霍尔传感器课件

模块三传感器原理及检测实训,霍尔传感器浙江经济职业技术学院徐文,3.4.1霍尔效应3.4.2霍尔传感器组成与基本特性3.4.3霍尔传感器的应用3.4.4测量误差及补偿办法3.4.5直流激励时霍尔传感器位移特性实验,返回首页,3.4霍尔传感器,返回首页,3.4.1霍尔效应,半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象是美国物理学家霍尔发现的，故称为霍尔效应，相应的电动势被称为霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔片或霍尔元件。,图4-5-1霍尔效应原理图,返回首页,3.4.1霍尔效应,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EH。,C,A,B,霍尔效应演示,D,3.4.1霍尔效应,洛伦磁力作用下的电子流轨迹。,返回首页,3.4.1霍尔效应,返回首页,3.4.2霍尔传感器组成与基本特性,霍尔片半导体薄片(因为d小，KH大，l/b=2时KH最大)引线激励电极(短边端面)引线1、1霍尔电极(长边端面)引线2、2封装外壳陶瓷或环氧树脂,图4-5-2霍尔元件的结构和符号,1、霍尔元件(1)材料多用N型半导体(2)结构和符号,返回首页,图4-5-3霍尔电压的基本测量电路,2、电路部分(1)基本电路(2)霍尔元件的输出电路线性应用、开关应用(3)输出叠加连接方式直流供电、交流供电,3.4.2霍尔传感器组成与基本特性,返回首页,3.4.2霍尔传感器组成与基本特性,图4-5-4霍尔元件的输出电路,(a)线性应用,(b)开关应用,返回首页,3.4.2霍尔传感器组成与基本特性,图4-5-5霍尔元件输出叠加连接方式,返回首页,3.4.2霍尔传感器组成与基本特性,3、磁路部分图4-5-6产生梯度磁场霍尔片沿x方向移动时，若控制电流I保持不变，则霍尔电势为：,图4-5-6霍尔式位移传感器原理示意图,3.4.2霍尔传感器组成与基本特性,4、基本特性霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性；提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制；霍尔传感器动态性能好。例4.5-1P125,3.4.3霍尔传感器的应用,1、利用与I的关系可用于直接测量电流和能转换为电流的其它物理量2、利用与B的关系可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量,图4-5-7霍尔式钳形电流表,3.4.3霍尔传感器的应用,3、利用与IB的关系可进行乘法运算或功率测量,3.4.3霍尔传感器的应用,图4-5-8霍尔式功率变换器原理,3.4.3霍尔传感器的应用,应用实例1、霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。,3.4.3霍尔传感器的应用,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。,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,霍尔元件,应用实例2、霍尔特斯拉计(高斯计),3.4.3霍尔传感器的应用,霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,应用实例3、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,3.4.3霍尔传感器的应用,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。,霍尔转速表原理,3.4.3霍尔传感器的应用,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,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,应用实例4、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,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,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。,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,应用实例5、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,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,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。,无刷电动机在电动自行车上的应用,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,光驱用的无刷电动机内部结构,3.4.3霍尔传感器的应用,压舌,豁口,霍尔钳形电流表（交直流两用）,应用实例6、霍尔钳形电流表,3.4.3霍尔传感器的应用,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,3.4.3霍尔传感器的应用,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,霍尔钳形电流表演示,70.9A,3.4.3霍尔传感器的应用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处，将钳形表的铁心张开,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？,3.4.3霍尔传感器的应用,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便,用钳形表测量电动机的相电流,3.4.3霍尔传感器的应用,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,铁心的杠杆压舌,3.4.4测量误差及补偿办法,四、测量误差及补偿办法1、不等位电压及其补偿不等位电压U0B=0时的空载霍尔电热产生原因：1两个霍尔电极不在同一等位面上2霍尔元件电阻率不均匀3霍尔元件厚度不均匀因为不成立，所以补偿办法（图4-5-10）(c)方案最好,图4-5-9霍尔元件不等位电压示意图,3.4.4测量误差及补偿办法,图4-5-10不等位电压补偿原理,3.4.4测量误差及补偿办法,2温度误差及其补偿温度误差产生原因霍尔元件内阻r霍尔灵敏度KH随温度变化，故UH随温度改变。温度误差补偿电路(1)恒流源供电和输入回路并联电阻设输入回路并联电阻为一般很小，可忽略不计，且，故有,3.4.4测量误差及补偿办法,图4-5-11恒流源温度补偿电路,图4-5-12恒压源温度补偿电路,(2)采用恒压源和输入回路串联电阻,3.4.4测量误差及补偿办法,(3)合理选取负载电阻RL的阻值(4)采用温度补偿元件,2补偿正温度系数霍尔输出，即,(5)不等位电压U0的温度补偿,1补偿负温度系数霍尔输