自動檢測技術(shù)及儀表

1、昆明理工大學自動檢測技術(shù)及儀表課程設(shè)計題目：開關(guān)型霍爾傳感器 學院：信息工程與自動化學院專業(yè)：測控技術(shù)與儀器年級：姓名：學號：目錄摘要.2霍爾傳感器的工作原理2開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理及組成結(jié)構(gòu)4開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器分類5開關(guān)型霍爾傳感器的工程實現(xiàn)8結(jié)合實際案例分析傳感器的應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域出租車計價器13總結(jié)17參考資料17一摘要開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器是磁敏接近式傳感器，具有應(yīng)用靈活、寬工作電壓范圍和采樣頻率高等特點，是一種可靠性高無接觸清潔型傳感器，在位置傳感、旋轉(zhuǎn)測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器主要分單極接近型和雙極鎖存型。開關(guān)型霍爾傳感器是集成霍爾傳感器的一種, 它主要被

2、應(yīng)用于周期和頻率的測量、轉(zhuǎn)速的測量、液位控制等方面. 從原理上講, 霍爾開關(guān)顯得較為簡單, 但是設(shè)計霍爾開關(guān)卻需要具備較寬的知識結(jié)構(gòu), 它不僅要求具備物理學知識, 而且還要求具備電子技術(shù)等方面的知識。本文簡單扼要地介紹了開關(guān)型霍爾集成傳感器的原理和特性, 概括地介紹了幾種使用型式, 列舉了在出租車計價器等的實用方法。介紹了一種簡單、實用的測試電路。關(guān)鍵詞： 霍爾效應(yīng) 霍爾元件 開關(guān)型 霍爾集成傳感器 成品傳感器二.霍爾傳感器的工作原理由霍爾效應(yīng)原理可知, 當霍爾片處于磁場中, 并在垂直于磁場的方向上通以電流時, 霍爾片上與電流和磁場垂直的方向上將會有霍爾電勢差VH= K B I 輸出. 當通過

3、霍爾片的電流恒定不變時, 改變磁場的大小, 可以改變霍爾電勢差VH.開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器A 、硅霍爾片B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D 和OC 門輸出E 五部分組成, 如圖1 所示. 從輸入端1 輸入電壓VCC, 經(jīng)穩(wěn)壓器A 穩(wěn)壓后加在硅霍爾片B的兩端, 以提供恒定不變的工作電流. 在垂直于霍爾片的感應(yīng)面方向施加磁場, 產(chǎn)生霍爾電勢差V H, 該VH 信號經(jīng)差分放大器C 放大后送至施密特觸發(fā)器D 整形. 當磁場達到“工作點”( 即Bop) 時, 觸發(fā)器D 輸出高電壓( 相對于地電位) , 使三極管E 導(dǎo)通, 輸出端Vo 輸出低電位,此狀態(tài)稱為“開”.當施加的磁場達到“釋放點”( 即Brp

4、) 時, 觸發(fā)器D 輸出低電壓, 使三極管E截止, 輸出端V o 輸出高電位, 此狀態(tài)稱為“關(guān)”.這樣2 次高低電位變換, 使霍爾傳感器完成了1 次開關(guān)動作. 如圖2 所示. B op- B rp稱為磁滯.在此差值內(nèi), 輸出電位V o 保持高電位或低電位不變, 因而輸出穩(wěn)定可靠.三.開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理及組成結(jié)構(gòu)（一）測量原理開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對稱的施密特整形電路。圖3是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的

5、S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出，當B=0時，V0為高電平；當外磁場增至BOP時，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降至BrP時，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點。對于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V24V。 UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當圓盤齒經(jīng)過測量磁路的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計即可測

6、出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。用集成霍爾傳感器還可以組成過流檢測保護電路，該電路如圖4所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中，調(diào)整傳感面的位置，即可調(diào)節(jié)其動作的起始磁場，圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替，可以組成無觸點的過流保護電路。開關(guān)型霍爾元件最具特點的應(yīng)用是在無刷電機上。通常的直流電機采用電刷型整流子供電，這種供電機構(gòu)工作時噪聲大，電機的壽命由于換相器的嚴重磨損大大減校利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機的上述弊端，而且可以對電機直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機中，采用兩個霍爾元件和旋轉(zhuǎn)磁鋼構(gòu)成電機本體，利用霍爾元件IC1、IC2去開關(guān)驅(qū)動晶閘管，從而控

