第5章_霍尔式传感器

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、霍尔效应实验证明： 霍尔电势霍尔电势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 1m）B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（ 420.1mm3)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（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1 23VTVcc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)0 BRP BOPBHVoutBBH02.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)0 BRP BOPBHVoutBBH0VoutB(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=4.524VDC最大灌电流 25mACS6837BOP=350750GSBRP=100GSVcc=4.59VDC最大灌电流 12mA3019BOP=300480GSBRP=150420GSBH=120GS132VccV0UGN(S)3019T1 2 3（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 IC n= 60 f4(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0.5V3.2V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