霍爾傳感器的原理及應(yīng)用

1、上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院第八章霍爾傳感器課題：霍爾傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：2課次編號：12教材分析難點(diǎn):重點(diǎn):開關(guān)型霍爾集成電路的特性教學(xué)目的和要求霍爾傳感器的應(yīng)用1、了解霍爾傳感器的 工作原理;2、了角牟霍爾集成電路的分類；3、掌握線性型和開關(guān)型霍爾集成電路的特性4、掌握霍爾傳感器的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：講授、課堂互動、分析教具：各種霍爾元件、霍爾傳感器8各教學(xué)環(huán)演示1：將小型蜂鳴器的負(fù)極接到霍爾接近開關(guān)的 OC門輸出 端，正極接Vcc端。在沒有磁鐵靠近時， OC門截止，蜂鳴 器不響。節(jié)當(dāng)磁鐵靠近到一定距離(例如3mm)時，OC門導(dǎo)通,禾口 蜂鳴器響。將磁鐵逐漸遠(yuǎn)離霍爾接近開關(guān)到一定

2、距離(例 內(nèi) 如5mm)時，OC門再次截止，蜂鳴器停響。容 演示2：將一根導(dǎo)線穿過10A霍爾電流傳感器的鐵芯,通入0.11A電流，觀察霍爾IC的輸出電壓的變化，基本與輸入電流成正比。從以上演示，引入第一節(jié)霍爾效應(yīng)、霍爾元件的工作原理。第一節(jié)霍爾元件的工作原理及特性一、工作原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢Eh,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)(Hall Effect )，該電動勢稱為霍爾電動勢( Hall EMF ),上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾 元件(Hall Element)。用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器(

3、 Hall Transducer)。J_I IH X 一I _ U CJ "叫m!，Id）圖8-1霍爾元件示意圖a）霍爾效應(yīng)原理圖b）薄膜型霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖c）圖形符號 d）外形霍爾屬于四端元件：其中一對（即a、b端）稱為激勵電流端，另外一對（即c、d端）稱為霍爾電動勢輸出端，c、d端一般應(yīng)處于側(cè)面的中點(diǎn)。由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電動勢也就越高?；魻栯妱觿軪H可用下式表示Eh=Kh IB（8-1）式中 Kh霍爾元件的靈敏度。若磁感應(yīng)強(qiáng)度 B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度。時，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方

4、向（與薄片垂直的方向） 的分量，即Bcos 0,這時的霍爾電動勢為Eh=KhIBcos。（8-2）從式（8-2）可知，霍爾電動勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電 動勢為同頻率的交變電動勢。目前常用的霍爾元件材料是 N型硅，霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹脂等制造。二、主要特性參數(shù)（1）輸入電阻Ri恒流源作為激勵源的原因：霍爾元件兩激勵電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號的元件而定。溫度升高，輸 入電阻變小，從而使輸入電流Iab變大，最終引起霍爾電動勢變大。使用恒流源可以穩(wěn)定霍爾原

5、件的激勵電流。（2） 最大激勵電流Im激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高， 從而引起霍爾電動勢的溫漂增大， 因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流， 它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。提I可：霍爾原件的最大激勵電流I m 為宜。A . 0mA B. + 0.1 mA C. + 10mA D . 100mA（4）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm磁感應(yīng)強(qiáng)度超過Bm時，霍爾電動勢的非線性誤差將明 顯增大，Bm的數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。提問：為保證測量精度，圖8-3中的線性霍爾IC的磁感應(yīng)強(qiáng)度不宜超過 為宜。A. 0T B. + 0.10T C. + 0.15TD. + 100Gs第二節(jié)霍爾集成電路

