霍爾傳感器及其應(yīng)用

優(yōu)選霍爾傳感器及其應(yīng)用第一頁，共三十七頁。目錄一、霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理二、霍爾傳感器的分類及應(yīng)用三、霍爾傳感器在測試系統(tǒng)中的一個(gè)舉例第二頁，共三十七頁。介紹

將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上稱之為集成霍爾傳感器(簡稱霍爾傳感器)。它是磁敏傳感器最常見的一種,具有感受磁場的獨(dú)特能力,電路結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。可以用磁場作為被檢測信息的載體,在測量技術(shù)中,將位移、力、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等非電、非磁物理量轉(zhuǎn)換為電量。第三頁，共三十七頁。1、霍爾傳感器工作原理依據(jù)原理：霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原理：把一個(gè)長度為L，寬度為b,厚度為d的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體薄片兩端通過控制電流I，在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，在薄片的兩外兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁場強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)勢U。第四頁，共三十七頁。當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力fL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感應(yīng)電動(dòng)勢。

fL=evB圖2霍爾效應(yīng)原理圖第五頁，共三十七頁。CDEH感應(yīng)電動(dòng)勢U在半導(dǎo)體膜上產(chǎn)生電場，于是電子在受到電場力fE的作用，方向與洛倫茲力相反。

fE=eU/b圖3霍爾效應(yīng)原理圖第六頁，共三十七頁。當(dāng)洛倫茲力和電場力大小相等的時(shí)候就達(dá)到了平衡即：fL+fE=0。于是就產(chǎn)生了霍爾電勢EH。設(shè)通過半導(dǎo)體的電流I為:I=-envbd（n為單位體積的載流子數(shù)量）則：

EH=IB/end=SHIB

SH靈敏度系數(shù)CDEH圖4霍爾效應(yīng)原理圖第七頁，共三十七頁?；魻栐牧蠟槭裁幢仨氂冒雽?dǎo)體材料？用金屬材料可以么？霍爾元件材料為什么必須用薄片？用厚片可以么？EH=IB/end=SHIB

可見，元件厚度越小，輸出電壓也越大?；魻栂禂?shù):SH=1/(n*q)式中,n為載流子密度,一般金屬中載流子密度很大,所以金屬材料的霍爾系數(shù)系數(shù)很小,霍爾效應(yīng)不明顯;第八頁，共三十七頁。1.1、霍爾傳感器材料圖5實(shí)物圖符號和測量電路1．鍺(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。第九頁，共三十七頁。1.2、霍爾傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）額定激勵(lì)電流（2）靈敏度（3）輸入電阻和輸出電阻（4）不等位電動(dòng)勢和不等位電阻（5）寄生直流電勢（6）熱阻（7）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM第十頁，共三十七頁。1.2.1、不等位電勢

概念：當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，稱為不等位電勢。出現(xiàn)的原因：霍爾電極安裝不對稱半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻控制電極接觸不良造成的電流不均勻分布第十一頁，共三十七頁。不等位電勢的解決方案：圖6不等位電勢的補(bǔ)償電路把霍爾元件等效為一個(gè)電橋所有能使電橋達(dá)到平衡的方法都可以用來補(bǔ)償不等位電阻第十二頁，共三十七頁。1.2.2、溫度補(bǔ)償產(chǎn)生原因：霍爾元件是半導(dǎo)體材料制作的元件，因此，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度變化時(shí)，載流子濃度、電阻率都會(huì)有變化，導(dǎo)致霍爾系數(shù)靈敏度和輸入輸出電阻的變化。第十三頁，共三十七頁。1.2.2、溫度補(bǔ)償采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。如圖所示：圖7溫度補(bǔ)償電路第十四頁，共三十七頁。2、霍爾傳感器分類霍爾集成傳感器分為線性型和開關(guān)型兩大類。1、線性型霍爾集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。而且在±0.15T范圍內(nèi)有較好的線性。因此可廣泛應(yīng)用在測量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。圖8線性霍爾傳感器特性第十五頁，共三十七頁。

較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。目前,普及型錄音機(jī)一般都沒有全自動(dòng)停機(jī)裝置。這樣,在錄音機(jī)快進(jìn)、快退完畢或軋帶時(shí)電機(jī)還會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),很容易損壞,并會(huì)對其運(yùn)轉(zhuǎn)部分造成較大磨損。為解決這個(gè)問題,可采用UGN3501T來進(jìn)行全自動(dòng)停機(jī)控制。圖9UGN3501實(shí)物圖和錄音機(jī)全自動(dòng)停機(jī)裝置第十六頁，共三十七頁。2、開關(guān)型霍爾傳感器當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bnp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)Bnp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np與Brp之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

