用每次輪齒/齒隙轉(zhuǎn)變時(shí)在輸出端出現(xiàn)一個(gè)脈沖來表征。如果減小距離，將產(chǎn)生較大的有用信號(hào)。因此，切換精度可以隨傳感器低高轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這種低高轉(zhuǎn)變可以代表齒輪的一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。    3.電路圖設(shè)計(jì)    當(dāng)霍爾元件輸出高電平時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，信號(hào)輸出端輸出方波的低電平；當(dāng)霍爾元件輸出低電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出端為方

31、波的高電平。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度VNT（Tm）。 霍爾傳感器及其應(yīng)用    對(duì)磁敏感的傳感器稱為磁敏傳感器，主要有干簧管、磁敏二極管、磁敏三極管、磁阻傳感器及霍爾傳感器等。本文介紹的是霍爾傳感器及其應(yīng)用。     以磁場(chǎng)作為媒介，利用霍爾傳感器可以檢測(cè)多種物理量，如位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并且采用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，不需附加能源。另外，霍爾傳感器尺寸小、價(jià)格便宜、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單、

32、性能可靠，因而獲得極為廣泛的應(yīng)用。除了直接利用霍爾傳感器外，還利用它開發(fā)出各種派生的傳感器。     霍爾效應(yīng)與霍爾元件     金屬或半導(dǎo)體薄片的兩個(gè)端面通以控制電流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電勢(shì)Uh，稱為霍爾電勢(shì)或霍爾電壓(如圖l所示)?；魻栯妱?shì)Uh=KhIcB(其中Kh為霍爾元件靈敏度，它與所用的材料及幾何尺寸有關(guān))。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，而用這種效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件。     由于霍爾元件輸出的電壓信號(hào)

33、較小，并且有一定的溫度誤差，目前已較少直接使用霍爾元件作傳感器。     霍爾集成傳感器     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(目前習(xí)慣上稱為霍爾傳感器)。為了應(yīng)用上的需要，霍爾集成傳感器又分成線性型霍爾傳感器及開關(guān)型霍爾傳感器。根據(jù)使用要求不同又開發(fā)出不同性能的系列產(chǎn)品。這里僅介紹一些新型的典型產(chǎn)品及應(yīng)用電路。     線性型霍爾傳感器     這里介紹Hone

34、vwell公司的SS49系列及SS495系列。     1  SS49系列     SS49系列霍爾傳感器是一種三端器件，它敏感于外界的磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例的電壓信號(hào)。該元件的特點(diǎn)是：電源電壓范圍為4V-10V，隨著電源電壓增加，輸出信號(hào)幅度增大，但線性度范圍卻縮?。混o態(tài)工作電流較小，典型值為4mA，適用于便攜式電池供電的場(chǎng)合；響應(yīng)于N極或s極；在很寬的磁場(chǎng)范圍內(nèi)有較好的線性度；能有較大的輸出電流的能力(10mA連續(xù)，20mA最大)；尺寸小(貼片式器件)。   

35、  該元件在不同工作電壓時(shí)的輸出特性如圖2所示。     在5V工作電壓、OT(特斯拉)時(shí)輸出為2V。該元件的溫度特性如圖3所示，在溫度范圍較大時(shí)需加溫度補(bǔ)償。     該器件有TO-92封裝及SOT-89貼片式封裝，其管腳排列如圖4所示。典型應(yīng)用電路如圖5所示，Rl為負(fù)載電阻。     2SS495A1     ss495A1是高精度線性輸出霍爾元件。該元件特點(diǎn)是：內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路并由激光對(duì)電阻進(jìn)行修正，使零點(diǎn)溫

36、漂為±004，靈敏度漂移為+002-±003；輸出電壓在-0.064T+0.064T范圍時(shí)為05v45v(典型值)，它可以直接與單片機(jī)接口；OT時(shí)為25v±0075V；靈敏度為3125±O094；線性度誤差為-10量程)；工作溫度范圍-40+150；工作電壓范圍為45v105v，工作電流7mA(典型值)。     該元件尺寸小(約4mm×3mm)，并有貼片式封裝形式，其管腳排列與前同。     該元件典型輸出特性如圖6所示。    &#

