《磁电式传感器》PPT课件.ppt

磁电式传感器 6.1霍尔元件与霍尔效应 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，这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度B为零时的情况 c d a b 磁感应强度B 较大时的情况 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 在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板, 导电 板通以电流I。导电板中的电流是金属中自由电子 在电场作用下的定向运动。此时, 每个电子受洛仑 磁力的作用。此时电子除了沿电流反方向作定向运 动外, 还在洛仑磁力的作用下漂移, 结果使金属导电 板上一边积累电子, 而另外一边积累正电荷, 从而形 成了附加内电场霍尔电场。霍尔电场的出现, 使定 向运动的电子除了受洛仑磁力作用外, 还受到霍尔 电场的作用力, 此力阻止电荷继续积累。 + I + + + + + + + + l w d 霍尔效应原理图 EH 输入电流和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果 输入电流固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全 呈线性关系。 霍尔电势UH和控制电流I、磁场B的关系为 UH KH I B KH霍尔器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物 理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度 和单位控制电流时霍尔电势的大小。 KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。 KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁 感应强度下电流对应的霍尔电势值。 若控制电流值固定，则： UHKBB 若磁场值固定，则： UHKI I 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，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当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，则霍尔电势为同频 率的交变电势。 霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引 线和壳体组成。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出 四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极 ；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳 体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔 元件可用两种符号表示。 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示 。 6.2霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少 高斯至正的多少高斯？ 线性区 霍尔元件的主要外特性参数（续） 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。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5A 0.1mA 2mA 80mA 霍尔输出端的端子C、D相应 地称为霍尔端或输出端。 若霍尔端子间连接负载,称为 霍尔负载电阻或霍尔负载。 电流电极间的电阻，称为输 入电阻，或者控制内阻。 霍尔端子间的电阻，称为输 出电阻或霍尔侧内部电阻。 器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。 电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端 或输入电流端。 H 霍尔器件符号 AAABBB C CC D DD 关于霍尔器件符号， 名称及型号，国内外 尚无统一规定，为叙 述方便起见，暂规定 下列名称的符号。 6.3霍尔传感器的基本测量电路 控制电流I； 霍尔电势EH； 控制电压V； 输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍尔负载电阻R3； 霍尔电流IH。 图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所 需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放 大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器 件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。 EH R3 V B I E IH 霍尔器件的基本电路 R 实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出 可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。 6.4霍尔磁敏传感器的应用 利用霍尔效应制作的霍尔器件，不仅在 磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技 术、计算技术和自动化技术等领域中均得到 了广泛应用。利用霍尔电势与外加磁通密度 成比例的特性，可借助于固定元件的控制电 流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、 机械量和非电量等进行测量和控制。应用这 类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读 头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速 计、无触点开关等。 霍尔电势是关于I、B、 三个变 量的函数，即 UH=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 得霍尔传感器有许多用途。 霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件 霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件 磁铁 霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件 测量铁心 气隙的B值 测转角： 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。 S N 线性霍尔 磁铁 叶片和齿轮位置传感器 案例：转速测量 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 输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件 时，输出为低电平。 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车轮的转动状态有助于 控制刹车力的大小。 带有微 型磁铁 的霍尔 传感器 钢质 霍尔 案例：汽车速度测量: 霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属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，产生转速信号。 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 接头 12V低压电源 输入接头 霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火 时间准确、高速时动力足。 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） 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。 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 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 输出信号经放大、整形后触发电子 线路，从而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 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 光驱用的无刷电动机内部结构 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。 电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场， 磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场 可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检 测。 霍尔电流传感器演示 铁心 线性霍尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面： 其他霍尔 电 流传感器 其他霍尔电流传 感器（续） 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