(整理)霍尔传感器的原理及应用.

1、第八章霍尔传感器课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：12教材分析难点:开关型霍尔集成电路的特性重点:霍尔传感器的应用教学目的和要求1、了解霍尔传感器的 工作原理；2、了解霍尔集成电路的分类；3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性 4、掌握霍尔传感器的应用采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种霍尔元各 教 学 环 节 和 内 容件、霍尔传感器演示1:将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的 OC门输出 端,正极接Vcc端.在没有磁铁靠近时, OC门截止,蜂鸣 器不响.当磁铁靠近到一定距离(例如3mm)时,OC门导通, 蜂鸣器响.将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离(例

2、 如5mm)时,OC门再次截止,蜂鸣器停响.演示2：通入0.11A电流,观察霍尔IC的将一根导线穿过10A霍尔电流传感器的铁芯, 输出电压的变化,根本与输入电流成正比.从以上演示,引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理.第一节霍尔元件的工作原理及特性一、工作原理金属或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(Hall Effect ),该电动势称为霍尔电动势( Hall EMF ),上述半导体薄片称为霍尔 元件(Hall Element).用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器(Hall Tr

3、ansducer).图8-1霍尔元件示意图a霍尔效应原理图b薄膜型霍尔元件结构示意图c图形符号 d外形霍尔属于四端元件： 其中一对即a、b端称为鼓励电流端,另外一对即c、d端称为霍尔电动势输出端,c、d端一般应处于侧面的中点.由实验可知,流入鼓励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强,霍尔电动势也就越高.霍尔电动势EH可用下式表示Eh=Kh IB8-1式中 Kh霍尔元件的灵敏度. 假设磁感应强度 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 a这时的霍尔电动势为Eh=KhIBcosQ8-2从式8-

4、2可知,霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度 B成正比,且当B的方向改变时,霍尔电动势的方向也随之改变.如果所施加的磁场为交变磁场,那么霍尔电 动势为同频率的交变电动势. 目前常用的霍尔元件材料是N型硅,霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造.二、主要特性参数 1输入电阻Ri恒流源作为鼓励源的原因：霍尔元件两鼓励电流端的直流电阻 称为输入电阻.它的数值从几十欧到几百欧,视不同型号的元件而定.温度升高,输 入电阻变小,从而使输入电流Iab变大,最终引起霍尔电动势变大.使用恒流源可以稳定霍尔原件的鼓励电流.2最大鼓励电流Im鼓励电流增大,霍尔元件的功耗增大,元件的温度升高, 从而引起霍尔电动势的温漂

5、增大, 因此每种型号的元件均规定了相应的最大鼓励电流, 它的数值从几毫安至十几毫安.提问：霍尔原件的最大鼓励电流Im 为宜.A . 0mAB. ±0.1 mA C. ± 10mA D . 100mA4最大磁感应强度Bm磁感应强度超过Bm时,霍尔电动势的非线性误差将明 显增大,Bm的数值一般小于零点几特斯拉.提问：为保证测量精度,图8-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过 为宜.A. 0T B, + 0.10T C, + 0.15T D. ± 100Gs第二节霍尔集成电路霍尔集成电路又称霍尔 IC的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、 对电源稳定性要求低等

6、.霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类.线性型的内部电路：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.开关型霍尔集成电路的内部电路：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.UGN4mm x 4mm x | mtna)图8-2线性型霍尔集成电路a外形尺寸b内部电路框图图8-3线性型霍尔集成电路输出特性图8-4开关型霍尔集成电路a外形尺寸b内部电路框

7、图图8-5开关型霍尔集成电路的史密特输出特性注：1特斯拉T = 104高斯Gs提问：磁铁从远到近,逐渐靠近图8-5所示的开关型霍尔IC,问,多少高斯时, 输出翻转？成为什么电平？表8-1具有史密特特性的 OC门输出状态与磁感应强度变化之间的关系B/TOC门输出状态OC门接法磁感应强度B的变化方向及数值0 T0.02 T0.023 T0.03 T0.02 T0.016 T0接上拉电阻Rl高电平高电平低电平低电平低电平高电平高电不接上拉电阻Rl高阻态高阻态低电平低电平低电平高阻态高：OC门输出的高电平电压由 VCC决定;、：OC门的迟滞区输出状态必须视 B的变化方向而定.第三节霍尔传感器的应用霍尔

