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霍尔传感器一.概述霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达微米级)。并且取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55℃~150℃。霍尔元件应用非常广泛，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。二．工作原理在磁场中垂直放置一块通有电流的金属或半导体薄片，薄片的两侧之间就会产生电动势，这种现象叫做霍尔效应。图1如图1所示，在一个N型半导体薄片相对的两侧面通以控制电流I，在薄片的垂直方向加以磁场B，则由于洛仑兹力作用于半导体载流片两端，产生一个与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势，即霍尔电动势UH=IB式中——元件的灵敏度，它不仅取决于材料，而且与元件的几何尺寸有关。霍尔元件就是在霍尔效应原理的基础上制成的。由于霍尔效应在高纯度半导体中表现显著，因此霍尔元件一般选用高纯度、高迁移率的半导体材料。主要有：锗、硅、砷化镓、砷化锢、锑化铟等。霍尔元件结构简单,它是由霍尔片,四根引线和壳体组成,图2所示为其图形符号。图2三.影响测量精确度的因素及一般补偿措施1．元件材料的影响元件材料的化学成分、结构、电极接点的大小等因素对霍尔电动势都有很大的影响。例如：锗材料元件的温度性能和线性度都比较好，但输出电动势较小；锑化铟的输出电动势较大，但易受温度影响，等等。元件的几何尺寸对传感器的灵敏度影响也很大。另外按理想元件的要求，控制电流端的电极应是良好的面接触，而霍尔电极是点接触。这就要求按照传感器的具体用途来选取元件的材料，如当需要的输出电动势较大时，可选锑化铟，但它受温度影响较大；如果需要克服温度的影响，就选择砷化铟，或者选锗材料的霍尔元件。再如其灵敏度与厚度成反比，长与宽的比也是对输出电动势很有影响的参数，原则上说霍尔元件应越薄越好、长宽比越大越好。２．不等位电动势的影响不等位电动势也叫传感器输出电压的零位误差，是由于制作霍尔元件时不可避免地使电动势的极点不在同一等位面上而形成的，它对测量结果的影响是直接的，对它的补偿通常要采取桥式等效电路法，如图3所示为几种补偿线路。图3３．寄生直流电动势的影响寄生直流是由于霍尔元件电极的不完全欧姆接触造成整流效应以及焊点的大小不一致产生温差所形成的，它也会导致零位误差，对霍尔电动势产生直接影响。对它的补偿要求在元件的制作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。４．感应电动势的影响霍尔元件在交变电磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔传感器引线布置的不合理，在输出回路中也会产生附加感应电动势。这一霍尔感应电动势正比于磁场的变化频率和磁感应强度的幅值，并且和霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比。所以，要减小感应电动势给霍尔电动势带来的影响，除了合理布线外，还可以在磁路气隙中安置另一辅助霍尔元件，如果两个元件特性相同，可以起到显著的补偿效果。５．温度的影响霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化十分敏感，这是因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。温度补偿一般除选用温度系数小的元件、采用恒温措施、用恒流源供电等外，还要结合其它补偿电路，如图4所示。图4在控制电流极并联一个合适的补偿电阻ｒ０，这个电阻起分流作用。当温度升高时，霍尔元件的内阻迅速增加，导致通过元件的电流减小，而通过补偿电阻ｒ０的电流却增加。这样就能够自动调节通过霍尔元件的电流的大小，从而起到补偿的作用。四．霍尔传感器的应用1.全自动照明控制系统的设计霍尔开关是开关型霍尔集成电路的一种应用形式，如图５为霍尔开关集成传感器的内部框图。霍尔开关可以控制反相器输出端高低电平的变化。当有磁场作用在霍尔开关上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压UH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电压大于“开启”阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使三极管VT导通，并具有拉流的作用，整个电路处于“开”状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的UH电压很小，经放大器放大后其值还小于施密特的“关闭”阈值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使三极管VT截止，电路处于“关”状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。图５首先，开关型霍尔集成电路输出的是数字信号，“0”代表低电平，“1”代表高电平。其次，需要使用磁性物体作为其接近物体，通过霍尔开关检测磁性物体的存在与否，达到控制开关通、断的目的。设计思路:当开门后，照明灯就自动点亮；关门后，照明灯熄灭。因此，可以把开、关门作为装置工作的信号。开、关门时，门和门框就都会产生相对的位移，如果可以使门具有磁性，门框具有和霍尔开关一样检测磁性物体能力，那么就能形成一个开关。因此，可以在门上安装一块磁钢，把霍尔开关安装在门框上，用霍尔开关检测门开、关的状态，作为装置的开关信号。