自动检测技术霍尔传感器论文

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1、焦作大学自动检测技术霍尔传感器机电工程学院 电气自动化四班 姓名：乔永生 学号：100101434 2011年 12月摘要在工业生产和试验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制 问题。多数情况下可以通过电磁或光电等方法，将转速测量转变为 频率测量。测量频率的方法有很多，不同的方法各有不同的适用范 围。近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备不断更新，频 率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的技 术设计方案，效果可能相差甚远。本文以普通电机的转速测量为 例，利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调试电路对 霍尔转速传感器输出的信号进行滤波和整形,在经过频率测试仪的分 析

2、得到电机的转速。实际测试表明，该霍尔传感器测试系统能满足 普通的电机转速测试要求。一 引言近年来，随着科技的发展，各种用电设备增多，用电量越来越 大，用电环境需求精密，对电流的检测要求日益严格，为了自动检 测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功 能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、检测电流或电 压的传感器，即霍尔感器便日益被广泛应用于变频调速装置、逆变 装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机 监测系统、 电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域 中。霍尔转速传感器的应用优势：霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器 的输

3、出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相 应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转 速传感器多应用在控制系统的转速检测中。同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗 错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速 传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另 外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电 气环境影响。霍尔转速传感器的测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放 油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器 的工作温度可以达到100C。霍尔转速传感器的安装简单，使用方 便，能实现远距离传输。

4、霍尔转速传感器目前在工业生产中的应用很是广泛，例如电 力、汽车、航空、纺织和石化等领域，都采用霍尔转速传感器来测 量和监控机械设备的转速状态，并以此来实施自动化管理与控制。二 工作原理2.1 霍尔效应原理将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工 作电流丨，则在Y方向产生出电动势VH,如图1所示，这现象称为 霍尔效应。VH称为霍尔电压。Z霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差 VH 与电流强度 I 和磁感应 强度 B 成正比，与板的厚度 d 成反比，即IBdV = K IBHH(1)或(2)式（1）中 RH 称为霍尔系数，式（ 2）中 KH 称为霍尔元件的灵敏 HH度，

5、单位为mv / （mAT）。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定 向运动的带电粒子即载流子（ N 型半导体中的载流子是带负电荷的 电子， P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到 的洛仑兹力作用而产生的。如图1 （a）所示，一快长为I、宽为b、厚为d的N型单晶薄 片，置于沿Z轴方向的磁场B中，在X轴方向通以电流丨，则其中的 载流子电子所受到的洛仑兹力为F = qV x B 二一eV x B = m一 eVBj式中 V 为电子的漂移运动速度，其方向沿 X 轴的负方向。 e 为电子的电荷量。Fm指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A 侧面积聚，同时在 B 侧面上出现同数量的正电

6、荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场Eh （即霍尔电场），使运动电子 受到一个沿Y轴正方向的电场力Fe，A、B面之间的电位差为v （即 eH霍 尔 电 压）， 则F = qE = -eEeH=eE j = eHjHHb(4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有F + F = 0 me-eVBj + Hj = 0 bv = VBbH(5)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n则流过样片横截面的电流I=nebdVnebd得(6) 将(6)式代入(5)式得1IBV = IB = R = K IBH ned H d H转速测量原理：霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长

7、、宽、高 分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面(沿厚度d)方向施加外 磁场B,在沿丨方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流 过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小 为：f 二 qVB式中：f洛仑磁力，q载流子电荷，V载流子运动速 度，B磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧 面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个 侧面间的电位差UH称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH二rh xIxB/d (mV)HH式中：rh 霍尔常数，d元件厚度，B磁感应强度， 丨一控制电流设 kh 二 rh /d ,则 UH = kh xIxB/d (m

8、V)HHHHkh为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注 意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。下图为霍耳 元件的原理结构图。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而 变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上 转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转 盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢 所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进 行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽， 输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领

9、域中得到 广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可 计算出转速。2.2 过载发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载 电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值， 过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。2.3 精度霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流。在+25C时，传感器测量精度受原边电流影响。计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、 温度漂移的影响。(1) 偏移电流偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在25C, IP=O时的情况下，偏移电流已调至最小，但

10、传感器在离开生产线时，都会产生一定大小 的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的 影响。(2) 线性度线性度决定了传感器输出信号(副边电流IS)与输入信号(原边电流IP)在测量范围内成正比的程度，(3) .温度漂移偏移电流是在25C时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化 时，会产生变化。因此，考虑偏移电流的最大变化是很重要的。2.4 抗干扰性(1)电磁场闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下 列因素直接影响传感是否受外部电磁场干扰。传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化； 外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍 尔电极的位置；安装传

11、感器所使用的材料有无磁性；所使用的电流传感器是否屏蔽；为了尽量减小外部电磁场的干扰，最好按安装指南安装传感器。(2)电磁兼容性电磁兼容性是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自 功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正 常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的一门学科。空间电磁环 境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误 动作，因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。由于实际生 产、科研及市场推广的迫切需要，采用已通过电磁兼容性检测的电 流和电压传感器已形成共识，并已成为一个强制性标准。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来 表征；载

12、流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均 速度值。载流子迁移率用符号U表示，u=v/EI。其中EI是A、B两 端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI=U/L。因 此我们可以把电子运动速度表示为v二n U/I。总结1. 霍尔转速传感器检测装置所测得转速值与实际电机转速值基本吻合，完全可以模拟发动机实际转速供开发发动机电控单元所用。2. 系统硬件设备结构简单合理，成本低，实时性好。3. 测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应 快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后， 通过频率计对连续脉冲计数来实现转速测量，充分利用了单片机的 内部资源，有很高的性价比。4. 测速系统的功能还有待进一步扩充，如判别转速方向的能 力，电路布局和抗干扰方面还有很大的提升空间。在城市用电设备增多，农村供电设备老化欠修的情况下，城乡 各地经常会出现电压不稳，电路短路，过流等现象，结果造成人民 生活不便和仪器损坏。子啊电源技术中使用传感器检测功能可以使 电源设备更加小型化，智能化和安全化，而霍尔传感器凭着自身的 优越性，在电子，功率集成，自动控制，材料，传感，计算机等等 领域取得了卓越的成就，所以对其应用刚和技术开发，工作者们应 该给予足够重视，相信在未来霍尔传感器一定能够继续发挥其重要 作用，造福人类。