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项目五霍尔式传感器 主要学习霍尔传感器的工作原理 霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用 还涉及磁场测量技术 一 霍尔元件的结构及工作原理 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 式中RH 霍尔常数 m3 C I 控制电流 A B 磁感应强度 B d 霍尔元件的厚度 m 霍尔电势 霍尔常数 霍尔电势与导体厚度d成反比 为了提高霍尔电势值 霍尔元件制成薄片形状 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度 金属的自由电子密度太大 因而霍尔常数小 霍尔电势也小 故金属材料不宜制作霍尔元件 半导体中电子迁移率 电子定向运动平均速度 比空穴迁移率高 因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件 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EH 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和I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 二 霍尔元件的结构和基本电路 图 a 中 从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上 引出一对电极 其中1 1电极用于加控制电流 称控制电极 另一对2 2电极用于引出霍尔电势 称输出极 在基片外面用金属或陶瓷 环氧树脂等封装作为外壳 图 b 是霍尔元件通用的图形符号 图 c 所示 霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大 通常霍尔电极位于基片长度的中间 其宽度远小于基片的长度 图 d 是基本测量电路 差分放大电路 霍尔元件的输出电压一般较小 需要用放大电路放大其输出电压 为了获得较好的放大效果 需采用差分放大电路 使用一个运算放大器时 霍尔元件的输出电阻可能会大于运算放大器的输入电阻 从而产生误差 采用下图所示的电路 则不存在这个问题 三 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 1特斯拉 10000高斯 线性区 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 5 A0 1mA2mA80mA 四 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为 1 线性型 2 开关型 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源 线性差动放大器等做在一个芯片上 输出电压为伏级 比直接使用霍尔元件方便得多 1 线性型 单端输出传感器 三端器件 双端输出传感器 8脚双列直插封装元件 UGN 3501T 是一种塑料扁平封装的三端元件 它有T U两种型号 T型与U型的区别仅是厚度的不同 T型厚度为2 03mm U型厚度为1 54mm UGN 3501M 双端输出线形集成电路UGN 3501M采用8脚封装 1 8两脚为输出 5 6 7三脚之间接一个电位器 对不等位电动势进行补偿 线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线 当磁场为零时 它的输出电压等于零 当感受的磁场为正向 磁钢的S极对准霍尔器件的正面 时 输出为正 磁场反向时 输出为负 请画出线性范围 2 开关型 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件 稳压电路 放大器 施密特触发器 OC门 集电极开路输出门 等电路做在同一个芯片上 当外加磁场强度超过规定的工作点时 OC门由高阻态变为导通状态 输出变为低电平 当外加磁场强度低于释放点时 OC门重新变为高阻态 输出高电平 较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等 开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OC门 施密特触发电路 双端输入 单端输出运放 霍尔元件 Vcc 当放大后的电压UO大于施密特触发器 开启 阈值电压时 施密特整形电路翻转 输出高电平 使V导通 这种状态我们称之为开状态 当磁场减弱时 霍尔元件输出的UO很小 经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的 关闭 阈值电压 施密特整形电路再次翻转 输出低电平 使V截止 这种状态称为关状态 工作原理 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大 抗振动干扰能力就越强 当磁铁从远到近地接近霍尔IC 到多少特斯拉时输出翻转 当磁铁从近到远地远离霍尔IC 到多少特斯拉时输出再次翻转 回差为多少特斯拉 相当于多少高斯 Gs 五 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即EH 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 1 霍尔特斯拉计 高斯计 霍尔元件 高斯计 接受所测物体的电磁波频率 然后转换成参数量显示出来 主要用来测试高电压环境电磁波特斯拉计 主要是检测磁体单位面积磁通量的多少 也就是检测磁感应强度 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 2 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 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 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 3 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 光驱用的无刷电动机内部结构 1 由于无电刷 没有磨损问题 寿命长 可靠性高 2 具有良好的旋转特性 可以取得很宽的转速特性 噪音低 起动转矩为额定转矩的2 3倍 稳定性好 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 4 霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近 并达到动作距离时 霍尔式接近开关动作 霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁 霍尔式接近开关 用霍尔IC也能完成接近开关的功能 但是它只能用于铁磁材料的检测 并且还需要建立一个较强的闭合磁场 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 霍尔式接近开关用于转速测量演示 n 60 f 4 r min 软铁分流翼片 开关型霍尔IC T 5 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 霍尔电流传感器演示 铁心 线性霍尔IC EH KHIB I I 其他霍尔电流传感器 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