霍尔式传感器资料

第五章磁电式传感器本章要点:1.磁电感应式传感器的原理和应用2.霍尔传感器(特别是集成霍尔器件)的原理、设计方法和正确使用第一节磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。建立在电磁感应基础上，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势e=BNlv。应用于测振动速度、转速、扭矩等。以磁电式速度传感器为例，一种是绕组与壳体连接，磁钢用弹性元件支承，另一种是磁钢与壳体连接，绕组用弹性元件支承。第二节霍尔式传感器霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。目前，该类传感器主要是霍尔集成电路，所用的核心单元基于霍尔效应，利用集成电路技术制成。所以它既是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。一、霍尔效应IBkd/IBRUHHH实验证明：霍尔电势RH—霍尔系数，与薄片的材料有关；kH—灵敏度系数，kH=RH/d，d越薄，kH越大。（薄1m）cosIBkUHHB与薄片法线成角，则金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔效应演示cdab霍尔效应长方向：控制电流端引线红控制电流极（或激励电极）另两侧中点：霍尔输出引线绿霍尔电极二、霍尔元件及应用1.霍尔元件：基于霍尔效应原理工作的半导体器件。a.霍尔元件为矩形半导体单晶片（420.1mm3)H常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料。电路符号：c.壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。b.四根引线2.电磁特性a.UH-I特性：磁场B恒定，控制电流I与霍尔输出电势UH之间呈线性关系。b.UH-B特性：控制电流I恒定，霍尔元件的开路霍尔电势随磁感应强度增加并不完全呈线性关系。c.R-B特性：磁阻效应：霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象（增大）。3.霍尔元件的零位误差(不等位电势和寄生直流电势)、温度误差及补偿4.应用（一）霍尔式位移传感器（二）霍尔式加速度传感器MSNNSa（三）霍尔式压力传感器测量铁心气隙的B值霍尔元件霍尔传感器用于测量磁场强度三、霍尔集成电路的分类和结构金属的霍尔系数远远小于半导体材料，但就是比较大的霍尔电势材料如砷化铟，其数值一般也只能达到几十毫伏，为此用集成电路技术将霍尔元件、放大电路或开关电路等集成在一个半导体基片上，做成线性或开关型电路。按输出功能可分开关型和线性霍尔电路。1.霍尔开关集成电路它是利用集成电路技术在同一硅基片上集成稳压电路、霍尔元件、放大电路、整形电路和开关电路。其基本功能是将磁输入信号转换成开关信号形式输出。电源霍尔元件放大整形输出地123VTVcc工作过程：当磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压UH，经放大器放大后，送至施密特（触发器）整形电路，实现开关两种状态。一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。实际的霍尔开关输出与输入磁场的关系有两种情况：单向磁场工作型（也叫单稳开关型）：当外加磁感应强度达到器件的导通磁场时，开关接通，磁场消失后，器件关断。双向磁场工作型（也叫双稳态开关型、锁键型）：当外加磁场使其导通后，去掉磁场仍然保持导通态，只有当施加反极性磁场达到一定数值后才能关断。其主要是由内部施密特触发器是单稳型还是双稳型决定的。OFFONBVout(V)0BRPBOPBHVoutBBH02.霍尔线性集成电路其输出电压随外加磁场的变化而连续地、线性地变化。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。3稳压21地VccVouta.单端输出单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。8稳压435输出输出6地Vcc17b.双端输出3.封装外形以封装材料分为塑料封装和陶瓷封装两种。以外形分为扁平单列式和双列直插式两种。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。4.霍尔集成电路特性(1)开关型的工作特性BOP为导通点（或工作点），BRP为释放点，BH=BOP-BRP为磁滞。BOP越小，则灵敏度越高。BH越大，抗干扰愈强。上限频率通常为100kHz。OFFONBVout(V)0BRPBOPBHVoutBBH0VoutB(T)(2)线性霍尔电路的磁电特性为一斜线，磁场绝对值过大时，曲线趋于平坦，表明此时，霍尔电路已脱离线性区。四、霍尔开关电路的应用（一）器件介绍1.器件型号美国SPR公司生产的：UGN(S)3017T,3020T,3030T,3075T上海半导体器件16厂生产的：SLN(S)3019,3020,3030,3075日本松下公司生产的：DN835,839,6837,6839南京半导体总厂相应的：CS835,839,6837,68392.接线形式（以3019为例）比三极管还小，还薄。开关标志面为敏感面。即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁钢的N极面。