自動檢測技術(shù)及應(yīng)用(第3版)教案第8章-霍爾傳感器

《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用第3版》（專業(yè)必修課）授課教案PAGEPAGE9第8章霍爾傳感器授課教案學(xué)院授課教師授課日期授課班級課題：霍爾傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：2課次編號：11教材分析難點開關(guān)型霍爾集成電路的特性重點霍爾式電流傳感器教學(xué)目的和要求1．了解霍爾傳感器的工作原理；2．了解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．掌握霍爾式電流傳感器的計算；5．了解霍爾傳感器在汽車ABS中的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實施步驟演示、講授、課堂互動、分析教具：各種霍爾元件、霍爾傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容實驗演示1：將小型蜂鳴器的負極接到霍爾接近開關(guān)的OC門輸出端，正極接電池正極（Vcc端）。在沒有磁鐵靠近時，OC門截止，蜂鳴器不響。當(dāng)磁鐵靠近到一定距離（例如3mm）時，OC門導(dǎo)通，蜂鳴器響。將磁鐵逐漸遠離霍爾接近開關(guān)到一定距離（例如5mm）時，OC門再次截止，蜂鳴器停響。再將銅或不銹鋼工件，靠近霍爾接近開關(guān)，沒有任何反應(yīng)。實驗演示2：將一根導(dǎo)線穿過10A霍爾式電流傳感器的鐵芯，通入0.1~1A電流（將堿性1.5V電池短時間短路一下），觀察霍爾IC的輸出電壓的跳動，基本與輸入電流成正比。從以上演示，引入霍爾效應(yīng)、霍爾元件的工作原理。8.1霍爾元件的工作原理及特性8.1.1工作原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為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)，該電動勢稱為霍爾電動勢，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器。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）外形霍爾元件屬于四端元件：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端應(yīng)處于側(cè)面的中點。流入激勵電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場強度B越強，霍爾電動勢也就越高?；魻栯妱觿軪H可用下式表示EH=KHIB（8-1）式中KH——霍爾元件的靈敏度。若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度θ時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcosθ，這時的霍爾電動勢為EH=KHIBcosθ（8-2）分析：霍爾電動勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度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。常用的霍爾元件材料：N型硅。霍爾元件的殼體：可用塑料、環(huán)氧樹脂等制造。8.1.2特性參數(shù)（1）輸入電阻Ri數(shù)值從幾十歐到幾百歐。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。提問：霍爾元件的最大激勵電流Im應(yīng)以______為宜。A．0mAB．±0.1mAC．±10mAD．100mA（3）靈敏度KHKH=EH/(IB)，單位為mV/(mA·T）。（4）最大磁感應(yīng)強度Bm磁感應(yīng)強度超過Bm時，霍爾電動勢的非線性誤差將明顯增大，Bm的數(shù)值一般小于零點幾特斯拉（幾千高斯）。提問：為保證測量精度，圖8-3中的線性霍爾IC的磁感應(yīng)強度不宜超過______為宜。A．0TB．±0.10TC．±0.15TD．±100Gs8.2霍爾集成電路霍爾集成電路（又稱霍爾IC）的優(yōu)點：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。霍爾集成電路的分類：線性型和開關(guān)型兩大類。1．線性型霍爾集成電路線性型的內(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，輸出電壓為伏特級。圖8-2線性型霍爾集成電路a）外形尺寸b）內(nèi)部電路框圖圖8-3線性型霍爾集成電路輸出特性2．開關(guān)型霍爾集成電路開關(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)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。