英才學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)課件06霍爾傳感器應(yīng)用于轉(zhuǎn)速、流量及角度的測量

1、任務(wù)六：霍爾傳感器應(yīng)用于轉(zhuǎn)速、流量及角度的測量 霍爾元件是一種四端元件6.1霍爾元件的工作原理、霍爾傳感器的測量電路 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab6.1.1 霍爾元件的工作原理結(jié)論：霍耳電壓（1）與材料有關(guān) （2）與電流I有關(guān)（3）與磁場B有關(guān)。一、霍耳效應(yīng) 洛倫茲力： 電場強(qiáng)度：得： 霍耳電壓：（電位正電荷受力乘距離）（n-材料中電子濃度）由于（電位正電荷受力）于是：（ *霍耳靈敏度： ） 1.霍耳電壓與霍耳靈敏度2.霍耳系數(shù)與電阻率 霍

2、耳系數(shù)： 將前面霍耳電壓 式中的 1/nq 定義為霍耳系數(shù)RH，即： 有； 。*霍耳系數(shù)RH和霍耳靈敏度KH的關(guān)系：（-材料中載流子遷移率， U-外電壓，U/l-電場強(qiáng)度）電阻率：由得： 對比 對比磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時(shí)的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示： EH=KH IB霍爾效應(yīng) 當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片

3、垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢為 EH=KHIBcos 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。 霍爾元件的主要外特性參數(shù) 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM 上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)） 最大激勵(lì)電流IM : 由于霍爾電勢隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)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，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安

4、至十幾毫安。 6.1.2 霍爾傳感器的測量電路圖6.16.1.3 集成霍爾傳感器 霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。 線性型三端 霍爾集成電路線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)， 輸出為正；磁場反向時(shí)，輸出為負(fù)。 請畫出線性范圍開關(guān)型霍爾集成電路 開關(guān)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

5、、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門 施密特 觸發(fā)電路 雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放霍爾 元件.Vcc開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線 請按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。 當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)

6、？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？ 6.2 霍爾傳感器用于轉(zhuǎn)速、流量及角度的測量 霍爾電勢是關(guān)于I、B、 三個(gè)變量的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)） 霍爾元件霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用 磁鐵霍爾元件霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度 霍爾元件測量鐵心 氣隙的B值霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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

7、經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法 只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。 霍爾元件磁鐵 采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不

8、準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。 汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭汽車電子點(diǎn)火裝置使用的 點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成霍爾式無刷電動(dòng)機(jī) 霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器電動(dòng)自行車的無刷電動(dòng)機(jī)及控制電路 去速度控制器 利用PWM調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān) 用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場。 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電