自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用霍爾傳感器及應(yīng)用PPT課件

1、2022-7-617.1 7.1 霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢E EH H，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 一、霍爾效應(yīng)一、霍爾效應(yīng)第1頁/共40頁2022-7-62霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c c、d d方向的端面之間產(chǎn)生霍爾電勢。c cd da ab b第2頁/共40頁2022-7-63二、霍爾效應(yīng)的工作原理 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B B 越強(qiáng)，輸入電流越大，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪 EH H可用下式

2、表示：E EH H= =K KH H IBIB( (K KH H稱為霍爾元件的靈敏度）第3頁/共40頁2022-7-64磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即B Bcoscos ，這時(shí)的霍爾電勢為 E EH H= =K KH HIBIBcoscos 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成正比，且當(dāng)B B的方向改變時(shí)，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果和的方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢極性不變。 因此霍爾傳感器可用來探測

3、因此霍爾傳感器可用來探測磁場磁場和和電流電流，由此還可測，由此還可測量壓力、震動(dòng)等。量壓力、震動(dòng)等。第4頁/共40頁2022-7-65K KH H稱為霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B B和單位控制電流I I之下的霍爾電勢的大小。 一般均要求K KH H越大越好，K KH H與組件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān) 。由于半導(dǎo)體（特別是型半導(dǎo)體）的霍爾常數(shù)要比金屬的大得多，所以在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用N N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件。 第5頁/共40頁2022-7-66三、霍爾元件的結(jié)構(gòu) 在長邊的兩個(gè)端面上焊有兩根控制電流端引線（圖中1 1，11），在元件短邊的中間以點(diǎn)的形式焊有兩根霍爾電壓輸

4、出端引線（圖中2 2，22）。要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無PNPN結(jié)）。 第6頁/共40頁2022-7-67霍爾元件結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶话闶蔷匦伟雽?dǎo)體單晶薄片，國產(chǎn)霍爾片的尺寸一般為4mm4mm2mm2mm0.1mm0.1mm。近年來采用外延及離子注入工藝或采用濺射工藝制造的產(chǎn)品，尺寸小，性能好，并且生產(chǎn)成本低。第7頁/共40頁2022-7-68一、霍爾元件的主要特性參數(shù) ）輸入電阻）輸入電阻i i：霍爾元件兩控制電流端的直流電阻。：霍爾元件兩控制電流端的直流電阻。）輸出電阻）輸出電阻o o：兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢輸出端之間的電阻。：兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢輸

5、出端之間的電阻。）靈敏度）靈敏度：指元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控：指元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢。制電流下所產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢。）不等位電動(dòng)勢）不等位電動(dòng)勢o o：在額定控制電流作用下，無外：在額定控制電流作用下，無外加磁場時(shí)，兩霍爾輸出端之間的開路電壓。加磁場時(shí)，兩霍爾輸出端之間的開路電壓。）不等位電阻）不等位電阻roro：不等位電動(dòng)勢與額定控制電流之：不等位電動(dòng)勢與額定控制電流之比。比。7.27.2 霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差 第8頁/共40頁2022-7-696 6）額定控制電流）額定控制電流IcIc：額定控制電流是使霍爾元件：額定控制電

6、流是使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生在空氣中產(chǎn)生1010溫升的控制電流。大小與霍爾溫升的控制電流。大小與霍爾芯片的尺寸有關(guān)：尺寸越小，芯片的尺寸有關(guān)：尺寸越小，IcIc越小。越小。 7 7）寄生直流電勢）寄生直流電勢vgvg：在不加外磁場時(shí)，交流控制：在不加外磁場時(shí)，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電極之間產(chǎn)生的直流電流通過霍爾元件而在霍爾電極之間產(chǎn)生的直流電勢。電勢。8 8）霍爾電動(dòng)勢溫度系數(shù)）霍爾電動(dòng)勢溫度系數(shù)：霍爾電動(dòng)勢變化的百：霍爾電動(dòng)勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動(dòng)勢溫度系數(shù)。分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動(dòng)勢溫度系數(shù)。9 9）電阻溫度系數(shù)）電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)為溫度每變?yōu)闇囟让孔兓?1霍爾元

7、件材料的電阻變化率。霍爾元件材料的電阻變化率。第9頁/共40頁2022-7-610二、霍爾元件的誤差）零位誤差不等位電動(dòng)勢寄生直流電動(dòng)勢感應(yīng)零電動(dòng)勢自激場零電動(dòng)勢）溫度誤差注意：不等位電動(dòng)勢是霍爾零位誤差中最主要的一種。第10頁/共40頁2022-7-611一、霍爾元件的符號(hào)及常用電路 國產(chǎn)器件常用H H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號(hào)。如HZ-1HZ-1元件，說明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1HT-1元件，說明是用銻化銦材料制成的元件。 7.37.3 霍爾集成電路霍爾元件的符號(hào)霍爾元件的符號(hào)第11頁/共40頁2022-7-612第12頁/共40頁2022-7-6

8、13在磁場與控制電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。建立霍爾效應(yīng)的所需的時(shí)間很短（約1010- -12121010-14-14s s）, , 因此控制電流用交流時(shí)，控制電流的頻率也可以很高。 、基本電路 R RL L可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻控制電流由電源供給，其大小可以通過調(diào)節(jié)電阻來實(shí)現(xiàn)第13頁/共40頁2022-7-614、恒流工作電路、恒流工作電路 在恒流工作條件下，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)的影響。 溫度變化引起霍爾元件的輸入電阻變化，從而使控制電流發(fā)生變化帶來誤差，為了減少這種誤差，常采用恒流源供電。 第14頁/共40頁2022-7-615、恒壓工作電路