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)強度B的變化方向及數(shù)值00.020.0230.030.020.0160接上拉電阻RL高電平①高電平②低電平低電平低電平③高電平高電平不接上拉電阻RL高阻態(tài)高阻態(tài)低電平低電平低電平高阻態(tài)高阻態(tài)①：OC門輸出的高電平電壓由VCC決定；②、③：OC門的遲滯區(qū)輸出狀態(tài)必須視B的變化方向而定.8.3霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電動勢是關(guān)于I、B、θ三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcosθ，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、θ不變，則EH=f(B），這方面的應(yīng)用有：測量磁場強度的高斯計、測量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計數(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、微壓力計等。2）維持I、B不變，則EH=f(θ），這方面的應(yīng)用有角位移測量儀等。3）維持θ不變，則EH=f(IB），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、電能表等。8.3.1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θ的變化。圖8-8角位移測量儀結(jié)構(gòu)示意圖1－極靴2－霍爾器件3－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。則B正比于Ui，霍爾IC的Uo正比于B，可以改造為霍爾電壓傳感器。與交流電壓互感器不同點：可以測量直流電壓。8.3.2霍爾無觸點汽車電子點火裝置傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機點火裝置采用機械式分電器，由分電器轉(zhuǎn)軸凸輪來控制合金觸點的閉合，存在著易磨損、點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。采用霍爾無觸點電子點火裝置能較好地克服上述缺點。8.3.3霍爾式無刷電動機傳統(tǒng)的直流電動機使用換向器來改變轉(zhuǎn)子（或定子）的電樞電流方向，以維持電動機的持續(xù)運轉(zhuǎn)?；魻枱o刷電動機取消了換向器和電刷，而采用3只鎖相型霍爾IC來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，經(jīng)編碼和邏輯換向電路，觸發(fā)橋式功率開關(guān)電路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機轉(zhuǎn)子的持續(xù)轉(zhuǎn)動。8.3.4霍爾接近開關(guān)復(fù)習(xí)：第四章介紹過接近開關(guān)的基本概念?；魻柦咏_關(guān)只能用于鐵磁材料，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。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－運動部件2－軟鐵分流翼片提問：在接近式和滑過式中，哪一種不易損壞？為什么？發(fā)散性思維：電梯“平層”如何利用分流翼片的原理？提示：將霍爾接近開關(guān)與磁鐵組合體一起，安裝在廂式電梯的轎廂的頂部（底部），磁鐵與霍爾接近開關(guān)的間距約10mm。軟鐵分流翼片安裝在巷道。當(dāng)電梯的轎廂上升（或下降）到達設(shè)定位置時，軟鐵分流翼片剛好插到霍爾接近開關(guān)與磁鐵組合體之間的間隙中，磁鐵產(chǎn)生的磁力線被軟鐵分流翼片遮擋，霍爾接近開關(guān)感應(yīng)到的磁場減小，輸出翻轉(zhuǎn)為高電平。PLC得到霍爾接近開關(guān)的高電平信號，就降低轎廂的運行速度。當(dāng)?shù)诙捉咏_關(guān)也受到分流翼片遮擋時，PLC就使轎廂剎車?；魻杺鞲衅鞯钠渌猛荆夯魻栯妷簜鞲衅?、霍爾式電流傳感器、霍爾電能表、霍爾高斯計、霍爾液位計、霍爾加速度計等。8.3.5霍爾式電流傳感器能夠測量直流電流或脈動電流，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”，容易與計算機及二次儀表接口，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）磁強計式霍爾電流傳感器的工作原理用環(huán)形（也可以是方形）導(dǎo)磁材料（硅鋼片或鐵氧體）制作鐵心，套在被測電流流過的導(dǎo)線（有時候也稱電流母線）上，將導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場聚集在鐵心中。再在鐵心上切割出一個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。導(dǎo)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Uo或輸出電流IS。導(dǎo)線與霍爾器件只有磁場的聯(lián)系。加強絕緣工藝后，兩者之間的耐壓值可達10kV（50Hz時），有較好的電氣隔離性。圖8-13磁強計式霍爾電流傳感器原理及外形a）基本原理b）外形1－被測電流母線2－鐵心3－線性霍爾IC（2）磁平衡式霍爾電流傳感器分析：磁強計式霍爾電流傳感器的缺點：鐵心容易飽和，只能測量10A以下的電流，被測電流的波形可以是高達100kHz的正弦波和電工技術(shù)較難測量的中頻窄脈沖。磁平衡式霍爾電流傳感器：也稱“零磁通式霍爾電流傳感器”。這種電流傳感器的鐵心上繞有二次繞組，二次繞組與負載電阻RS串聯(lián)?