霍爾傳感器測(cè)速原理

./現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)論文測(cè)控11-2班國(guó)霞1105070202緒論現(xiàn)代技術(shù)關(guān)于速度的測(cè)量方法多種多樣,其中包括線速度和角速度兩個(gè)方面,速度和轉(zhuǎn)速測(cè)量在工業(yè)農(nóng)業(yè)、國(guó)防中有很多應(yīng)用,如汽車(chē)、火車(chē)、輪船及飛機(jī)等行駛速度測(cè)量；發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等輸出軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量等等。其中有微積分轉(zhuǎn)換法,線速度與角速度轉(zhuǎn)換方法,時(shí)間位移方法等等,下面我所介紹的是霍爾傳感器對(duì)于速度的測(cè)量方法?；魻柺絺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)原理設(shè)計(jì)的傳感器.關(guān)鍵字：霍爾效應(yīng),霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于他的霍爾效應(yīng)顯著而得到了應(yīng)用和發(fā)展。在了解霍爾傳感器之前先了解一下什么是霍爾元件以及它的基本特性?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的,如圖1所示。圖1霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片,引出四根引線：1、1ˊ兩根引線加激勵(lì)電壓或電流,稱激勵(lì)電極；2、2ˊ引線為霍爾輸出引線,稱霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非到此金屬、瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝的。在電路中,霍爾元件一般可用兩種符號(hào)表示,如圖1〔b所示?；魻栐幕咎匦浴?額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫度升高10℃所流過(guò)的激勵(lì)電流成為額定激勵(lì)電流。以元件允許最大溫升為限定的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而線性增加,所以使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流,因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流?！?輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢(shì)對(duì)電路外部來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)電壓源,其電源阻即為輸出電阻。〔3不等位電勢(shì)及不等為電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí),若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這是測(cè)得的空載電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)。〔4寄生直流電勢(shì)再外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí),霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外,還有一直流電勢(shì),稱為寄生直流電勢(shì)?！?霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下溫度每變化1℃時(shí),霍爾電勢(shì)變化的百分率稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。他同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。霍爾傳感器測(cè)速原理：電流的測(cè)量采用磁平衡式霍爾電流傳感器傳感器可測(cè)量從直流到100kHz的交流量在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中,常需要測(cè)量和顯示有關(guān)電參量。目前大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)仍采用變壓器式電壓、電流互感器,由于互感器的非理想性,使得變比和相位測(cè)量都存在較大的誤差,常需要采用硬件或軟件的方法補(bǔ)償,從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

采用霍爾檢測(cè)技術(shù),可以克服互感器這些缺點(diǎn),能測(cè)量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號(hào),并且達(dá)到原副邊不失真?zhèn)鬟f,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)主電路回路和電子控制電路的隔離,霍爾傳感器的輸出可直接與單片機(jī)接口。

因此霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)及智能儀表中,是替代互感器的新一代產(chǎn)品。在此提出了利用霍爾傳感器對(duì)電參量特別是對(duì)高電壓、大電流的參數(shù)的測(cè)量。

l測(cè)量原理霍爾效應(yīng)原理如圖2所示,一個(gè)N型半導(dǎo)體薄片,長(zhǎng)度為L(zhǎng),寬度為S,厚度為d,在垂直于該半導(dǎo)體薄片平面的方向上,施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng),若在長(zhǎng)度方向通以電流Ic則運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的作用,正負(fù)電荷將分別沿垂直于磁場(chǎng)和電流的方向向?qū)w兩端移動(dòng),并在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)UH,這就是霍爾電動(dòng)勢(shì)<或稱之為霍爾電壓>,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妷旱拇笮H=RIB/d=KHICB,其中R為霍爾常數(shù)；KH為霍爾元件的乘積靈敏度。

2用霍爾傳感器測(cè)量電參量的原理由霍爾電壓公式可知：對(duì)于一個(gè)成型的霍爾傳感器,乘積靈敏度KH是一恒定值,則UH∝ICB,只要通過(guò)測(cè)量電路測(cè)出UH的大小,在B和IC兩個(gè)參數(shù)中,已知一個(gè),就可求出另一個(gè),因而任何可轉(zhuǎn)換成B或J的未知量均可利用霍爾元件來(lái)測(cè)量,任何轉(zhuǎn)換成B和I乘積的未知量亦可進(jìn)行測(cè)量。電參量的測(cè)量就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)的。

若控制電流IC為常數(shù),磁感應(yīng)強(qiáng)度B與被測(cè)電流成正比,就可以做成霍爾電流傳感器測(cè)電流,若磁感應(yīng)強(qiáng)度B為常數(shù),IC與被測(cè)電壓成正比,可制成電壓傳感器測(cè)電壓,利用霍爾電壓、電流傳感器可測(cè)交流電的功率因數(shù)、電功率和交流電的頻率。

圖2由UH=KICB可知：若IC為直流,產(chǎn)生磁場(chǎng)B的電流IO為交流時(shí),UH為交流；若IO亦為直流,則輸出也為直流。當(dāng)IC為交流,IO亦為直流時(shí),輸出與IC同頻率的交流且其幅值與被測(cè)直流IO大小成正比,改變被測(cè)電流IO的方向,輸出電壓UH極性隨之改變。故利用霍爾傳感器,既可對(duì)直流量進(jìn)行測(cè)量,亦可對(duì)交流量進(jìn)行測(cè)量。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3,被測(cè)量經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路和多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇,通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器送給單片機(jī),單片機(jī)采用89C51,是該系統(tǒng)的主控器,鍵盤(pán)選用2×4鍵盤(pán),用于選擇被測(cè)量的種類(lèi),采用數(shù)碼管或液晶顯示被測(cè)量的大小。

