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1、传感器与自动检测技术 第三章 发电传感器 2 霍尔式传感器 淮南联合大学机电系 洪 滨 E-mail: mobile: 13855461259 http:hongbin2050.wiseman.tv,【题1】：什么是霍耳效应?简述霍耳传感器的特点。 【题2】：影响霍尔元件测量精度的因素有哪些？霍尔元件的测量误差的补偿方法有哪几种？,补充题：,【题3】设计一种霍尔液位控制器，要求：1)、画出磁路系统示意图。 2)、画出电路原理简图。 3)、简要说明工作原理。,一、霍尔效应及传感器,1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体
2、技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。它广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。,1、霍尔效应与霍尔元件 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。,霍尔元件符号,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。,霍尔效应原理图,霍尔效应演示,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强
3、度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为:EH=KHIBcos 。,结论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不一定都可以制造霍尔元件。 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小，不适用。, 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。 由EH=KHIBcos 式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1.0微米。,2、霍尔元件结构及测量电路 霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四极引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面
4、上焊有两根引线(图中a、b线),称为控制电流端引线，通常用红色导线。,在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线(图中c、d线)，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与长度之比要小于0.1，否则影响输出。,霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电动势UH的负载电阻，通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。,位移传感器,图4-21霍尔元件的测量电路,霍尔元件外型,3、霍尔元件的主要技术指标 1）、额定激励电流IH 和最大允许激励电流Imax 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励
5、电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。,因霍尔电势随激励电流增加而增加, 所以, 使用中希望选用尽可能大的激励电流, 因而需要知道元件的最大允许激励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 可以使激励电流增加。,线性区,2）、输入电阻Ri和输出电阻RS 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。,3)、不等位电势及零位电阻r0 当霍尔元件通以激励电流IH时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位
6、电势U0。等位电动势U0也可用不等位电阻r0(或称零位电阻)表示，即：,a)、引出电极不对称 b)、半导体材料不均匀 产生不等位电势的原因,4）、寄生直流电势 在外加磁场为零, 霍尔元件用交流激励时, 霍尔电极输出除了交流不等位电势外, 还有一直流电势, 称寄生直流电势。寄生直流电势一般在 1mV以下, 它是影响霍尔片零漂的原因之一。 ,其产生的原因有: 激励电极与霍尔电极接触不良, 形成非欧姆接触, 造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不同, 散热状态不同形成极向温差电势。,5）、热阻RQ： 表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmw的电功率时产生的温升，单位为
7、。C/mW。 ,4、霍尔元件的补偿电路 (1)、不等位电动势的补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级, 有时甚至超过霍尔电势, 而实用中要消除不等位电势是极其困难的, 因而必须采用补偿的方法。 由于不等位电动势与不等位电阻是一致的，因此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。,如图所示, 其中A、B为激励电极,C、D为霍尔电极, 极分布电阻分别用R1、R2、R3、 R4表示。理想情况下, R1=R2=R3=R4, 即可取得零位电势为零。,a)在较大臂上并联电阻 b)在两个臂上并联电阻,实际上, 由于不等位电阻的存在, 说明此四个电阻值不相等, 可将其视为电桥的四个桥臂, 则电桥不平衡。为使其达到
8、平衡， 可在阻值较大的桥臂上并联电阻, 或在两个桥臂上同时并联电阻。,c)在两个臂上并联电阻 d)在较大臂上并联电阻,e)、f)在两个臂上并联电阻的等效电路 图 不等位电动势的补偿,(2)、温度补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数，如灵敏度、输入电阻及输出电阻等也随温度变化而变化，同时元件之间参数离散性也很大，不便于互换。为此对其进行补偿是必要的。,为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用恒 温措施外, 由UH=KHIP可看出：采用恒流源供电是个有效措施, 可以使霍尔电势稳定。 ,还可以使用电桥补偿法
9、，其原理结构如图所示， 霍尔元件的不等位电动势用调节电位器RP的方法进行补偿。在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥，此电桥的4个臂R1R4中有一个臂是锰钢电阻并联的热敏电阻器，以调整其温度系数，其他3个臂均为锰铜电阻。,图 电桥补偿法的温度补偿电路,因此补偿电桥可以输出一个随温度而改变的可调不平衡电压，该电压与温度为非线性关系，只要细心调整这个不平衡的非线性电压就可以补偿霍尔元件的温度漂移，在-40+40温度范围内可以达到满意的效果。,二、霍尔式传感器的应用举例,霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点, 它不仅用于磁感应强度, 有功功率及电能参数的测量, 也在位移测量中得到广泛
10、应用。霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数， 即 EH=KHIBcos 。,利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。,霍尔元件,霍尔元件,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔高斯计的使用,磁铁,霍尔元件,霍尔传感器用于测量磁场强度,测量铁心气隙的B值,霍尔元件,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,霍尔转速表,N,S,线性霍尔元件,磁铁,霍
11、尔转速表测速示意图,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,霍尔转速表工作原理,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,霍尔元件,磁铁,霍尔转速表的其他安装方法,汽车防抱死装置,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置中的应用。,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图,1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍
12、尔IC）,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理。采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。其中， a）、带缺口的触发器叶片； b）、触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系； c）、叶片位置与点火正时的关系。,汽车点火线圈,高压输出接头,12V低压电源输入接头,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,霍尔式无触点汽车电子点火装置,汽车电子点火电路及波形,1点火开关 2达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧 4点火线圈铁心 5点火线圈高压侧 6分火头 7火花塞,霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形,当叶片遮
13、挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。当叶片槽口转到霍尔IC面前时，,霍尔传感器,控制器,点火总成,霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出3050kV的高电压。,磁铁,汽车点火线圈,高压输出接头,12V低压电源输入接头,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,霍尔式无触点汽车电子点火装置,霍尔式无刷电动机取消
14、了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,霍尔式无刷电动机,无刷电动机,可充电电池组,电动自行车,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,直流电刷,换向器,利用 PWM调速,去速度控制器,电动自行车
15、的无刷电动机及控制电路,霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。,霍尔式 接近开关,在上图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。,霍尔式接近开关用于转速测量演示,T,开关型霍尔IC,软铁分流翼片,霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁
16、场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,铁心,线性霍尔IC,EH=KH IB,霍尔电流传感器演示,其他霍尔 电流传感器,霍尔钳形电流表（交直流两用）,豁口,压舌,霍尔钳形电流表演示,被测电流的导线未放入铁心时示值为零,直流200A量程,70.9A,霍尔钳形电流表演示(续),70.9A,被测电流的导线放入铁心时示值,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处，将钳形表的铁心张开,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？,霍尔钳形电流表的使用（续）,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便。,用钳形表测量 电动机的相电流,霍尔式电流 谐波分析仪,被测电流的谐波频谱,铁心的 杠杆压舌,铁心的 开合缝隙,【题1】：什么是霍耳效应?简述霍耳传感器的特点。 【题2】：影响霍尔元件测量精度的因素有哪些？霍尔元件的测量误差的补偿方法有哪几种？,补充题：,【题3】设计一种霍尔液位控制器，要求： 1)、画出磁路系统示意图。 2)、画出电路原理简图。 3)、简要说明工作原理。,结束,谢 谢,