第八章 霍爾傳感器

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程授課教案PAGEPAGE1第八章霍爾傳感器課題：霍爾傳感器的原理及應(yīng)用課時(shí)安排：2課次編號(hào)：12教材分析難點(diǎn)開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的特性重點(diǎn)霍爾傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1.了解霍爾傳感器的工作原理；2.了解霍爾集成電路的分類；3.掌握線性型和開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的特性；4.掌握霍爾傳感器的應(yīng)用；5.掌握霍爾式電流傳感器的計(jì)算。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂互動(dòng)、分析教具：各種霍爾元件、霍爾傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示1：購(gòu)買霍爾接近開(kāi)關(guān)。將小型蜂鳴器的負(fù)極接到霍爾接近開(kāi)關(guān)的OC門輸出端，正極接Vcc端。在沒(méi)有磁鐵靠近時(shí)，OC門截止，蜂鳴器不響。當(dāng)磁鐵靠近到一定距離（例如3mm）時(shí)，OC門導(dǎo)通，蜂鳴器響。將磁鐵逐漸遠(yuǎn)離霍爾接近開(kāi)關(guān)到一定距離（例如5mm）時(shí)，OC門再次截止，蜂鳴器停響。提示：需要分辨磁鐵的S極和N極。其中的一個(gè)磁極對(duì)霍爾式接近開(kāi)關(guān)是不起作用的。演示2：購(gòu)買10A霍爾式鉗形電流表。將一根導(dǎo)線穿過(guò)10A霍爾式鉗形電流表的鐵芯，將一個(gè)1號(hào)電池短暫短路一下，使得導(dǎo)線中，有1A左右的短路電流，觀察霍爾式鉗形電流表的輸出電壓（見(jiàn)液晶屏的示值）的變化。一號(hào)電池的短路電流與導(dǎo)線的長(zhǎng)度、粗細(xì)有關(guān)。導(dǎo)線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越細(xì)，輸入電流就越小，液晶屏的示值也越小。用霍爾式鉗形電流表或霍爾電流傳感器測(cè)量1.5V一號(hào)電池的短路電流示意圖從以上演示，引入第一節(jié)霍爾效應(yīng)、霍爾元件的工作原理。第一節(jié)霍爾元件的工作原理及特性一、工作原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器（HallTransducer）。圖8-1霍爾元件示意圖a）霍爾效應(yīng)原理圖b）薄膜型霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖c）圖形符號(hào)d）外形霍爾屬于四端元件：其中一對(duì)（即a、b端）稱為激勵(lì)電流端，另外一對(duì)（即c、d端）稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端，c、d端一般應(yīng)處于側(cè)面的中點(diǎn)。由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也就越高?；魻栯妱?dòng)勢(shì)EH可用下式表示EH=KHIB（8-1）式中KH——霍爾元件的靈敏度。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θ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（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcosθ，這時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)為EH=KHIBcosθ（8-2）從式（8-2）可知，霍爾電動(dòng)勢(shì)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)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電動(dòng)勢(shì)為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹(shù)脂等制造。二、主要特性參數(shù)（1）輸入電阻Ri恒流源作為激勵(lì)源的原因：霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流Iab變大，最終引起霍爾電動(dòng)勢(shì)變大。使用恒流源可以穩(wěn)定霍爾原件的激勵(lì)電流。（2）輸出電阻Ro兩個(gè)霍爾電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數(shù)值與輸入電阻同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電勢(shì)的漂移減至最小。（3）最大激勵(lì)電流Im激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。提問(wèn)：霍爾原件的最大激勵(lì)電流Im為宜。A．0mAB．±0.1mAC．±10mAD．100mA（5）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)Bm時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，Bm的數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。提問(wèn)：為保證測(cè)量精度，圖8-3中的線性霍爾IC的磁感應(yīng)強(qiáng)度不宜超過(guò)為宜。A．0TB．±0.10TC．±0.15TD．±100Gs第二節(jié)霍爾集成電路霍爾集成電路（又稱霍爾IC）的優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對(duì)電源穩(wěn)定性要求低等。霍爾集成電路的分類：線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類。1.線性型的內(nèi)部電路：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(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。