霍尔传感器在工业中应用存在的问题分.doc

霍尔传感器在工业中应用存在的问题分姓名： 李海龙【摘要】：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁传感器。霍尔元件及霍尔传感器能将人们所要探知的各种非电量信息转化为电量信息，以此得到对测量量更好的控制和研究。本文针对霍尔传感器在工业生产中的应用，阐述了霍尔传感器是如何具体应用到工业生产中的，提出了其在工业应用出具体会出现的问题，并且分析了问题出现的原因，针对原因提出了一些解决问题的策略。关键词：霍尔效应；工业应用；问题；霍尔传感器。【Abstract】: Hall sensor is based on hall effect produced a magnetic sensor. Hallelement and hall sensors can be all kinds of people would fathom non-electricquantity information into electricity, to get information on the measurement is moreGood control and research. Aiming at the hall sensors in industrial production,expounds the application of how hall sensor-based the concrete applied to industrialproduction, and put forward the issue experience in industrial application issues, andanalyzed the causes of your problems, for reasons put forward some solving strategy.Keywords: Hall effect; industrial applications; problem; Hall sensor .引言21 世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。如今，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为21 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。自19 世纪60 年代发现发现霍尔效应以来，伴随着后来半导体器件技术和集成电路技术的快速发展，以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个领域。而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。霍尔传感器产业发展应用大致分为:直接应用和间接应用。以霍尔效应为原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种电学和非电学测量的线性传感器。如控制一定电流时，可以测量交、直流磁感应强度和磁场强度；控制电流电压的比例关系，令输出的霍尔电压与电压乘电流成比例，可制成功率测量传感器；当固定磁场强度大小及方向时，可以用来测量交直电流传感器电流和电压。利用这一原理还可以进一步测量力、位移、压差、角度、振动、转速、加速度等各种非电学量。1 霍尔传感器概述霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体，半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。利用这种现象制成的霍尔传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔传感器主要是由霍尔元件制成，分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。而霍尔元件是由半导体材料制成的，它对温度变化很敏感，故温度变化会给霍尔传感器的测量带来偏差，此外由于元件材料、寄生直流电动势、不等位电动势、外界电磁波干扰等情况在具体工业生产中也会影响到霍尔式传感器的测量精确度。1.1 霍尔传感器在工业应用中的特点(1)霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量,其副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通5互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz 正弦波。(2) 原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV 至12KV，特殊要求可达20KV 至50KV。(3) 精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz 正弦波形。(4) 线性度好：优于0.1%。(5) 动态性能好：响应时间小于1s 跟踪速度di/dt 高于50A/s1。霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。(6) 工作频带宽：在0-100kHz 频率范围内精度为。在05kHz 频率范围内精度为0.5%。(7) 测量范围广：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。(8) 过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20 倍时，模块也不会损坏。(9) 模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。(10) 模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/s 的高压变化时，模块有自身屏蔽作用。