霍尔传感器及其应用.ppt
霍尔传感器及其应用,姓名：陆鸣超学号：13721206导师：苗中华,目录,一、霍尔传感器的结构和工作原理二、霍尔传感器的分类及应用三、霍尔传感器在测试系统中的一个举例,介绍,将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上称之为集成霍尔传感器(简称霍尔传感器)。它是磁敏传感器最常见的一种,具有感受磁场的独特能力,电路结构简单、噪声小、体积小、动态范围大、频率范围宽、寿命长等优点。可以用磁场作为被检测信息的载体,在测量技术中,将位移、力、加速度、角度、角速度、转速等非电、非磁物理量转换为电量。,1、霍尔传感器工作原理,依据原理：霍尔效应,霍尔效应原理：把一个长度为L，宽度为b,厚度为d的导体或者半导体薄片两端通过控制电流I，在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，在薄片的两外两侧就会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势U。,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力fL的作用，向内侧偏移，在半导体薄片C、D方向的端面之间建立起感应电动势。fL=evB,图2 霍尔效应原理图,感应电动势U在半导体膜上产生电场，于是电子在受到电场力fE的作用，方向与洛伦兹力相反。fE=eU/b,图3 霍尔效应原理图,当洛伦兹力和电场力大小相等的时候就达到了平衡即：fL+fE=0。于是就产生了霍尔电势EH。设通过半导体的电流I为:I=-envbd（n为单位体积的载流子数量）则：EH=IB/end=SHIB SH灵敏度系数,图4 霍尔效应原理图,霍尔元件材料为什么必须用半导体材料？用金属材料可以么？,霍尔元件材料为什么必须用薄片？用厚片可以么？,EH=IB/end=SHIB 可见，元件厚度越小，输出电压也越大。霍尔系数:SH=1/(n*q)式中,n为载流子密度,一般金属中载流子密度很大,所以金属材料的霍尔系数系数很小,霍尔效应不明显;,1.1、霍尔传感器材料,图5 实物图符号和测量电路,1锗(Ge)，N型及P型均可。2硅(Si)N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。,1.2、霍尔传感器的主要技术指标,（1）额定激励电流（2）灵敏度（3）输入电阻和输出电阻（4）不等位电动势和不等位电阻（5）寄生直流电势（6）热阻（7）最大磁感应强度BM,1.2.1、不等位电势,概念：当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，称为不等位电势。出现的原因：霍尔电极安装不对称半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀控制电极接触不良造成的电流不均匀分布,不等位电势的解决方案：,图6 不等位电势的补偿电路,把霍尔元件等效为一个电桥,所有能使电桥达到平衡的方法都可以用来补偿不等位电阻,1.2.2、温度补偿,产生原因：霍尔元件是半导体材料制作的元件，因此，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度、电阻率都会有变化，导致霍尔系数灵敏度和输入输出电阻的变化。,1.2.2、温度补偿,采用恒流源与输入回路并联电阻。如图所示：,图7 温度补偿电路,2、霍尔传感器分类,霍尔集成传感器分为线性型和开关型两大类。,1、线性型霍尔集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性关系。而且在0.15T范围内有较好的线性。因此可广泛应用在测量、自动控制等领域。,图8 线性霍尔传感器特性,较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。目前,普及型录音机一般都没有全自动停机装置。这样,在录音机快进、快退完毕或轧带时电机还会继续运转,很容易损坏,并会对其运转部分造成较大磨损。为解决这个问题,可采用UGN3501T来进行全自动停机控制。,图9 UGN3501实物图和录音机全自动停机装置,2、开关型霍尔传感器,当外加的磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bnp以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点Brp时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bnp与Brp之间的滞后使开关动作更为可靠。,Bnp,Brp,图10 开关型霍尔传感器特性,较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。,图11 3020外形和结构图,在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。,图12 开关型霍尔传感器应用,2、霍尔传感器的应用,霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即 EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。