7、制流過電機繞組的電流方向來完成換向；調(diào)速則通過伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來完成。由于采用電子換向，該電機運轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)，幾乎無干擾。（二）構(gòu)造原理由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢的大小取決于： Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。對于一個給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測的磁場強度B。一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有

8、的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。四 開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器分類 1 雙極性開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器原理和組成結(jié)構(gòu)成品霍爾傳感器在芯片封裝時無統(tǒng)一標準，或用磁體的S極觸發(fā)，或用N極觸發(fā)，當磁體是嵌入固定時，用戶在維護和更換時需要對磁體極性做出判別，應(yīng)用不便。雙極性開關(guān)型霍爾傳感器則無須判別磁體極性，具有很大的靈活性和方便性。11 基本原理霍爾芯片A3144的某一個感應(yīng)面為磁體的S極敏感，假設(shè)該面為s面，那么另一面一定是N極敏感，假設(shè)該面叫N面。將兩個開關(guān)型霍爾芯片A、B貼近疊放在一起，A芯片在前且s面朝外

9、，B芯片在后且N面朝外，兩芯片的開路輸出0a、0b連接作為一個輸出端，共用同一電源，并封裝在一個銅質(zhì)羅栓裝置中，芯片的作用面朝向磁體的磁極N或S，結(jié)構(gòu)原理參見圖1。12 實現(xiàn)方法 由于A、B芯片前后疊放，磁場要穿過A芯片作用B芯片的敏感面，顯然B芯片的靈敏度會有所下降。實驗證明磁體對底層B芯片的觸發(fā)距離與A芯片相比減少15mm左右，為補償B芯片靈敏度的降低，可通過在其背后襯加一小鐵磁質(zhì)材料的方法來補償。稀土磁鋼的磁場無須補償就能夠穿過A芯片并能作用觸發(fā)B芯片，當S極接近傳感器時，A芯片輸出，N極接近傳感器時，B芯片輸出。這樣，無論磁體的那個磁極接近傳感器，總有一個芯片輸出，而對磁體的極性無需關(guān)

10、心。雙極性開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器優(yōu)點是無須關(guān)心磁體極性，傳感器的互換性強，更換維護方便。不足的是采用兩個芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距離稍微減少。2 霍爾效應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)編碼器精確測量旋轉(zhuǎn)角時常采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(xiàn)，但在使用環(huán)境惡劣和精度要求不高的場合，使用光電旋轉(zhuǎn)編碼器會造成系統(tǒng)成本過高，為提高可靠性一般采用多個廉價可靠的開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器按不同的角度位置安裝，用旋轉(zhuǎn)的磁體分別掠過傳感器的作用面來采樣。當采樣點較多時，這種方法使用的傳感器數(shù)量和信號線較多，安裝不便，且占用控制系統(tǒng)接口資源較多。21 基本原理同雙極性開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，不同點是A、B兩芯片分別輸出。其中芯片A作為起始”零

11、點”脈沖輸出，芯片B作為旋轉(zhuǎn)角度”順序”脈沖輸出，無論采樣點是多少，只需安裝一支旋轉(zhuǎn)編碼傳感器，一條四芯電纜線，占用兩個系統(tǒng)接口。22 實現(xiàn)方法安裝磁體時，其中只有一個比如s極朝向傳感器的作用面，其它磁體N極朝向作用面，當磁體旋轉(zhuǎn)時，s極作用開關(guān)型霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器時，編碼器輸出一個零點脈沖，而N極作用旋轉(zhuǎn)編碼器時則是序列脈沖輸出，由控制系統(tǒng)做出判斷和計量，見附圖1。由于磁體間有較大間隙，零點脈沖與序列脈沖并不重疊，采用兩線輸入，控制系統(tǒng)的軟件處理非常簡單。這種傳感器優(yōu)點是用一個傳感器代替多個傳感器，安裝簡單成本低，采樣點越多，優(yōu)越性越明顯。不足的是兩個輸出的脈沖寬度與旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)；采樣點較多

