(整理)霍爾傳感器的原理及應(yīng)用.

1、第八章霍爾傳感器課題：霍爾傳感器的原理及應(yīng)用課時(shí)安排：2課次編號(hào)：12教材分析難點(diǎn):開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的特性重點(diǎn):霍爾傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解霍爾傳感器的 工作原理；2、了解霍爾集成電路的分類(lèi)；3、掌握線(xiàn)性型和開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的特性 4、掌握霍爾傳感器的應(yīng)用采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：講授、課堂互動(dòng)、分析教具：各種霍爾元各 教 學(xué) 環(huán) 節(jié) 和 內(nèi) 容件、霍爾傳感器演示1:將小型蜂鳴器的負(fù)極接到霍爾接近開(kāi)關(guān)的 OC門(mén)輸出 端,正極接Vcc端.在沒(méi)有磁鐵靠近時(shí), OC門(mén)截止,蜂鳴 器不響.當(dāng)磁鐵靠近到一定距離(例如3mm)時(shí),OC門(mén)導(dǎo)通, 蜂鳴器響.將磁鐵逐漸遠(yuǎn)離霍爾接近開(kāi)關(guān)到一定距離(例

2、 如5mm)時(shí),OC門(mén)再次截止,蜂鳴器停響.演示2：通入0.11A電流,觀察霍爾IC的將一根導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)10A霍爾電流傳感器的鐵芯, 輸出電壓的變化,根本與輸入電流成正比.從以上演示,引入第一節(jié)霍爾效應(yīng)、霍爾元件的工作原理.第一節(jié)霍爾元件的工作原理及特性一、工作原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于薄片,當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Eh,這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)(Hall Effect ),該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)( Hall EMF ),上述半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾 元件(Hall Element).用霍爾元件做成的傳感器稱(chēng)為霍爾傳感器(Hall Tr

3、ansducer).圖8-1霍爾元件示意圖a霍爾效應(yīng)原理圖b薄膜型霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖c圖形符號(hào) d外形霍爾屬于四端元件： 其中一對(duì)即a、b端稱(chēng)為鼓勵(lì)電流端,另外一對(duì)即c、d端稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端,c、d端一般應(yīng)處于側(cè)面的中點(diǎn).由實(shí)驗(yàn)可知,流入鼓勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng),霍爾電動(dòng)勢(shì)也就越高.霍爾電動(dòng)勢(shì)EH可用下式表示Eh=Kh IB8-1式中 Kh霍爾元件的靈敏度. 假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B不垂直于霍爾元件,而是與其法線(xiàn)成某一角度.時(shí),實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線(xiàn)方向與薄片垂直的方向的分量,即Bcos a這時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)為Eh=KhIBcosQ8-2從式8-

4、2可知,霍爾電動(dòng)勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成正比,且當(dāng)B的方向改變時(shí),霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變.如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng),那么霍爾電 動(dòng)勢(shì)為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì). 目前常用的霍爾元件材料是N型硅,霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹(shù)脂等制造.二、主要特性參數(shù) 1輸入電阻Ri恒流源作為鼓勵(lì)源的原因：霍爾元件兩鼓勵(lì)電流端的直流電阻 稱(chēng)為輸入電阻.它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐,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Iab變大,最終引起霍爾電動(dòng)勢(shì)變大.使用恒流源可以穩(wěn)定霍爾原件的鼓勵(lì)電流.2最大鼓勵(lì)電流Im鼓勵(lì)電流增大,霍爾元件的功耗增大,元件的溫度升高, 從而引起霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫漂

5、增大, 因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大鼓勵(lì)電流, 它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安.提問(wèn)：霍爾原件的最大鼓勵(lì)電流Im 為宜.A . 0mAB. ±0.1 mA C. ± 10mA D . 100mA4最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)Bm時(shí),霍爾電動(dòng)勢(shì)的非線(xiàn)性誤差將明 顯增大,Bm的數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉.提問(wèn)：為保證測(cè)量精度,圖8-3中的線(xiàn)性霍爾IC的磁感應(yīng)強(qiáng)度不宜超過(guò) 為宜.A. 0T B, + 0.10T C, + 0.15T D. ± 100Gs第二節(jié)霍爾集成電路霍爾集成電路又稱(chēng)霍爾 IC的優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、 對(duì)電源穩(wěn)定性要求低等

