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自动检测技术,第八章 霍尔传感器,本章介绍霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及交直流霍尔电流传感器、霍尔电压传感器的原理及输出信号的换算。,8.1 霍尔元件的工作原理及特性8.2 霍尔集成电路8.3 霍尔传感器的应用,第八章 霍尔传感器 目录,一、霍尔元件的工作原理及特性,霍尔效应:半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，导电薄膜越薄，灵敏度就越高。,1、工作原理,影响霍尔电动势的因数,流入激励电流端（a、b）的电流Iab越大，电子和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的厚度为，霍尔元件中的电子浓度为n，电子的电荷量为e，则霍尔电动势EH可用下式表示：,霍尔电动势与灵敏度,式中的n、e、在薄片的尺寸、材料确定后均为常数，可令KH=1/(ne)，则上式可简化为：EH=KH IB式中：KH霍尔元件的灵敏度。由于金属材料中的电子浓度n很大，所以灵敏度KH非常小。而半导体材料中的电子浓度较小，所以灵敏度比较高。因此作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。,霍尔元件的工作原理分析,磁感应强度B为零时的情况,磁感应强度B 较大时的情况,a,b,c,d,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d 侧）偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。,c,d,a,b,d,a,b,c,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电动势为：EH=KHIB cos,结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率的交变电势。,2、霍尔元件的特性参数,A、输入电阻Ri 是指霍尔元件两激励电流端的直流电阻。数值从几十欧到几百欧。当使用电流源激励时，原件温度会升高，输入电阻会变小，从而使输入电流变大，并引起霍尔电动势变大，产生测量误差。为减小温漂，最好使用恒流源作为激励源。B、最大激励电流Im由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。,2、霍尔元件的特性参数（续）,C、灵敏度KH 是在磁场垂直于霍尔元件的测试条件下，KH=EH/(IB)，它的单位是mV/(mA*T)。D、最大磁感应强度Bm 当磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，Bm 的数般一值零点几个特斯拉（T），1Gs=10-4T。E、不等位电动势 是指在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压（E0）。F、霍尔电动势温度系数 是指在一定磁场强度和激励电流作用下，温度每变化1度时，霍尔电动势变化的百分数。,以下哪一个激励电流的数值较为妥当？8A 0.8mA 8mA 80mA,霍尔元件的等效电路,在a、b、c、d四个端点之间,等效于一个四臂电桥,霍尔元件的不等位电动势及调零,在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电动势E0，它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的。,霍尔集成电路的调零,当UGN3501M感受的磁场为零时，调节5、6、7之间的调零电位器，可使第1引脚相对于第8引脚的输出电压等于零。,二、霍尔集成电路,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,线性型三端霍尔集成电路,线性型霍尔特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。,线性范围?,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,.,Vc,开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线,开始接线,?,接线完毕,开关型霍尔集成电路的史密特输出特性,回差越大，抗振动干扰能力就越强。,当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？,三、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。这使得霍尔传感器可以有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,霍尔特斯拉计、高斯计,高斯计是测量物体于空间上一个点的静态或动态(交变)磁感应强度的仪器。物体发出的磁力线垂直穿过霍尔传感器，从而产生与被测体成正比的输出电压，由液晶板显示出磁感应强度。单位为高斯(Gs)或特斯拉(T)。T（特斯拉)1 000mT（毫特斯拉）10 000s（高斯）,测量范围：+/-19999.9Gs信噪比：0.01Gs分辨力：0.01Gs,霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。此处应采用线性霍尔传感器。,S,N,线性霍尔,磁铁,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出低电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，磁力线从上下侧通过，输出为高电平。,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,霍尔转速表的其他安装方法,只要黑色金属（导磁体）旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速脉冲。,霍尔元件,磁铁,霍尔式无触点汽车电子点火装置,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压输出电缆接头,12V低压电源输入接头,传统点火系统组成,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图,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）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,霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）,汽车电子点火电路及波形,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,a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形,霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）,当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。