霍尔开关的具体实现方式示意图如图６示。霍尔开关(用B表示)安装在门框上，磁钢安装在门的上边框上。当关门时，磁钢刚好在霍尔开关正下方，且靠近霍尔开关，利用霍尔开关检测面的霍尔效应，使开关内部电路状态发生变化，霍尔开关能感受到磁钢的存在。当开门时，磁钢离开霍尔开关，没有磁场通过检测面，检测面不发生霍尔效应，感知到没有磁性物体存在。霍尔开关输出特性如图７示。通过霍尔开关就可以自动控制房间内电灯的开与关，方面了日常生活，同时也可以减少不必要的浪费。图６图７电路原理设计:将220V50Hz的市电交流电源经降压、整流、滤波、稳压转变成12V的直流稳压电源供开关霍尔传感器和计数／脉冲分配器使用。通过开关霍尔传感器将房门的开关动作信号转变为电信号，十进制CD4017计数／脉冲分配器接收该电信号，并将该电信号转变为控制信号，然后控制信号触发双向可控硅导通，进而控制房间照明灯的开关。其原理框图如图８所示。图８该系统使照明过程实现了全自动控制，提高了安全性能，有比较明显的节能作用，同时制作简便，成本低廉，适应范围广，可纳入楼宇的智能控制系统中。当然也存在一些缺陷。比如,许多人没有关门的习惯会导致照明灯成为“长明灯”,起不到节约电量的目的。也有人会进入房间后就把门关上导致照明灯不亮，起不到照明的作用。２．霍尔式自动供水设备设计霍尔式自动供水装置的结构如图9所示。锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭，电磁阀的打开与关闭，则受控于控制电路。当用水者打水时，需将铁制的取水卡从投放口投入，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到磁传感器部位时，传感器输出信号控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头流出。经延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止，又恢复到停止供水状态。图93.钢丝绳探伤仪背景：客运索道具有投资少，对地形适应力强，运载量较大，无噪声无污染等特点，尤其适合地形复杂的地区，如风景名胜地等。而客运索道运载索长期暴露在户外，承受风、霜、冰、雪、雨等恶劣自然条件的严峻考验。恶劣工作条件往往造成客运索道运载索过早产生腐蚀、磨损、疲劳、断丝、变形等缺陷，严重威胁到客运索道的安全运行。通常，为了防止钢丝绳崩断，采取定期更换的办法，但这并不是保障人员及设备安全的可靠方法。实际上，经常出现人身伤亡及设备坠毁的重大事故。近年来随着钢丝绳无损探伤技术的不断发展，钢丝绳探伤仪以其便捷、高效等优点，越来越多地被应用在客运索道运载索的检测上。基本原理：采用电磁法，永磁体将钢丝绳的被测区域沿轴向磁化至饱和，钢丝绳内的磁感应强度保持恒定，置于钢丝绳表面附近的霍尔传感器测量钢丝绳的轴向主磁通，根据穿过钢丝绳的磁通量与钢丝绳的横截面积成正比，可以检测钢丝绳的截面损失；对于钢丝绳局部损伤，断口处会产生漏磁场，此时磁路中磁力线要发生畸变，如图10所示，畸变的磁力线分为三部分。其中一部分直接穿过缺陷；第图10二部分经过裂纹周围的铁磁材料而绕过裂纹；第三部分则离开铣磁材料表面通过空气而绕过裂纹．这第三部分磁通就是被我们利用来检测的泄漏磁通。如能够通过霍尔传感器测量钢丝绳表面的漏磁，可判断钢丝绳的局部损伤情况。应用虚拟仪器技术，由计算机直接采集霍尔传感器的检测信号进行处理，显示、打印检测结果。根据理论和大量实验，推导出泄漏磁通与缺陷(几种模型)几何参数关系的数学模型：式中：ΦD:泄漏磁通(Wb)；μre:铁磁材料的相对磁导率（H/m）；T:缺陷深度(m)；S:缺陷宽度(m)；F:缺陷的非线性场强充布因子；由公式可知ΦD－T和ΦD－S的关系，如图11所示。ml图11可见，当固定缺陷宽度为一定值，泄漏磁通与缺陷深度大致成线性关系。当固定缺陷深度为一定值时，随着缺陷宽度的增加，外泄漏磁通有所增加。而当缺陷宽度增大到一定值时，外泄漏磁通几乎不再发生变化。这一结沦是实现定量测量钢丝绳内外损伤的理论依据。铁磁材料的磁导率在H较大时，是随着外加磁场增大而逐渐降低，导致检测灵敏度下降。但是，如果施加场强选得过低就会出现磁通偶极子效应以及缺陷周围的铁磁材料对试件内部的缺陷存在着磁屏蔽效应使内部缺陷不易检测出。综台上述两种相反的影响因素，选在试件磁化曲线的拐点处，如图12所示，A点就是试件磁化的最佳工作点。图12 检测实现的方案可由图13所示。当运载索通过传感器时，传感器中的永久磁钢同步轴向深度磁化运载牵引索，并达到饱和。运载牵引索的断丝、磨损等缺陷同步产生向外扩散的漏磁场和磁通变化，向空间扩散的信号经传感器集聚和处理，通过AD接口，输入PC机。PC机中的处理软件对信号进行处理，经去噪、识别并和其中的专家数据库中的数据进行比对，以明确的定量数值显示运载牵引索内外断丝、锈蚀、磨损、金属截面积变化，按现行标准提出运载牵引索安全性和使用寿命诊断评价报告。图13参考文献:1.陈国华．CD4017集成电路应用200例[M]．北京：人民邮电出版社，1996:56．2.欧文雄．可控硅原理、应用、实作[M]．香港t启学出版社，1998：38—42．3.张寿安．霍尔效应在位置控制中的应用[J]．长沙铁道学院学报：社会科学版，2005,6(2)：208-209．4.朱蕴璞．传感器原理及应用[M]．国防工业出版社，20055.张友汉．数字电子技术基础[M]．高等教育出版社，20046．KalwaEandPiekarskiK．DetectionofdefectsinaSteelRopewiththe Ilall—EffectMagneticProbeCSNDTJournal，19867．张雷 黄声义《MTC钢丝绳探伤仪在客运索道运载索检测中有关问题的改进》