；魻栯妱觿萁?jīng)放大，并轉(zhuǎn)換成與被測電流IP成正比的輸出電流Is。Is流經(jīng)多匝的二次繞組后，在鐵心中所產(chǎn)生的磁通與一次電流IP所產(chǎn)生的磁通相抵消，所以鐵心不易飽和及發(fā)熱。提問：磁平衡式霍爾電流傳感器的二次側(cè)開路，會有怎樣的嚴(yán)重后果？二次側(cè)短路，為什么不會燒毀二次側(cè)？霍爾器件在磁平衡式霍爾電流傳感器中的作用：起到指示零磁通的作用，屬于閉環(huán)測量，可減小溫漂等影響。二次繞組的匝數(shù)越多，電感量也越大，響應(yīng)就越慢。（3）霍爾式電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)及換算基于技術(shù)進步及技術(shù)嫁接的原因，在工程中，霍爾式電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)套用交流電流互感器的技術(shù)指標(biāo)：將被測電流稱為一次電流IP，將霍爾式電流傳感器的輸出電流稱為“二次電流”IS。提問：磁強計式霍爾式電流傳感器中，為什么沒有二次繞組？霍爾式電流傳感器的額定電流比KN=IPN/ISN。霍爾式電流傳感器中，IS一般被設(shè)置為較小的數(shù)值，4~20mA為優(yōu)選值。在工業(yè)現(xiàn)場，如果需要將輸出電流直接接到模擬式電流表，則可選擇額定輸出為500mA或其他等級的電流。提問：交流電流互感器的二次側(cè)電流大多數(shù)為多少安培？提示：5A。霍爾式電流傳感器又套用交流電流互感器的“匝數(shù)比”和“電流比”的概念來定義NP/NS和IS/IP。在霍爾式電流傳感器中，NP被定義為“一次繞組”的匝數(shù)，一般NP=1匝；NS為廠商所設(shè)定的二次繞組的匝數(shù)。提問：磁強計式霍爾式電流傳感器存在二次繞組嗎？匝數(shù)比i=NP/NS，額定電流比為KN=IPN/ISN。根據(jù)磁場有關(guān)定律，同一個鐵心中的一次繞組與二次繞組有相等的安匝數(shù)，即：IPNP=ISNS，或（8-3）依據(jù)霍爾式電流傳感器的額定技術(shù)參數(shù)和輸出電流IS、匝數(shù)比、額定電流比以及式（8-3），可以計算得到被測電流IP。提問：如果將一只負載電阻（有時也稱為取樣電阻）RS串聯(lián)在霍爾式電流傳感器二次繞組的輸出電流端和公共參考端之間，就可以得到什么信號？提示：可參見圖8-20或圖13-30。二次輸出電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后接到微處理器，從而快速跟蹤被測電流的變化。例8-1設(shè)某型號霍爾式電流傳感器的額定額定電流比KN=IPN/ISN=300:0.3，匝數(shù)比i=NP/NS=1/1000，NP=1，“二次負載電阻”RS=30Ω（不允許開路）。通電后，用數(shù)字電壓表測得二次輸出電壓有效值US=4.5V，求：1）額定電流IPN及ISN；2）流過RS的二次電流IS；3）被測電流IP。解1）由額定電流比KN=300:0.3可知，IPN=300A，ISN=0.3A。2）IS=US/RS=4.5V/30Ω=0.15A。3）根據(jù)式（8-3），被測電流IP為圖8-20霍爾式電流傳感器及外部接線a）霍爾交直流鉗形電流表b）霍爾電流諧波分析表c）霍爾式電流傳感器的輸出電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖13-30主軸電動機功率監(jiān)控框圖（4）霍爾式電壓傳感器“磁平衡式霍爾電壓傳感器”的工作原理與“磁平衡式霍爾電流傳感器”類似。提問：可以測量直流電壓嗎？在測量回路中，主要是起什么作用？提示：起隔離作用。提問：霍爾電壓傳感器可以直接接到被測電壓上嗎？提示：必須串聯(lián)適當(dāng)功率的限流電阻，外電路的計算見本章“思考題與習(xí)題”的第8-5題及圖13-30。發(fā)散性思維：如何利用微處理器、霍爾式電流傳感器、霍爾電壓傳感器，設(shè)計出霍爾式電功率計？復(fù)習(xí)電工學(xué)：為什么交流視在功率S的單位為VA，無功功率Q的單位是var（乏）？例：磁平衡式霍爾電壓傳感器可用于直流/交流電壓的測量，應(yīng)用電路如圖13-30所示。設(shè)霍爾電壓傳感器在額定輸入電壓（500V）時的一次額定輸入電流IPN=10mA，繞組的直流電阻忽略不計，求：1）限流電阻R1的阻值；2）計算限流電阻R1的最大消耗功率P1為多少瓦？3）若所選購的限流電阻的額定功率是實際消耗功率P的4倍，則限流電阻的標(biāo)稱功率P1N為多少瓦？4）設(shè)該霍爾電壓傳感器的額定輸出電流ISN=20mA，若希望二次輸出電壓Uo=5V，則負載電阻RS為多少歐？5）設(shè)該霍爾電壓傳感器的準(zhǔn)確度等級為0.5級，計算可能出現(xiàn)的最大絕對誤差Δm；6）當(dāng)測得傳感器的輸出電壓Uo僅有0.1V時，求被測電壓Ui的估計值；7）寫出Ui的實際范圍；8）寫出示值相對誤差γx；9）若希望該電壓傳感器的示值相對誤差不超過2%，計算被測電壓的下限值Uimin（不列入試卷范圍）。解：1）如果忽略一次繞組的直流電阻，限流電阻R1=Ui/IPN=500V÷10mA=50kΩ。2）如果忽略一次繞組的直流電阻，限流電阻R1的最大消耗功率P1=UiIPN=500V×10×10-3A=5W。3）若所選購的限流電阻的額定功率是實際消耗功率P的4倍（4倍余量），則限流電阻的標(biāo)稱功率P1N=4UiIPN=4×5W=20W。4）設(shè)該霍爾電壓傳感器的額定輸出電流ISN=20mA，若希望二次輸出電壓Uo=5V，則