霍爾傳感器論文

霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器,已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族，并已得到廣泛的應用。本文簡要介紹其工作原理， 產品特性及其典型應用。霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。 按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。 按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、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，轉變成電量來進行檢測和控制。 一 霍爾器件的工作原理在磁場作用下，通有電流的金屬片上產生一橫向電位差如圖1所示：這個電壓和磁場及控制電流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜式中VH為霍爾電壓，H為磁場，IC為控制電流，K為霍爾系數。在半導體中霍爾效應比金屬中顯著，故一般霍爾器件是采用半導體材料制作的。用霍爾器件，可以進行非接觸式電流測量，*，當電流通過一根長的直導線時，在導線周圍產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場與霍爾器件的輸出有良好的線性關系，因此可利用霍爾器件測得的訊號大小，直接反應出電流的大小，即： I∞B∞VH其中I為通過導線的電流，B為導線通電流后產生的磁場，VH為霍爾器件在磁場B中產生的霍爾電壓、當選用適當比例系數時，可以表示為等式。霍爾傳感器就是根據這種工作原理制成的。  二   霍爾傳感器的應用1 霍爾接近傳感器和接近開關 在霍爾器件背后偏置一塊*磁體，并將它們和相應的處理電路裝在一個殼體內，做成一個探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構成如圖1所示的接近傳感器。它們的功能框見圖19。（a）為霍爾線性接近傳感器，（b）為霍爾接近開關。 圖1 霍爾接近傳感器的外形圖 a）霍爾線性接近傳感器 （b）霍爾接近開關 圖2 霍爾接近傳感器的功能框圖 霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計數，黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數齒、轉速檢測、測速調速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。 霍爾接近開關主要用于各種自動控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動計數、各種計數、各種流程的自動銜接、液位控制、轉速檢測等等。3.2.7霍爾翼片開關 霍爾翼片開關就是利用遮斷工作方式的一種產品，它的外形如圖20所示，其內部結構及工作原理示于圖21。 圖3 霍爾翼片開關的外形圖 2 霍爾齒輪傳感器 如圖4所示,新一代的霍爾齒輪轉速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發動機，作為點火定時用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動系統）作為車速傳感器等。 在ABS中，速度傳感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意圖如圖23所示。圖中，1是車速齒輪傳感器；2是壓力調節器；3是控制器。在制動過程中，控制器3不斷接收來自車速齒輪傳感器1和車輪轉速相對應的脈沖信號并進行處理，得到車輛的滑移率和減速信號，按其控制邏輯及時準確地向制動壓力調節器2發出指令，調節器及時準確地作出響應，使制動氣室執行充氣、保持或放氣指令，調節制動器的制動壓力，以防止車輪抱死，達到抗側滑、甩尾，提高制動安全及制動過程中的可駕馭性。在這個系統中，霍爾傳感器作為車輪轉速傳感器，是制動過程中的實時速度采集器，是ABS中的關鍵部件之一。 在汽車的新一代智能發動機中，用霍爾齒輪傳感器來檢測曲軸位置和活塞在汽缸中的運動速度，以提供更準確的點火時間，其作用是別的速度傳感器難以代替的，它具有如下許多新的優點。 （1）相位精度高，可滿足0.4°曲軸角的要求，不需采用相位補償。 （2）可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測要求。 （3）輸出為矩形波，幅度與車輛轉速無關。在電子控制單元中作進一步的傳感器信號調整時，會降低成本。 用齒輪傳感器，除可檢測轉速外，還可測出角度、角速度、流量、流速、旋轉方向等等。 圖4 霍爾速度傳感器的內部結構 1.             車輪速度傳感器2.壓力調節器3.電子控制器2.             圖4 ABS氣制動系統的工作原理示意圖 3 旋轉傳感器 按圖5所示的各種方法設置磁體，將它們和霍爾開關電路組合起來可以構成各種旋轉傳感器。霍爾電路通電后，磁體每經過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。 （a）徑向磁極（b）軸向磁極（c）遮斷式 圖5 旋轉傳感器磁體設置 由此，可對轉動物體實施轉數、轉速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉動，便可構成流速、流量傳感器。在車輪轉軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關電路，可制成車速表，里程表等等，這些應用的實例如圖25所示。 圖6的殼體內裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相連的磁體轉動，經過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數目，可以得到流體的流速。若知管道的內徑，可由流速和管徑求得流量。霍爾電路由電纜35來供電和輸出。 圖6 霍爾流量計 由圖7可見，經過簡單的信號轉換，便可得到數字顯示的車速。 利用鎖定型霍爾電路，不僅可檢測轉速，還可辨別旋轉方向，如圖27所示。 曲線1對應結構圖（a）,曲線2對應結構圖（b），曲線3對應結構圖（c）。 圖7 霍爾車速表的框圖 圖8 利用霍爾開關鎖定器進行方向和轉速測定 4 在大電流檢測中的應用 在冶金、化工、超導體的應用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗裝置中都有許多超大型電流用電設備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進行大電流的測量和控制，既可滿足測量準確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測試裝置。圖9示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測高達到300kA的電流。 圖9（a）為G－10安裝結構，中心為電流匯流排，（b）為電纜型多霍爾探頭，（c）為霍爾電壓放大電路。 （a）G10安裝結構（b）電纜型多霍爾探頭（c）霍爾電壓放大電路 圖9 多霍爾探頭大電流傳感器 圖10霍爾鉗形數字電流表線路示意圖 圖11霍爾功率計原理圖 （a）霍爾控制電路 （b）霍爾磁場電路 圖12霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器 圖13霍爾電度表功能框圖 圖14霍爾隔離放大器的功能框圖 5 霍爾位移傳感器 若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖15示出3種產生梯度磁場的磁系統及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統上，可構成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結構（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關系，且分辨力可達1μm，結構（C）的靈敏度高，但工作距離較小。 圖15 幾種產生梯度磁場的磁系統和幾種霍爾位移傳感器的靜態特性 用霍爾元件測量位移的優點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎，可以構成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。 6 霍爾壓力傳感器 霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統和霍爾元件等部分組成，如圖16所示。在圖16中，（a）的彈性元件為膜盒，（b）為彈簧片，（c）為波紋管。磁系統用能構成均勻梯度磁場的復合系統，如圖29中的（a）、（b），也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統和霍爾元件間產生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的p～f（VH）曲線即可得到被測壓力p的值。 圖16 幾種霍爾壓力傳感器的構成原理 7 霍爾加速度傳感器 圖17示出霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態特性曲線。在盒體的O點上固定均質彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產生一個相對盒體的位移，產生霍爾電壓VH的變化。可從VH與加速度的關系曲線上求得加速度。 圖17 霍爾加速度傳感器的結構及其靜態特性 三 小結目前霍爾傳感器已從分立元件發展到了集成電路的階段，正越來越受到人們的重視，應用日益廣泛。