(11) 模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如：在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。(12) 可靠性高。(13) 抗外磁场干扰能力强。1.2 霍尔传感器在工业应用的使用注意事项（1）为了得到较好的动态特性和灵敏度,必须注意原边线圈和副边线圈的耦合,要耦合得好,最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径。（2）使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈,且次级电路没有接通电源稳压器或副边开路,则其磁路被磁化,而产生剩磁,影响测量精度（故使用时要先6接通电源和测量端M）,发生这种情况时,要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源,而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。（3）在大多数场合,霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力,一般在距离模块5-10cm 之间存在一个两倍于工作电流Ip 的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的,但当有更强的磁场干扰时,要采取适当的措施来解决。通常方法有：A、调整模块方向,使外磁场对模块的影响最小。B、在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩。C、选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块。D、测量的最佳精度是在额定值下得到的,当被测电流远低于额定值时,要获得最佳精度,原边可使用多匝,即：IpNp=额定安匝数。另外,原边馈线温度不应超过80。2 霍尔传感器在工业中应用的现状2.1 霍尔式汽车点火器霍尔式电子点火器与传统的点火器不同，具有点火能量高、高速点火可靠、故障率低、耗油省等优点。霍尔式电子点火系统主要由点火信号传感器、电子点火控制器组件、点火开关和蓄电池等组成，结构如图1。点火信号是由分电器中的开关型霍尔传感器提供的，该传感器一般选用CS 系列或UGN 系列的产品。霍尔传感器用来产生点火信号，控制点火系统工作。该传感器主要部件有霍尔元件、永久磁铁和一个能在霍尔元件与永久磁铁之间的空气隙里转动的信号转子上的金属叶片。永久磁铁的磁力线可穿过空气间隙垂直进入霍尔元件，也可由叶片遮挡而不进入霍尔元件。霍尔传感器安装在分电器内，霍尔元件和永久磁铁组件安装在分电器的底板上，带缺口的转子安装在分电器器轴上，其叶片与分火头制为一体，由分电器驱动，叶片数与发动机汽缸数相等。发动机工作时，转子随分电器轴旋转，其边缘在霍尔元件与永久磁铁之间穿过。分电器工作时，叶片随分电器轴转动，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙时,霍尔集成块中的磁场即被触发叶轮的叶片旁路(或称隔磁),这时霍尔元件不产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于截止状态，信号发生器输出高电位。当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过霍尔集成7块经导板构成回路，这时霍尔元件产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于导通状态,信号发生器输出低电位。分电器轴转一圈，输出4 个方波。触发叶轮的转向从上向下看时是顺时针方向。当叶轮缺口的后边缘转动使磁极端面只露一半时，信号输出端的电压瞬间从低电位跳到高电位，此时就是点火时刻。霍尔点火器与信号发生器通过二线插头相联接，当信号输出端把信号输入到点火控制器后，经过其内部电路处理，控制一只大功率三极管，进而控制点火线圈，使点火线圈高压输出端输出高压脉冲到火花塞点火。火花塞点火信号发生器，（ 霍尔传感器），分电器点火线圈点火控制器电源图1 霍尔式汽车点火器系统组成2.2 磁力探伤霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实现无速度影响检测，因此，被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。霍尔磁力探伤法是一种利用霍尔元件作为传感器制成探头对钢铁制件进行无损探伤的方法。霍尔元件是一种利用霍尔效应原理而制作的半导体磁电传感元件。在矩形半导体薄片上，对称焊接四根引线，矩形长方向上的两根称之为控制电流端引线，矩形两旁中点的两根称之为霍尔输出端引线，通过控制电流端引线流入电流i，并在垂直于薄片上，加以磁场强度为B 的磁场后，在霍尔元件输出端将得到输出电势VH，称霍尔电压， 并有VH=KHIB 的关系,式中KH 为元件的灵敏度，当输入电流为定值时， 则电场正比于主磁场感应，用式表示VHKHB，也就是说：“主磁场越大，所感应的电势也越大，反之则越小”。在工件无裂纹处经磁化后，磁力线在工件表面分布基本是均匀的，此时在工件表面按置探头，测量其磁惑应强度，在移动或旋转探头时,所测得的工件表面不同部位的磁感应强度大致上是相同的。8当工件局部有裂纹时，经磁化后，裂纹就起到一个磁阻作用， 磁力线被阻挡不能顺利通过，此时再在工件裂纹处表面按放探头，由于探头含有较高的导磁材料，工件裂纹被阻的磁力线便通过检测器构成回路，感应出裂纹处的磁场讯号，因而移动或旋转工件表面的探头，测量其各部位的磁场时，感应出的裂纹部位的磁感应强度，就不同于其他部位的磁感应强度。探头按置在工件裂纹表面，由于裂纹阻挡磁力线通过的原因，在裂纹感应出的磁感应强度将高于其它无损伤处的磁感应强度，并有一定差值，而这个差值是随裂纹横截面的太小，也就是裂纹的深浅、区域成正比例，裂纹横截面越大或者裂纹越深，这一差值也越大，反之即小，无裂纹时差值很少或没有。用霍尔磁力探伤法制成的探伤器主要由磁化探测和裂纹显示三大部份组成，应用霍尔效应原理，利用被测工件磁化后，其裂纹部位磁力线外泄形成的磁感应讯号，用霍尔元件制成探头进行探测，然后，将讯号通过仪器放大后，由表头指示根据探头探测的各部位磁感应强度变化情况来确定有无裂纹及裂纹所在位置和损伤程度。