任務五 磁傳感器課件

思考1：直流無刷電動機如何來實現(xiàn)普通直流電動機中電刷和換向器共同實現(xiàn)的換向任務？

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab霍爾效應演示一、工作原理霍爾效應在置于磁場中的金屬或半導體內通入電流，若電流與磁場垂直，則在磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電動勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。霍爾傳感器

利用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾傳感器?；魻栯妱觿萜渲?，KH為霍爾元件靈敏度，I控制電流，B磁感應強度。若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度時霍爾元件是一個4端元件，短邊上是兩個控制電流輸入端，長邊上是兩個霍爾電壓輸出端。表示方法有二種：①輸入端用加粗的方法來表示輸入電極；②用符號H表示方向。圖形符號二、主要技術參數(shù)輸入電阻Ri

輸入電阻是指a、b兩側控制電極間的電阻。數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號元件而定。輸出電阻Ro

是指兩個霍爾電動勢輸出端之間電阻。它的數(shù)值與輸入電阻同一數(shù)量級。最大激勵電流Im

每種型號元件均規(guī)定了相應的最大激勵電流，從幾毫安到幾十毫安。三、霍爾集成電路——霍爾IC特點：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。分類：線性型霍爾集成傳感器開關型霍爾集成傳感器單端輸出差動輸出線性型霍爾集成電路單端輸出（UGN3501T）將霍爾元件、恒流源和線性差動放大器做在一個芯片上。差動輸出（UGN3501M）思考：多將開關型霍爾IC制作成具有施密特特性是為了什么？其回差越大，它的什么能力就越強？討論思考：1.在無刷霍爾電動機中，為利用霍爾IC來進行位置檢測，應選用什么類型的霍爾IC？應使用幾個？2.如何檢測無刷電動機霍爾IC的好壞？3.如何檢測線性霍爾元件的好壞？1.線性霍爾IC2.開關型霍爾IC1）單極霍爾開關具有磁性工作閾值，如果霍爾單元承受磁頭密度大于工作閾值，那么輸出晶體管將開啟；當磁通密度低于工作閾值，晶體管會關閉。典型應用：無觸點開關；汽車點火器；剎車電路；位置、轉速檢測控制；安全報警；紡織控制系統(tǒng)Allegro:A1101,A1102,A1103,A1104,A1106,A3240,A3245,SEC：S1101，S1102，S1104，SS441A，SS443A，S5881，S3141，S3142，S3144Honeywell:SS441A,SS443A,SS541AT,SS543AT

AKE旭化成：EW450,EW550,EW460,EW560

Melexis:US58813）全極性霍爾開關與其他霍爾效應開關不同，只要存在強度足夠大的北極或南極磁場，這些器件就能打開；而在沒有磁場的時候，輸出會關閉。Allegro:A3212,A3213,A3214SEC：S3212，S248MST：MH248電動自行車的電路系統(tǒng)框圖根據(jù)此電壓完成電機調速的控制調速轉把結構示意圖閘把結構示意圖此端口高低電平輸出決定是否將電源電壓施加到無刷直流電機的電樞繞組上使用霍爾元件時應注意什么問題？

1.驅動方式霍爾元件的驅動方式有恒流和恒壓兩種。恒壓工作的最大優(yōu)點是電路簡單，但它的性能較差，僅用于精度要求不太高的場合；恒流工作與恒壓工作相比，具有溫度影響小、精度高、線性好等優(yōu)點。

2.控制電流霍爾元件可采用直流控制，也可采用交流控制。使用時要根據(jù)不同的要求采用不同的電路連接法。在直流控制情況下，為了獲得較大的霍爾電動勢輸出，可以將控制極通過電阻并聯(lián)，霍爾電極則串聯(lián)，使用時必須注意：不能將霍爾元件的控制電極串聯(lián)。3.安裝霍爾元件對安裝工藝要求很高，安裝應堅實牢固，不可有扭曲現(xiàn)象。這是因為霍爾元件的輸出電動勢受應力影響較大，即使應力很小，也會使其輸出電動勢發(fā)生變化，并且會很不穩(wěn)定。另外，應力稍大，有可能會使基片碎裂。4.散熱霍爾元件必須有良好的散熱條件，以降低溫升，特別是希望選用較大的控制電流時應更注意。四、霍爾傳感器的誤差與補償零位誤差

主要成因：霍爾電極不在同一個等勢面上，當控制電流流過元件時，即使磁感應強度等于零，輸出端也會有電勢存在，這個電勢稱為不等位電勢。

其它成因：控制電流極的端面接觸不良，材料電阻率不均勻，霍爾元件的厚度不均勻等均會產(chǎn)生零位誤差。

UHIIR3R4R2R1R1?R4=R2?R3零位誤差UHIIR3R4R2R1R'1?R'4≠R'2?R'3零位誤差ADWBCIIR3R4R2R1ADBCW措施——對稱補償法措施——不對稱補償法溫度誤差及補償原因：半導體材料的電阻率、載流子濃度等都隨溫度變化而變化。因此，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、冷敏度等也將受到溫度變化影響，從而給測量帶來較大的誤差。

措施：1）選用溫度系數(shù)小的霍爾元件

2）采用恒流源提供控制電流

3）合理選擇負載電阻五、霍爾傳感器的應用霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數(shù)，即UH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，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。這使得霍爾傳感器有許多用途。n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾IC霍爾式接近開關用于轉速測量演示霍爾無刷電機普通直流電機使用的電刷和換向片