9、恒壓工作比恒流工作的性能要差些，只適用于精度要求不太高的地方。第15頁/共40頁2022-7-616、差分放大電路 霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。 一個(gè)運(yùn)放的放大電路一個(gè)運(yùn)放的放大電路第16頁/共40頁2022-7-617使用一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，霍爾元件的輸出電阻可能會(huì)大于運(yùn)算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，而采用上圖所示的電路，則不存在這個(gè)問題。三個(gè)運(yùn)放的三個(gè)運(yùn)放的放大電路放大電路第17頁/共40頁2022-7-618二、霍爾集成電路 隨著集成技術(shù)的發(fā)展，用集成電路把霍爾元件和相關(guān)的信號(hào)處理部件集成在一個(gè)單片上制成單片集成

10、霍爾元件。 按輸出信號(hào)的類型，霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。第18頁/共40頁2022-7-6191 1、霍爾線性傳感器 霍爾線形傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。 這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時(shí), ,霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化關(guān)系的霍爾電壓, ,經(jīng)放大器放大后輸出。 霍爾線性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。第19頁/共40頁2022-7-620UGN-3501TUGN-3501T 單端輸出的傳感器是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T T、U U兩種型號(hào)，T T型與U U型的區(qū)別僅是厚度的不同，T T型厚度為2.03mm2.03mm，U U型厚度

11、為1.54mm1.54mm。 第20頁/共40頁2022-7-621較典型的線性型三端霍爾器件UGN-3501 線性型三端 霍爾集成電路第21頁/共40頁2022-7-622 雙端輸出線性集成電路UGN-3501MUGN-3501M采用8 8腳封裝。1 1、8 8兩腳為輸出，5 5、6 6、7 7三腳之間接一個(gè)電位器，對(duì)不等位電動(dòng)勢進(jìn)行補(bǔ)償。 UGN-3501MUGN-3501M 第22頁/共40頁2022-7-6232 2、霍爾開關(guān)集成傳感器 它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)形式輸出。 它主要由它主要由穩(wěn)壓電源、霍爾組件、放大器、整形穩(wěn)壓電源、霍爾組件、放大器、整形電路、輸出電路電

12、路、輸出電路五部分組成。五部分組成。第23頁/共40頁2022-7-624 當(dāng)放大后的U UO O電壓大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時(shí)，輸出高電平，使V V導(dǎo)通，這種狀態(tài)我們稱之為開狀態(tài)。 當(dāng)磁場減弱時(shí)，霍爾元件輸出的U UO O很小，經(jīng)放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值電壓，輸出低電平，使V V截止，這種狀態(tài)我們稱為關(guān)狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)框圖第24頁/共40頁2022-7-625 從工作曲線上看，工作特性有一定的磁滯，這對(duì)開關(guān)動(dòng)作的可靠性是非常有利的。圖中的B BOPOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，B BRPRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度高于B BOpOp時(shí)，

13、輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度低于B BRPRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 工作特性曲線第25頁/共40頁2022-7-6267.47.4 霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾電勢是關(guān)于I I、B B、 三個(gè)變量的函數(shù)， 即： E EH H= =K KH HIBIBcoscos 利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。第26頁/共40頁2022-7-627一、霍爾壓力傳感器 敏感元件彈簧片一端固定，另一端安裝著霍爾元件。 當(dāng)輸入壓力增加時(shí)，彈簧伸長，使處于恒定梯度磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的

14、位移，從霍爾元件輸出的電壓的大小即可反映出壓力的大小。 第27頁/共40頁2022-7-628二、 霍爾電流傳感器 在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它輸出的霍爾電壓得出導(dǎo)線中流通電流的大小。 第28頁/共40頁2022-7-629霍爾電流傳感器演示鐵心 線性霍爾IC EH=KH IB 第29頁/共40頁2022-7-6301 1）直接測量式霍爾電流傳感器 由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。 在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會(huì)隨之升高。這些都會(huì)對(duì)測量精度

15、產(chǎn)生影響。 第30頁/共40頁2022-7-631第31頁/共40頁2022-7-6322 2）零磁通式（磁平衡式） 將霍爾器件的輸出電流放大后，通過補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，若滿足條件I IO ON N1 1= =I IS SN N2 2，則磁芯中的磁通為0 0，這時(shí)下式成立: : 12NNIISO當(dāng)達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由當(dāng)達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由I IS S及匝數(shù)比及匝數(shù)比N N2 2/ /N N1 1得到得到I IO O。 第32頁/共40頁2022-7-633三、霍爾傳感器用于角度檢測 將霍爾元件置于永久磁鐵的磁場中。其霍爾元件的輸出與角度成正比，即 si

16、nIBKUHH第33頁/共40頁2022-7-634四、霍爾開關(guān)按鍵 霍爾電路用磁體作為觸發(fā)媒介，當(dāng)磁體接近霍爾電路時(shí)，霍爾電路產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，當(dāng)磁體離開時(shí)電信號(hào)消失，霍爾按鍵就是按照這個(gè)原理來工作的。 霍爾開關(guān)按鍵開關(guān)是一個(gè)無觸點(diǎn)的按鍵開關(guān)。 第34頁/共40頁2022-7-635五、 霍爾無刷電機(jī) 1 1、由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長、可靠性高2 2、具有良好的旋轉(zhuǎn)特性，可以取得很寬的轉(zhuǎn)速特性、噪音低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2 23 3倍、穩(wěn)定性好。第35頁/共40頁2022-7-636第36頁/共40頁2022-7-637 霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