6、.霍爾集成電路的分類(lèi)：線(xiàn)性型和開(kāi)關(guān)型兩大類(lèi).線(xiàn)性型的內(nèi)部電路：霍爾元件和恒流源、線(xiàn)性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上,輸出電壓為伏級(jí),比直 接使用霍爾元件方便得多.開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的內(nèi)部電路：霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、 OC門(mén)集電極開(kāi)路輸出門(mén)等電 路做在同一個(gè)芯片上.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),輸出變?yōu)榈碗娖剑划?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.UGN4mm x 4mm x | mtna)圖8-2線(xiàn)性型霍爾集成電路a外形尺寸b內(nèi)部電路框圖圖8-3線(xiàn)性型霍爾集成電路輸出特性圖8-4開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路a外形尺寸b內(nèi)部電路框

7、圖圖8-5開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性注：1特斯拉T = 104高斯Gs提問(wèn)：磁鐵從遠(yuǎn)到近,逐漸靠近圖8-5所示的開(kāi)關(guān)型霍爾IC,問(wèn),多少高斯時(shí), 輸出翻轉(zhuǎn)？成為什么電平？表8-1具有史密特特性的 OC門(mén)輸出狀態(tài)與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化之間的關(guān)系B/TOC門(mén)輸出狀態(tài)OC門(mén)接法磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化方向及數(shù)值0 T0.02 T0.023 T0.03 T0.02 T0.016 T0接上拉電阻Rl高電平高電平低電平低電平低電平高電平高電不接上拉電阻Rl高阻態(tài)高阻態(tài)低電平低電平低電平高阻態(tài)高：OC門(mén)輸出的高電平電壓由 VCC決定;、：OC門(mén)的遲滯區(qū)輸出狀態(tài)必須視 B的變化方向而定.第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾

8、電動(dòng)勢(shì)是關(guān)于I、B、.三個(gè)變量的函數(shù),即Eh=KhIBcos9,使其中兩個(gè)量不變, 將第三個(gè)量作為變量,或者固定其中一個(gè)量、其余兩個(gè)量都作為變量,三個(gè)變量的多 種組合等.1維持I、.不變,那么EH=fB,這方面的應(yīng)用有：測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量 轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾角編碼器以及基于微小位移測(cè)量原理的霍 爾加速度計(jì)、微壓力計(jì)等.2維持I、B不變,那么EH=f,這方面的應(yīng)用有角位移測(cè)量?jī)x等.3維持.不變,那么EH=fIB,即傳感器的輸出 Eh與I、B的乘積成正比,這方面 的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾功率計(jì)、電能表等.1.角位移測(cè)量?jī)x角位移測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-8所示.霍爾器件與被

9、測(cè)物連動(dòng),而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),于是霍爾電動(dòng)勢(shì)Eh就反映了轉(zhuǎn)角 .的變化.圖8-8角位移測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖1極靴 2霍爾器件 3勵(lì)磁線(xiàn)圈發(fā)散性思維：將圖8-8的鐵芯氣隙減小到夾緊霍爾IC的厚度.那么B正比于U,霍爾IC的Uo正比于B, 可以改造為霍爾電壓傳感器.與交流互感器不同的是：可以測(cè)量直流電 壓,如右圖所示.4 .霍爾接近開(kāi)關(guān)在第四章里,曾介紹過(guò)接近開(kāi)關(guān)的根本概念.用霍爾接近開(kāi)關(guān)也能實(shí)現(xiàn)接近開(kāi)關(guān) 的功能,但是它只能用于鐵磁材料,并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng).霍爾接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用示意圖如圖圖8-12所示.在圖8-12b中,磁極的軸線(xiàn)與霍爾接近開(kāi)關(guān)的軸線(xiàn)在同一直線(xiàn)上.當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)

10、部件移動(dòng)到距霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí),霍 爾接近開(kāi)關(guān)的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放,限制運(yùn)動(dòng) 部件停止移動(dòng)否那么將撞壞霍爾接近開(kāi)關(guān)起到限位的作用.圖8-12 霍爾接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用示意圖a外形 b接近式 c滑過(guò)式 d分流翼片式1運(yùn)動(dòng)部件 2 軟鐵分流翼片提問(wèn)：b接近式 c滑過(guò)式哪一種不易損壞？為什么？在圖8-12d中,磁鐵和霍爾接近開(kāi)關(guān)保持一定的間隙、均固定不動(dòng).軟鐵制作的分流翼片與運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)動(dòng).當(dāng)它移動(dòng)到磁鐵與霍爾接近開(kāi)關(guān)之間時(shí),磁力線(xiàn)被屏蔽分 流,無(wú)法到達(dá)霍爾接近開(kāi)關(guān),所以此時(shí)霍爾接近開(kāi)關(guān)輸出跳變?yōu)楦唠娖?改變分流翼 片的寬度可以改變霍爾接近開(kāi)關(guān)的高電平與低電平的占空比.發(fā)生

