传感器课件-8霍尔传感器.ppt

第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、的工作原理、霍尔集成电路霍尔集成电路的的特性特性及其在检测技术中的应用，及其在检测技术中的应用，还涉及还涉及交直流电流传感器交直流电流传感器以及以及安全栅安全栅。霍尔元件是霍尔元件是一种一种四端元件四端元件10/27/20221第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这，这种现象称为种现象称为霍尔效应霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b10/27/20222磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔尔电电势势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB10/27/20223霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧（向内侧（d侧）偏移，在半导体薄片侧）偏移，在半导体薄片c、d方方向的端面之间建立起霍尔电势。向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b10/27/20224磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这这时时的的霍霍尔尔电电势势与与法法线线的的夹夹角角的的余余弦弦成成正正比比：E EH H=K KH HIBIBcoscos 10/27/20225磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示演示结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比。成正比。当当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率的交变电势的交变电势。a ac cd db b10/27/20226霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯负的多少高斯至正的多少高斯至正的多少高斯？（？（1T104Gs）线性区线性区10/27/20227霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续）最大最大激励电流激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的电流增大，霍尔元件的功耗增大功耗增大，元件的温度元件的温度升高升高，从而，从而引起霍尔电势的温漂增大引起霍尔电势的温漂增大，因此每，因此每种型号的元件均规定了相应的种型号的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。它的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个以下哪一个激励电流的数值较为妥当激励电流的数值较为妥当？8 8A A 8mA8mA 80mA 80mA 10/27/20228第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、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。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路10/27/20229线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。请画出线性范围请画出线性范围10/27/202210开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件霍尔元件、稳稳压电路压电路、放大器放大器、施密特触发器施密特触发器、OC门门（集（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。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，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当当外加磁场强度低于释放点时，外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变门重新变为高阻态，输出高电平为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍。较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020等。等。10/27/202211开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc10/27/202212开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.10/27/202213开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线与继电器的接线?10/27/202214开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大，抗振动大，抗振动干扰能力就干扰能力就越强。越强。当磁铁当磁铁从远到近地接近霍尔从远到近地接近霍尔IC，到多少，到多少特斯拉时输出翻转？当特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离磁铁从近到远地远离霍尔霍尔IC，到多少特斯拉时输出，到多少特斯拉时输出再次翻转再次翻转？回回差为多少特斯拉差为多少特斯拉？相当于多少高斯（？相当于多少高斯（Gs）？）？10/27/202215第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量的函三个变量的函数，即数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使利用这个关系可以使其中两个量不变其中两个量不变，将将第三个量作为变量第三个量作为变量，或者固定其中一个量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。磁场变化的其他物理量。10/27/202216霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件10/27/202217霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁10/27/202218霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值10/27/202219霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个在被测转速的转轴上安装一个齿盘齿盘，也可选取机，也可选取机械系统中的一个械系统中的一个齿轮齿轮，将，将线性型线性型霍尔器件及磁路系统霍尔器件及磁路系统靠近齿盘靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变磁阻随气隙的改变而而周期性地变化，霍尔器件输出的周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速放大、整形后可以确定被测物的转速。设该齿轮有设该齿轮有2222个齿个齿S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁10/27/202220霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔集中穿过霍尔元件元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平时，输出为低电平。10/27/202221霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被若汽车在刹车时车轮被抱死抱死，将产生危险。，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动转动，有，有助于助于控制刹车力的大小控制刹车力的大小和防止和防止侧偏侧偏。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔10/27/202222霍尔转速表的其他安装方法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只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突缺口或突起起，就，就可产生磁场强度的脉动可产生磁场强度的脉动，从而，从而引起霍尔电引起霍尔电势的变化势的变化，产生转速信号产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁10/27/202223霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无采用霍尔式无触点电子点火装置能触点电子点火装置能较好地较好地克服汽车合金克服汽车合金触点点火时间不准确、触点点火时间不准确、触点易烧坏触点易烧坏、高速时高速时动力不足动力不足等缺点等缺点。汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头10/27/202224霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2-槽口槽口 3-分电器转轴分电器转轴 4-永久磁铁永久磁铁 5-霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC）a a）带缺口的触发器叶片）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）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 10/27/202225霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续）汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4点火线圈铁心点火线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花塞 a a）电路）电路 b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 10/27/202226霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续）当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，状态，点火线圈低压侧有较大电流通过点火线圈低压侧有较大电流通过，并以，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。当叶片槽口转到霍尔当叶片槽口转到霍尔IC面前时，面前时，霍尔霍尔IC输输出跳变为高电平出跳变为高电平，经反相变为低电平，经反相变为低电平，达林顿达林顿管截止管截止，切断点火线圈的低压侧电流切断点火线圈的低压侧电流。由于没。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁磁场能量在高压侧感应出场能量在高压侧感应出3050kV的高电压的高电压。10/27/202227汽车电子点火装置使用的点火控制器、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霍尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成10/27/202228霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消取消了换向器和电刷了换向器和电刷，而，而采用霍尔采用霍尔元件来检测转子和定子之间的元件来检测转子和定子之间的相对位置相对位置，其输出信号控制电，其输出信号控制电枢电流的换向，维持电动机的枢电流的换向，维持电动机的正常运转。正常运转。由于无刷电动机由于无刷电动机不产生不产生电火花及电刷磨损等问题电火花及电刷磨损等问题，所，所以它在以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光、光驱等家用电器中得到越来越广驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。泛的应用。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器10/27/202229无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机10/27/202230无刷电动机在电动无刷电动机在电动自行车上的应用自行车上的应用 无刷直流电动机无刷直流电动机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信产生六个状态编码信号号，控制逆变桥各功控制逆变桥各功率管通断率管通断，使，使三相内三相内定子线圈与外转子之定子线圈与外转子之间产生连续转矩间产生连续转矩。具。具有效率高、无火花、有效率高、无火花、可靠性强等特点。可靠性强等特点。10/27/202231电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调速调速10/27/202232光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构10/27/202233霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。10/27/202234霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC只能用于铁只能用于铁磁材料的检测，并且还需要磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。建立一个较强的闭合磁场。当磁铁随运当磁铁随运动部件移动到动部件移动到距距霍尔接近开关几霍尔接近开关几毫米毫米时，时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平变为低电平，使，使继电器吸合或释继电器吸合或释放放，控制运动部，控制运动部件件停止移动停止移动（否（否则将撞坏霍尔则将撞坏霍尔ICIC），），起限位的起限位的作用作用。10/27/202235霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T10/27/202236霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将将被测电流的被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，时，在导线周围将在导线周围将产生磁场产生磁场，磁力线，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件过霍尔元件，从而，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压的霍尔电压。10/27/202237霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KI I 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：10/27/202238其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器10/27/202239其他霍尔电流其他霍尔电流传感器（续）传感器（续）10/27/202240霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口10/27/202241霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零10/27/202242钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示10/27/202243霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中 将空调电源的将空调电源的“三芯护套线三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？形表的示值为多少？为什么？10/27/202244霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流10/27/202245霍尔式电流霍尔式电流谐波分析仪谐波分析仪 被测电流的被测电流的谐波频谱谐波频谱铁心的铁心的 开合缝隙开合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌10/27/202246霍尔电流传感器的技术指标霍尔电流传感器的技术指标某型号霍尔电流传感器技术指标某型号霍尔电流传感器技术指标 额定输入电流：额定输入电流：300A额定输出电：额定输出电：41%V电源电压：电源电压：155%V失调电压：失调电压：25 mV失调电压漂移：失调电压漂移：1mV/线性度：线性度：1%FS响应时间：响应时间：7S绝缘电压：绝缘电压：50HZ，1min，2.5 KV工作温度：工作温度：-10+70 匝数比：匝数比：1：2000 10/27/202247闭环霍尔电流传感器的原理电路闭环霍尔电流传感器的原理电路10/27/202248霍尔电流传感器的技术指标与计算霍尔电流传感器的技术指标与计算 “匝数比匝数比”：NP被定义为被定义为“一次测线圈一次测线圈”的匝数，的匝数，一般取一般取NP=1；NS为厂家所设定的为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数二次侧线圈的匝数”10/27/202249霍尔电流传感器的计算霍尔电流传感器的计算 设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比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，标准额定电流值IPN=300A，二，二次侧的负载电阻次侧的负载电阻RS=30。通电后，用电流表测。通电后，用电流表测得二次侧电流得二次侧电流IS，求输出到弱电回路的电压，求输出到弱电回路的电压US和被测电流和被测电流IP。解：解：1）US=RSIS=3V 2）根据）根据匝数比公匝数比公式被测电流式被测电流IP为：为：10/27/202250