霍爾傳感器及其應(yīng)用

1、霍爾傳感器及其應(yīng)用,姓名：陸鳴超 學(xué)號(hào)：13721206 導(dǎo)師：苗中華 郵箱：,目錄,一、霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 二、霍爾傳感器的分類(lèi)及應(yīng)用 三、霍爾傳感器在測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)舉例,介紹,將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上稱之為集成霍爾傳感器(簡(jiǎn)稱霍爾傳感器)。它是磁敏傳感器最常見(jiàn)的一種, 具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力, 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢杂么艌?chǎng)作為被檢測(cè)信息的載體, 在測(cè)量技術(shù)中, 將位移、力、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等非電、非磁物理量轉(zhuǎn)換為電量,1、霍爾傳感器工作原理,依據(jù)原理：霍爾效應(yīng),霍爾效應(yīng)原理：把一個(gè)長(zhǎng)度為

2、L，寬度為b,厚度為d的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體薄片兩端通過(guò)控制電流I，在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，在薄片的兩外兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)勢(shì)U,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力fL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感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 fL=evB,圖2 霍爾效應(yīng)原理圖,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U在半導(dǎo)體膜上產(chǎn)生電場(chǎng)，于是電子在受到電場(chǎng)力fE的作用，方向與洛倫茲力相反。 fE =eU/b,圖3 霍爾效應(yīng)原理圖,當(dāng)洛倫茲力和電場(chǎng)力大小相等的時(shí)候就達(dá)到了平衡即： fL +fE =0。于是就產(chǎn)生了霍爾電勢(shì)EH。 設(shè)通過(guò)半導(dǎo)體的電流I為: I=-envbd（n

3、為單位體積的載流子數(shù)量）則： EH=IB/end=SHIB SH靈敏度系數(shù),圖4 霍爾效應(yīng)原理圖,霍爾元件材料為什么必須用半導(dǎo)體材料？ 用金屬材料可以么,霍爾元件材料為什么必須用薄片？ 用厚片可以么,EH=IB/end=SHIB 可見(jiàn)，元件厚度越小，輸出電壓也越大。 霍爾系數(shù):SH=1/(n*q)式中,n為載流子密度,一般金屬中載流子密度很大,所以金屬材料的霍爾系數(shù)系數(shù)很小,霍爾效應(yīng)不明顯,1.1、霍爾傳感器材料,圖5 實(shí)物圖符號(hào)和測(cè)量電路,1鍺(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。 3砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似,1.2、霍爾傳感器的主要技

4、術(shù)指標(biāo),1）額定激勵(lì)電流 （2）靈敏度 （3）輸入電阻和輸出電阻 （4）不等位電動(dòng)勢(shì)和不等位電阻 （5）寄生直流電勢(shì) （6）熱阻 （7）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM,1.2.1、不等位電勢(shì),概念：當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在，稱為不等位電勢(shì)。 出現(xiàn)的原因： 霍爾電極安裝不對(duì)稱 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻 控制電極接觸不良造成的電流不均勻分布,不等位電勢(shì)的解決方案,圖6 不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路,把霍爾元件等效為一個(gè)電橋,所有能使電橋達(dá)到平衡的方法都可以用來(lái)補(bǔ)償不等位電阻,1.2.2、溫度補(bǔ)償,產(chǎn)生原因：霍爾元件是半導(dǎo)體材料制作的元件，因

5、此，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度變化時(shí)，載流子濃度、電阻率都會(huì)有變化，導(dǎo)致霍爾系數(shù)靈敏度和輸入輸出電阻的變化,1.2.2、溫度補(bǔ)償,采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。如圖所示,圖7 溫度補(bǔ)償電路,2、霍爾傳感器分類(lèi),霍爾集成傳感器分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類(lèi),1、線性型霍爾集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系。而且在0.15T范圍內(nèi)有較好的線性。因此可廣泛應(yīng)用在測(cè)量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域,圖8 線性霍爾傳感器特性,較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。目前,普及型錄音機(jī)一般都沒(méi)有全自動(dòng)停機(jī)裝置。這樣,在錄音機(jī)快進(jìn)、快退完畢或軋帶時(shí)電機(jī)還會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),很容易損壞,并會(huì)對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)部分造成較大磨損。為解

6、決這個(gè)問(wèn)題,可采用UGN3501T來(lái)進(jìn)行全自動(dòng)停機(jī)控制,圖9 UGN3501實(shí)物圖和錄音機(jī)全自動(dòng)停機(jī)裝置,2、開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器,當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bnp時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bnp以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)Brp時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健np與Brp之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠,Bnp,Brp,圖10 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器特性,較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020等,圖11 3020外形和結(jié)構(gòu)圖,在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則

7、將撞壞霍爾IC）起到限位的作用,圖12 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器應(yīng)用,2、霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、 三個(gè)變量的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。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,常見(jiàn)霍爾傳感器應(yīng)用,霍爾傳感器,霍爾特斯拉計(jì),霍爾接式近開(kāi)關(guān),采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無(wú)磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足,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 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

