检测技术4霍尔式ppt课件

1、第第4 4章章 磁电式传感器磁电式传感器 4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器 本章要点本章要点下页下页前往前往 磁电式传感器是经过磁电作用将被丈量磁电式传感器是经过磁电作用将被丈量(如如振动、位移、转速等振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应霍尔效应)而输而

2、输出电势的。它们原理并不完全一样，因此各有各出电势的。它们原理并不完全一样，因此各有各的特点和运用范围。的特点和运用范围。4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器下页下页上页上页前往前往|霍尔效应和霍尔元件资料霍尔效应和霍尔元件资料|霍尔元件构造及丈量电路霍尔元件构造及丈量电路|霍尔元件的主要技术目的霍尔元件的主要技术目的|霍尔元件的补偿电路霍尔元件的补偿电路|霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被丈量、如电流、磁场、位移、压力等转换理而将被丈量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。成电

3、动势输出的一种传感器。4.1.1霍尔效应和霍尔元件资料霍尔效应和霍尔元件资料下页下页上页上页前往前往|霍尔效应霍尔效应 |景象：一个宽为景象：一个宽为b,厚为厚为a的半导体处于磁场中，当通的半导体处于磁场中，当通有电流时，其两端会产生电场有电流时，其两端会产生电场霍尔效应。霍尔效应。|缘由：洛仑兹力缘由：洛仑兹力| 电场力电场力| 动态平衡动态平衡EH是霍尔电场；是霍尔电场；UH是霍尔电势电压。且是霍尔电势电压。且bUqqEqvBffHHEL bvBUH BvqfLHEEqfFEFL4.1.1霍尔效应和霍尔元件资料霍尔效应和霍尔元件资料下页下页上页上页前往前往对对N型半导体型半导体 ，neaI

4、BUH)( 对对P型半导体型半导体 , p为空穴密度。为空穴密度。peaIBUH neabIvnavbedtdqI 利用利用neaIBUH 代入代入UH得得neRH1 aRKHH 式中式中 是系数霍尔，是系数霍尔， 是霍尔元件灵敏度。是霍尔元件灵敏度。IBKUHH 那么那么4.1.1霍尔效应和霍尔元件资料霍尔效应和霍尔元件资料下页下页上页上页前往前往|霍尔元件资料霍尔元件资料 |1锗锗(Ge)，N型及型及P型均可。型均可。 |2硅硅(Si)N型及型及P型均可。型均可。|3砷化铟砷化铟(InAs)和锑化铟和锑化铟(InSb)，这两种资料的特性，这两种资料的特性很类似。很类似。4.1.2 霍尔元件

5、构造及丈量电路霍尔元件构造及丈量电路下页下页上页上页|霍尔元件构造霍尔元件构造: a，b为控制极通电流，为控制极通电流，c，d为霍尔电极输出霍尔电压。为霍尔电极输出霍尔电压。|霍尔片霍尔片|四极引线及电路符号：四极引线及电路符号：1为控制极，为控制极，2为霍尔电为霍尔电极极|壳体壳体前往前往4.1.2 霍尔元件构造及丈量电路霍尔元件构造及丈量电路下页下页上页上页丈量电路丈量电路 霍尔元件的根本丈量电路如下图。霍尔元件的根本丈量电路如下图。 鼓励电流由电鼓励电流由电源源E供应，可变电阻供应，可变电阻R用来调理鼓励电流用来调理鼓励电流I的大小。的大小。RL为输出霍尔电势为输出霍尔电势UH的负载电阻

6、。通常它是显示的负载电阻。通常它是显示仪表、记录安装或放大器的输入阻抗。仪表、记录安装或放大器的输入阻抗。前往前往4.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误差及其补偿下页下页上页上页前往前往一、零位误差一、零位误差定义：不加控制电流或磁场时，出现的霍尔电势。定义：不加控制电流或磁场时，出现的霍尔电势。产生：产生：(1)不等位电势不等位电势不加磁场时，出现的霍尔电势不加磁场时，出现的霍尔电势主要零位误差主要零位误差 。缘由：控制电极不对称引起；缘由：控制电极不对称引起；处理方法：在处理方法：在1，2电极之间加电阻。电极之间加电阻。4.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误

