《检测技术4霍尔式》PPT课件.ppt

第4章磁电式传感器 4 1霍尔式传感器本章要点 下页 返回 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量 如振动 位移 转速等 转换成电信号的一种传感器 磁电感应式传感器 霍尔式传感器都是磁电式传感器 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的 霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应 霍尔效应 而输出电势的 它们原理并不完全相同 因此各有各的特点和应用范围 4 1霍尔式传感器 下页 上页 返回 霍尔效应和霍尔元件材料霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的补偿电路霍尔式传感器的应用举例 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量 如电流 磁场 位移 压力等转换成电动势输出的一种传感器 4 1 1霍尔效应和霍尔元件材料 下页 上页 返回 霍尔效应现象 一个宽为b 厚为a的半导体处于磁场中 当通有电流时 其两端会产生电场 霍尔效应 原因 洛仑兹力电场力 动态平衡EH是霍尔电场 UH是霍尔电势 电压 且 4 1 1霍尔效应和霍尔元件材料 下页 上页 返回 对N型半导体 对P型半导体 p为空穴密度 利用 代入UH得 式中是系数霍尔 是霍尔元件灵敏度 则 4 1 1霍尔效应和霍尔元件材料 下页 上页 返回 霍尔元件材料1 锗 Ge N型及P型均可 2 硅 Si N型及P型均可 3 砷化铟 InAs 和锑化铟 InSb 这两种材料的特性很相似 4 1 2霍尔元件构造及测量电路 下页 上页 霍尔元件结构 a b为控制极 通电流 c d为霍尔电极 输出霍尔电压 霍尔片四极引线及电路符号 1为控制极 2为霍尔电极壳体 返回 4 1 2霍尔元件构造及测量电路 下页 上页 测量电路霍尔元件的基本测量电路如图所示 激励电流由电源E供给 可变电阻R用来调节激励电流I的大小 RL为输出霍尔电势UH的负载电阻 通常它是显示仪表 记录装置或放大器的输入阻抗 返回 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 一 零位误差定义 不加控制电流或磁场时 出现的霍尔电势 产生 1 不等位电势 不加磁场时 出现的霍尔电势 主要零位误差 原因 控制电极不对称引起 解决办法 在1 2电极之间加电阻 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 2 寄生直流电势 通交流控制电流时 除交流不等位电势外 存在直流电势分量 原因 a 控制电极与霍尔电极接触不良引起整流效应 b 霍尔电极焊点大小不一致引起的温差电势 解决办法 a 改善电极接触性能和元件的散热条件 b 均匀散热 有效措施 3 感应零电势Ui0 无控制电流时 在脉动磁场作用下而产生的零位电势 原因 设则表明 它与霍尔电势极引线构成的感应面积A成正比 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 解决办法 改变引线走向 使霍尔电势极引线围成的感应面积A所产生的感应电势互相抵消 4 自激场零电势 由控制电流产生的 自激 磁场的不对称所引起的零位电势 原因 当元件的左右两半场相等时 所产生的电势方向相反而抵消 当元件的左右两半场不 控制电流引线也产生磁场 相等时 所产生的电势方向相反而抵消 解决办法 适当安排控制电流引线 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 二 温度影响 内阻 输入电阻Ri 控制电流两端之间的电阻 和输出电阻R0 霍尔电势两输出端的电阻 温度影响 包含Ri t R0 t 和UH t 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 补偿方法输入端补偿 恒流源补偿法当R0 RL I不变时 R0的变化对输出影响不大 可补偿一部分温度影响 但不能补偿温度对UH的影响 输出回路补偿法适当选择输出回路负载 可以补偿温度对R0 t 和UH的影响 设温度的影响为其中 R00 UH0为输出电阻和输出霍尔电势在温度没有变化时的基准值 a和 为温度系数 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 当有温度影响时令得输入回路串联电阻补偿法图中 E为恒压源 R为串联电阻 当温度增加 t时 霍尔电极的电势有一个增加值 UH t 另一方面 由知 温度增加使输入电阻有增加值 Ri 使得控制电流产生一个下降 I 控制电流的下降 由知 又引起霍尔电势下降 UH I 即有 只要就能补偿温度的影响 故有 4 1 3霍尔元件的基本误差及其补偿 下页 上页 返回 温度使和增加 电阻增加使电流下降 从而使霍尔电势下降 特点 测量范围窄 1 2mm的小位移由于B x 曲线线性部分很小 惯性小 响应速度快 无接触测量 还可以测其它非电量 如力 压力 压差 液位 加速度等 当霍尔元件在均匀磁场内转动时 则产生与转角的正弦函数成比例霍电压 可测量角位移 4 1 4霍尔式传感器测位移原理 下页 上页 返回 原理 霍尔元件放在线性分布的非均匀磁场中 有已知 则 4 1 5霍尔式传感器输出迭加的联接 下页 上页 返回 特点 提供较大的霍尔输出 直流供电联接方式 R1 R2为可调电阻 使输出霍尔电势相等 c d为输出端 交流供电联接方式 控制电流端串联 输出端c d 变压器的次级 得到霍尔电势输出信号的迭加值 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 特点 在静止状态下感受磁场的能力 结构简单 小型 频率响应宽 动态范围大 无接触 寿命长 温度稳定较差 