8、,a）原理圖 b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形 1點(diǎn)火開(kāi)關(guān) 2達(dá)林頓晶體管功率開(kāi)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,位移測(cè)量原理圖,磁鐵中心位置磁場(chǎng)強(qiáng)度為零,磁場(chǎng)分布越均勻輸出線性越好,比較適用于小位移的機(jī)械振動(dòng),壓力傳感器原理圖,彈性元件,收到不同的壓力產(chǎn)生不同的位移,霍爾元件在磁場(chǎng)中移動(dòng)使霍爾電勢(shì)變化,3、霍爾測(cè)速計(jì),霍爾傳感器可以測(cè)量的物理參數(shù)有磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。在電機(jī)控制系統(tǒng)中,測(cè)速電路是其中具有代表性的實(shí)例之一。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用博世力士樂(lè)傳感實(shí)驗(yàn)裝置, 主要由傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)、直流穩(wěn)壓電源、傳感器、直流電機(jī)和信號(hào)處理電路模塊組

9、成,3. 1、框圖設(shè)計(jì),根據(jù)霍爾傳感器的工作原理, 設(shè)計(jì)一個(gè)路程測(cè)試電路, 通過(guò)信號(hào)拾取、低通濾波電路、單片機(jī)信號(hào)處理、顯示輸出等單元電路實(shí)現(xiàn)其功能, 采用數(shù)字示波器進(jìn)行輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)觀察和測(cè)量。該測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示,圖13 霍爾傳感器設(shè)計(jì)性電路框圖,3.2、工作原理,信號(hào)拾取,信號(hào)處理,信號(hào)顯示,旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)速度的數(shù)字檢測(cè)基本方法是利用與該設(shè)備同軸連接的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列，測(cè)量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動(dòng)方向,3.2.1、信號(hào)拾取電路,其拾取過(guò)程大致是這樣的：信號(hào)盤(pán)有24個(gè)齒，當(dāng)信號(hào)盤(pán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)盤(pán)的每個(gè)齒經(jīng)過(guò)HZL2

10、01探頭正前方時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。對(duì)該信號(hào)盤(pán)而言，每24個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)電機(jī)的1個(gè)工作循環(huán)。因此，脈沖信號(hào)的頻率大小就反映了信號(hào)盤(pán)轉(zhuǎn)速的高低，可由單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量并換算為轉(zhuǎn)速,圖14 信號(hào)盤(pán)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)信號(hào)圖,3.2.2、信號(hào)處理電路,通過(guò)三極管和反相器調(diào)理成一個(gè)可以滿足單片機(jī)輸入脈沖的方波脈沖信號(hào),反相器,圖15 信號(hào)處理電路,三極管整形電路,測(cè)速的計(jì)算公式： 根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有1：M法(測(cè)頻率法)、T法(測(cè)周期法)和M/T法(頻率/周期法) M法:在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)霍爾傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。（缺點(diǎn)：起止時(shí)間具有隨機(jī)性） T法:它是測(cè)量

11、霍爾傳感器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定轉(zhuǎn)速。 M/T法。它是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)霍爾傳感器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。 (缺點(diǎn)：它的實(shí)時(shí)性差,T法實(shí)際上是對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，相對(duì)于 M 法對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，該方法有著較高的精度。另外 T 法對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖都進(jìn)行了轉(zhuǎn)速的計(jì)算，最大限度地利用了傳感器所提供的轉(zhuǎn)速信息，能實(shí)時(shí)地反映轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。綜合考慮文中系統(tǒng)采用了測(cè)周期法 (T 法,單片機(jī)信號(hào)處理,信號(hào)處理電路輸出端與 AT89C52 單片機(jī)的 INT1引腳相連，由 INT1 引腳接收轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器 T1 的啟動(dòng)和停止。當(dāng)INT1 低電平

12、時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)，高電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)器中記得的數(shù)值m 為12分頻時(shí)鐘的周期數(shù)。該裝置采用 T 法測(cè)速，因此轉(zhuǎn)速測(cè)量公式為n=60f/zm。其中f 為AT89C52的內(nèi)部時(shí)鐘脈沖頻率，m 為單片機(jī)響應(yīng)中斷從計(jì)數(shù)器 T1 讀出的計(jì)數(shù)值。60代表每分鐘的轉(zhuǎn)速。z為齒輪信號(hào)盤(pán)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù),3.2.3、信號(hào)顯示電路,由 AT89C52單片機(jī)和 LED 顯示器組成, 單片機(jī)的I/O口線數(shù)據(jù)采用串行輸入并行輸出, LED顯示器采用共陽(yáng)極接法,圖16 信號(hào)顯示電路,圖17 單片機(jī)和74LS164接法,串行輸入并行輸出,3.3、數(shù)據(jù)仿真,示波器檢測(cè), 可以得出傳感器的輸出電壓與車(chē)輪的轉(zhuǎn)速有關(guān), 如表2所示,結(jié)語(yǔ),轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置選用集成霍爾齒輪傳感器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，具有頻率響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?；魻杺鞲衅鬏敵龅男盘?hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，