霍爾傳感器的應(yīng)用66856課件

霍爾測(cè)速儀姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：一、霍爾元件二、霍爾集成傳感器三、霍爾傳感器的應(yīng)用---霍爾測(cè)速儀

霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的磁敏元件，其典型的工作原理圖如圖所示。在金屬或半導(dǎo)體薄片相對(duì)兩側(cè)面通以控制電流I，在薄片垂直方向上施加電場(chǎng)B，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，即另兩側(cè)面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與控制控制電流I和磁場(chǎng)B乘1、霍爾元件1.1霍爾元件及霍爾元件的命名方法----霍爾系數(shù)，它反映元件霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，由材料性質(zhì)決定。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強(qiáng)，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體霍爾效應(yīng)強(qiáng)，所以常采用半導(dǎo)體材料做霍爾元件；d----霍爾元件的厚度;圖2霍爾效應(yīng)原理當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí):輸出的霍爾電勢(shì)與I和B的乘積成正比測(cè)量以上電阻時(shí)，應(yīng)在沒(méi)有外磁場(chǎng)和室溫變化的條件下進(jìn)行。

敏度最高，輸出較大，但受溫度影響也較大；砷化銦和鍺元件輸出雖然不如銻化銦大，但溫度系數(shù)小，線性度也好；砷化鎵元件的溫度特性和輸出特性好，但價(jià)格貴。目前使用銻化銦霍爾元件的場(chǎng)合較多。

霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。例如，體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定向切片，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線

并封裝。而膜式霍爾元件則是在一塊極?。?.2mm）的基片上用蒸發(fā)或外延的方法制成一種半導(dǎo)體薄膜，然后再制作歐姆接觸電極，焊接線，并最后封裝。由于霍爾元件的幾何尺寸及電極的位置和大小等均直接影響它輸出的霍爾電壓，所以在制作時(shí)都要很嚴(yán)格的要求。1.3霍爾元件的技術(shù)參數(shù)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）輸入電阻

霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾電壓變化，為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。

由于霍爾電壓隨激勵(lì)電流增大而增大，在應(yīng)用中通常希望選用較大的激勵(lì)電流,但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件溫度升高，從而引起霍爾電壓的溫漂增大，因此，每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安到幾百毫安。（4）靈敏度靈敏度它的數(shù)值約為10左右。（5）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)

時(shí)，霍爾電壓的非線性誤差將明顯增大，

的數(shù)值一般為零點(diǎn)幾特[斯特]（T）或幾千高斯（

）(1

=

)（6）不等位電壓

在額定激勵(lì)電流的作用下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開(kāi)路電壓稱為不等位電壓，它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來(lái)補(bǔ)償不等位電壓引起的誤差。（7）霍爾電壓溫度系數(shù)在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電壓變化的百

（2）波形法：在通電的情況下，用示波器接到霍爾元件輸出端，應(yīng)有0.1Vp-p～0.3Vp-p的方波波形輸出，其脈沖寬度應(yīng)達(dá)到電路要求。

（3）尋跡法：在通電的情況下，用手轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)或帶盤(pán)，把尋跡器接在霍爾元件輸出端，應(yīng)在喇叭中能聽(tīng)到脈沖放電聲，否則該元件損壞。

（4）模擬法：拆下待測(cè)霍爾元件，在其電源正、負(fù)端上加上額定電壓2V～5V，用強(qiáng)磁性物體靠近元件表面并上下晃動(dòng)，同時(shí)用示波器或?qū)ほE器在輸出端測(cè)其輸出信號(hào)，如無(wú)，則該元件損壞。2霍爾集成傳感器

由霍爾元件及有關(guān)電路組成的傳感器稱為霍爾傳感器。隨著微電子

技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾傳感器都已集成化，即把霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源或恒流電源等集成在一個(gè)芯片上，由于其外形與集成電路相同，故又稱霍爾集成電路。