圖8-2線性型霍爾集成電路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖圖8-3線性型霍爾集成電路輸出特性具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件UGN3501M感受的磁場(chǎng)為零時(shí)，第一腳相對(duì)于第八腳的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)3501M的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)為反向時(shí)，輸出為負(fù)。它的第5、6、7腳外接一只微調(diào)電位器后，就可以微調(diào)并消除不等位電勢(shì)引起的差動(dòng)輸出零點(diǎn)漂移。如果要將第1、8端輸出電壓轉(zhuǎn)換成單端輸出，就必須將1、8端接到差動(dòng)減法放大器的正負(fù)輸入端上，才能消除第1、8端對(duì)地的共模干擾電壓影響。圖8-4差動(dòng)輸出線性霍爾集成電路外形及電路框圖圖8-5差動(dòng)輸出線性霍爾集成電路輸出特性2.開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的內(nèi)部電路霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開(kāi)路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)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(chǎng)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。圖8-6開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖圖8-7開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性注：1特斯拉（T）＝104高斯（Gs）提問(wèn)：磁鐵從遠(yuǎn)到近，逐漸靠近圖8-5所示的開(kāi)關(guān)型霍爾IC，問(wèn)，多少高斯時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)？成為什么電平？表8-1具有史密特特性的OC門輸出狀態(tài)與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化之間的關(guān)系B/TOC門輸出狀態(tài)OC門接法磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化方向及數(shù)值00.020.0230.030.020.0160接上拉電阻RL高電平①高電平②低電平低電平低電平③高電平高電平不接上拉電阻RL高阻態(tài)高阻態(tài)低電平低電平低電平高阻態(tài)高阻態(tài)①：OC門輸出的高電平電壓由VCC決定；②、③：OC門的遲滯區(qū)輸出狀態(tài)必須視B的變化方向而定.第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電動(dòng)勢(shì)是關(guān)于I、B、θ三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcosθ，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，三個(gè)變量的多種組合等。1）維持I、θ不變，則EH=f(B），這方面的應(yīng)用有：測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾角編碼器以及基于微小位移測(cè)量原理的霍爾加速度計(jì)、微壓力計(jì)等。2）維持I、B不變，則EH=f(θ），這方面的應(yīng)用有角位移測(cè)量?jī)x等。3）維持θ不變，則EH=f(IB），即傳感器的輸出EH與I、B的乘積成正比，這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾功率計(jì)、電能表等。一、霍爾式特斯拉計(jì)特斯拉計(jì)（又稱高斯計(jì)）用于測(cè)量和顯示被測(cè)量物體在空間上一個(gè)點(diǎn)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)（交變）磁感應(yīng)強(qiáng)度。由霍爾探頭和放大器、顯示器、計(jì)算機(jī)通信接口等構(gòu)成。測(cè)量結(jié)果可換算為單位面積平均磁通密度、磁能積、矯頑力、剩余磁通密度、剩余磁化強(qiáng)度和氣隙磁場(chǎng)等，能夠判別磁場(chǎng)的方向。在使用中，霍爾探頭被放置于被測(cè)磁場(chǎng)中，磁力線的垂直分量穿過(guò)霍爾元件的測(cè)量平面，從而產(chǎn)生與被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的霍爾電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)設(shè)置的轉(zhuǎn)換系數(shù)，由液晶板顯示出B值。在SI單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是特斯拉，在CGS單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是高斯，特斯拉與高斯的換算倍數(shù)為1T=10000Gs。特斯拉計(jì)的讀數(shù)以“毫特斯拉”以及“千高斯”為單位，可以相互切換。當(dāng)感受的磁場(chǎng)為反向（磁鐵的N極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為負(fù)，見(jiàn)圖8-8所示的液晶屏。圖8-8霍爾式特斯拉計(jì)的結(jié)構(gòu)與使用示意圖補(bǔ)充資料：角位移測(cè)量?jī)x霍爾器件與被測(cè)物連動(dòng)，而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，于是霍爾電動(dòng)勢(shì)EH就反映了轉(zhuǎn)角θ的變化。角位移測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖1－極靴2－霍爾器件3－勵(lì)磁線圈發(fā)散性思考：將圖8-8的鐵芯氣隙減小到夾緊霍爾IC的厚度。則B正比于Ui，霍爾IC的Uo正比于B，可以改造為霍爾電壓傳感器。與交流互感器不同的是：可以測(cè)量直流電壓。