11、性思維：電梯“平層如何利用分流翼片的原理？霍爾傳感器的其他用途：霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、霍爾電能表、霍爾 高斯計(jì)、霍爾液位計(jì)、霍爾加速度計(jì)等.5 .霍爾電流傳感器能夠測(cè)量直流電流,弱電回路與主回路隔離, 能夠輸出與被測(cè)電流波形相同的“跟隨電壓,容易與計(jì)算機(jī)及二次儀表接口,準(zhǔn)確度高、線(xiàn)性度好、響應(yīng)時(shí)間快、頻帶 寬,不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓等.1工作原理 用一環(huán)形有時(shí)也可以是方形導(dǎo)磁材料作成鐵心,套在被測(cè)電 流流過(guò)的導(dǎo)線(xiàn)也稱(chēng)電流母線(xiàn)上,將導(dǎo)線(xiàn)中電流感生的磁場(chǎng)聚集在鐵心中.在鐵心 上開(kāi)一與霍爾傳感器厚度相等的氣隙,將霍爾線(xiàn)性IC緊緊地夾在氣隙中央.電流母線(xiàn)通電后,磁力線(xiàn)就集中通過(guò)鐵心中的霍爾IC,霍爾

12、IC就輸出與被測(cè)電流成正比的輸出電壓或電流.霍爾電流傳感器原理及外形如圖8-13所示.圖8-13 霍爾電流傳感器原理及外形a根本原理b外形1一被測(cè)電流母線(xiàn) 2鐵心 3線(xiàn)性霍爾IC2技術(shù)指標(biāo)及換算霍爾電流傳感器可以測(cè)量高達(dá)2000A的電流；電流的波形可以是高達(dá)100kHz的正弦波和電工技術(shù)較難測(cè)量的高頻窄脈沖；它的低頻端可以一直延伸到直流電；響應(yīng)時(shí)間小于1成,電流上升率di/dt大于200A/W&被測(cè)電流稱(chēng)為一次測(cè)電流Ip,將霍爾電流傳感器的輸出電流稱(chēng)為“二次側(cè)電流Is霍爾傳感器中并不存在二次側(cè).“匝數(shù)比概念：Is/Ip和Np/Ns.在霍爾電流傳感器中,Np被定義為“一次測(cè)線(xiàn)圈的匝數(shù),一

13、般取Np=1； Ns為廠家所設(shè)定的“二次側(cè)線(xiàn)圈的匝數(shù).因此有：NP8-3NsIp依據(jù)霍爾電流傳感器的額定技術(shù)參數(shù)和輸出電流Is以及式8-3,就可以計(jì)算得到被測(cè)電流.如果將一只負(fù)載電阻 Rs并聯(lián)在“二次側(cè)的輸出電流端,就可以得到一個(gè)與 次測(cè)電流被測(cè)電流成正比的、大小為幾伏的電壓輸出信號(hào).隔離作用.霍爾電流傳感器的“,次測(cè)與“二次側(cè)電路之間的擊密電壓可以提問(wèn)；定鄴 寸中列如1咕,痂 一嚴(yán)L I'一次測(cè)“二次側(cè)的輸出信號(hào)接到注算縣啊.10低于額定值很多導(dǎo)線(xiàn)在鐵心中間備締n膈例如,當(dāng)用額定值為_(kāi)200A的傳感測(cè)量一10A的電流時(shí)J為提升準(zhǔn)確度,可將“一次測(cè)導(dǎo)線(xiàn)在傳感器的鐵心內(nèi)孔中央繞10圈,即Np=10,那么NpM0A=100A ,到達(dá)傳感器額定值的一半,從而提升了準(zhǔn)確度.缺點(diǎn)：當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線(xiàn)在鐵心之間穿繞的匝數(shù)太多時(shí),被測(cè)回路的感抗將增大許多,有可能人為地減小被測(cè)回路的電流,因此這種方法不予提倡.例8-1設(shè)某型號(hào)霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比Np/Ns=1/2000,標(biāo)準(zhǔn)額定電流值Ipn=300A ,二次側(cè)的負(fù)載電阻 Rs=30