12霍尔传感器

模块三传感器原理及检测实训霍尔传感器浙江经济职业技术学院徐文3.4.1霍尔效应3.4.2霍尔传感器组成与基本特性3.4.3霍尔传感器的应用3.4.4测量误差及补偿办法3.4.5直流激励时霍尔传感器位移特性实验返回首页3.4霍尔传感器返回首页3.4.1霍尔效应半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象是美国物理学家霍尔发现的，故称为霍尔效应，相应的电动势被称为霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔片或霍尔元件。图4-5-1霍尔效应原理图返回首页3.4.1霍尔效应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EH。CAB霍尔效应演示D3.4.1霍尔效应CDEH洛伦磁力作用下的电子流轨迹。返回首页3.4.1霍尔效应HIbvKInqd所以1/HKnqd霍尔灵敏度HHUbvBKIB霍尔电势表达式FqvBHFqEFFHEvBHHUbEbvBInqvbd磁场力电场力平衡时所以霍尔电势控制电流返回首页3.4.2霍尔传感器组成与基本特性霍尔片——半导体薄片(因为d小，KH大，l/b=2时KH最大)引线——激励电极(短边端面)引线1、1'霍尔电极(长边端面)引线2、2'封装外壳——陶瓷或环氧树脂图4-5-2霍尔元件的结构和符号1、霍尔元件(1)材料——多用N型半导体(2)结构和符号返回首页图4-5-3霍尔电压的基本测量电路2、电路部分(1)基本电路(2)霍尔元件的输出电路线性应用、开关应用(3)输出叠加连接方式直流供电、交流供电3.4.2霍尔传感器组成与基本特性返回首页3.4.2霍尔传感器组成与基本特性图4-5-4霍尔元件的输出电路(a)线性应用(b)开关应用返回首页3.4.2霍尔传感器组成与基本特性图4-5-5霍尔元件输出叠加连接方式返回首页3.4.2霍尔传感器组成与基本特性BcxHHHUKIBKIcxkx3、磁路部分图4-5-6――产生梯度磁场霍尔片沿x方向移动时，若控制电流I保持不变，则霍尔电势为：图4-5-6霍尔式位移传感器原理示意图3.4.2霍尔传感器组成与基本特性4、基本特性(1)霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性；(2)提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制；(3)霍尔传感器动态性能好。例4.5-1P1253.4.3霍尔传感器的应用HUHU~HUB1、利用与I的关系可用于直接测量电流和能转换为电流的其它物理量2、利用与B的关系可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量BxBKI0()HHBxxHBUKIBKKIIKIKKKI图4-5-7霍尔式钳形电流表3.4.3霍尔传感器的应用/mNIRBSHNBU灵敏度改变办法：(1)改变控制电流I(2)改变载流导线绕在环形铁心上的周数——改变KB因为所以（增加周数可使灵敏度增加n倍）HU3、利用与IB的关系可进行乘法运算或功率测量sinIbmiKUtsinBbmBKItHuKiBcoscos2bbbbuKUIKUItcosbbUKUIKP3.4.3霍尔传感器的应用图4-5-8霍尔式功率变换器原理3.4.3霍尔传感器的应用应用实例1、霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。3.4.3霍尔传感器的应用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。3.4.3霍尔传感器的应用霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔ICT3.4.3霍尔传感器的应用霍尔元件应用实例2、霍尔特斯拉计(高斯计)3.4.3霍尔传感器的应用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔元件磁铁3.4.3霍尔传感器的应用霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值3.4.3霍尔传感器的应用应用实例3、霍尔转速表6022fn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。SN线性霍尔磁铁3.4.3霍尔传感器的应用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。霍尔转速表原理3.4.3霍尔传感器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。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用3.4.3霍尔传感器的应用霍尔转速表的其他安装方法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3.4.3霍尔传感器的应用应用实例4、霍尔式无触点汽车电子点火装置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。汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头3.4.3霍尔传感器的应用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。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型霍尔IC）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3.4.3霍尔传感器的应用当叶片遮挡在霍尔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。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a）电路b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形当叶片槽口转到霍尔IC面前时，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30~50kV的高电压。3.4.3霍尔传感器的应用汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁点火总成3.4.3霍尔传感器的应用应用实例5、霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，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。普通直流电动机使用的电刷和换向器3.4.3霍尔传感器的应用无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车可充电电池组无刷电动机3.4.3霍尔传感器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。无刷电动机在电动自行车上的应用3.4.3霍尔传感器的应用电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控制器利用PWM调速3.4.3霍尔传感器的应用光驱用的无刷电动机内部结构3.4.3霍尔传感器的应用压舌豁口霍尔钳形电流表（交直流两用）应用实例6、霍尔钳形电流表3.4.3霍尔传感器的应用霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A3.4.3霍尔传感器的应用钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示70.9A3.4.3霍尔传感器的应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？3.4.3霍尔传感器的应用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3.4.3霍尔传感器的应用霍尔式电流谐波分析仪被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙铁心的杠杆压舌3.4.4测量误差及补偿办法1234RRRR00CDUU四、测量误差及补偿办法1、不等位电压及其补偿①不等位电压U0——B=0时的空载霍尔电热②产生原因：1°两个霍尔电极不在同一等位面上2°霍尔元件电阻率不均匀3°霍尔元件厚度不均匀因为不成立，所以③补偿办法（图4-5-10）(c)方案最好图4-5-9霍尔元件不等位电压示意图3.4.4测量误差及补偿办法图4-5-10不等位电压补偿原理3.4.4测量误差及补偿办法HHUKIB0(1)HHKKt0(1)rrt0(1)RRt00Rr00Rr2．温度误差及其补偿①温度误差产生原因霍尔元件内阻r霍尔灵敏度KH随温度变化，故UH随温度改变。②温度误差补偿电路(1)恒流源供电和输入回路并联电阻设输入回路并联电阻为一般δ很小，可忽略不计，且αβ，故有3.4.4测量误差及补偿办法00Rr图4-5-11恒流源温度补偿电路图4-5-12恒压源温度补偿电路(2)采用恒压源和输入回路串联电阻3.4.4测量误差及补偿办法00(1)LbRRa(3)合理选取负载电阻RL的阻值(4)采用温度补偿元件HtU2°补偿正温度系数霍尔输出，即(5)不等位电压U0的温度补偿HtU1°补偿负温度系数霍尔输出，即3.4.4测量误差及补偿办法图4-5-13采用热敏元件的温度误差补偿电路THHtRIUHU图(a)，补偿了THHtRIU图(b)，补偿了HU////LTLHLTRtRRUURRR图(c)，补偿了HU//TTHHtRRRUHU图(d)，补偿了3.4.4测量误差及补偿办法图4-5-14桥路补偿电路――在霍尔输出端串入温度补偿电桥3.4.5直流激励时霍尔传感器位移特性实验直流激励时霍尔传感器位移特性实验要求：•传感器的V-X特性曲线，系统灵敏度，非线性误差•霍尔元件位移的线性度