二、霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)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(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式見(jiàn)式（4-4）：圖8-9霍爾轉(zhuǎn)速表1－磁鐵2－霍爾器件3－齒盤(pán)三、霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)使用換向器來(lái)改變轉(zhuǎn)子（或定子）的電樞電流的方向，以維持電動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?；魻柺綗o(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置。其輸出信號(hào)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)。圖8-10霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1－定子底座2－定子鐵心3－霍爾元件4－繞組5－外轉(zhuǎn)子6－轉(zhuǎn)軸7－磁極提問(wèn)：①無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是否還產(chǎn)生電火花？為什么？②有無(wú)電刷磨損問(wèn)題？③可以在上面電器中得到應(yīng)用？四、霍爾接近開(kāi)關(guān)在第四章里，曾介紹過(guò)接近開(kāi)關(guān)的基本概念?；魻柦咏_(kāi)關(guān)只能用于鐵磁材料，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。在圖8-11b中，磁極的軸線與霍爾接近開(kāi)關(guān)的軸線在同一直線上。當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾接近開(kāi)關(guān)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)（否則將撞壞霍爾接近開(kāi)關(guān)）起到限位的作用。圖8-11霍爾接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用示意圖a）外形b）接近式c）滑過(guò)式d）分流翼片式1－運(yùn)動(dòng)部件2－軟鐵分流翼片提問(wèn)：b）接近式c）滑過(guò)式哪一種不易損壞？為什么？在圖8-11d中，磁鐵和霍爾接近開(kāi)關(guān)保持一定的間隙、均固定不動(dòng)。軟鐵制作的分流翼片與運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)動(dòng)。當(dāng)它移動(dòng)到磁鐵與霍爾接近開(kāi)關(guān)之間時(shí)，磁力線被屏蔽（分流），無(wú)法到達(dá)霍爾接近開(kāi)關(guān)，所以此時(shí)霍爾接近開(kāi)關(guān)輸出跳變?yōu)楦唠娖?。改變分流翼片的寬度可以改變霍爾接近開(kāi)關(guān)的高電平與低電平的占空比。發(fā)生性思維：電梯“平層”如何利用分流翼片的原理？霍爾傳感器的其他用途：霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、霍爾電能表、霍爾高斯計(jì)、霍爾液位計(jì)、霍爾加速度計(jì)等。五、霍爾電流傳感器能夠測(cè)量直流電流，弱電回路與主回路隔離，容易與計(jì)算機(jī)及二次儀表接口，響應(yīng)時(shí)間快、頻帶寬，“二次側(cè)”不易產(chǎn)生過(guò)電壓等。（1）工作原理用一環(huán)形（有時(shí)也可以是方形）導(dǎo)磁材料做鐵心，套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線（也稱電流母線）上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集在鐵心中。在鐵心上切割出與霍爾傳感器厚度相等的氣隙，將霍爾線性IC緊緊地夾在氣隙中央。電流母線通電后，磁力線就集中通過(guò)鐵心中的霍爾IC，霍爾IC就輸出與被測(cè)電流成正比的輸出電壓或電流。圖8-12磁強(qiáng)計(jì)式霍爾電流傳感器原理及外形a）基本原理b）外形1－被測(cè)電流母線2－鐵心3－線性霍爾IC（2）技術(shù)指標(biāo)及換算霍爾電流傳感器可以測(cè)量高達(dá)20kA的電流；電流的波形可以是高達(dá)100kHz的正弦波和電工技術(shù)較難測(cè)量的中頻窄脈沖，響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到1μs。一次電流和二次電流：在工程中，霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)套用交流電流互感器的技術(shù)指標(biāo)：將被測(cè)電流稱為一次電流IP；將霍爾電流傳感器的輸出電流稱為“二次電流”IS（簡(jiǎn)單的“”霍爾傳感器中并不一定存在二次繞組）。霍爾電流傳感器的額定電流比KN=IPN/ISN。霍爾電流傳感器中，IS一般被設(shè)置為較小的數(shù)值，4~20mA、10mA或500mA以下的電流。又套用交流電流互感器的“匝數(shù)比”和“電流比”的概念來(lái)定義NP/NS和IS/IP。在霍爾電流傳感器中，NP被定義為“一次繞組”的匝數(shù)，一般NP=1匝；NS為廠商所設(shè)定的二次繞組的匝數(shù)，匝數(shù)比i=NP/NS，額定電流比為KN=IPN/ISN。根據(jù)磁場(chǎng)有關(guān)定律，同一個(gè)鐵心中的一次繞組與二次繞組必須有相等的安匝數(shù)，即：IPNP=ISNS，或（8-3）依據(jù)霍爾電流傳感器的額定技術(shù)參數(shù)和輸出電流IS、匝數(shù)比、額定電流比以及式（8-3），可以計(jì)算得到被測(cè)電流IP。如果將一只負(fù)載電阻（有時(shí)也稱為取樣電阻）RS串聯(lián)在霍爾電流傳感器二次繞組的輸出電流端和公共參考端之間，就可以在取樣電阻兩端得到一個(gè)與一次電流（被測(cè)電流）成正比的、大小為幾伏的電壓信號(hào)（可參見(jiàn)圖8-20或13-30），所以可以將二次輸出電壓直接接到計(jì)算機(jī)電路?！按牌胶馐交魻栯娏鱾鞲衅鳌保涸撾娏鱾鞲衅鞯蔫F心上繞有二次繞組，二次繞組與負(fù)載電阻RS串聯(lián)。霍爾電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大，并轉(zhuǎn)換成與被測(cè)電流IP成正比的輸出電流Is。Is流經(jīng)多匝的二次繞組后，在鐵心中所產(chǎn)生的磁通與一次電流IP所產(chǎn)生的磁通相抵消，所以鐵心不易飽和?；魻柶骷跍y(cè)量中的作用：起到