BnpBrp圖10開關(guān)型霍爾傳感器特性第十七頁，共三十七頁。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。圖113020外形和結(jié)構(gòu)圖第十八頁，共三十七頁。在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾開關(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)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。圖12開關(guān)型霍爾傳感器應(yīng)用第十九頁，共三十七頁。2、霍爾傳感器的應(yīng)用

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。第二十頁，共三十七頁。常見霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器霍爾特斯拉計(jì)霍爾接式近開關(guān)第二十一頁，共三十七頁。

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足。a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

第二十二頁，共三十七頁。a）原理圖b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形1—點(diǎn)火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3—點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4—點(diǎn)火線圈鐵心5—點(diǎn)火線圈高壓側(cè)6—分火頭7—火花塞

第二十三頁，共三十七頁。位移測量原理圖磁鐵中心位置磁場強(qiáng)度為零磁場分布越均勻輸出線性越好比較適用于小位移的機(jī)械振動(dòng)第二十四頁，共三十七頁。壓力傳感器原理圖彈性元件收到不同的壓力產(chǎn)生不同的位移霍爾元件在磁場中移動(dòng)使霍爾電勢變化第二十五頁，共三十七頁。3、霍爾測速計(jì)

霍爾傳感器可以測量的物理參數(shù)有磁場、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。在電機(jī)控制系統(tǒng)中,測速電路是其中具有代表性的實(shí)例之一。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用博世力士樂傳感實(shí)驗(yàn)裝置,主要由傳感器實(shí)驗(yàn)臺、直流穩(wěn)壓電源、傳感器、直流電機(jī)和信號處理電路模塊組成。第二十六頁，共三十七頁。3.1、框圖設(shè)計(jì)根據(jù)霍爾傳感器的工作原理,設(shè)計(jì)一個(gè)路程測試電路,通過信號拾取、低通濾波電路、單片機(jī)信號處理、顯示輸出等單元電路實(shí)現(xiàn)其功能,采用數(shù)字示波器進(jìn)行輸出信號的動(dòng)態(tài)觀察和測量。該測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。圖13霍爾傳感器設(shè)計(jì)性電路框圖第二十七頁，共三十七頁。3.2、工作原理信號拾取信號處理信號顯示旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)速度的數(shù)字檢測基本方法是利用與該設(shè)備同軸連接的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列，測量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。第二十八頁，共三十七頁。3.2.1、信號拾取電路

其拾取過程大致是這樣的：信號盤有24個(gè)齒，當(dāng)信號盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號盤的每個(gè)齒經(jīng)過HZL201探頭正前方時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號。對該信號盤而言，每24個(gè)脈沖對應(yīng)電機(jī)的1個(gè)工作循環(huán)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低，可由單片機(jī)進(jìn)行測量并換算為轉(zhuǎn)速。圖14信號盤結(jié)構(gòu)和檢測信號圖第二十九頁，共三十七頁。3.2.2、信號處理電路

通過三極管和反相器調(diào)理成一個(gè)可以滿足單片機(jī)輸入脈沖的方波脈沖信號。反相器圖15信號處理電路三極管整形電路第三十頁，共三十七頁。測速的計(jì)算公式：根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有[1]：M法(測頻率法)、T法(測周期法)和M/T法(頻率/周期法)M法:在規(guī)定的檢測時(shí)間內(nèi)，檢測霍爾傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。（缺點(diǎn)：起止時(shí)間具有隨機(jī)性）T法:它是測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號的時(shí)間來確定轉(zhuǎn)速。M/T法。它是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測時(shí)間內(nèi)霍爾傳感器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。(缺點(diǎn)：它的實(shí)時(shí)性差)第三十一頁，共三十七頁。

T法實(shí)際上是對計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，相對于M法對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，該方法有著較高的精度。另外T法對每個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖都進(jìn)行了轉(zhuǎn)速的計(jì)算，最大限度地利用了傳感器所提供的轉(zhuǎn)速信息，能實(shí)時(shí)地反映轉(zhuǎn)速的變化過程。綜合考慮文中系統(tǒng)采用了測周期法(T法)。第三十二頁，共三十七頁。單片機(jī)信號處理

信號處理電路輸出端與AT89C52單片機(jī)的INT1引腳相連，由INT1引腳接收轉(zhuǎn)速脈沖信號，進(jìn)而控制單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器T1的啟動(dòng)和停止。當(dāng)INT1低電平時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)，高電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)器中記得的數(shù)值m為12分頻時(shí)鐘的周期數(shù)。該裝置采用T法測速，因此轉(zhuǎn)速測量公式為n=60f/zm。其中f為AT89C52的內(nèi)部時(shí)鐘脈沖頻率，m為單片機(jī)響應(yīng)中斷從計(jì)數(shù)器T1讀出的計(jì)數(shù)值。60代表每分鐘的轉(zhuǎn)速。z為齒輪信號盤每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)。第三十三頁，共三十七頁。3.2.3