霍尔式传感器说课教案设计.pdf

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1、实用标准文档 精彩文案 第八章霍尔传感器 课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排： 2 课次编号： 12 教材分析 难点： 开关型霍尔集成电路的特性 重点：霍尔传感器的应用 教学目的和要求1、了解霍尔传感器的工作原理； 2、了解霍尔集成电路的分类； 3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性； 4、掌握霍尔传感器的应用。 采用教学方法和实施步骤： 讲授、课堂互动、 分析 教具：各种霍尔元 件、霍尔传感器 各 教 学 环 节 和 内 容 演示 1： 将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC 门输出 端，正极接Vcc端。在没有磁铁靠近时，OC 门截止，蜂鸣 器不响。 当磁铁靠近到一定距离（例如 3mm

2、）时，OC 门导通， 蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例 如 5mm）时， OC 门再次截止，蜂鸣器停响。 演示 2： 将一根导线穿过10A 霍尔电流传感器的铁芯，通入 0.11A 电流，观察霍尔IC 的 输出电压的变化，基本与输入电流成正比。 从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。 第一节霍尔元件的工作原理及特性 一、工作原理 金属或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（ Hall Effect ） ，该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF ）

3、 ，上述半导体薄片称为霍尔 元件（ Hall Element ） 。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer） 。 实用标准文档 精彩文案 图 8-1霍尔元件示意图 a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形 霍尔属于四端元件： 其中一对（即a、b 端）称为激励电流端，另外一对（即c、d 端）称为霍尔电动 势输出端， c、d 端一般应处于侧面的中点。 由实验可知，流入激励电流端的电流I 越大、作用在薄片上的磁场强度B 越强， 霍尔电动势也就越高。霍尔电动势EH可用下式表示 EH=KH IB（8-1） 式中KH霍尔元件的灵敏度。 若磁感应强度B

4、 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 ， 这时的霍尔电动势为 EH=KHIBcos（8-2） 从式 （ 8-2）可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B 成正比，且当B 的方 向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电 动势为同频率的交变电动势。 目前常用的霍尔元件材料是N 型硅， 霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。 二、主要特性参数 （1）输入电阻Ri 恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻 称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视

5、不同型号的元件而定。温度升高，输 入电阻变小，从而使输入电流Iab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳 定霍尔原件的激励电流。 （2）最大激励电流Im 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高， 从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流， 它的数值从几毫安至十几毫安。 提问：霍尔原件的最大激励电流Im 为宜。 A0mA B 0.1 mA C 10mA D100mA （4）最大磁感应强度Bm 磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明 显增大， Bm的数值一般小于零点几特斯拉。 提问：为保证测量精度，图8-3 中的线性霍尔IC 的磁感应强

6、度不宜超过为宜。 A0T B 0.10T C 0.15T D 100Gs 实用标准文档 精彩文案 第二节霍尔集成电路 霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、 对电源稳定性要求低等。 霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类。 线性型的内部电路： 霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。 开关型霍尔集成电路的内部电路： 霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC 门（集电极开路输出门）等电 路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC 门由高阻态变为导通 状态，输出变为低电平；当外加磁场

7、强度低于释放点时，OC 门重新变为高阻态，输出 高电平。 图 8-2线性型霍尔集成电路 a）外形尺寸b）内部电路框图 图 8-3线性型霍尔集成电路输出特性 图 8-4开关型霍尔集成电路 a）外形尺寸b）内部电路框图 实用标准文档 精彩文案 图 8-5开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 注： 1 特斯拉（ T） 10 4 高斯（ Gs） 提问：磁铁从远到近， 逐渐靠近图8-5 所示的开关型霍尔IC ， 问，多少高斯时， 输出翻转？成为什么电平？ 表 8-1 具有史密特特性的OC 门输出状态与磁感应强度变化之间的关系 B/T OC 门输出状态 OC 门接法 磁感应强度B 的变化方向及数值 0 0.