37、160;應(yīng)用電路     1位移測(cè)量     將線性霍爾傳感器放在兩塊磁鐵的中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。這個(gè)位置可作為位移的零點(diǎn)(如圖7(a)所示)。當(dāng)霍爾傳感器在Z軸作AZ位移時(shí)，經(jīng)調(diào)整電路處理后其輸出電壓Vo與位移Z特性如圖7(b)所示。圖7(b)是按同樣的原理制成的力傳感器。     2簡(jiǎn)易磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)     圖8是一種用SS49制成的簡(jiǎn)易磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)的電路圖。在0-±01T的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出為05v。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為-01T

38、時(shí)，調(diào)RPl，使輸出為0V；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為+01T時(shí)，調(diào)RP2，使輸出為5V(在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，輸出為25v)。若外接一個(gè)O5V表頭即成為±01T的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)了(刻度要重畫)。     由于SS49有一定的溫度誤差，可在68k電阻并聯(lián)一個(gè)PTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，其阻值要根據(jù)傳感器的溫度特性來調(diào)試，如圖8右圖所示。     若采用495Al高精度線性霍爾元件來做磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，則在±064T時(shí)，輸出05v45V，則可直接接一個(gè)05V電壓表頭即制成較高精度的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，無需任何電路(僅僅將電壓刻度換成

39、T即可：在05V處刻度為一064T；在25v處刻度為0T；在45V處刻度為+064T即成)。 霍爾傳感器及其應(yīng)用（二）     開關(guān)型霍爾傳感器     開關(guān)型霍爾傳感器是一種集成傳感器，它內(nèi)部含有霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓電源、帶一定滯后特性的比較器及集電極開路輸出部分等，如圖1(a)所示，外形如圖1(b)所示。     開關(guān)型霍爾傳感器的工作特性如圖2所示。     當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，但磁感應(yīng)強(qiáng) 度

40、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)BRE時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健op與Bre之間的滯后(或稱為回差)使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。     由于傳感器內(nèi)部為集電極開路輸出，所以需外接一個(gè)上拉電阻，其阻值與電源電壓大小有關(guān)，一般取12k，如圖3所示。     另外還有一種“鎖鍵型”(或稱鎖存型)開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖4所示。     當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)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))

41、，必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到Bre時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。     這里介紹SS100系列及ss40兩種典型產(chǎn)品。這兩種產(chǎn)品都是Honev we公司的產(chǎn)品。     1SSl00系列     SSl00系列是貼片式器件，SOT-89封裝如圖1(b)所示。它的特點(diǎn)是工作電壓范圍較寬(3824V)；工作電流小(最大為10mA)；其輸出級(jí)集電極最大電流可達(dá)20mA；工作溫度范圍較寬(-40-+125)；有單極、雙極及鎖存型，可供用戶選擇。參數(shù)性能見附表(僅選擇該系列部分產(chǎn)品)。 &

42、#160;   2SS40(雙極型)     SS40為TO-92封裝，其外形及管腳見圖1(b)。該器件工作速度可達(dá)100kHz；工作溫度范圍可達(dá)-55150；工作電壓范圍45-24v；工作電流最大值為87mA(典型值為4mA)，輸出低電平時(shí)典型值為015v(最大值為04V)；上升時(shí)間02us(典型值)，下降時(shí)間05us(典型值)；在25度時(shí)的 動(dòng)作點(diǎn)最大值為40mT，最小釋放點(diǎn)為-40mT，最小回差為80mT。     典型應(yīng)用電路     開

43、關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。它只要配合一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器(如公共汽車的三個(gè)門必須關(guān)閉，司機(jī)才可開車；電梯門關(guān)好，電梯才能升降)和防盜報(bào)警器(當(dāng)門或窗被非法撬開時(shí)，開關(guān)型霍爾元件可輸出報(bào)警信號(hào)，如圖3所示)。     另外一類是可以利用它做成測(cè)量轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)數(shù))等，如圖5所示。     幾種典型的連接負(fù)載電路如圖6所示。圖6(a)為與繼電器連接，圖6(b)為與晶閘管連接。轉(zhuǎn)自維修吧- 霍爾傳感器在機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用測(cè)速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有

44、非常重要的地位，對(duì)側(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測(cè)量。      霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方案可分成兩類：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)或用脈沖發(fā)生器檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D