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。無刷電動機在電動自行車上的應用

可充電電池組無刷電動機電動自行車的無刷電動機及控制電路去速度控制器利用PWM調速光驅用的無刷電動機內部結構霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足。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系c）葉片位置與點火正時的關系

汽車電子點火電路及波形

1—點火開關2—達林頓晶體管功率開關3—點火線圈低壓側4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形

霍爾電流傳感器

將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時，在導線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實現(xiàn)的多媒體界面：I霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時示值為零70.9A霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導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電流導線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機的相電流霍爾特斯拉計實驗：直流激勵時霍爾傳感器的位移特性實驗思考題：在測量數(shù)據(jù)時，測微頭向左和向右移動時，電路輸出有何不同，輸入輸出關系曲線是否重合？為什么？其他磁傳感器一、磁敏電阻1、工作原理磁阻效應：一些特定形狀的半導體材料，在磁場作用下，霍爾效應不明顯，但是，電流在其內部的路徑卻發(fā)生了明顯的變化。這種變化在原理上講可以認為是半導體的電阻值或者說是半導體的電阻率發(fā)生了變化。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。物理磁阻效應幾何磁阻效應物理磁阻效應

當溫度恒定，在弱磁場范圍內，磁阻與磁感應強度成正比。磁阻效應表達式為：其中：B—磁場感應強度

—電子遷移率

—零磁場下的電阻率

—磁感應強度為B時的電阻率電阻率變化為：幾何磁阻效應電阻率相對變化與磁感應強度和遷移率關系：其中f（l/b）—形狀效應系數(shù)2、材料和結構材料磁敏電阻一般用半導體InSb和InAs制成。結構一般采用鍍膜的方式構成，在厚度為0.1-0.5mm的絕緣基片上蒸鍍InSb材料，鍍膜的厚度盡可能小，一般為20-25um，橫向寬度比縱向長度大40倍，初始電阻約100Ω，柵格金屬條在100根以上。形狀科爾比諾圓盤3、特性B-R特性由無磁場時電阻R0和磁感應強度為B時的電阻RB來表示。R0隨元件的形狀不同而異，約為數(shù)十歐至數(shù)千歐。

RB隨磁感應強度的變化而成倍變化。靈敏度磁敏電阻的靈敏度可由下式表示：其中：R3—磁感應強度為0.3特斯拉時RB值；

R0—無磁場時電阻一般，磁阻元件的靈敏度K>=2.7溫度系數(shù)

磁敏電阻溫度系數(shù)約為-2%℃。為了補償磁敏電阻的溫度特性，可采用兩個元件串聯(lián)成對使用。4、特點及應用特點：阻抗低、阻值對磁場變化率大，非接觸式測量，頻率響應好、動態(tài)范圍廣及噪聲小等。應用：無觸點開關、壓力開關、旋轉編碼器、角度傳感器、轉速傳感器等等。磁敏電阻可用于測量地球磁場方向及強度的變化指南針只能指示地球磁場方向4、應用磁阻式電子羅盤4、應用磁敏電阻IC及其應用4、應用磁敏電阻的應用

根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監(jiān)測，停車場檢測，車輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。4、應用磁敏電阻小型探礦儀上海直川信息技術有限公司研制的磁阻探礦儀及數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線圖4、應用磁阻IC用于筆式驗鈔器驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描4、應用二、磁敏二極管1、結構磁敏二極管是PIN型磁敏二極管的P區(qū)，N區(qū)之間有一個較長的本征區(qū)I一面磨成光滑的復合表面稱為I區(qū)一面打毛比較粗糙，便于電子－空穴對迅速復合，稱為r區(qū)2、工作原理

r區(qū)和I區(qū)的復合能力之差越大，磁敏二極管的靈敏度就越高。在較弱的磁場條件下，能夠獲得較大的輸出。這是霍爾元件以及磁敏電阻都不能夠比的。思考題：磁敏二極管施加反向電壓呢？3、主要技術參數(shù)和特性伏安特性在不同方向和強度的磁感應強度B的作用下，磁敏二極管正向偏置電壓和通過其上電流的關系。磁電特性在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓的變化量與外加磁場關系稱為磁電特性。弱磁場下，輸出電壓與磁場強度成線性關系；隨著磁場強度的增加，這種關系呈現(xiàn)非線性。靈敏度當外加磁場強度B為+0.1T時輸出端電壓增量與電流增量之比。溫度特性在標準測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度變化的規(guī)律。工作電壓U0和工作電流I0

在零磁場時加在磁敏二極管兩端的電壓、電流值。4、特點及應用特點：靈敏度高、線路簡單、成本低，更適用于測量弱磁場；具有正反磁靈敏度；可在較小電流下工作；靈敏度與磁場關系呈線性范圍較窄。應用可用來檢測磁場方向；作箝位電流計，測轉速、位移等等。復合區(qū)-r區(qū)NPN型磁敏三管極1、結構三、磁敏三極管N+cyerxP+bN+12

由于基區(qū)的寬度大于載流子有效擴散長度，所以注入的載流子只有很少數(shù)會擴散到集電極，大部分的載流子都會通過流到基極，形成基極電流。這樣由于基極電流大于集電極電流，所以電流放大系數(shù)β=Ic/Ib<1。當磁敏三極管不受磁場作用時2、工作原理N+cyerxP+bN+12當磁敏三極管受到H＋（正向磁場）作用時

由于洛侖茲力的作