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霍爾傳感器的工作原理、分類及應用

人氣: | 時間:2014/4/16 9:22:36 | 關閉

霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應為其工作基礎,是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業生產、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應用。

一、霍爾效應霍爾元件 霍爾傳感器

霍爾效應

如圖1所示,在半導體薄片兩端通以控製電流I,並在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場,則在垂直於電流和磁場的方向上,將產生電勢差為UH的霍爾電壓,
它們之間的關係為

式中d 為薄片的厚度,k稱為霍爾係數,它的大小與薄片的材料有關。上述效應稱為霍爾效應,它是德國物理學家霍爾於1879年研究載流導體在磁場中受力的性質時發現的。

(二)霍爾元件

根據霍爾效應,人們用半導體材料製成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點,因此,在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

(三)霍爾傳感器

由於霍爾元件產生的電勢差很小,故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上,稱之為霍爾傳感器。

霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路,其外形較小,如圖2所示,是其中一種型號的外形圖。

二、霍爾傳感器的分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。

(一)線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,它輸出模擬量。
(二)開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發器和輸出級組成,它輸出數字量。

三、霍爾傳感器的特性

(一)線性型霍爾傳感器的特性

輸出電壓與外加磁場強度呈線性關係,如圖3所示,可見,在B1~B2的磁感應強度範圍內有較好的線性度,磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀態。

(二)開關型霍爾傳感器的特性

如圖4所示,其中BOP為工作點“開”的磁感應強度,BRP為釋放點“關”的磁感應強度。

當外加的磁感應強度超過動作點Bop時,傳感器輸出低電平,當磁感應強度降到動作點Bop以下時,傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放點BRP時,傳感器才由低電平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯後使開關動作更為可靠。

另外還有一種“鎖鍵型”(或稱“鎖存型”)開關型霍爾傳感器,其特性如圖5所示。

當磁感應強度超過動作點Bop時,傳感器輸出由高電平躍變為低電平,而在外磁場撤消後,其輸出狀態保持不變(即鎖存狀態),必須施加反向磁感應強度達到BRP時,才能使電平產生變化。

四、霍爾傳感器的應用

按被檢測對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性,後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場,這個磁場是被檢測的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量,例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等,轉變成電學量來進行檢測和控製。

(一)線性型霍爾傳感器主要用於一些物理量的測量。例如:

1.電流傳感器

由於通電螺線管內部存在磁場,其大小與導線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測量出磁場,從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流傳感器。其優點是不與被測電路發生電接觸,不影響被測電路,不消耗被測電源的功率,特別適合於大電流傳感。

霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,標準圓環鐵芯有一個缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環上繞有線圈,當電流通過線圈時產生磁場,則霍爾傳感器有信號輸出。

2.位移測量

如圖7所示,兩塊永久磁鐵同極性相對放置,將線性型霍爾傳感器置於中間,其磁感應強度為零,這個點可作為位移的零點,當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時,傳感器有一個電壓輸出,電壓大小與位移大小成正比。

如果把拉力、壓力等參數變成位移,便可測出拉力及壓力的大小,如圖8所示,是按這一原理製成的力傳感器。

二)開關型霍爾傳感器主要用於測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控製電路等。

1.測轉速或轉數

如圖9所示,,在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼,霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處,圓盤旋轉一周,霍爾傳感器就輸出一個脈衝,從而可測出轉數(計數器),若接入頻率計,便可測出轉速。

如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上,當裝在運動車輛上的永磁體經過它時,可以從測量電路上測得脈衝信號。根據脈衝信號的分布可以測出車輛的運動速度。

2.各種實用電路

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