霍尔传感器在机车测速中的应用

霍尔传感器在机车测速中的应用测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，对侧速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。介绍了应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。发电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构造简单，性能好。在机车电气系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。霍尔传感器的原理1．霍尔效应在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。2.工作原理霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。侧量磁场及工作设置1．测量磁场使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直子霍尔片表面的磁感应强度敏感，磁力线必须和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到电场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。2.工作磁体的设置用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当冀片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在冀片上。这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，冀片的位置重复精度可达50μm。当两齿之间的空隙正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当某一齿对准霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个mV级的准方波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压，当外加磁场的S极接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正。也可将工作磁体固定在霍尔器件（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。在图2的霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。霍尔效应传感器感测的是磁通量的大小。霍尔电路设计1．工作方法当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同样的输出信号。无论该磁场的绝对强度有多大，它们之间的差值总为零。然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个齿隙，如果两个霍尔单元之间存在磁场梯度，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大。实际上，这个差值体现了一个小偏移，它可由相应集成的控制电路来修正。这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。2.齿轮、感应距离和角精度一个齿轮可由其模数来表征：m＝d/z。其中d是齿轮直径，Z是轮齿数量。轮齿到轮齿的距离为T，齿距的计算公式为T=πm、当一个霍尔传感器面对一个轮齿而另一个霍尔传感器面对一个齿隙时，感应到的差值最大。该器件内两个霍尔传感器的间隔为2.5mm，在模数为1，对应的齿距为3.14win的条件下，该器件都可以感应到差值。如果该模数大于3或者齿轮不规则，将可能在一段较长时间内检测不到足够的差值，这意味着输出信号将不确定。传感器和齿轮之间允许的最大距离是温度、模数、磁体和速度的一个函数，速度可以用每次轮齿/齿隙转变时在输出端出现一个脉冲来表征。如果减小距离，将产生较大的有用信号。因此，切换精度可以随传感器低／高转变次数的增加而增加，这种低／高转变可以代表齿轮的一个旋转角度。3.电路图设计当霍尔元件输出高电平时，V2导通，V1截止，信号输出端输出方波的低电平；当霍尔元件输出低电平时，V1导通，V2截止，输出端为方波的高电平。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT（T＝πm）。霍尔传感器及其应用对磁敏感的传感器称为磁敏传感器，主要有干簧管、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻传感器及霍尔传感器等。本文介绍的是霍尔传感器及其应用。以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外，霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的传感器。霍尔效应与霍尔元件金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔电势或霍尔电压(如图l所示)。霍尔电势Uh=KhIcB(其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所用的材料及几何尺寸有关)。这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。由于霍尔元件输出的电压信号较小，并且有一定的温度误差，目前已较少直接使用霍尔元件作传感器。