霍爾傳感器課件

模塊三傳感器原理及檢測(cè)實(shí)訓(xùn),霍爾傳感器浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐文,3.4.1霍爾效應(yīng)3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用3.4.4測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法3.4.5直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn),返回首頁,3.4霍爾傳感器,返回首頁,3.4.1霍爾效應(yīng),半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的，故稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)被稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱為霍爾片或霍爾元件。,圖4-5-1霍爾效應(yīng)原理圖,返回首頁,3.4.1霍爾效應(yīng),當(dāng)磁場(chǎng)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、D方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)EH。,C,A,B,霍爾效應(yīng)演示,D,3.4.1霍爾效應(yīng),洛倫磁力作用下的電子流軌跡。,返回首頁,3.4.1霍爾效應(yīng),返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,霍爾片半導(dǎo)體薄片(因?yàn)閐小，KH大，l/b=2時(shí)KH最大)引線激勵(lì)電極(短邊端面)引線1、1霍爾電極(長(zhǎng)邊端面)引線2、2封裝外殼陶瓷或環(huán)氧樹脂,圖4-5-2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號(hào),1、霍爾元件(1)材料多用N型半導(dǎo)體(2)結(jié)構(gòu)和符號(hào),返回首頁,圖4-5-3霍爾電壓的基本測(cè)量電路,2、電路部分(1)基本電路(2)霍爾元件的輸出電路線性應(yīng)用、開關(guān)應(yīng)用(3)輸出疊加連接方式直流供電、交流供電,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,圖4-5-4霍爾元件的輸出電路,(a)線性應(yīng)用,(b)開關(guān)應(yīng)用,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,圖4-5-5霍爾元件輸出疊加連接方式,返回首頁,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,3、磁路部分圖4-5-6產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)霍爾片沿x方向移動(dòng)時(shí)，若控制電流I保持不變，則霍爾電勢(shì)為：,圖4-5-6霍爾式位移傳感器原理示意圖,3.4.2霍爾傳感器組成與基本特性,4、基本特性霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性；提高磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和增大激勵(lì)電流I，也可獲得較大的霍爾電勢(shì)。但I(xiàn)的增大受到元件發(fā)熱的限制；霍爾傳感器動(dòng)態(tài)性能好。例4.5-1P125,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,1、利用與I的關(guān)系可用于直接測(cè)量電流和能轉(zhuǎn)換為電流的其它物理量2、利用與B的關(guān)系可用于測(cè)量磁場(chǎng)及可轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)的其它物理量,圖4-5-7霍爾式鉗形電流表,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,3、利用與IB的關(guān)系可進(jìn)行乘法運(yùn)算或功率測(cè)量,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,圖4-5-8霍爾式功率變換器原理,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,應(yīng)用實(shí)例1、霍爾接近開關(guān)霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾開關(guān)。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體。,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示,n,=,60,f,4,(r/min),軟鐵分流翼片,開關(guān)型霍爾IC,T,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾元件,應(yīng)用實(shí)例2、霍爾特斯拉計(jì)(高斯計(jì)),3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用,霍爾元件,磁鐵,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度,霍爾元件,測(cè)量鐵心氣隙的B值,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,應(yīng)用實(shí)例3、霍爾轉(zhuǎn)速表,在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。,S,N,線性霍爾,磁鐵,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。,霍爾轉(zhuǎn)速表原理,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。,帶有微型磁鐵的霍爾傳感器,鋼質(zhì),霍爾,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法,只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。,霍爾元件,磁鐵,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,應(yīng)用實(shí)例4、霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置,采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。,汽車點(diǎn)火線圈,高壓輸出接頭,12V低壓電源輸入接頭,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足。,桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖,1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）,a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時(shí)，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。,汽車電子點(diǎn)火電路及波形,1點(diǎn)火開關(guān)2達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4點(diǎn)火線圈鐵心5點(diǎn)火線圈高壓側(cè)6分火頭7火花塞,a）電路b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形,當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時(shí)，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達(dá)林頓管截止，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場(chǎng)能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓。,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,汽車電子點(diǎn)火裝置使用的點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成,磁鐵,點(diǎn)火總成,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,應(yīng)用實(shí)例5、霍爾式無刷電動(dòng)機(jī),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(cè)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，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。,普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用,電動(dòng)自行車,可充電電池組,無刷電動(dòng)機(jī),3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,無刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。,無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,電動(dòng)自行車的無刷電動(dòng)機(jī)及控制電路,去速度控制器,利用PWM調(diào)速,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,壓舌,豁口,霍爾鉗形電流表（交直流兩用）,應(yīng)用實(shí)例6、霍爾鉗形電流表,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾鉗形電流表演示,直流200A量程,被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零,70.9A,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過,霍爾鉗形電流表演示,霍爾鉗形電流表演示,霍爾鉗形電流表演示,70.9A,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,被測(cè)電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心,手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開,將被測(cè)電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中,將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便,用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流,3.4.3霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾式電流諧波分析儀,被測(cè)電流的諧波頻譜,鐵心的開合縫隙,鐵心的杠桿壓舌,3.4.4測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法,四、測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法1、不等位電壓及其補(bǔ)償不等位電壓U0B=0時(shí)的空載霍爾電熱產(chǎn)生原因：1兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上2霍爾元件電阻率不均勻3霍爾元件厚度不均勻因?yàn)椴怀闪ⅲ匝a(bǔ)償辦法（圖4-5-10）(c)方案最好,圖4-5-9霍爾元件不等位電壓示意圖,3.4.4測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法,圖4-5-10不等位電壓補(bǔ)償原理,3.4.4測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法,2溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生原因霍爾元件內(nèi)阻r霍爾靈敏度KH隨溫度變化，故UH隨溫度改變。溫度誤差補(bǔ)償電路(1)恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻設(shè)輸入回路并聯(lián)電阻為一般很小，可忽略不計(jì)，且，故有,3.4.4測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法,圖4-5-11恒流源溫度補(bǔ)償電路,圖4-5-12恒壓源溫度補(bǔ)償電路,(2)采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻,3.4.4測(cè)量誤差及補(bǔ)償辦法,(3)合理選取負(fù)載電阻RL的阻值(4)采用溫度補(bǔ)償元件,2補(bǔ)償正溫度系數(shù)霍爾輸出，即,(5)不等位電壓U0的溫度補(bǔ)償,1補(bǔ)償負(fù)溫度系數(shù)霍爾輸