12、時，需要較大直徑的磁體安裝輪。在印刷設(shè)備的程序控制系統(tǒng)中，采用了開關(guān)型霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，減少了傳感器數(shù)量。3 磁偏置霍爾效應(yīng)高速齒輪接近開關(guān)電容或電感式接近開關(guān)由于工作頻率低，難以滿足高速旋轉(zhuǎn)的測量。而能滿足高速測量的齒輪傳感器則價格相對昂貴?？衫瞄_關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器芯片設(shè)計廉價的高速霍爾效應(yīng)接近開關(guān)。31 基本原理 開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器對磁感應(yīng)強度有一臨界值，磁感應(yīng)強度超過臨界值時霍爾芯片被觸發(fā)輸出。采用順磁物質(zhì)或加大磁通量，可增強磁感應(yīng)強度，鐵質(zhì)齒輪正好能滿足這一要求。32 實現(xiàn)方法 將一小型高強度磁體與霍爾芯片封裝在一個傳感器中，磁體與芯片的距離稍大于臨界觸發(fā)距離，這

13、時芯片無輸出，相當于給芯片預(yù)加一磁偏置。當鐵磁質(zhì)接近傳感器時，由于鐵磁質(zhì)產(chǎn)生較強的附加磁場，與原磁感應(yīng)強度方向相同，加強了作用于霍爾芯片的磁感應(yīng)強度，當強度大于臨界觸發(fā)強度時芯片有接近信號輸出。這種傳感器的優(yōu)點是測量速度高達10KHz，且成本低廉。在高溫、高濕、飛花落塵嚴重的惡劣環(huán)境中，性能穩(wěn)定，效果較好。不足的是這種設(shè)計只能檢測鐵磁質(zhì)，作用距離稍近，須選用磁感應(yīng)強度長期穩(wěn)定的磁體。4 霍爾效應(yīng)可逆計量傳感器光電可逆計量傳感器具有較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)換電路和機械傳動裝置，價格相對昂貴，安裝精度要求高，存在傳動摩擦，不利于高速連續(xù)運轉(zhuǎn)。利用鎖存型霍爾效傳感器配合簡單的轉(zhuǎn)化電路可實現(xiàn)可逆計量，克服了光電可

14、逆計量傳感器的缺點，性能價格比高。41 基本原理鎖存型霍爾效應(yīng)傳感器A3290具有觸發(fā)鎖存特點，需采用磁體的N、s極交替觸發(fā)才有信號輸出，單極性磁極觸發(fā)不能輸出連續(xù)脈沖，因此N、S極間隔影響輸出脈沖寬度。利用這一特點，合理安排磁極安裝位置，鎖存型霍爾效傳感器可設(shè)計轉(zhuǎn)向判定傳感器，用于可逆計量。圖3霍爾效應(yīng)可逆計量傳感器電路原理42 實現(xiàn)方法雙磁鐵采用非對稱安裝，其中一個磁鐵的s極朝外，另一個N極朝外，參見圖3。假設(shè)s極置位霍爾傳感器HL，N極復(fù)位傳感器，顯然磁極順時針和逆時針分別掠過HL時，輸出脈沖寬度不同。電路中IC為六施密特觸發(fā)器，ICB和ICC將HL的輸出信號反相并分為兩路信號，一路輸入

15、到由R1、C1與ICA構(gòu)成的微分電路，輸出計量脈沖。另一路輸入到由R2、C2與ICD構(gòu)成的積分電路。合理選取R2、C2參數(shù)，使積分電路對寬脈沖能夠積分到ICD的輸入門限電壓，而對窄脈沖則不能。顯然磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時ICD輸出高電平，順時針旋轉(zhuǎn)時ICD輸出低電平。采樣輪的正反轉(zhuǎn)得到判斷，并輸出可逆計量控制電平。這種傳感器的優(yōu)點是電路簡單，特別適于高速旋轉(zhuǎn)采樣系統(tǒng)，不足的是低速旋轉(zhuǎn)會影響判斷。實際應(yīng)用時為修正低速缺點，采樣輪直徑盡量大，s、N極要盡量靠近。五 開關(guān)型霍爾傳感器的工程實現(xiàn)1 元件的選擇與確定開關(guān)型霍爾傳感器的設(shè)計方案很多, 這里提供一種工程上實用的實施方案.硅霍爾片靈敏度K = 21.