45、轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。    所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能好。在機(jī)車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。    霍爾傳感器的原理    1霍爾效應(yīng)    在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊

46、通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。    2.工作原理    霍爾開關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。    側(cè)量磁場(chǎng)及工作設(shè)置    1測(cè)量磁場(chǎng)

47、    使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直子霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，磁力線必須和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到電場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫、小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。    2.工作磁體的設(shè)置    用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用

48、永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)冀片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在冀片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125的溫度范圍內(nèi)，冀片的位置重復(fù)精度可達(dá)50m。當(dāng)兩齒之間的空隙正對(duì)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)某一齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個(gè)mV級(jí)的準(zhǔn)方波電壓。此信號(hào)還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓，當(dāng)外

49、加磁場(chǎng)的S極接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?#160;   也可將工作磁體固定在霍爾器件（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在圖2的霍爾效應(yīng)速度傳感器中，當(dāng)測(cè)速的靶轉(zhuǎn)到霍爾效應(yīng)傳感器的位置，即霍爾傳感器位于靶及磁鐵之間，霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到靶感應(yīng)的磁通量變化?；魻栃?yīng)傳感器感測(cè)的是磁通量的大小。    霍爾電路設(shè)計(jì)     1工作方法&#

50、160;   當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場(chǎng)中時(shí)，其上的兩個(gè)霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號(hào)。無論該磁場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個(gè)單元面向磁場(chǎng)集中的輪齒，另一個(gè)單元?jiǎng)t面向一個(gè)齒隙，如果兩個(gè)霍爾單元之間存在磁場(chǎng)梯度，那么將產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)，并在芯片上放大。實(shí)際上，這個(gè)差值體現(xiàn)了一個(gè)小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制電路來修正。這種動(dòng)態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。    2.齒輪、感應(yīng)距離和角精度    一個(gè)齒輪可由其模數(shù)來表征

51、：md/z。其中d是齒輪直徑，Z是輪齒數(shù)量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計(jì)算公式為T=m、當(dāng)一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)輪齒而另一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)齒隙時(shí)，感應(yīng)到的差值最大。該器件內(nèi)兩個(gè)霍爾傳感器的間隔為2.5mm，在模數(shù)為1，對(duì)應(yīng)的齒距為3.14win的條件下，該器件都可以感應(yīng)到差值。如果該模數(shù)大于3或者齒輪不規(guī)則，將可能在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到足夠的差值，這意味著輸出信號(hào)將不確定。傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數(shù)、磁體和速度的一個(gè)函數(shù)，速度可以用每次輪齒/齒隙轉(zhuǎn)變時(shí)在輸出端出現(xiàn)一個(gè)脈沖來表征。如果減小距離，將產(chǎn)生較大的有用信號(hào)。因此，切換精度可以隨傳感器低高轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這種

52、低高轉(zhuǎn)變可以代表齒輪的一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。    3.電路圖設(shè)計(jì)    當(dāng)霍爾元件輸出高電平時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，信號(hào)輸出端輸出方波的低電平；當(dāng)霍爾元件輸出低電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出端為方波的高電平。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度VNT（Tm）。 霍爾傳感器及其應(yīng)用    對(duì)磁敏感的傳感器稱為磁敏傳感器，主要有干簧管、磁敏二極管、磁敏三極管、磁阻傳感器及霍爾傳感器等。本文介紹的是霍爾傳感器及

53、其應(yīng)用。     以磁場(chǎng)作為媒介，利用霍爾傳感器可以檢測(cè)多種物理量，如位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并且采用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，不需附加能源。另外，霍爾傳感器尺寸小、價(jià)格便宜、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單、性能可靠，因而獲得極為廣泛的應(yīng)用。除了直接利用霍爾傳感器外，還利用它開發(fā)出各種派生的傳感器。     霍爾效應(yīng)與霍爾元件     金屬或半導(dǎo)體薄片的兩個(gè)端面通以控制電流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上

54、將產(chǎn)生電勢(shì)Uh，稱為霍爾電勢(shì)或霍爾電壓(如圖l所示)。霍爾電勢(shì)Uh=KhIcB(其中Kh為霍爾元件靈敏度，它與所用的材料及幾何尺寸有關(guān))。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，而用這種效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件。     由于霍爾元件輸出的電壓信號(hào)較小，并且有一定的溫度誤差，目前已較少直接使用霍爾元件作傳感器。     霍爾集成傳感器     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(目前習(xí)慣上稱為霍爾傳感器)。為了應(yīng)用上的需要，

