霍尔传感器的应用 (2)精选文档.ppt

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1、霍尔传感器的应用本讲稿第一页，共五十一页一、霍尔元件霍尔元件二、霍尔集成传感器霍尔集成传感器三、霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用-霍尔测速仪霍尔测速仪本讲稿第二页，共五十一页 霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。在金属或半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加电场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面会产生一个大小与控制控制电流I和磁场B乘1、霍尔元件、霍尔元件1.1霍尔元件及霍尔元件的命名方法本讲稿第三页，共五十一页 积成正比的电压，这一现象称为霍尔效应。所产生的电压叫霍尔电压。即 -霍尔元件的灵敏度。本讲稿第四页，共五十一页-霍尔

2、系数，它反映元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；d-霍尔元件的厚度;本讲稿第五页，共五十一页图2霍尔效应原理本讲稿第六页，共五十一页当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比 测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。本讲稿第七页，共五十一页 当磁场方向不垂直于元件平面，而是与元件平面的法线成一角度时，实际作用于元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即这时霍尔元件的

3、输出为 1.2霍尔元件的材料及结构 霍尔元件通常采用的半导体材料有 N型锗，锑化铟、砷化铟、砷化镓及磷砷化铟、N型硅等。锑化铟元件的灵本讲稿第八页，共五十一页 敏度最高，输出较大，但受温度影响也较大；砷化铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好；砷化镓元件的温度特性和输出特性好，但价格贵。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线本讲稿第九页，共五十一页 并封装。而膜式霍尔元件则是在一块极薄（0.2mm）的基片上用蒸发或外延的方法制成一种半导

4、体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊接线，并最后封装。由于霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电压，所以在制作时都要很严格的要求。1.3霍尔元件的技术参数本讲稿第十页，共五十一页霍尔元件的主要技术参数如下：（1）输入电阻 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电压变化，为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。本讲稿第十一页，共五十一页（2）输出电阻 两个霍尔电压输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻同一数量级，它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻与之

5、匹配，可以使由温度引起的霍尔电压的漂移减至最小。（3）最大激励电流本讲稿第十二页，共五十一页 由于霍尔电压随激励电流增大而增大，在应用中通常希望选用较大的激励电流,但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件温度升高，从而引起霍尔电压的温漂增大，因此，每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几百毫安。（4）灵敏度本讲稿第十三页，共五十一页 灵敏度 它的数值约为10 左右。（5）最大磁感应强度 磁感应强度超过 时，霍尔电压的非线性误差将明显增大，的数值一般为零点几特斯特（T）或几千高斯（）(1 =)（6）不等位电压本讲稿第十四页，共五十一页 在额定激励电流的作用下，当外加磁场为零

6、时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电压，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电压引起的误差。（7）霍尔电压温度系数在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1度时，霍尔电压变化的百本讲稿第十五页，共五十一页 分数称为霍尔电压温度系数，它与霍尔元件的材料有关。1.4霍尔元件的检测方法（1）电阻法：一般霍尔元件有立 式和卧式两种，它们各脚之间阻值有一定关系，、脚间阻值等于、脚间阻值，、脚间阻值等于、脚间阻值。并且各脚之间阻值为300500左右，正、反向测量无明显差别，否则该元件失效。本讲稿第十六页，共五十一页 （2）波形法：在通电的情况下，用示波器接到霍尔元

7、件输出端，应有0.1Vp-p0.3Vp-p的方波波形输出，其脉冲宽度应达到电路要求。（3）寻迹法：在通电的情况下，用手转动相应电机或带盘，把寻迹器接在霍尔元件输出端，应在喇叭中能听到脉冲放电声，否则该元件损坏。本讲稿第十七页，共五十一页 （4）模拟法：拆下待测霍尔元件，在其电源正、负端上加上额定电压2V5V，用强磁性物体靠近元件表面并上下晃动，同时用示波器或寻迹器在输出端测其输出信号，如无，则该元件损坏。2 霍尔集成传感器霍尔集成传感器 由霍尔元件及有关电路组成的传感器称为霍尔传感器。随着微电子本讲稿第十八页，共五十一页 技术的发展，目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路

8、及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称霍尔集成电路。霍尔传感器的霍尔材料仍以半导体硅作为主要材料，按其输出信号的形式可分为线性型和开关型两种。当霍尔元件本讲稿第十九页，共五十一页 作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电压小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。2.1线性型霍尔传感器 线性型霍尔传感器是将霍尔元件、恒流源、线性放大器和射极跟本讲稿第二十页，共五十一页 随器等做在同一芯片上，输出电压较高，它输出模拟量。其特性如下图所示本讲稿第二十一页，共五十一页 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，

9、在B1B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。2.2开关型霍尔传感器 开关型霍尔传感器由稳压电路、霍尔元件、差分放大器，施密特触本讲稿第二十二页，共五十一页 发器、OC门等组成，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。它输出数字量。其特性如下图所示 其中 为工作点“开”的磁感应强度，为释放点“关”的磁感应强度。本讲稿第二十三页，共五十一页 当外加的磁感应强度B超过霍尔元件磁场工作点时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到工作点以下时，传感器输出电平不变，一直本讲稿

10、第二十四页，共五十一页要降到释放点时，传感器才由低电平跃变为高电平。与之间的滞后使开关动作更为可靠。霍尔元件的磁场工作点 和释放点 之差 为磁感应强度的回差宽度。和 是霍尔元件的两个重要参数。越小，器件灵敏度越高；越大，器件抗干扰能力越强。霍尔元件所具备的回差特性使其抗干扰能力显著提高，外来杂散磁场干扰不易使其产生误动作。本讲稿第二十五页，共五十一页3.1系统结构图 此设计是利用测量A1302的磁电特性与磁钢产生的电压脉冲频率进而测量转速的，为了更精确方便的测量与显示脉冲频率，采用了频率转换电压电路，因此霍尔磁力测速3霍尔传感器的应用-霍尔测速仪本讲稿第二十六页，共五十一页 仪的基本系统结构如