8、02 0.023 0.03 0.02 0.016 0 接上拉电阻RL 高电平 高电平 低电平低电平低电平 高电平高电 不接上拉电阻RL 高阻态高阻态低电平低电平低电平高阻态高 ： OC 门输出的高电平电压由VCC决定； 、： OC 门的迟滞区输出状态必须视B 的变化方向而定. 第三节霍尔传感器的应用 霍尔电动势是关于I、B、 三个变量的函数， 即 EH=KHIBcos ，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，三个变量的多 种组合等。 1）维持 I、 不变，则EH=f(B） ，这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量 转速的霍尔转速表、磁性产品计数器

9、、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍 尔加速度计、微压力计等。 2）维持 I、B 不变，则EH=f( ） ，这方面的应用有角位移测量仪等。 3）维持 不变，则EH=f(IB） ，即传感器的输出EH与 I、B 的乘积成正比，这方面 的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。 1角位移测量仪 角位移测量仪结构示意图如图8-8 所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又 在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势EH就反映了转角 的变化。 实用标准文档 精彩文案 图 8-8角位移测量仪结构示意图 1极靴2霍尔器件3励磁线圈 发散性思维： 将图 8-8 的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC 的 厚度。则B正比

10、于Ui，霍尔 IC 的 Uo正比于B， 可以改造为霍尔电压传感器。 与交流互感器不同的是：可以测量直流电 压，如右图所示。 4霍尔接近开关 在第 四 章里，曾介绍过接近开关的基本概念。用霍尔接近开关也能实现接近开关 的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。 霍尔接近开关应用示意图如图图8-12 所示。在图8-12b 中，磁极的轴线与霍尔接 近开关的轴线在同一直线上。当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍 尔接近开关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（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。 图 8-12霍尔接近开关

11、应用示意图 a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式 1运动部件2软铁分流翼片 提问：b）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？ 在图8-12d 中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的 分流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽 （分 实用标准文档 精彩文案 流） ，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼 片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。 发生性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？ 霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔 高斯计、霍尔液位计、霍尔加

12、速度计等。 5霍尔电流传感器 能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，能够输出与被测电流波形相同的“跟 随电压”，容易与计算机及二次仪表接口，准确度高、线性度好、响应时间快、频带 宽，不会产生过电压等。 （1）工作原理用一环形（有时也可以是方形）导磁材料作成铁心，套在被测电 流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。在铁心 上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性IC 紧紧地夹在气隙中央。电流母线 通电后， 磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC ，霍尔 IC 就输出与被测电流成正比的输出 电压或电流。霍尔电流传感器原理及外形如图8-13 所示。 图 8-13霍尔电流传

13、感器原理及外形 a）基本原理b）外形 1被测电流母线2铁心3线性霍尔IC （2）技术指标及换算霍尔电流传感器可以测量高达2000A 的电流； 电流的波形 可以是高达100kHz 的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉冲；它的低频端可以一直 延伸到直流电；响应时间小于1 s，电流上升率（di/dt）大于 200A/s。 被测电流称为一次测电流IP， 将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次侧电流”IS （霍尔传感器中并不存在二次侧）。 “匝数比”概念：IS/IP和 NP/NS。 在霍尔电流传感器中，NP被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取N P=1；NS为 厂家所设定的“二次侧线圈的匝数”。因此有：

14、P S S P I I N N （8-3） 依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流IS以及式（ 8-3） ，就可以计算得 到被测电流。 如果将一只负载电阻RS并联在“二次侧” 的输出电流端， 就可以得到一个与“一 次测电流”（被测电流）成正比的、大小为几伏的电压输出信号。 隔离作用：霍尔电流传感器的“一次测”与“二次侧”电路之间的击穿电压可以 实用标准文档 精彩文案 高达 6kV ，可直接将“二次侧”的输出信号接到计算机电路。 提问： 有一个额定值很高的传感器（例如100A） 、而欲测量的电流值又低于额定值很多 时（例如10A） ，如何提高测量准确度？ 可以把“一次测”导线在铁心中间多绕几

15、圈。 例如，当用额定值为200A 的传感器去测量10A 的电流时，为提高准确度，可将 “一次测”导线在传感器的铁心内孔中心绕10 圈，即 NP=10，则 NP 10A=100A ，达到 传感器额定值的一半，从而提高了准确度。 缺点：当被测导线在铁心之间穿绕的匝数太多时，被测回路的感抗将增大许多， 有可能人为地减小被测回路的电流，因此这种方法不予提倡。 例 8-1设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比NP/NS=1/2000，标准额定电流值 IPN=300A ，二次侧的负载电阻RS=30。 现将被测电流母线在铁心中穿绕两圈，通电后， 用电流表测得二次侧电流IS=0.15A ，求输出到弱电回路的电压 US和被测电流 IP。 解1）US=RSIS=4.5V 2）根据式（ 8-3） ，被测电流IP为： A150A15.0 2 2000 S P S I N N I P 课外学习 指导 安排每周二下午，在机械设计制造及自动化办公室进行答疑 课外作业 P178：5、9 检测教学 目标实现 程度 考察学生能否利用霍尔IC 测量磁场和计算电流传感器的输入、输出。