6、霍爾集成電路（又稱霍爾 IC）的優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、 對電源穩(wěn)定性要求低等?；魻柤呻娐返姆诸悾壕€性型和開關(guān)型兩大類。線性型的內(nèi)部電路：霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直 接使用霍爾元件方便得多。開關(guān)型霍爾集成電路的內(nèi)部電路：霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、 OC門（集電極開路輸出門）等電 路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時， OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通 狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。4mm x 4mm x | mtn引O2(GND)圖8-2線性型霍爾集成電

7、路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖留T圖8-3線性型霍爾集成電路輸出特性圖8-4開關(guān)型霍爾集成電路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖圖8-5開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性注：1特斯拉(T) = 104高斯(Gs)提問：磁鐵從遠(yuǎn)到近，逐漸靠近圖8-5所示的開關(guān)型霍爾IC，問，多少高斯時, 輸出翻轉(zhuǎn)？成為什么電平？表8-1具有史密特特性的 OC門輸出狀態(tài)與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化之間的關(guān)系B/TOC門輸出狀態(tài)OC門接法磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化方向及數(shù)值0 T0.02 T0.023 T0.03 T0.02 T0.016 T0接上拉電阻Rl高電平高電平低電平低電平低電平高電平高電不接上拉電阻Rl高阻態(tài)高阻態(tài)低電平低電平低電

8、平高阻態(tài)高：OC門輸出的高電平電壓由 VCC決定;、：OC門的遲滯區(qū)輸出狀態(tài)必須視 B的變化方向而定.第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電動勢是關(guān)于I、B、。三個變量的函數(shù)，即Eh=Kh IB cos。，使其中兩個量不變, 將第三個量作為變量，或者固定其中一個量、其余兩個量都作為變量，三個變量的多 種組合等。1) 維持I、。不變，貝U EH=f(B),這方面的應(yīng)用有：測量磁場強(qiáng)度的高斯計(jì)、測量 轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾角編碼器以及基于微小位移測量原理的霍 爾加速度計(jì)、微壓力計(jì)等。2) 維持I、B不變，則EH=f(。)，這方面的應(yīng)用有角位移測量儀等。3) 維持。不變，貝U EH=f(IB)

9、，即傳感器的輸出 Eh與I、B的乘積成正比，這方面 的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾功率計(jì)、電能表等。1.角位移測量儀角位移測量儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-8所示?；魻柶骷c被測物連動，而霍爾器件又在一個恒定的磁場中轉(zhuǎn)動，于是霍爾電動勢Eh就反映了轉(zhuǎn)角 。的變化。圖8-8角位移測量儀結(jié)構(gòu)示意圖1一極靴 2霍爾器件 3一勵磁線圈發(fā)散性思維：將圖8-8的鐵芯氣隙減小到夾緊霍爾IC的厚度。貝U B正比于U,霍爾IC的Uo正比于B, 可以改造為霍爾電壓傳感器。與交流互感器不同的是：可以測量直流電 壓，如右圖所示。4.霍爾接近開關(guān)在第四章里，曾介紹過接近開關(guān)的基本概念。用霍爾接近開關(guān)也能實(shí)現(xiàn)接近開關(guān) 的功能，但是它只能

10、用于鐵磁材料，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合磁場?；魻柦咏_關(guān)應(yīng)用示意圖如圖圖8-12所示。在圖8-12b中，磁極的軸線與霍爾接"2近開關(guān)的軸線在同一直線上。當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍 爾接近開關(guān)的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動 部件停止移動（否則將撞壞霍爾接近開關(guān)）起到限位的作用。圖8-12 霍爾接近開關(guān)應(yīng)用示意圖a）外形 b）接近式 c）滑過式 d）分流翼片式1運(yùn)動部件 2 一軟鐵分流翼片提問：b）接近式 c）滑過式哪一種不易損壞？為什么？在圖8-12d中，磁鐵和霍爾接近開關(guān)保持一定的間隙、均固定不動。軟鐵制作的分流翼片與運(yùn)動部