,当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出3050kV的高电压。,汽车电子点火装置使用的点火控制器霍尔传感器及点火总成,磁铁,点火总成,霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,霍尔式无刷电动机,采用霍尔开关来检测转子和定子之间的相对位置，经编码和逻辑换向电路，触发功率开关，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。,1定子底座 2定子铁心 3霍尔开关 4三相绕组线圈 5外转子 6转轴 7磁极,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子永磁磁极之间产生连续转矩。具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,电动自行车的无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用PWM调速,无刷电动机的结构,由定子、转子、位置传感器及换相电路组成，定子绕组多采用三相星形方式连接。,将3只(a、b、c)锁相式霍尔传感器安装在靠近转子磁极的位置。当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出翻转为低电平；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持为低电平；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出才翻转为高电平。在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形高、低电平各占50%。如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。,直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。,直流三相全控无刷电动机的控制原理图,1,光驱用的无刷电动机内部结构,霍尔式接近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,霍尔式接近开关,用霍尔IC只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。,当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，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），起限位的作用。,a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式,1运动部件 2软铁分流翼片,霍尔式接近开关用于转速测量演示,n=60f/z(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,EH=KBB=KI I,I,I,穿过铁心的磁感应强度B与被测电流I比成正。,霍尔IC的输出电动势EH与B成正比，所以也与被测电流I比成正。,其他霍尔电流传感器,霍尔钳形电流表（交直流两用）,压舌,豁口,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时示值为零。,70.9A,钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？,霍尔钳形电流表的使用（续）,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便,用钳形表测量电动机的相电流,霍尔式电流谐波分析仪,被测电流的谐波频谱,铁心的 开合缝隙,铁心的杠杆压舌,谐波分析仪将非正弦周期性电流信号按傅立叶级数展开，得到频率为基波频率整数倍的各正弦分量幅值。,闭环霍尔电流传感器的原理电路,“磁平衡式霍尔电流传感器”的铁心上绕有二次绕组，与负载电阻RS串联。霍尔电动势经放大，并转换成与被测电流IP成正比的输出电流Is。Is流经多匝的二次绕组后，在铁心中所产生的磁通与一次电流IP所产生的磁通相抵消，这样，铁心不易饱和。霍尔器件在测量中起到指示零磁通的作用，属于闭环测量,温漂较小。,霍尔电流传感器的技术指标与计算,“匝数比”：根据磁场有关定律，同一个铁心中的一次绕组与二次绕组必须有相等的安匝数，即：IPNP=ISNS，或：,NP被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取NP=1；NS为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数”开环型的霍尔电流传感器没有二次侧线圈。,霍尔电流传感器的匝数比计算,例：设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比NP/NS=1/2000，标准额定电流值IPN=300A，二次侧的负载电阻RS=30。通电后，用电流表测得二次侧电流IS=0.1A，求：输出到弱电回路的输出电压US和被测电流IP。解：1）US=RSIS=300.1A=3V 2）根据匝数比公式，被测电流IP为：,霍尔电流传感器的电流比计算,电流比定义为：,IPN被定义为“一次测线圈”的额定电流；ISN被定义为“二次侧线圈”的额定电流,例：设某型号霍尔电流传感器的额定电流比KN=IPN/ISN=300:0.3（匝数比i=NP/NS=1/1000），NP=1，“二次负载电阻”RS=30。通电后，用数字电压表测得二次输出电压US=4.5V，求：1）额定电流比IPN；2）流过RS的二次电流IS；3）被测电流IP。,霍尔电流传感器的技术指标与计算（续）,解：1）由额定电流比KN=300:0.3可知，IPN=300A；“二次侧线圈”的额定电流ISN=0.3A 2）IS=US/RS=4.5V/30=0.15A。3）根据电流比与匝数比的概念，被测电流I P为：,霍尔交直流电流表的接线,例：设某霍尔电流传感器的额定输出电流为420mA，希望在一次额定电流(例如300A)时，得到4V的输出电压，选择的负载电阻RS应为多少欧？,霍尔电流传感器的图形符号,解：RS=4V/20mA=200,磁平衡式霍尔电压传感器原理,一次电流Ii经过多匝的一次绕组之后，在铁心中产生磁场，被夹在铁心气隙中的霍尔元件检测到，并产生相应的霍尔电动势，该电动势经放大电路后，反馈到铁心上的补偿线圈，产生二次电流Im，并产生磁通，与一次电流产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通趋向于零。平衡后的二次电流Im与一次电流Ii以及被测电压Ui成正比。,磁平衡式霍尔电压传感器原理图,从上图可以看出，霍尔电压传感器的基本原理与磁平衡闭环霍尔电流传感器类似。由于霍尔电压传感器的一次绕组的匝数较多,10mA的输入电流Ii所产生的安匝数IiN1较大,也可以达到一次侧为300A1匝的电流传感器所产生的相同数量级的安匝数。,霍尔电流、电压传感器的综合应用举例,霍尔电压传感器计算举例,例：（1）设霍尔电压传感器在额定输入电压（500V）时的一次额定输入电流IiN=10mA，绕组的直流电阻暂不考虑，求：限流电阻R1的阻值？（2）设该霍尔电压传感器的额定输出电流ImN=25mA，若希望二次输出电压Um=5V，求：负载电阻Rm为多少欧？霍尔电压传感器最少需要几个引脚?,休 息,