7、差及其补偿下页下页上页上页前往前往(2)寄生直流电势寄生直流电势通交流控制电流时，通交流控制电流时，除交流不等位电势外，存在直流电势分量。除交流不等位电势外，存在直流电势分量。缘由：缘由：a控制电极与霍尔电极接触不良控制电极与霍尔电极接触不良 引起整流效应；引起整流效应； b霍尔电极焊点大小不一致引起霍尔电极焊点大小不一致引起 的温差电势。的温差电势。处理方法：处理方法： a改善电极接触性能和元件的散热条件改善电极接触性能和元件的散热条件; b均匀散热有效措施均匀散热有效措施 。(3)感应零电势感应零电势Ui0无控制电流时，在脉动磁场作用无控制电流时，在脉动磁场作用下而产生的零位电势；下而产生

8、的零位电势；缘由：设缘由：设那么那么阐明：它与霍尔电势极引线构成的阐明：它与霍尔电势极引线构成的 感应面积感应面积A成正比。成正比。tAfBdtdBAUicos200tBBsin04.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误差及其补偿下页下页上页上页前往前往 处理方法：处理方法： 改动引线走向，使霍尔电势极引线围成的改动引线走向，使霍尔电势极引线围成的 感应面积感应面积A所产生的感应电势相互抵消。所产生的感应电势相互抵消。 (4)自激场零电势自激场零电势由控制电流产生由控制电流产生 的自激磁场的不对称所引起的的自激磁场的不对称所引起的 零位电势。零位电势。 缘由：缘由： 当元件的左右

9、两半场相等时，所产当元件的左右两半场相等时，所产 生的电势方向相反而抵消。生的电势方向相反而抵消。 当元件的左右两半场不控制电流当元件的左右两半场不控制电流 引线也产生磁场相等时，所产生引线也产生磁场相等时，所产生 的电势方向相反而抵消。的电势方向相反而抵消。 处理方法：适当安排控制电流引线。处理方法：适当安排控制电流引线。4.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误差及其补偿下页下页上页上页前往前往二、温度影响二、温度影响 内阻内阻输入电阻输入电阻Ri控制电流两端之间的电阻控制电流两端之间的电阻和输出电阻和输出电阻R0霍尔电势两输出端的电阻霍尔电势两输出端的电阻 温度影响温度影响包

10、含包含Ri (t) 、 R0 (t)和和UH(t)。4.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误差及其补偿下页下页上页上页前往前往 补偿方法补偿方法 输入端补偿输入端补偿恒流源补偿法恒流源补偿法 当当R0RL，I不变时，不变时， R0的变化对输出的变化对输出 影响不大。可补偿一部分温度影响。但影响不大。可补偿一部分温度影响。但 不能补偿温度对不能补偿温度对UH的影响。的影响。 输出回路补偿法输出回路补偿法 适中选择输出回路负载，可以补偿温度对适中选择输出回路负载，可以补偿温度对R0 (t)和和UH的影响。的影响。 设温度的影响为设温度的影响为 其中：其中： R00 、UH0为输出电阻

11、和输出霍尔电为输出电阻和输出霍尔电势在温度没有变化时的基准值。势在温度没有变化时的基准值。a 和和为温度为温度系数。系数。)1 ()1 (0000tUUtRRHH4.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误差及其补偿下页下页上页上页前往前往当有温度影响时当有温度影响时 令令 得得输入回路串联电阻补偿法输入回路串联电阻补偿法 图中，图中，E为恒压源，为恒压源，R为串联电阻，为串联电阻， 当温度添加当温度添加t时，霍尔电极的电势有一个添加值时，霍尔电极的电势有一个添加值(UH)t ； 另一方面，由另一方面，由 知，温度添加知，温度添加使输入电阻有添加值使输入电阻有添加值R i，使得控制电

12、流产生一个下，使得控制电流产生一个下降降I，控制电流的下降，由，控制电流的下降，由 知，又引起霍知，又引起霍尔电势下降尔电势下降(UH)I,即有：即有：)1 ()1 (0000tUtRRRURRRUHLLHLLL0dtdUL00RRLIBKUHH )1 (0tRRii只需只需 就能补偿温度的影响就能补偿温度的影响, 故有故有IHtHUU)()(4.1.3 霍尔元件的根本误差及其补偿霍尔元件的根本误差及其补偿下页下页上页上页前往前往 温度使温度使 和和 添加，电阻添加使添加，电阻添加使电流下降：电流下降： 从而使霍尔电势下降：从而使霍尔电势下降： 。0000000iiiiiiiRRtRIIRRR