8、电动势是关于I、B、.三个变量的函数,即Eh=KhIBcos9,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,三个变量的多 种组合等.1维持I、.不变,那么EH=fB,这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量 转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍 尔加速度计、微压力计等.2维持I、B不变,那么EH=f,这方面的应用有角位移测量仪等.3维持.不变,那么EH=fIB,即传感器的输出 Eh与I、B的乘积成正比,这方面 的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等.1.角位移测量仪角位移测量仪结构示意图如图8-8所示.霍尔器件与被

9、测物连动,而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动,于是霍尔电动势Eh就反映了转角 .的变化.图8-8角位移测量仪结构示意图1极靴 2霍尔器件 3励磁线圈发散性思维：将图8-8的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC的厚度.那么B正比于U,霍尔IC的Uo正比于B, 可以改造为霍尔电压传感器.与交流互感器不同的是：可以测量直流电 压,如右图所示.4 .霍尔接近开关在第四章里,曾介绍过接近开关的根本概念.用霍尔接近开关也能实现接近开关 的功能,但是它只能用于铁磁材料,并且还需要建立一个较强的闭合磁场.霍尔接近开关应用示意图如图图8-12所示.在图8-12b中,磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上.当磁铁随运动

10、部件移动到距霍尔接近开关几毫米时,霍 尔接近开关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,限制运动 部件停止移动否那么将撞坏霍尔接近开关起到限位的作用.图8-12 霍尔接近开关应用示意图a外形 b接近式 c滑过式 d分流翼片式1运动部件 2 软铁分流翼片提问：b接近式 c滑过式哪一种不易损坏？为什么？在图8-12d中,磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动.软铁制作的分流翼片与运动部件联动.当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时,磁力线被屏蔽分 流,无法到达霍尔接近开关,所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平.改变分流翼 片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比.发生

11、性思维：电梯“平层如何利用分流翼片的原理？霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔 高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等.5 .霍尔电流传感器能够测量直流电流,弱电回路与主回路隔离, 能够输出与被测电流波形相同的“跟随电压,容易与计算机及二次仪表接口,准确度高、线性度好、响应时间快、频带 宽,不会产生过电压等.1工作原理 用一环形有时也可以是方形导磁材料作成铁心,套在被测电 流流过的导线也称电流母线上,将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中.在铁心 上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙,将霍尔线性IC紧紧地夹在气隙中央.电流母线通电后,磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC,霍尔

12、IC就输出与被测电流成正比的输出电压或电流.霍尔电流传感器原理及外形如图8-13所示.图8-13 霍尔电流传感器原理及外形a根本原理b外形1一被测电流母线 2铁心 3线性霍尔IC2技术指标及换算霍尔电流传感器可以测量高达2000A的电流；电流的波形可以是高达100kHz的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉冲；它的低频端可以一直延伸到直流电；响应时间小于1成,电流上升率di/dt大于200A/W&被测电流称为一次测电流Ip,将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次侧电流Is霍尔传感器中并不存在二次侧.“匝数比概念：Is/Ip和Np/Ns.在霍尔电流传感器中,Np被定义为“一次测线圈的匝数,一

13、般取Np=1； Ns为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数.因此有：NP8-3NsIp依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流Is以及式8-3,就可以计算得到被测电流.如果将一只负载电阻 Rs并联在“二次侧的输出电流端,就可以得到一个与 次测电流被测电流成正比的、大小为几伏的电压输出信号.隔离作用.霍尔电流传感器的“,次测与“二次侧电路之间的击密电压可以提问；定邺 寸中列如1咕,痂 一严L I'一次测“二次侧的输出信号接到注算县啊.10低于额定值很多导线在铁心中间备缔n膈例如,当用额定值为_200A的传感测量一10A的电流时J为提升准确度,可将“一次测导线在传感器的铁心内孔中央绕10圈,即Np=10,那么NpM0A=100A ,到达传感器额定值的一半,从而提升了准确度.缺点：当被测导线在铁心之间穿绕的匝数太多时,被测回路的感抗将增大许多,有可能人为地减小被测回路的电流,因此这种方法不予提倡.例8-1设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比Np/Ns=1/2000,标准额定电流值Ipn=300A ,二次侧的负载电阻 Rs=30