2.3 刀具破损监测在现今的工业数控切削过程中，刀具的破损和失效是造成机床设备损坏和切削加工安全事故的主要起因。因此能有效地实现对刀具破损的在线监测，并且当发现刀具破损时，能实时地作出相应处理，便显得尤为重要。立铣加工过程中的刀具监控系统如图2，主要由两大部分组成，一部分为刀具破损的检测，另一部分为对失效后的刀具进行的相应管理。本设计采用了在机床上易于安装，信噪比大的非接触式霍尔电流传感器对主轴电机和进给电机电流分别进行检测，检测到的电流信号经测试电路传输至数据采集卡，工业PC机将数据采集卡采集到的实时信号处理后并进行刀具状态识别。识别的结果显示刀具破损或失效时，由PC机向机床发出中断信号，利用中断型宏指令实现报警和自动换刀以及继续加工的动作。当刀具处于稳态切削过程时，对应电机定子电流是恒定的，将这一恒定电流称为首切电流，首先由工业PC 机将该电流信号存储。在监测过程中，霍尔电流传感器(CHB 一50A)将机床交流伺服电机的实际电流检测到，通过转折频率为500HZ 的有源低通滤波器后，将信号送入到数据采集卡进行数据采集，并由工业PC 机对采集到的数据进行处理。用实测电流减去首切电流的差值，作为判断电机电流变化的参量。根据此参量的数值实现实时监测道具的破损状态。9主轴、进给电机电流信号的检测（霍尔传感器）工业PC 机伺服驱CNC 控制器动刀具图2 刀具的监控系统组成2.4 洗衣机水位自动控制将霍尔传感器用于自动洗衣机中，可实现洗衣机衣桶水位的自动控制。具体过程如下：结构框图如图3：（1）洗衣桶无水当洗衣桶内没有注入水时,气室、连接管及压力转换阀与大气是相通的。（2）洗衣桶注入水当水注入桶内以后，气室、连接管和压力转换阀内的气体被封闭了，而且随着水位升高，空气所受压力变大。由于空气被压缩，结果使阀内的橡胶模变形，带动与膜相连的霍尔片（传感器）移动到可调磁铁的下面时，其在磁场作用下将产生霍尔电势，这样就发出信号可以使进水阀关闭。（3）水排完当水排完以后，霍尔片在橡胶膜的弹力作用下回到起始位置，处于固定磁铁的下面，霍尔元件又会发出相应的信号，从而可以再次打开进水阀，开始再次注水。10放水阀压力转换阀可调磁铁霍尔传感器控制电路洗衣桶气室图3 洗衣机水位自动控制系统组成3 霍尔传感器在工业应用中存在主要问题分析3.1 汽车点火器中存在的主要问题分析（1）霍尔传感器在汽车点火系统中应用存在的电磁干扰问题。众所周知，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰，由于汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。目前解决此类电磁干扰的办法是采用功率霍尔开关电路。（2）霍尔传感器在汽车点火器中存在的信号弱问题。由于霍尔传感器内部集成块烧坏，线路断脱，因而不能产生点火电压信号或信号太弱，不能使电子点火器触发工作。对于霍尔电压来说，导磁转子叶片插入缝隙时，霍尔元件上磁通量减弱，霍尔电压很微弱；而叶片离开缝隙时，则霍尔元件磁场加强，霍尔电压较高。由于霍尔电压较弱，不足以触发电子点火器工作。解决此类问题的方法是在信号发生器内部加了信号放大器和相反器。（3）霍尔传感器在汽车点火器中使用的老化问题。由于汽车系统中的高温，油污，以及车身的震动，传感器在使用时间过久后会出现测量线路，组成元器件的老化问题。解决此类问题可以通过定期的检查霍尔传感器的性能来判断是否更换器件，或者选用更加耐高温，耐油污等问题的材料来制作传感器。3.2 磁力探伤中存在的主要问题分析（1）霍尔传感器在磁力探伤中存在的电磁干扰问题。由于进行复杂的测量工作，会应用到复杂的测量电路，这样会带来很多电磁干扰信号，可以通过将电路接地，采取屏蔽和滤波等措施来减小电磁干扰。11（2）霍尔传感器在磁力探伤中存在的感应电动势问题。霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔电动势极的引线布局不合理，在输出回路中也会产生附加电动势，其大小不仅正比于磁场的变化频率和磁感应强度的幅值，并且与霍尔电动势极引线所构成的感应面积成正比。我们可以通过合理布置电路，且在磁路气隙中安置另一个辅助霍尔元件来解决此类问题。（3）霍尔传感器在磁力探伤中存在的寄生直流电动势问题。在霍尔传感器中控制电流极和霍尔电动势极的欧姆电阻接触不良造成整流效应，此外霍尔电动势极的焊点大小不同，导致两焊点的热容量不同而产生温差效应都是形成直流附加电动势的原因。我们可以在元件的制作和安装时应尽量改善电极的欧姆电阻的接触性能和原件的散热条件来解决此类问题。（4）霍尔传感器在使用中的老化问题。由于使用时间过久，传感器本身组成器件，和测量电路都会损耗。这也是其在工业应用中的通病，只能定期检查其性能，根据具体的应用，定期更换。3.3 刀具破损监测中存在的主要问题分析（1）霍尔传感器在刀具监测中存在的电流电压信号不能远传问题。我们知道在工业现场，会安装很多的各种类型的传感器，如压力的，温度的，流量的，声音的，电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号信号将会不能远传。这时选用分布式或者远程的采集卡（模块）在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。（2）霍尔传感器在刀具破损监测中的电磁干扰问题。在刀具监测系统中，我们众多传感器结合使用，出现复杂的布线，和电路带来了电磁干扰信号，通过合理的布线，将电路采取接地，屏蔽，滤波等措施能有效的减轻电磁干扰。（3）霍尔传感器的老化问题。霍尔传感器在使用时间过久后，传感器本身组成器件，和测量电路都会损耗，造成其稳定性的降低。根据具体的应用中霍尔传感器的损耗情况，定期更换。3.4 洗衣机水位自动控制中存在的问题分析（1）霍尔传感器在水位自动控制中存在的温度误差问题。此处洗衣机中环境温度不均匀是造成此问题的原因，由于霍尔原件中半导体对温度变化十分敏感，半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化会产生相应变化，因12此霍尔元件的性能参数，如电阻、霍尔电动势等都将随温度变化。解决