55、霍爾集成傳感器又分成線性型霍爾傳感器及開關(guān)型霍爾傳感器。根據(jù)使用要求不同又開發(fā)出不同性能的系列產(chǎn)品。這里僅介紹一些新型的典型產(chǎn)品及應(yīng)用電路。     線性型霍爾傳感器     這里介紹Honevwell公司的SS49系列及SS495系列。     1  SS49系列     SS49系列霍爾傳感器是一種三端器件，它敏感于外界的磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例的電壓信號(hào)。該元件的特點(diǎn)是：電源電壓范圍為4V-10V，隨

56、著電源電壓增加，輸出信號(hào)幅度增大，但線性度范圍卻縮小；靜態(tài)工作電流較小，典型值為4mA，適用于便攜式電池供電的場(chǎng)合；響應(yīng)于N極或s極；在很寬的磁場(chǎng)范圍內(nèi)有較好的線性度；能有較大的輸出電流的能力(10mA連續(xù)，20mA最大)；尺寸小(貼片式器件)。     該元件在不同工作電壓時(shí)的輸出特性如圖2所示。     在5V工作電壓、OT(特斯拉)時(shí)輸出為2V。該元件的溫度特性如圖3所示，在溫度范圍較大時(shí)需加溫度補(bǔ)償。     該器件有TO-92封裝及SOT-89貼片式封裝，其管腳排列

57、如圖4所示。典型應(yīng)用電路如圖5所示，Rl為負(fù)載電阻。     2SS495A1     ss495A1是高精度線性輸出霍爾元件。該元件特點(diǎn)是：內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路并由激光對(duì)電阻進(jìn)行修正，使零點(diǎn)溫漂為±004，靈敏度漂移為+002-±003；輸出電壓在-0.064T+0.064T范圍時(shí)為05v45v(典型值)，它可以直接與單片機(jī)接口；OT時(shí)為25v±0075V；靈敏度為3125±O094；線性度誤差為-10量程)；工作溫度范圍-40+150；工作電壓范圍為45v105v，工作電流

58、7mA(典型值)。     該元件尺寸小(約4mm×3mm)，并有貼片式封裝形式，其管腳排列與前同。     該元件典型輸出特性如圖6所示。     應(yīng)用電路     1位移測(cè)量     將線性霍爾傳感器放在兩塊磁鐵的中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。這個(gè)位置可作為位移的零點(diǎn)(如圖7(a)所示)。當(dāng)霍爾傳感器在Z軸作AZ位移時(shí)，經(jīng)調(diào)整電路處理后其輸出電壓Vo與位移Z特性如圖7(b)所示。圖7(b)

59、是按同樣的原理制成的力傳感器。     2簡(jiǎn)易磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)     圖8是一種用SS49制成的簡(jiǎn)易磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)的電路圖。在0-±01T的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出為05v。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為-01T時(shí)，調(diào)RPl，使輸出為0V；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為+01T時(shí)，調(diào)RP2，使輸出為5V(在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，輸出為25v)。若外接一個(gè)O5V表頭即成為±01T的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)了(刻度要重畫)。     由于SS49有一定的溫度誤差，可在68k電阻并聯(lián)一個(gè)PTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，其阻值要根據(jù)傳

60、感器的溫度特性來調(diào)試，如圖8右圖所示。     若采用495Al高精度線性霍爾元件來做磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，則在±064T時(shí)，輸出05v45V，則可直接接一個(gè)05V電壓表頭即制成較高精度的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，無需任何電路(僅僅將電壓刻度換成T即可：在05V處刻度為一064T；在25v處刻度為0T；在45V處刻度為+064T即成)。 霍爾傳感器及其應(yīng)用（二）     開關(guān)型霍爾傳感器     開關(guān)型霍爾傳感器是一種集成傳感器，它內(nèi)部含有霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓電源、帶一定滯后特性的比較器