霍尔集成传感器随着半导体工艺技术的发展，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源做在一个芯片上，成为霍尔集成传感器(目前习惯上称为霍尔传感器)。为了应用上的需要，霍尔集成传感器又分成线性型霍尔传感器及开关型霍尔传感器。根据使用要求不同又开发出不同性能的系列产品。这里仅介绍一些新型的典型产品及应用电路。线性型霍尔传感器这里介绍Honevwell公司的SS49系列及SS495系列。1．SS49系列SS49系列霍尔传感器是一种三端器件，它敏感于外界的磁感应强度，输出与磁感应强度成比例的电压信号。该元件的特点是：电源电压范围为4V-10V，随着电源电压增加，输出信号幅度增大，但线性度范围却缩小；静态工作电流较小，典型值为4mA，适用于便携式电池供电的场合；响应于N极或s极；在很宽的磁场范围内有较好的线性度；能有较大的输出电流的能力(10mA连续，20mA最大)；尺寸小(贴片式器件)。该元件在不同工作电压时的输出特性如图2所示。在5V工作电压、OT(特斯拉)时输出为2V。该元件的温度特性如图3所示，在温度范围较大时需加温度补偿。该器件有TO-92封装及SOT-89贴片式封装，其管脚排列如图4所示。典型应用电路如图5所示，Rl为负载电阻。2．SS495A1ss495A1是高精度线性输出霍尔元件。该元件特点是：内部有温度补偿电路并由激光对电阻进行修正，使零点温漂为±0．04％／℃，灵敏度漂移为+0．02-±0．03％／℃；输出电压在-0.064T～+0.064T范围时为0．5v～4．5v(典型值)，它可以直接与单片机接口；OT时为2．5v±0．075V；灵敏度为3．125±O．094；线性度误差为-1．0％量程)；工作温度范围-40℃～+150℃；工作电压范围为4．5v～10．5v，工作电流7mA(典型值)。该元件尺寸小(约4mm×3mm)，并有贴片式封装形式，其管脚排列与前同。该元件典型输出特性如图6所示。应用电路1．位移测量将线性霍尔传感器放在两块磁铁的中间，其磁感应强度为零。这个位置可作为位移的零点(如图7(a)所示)。当霍尔传感器在Z轴作AZ位移时，经调整电路处理后其输出电压Vo与位移△Z特性如图7(b)所示。图7(b)是按同样的原理制成的力传感器。2．简易磁场强度计图8是一种用SS49制成的简易磁场强度计的电路图。在0-±0．1T的磁感应强度时，输出为0～5v。当磁感应强度为-0．1T时，调RPl，使输出为0V；当磁感应强度为+0．1T时，调RP2，使输出为5V(在磁感应强度为零时，输出为2．5v)。若外接一个O～5V表头即成为±0．1T的磁场强度计了(刻度要重画)。由于SS49有一定的温度误差，可在6．8k电阻并联一个PTC热敏电阻进行补偿，其阻值要根据传感器的温度特性来调试，如图8右图所示。若采用495Al高精度线性霍尔元件来做磁场强度计，则在±0．64T时，输出0．5v～4．5V，则可直接接一个0～5V电压表头即制成较高精度的磁场强度计，无需任何电路(仅仅将电压刻度换成T即可：在0．5V处刻度为一0．64T；在2．5v处刻度为0T；在4．5V处刻度为+0．64T即成)。霍尔传感器及其应用（二）开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它内部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比较器及集电极开路输出部分等，如图1(a)所示，外形如图1(b)所示。开关型霍尔传感器的工作特性如图2所示。当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，但磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRE时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与Bre之间的滞后(或称为回差)使开关动作更为可靠。由于传感器内部为集电极开路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取1～2k，如图3所示。另外还有一种“锁键型”(或称锁存型)开关型霍尔传感器，其特性如图4所示。当磁感应强度超过动点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变(即锁存状态)，必须施加反向磁感应强度达到Bre时，才能使电平产生变化。这里介绍SS100系列及ss40两种典型产品。这两种产品都是HonevweⅡ公司的产品。1．SSl00系列SSl00系列是贴片式器件，SOT-89封装[如图1(b)所示]。它的特点是工作电压范围较宽(3．8—24V)；工作电流小(最大为10mA)；其输出级集电极最大电流可达20mA；工作温度范围较宽(-40--+125℃)；有单极、双极及锁存型，可供用户选择。参数性能见附表(仅选择该系列部分产品)。2．SS40(双极型)SS40为TO-92封装，其外形及管脚见图1(b)。该器件工作速度可达100kHz；工作温度范围可达-55—150℃；工作电压范围4．5-24v；工作电流最大值为8．7mA(典型值为4mA)，输出低电平时典型值为0．15v(最大值为0．4V)；上升时间0．2us(典型值)，下降时间0．5us(典型值)；在25度时的动作点最大值为4．0mT，最小释放点为-4．0mT，最小回差为8．0mT。典型应用电路开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。它只要配合一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器(如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车；电梯门关好，电梯才能升降)和防盗报警器(当门或窗被非法撬开时，开关型霍尔元件可输出报警信号，如图3所示)。另外一类是可以利用它做成测量转速(转数)等，如图5所示。几种典型的连接负载电路如图6所示。图6(a)为与继电器连接，图6(b)为与晶闸管连接。转自维修吧-