转换效率低 应用方式 控制电流不变时 使传感器处于非均匀磁场中 特点 传感器的输出正比于磁感应强度 可测量 能转换为磁感应强度变化的量 磁场 位移 角度 转速 加速度 振动等 磁场不变时 改变控制电流 特点 传感器输出正比于控制电流 可测量 能转换为电流变化的电量 传感器输出正比于控制电流和磁场之积 特点 可用于乘法和功率的计算及测量 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 1 力 压力 加速度 机械振动的测量 霍尔压力传感器结构原理图 霍尔加速度传感器和霍尔机械振动传感器 1为霍尔元件 固定在非磁性材料的平板2上 平板2紧固在顶杆3上 顶杆3通过触点4与被测对象接触 随之做机械振动 用来进行土壤或砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置 a 仪器上用钢作成上下两个块子 它们之间有两条较细的梁支撑 在钢下块上置一销柱 销上贴两对永磁体 形成均匀梯度磁场 在上块上贴两个霍尔传感器 受剪切力作用后 支撑梁发生形变 使霍尔传感器和磁场间发生位移 使传感器输出发生变化 由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土受到的剪切应力 b 磁体固定在受力后产生形变的膜片上 霍尔传感器固定在一杆上 检测原理同上 应用此原理 还可构成检测重量的装置 称作霍尔称重传感器 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 2 霍尔转速测量 1 霍尔式接近开关用于转速测量演示 软铁分流翼片 开关型霍尔IC T 霍尔转速测量结构原理图 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 2 霍尔转速测量 2 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 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 3 各种霍尔转速传感器的结构 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 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 4 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和保持车轮的转动 有助于控制刹车力的大小和防止侧偏 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 5 霍尔传感器应用于无触点汽车电子点火 1 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 霍尔式分电器示意图如下 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 汽车点火线圈 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 5 霍尔传感器应用于无触点汽车电子点火 2 点火原理 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 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30 50kV的高电压 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 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 6 霍尔传感器应用于无刷电动机 1 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 直流无刷电机使用永磁转子 在定子的适当位置放置若干个 至少2个 的霍尔器件 利用测量转角的原理 判断转子的角度 在适当位置让某个霍尔器件导通改变驱动电路 从而改变电流方向 实现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 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 6 霍尔传感器应用于无刷电动机 2 霍尔式无刷电动机的应用 电动自行车的无刷电动机及控制电路 接速度控制器 PWM调速 光驱用的无刷电动机 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 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 7 霍尔传感器用于流速 流量 速度 里程等的测量 利用测量转速的原理 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 在的壳体内装有一个带磁体的叶轮 磁体旁装有霍尔开关电路 被测流体从管道一端通入 推动叶轮带动与之相连的磁体转动 经过霍尔器件时 电路输出脉冲电压 由脉冲的数目 可以得到流体的流速 若知管道的内径 可由流速和管径求得流量 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 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 8 电流测量特点 测工程上大直流电流 结构简单 成本低廉 准确度高 贯串法 旁测法 绕线法 铁心 线性霍尔IC UH KHIB I I 方法 旁测法 贯串法 绕线法等 4 1 6霍尔式传感器的应用举例 下页 上页 返回 应用举例 9 各种霍尔电流传感器实例 用钳形表测量电动机的相电流 霍尔式电流谐波分析仪 被测电流的谐波频谱 铁心的开合缝隙 铁