传感器原理-速度传感器(磁电霍尔)

速度测量概述1、转速测量中主要考虑的问题1）被测物体运动的速度范围超低速 (0.10 2.00r/min)低速 (0.5 500r/min)中高速中高速 (20 20000r/min)高速 (500 200000r/min)超高速 (500 600000r/min)全速 (0.10 600000r/min)适用的测速传感器较多2）被测物体可测点几何形状例：光轴、齿轮、叶片、带孔、带槽、带销、微型电机3）环境条件4）动态 /静态时的显示、记录、控制5）误差、响应时间、输出控制形式2、转速测量的分类及实现方案根据传感器安装方式：1接触式2非接触式根据传感器不同：1磁电2光电3霍尔4磁敏传 感器 测 量范 围 （ kHz）感 应对 象 检测 距离（mm）应 用 场 合磁敏 传 感器 0 10 铁 、 电 工 钢 0.5 1.5 速度、位移磁 电传 感器50 5000 电 工 钢 0.5 1 速度霍 尔 传 感器 0 10 磁 铁 1 5 速度、位移光 电传 感器0 10 自然光、 红 外光1 15 速度、位移接近开关 0 200Hz 金属 1 5 速度、位移3、转速测量电路1）转速测量仪的基本组成：2）转速测量基本方法定数采样 ：这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做 测周法 。 定时采样 。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做 测频法 。频率 电压转换 (f/V)频率 转速N=f/分频数4、转速传感器的选择原则 测量环境 价格 测量范围 可靠性 系统功耗单位 r/minr/s一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理在半导体薄片中通以电流 I,在与薄片垂直方向加磁场 B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流 I和 B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。1、霍尔效应2、霍尔电势UH KH I B单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是 mV/（ mAT ）意义： 与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。若磁感应强度 B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为 时，霍耳电势应为： VH KH I B cos 霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。霍 尔 电压 UH为 ： 式中 n 半导体单位体积中的载流子数 e 电子电量 KH 霍尔元件灵敏度， KH 1/ned 霍尔器件符号HA BCDA BCDBACDC、 D：霍耳输出端，称为 霍尔端 或输出端。A、 B：电极端，称为元件 电流端 、控制电流端或 输入电流端。红色导线红色导线绿色导线绿色导线一般为 4mm2mm0.1mm二材料及结构特点霍尔元件一般采用具有 N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。 1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。 2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。 3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。 采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用 。 特点小结材料：锗材料：锗 、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度灵敏度低、温度特性及线性度好特性及线性度好灵敏度最高、灵敏度最高、受温度影响大受温度影响大输入 1输入 2输出 1输出 2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件霍尔元件的主要特性参数：(1) 输入电阻和输出电阻输入电阻： 控制电极间的电阻输出电阻： 霍尔电极之间的电阻(2) 额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流： 当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生 10 温升时，对应的控制电流值最大允许控制电流： 以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值 (3) 不等位电势 Uo和不等位电阻 ro 不等位电势 ：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。 不等位电势是由霍尔电极 2和之间的电阻决定的， r 0称 不等位电阻 霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标四、霍尔元件连接方式和输出电路四、霍尔元件连接方式和输出电路1、基本测量电路、基本测量电路特点：特点：（ 1）测量磁物理量、电量及其它物理量）测量磁物理量、电量及其它物理量（ 2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件（ 3）输出信号的信噪比大）输出信号的信噪比大（ 4）频率范围宽：直流）频率范围宽：直流 数百千赫兹数百千赫兹（ 5）体积小、重量轻）体积小、重量轻（ 6）稳定性好、寿命长）稳定性好、寿命长2、霍尔元件连接方式、霍尔元件连接方式控制电流端并联控制电流端并联输出电势为：输出电势为： 2倍倍控制电流端串联控制电流端串联次级绕阻叠加输出次级绕阻叠加输出E +-直流供电方式：直流供电方式：交流供电方式：交流供电方式：3、霍尔电势的输出电路、霍尔电势的输出电路四端器件四端器件输出电势：输出电势： mV量级量级线性应用：比例放大器线性应用：比例放大器线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器开关应用：射极跟随器开关应用：射极跟随器灵敏度高：一般放大器灵敏度高：一般放大器五、霍尔元件的测量误差及补偿方法五、霍尔元件的测量误差及补偿方法1、零位误差及补偿、零位误差及补偿半导体固有特性半导体固有特性半导体制造工艺缺陷半导体制造工艺缺陷 零位误差零位误差温度误差温度误差A、 B同一等位面：同一等位面： U0 = 0、 电桥平衡电桥平衡A、 B非同一等位面：非同一等位面： U0 = 0、 电桥不平衡电桥不平衡电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻（ a）（ b）（ c）六、霍尔开关集成传感器六、霍尔开关集成传感器霍尔效应 集成电路技术 开关信号磁敏传感器集成霍尔元件和开关型两大类 可分为线性型1、结构及工作原理、结构及工作原理稳压材料：硅材料：硅工艺：硅平面工艺工艺：硅平面工艺提高灵敏度提高灵敏度N型硅外延层很薄型硅外延层很薄集成工艺集成工艺工作原理：工作原理：有磁场：有磁场： VH， 放大，整形：放大，整形： 开启阈值，高电平开启阈值，高电平VT导通，具有吸收电流的负载能力导通，具有吸收电流的负载能力磁场减弱：磁场减弱： VH 减小，放大，整形：减小，放大，整形： 关闭阈值，关闭阈值，翻转，低电平，翻转，低电平， VT截止截止开状态开状态关状态关状态2、工作特性、工作特性121086420 工作点工作点 “开开 ” 释放点释放点 “关关 ” 磁滞磁滞高高 低，开状态低，开状态低低 高高 ，关状态，关状态3、接口电路、接口电路3020T外形外形 应用电路应用电路K K4、磁场施加方式、磁场施加方式2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 200.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010（ 1）磁铁轴心接近式）磁铁轴心接近式两轴心方向重合两轴心方向重合2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 200.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010（ 2）磁铁侧向滑近式）磁铁侧向滑近式两平面距离不变，两平面距离不变，磁铁轴线与传感器磁铁轴线与传感器平面垂直平面垂直（ 3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度0 2.5 5 7.5 100.100.080.060.040.02六、霍尔线性集成传感器六、霍尔线性集成传感器1、结构及工作原理、结构及工作原理输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系构成：霍尔元件、放大器、稳压、构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失调调整、线性度调整电流放大输出级、失调调整、线性度调整稳压单端输出：单端输出： SL3501T 双端输出：双端输出： SL3501M稳压2、主要技术特性、主要技术特性-0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.35.64.63.62.61.6SL3501T 输出特性曲线输出特性曲线0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.322.52.01.51.00.50SL3501M 输出特性曲线输出特性曲线霍尔线性集成传感器的技术参数霍尔线性集成传感器的技术参数七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用1、霍尔位移传感器、霍尔位移传感器磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：测量范围： 1 2 mm2、磁感应强度测量仪、磁感应强度测量仪ASL3501M ：霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器RP1： 调整表头量程调整表头量程RP2： 调零调零C1： 低通滤波低通滤波测量上限：测量上限： 0.3 T3、直流功率测量仪、直流功率测量仪V4、转速测量、转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧5、测量电流、测量电流测量大直流电流（测量大直流电流（ 10kA）：）： 电阻器分流