16、 7mV/ ( mA·T ) ,工作電流的范圍為010mA, 本文將工作電流定為4mA.選用的磁鋼是直徑為D = 11. 812mm, 厚度為h= 3. 806mm 的釹鐵硼.選用的施密特觸發(fā)器為CD40106( 六反相器) . 當電源電壓為V CC= 15V 時, 觸發(fā)器正觸發(fā)的閾值電壓為8. 3V , 負觸發(fā)的閾值電壓為5. 2V( 實測) .初步選定霍爾開關(guān)的“工作點”為Bop =70mT , 此時磁鋼與霍爾片的距離為r =4. 2mm. 根據(jù)霍爾效應(yīng)原理, 當B op= 70mT 時,霍爾電勢差為VH= 6. 1mV. 若要使D 觸發(fā)器輸出轉(zhuǎn)換為高電平, 它的輸入要大于8.

17、3V, 要將VH 放大1 360 倍以上. 由此增益推出, 若要使D 觸發(fā)器輸出轉(zhuǎn)換為低電平, 它的輸入要小于5. 2V, 對應(yīng)的VH 小于3. 8mV , “釋放點”為B rp= 44mT , 此時磁鋼與霍爾片的距離為r =5. 4mm.硅霍爾片提供的差模直流信號VH 放大后要用單端方式輸出, 雖然它的差模信號只有幾mV, 但是共模噪聲可高達幾V, 且差模信號的放大倍數(shù)要求上千倍之高, 因此放大器減小輸入漂移、噪聲的能力和抑制共模信號的能力等因素對總的精度至關(guān)重要. 考慮到上述這些特點, 若采用單級放大, 一個微小的擾動都會使輸出達到飽和, 而且單級放大倍數(shù)過大容易引起線路自激振蕩, 同時降

18、低頻帶寬度. 通過對多種方案的試驗、比較, 我們認為應(yīng)該采用多級放大, 本實驗中采用的2 級放大的高輸入阻抗差分放大器效果最好.所設(shè)計的開關(guān)型霍爾傳感器的電路如圖3所示, 其中: A1 A4 運算放大器全部采用±15V 電源.2 差分放大器的設(shè)計（1）輸入電阻僅使用2 個放大器的高輸入阻抗放大電路如圖3 中的虛線框( 1) 部分, 它是2 個同相放大器的簡單串聯(lián)組合, 差動輸入信號從2 個放大器的同相端送入, 從而獲得很高的輸入電阻. 根據(jù)運算放大器的理論知識, 由圖3 不難看出, 差動輸入電阻幾乎就是2 個運算放大器的共模輸入電阻之和. 當A1, A2 的共模輸入電阻rC 相等時,

19、 本電路的差動輸入電阻可表示為r id2rC ( 1)共模輸入電阻為r iC 1/2rC ( 2)3 差分放大電路的增益電路中運放采用的是雙電源制, 這樣, 對釹鐵硼的極性不做要求時, 對應(yīng)的差動放大器的輸出就可以為正或負. 因此, 第2 級放大采用的是絕對值電路, 如圖3 的虛線框( 3) 部分, 設(shè)計要求R 12= R 13= R14= 2R 16= R . 當Vo1> 0 時, D2導(dǎo)通, 有這樣, 無論釹鐵硼的N 極還是S 極與霍爾片相對, 第2 級運放均輸出正電壓, 以便控制D 觸發(fā)器和OC 門的正常工作. 其增益為通過選配電阻, 再經(jīng)過外部調(diào)零, 使得第1級的放大倍數(shù)為A1=

20、 342, 第2 級的放大倍數(shù)為A 2= 4, 總的放大倍數(shù)為A = A1A 2= 1 368.在不同外部條件下進行測量, 其穩(wěn)定性高, 與理論值符合性好, 輸出的高、低電位轉(zhuǎn)換點可靠、穩(wěn)定.該設(shè)計線路的優(yōu)越性在于:1) 由2 個運放組成的差動放大電路的精度高, 且與由3 個運放組成的差動放大電路相比,性價比較好;2) 可靠的外部調(diào)零線路保證了輸出的準確性;3) 絕對值放大電路使得測量時不需要進行磁極判斷.五 結(jié)合實際案例分析傳感器的應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域出租車計價器1 開關(guān)型霍爾集成傳感器幾種使用型式（1）碰頭式如圖3, 磁鐵處在開關(guān)型霍爾傳感器的中心軸線上, 且移動方向與中心軸線相一致。當磁鐵

