檢測(cè)技術(shù)4霍爾式課件

第4章磁電式傳感器4.1霍爾式傳感器本章要點(diǎn)下頁(yè)返回

磁電式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器都是磁電式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的；霍爾式傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)(霍爾效應(yīng))而輸出電勢(shì)的。它們?cè)聿⒉煌耆嗤?，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。4.1霍爾式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)霍爾元件的補(bǔ)償電路霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量、如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。4.1.1霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料下頁(yè)上頁(yè)返回霍爾效應(yīng)現(xiàn)象：一個(gè)寬為b,厚為a的半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，當(dāng)通有電流時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)——霍爾效應(yīng)。原因：洛侖茲力電場(chǎng)力

動(dòng)態(tài)平衡EH是霍爾電場(chǎng)；UH是霍爾電勢(shì)（電壓）。且FEFL4.1.1霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料下頁(yè)上頁(yè)返回霍爾元件材料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。4.1.2霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路下頁(yè)上頁(yè)霍爾元件結(jié)構(gòu):a，b為控制極（通電流），c，d為霍爾電極（輸出霍爾電壓）。霍爾片四極引線及電路符號(hào)：1為控制極，2為霍爾電極殼體返回4.1.2霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路下頁(yè)上頁(yè)測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖所示。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻R用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。返回4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補(bǔ)償下頁(yè)上頁(yè)返回(2)寄生直流電勢(shì)——通交流控制電流時(shí)，除交流不等位電勢(shì)外，存在直流電勢(shì)分量。原因：（a）控制電極與霍爾電極接觸不良引起整流效應(yīng)；（b）霍爾電極焊點(diǎn)大小不一致引起的溫差電勢(shì)。解決辦法：（a）改善電極接觸性能和元件的散熱條件;（b）均勻散熱（有效措施）。(3)感應(yīng)零電勢(shì)Ui0——無控制電流時(shí)，在脈動(dòng)磁場(chǎng)作用下而產(chǎn)生的零位電勢(shì)；原因：設(shè)則表明：它與霍爾電勢(shì)極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積A成正比。4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補(bǔ)償下頁(yè)上頁(yè)返回解決辦法：改變引線走向，使霍爾電勢(shì)極引線圍成的感應(yīng)面積A所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)互相抵消。(4)自激場(chǎng)零電勢(shì)——由控制電流產(chǎn)生的（自激）磁場(chǎng)的不對(duì)稱所引起的零位電勢(shì)。原因：當(dāng)元件的左右兩半場(chǎng)相等時(shí)，所產(chǎn)生的電勢(shì)方向相反而抵消。當(dāng)元件的左右兩半場(chǎng)不（控制電流引線也產(chǎn)生磁場(chǎng)）相等時(shí)，所產(chǎn)生的電勢(shì)方向相反而抵消。解決辦法：適當(dāng)安排控制電流引線。4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補(bǔ)償下頁(yè)上頁(yè)返回二、溫度影響

內(nèi)阻——輸入電阻Ri（控制電流兩端之間的電阻）和輸出電阻R0（霍爾電勢(shì)兩輸出端的電阻）溫度影響——包含Ri(t)、R0(t)和UH(t)。4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補(bǔ)償下頁(yè)上頁(yè)返回當(dāng)有溫度影響時(shí)

令得輸入回路串聯(lián)電阻補(bǔ)償法

圖中，E為恒壓源，R為串聯(lián)電阻，當(dāng)溫度增加Δt時(shí)，霍爾電極的電勢(shì)有一個(gè)增加值(ΔUH)t；另一方面，由知，溫度增加使輸入電阻有增加值ΔRi，使得控制電流產(chǎn)生一個(gè)下降ΔI，控制電流的下降，由知，又引起霍爾電勢(shì)下降(ΔUH)I,即有：只要就能補(bǔ)償溫度的影響,故有4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補(bǔ)償下頁(yè)上頁(yè)返回溫度使和增加，電阻增加使電流下降：從而使霍爾電勢(shì)下降：。