3020BOP=220GSBRP=165GSVcc=4.5~24VDC最大灌电流25mACS6837BOP=350~750GSBRP=100GSVcc=4.5~9VDC最大灌电流12mA3019BOP=300~480GSBRP=150~420GSBH=120GS132VccV0UGN(S)3019T123（二）应用做为一种新型接近开关，取代各种电子式接近开关，如机械运动限位器、无触点开关、压力开关、湿度开关、转速表、远传压力表、智能电机、键盘等。1.霍尔电路转速表低转速或每分钟5万转的情况下均可使用(a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等.软铁分流翼片开关型霍尔ICn=60f4(r/min)转速测量演示2、霍尔式接近开关在右图中，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，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。2.霍尔汽车点火器(上海桑塔纳轿车)3.无触点开关4.阀位传感器它是安装在各种电动或气动阀门上的传感器，用来测量各种阀门的开关状态，是目前一些大中型化工企业急需的电子产品。5.位置传感器或行程开关广泛应用于无刷直流电机，活塞位置，齿轮位置，齿轮转速，阀门位置，磁盘速度，磁带转速，流速感应，速度感应等领域6.机械运动方向传感器（即辩向电路）只不过用霍尔开关取信号。7.机械运动时间传感器（或叫快慢传感器）8.新型机器人(三)注意事项1.为了保证霍尔开关可靠工作，外加磁场应足够强。在考虑到温度变化和器件参数离散性等因素的影响，磁感应强度应比BOP的最大值再增加20%~30%。2.施加磁场的方式有两种。可用靠近式。也可霍尔元件和磁场都固定，在被测物上固定一块小铁片，当铁片运动到磁钢与霍尔电路之间时，将磁力线短路。3.安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着磁钢的相对极。即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁钢的N极面。4.安装时以免损坏，焊接温度也不要太高。五、线性霍尔电路的应用CS853，CS6835，CS131是南京半导体器件总厂生产的三种线性霍尔效应集成电路，其磁电转换灵敏度在10mV/GS左右，输出电压动态范围在0.5V~3.2V之间，工作磁场范围±350GS，CS853是两端共轭输出方式，而CS6835和CS131则是单端输出，CS131电路具有输出电位调节功能，而CS853输出线性好，可广泛用于位置传感器、非接触测距、无刷马达、功率电为器、互感器、高斯计等。1.直流功率测量仪如果在霍尔元件控制电流端通入的电流为Ic=K1I，K1为一比例系数，I为通过负载RL的电流。而用一比例于负载RL电压降V的电压Vm来激励磁场，即B=K2Vm=K2V，则霍尔元件的输出电压为指示仪表一般采用有功率刻度的伏特表。PKIVKKdRdBIRV21HcHH2.测电流在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有时直流电流值高达10kA以上。用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。a.导线旁路法b.导线贯串磁芯法c.磁芯绕线法铁心线性霍尔IC霍尔电流传感器霍尔钳形电流表70.9A3.无触点电位器一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信号，而且寿命不长。使用磁敏元件制作的无触点电位器可克服上述缺点。其中磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线性集成传感器。4.霍尔元件在磁性材料研究上的应用在磁性材料特性研究中，往往需要复杂的过程才能得到B—H曲线或磁场分布图。而使用霍尔元件来研究磁性材料的特性则是极为方便的。测量铁心气隙的B值霍尔元件霍尔传感器用于测量磁场强度*5.海洋用霍尔罗盘地球上每个地方的地磁场都有固定的方向和大小。线性霍尔元件可以检测地磁场的大小和方向。因此，线性霍尔元件可用来制作电子罗盘，也可根据实际需要制作指南针或指北针。*6.超低频正弦（或余弦）发生器在自动控制仪表中应用超低频信号发生器。常见的RC或LC振荡器虽然也能产生正弦波，但频率越低越难获得。例如，对于低于10-4Hz的频率，是不可能用RC或LC振荡器获得。但利用霍尔器件和磁敏二、三极管输出电压正比于Bcos的关系，就能方便地制造出超低频信号发生器。霍尔器件放在可旋转的马蹄形磁钢中间，其磁钢间隙为4mm，在空隙中可得到0.2T左右的磁感应强度。cosVHa.sin2及cos2发生器两霍尔器件互成直角地放在一个可旋转的恒定磁场中，其中之一通以控制电流I，输出电压为VH1=kHIcos，如果把该输出电压放大后加至另一个霍尔器件的控制电流端，则第二个霍尔输出电压为VH2sincos，因此VH2sin2。如果两个霍尔器件互相平行安置，则输出为VH2coscos，即VH2cos2b.tg及sec发生器两个霍尔器件互成直角的放置在同一恒定磁场中，在霍尔器件1上通过的控制电流I1。如果把两霍尔器件输出串联后的差值进行放大，并作为霍尔器件2的控制电流I2，则当线路平衡时，有K（VH1-VH2）=I2，K为放大倍数，而VH1=kH1I1Bsin，VH2=kH2I2Bcos当K足够大时，有cosBkK1sinBIkI2H11H2tgIcosksinIkI12H11H2Thanks！