圖34電參量的測(cè)量方法1電壓、電流信號(hào)的測(cè)量電流的測(cè)量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器<亦稱為零磁通式霍爾傳感器>如圖4所示。

圖4當(dāng)被測(cè)電流IIN流過(guò)原邊回路時(shí),在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)HIN這個(gè)磁場(chǎng)被聚磁環(huán),并感應(yīng)給霍爾器件,使其有一個(gè)信號(hào)UH輸出；這一信號(hào)經(jīng)放大器A放大,輸人到功率放大器中Q1,Q2中,這時(shí)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通,從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流IO；由于此電流通過(guò)多匝繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HO與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HIN相反；因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng),使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小,最后當(dāng)IO與匝數(shù)相乘N2IO所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原邊N1IIN所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí),IO不再增加,這時(shí)霍爾器件就達(dá)到零磁通檢測(cè)作用。

這一平衡所建立的時(shí)間在1μs之,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,即原邊回路電流IIN的任何變化均會(huì)破壞這一平衡的磁場(chǎng),一旦磁場(chǎng)失去平衡,就有信號(hào)輸出,經(jīng)過(guò)放大后,立即有相應(yīng)的電流流過(guò)副邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此從宏觀上看副邊補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與原邊電流的安匝數(shù)保持相等,即N1IIN=N2IO,所以IIN=N2I2／N1<IIN為被測(cè)電流,即磁芯中初級(jí)繞組中的電流,N1為初級(jí)繞組的匝數(shù)；IO為補(bǔ)償繞組中的電流；N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)>。

由原、副邊匝數(shù)可知,只要測(cè)得補(bǔ)償線圈的電流IO,即可知道原邊電流IIN,如原邊為導(dǎo)線穿心式,則N1=l,IIN=N2IO。利用同樣的原理可進(jìn)行電壓測(cè)量,只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R1,將原邊電流IIN轉(zhuǎn)換成被測(cè)電壓UIN。即UIN=<R1+RIN>IIN=<R1+RIN>N2IO／N1,RIN為原邊繞阻的阻<一般很小不計(jì)>。對(duì)特高壓交流電壓的測(cè)量,先經(jīng)隔離變壓器降壓后,對(duì)降壓后的電壓進(jìn)行測(cè)量,然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)乘以倍數(shù),即可得被測(cè)電壓的大小。

該測(cè)量輸出信號(hào)為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點(diǎn)之間串接恰當(dāng)?shù)碾娮鑂0,并在該電阻上取電壓,就構(gòu)成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)整電路、線性放大電路、不等位補(bǔ)償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓,便于測(cè)量與顯示。

5功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測(cè)量由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知,只要準(zhǔn)確測(cè)量出U,I及電流與電壓相位差ψ,就可算出P與cosψ。采用傳統(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器進(jìn)行測(cè)量,由于互感器的非理想性,除存在變比誤差外,更主要的是存在較大的相位誤差,這就使測(cè)得的ψ值不能真實(shí)地反映負(fù)載的性質(zhì)。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉(zhuǎn)換器<如AD637>等,可以使功率及功率因數(shù)的測(cè)量精度大大提高。

此外,霍爾傳感器還可以測(cè)量從直流到100kHz的任意波形的交流量,從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉(zhuǎn)換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉(zhuǎn)換為直流量,輸出直流的大小正比于交流量的有效值,且轉(zhuǎn)換精度高,因而測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。

圖5測(cè)量原理如圖5所示,交直流電壓、電流經(jīng)霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉(zhuǎn)換后,得到與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào),再經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流<直流電不需轉(zhuǎn)換>,其大小正比于交流電的有效值,直流<或轉(zhuǎn)換后的直流>電壓經(jīng)A／D變換后送入單片機(jī),這就采集到了U,I的大小。

另外將傳感器副邊輸出的電信號(hào)U1,U2分別經(jīng)過(guò)零電平比較器1和2,當(dāng)信號(hào)由負(fù)變正,通過(guò)零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖,加到門(mén)控電路輸入端。設(shè)U1超前于U2,則前者作開(kāi)啟信號(hào),后者作關(guān)閉信號(hào)。門(mén)控電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的矩形脈沖,該脈沖一路送單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1口,單片機(jī)測(cè)出相鄰兩個(gè)矩形脈沖前沿之間的時(shí)間間隔t,即為被測(cè)信號(hào)的周期Tx<頻率fx=1／Tx>。

另一路送至與門(mén)電路,打開(kāi)計(jì)數(shù)與門(mén),在此期間,時(shí)標(biāo)信號(hào)Ts經(jīng)由與門(mén)至單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器TO口計(jì)數(shù),設(shè)計(jì)數(shù)值為N,則U1與U2相位差為△ψ=Ts／TxN×360°。經(jīng)單片機(jī)計(jì)算出功率因數(shù)cosψ,進(jìn)一步計(jì)算出有功功率P＝UIcosψ,并將測(cè)得參數(shù)U,I,P,cosψ,ψx等送顯示電路顯示。如要測(cè)三相電路的總功率,則分別測(cè)得每一相的功率,然后三相功率相加即可。此外,該系統(tǒng)也可測(cè)量無(wú)功功率和視在功率等電參數(shù)。

基于霍爾傳感器的電參量檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的線性度、精確度和良好的反應(yīng)時(shí)間。溫度漂移小,霍爾元件在-40～+45℃的溫度圍,霍爾電壓的溫度系數(shù)僅為0．03％～O．04％。

這里所