13、IRRRRItUUHtH0)(tRRii0000000)(HiiHiiHIHURRtRBIKRRtRIBKUIHtHUIRUt)( )( 00000 iHHiiRRtUURRtR 特点：丈量范围窄：特点：丈量范围窄：12 mm的小位移由于的小位移由于Bx曲线线性部分很小。惯性小，呼应速度快，无曲线线性部分很小。惯性小，呼应速度快，无接接触丈量。还可以测其它非电量，如力、压力、压触丈量。还可以测其它非电量，如力、压力、压差、差、液位、加速度等。液位、加速度等。 当霍尔元件在均匀磁场内转动时，那么产生当霍尔元件在均匀磁场内转动时，那么产生与转与转角的正弦函数成比例霍电压角的正弦函数成比例霍电压,可

14、丈量角位移。可丈量角位移。4.1.4 霍尔式传感器测位移原理霍尔式传感器测位移原理下页下页上页上页前往前往原理：霍尔元件放在线性分布的非均匀磁场原理：霍尔元件放在线性分布的非均匀磁场中，有中，有知知)( xIBKUHHIkKdxxdBIKdxdUHHH)( 2121)(12xxHHxxHHxxIkKIkdxKdxdxdUU那么那么4.1.5 霍尔式传感器输出迭加的联接霍尔式传感器输出迭加的联接下页下页上页上页前往前往 特点：提供较大的霍尔输出；特点：提供较大的霍尔输出； 直流供电联接方式：直流供电联接方式： R1、R2为可调电阻，使输出霍尔为可调电阻，使输出霍尔 电势相等；电势相等；c、d为输

15、出端。为输出端。 交流供电联接方式：交流供电联接方式： 控制电流端串联，控制电流端串联， 输出端输出端c、d (变压器的次级变压器的次级)得到霍尔电势得到霍尔电势 输出信号的迭加值。输出信号的迭加值。4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 特点：在静止形状下感受磁场的才干；构造简单、小型、特点：在静止形状下感受磁场的才干；构造简单、小型、频率呼应宽、动态范围大、无接触、寿命长；温度稳定较频率呼应宽、动态范围大、无接触、寿命长；温度稳定较差，转换效率低；差，转换效率低； 运用方式运用方式: 控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中控制电流不变时，使传感器

16、处于非均匀磁场中: 特点特点:传感器的输出正比于磁感应强度传感器的输出正比于磁感应强度;可丈量可丈量“能转换为能转换为磁感应强磁感应强 度变化的量度变化的量: 磁场、位移、角度，转速、加速磁场、位移、角度，转速、加速度、振动等。度、振动等。 磁场不变时，改动控制电流；磁场不变时，改动控制电流； 特点特点:传感器输出正比于控制电流；可丈量传感器输出正比于控制电流；可丈量“能转换为电能转换为电流变化流变化 的电量；的电量； 传感器输出正比于控制电流和磁场之积；传感器输出正比于控制电流和磁场之积； 特点特点:可用于乘法和功率的计算及丈量。可用于乘法和功率的计算及丈量。4.1.6 霍尔式传感器的运用举

17、例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例1力、压力、加速度、机械力、压力、加速度、机械振动的丈量振动的丈量霍尔压霍尔压力传感力传感器构造器构造原理图原理图 霍尔加速度传感霍尔加速度传感器和霍尔机械振器和霍尔机械振动传感器：动传感器：1 为为霍尔元件，固定霍尔元件，固定在非磁性资料的在非磁性资料的平板平板2 上，平板上，平板2 紧固在顶杆紧固在顶杆3 上，顶杆上，顶杆3 经过经过触点触点4 与被测对与被测对象接触，随之做象接触，随之做机械振动。机械振动。 用来进展土壤或砂子与钢界面上的法向和切向应用来进展土壤或砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器安装。力检测的

18、霍尔传感器安装。(a)仪器上用钢作成上仪器上用钢作成上下两个块子，它们之间有两条较细的梁支撑，在下两个块子，它们之间有两条较细的梁支撑，在钢下块上置一销柱，销上贴两对永磁体，构成均钢下块上置一销柱，销上贴两对永磁体，构成均匀梯度磁场，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪匀梯度磁场，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪切力作用后，支撑梁发生形变，使霍尔传感器和切力作用后，支撑梁发生形变，使霍尔传感器和磁场间发生位移，使传感器输出发生变化。由霍磁场间发生位移，使传感器输出发生变化。由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该安装相接的砂或土遭到的剪切应力。安装相接的

19、砂或土遭到的剪切应力。(b)磁体固定磁体固定在受力后产生形变的膜片上，霍尔传感器固定在在受力后产生形变的膜片上，霍尔传感器固定在一杆上。检测原理同上。运用此原理，还可构成一杆上。检测原理同上。运用此原理，还可构成检测分量的安装，称作霍尔称重传感器。检测分量的安装，称作霍尔称重传感器。4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例2霍尔转速丈量霍尔转速丈量(1)霍尔式接近开关用霍尔式接近开关用于转速丈量演示于转速丈量演示n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔转速丈量霍尔转速丈量构