21、接近開關(guān)霍爾傳感器, 使B >B OP , 開關(guān)霍爾傳感器導(dǎo)通, 輸出低電平。當磁鐵反向離開時, B <BRP, 開關(guān)霍爾傳感器斷開。輸出高電平。磁鐵在這種情況下往復(fù)移動就產(chǎn)生高低電平的信號。（2）滑近式有平行滑近和旋轉(zhuǎn)滑近。平行滑近: 磁鐵端平面與霍爾傳感器工作面的延長面相平行。其間距使磁鐵平行滑近正對開關(guān)型霍爾傳感器時, 所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B >BOP, 開關(guān)型霍爾傳感器輸出為低電平, 磁鐵平行滑離。使B <BRP 時,開關(guān)型霍爾傳感器產(chǎn)生高電平, 旋轉(zhuǎn)滑近。如圖4, 是出租車計價器的一種傳感器。由開關(guān)型霍爾傳感器、轉(zhuǎn)軸( 上嵌有磁鐵) 、上下軸承、鋁材制成的殼體等

22、組成。轉(zhuǎn)軸與汽車變速箱連動, 汽車行駛時轉(zhuǎn)軸也旋轉(zhuǎn),當嵌有的磁鐵, 從側(cè)面滑近正對開關(guān)型霍爾傳感器時, 輸出低電平; 當磁鐵滑離時, 開關(guān)型霍爾傳感器輸出高電平。轉(zhuǎn)軸不斷旋轉(zhuǎn), 所產(chǎn)生的高、低電平供計價器計數(shù)。（3）磁屏蔽式開關(guān)型霍爾傳感器正對著磁鐵, 它們之間有一定距離的空氣隙,這時開關(guān)型霍爾傳感器受到磁場作用, 輸出低電平。若在空氣隙中加一片軟鐵薄片, 如圖5- 1 所示。將作用于開關(guān)型霍爾傳感器上的磁場屏蔽, 輸出高電平。L22 型出租車計價器檢定裝置的傳感器就是采用這種型式: 如圖5- 2, 磁鐵與開關(guān)型霍爾傳感器裝在銅材制成的殼體中。開關(guān)型霍爾傳感器正對磁鐵, 它們之間有一定的空氣隙

23、。由軟鐵薄片制成的轉(zhuǎn)盤, 形狀如圖5- 3 所示, 轉(zhuǎn)盤上有對稱且相互間隔的”葉片”和”缺口”。轉(zhuǎn)盤安裝在檢定裝置主滾輪的軸端, 隨主滾輪轉(zhuǎn)動。當葉片轉(zhuǎn)入氣隙中, 磁力線被屏蔽, 霍爾傳感器輸出高電平。當葉片轉(zhuǎn)離氣隙而缺口轉(zhuǎn)入時, 霍爾傳感器輸出低電平。轉(zhuǎn)盤隨主滾輪不斷轉(zhuǎn)動, 霍爾傳感器輸出的高、低電平的脈動信號供檢定裝置計數(shù)器計數(shù)。（4）集磁式由觸發(fā)齒圈、霍爾傳感器、永久磁鐵等組成。永久磁鐵的磁力線, 穿過開關(guān)霍爾傳感器通向觸發(fā)齒, 這時觸發(fā)齒圈相當于一個集磁器。當觸發(fā)齒圈旋轉(zhuǎn)為圖6- 1 狀態(tài)時, 磁力線分散, 穿過開關(guān)型霍爾傳感器的磁場相對較弱。當齒圈旋轉(zhuǎn)為圖6- 2 狀態(tài)時, 磁力線密集, 穿過開關(guān)霍爾傳感器的磁場相對就強, 開關(guān)霍爾傳感器隨著觸發(fā)齒圈的旋轉(zhuǎn)輸出高低電平。“鎖定型”開關(guān)型霍爾傳感器的用法, 現(xiàn)舉一例說明: 現(xiàn)有一些汽車的車速里程表的傳感器就是采用“鎖定型”開關(guān)型霍爾傳感器制成。如圖7- 1 在一個直徑為20 毫米的圓盤上, 沿半徑方向嵌有六對磁極,S 極N 極相互交錯, 并間隔30b角?；魻杺鞲衅髌叫械刭N近圓盤與圓盤間有一小縫隙。如圖7- 2, 當圓盤旋轉(zhuǎn)時, S 極N 極交錯地作用于霍爾傳感器, 使之輸出高低電平信號給車速里程表。有安裝出租車計價器的, 也同時作為計價