特點(diǎn)：測(cè)量范圍窄：1~2mm的小位移由于B（x）曲線線性部分很?。?。慣性小，響應(yīng)速度快，無接觸測(cè)量。還可以測(cè)其它非電量，如力、壓力、壓差、液位、加速度等。當(dāng)霍爾元件在均勻磁場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)成比例霍電壓,可測(cè)量角位移。4.1.4霍爾式傳感器測(cè)位移原理下頁(yè)上頁(yè)返回原理：霍爾元件放在線性分布的非均勻磁場(chǎng)中，有已知?jiǎng)t4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回特點(diǎn)：在靜止?fàn)顟B(tài)下感受磁場(chǎng)的能力；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、無接觸、壽命長(zhǎng)；溫度穩(wěn)定較差，轉(zhuǎn)換效率低；應(yīng)用方式:控制電流不變時(shí)，使傳感器處于非均勻磁場(chǎng)中:

特點(diǎn):傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度;可測(cè)量“能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的量”:磁場(chǎng)、位移、角度，轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)等。磁場(chǎng)不變時(shí)，改變控制電流；

特點(diǎn):傳感器輸出正比于控制電流；可測(cè)量“能轉(zhuǎn)換為電流變化的電量”；傳感器輸出正比于控制電流和磁場(chǎng)之積；

特點(diǎn):可用于乘法和功率的計(jì)算及測(cè)量。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（1）——力、壓力、加速度、機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾加速度傳感器和霍爾機(jī)械振動(dòng)傳感器：1為霍爾元件，固定在非磁性材料的平板2上，平板2緊固在頂桿3上，頂桿3通過觸點(diǎn)4與被測(cè)對(duì)象接觸，隨之做機(jī)械振動(dòng)。用來進(jìn)行土壤或砂子與鋼界面上的法向和切向應(yīng)力檢測(cè)的霍爾傳感器裝置。(a)儀器上用鋼作成上下兩個(gè)塊子，它們之間有兩條較細(xì)的梁支撐，在鋼下塊上置一銷柱，銷上貼兩對(duì)永磁體，形成均勻梯度磁場(chǎng)，在上塊上貼兩個(gè)霍爾傳感器，受剪切力作用后，支撐梁發(fā)生形變，使霍爾傳感器和磁場(chǎng)間發(fā)生位移，使傳感器輸出發(fā)生變化。由霍爾傳感器的輸出可從事先校準(zhǔn)的曲線上查得與該裝置相接的砂或土受到的剪切應(yīng)力。(b)磁體固定在受力后產(chǎn)生形變的膜片上，霍爾傳感器固定在一桿上。檢測(cè)原理同上。應(yīng)用此原理，還可構(gòu)成檢測(cè)重量的裝置，稱作霍爾稱重傳感器。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（2）——霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量(1)霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)構(gòu)原理圖4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（3）——各種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)

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)?；魻栐盆F4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（4）——霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(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)和保持車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例(5)——霍爾傳感器應(yīng)用于無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火(1)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?；魻柺椒蛛娖魇疽鈭D如下：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

汽車點(diǎn)火線圈4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（6）——霍爾傳感器應(yīng)用于無刷電動(dòng)機(jī)(1)

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。直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置若干個(gè)(至少2個(gè))的霍爾器件，利用測(cè)量轉(zhuǎn)角的原理，判斷轉(zhuǎn)子的角度，在適當(dāng)位置讓某個(gè)霍爾器件導(dǎo)通改變驅(qū)動(dòng)電路，從而改變電流方向。實(shí)現(xiàn)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4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（6）——霍爾傳感器應(yīng)用于無刷電動(dòng)機(jī)(2)霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。電動(dòng)自行車的無刷電動(dòng)機(jī)及控制電路接速度控制器PWM調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)

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)。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（7）——霍爾傳感器用于流速、流量、速度、里程等的測(cè)量利用測(cè)量轉(zhuǎn)速的原理，在轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在的殼體內(nèi)裝有一個(gè)帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測(cè)流體從管道一端通入，推動(dòng)葉輪帶動(dòng)與之相連的磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過霍爾器件時(shí)，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量。

在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回應(yīng)用舉例（9）——各種霍爾電流傳感器實(shí)例用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流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應(yīng)用舉例（10）——霍爾集成傳感器

4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回PST-525是霍爾集成傳感器