11、图4所示，整个系统可以分为四个模块：检测脉冲产生模块、频率/电压转换模块、AD转换模块和计算显示模块。在电机的转动轴上装上小磁钢，每当小磁钢经过霍尔传感器时就会产生一个脉冲，测量出脉冲数和测量时间，计算得到的频率就是我们要得到的转速，然后显示出来。本讲稿第二十七页，共五十一页图4霍尔磁力测速仪系统结构图 3.2 检测脉冲产生模块 检测脉冲产生模块如图5所示，本讲稿第二十八页，共五十一页在被测转速的转轴上装上齿盘，每当齿盘经过霍尔传感器时，就会引起传感器输出电压发生变化2。图5 检测装置本讲稿第二十九页，共五十一页 本设计选用A1302EUA-T连续型比例式线性霍尔传感器,具有低噪声输出，灵敏度

12、高，快速上电，温度稳定性好，寿命长，高可靠性等优点，非常适合用在线性目标移动和旋转目标移动的位置检测系统中。可精确提供与所适用磁场成比例的电压输出，灵敏度为1.3mv/G。其本讲稿第三十页，共五十一页静态输出电压为电源电压的50%，所以在信号进入频率/电压转换模块之前需要对变化量进行调零和放大，如图6所示本讲稿第三十一页，共五十一页图 6 调零放大电路本讲稿第三十二页，共五十一页 此电路是用来实现两个电压相减的差分放大电路3，在理想运放条件下利用虚短 和虚断 的概念，可以得到：在上式中，如果选取阻值满足 本讲稿第三十三页，共五十一页 的关系，输出电压可简化为 在图中我们可以看到两个输入电压分别

13、为传感器输出电压和可变电阻 上的分压，在磁场强度为本讲稿第三十四页，共五十一页 零时，传感器输出电压为电源电压的1/2，改变 的阻值，使差分放大电路输出电压为零，达到调零效果。选取阻值满足 的关系，调整放大倍数，使输出电压在小磁钢经过传感器时幅度在1V以上，这样就形成了检测脉冲信号FIN。本讲稿第三十五页，共五十一页3.3频率/电压转换模块 为了使系统能够更精确的测量频率（转速），本设计采用速度（频率）电压转换芯片LM2907/LM2917只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速表，LM2907为集成式频率电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号本讲稿第三十六页，共

14、五十一页 转换为直流电压信号，将转速（频率）的变化与模拟信号输出相对应。LM2907进行频率倍增时只需使用一个RC网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器比较器采用浮动三极管输出；最大50mA的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为30mV利用这个本讲稿第三十七页，共五十一页 特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为0.3%；具有保护电路，不会受高于Vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定

15、值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。应用电路如图7所示本讲稿第三十八页，共五十一页 图 7 频率电压转换电路本讲稿第三十九页，共五十一页 当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容 、输出电阻 以及积分电容或滤波电容 ，当第一级输出的状态发生改变时（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差 的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变本讲稿第四十页，共五十一页化量为 ，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）中，电阻的另一端接地，这样滤波后

16、的本讲稿第四十一页，共五十一页 电流被滤波电容积分后得到输出电压 其中为增益常数，典型值为。电容 的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响应时间。输出精度 也可根据实际应用中所测量的频率大小来决定。图7所示电路的输出灵敏度为66Hz/V。本讲稿第四十二页，共五十一页3.4 AD转换模块 由于测量值为模拟量，必须用AD转换后读入单片机，AD转换模块采用一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的AD转换器ADC0809。应用电路如图8所示本讲稿第四十三页，共五十一页图8 AD转换电路本讲稿第四十四页，共五十一页 片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的编码来决定所选通道，在

17、这里我们只需要一路，方便起见将A、B、C三个引脚全部接地，选通IN0路，转换频率/电压转换的输出电压。直接用+5V的供电电源作为基准电压。由于ADC0809为8位数字量输出，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH），因此最高数值分辨率为0.0196V（5/255）。当输入值大本讲稿第四十五页，共五十一页于5V电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。但是量程越大测量精度会降低4。由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE经74HC393进行2分频后获得。输出数据口直接跟单片机P0口连接上，然后通过单片机处理。本讲稿第

18、四十六页，共五十一页3.5计算显示模块 霍尔磁力测速仪的计算显示模块使用STC89C52单片机进行控制和计算，显示部分用1602液晶显示，电路简单，界面友好。单片机的P0口为AD转换电压的数据接收口，P2口控制ADC0809的转换和1602液晶模块功能的实现，P1口为与1602液晶的数据传输口，实际电路如图9 所示本讲稿第四十七页，共五十一页 图9 计算显示电路本讲稿第四十八页，共五十一页3.6调试与结论 系统在调试过程中，需要注意在放大调零模块，调试之前一定要先调零，选取阻值须满足 的关系，才能掌握电路的放大倍数。在频率/电压转换模块，由于元件的误差导致输出精度 跟理论值之间存在误差，实际操作时应多测量本讲稿第四十九页，共五十一页几组数据，求出平均精度，然后给单片机处理。实践证明，经过调节，系统基本稳定，达到预想要求，能够较为准确的测量电机的转速，整个系统简单易实现，此设计还可进一步扩展推广到其他工程领域，如测量磁场强度，数字里程表等。本讲稿第五十页，共五十一页谢谢大家制作人：李小青制作人：李小青指导老师：张丽杰指导老师：张丽杰本讲稿第五十一页，共五十一页