霍爾傳感器的霍爾材料仍以半導(dǎo)體硅作為主要材料，按其輸出信號(hào)的形式可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩種。當(dāng)霍爾元件

隨器等做在同一芯片上，輸出電壓較高，它輸出模擬量。其特性如下圖所示

輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖3所示，可見(jiàn)，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。2.2開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器

開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、差分放大器，施密特觸

發(fā)器、OC門(mén)等組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。它輸出數(shù)字量。其特性如下圖所示

其中為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 要降到釋放點(diǎn)時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。與之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠。

霍爾元件的磁場(chǎng)工作點(diǎn)

和釋放點(diǎn)

之差為磁感應(yīng)強(qiáng)度的回差寬度。和

是霍爾元件的兩個(gè)重要參數(shù)。

越小，器件靈敏度越高；越大，器件抗干擾能力越強(qiáng)?；魻栐邆涞幕夭钐匦允蛊淇垢蓴_能力顯著提高，外來(lái)雜散磁場(chǎng)干擾不易使其產(chǎn)生誤動(dòng)作。3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此設(shè)計(jì)是利用測(cè)量A1302的磁電特性與磁鋼產(chǎn)生的電壓脈沖頻率進(jìn)而測(cè)量轉(zhuǎn)速的，為了更精確方便的測(cè)量與顯示脈沖頻率，采用了頻率轉(zhuǎn)換電壓電路，因此霍爾磁力測(cè)速3霍爾傳感器的應(yīng)用---霍爾測(cè)速儀

儀的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)可以分為四個(gè)模塊：檢測(cè)脈沖產(chǎn)生模塊、頻率/電壓轉(zhuǎn)換模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算顯示模塊。在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝上小磁鋼，每當(dāng)小磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，測(cè)量出脈沖數(shù)和測(cè)量時(shí)間，計(jì)算得到的頻率就是我們要得到的轉(zhuǎn)速，然后顯示出來(lái)。 在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上裝上齒盤(pán)，每當(dāng)齒盤(pán)經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，就會(huì)引起傳感器輸出電壓發(fā)生變化[2]。圖5檢測(cè)裝置

本設(shè)計(jì)選用A1302EUA-T連續(xù)型比例式線性霍爾傳感器,具有低噪聲輸出，靈敏度高，快速上電，溫度穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用在線性目標(biāo)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)目標(biāo)移動(dòng)的位置檢測(cè)系統(tǒng)中?？删_提供與所適用磁場(chǎng)成比例的電壓輸出，靈敏度為1.3mv/G。其

靜態(tài)輸出電壓為電源電壓的50%，所以在信號(hào)進(jìn)入頻率/電壓轉(zhuǎn)換模塊之前需要對(duì)變化量進(jìn)行調(diào)零和放大，如圖6所示圖6調(diào)零放大電路

此電路是用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓相減的差分放大電路[3]，在理想運(yùn)放條件下利用虛短

和虛斷

的概念，可以得到：

在上式中，如果選取阻值滿足

的關(guān)系，輸出電壓可簡(jiǎn)化為

在圖中我們可以看到兩個(gè)輸入電壓分別為傳感器輸出電壓和可變電阻

上的分壓，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為

零時(shí)，傳感器輸出電壓為電源電壓的1/2，改變

的阻值，使差分放大電路輸出電壓為零，達(dá)到調(diào)零效果。選取阻值滿足

的關(guān)系，調(diào)整放大倍數(shù)，使輸出電壓在小磁鋼經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)幅度在1V以上，這樣就形成了檢測(cè)脈沖信號(hào)FIN。3.3頻率/電壓轉(zhuǎn)換模塊

為了使系統(tǒng)能夠更精確的測(cè)量頻率（轉(zhuǎn)速），本設(shè)計(jì)采用速度（頻率）／電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2907/LM2917只需接少量的外圍元件即可構(gòu)成模擬式轉(zhuǎn)速表，LM2907為集成式頻率／電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號(hào)

轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，將轉(zhuǎn)速（頻率）的變化與模擬信號(hào)輸出相對(duì)應(yīng)。

LM2907進(jìn)行頻率倍增時(shí)只需使用一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)；以地為參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)速計(jì)（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運(yùn)算放大器／比較器采用浮動(dòng)三極管輸出；最大50mA的輸出電流可驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管、發(fā)光二極管等；內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計(jì)使用充電泵技術(shù)，對(duì)低紋波有頻率倍增功能；比較器的滯后電壓為30mV利用這個(gè)

特性可以抑制外界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為±0.3%；具有保護(hù)電路，不會(huì)受高于Vcc值或低于地參考點(diǎn)輸入信號(hào)的損傷；在零頻率輸入時(shí)，LM2907的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過(guò)某一給定值時(shí)，可將輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器、指示燈等負(fù)載。應(yīng)用電路如圖7所示

圖7頻率電壓轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)充電泵把從輸入級(jí)輸入來(lái)的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時(shí)，需外接定時(shí)電容

、輸出電阻

以及積分電容或?yàn)V波電容

，當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)（這種情況可能發(fā)生在輸入端上有合適的過(guò)零電壓或差分輸入電壓時(shí)），定時(shí)電容在電壓差

的兩電壓值之間被線性地充電或放電，在輸入頻率信號(hào)的半周期中，定時(shí)電容上的電荷變

化量為

，泵入電容中的平均電流或流出電容中的平均電流為：

輸出電路把這一電流準(zhǔn)確地送到負(fù)載電阻（輸出電阻）中，電阻的另一端接地，這樣濾波后的

電流被濾波電容積分后得到輸出電壓

其中Ｋ為增益常數(shù)，典型值為１。電容

的值取決于紋波電壓的大小和實(shí)際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時(shí)間。輸出精度

也可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中所測(cè)量的頻率大小來(lái)決定。圖7所示電路的輸出靈敏度為66Hz/V。3.4AD轉(zhuǎn)換模塊

由于測(cè)量值為模擬量，必須用AD轉(zhuǎn)換后讀入單片機(jī)，AD轉(zhuǎn)換模塊采用一種逐次比較式8路模擬輸入，8位數(shù)字量輸出的AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。應(yīng)用電路如圖8所示圖8AD轉(zhuǎn)換電路

片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開(kāi)關(guān)，由C、B、A引腳的編碼來(lái)決定所選通道，在這里我們只需要一路，方便起見(jiàn)將A、B、C三個(gè)引腳全部接地，選通IN0路，轉(zhuǎn)換頻率/電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓。直接用+5V的供電電源作為基準(zhǔn)電壓。由于ADC0809為8位數(shù)字量輸出，當(dāng)輸入電壓為5.00V時(shí)，輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH），因此最高數(shù)值分辨率為0.0196V（5/255）。當(dāng)輸入值大

于5V電壓時(shí)，可在輸入口使用分壓電阻，而程序中只要將計(jì)算程序的除數(shù)進(jìn)行調(diào)整就可以了。但是量程越大測(cè)量精度會(huì)降低[4]。由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，可利用單片機(jī)提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)74HC393進(jìn)行2分頻后獲得。輸出數(shù)據(jù)口直接跟單片機(jī)P0口連接上，然后通過(guò)單片機(jī)處理。3.5計(jì)算顯示模塊

霍爾磁力測(cè)速儀的計(jì)算顯示模塊使用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制和計(jì)算，顯示部分用1602液晶顯示，電路簡(jiǎn)單，界面友好。單片機(jī)的P0口為AD轉(zhuǎn)換電壓的數(shù)據(jù)接收口，P2口控制ADC0809的轉(zhuǎn)換和1602液晶模塊功能的實(shí)現(xiàn)，P1口為與1602液晶的數(shù)據(jù)傳輸口，實(shí)際電路如圖9所示圖9計(jì)算顯示電路3.6調(diào)試與結(jié)論

系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中，需要注意在放大調(diào)零模塊，