霍尔传感器的工作原理及实际应用论.doc

工程测试技术基础论文题目：霍尔传感器的工作原理及实际应用班 级：姓 名：学 号： 指导教师：霍尔传感器的工作原理及实际运用谭振超摘要：霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m 级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。关键词：霍尔器件；霍尔效应；检测；补偿；1霍尔传感器的工作原理按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。霍尔线性电路, 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B 成比例，它的功能框图和输出特性示于图2 和图3。图 2 霍尔线性电路的功能框图图 3 霍尔线性电路UGN3501 的磁电转换特性曲线差动霍尔电路(双霍尔电路)， 它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm 的霍尔元件组成，其功能框图见图6。图 6 差动霍尔电路的工作原理图使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。由霍尔效应原理可知, 当霍尔片处于磁场中, 并在垂直于磁场的方向上通以电流时, 霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差V H= K B I输出. 当通过霍尔片的电流恒定不变时, 改变磁场的大小, 可以改变霍尔电势差V H.开关型霍尔传感器由稳压器 A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E 五部分组成, 如图1 所示. 从输入端1 输入电压 VCC, 经稳压器 A 稳压后加在硅霍尔片 B的两端, 以提供恒定不变的工作电流. 在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场, 产生霍尔电势差V H,该V H信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器 D 整形. 当磁场达到“工作点”( 即 Bop) 时, 触发器 D 输出高电压( 相对于地电位) , 使三极管E导通, 输出端V o输出低电位,此状态称为“开”.图 1开关型霍尔传感器构成当施加的磁场达到“释放点”( 即 Brp) 时, 触发器 D 输出低电压, 使三极管 E截止, 输出端 V o 输出高电位, 此状态称为“关”.这样 2 次高低电位变换, 使霍尔传感器完成了1 次开关动作. 如图 2 所示. Bop- B rp称为磁滞.在此差值内, 输出电位 Vo保持高电位或低电位不变, 因而输出稳定可靠.图 2开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系2 霍尔传感器测量的物理量及应用范围霍尔元件可以测量磁物理量及电量，还可以通过转换测量其他非电量。霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，如测量技术、无线电技术、计算机技术及自动控制技术等。具体的应用产品有高斯计在、霍尔逻盘、大电流计、功率计、调制器、位移传感器、微波功率计、频率倍增器、回转器、乘法器、磁带或磁鼓读出器以及霍尔马达等。3 开关型霍尔传感器的工程实现开关型霍尔传感器的设计方案很多, 这里提供一种工程上实用的实施方案.3. 1元件的选择与确定硅霍尔片灵敏度 K = 21. 7mV/ ( mAT ) ,工作电流的范围为 010mA, 本文将工作电流定为 4mA.选用的磁钢是直径为D-= 11. 812m m,厚度为h-= 3. 806mm 的钕铁硼.选用的施密特触发器为 CD40106( 六反相器) . 当电源电压为 VCC= 15V 时, 触发器正触发的阈值电压为 8. 3V, 负触发的阈值电压为5. 2V( 实测) .初步选定霍尔开关的“工作点”为 Bop=70mT ,此 时 磁钢 与 霍 尔 片 的 距 离 为r =4. 2m m. 根据霍尔效应原理, 当 Bop= 70mT 时,霍尔电势差为 VH= 6. 1mV. 若要使 D 触发器输出转换为高电平, 它的输入要大于 8. 3V,要将V H放大 1 360 倍以上. 由此增益推出, 若要使 D 触发器输出转换为低电平, 它的输入要小于 5. 2V, 对应的 VH 小于 3. 8mV, “释放点”为B rp= 44mT ,此时磁钢与霍尔片的距离为r =5. 4m m.硅霍尔片提供的差模直流信号V H放大后要用单端方式输出, 虽然它的差模信号只有几m V, 但是共模噪声可高达几 V, 且差模信号的放大倍数要求上千倍之高, 因此放大器减小输入漂移、噪声的能力和抑制共模信号的能力等因素对总的精度至关重要. 