第八章 霍尔传感器

自动检测技术课程授课教案PAGEPAGE1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；5.掌握霍尔式电流传感器的计算。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂互动、分析教具：各种霍尔元件、霍尔传感器各教学环节和内容演示1：购买霍尔接近开关。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（例如5mm）时，OC门再次截止，蜂鸣器停响。提示：需要分辨磁铁的S极和N极。其中的一个磁极对霍尔式接近开关是不起作用的。演示2：购买10A霍尔式钳形电流表。将一根导线穿过10A霍尔式钳形电流表的铁芯，将一个1号电池短暂短路一下，使得导线中，有1A左右的短路电流，观察霍尔式钳形电流表的输出电压（见液晶屏的示值）的变化。一号电池的短路电流与导线的长度、粗细有关。导线的长度越长，越细，输入电流就越小，液晶屏的示值也越小。用霍尔式钳形电流表或霍尔电流传感器测量1.5V一号电池的短路电流示意图从以上演示，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，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（HallTransducer）。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）称为激励电流端，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，流入激励电流端的电流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=KHIB（8-1）式中KH——霍尔元件的灵敏度。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θ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Bcosθ，这时的霍尔电动势为EH=KHIBcosθ（8-2）从式（8-2）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，则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恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激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激励电流。（2）输出电阻Ro两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电势的漂移减至最小。（3）最大激励电流Im激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，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。提问：霍尔原件的最大激励电流Im为宜。A．0mAB．±0.1mAC．±10mAD．100mA（5）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．0TB．±0.10TC．±0.15TD．±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。霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类。1.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。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具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为零时，第一脚相对于第八脚的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出为正；磁场为反向时，输出为负。它的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。如果要将第1、8端输出电压转换成单端输出，就必须将1、8端接到差动减法放大器的正负输入端上，才能消除第1、8端对地的共模干扰电压影响。图8-4差动输出线性霍尔集成电路外形及电路框图图8-5差动输出线性霍尔集成电路输出特性2.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。图8-6开关型霍尔集成电路a）外形尺寸b）内部电路框图图8-7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00.020.0230.030.020.0160接上拉电阻RL高电平①高电平②低电平低电平低电平③高电平高电平不接上拉电阻RL高阻态高阻态低电平低电平低电平高阻态高阻态①：OC门输出的高电平电压由VCC决定；②、③：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电动势是关于I、B、θ三个变量的函数，即EH=KHIBcosθ，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、θ不变，则EH=f(B），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，则EH=f(θ），这方面的应用有角位移测量仪等。3）维持θ不变，则EH=f(IB），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。一、霍尔式特斯拉计特斯拉计（又称高斯计）用于测量和显示被测量物体在空间上一个点的静态或动态（交变）磁感应强度。由霍尔探头和放大器、显示器、计算机通信接口等构成。测量结果可换算为单位面积平均磁通密度、磁能积、矫顽力、剩余磁通密度、剩余磁化强度和气隙磁场等，能够判别磁场的方向。在使用中，霍尔探头被放置于被测磁场中，磁力线的垂直分量穿过霍尔元件的测量平面，从而产生与被测磁感应强度成正比的霍尔电动势，再根据设置的转换系数，由液晶板显示出B值。在SI单位制中，磁感应强度B的单位是特斯拉，在CGS单位制中，磁感应强度的单位是高斯，特斯拉与高斯的换算倍数为1T=10000Gs。特斯拉计的读数以“毫特斯拉”以及“千高斯”为单位，可以相互切换。当感受的磁场为反向（磁铁的N极对准霍尔器件的正面）时，输出为负，见图8-8所示的液晶屏。图8-8霍尔式特斯拉计的结构与使用示意图补充资料：角位移测量仪霍尔器件与被测物连动，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θ的变化。角位移测量仪结构示意图1－极靴2－霍尔器件3－励磁线圈发散性思考：将图8-8的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC的厚度。则B正比于Ui，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。二、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，将线性形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、整形后就可以确定被测物的转速，计算公式见式（4-4）：图8-9霍尔转速表1－磁铁2－霍尔器件3－齿盘三、霍尔式无刷电动机传统的直流电动机使用换向器来改变转子（或定子）的电枢电流的方向，以维持电动机的持续运转。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。图8-10霍尔式无刷电动机结构示意图1－定子底座2－定子铁心3－霍尔元件4－绕组5－外转子6－转轴7－磁极提问：①无刷电动机是否还产生电火花？为什么？②有无电刷磨损问题？③可以在上面电器中得到应用？四、霍尔接近开关在第四章里，曾介绍过接近开关的基本概念。霍尔接近开关只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在图8-11b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，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。图8-11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8-11d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。五、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，容易与计算机及二次仪表接口，响应时间快、频带宽，“二次侧”不易产生过电压等。（1）工作原理用一环形（有时也可以是方形）导磁材料做铁心，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。在铁心上切割出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IC就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。图8-12磁强计式霍尔电流传感器原理及外形a）基本原理b）外形1－被测电流母线2－铁心3－线性霍尔IC（2）技术指标及换算霍尔电流传感器可以测量高达20kA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中频窄脉冲，响应时间可以达到1µs。一次电流和二次电流：在工程中，霍尔电流传感器的技术指标套用交流电流互感器的技术指标：将被测电流称为一次电流IP；将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次电流”IS（简单的“”霍尔传感器中并不一定存在二次绕组）。霍尔电流传感器的额定电流比KN=IPN/ISN。霍尔电流传感器中，IS一般被设置为较小的数值，4~20mA、10mA或500mA以下的电流。又套用交流电流互感器的“匝数比”和“电流比”的概念来定义NP/NS和IS/IP。在霍尔电流传感器中，NP被定义为“一次绕组”的匝数，一般NP=1匝；NS为厂商所设定的二次绕组的匝数，匝数比i=NP/NS，额定电流比为KN=IPN/ISN。根据磁场有关定律，同一个铁心中的一次绕组与二次绕组必须有相等的安匝数，即：IPNP=ISNS，或（8-3）依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流IS、匝数比、额定电流比以及式（8-3），可以计算得到被测电流IP。如果将一只负载电阻（有时也称为取样电阻）RS串联在霍尔电流传感器二次绕组的输出电流端和公共参考端之间，就可以在取样电阻两端得到一个与一次电流（被测电流）成正比的、大小为几伏的电压信号（可参见图8-20或13-30），所以可以将二次输出电压直接接到计算机电路。“磁平衡式霍尔电流传感器”：该电流传感器的铁心上绕有二次绕组，二次绕组与负载电阻RS串联。霍尔电动势经放大，并转换成与被测电流IP成正比的输出电流Is。Is流经多匝的二次绕组后，在铁心中所产生的磁通与一次电流IP所产生的磁通相抵消，所以铁心不易饱和。霍尔器件在测量中的作用：起到