,常见霍尔传感器应用,霍尔传感器,霍尔特斯拉计,霍尔接式近开关,采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。,a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）,a）原理图 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形1点火开关 2达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧 4点火线圈铁心 5点火线圈高压侧 6分火头 7火花塞,位移测量原理图,磁铁中心位置磁场强度为零,磁场分布越均匀输出线性越好,比较适用于小位移的机械振动,压力传感器原理图,弹性元件,收到不同的压力产生不同的位移,霍尔元件在磁场中移动使霍尔电势变化,3、霍尔测速计,霍尔传感器可以测量的物理参数有磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。在电机控制系统中,测速电路是其中具有代表性的实例之一。本实验系统采用博世力士乐传感实验装置,主要由传感器实验台、直流稳压电源、传感器、直流电机和信号处理电路模块组成。,3.1、框图设计,根据霍尔传感器的工作原理,设计一个路程测试电路,通过信号拾取、低通滤波电路、单片机信号处理、显示输出等单元电路实现其功能,采用数字示波器进行输出信号的动态观察和测量。该测试系统的结构框图如图13所示。,图13 霍尔传感器设计性电路框图,3.2、工作原理,信号拾取,信号处理,信号显示,旋转设备转动速度的数字检测基本方法是利用与该设备同轴连接的霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。,3.2.1、信号拾取电路,其拾取过程大致是这样的：信号盘有24个齿，当信号盘随电机转轴旋转时，信号盘的每个齿经过HZL201探头正前方时产生感应，探头就输出一个标准的脉冲信号。对该信号盘而言，每24个脉冲对应电机的1个工作循环。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低，可由单片机进行测量并换算为转速。,图14 信号盘结构和检测信号图,3.2.2、信号处理电路,通过三极管和反相器调理成一个可以满足单片机输入脉冲的方波脉冲信号。,反相器,图15 信号处理电路,三极管整形电路,测速的计算公式：根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有1：M法(测频率法)、T法(测周期法)和M/T法(频率/周期法)M法:在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。（缺点：起止时间具有随机性）T法:它是测量霍尔传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。M/T法。它是同时测量检测时间和在此检测时间内霍尔传感器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。(缺点：它的实时性差),T法实际上是对计时器进行计数，相对于 M 法对脉冲进行计数，该方法有着较高的精度。另外 T 法对每个转速脉冲都进行了转速的计算，最大限度地利用了传感器所提供的转速信息，能实时地反映转速的变化过程。综合考虑文中系统采用了测周期法(T 法)。,单片机信号处理,信号处理电路输出端与 AT89C52 单片机的 INT1引脚相连，由 INT1 引脚接收转速脉冲信号，进而控制单片机内部定时计数器 T1 的启动和停止。当INT1 低电平时启动计数，高电平时停止计数。此时计数器中记得的数值m 为12分频时钟的周期数。该装置采用 T 法测速，因此转速测量公式为n=60f/zm。其中f 为AT89C52的内部时钟脉冲频率，m 为单片机响应中断从计数器 T1 读出的计数值。60代表每分钟的转速。z为齿轮信号盘每转输出的脉冲个数。,3.2.3、信号显示电路,由 AT89C52单片机和 LED 显示器组成,单片机的I/O口线数据采用串行输入并行输出,LED显示器采用共阳极接法。,图16 信号显示电路,图17 单片机和74LS164接法,串行输入并行输出,3.3、数据仿真,示波器检测,可以得出传感器的输出电压与车轮的转速有关,如表2所示。,结语,转速检测装置选用集成霍尔齿轮传感器采集转速信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器输出的信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测控，具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便和节省空间等特点，尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下，该测量方法有明显的优势。而对于该装置使用的 T 法测速方式，它的误差率与时钟脉冲个数成反比，从而能实时地反映电机转速的变化过程。最好采用串行口扩展的 LED 显示接口电路可以在线调整 LED 发光的亮度，获得视觉与功耗的最佳效果。,