11、件聯(lián)動。當(dāng)它移動到磁鐵與霍爾接近開關(guān)之間時，磁力線被屏蔽（分流），無法到達(dá)霍爾接近開關(guān)，所以此時霍爾接近開關(guān)輸出跳變?yōu)楦唠娖?。改變分流?片的寬度可以改變霍爾接近開關(guān)的高電平與低電平的占空比。發(fā)生性思維：電梯“平層”如何利用分流翼片的原理？霍爾傳感器的其他用途：霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、霍爾電能表、霍爾 高斯計(jì)、霍爾液位計(jì)、霍爾加速度計(jì)等。5.霍爾電流傳感器能夠測量直流電流，弱電回路與主回路隔離，能夠輸出與被測電流波形相同的“跟隨電壓”，容易與計(jì)算機(jī)及二次儀表接口，準(zhǔn)確度高、線性度好、響應(yīng)時間快、頻帶 寬，不會產(chǎn)生過電壓等。（1）工作原理 用一環(huán)形（有時也可以是方形）導(dǎo)磁材料作成鐵心，套

12、在被測電 流流過的導(dǎo)線（也稱電流母線）上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集在鐵心中。在鐵心 上開一與霍爾傳感器厚度相等的氣隙，將霍爾線性IC緊緊地夾在氣隙中央。電流母線通電后，磁力線就集中通過鐵心中的霍爾IC ,霍爾IC就輸出與被測電流成正比的輸出電壓或電流?；魻栯娏鱾鞲衅髟砑巴庑稳鐖D8-13所示。圖8-13 霍爾電流傳感器原理及外形a）基本原理b）外形1一被測電流母線2一鐵心3一線性霍爾IC（2）技術(shù)指標(biāo)及換算霍爾電流傳感器可以測量高達(dá)2000A的電流；電流的波形可以是高達(dá)100kHz的正弦波和電工技術(shù)較難測量的高頻窄脈沖；它的低頻端可以一直延伸到直流電；響應(yīng)時間小于1 g,電流上升率（di/d

13、t）大于200A/3被測電流稱為一次測電流 Ip,將霍爾電流傳感器的輸出電流稱為“二次側(cè)電流”Is（霍爾傳感器中并不存在二次側(cè)）?！霸褦?shù)比”概念：ISIP和Np/Ns。在霍爾電流傳感器中，Np被定義為“一次測線圈”的匝數(shù)，一般取Np=1 ； Ns為廠家所設(shè)定的“二次側(cè)線圈的匝數(shù)”。因此有：(8-3)N P I SNs 一 Ip依據(jù)霍爾電流傳感器的額定技術(shù)參數(shù)和輸出電流Is以及式（8-3）,就可以計(jì)算得到被測電流。如果將一只負(fù)載電阻 Rs并聯(lián)在“二次側(cè)”的輸出電流端，就可以得到一個與 次測電流”（被測電流）成正比的、大小為幾伏的電壓輸出信號。隔離作用：霍爾電流傳感器的“一次測”與“二次側(cè)”電路之

14、間的擊穿電壓可以有一個額定值很高的傳感器（例如100A ）、而欲測量的電流值來低于額定值很多時（例如10A）,如何提高測量準(zhǔn)確度？可以把“一次測”導(dǎo)線在鐵心中間多繞幾圈。例如，當(dāng)用額定值為200A的傳感器去測量10A的電流時，為提高準(zhǔn)確度，可將“一次測"導(dǎo)線在傳感器的鐵心內(nèi)孔中心繞10圈，即Np=10,則Np刈0A=100A ,達(dá)到傳感器額定值的一半，從而提高了準(zhǔn)確度。缺點(diǎn)：當(dāng)被測導(dǎo)線在鐵心之間穿繞的匝數(shù)太多時，被測回路的感抗將增大許多， 有可能人為地減小被測回路的電流，因此這種方法不予提倡。例8-1 設(shè)某型號霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比Np/Ns=1/2000,標(biāo)準(zhǔn)額定電流值Ipn=300A ,二次側(cè)的負(fù)載電阻