20、造原理图构造原理图4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例2 霍尔转速丈量霍尔转速丈量(2)S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁 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元件，可产生较大集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。对准霍尔元件时，输出为低电平。4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例3各种霍尔转速传感器的构各种霍尔转

21、速传感器的构造造 金属旋转体的外表存在金属旋转体的外表存在缺口或突起，就可产生缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，引起霍尔电势的变化，产生转速信号。产生转速信号。 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例4霍尔转速传感器在汽车防霍尔转速传感器在汽车防抱死安装抱死安装ABS中的运用中的运用 假设汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。假设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和坚持车轮的转动，有用霍尔转速传感器来检测和坚持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小

22、和防止侧偏。助于控制刹车力的大小和防止侧偏。带有带有微型微型磁铁磁铁的霍的霍尔传尔传感器感器4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例(5)霍尔传感器运用于无触点汽车霍尔传感器运用于无触点汽车电子点火电子点火(1) 采用霍尔式无触点电子点火安装无磨损、点火时间准采用霍尔式无触点电子点火安装无磨损、点火时间准确、高速时动力足。霍尔式分电器表示图如下：确、高速时动力足。霍尔式分电器表示图如下：1-1-触发器叶片触发器叶片 2- 2-槽口槽口 3- 3-分电器转轴分电器转轴 4- 4-永久磁铁永久磁铁 5- 5-霍尔集成电路霍尔集成电路PNPP

23、NP型霍尔型霍尔ICIC a a带缺口的触发器叶片带缺口的触发器叶片 b b触发器叶片与永久磁铁触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系及霍尔集成电路之间的安装关系 c c叶片位置与点火叶片位置与点火正时的关系正时的关系 汽车点火线圈汽车点火线圈4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例(5)霍尔传感器运用于无触点汽车霍尔传感器运用于无触点汽车电子点火电子点火(2) 点火原理：当叶片遮挡在霍尔点火原理：当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的输出为的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通形状，点火线

24、圈低压侧有较大低电平，晶体管功率开关处于导通形状，点火线圈低压侧有较大电流经过，并以磁场能量的方式储存在点火线圈的铁心中。电流经过，并以磁场能量的方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面面前时，霍尔前时，霍尔IC输出跳变为输出跳变为高电平，经反相变为低电高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出磁场能量在高压侧感应出3050kV的高电压。的高电压。 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率

25、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 4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例6霍尔传感器运用于无刷电霍尔传感器运用于无刷电动机动机(1) 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。直流无刷电机运用永磁转子，在定转子和定子之间的相对位置。直流无刷电机运用永磁转子，在定子的适当位置放置假设干个子的适当位置放置假设干个( (至少至少2

26、2个个) )的霍尔器件，利用丈量转的霍尔器件，利用丈量转角的原理，判别转子的角度，在适当位置让某个霍尔器件导通改角的原理，判别转子的角度，在适当位置让某个霍尔器件导通改动驱动电路，从而改动电流方向。实现控制电枢电流的换向，维动驱动电路，从而改动电流方向。实现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、等问题，所以它在录像机、CDCD唱机、光驱等家用电器中得到越来唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的运用。越广泛的运用。 普通普通直流直流电动电动机运机运用的用的电刷电刷和换和换向器向

27、器4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例6霍尔传感器运用于无刷电霍尔传感器运用于无刷电动机动机(2) 霍尔式无刷电动机的运用。霍尔式无刷电动机的运用。 电动自行车的无刷电动自行车的无刷电动机及控制电路电动机及控制电路接速度控制器接速度控制器 PWM调速调速光驱用的无刷电动机光驱用的无刷电动机 无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁资料；三个霍尔无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁资料；三个霍尔位置传感器产生六个形状编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三位置传感器产生六个形状编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定

28、子线圈与外转子之间产生延续转矩，具有效率高、无火花、可相内定子线圈与外转子之间产生延续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。靠性强等特点。4.1.6 霍尔式传感器的运用举例霍尔式传感器的运用举例下页下页上页上页前往前往 运用举例运用举例7霍尔传感器用于流速、流霍尔传感器用于流速、流量、速度、里程等的丈量量、速度、里程等的丈量利用丈量转速的原理，在转轴上固定一个叶轮利用丈量转速的原理，在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体气体、液体去推进叶轮转和磁体，用流体气体、液体去推进叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在的壳体内动，便可构成流速、流量传感器。在的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推进叶轮带电路，被测流体从管道一端通入，推进叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数