61、及集電極開路輸出部分等，如圖1(a)所示，外形如圖1(b)所示。     開關(guān)型霍爾傳感器的工作特性如圖2所示。     當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，但磁感應(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)BRE時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與Bre之間的滯后(或稱為回差)使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。     由于傳感器內(nèi)部為集電極開路輸出，所以需外接一個(gè)上拉電阻，其阻值與電源電壓大小有關(guān)，一般取12k，如圖3所示。  

62、;   另外還有一種“鎖鍵型”(或稱鎖存型)開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖4所示。     當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)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Bre時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。     這里介紹SS100系列及ss40兩種典型產(chǎn)品。這兩種產(chǎn)品都是Honev we公司的產(chǎn)品。     1SSl00系列     SSl00系列是

63、貼片式器件，SOT-89封裝如圖1(b)所示。它的特點(diǎn)是工作電壓范圍較寬(3824V)；工作電流小(最大為10mA)；其輸出級(jí)集電極最大電流可達(dá)20mA；工作溫度范圍較寬(-40-+125)；有單極、雙極及鎖存型，可供用戶選擇。參數(shù)性能見附表(僅選擇該系列部分產(chǎn)品)。     2SS40(雙極型)     SS40為TO-92封裝，其外形及管腳見圖1(b)。該器件工作速度可達(dá)100kHz；工作溫度范圍可達(dá)-55150；工作電壓范圍45-24v；工作電流最大值為87mA(典型值為4mA)，輸出低電平時(shí)典型值為015v

64、(最大值為04V)；上升時(shí)間02us(典型值)，下降時(shí)間05us(典型值)；在25度時(shí)的 動(dòng)作點(diǎn)最大值為40mT，最小釋放點(diǎn)為-40mT，最小回差為80mT。     典型應(yīng)用電路     開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價(jià)格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。它只要配合一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器(如公共汽車的三個(gè)門必須關(guān)閉，司機(jī)才可開車；電梯門關(guān)好，電梯才能升降)和防盜報(bào)警器(當(dāng)門或窗被非法撬開時(shí)，開關(guān)型霍爾元件可輸出報(bào)警信號(hào)，如圖3所示)。    &

65、#160;另外一類是可以利用它做成測(cè)量轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)數(shù))等，如圖5所示。     幾種典型的連接負(fù)載電路如圖6所示。圖6(a)為與繼電器連接，圖6(b)為與晶閘管連接。轉(zhuǎn)自維修吧- 霍爾傳感器在機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用測(cè)速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對(duì)側(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測(cè)量。      霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，

66、在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方案可分成兩類：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)或用脈沖發(fā)生器檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。    所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能好。在機(jī)車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。&

67、#160;   霍爾傳感器的原理    1霍爾效應(yīng)    在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。    2.工作原理    霍爾開關(guān)

68、集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。    側(cè)量磁場(chǎng)及工作設(shè)置    1測(cè)量磁場(chǎng)    使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直子霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，磁力線必須和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺

69、寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到電場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫、小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。    2.工作磁體的設(shè)置    用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)冀片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在冀片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125的溫度范圍內(nèi)，冀片的位置重復(fù)精度可達(dá)50m。當(dāng)兩齒之間的空隙正對(duì)霍爾

70、元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)某一齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個(gè)mV級(jí)的準(zhǔn)方波電壓。此信號(hào)還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓，當(dāng)外加磁場(chǎng)的S極接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?#160;   也可將工作磁體固定在霍爾器件（外殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在圖2的霍爾效應(yīng)速度傳感器中，當(dāng)測(cè)

71、速的靶轉(zhuǎn)到霍爾效應(yīng)傳感器的位置，即霍爾傳感器位于靶及磁鐵之間，霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到靶感應(yīng)的磁通量變化?；魻栃?yīng)傳感器感測(cè)的是磁通量的大小。    霍爾電路設(shè)計(jì)     1工作方法    當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場(chǎng)中時(shí)，其上的兩個(gè)霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號(hào)。無論該磁場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個(gè)單元面向磁場(chǎng)集中的輪齒，另一個(gè)單元?jiǎng)t面向一個(gè)齒隙，如果兩個(gè)霍爾單元之間存在磁場(chǎng)梯度，那么將產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)，并在芯片上放大。實(shí)際上，這個(gè)差值體現(xiàn)了一個(gè)小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制電路來修正。這種動(dòng)態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。    2.齒輪、感應(yīng)距離和角精度&#