考虑到上述这些特点, 若采用单级放大, 一个微小的扰动都会使输出达到饱和, 而且单级放大倍数过大容易引起线路自激振荡, 同时降低频带宽度. 通过对多种方案的试验、比较, 我们认为应该采用多级放大, 本实验中采用的 2 级放大的高输入阻抗差分放大器效果最好.所设计的开关型霍尔传感器的电路如图 3所示, 其 中: A1A4 运 算放大器 全部采 用15V电源.3. 2差分放大器的设计3. 2. 1输入电阻仅使用 2 个放大器的高输入阻抗放大电路如图 3 中的虚线框( 1) 部分, 它是 2 个同相放大器的简单串联组合, 差动输入信号从 2 个放大器的同相端送入, 从而获得很高的输入电阻. 根据运算放大器的理论知识, 由图 3 不难看出, 差动输入电阻几乎就是 2个运算放大器的共模输入电阻之和. 当 A1, A2 的共模输入电阻 rC相等时, 本电路的差动输入电阻可表示为r id2rC ( 1)共模输入电阻为r iC 12rC ( 2) 3.2差分放大电路的增益图 3开关型霍尔传感器电路图设V P = 0,图 3中的A2是同相比例运算放大器, 它的输出电压为(3)A1 是双端输入比例运算放大器, 它的输出电压为因为在实际应用中, 输入端除了差动输入电压VH外, 还有共模输入电压V iC, 因此输入端的信号可以表示为 把( 5) 式代入( 4) 式整理后得为了使共模增益为零, 显然, 电路的外部回路电阻应按下式匹配 (7)可选择R 5= R 6, R 4= R7, R2= R3.这样理想的差分放大电路增益为在实验过程中发现, 各类差动放大电路都有零位输出, 且很难通过运放本身调零, 这就影响了实验的准确性. 因此为第 1级放大电路设计了外部调零线路, 如图 3 的虚线框( 2) 部分.在进行外部调零时, Vi1, V i2均为零. 当电位计 P1的中点滑到A 点时, 有滑到B点时, 有设计要求R 8= R10, R9= R11,则V B = - V A .这样电位计P1上的电压V P可在V B与V A之间调节. 当输入V i1, V i2为零时, 通过调节P 1,使得V o1= 0.甚至如果只要求输入为零时, 使V o4= 0也可以达到.电路中运放采用的是双电源制, 这样, 对钕铁硼的极性不做要求时, 对应的差动放大器的输出就可以为正或负. 因此, 第 2 级放大采用的是绝对值电路, 如图 3 的虚线框( 3) 部分, 设计要求R 12= R 13= R14= 2R 16= R .当V o1 0时,D2导通, 有这样, 无论钕铁硼的 N 极还是 S 极与霍尔片相对, 第 2 级运放均输出正电压, 以便控制D触发器和OC门的正常工作. 其增益为A 2=R /17R.4结果与分析通过选配电阻, 再经过外部调零, 使得第 1级的放大倍数为A 1= 342,第2 级的放大倍数为A 2= 4,总的放大倍数为A = A 1*A 2= 1 368.在不同外部条件下进行测量, 其稳定性高, 与理论值符合性好, 输出的高、低电位转换点可靠, 稳定。该设计线路的优越性在于:1) 由 2 个运放组成的差动放大电路的精度高, 且与由 3 个运放组成的差动放大电路相比,性价比较好;2) 可靠的外部调零线路保证了输出的准确性;3) 绝对值放大电路使得测量时不需要进行磁极判断.通过本实验的设计与完成, 使学生进一步了解了物理原理在其他领域的应用, 同时也看到将理论应用到工程实践中去, 还需要具备很多其他学科的知识, 还需要在工程实践中不断总结经验.5某一霍尔传感器技术指标及参考价格、生产厂家M18-HR-10K霍尔传感器价格92元上海新创电气厂技术参数：1.工作电压：5-24VDC2.消耗电流：≤25mA3.动作距离：≤3mm4.输出方式：PNP5.输出信号：脉冲信号6.负载电流：≤200mA7.响应频率：≤10KHz8.信号线：三线制9.引线长度：1米10.环境温度：-15-7511.外形：圆柱形12.安装方式：螺丝安装13.外形规格：M18*7014.外壳材料：镍铜合金15.防护等级：IP6716.接线图：17.信号图示:6霍尔传感器的优缺点及改进措施优点：1、灵敏度较高，2、体积很小，便于制成特殊规格的探头，例如只有零点几毫米厚的磁场强度仪缺点及改进措施：1、互换性差，信号随温度变化，非线性输出，最好用单片机进行非线性和温度校正。2、使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。3、霍尔传感器都具有较强的抗外磁场干扰能力，但是，为了获得较高的测量准确度，当有较强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有：调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小；在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