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1、机电类 自动检测技术 第八章 多媒体课件 统一书号:ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor- 或 2013年1月版,第八章 霍尔传感器,本章介绍霍尔传感器 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,还涉及交直流霍尔电流传感器、霍尔电压传感器的原理及输出信号的换算。,霍尔元件是一种四端元件,8.1 霍尔元件的工作原理及特性 8.2 霍尔集成电路 8.3 霍尔传感器的应用,第八章 霍尔传感器 目录,第一节 霍尔元件的结构及工作原理,霍尔效应: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
2、方向上将产生电动势EH,导电薄膜越薄,灵敏度就越高。,影响霍尔电动势的因数,流入激励电流端(a、b)的电流Iab越大,电子和空穴积累得就越多,霍尔电动势也就越高。 作用在薄片上的磁感应强度B越强,电子受到的洛仑兹力也越大,霍尔电动势也就越高。 薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的厚度为,霍尔元件中的电子浓度为n,电子的电荷量为e,则霍尔电动势EH可用下式表示:,霍尔电动势与灵敏度,式中的n、e、在薄片的尺寸、材料确定后均为常数,可令KH=1/(ne),则上式可简化为: EH=KH IB 式中: KH霍尔元件的灵敏度。 由于金属材料中的电子浓度n很大
3、,所以灵敏度KH非常小。而半导体材料中的电子浓度较小,所以灵敏度比较高。,霍尔元件的工作原理分析,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,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。霍尔电势EH可用下式表示: EH=KH IB,a,b,c,d,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(d 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,d,a,b,c,磁场不垂直于霍尔元
4、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,这时的霍尔电动势为 EH=KHIBcos,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示,结论:霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。当B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,霍尔电势为同频率的交变电势。,a,a,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?(1T104Gs),线性区,mV,调零后的 B/T,霍尔元件的主要外特性参数(续),最大
5、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? 8A 0.8mA 8mA 80mA,霍尔元件的等效电路,在a、b、c、d四个端点之间,等效于一个四臂电桥,霍尔元件的不等位电动势及调零,在额定激励电流下,当外加磁场为零时,霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电动势E0,它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的。,霍尔集成电路的调零,当UGN3501M感受的磁场为零时,调节
6、5、6、7之间的调零电位器,可使第1引脚相对于第8引脚的输出电压等于零。,第二节 霍尔集成电路,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,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。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,线性型三端 霍尔集成电路,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,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路
7、、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,.,Vcc,开关型霍尔集成电路(OC门输出)的接线,请按以下电路,将下一页中的有关元件连接起来.,开始接线,开关型霍尔集成电路 与继电器的接线,?,接线完毕,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
8、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)?,第三节 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。这使得霍尔传感器可以有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。,霍尔特斯拉计(高斯计),霍尔元件,霍尔特斯拉计、高斯计,高斯计是测量物体于空间上一个点的静态或动态(交变)磁感应强度的仪器。物体发出的磁力线垂直穿过霍尔传感器,从而产生与被测B成正比的输出电压,由液晶板显示出磁感应强度。单位为高斯(Gs)
9、或特斯拉(T)。 T(特斯拉) 1 000mT(毫特斯拉) 10 000s(高斯),测量范围:+/-19999. 9Gs 信噪比:0.01Gs 分辨力:0.01Gs,霍尔高斯计(特斯拉计)的使用,霍尔元件,被测磁极,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量电磁 绕组铁心 气隙 的B值,B,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。 此处应采用线性霍尔传感器。,S,N,线性霍尔,磁铁,霍尔转速表原理,当齿对准霍
10、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、整形后输出低电平;反之,当齿轮的空挡对准霍尔元件时,磁力线从上下侧通过,输出为高电平。,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 (ABS)中的应用 (具体见第十三章课件),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。,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(导磁体)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,产生转速脉冲。,霍尔元件,磁铁,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
11、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,高压输出电缆接头,12V低压电源输入接头,传统点火系统组成,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,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,霍尔式无触点汽车电子点火装置(续),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
12、IC及点火线圈高压侧输出波形,霍尔式无触点汽车电子点火装置(续),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3050kV的高电压。,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,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
13、置,其输出信号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,霍尔式无刷电动机,采用霍尔开关来检测转子和定子之间的相对位置,经编码和逻辑换向电路,触发功率开关,从而控制电枢电流的换向,维持电动机的正常运转 。,1定子底座 2定子铁心 3霍尔开关 4三相绕组线圈 5外转子 6转轴 7磁极,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,无刷电动机在电动自行车上的应用,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
14、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永磁磁极之间产生连续转矩。具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,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,无刷电动机的结构,由定子、转子、位置传感器及换相电路组成 , 定子绕组多采用三相星形方式连接 。,将3只(a、b、c)锁相式霍尔传感器安装在靠近转子磁极的位置。 当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时,其输出翻转为低电平; 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时,其输出仍然保持为低电平;只有磁场转变为S极并达到一定值时,其输出才翻转为高电平。 在S-N交替变化磁场下,传感器输出波形
15、高、低电平各占50%。 如果转子是一对极,则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形,如果转子是两对极,则输出两个周期的电压波形。,直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器,间隔120度或60度按圆周分布。 如果间隔120度,则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度; 输出信号中高、低电平各占180度电角度。 如果规定输出信号高电平为“1”,低电平为“0”,则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。,直流三相全控无刷电动机的控制原理图,1,单片三相无刷直流电动机控制器SI9979,由DSP控制的BLDC系统,光驱用的无刷电动机内部结构,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,
16、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。,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,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),起限位的作用。,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,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,霍尔电流传感器,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。,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。,霍尔电流传感器演示