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霍爾效應(yīng) 霍爾元件 霍爾傳感器詳細(xì)介紹

jf_78858299 ? 來源:電機(jī)驅(qū)動(dòng)探索者 ? 作者: 趙云老師 ? 2023-03-22 10:38 ? 次閱讀

霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ),是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?;魻杺鞲衅髟?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。

一、霍爾效應(yīng) 霍爾元件 霍爾傳感器

(一)霍爾效應(yīng)

如圖1所示,在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上,將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓,它們之間的關(guān)系為:

圖片

式中d 為薄片的厚度,k稱為霍爾系數(shù),它的大小與薄片的材料有關(guān)。

上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng),它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

(二)霍爾元件

根據(jù)霍爾效應(yīng),人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此,在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

(三)霍爾傳感器

由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小,故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上,稱之為霍爾傳感器。

圖片

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(hào)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(guān)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(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成,它輸出數(shù)字量。

三、霍爾傳感器的特性

(一)線性型霍爾傳感器的特性

圖片

輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系,如圖3所示,可見,在B1~B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度,磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

(二)開關(guān)型霍爾傳感器的特性

如圖4所示,其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度,BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖片

當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí),傳感器輸出低電平,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop以下時(shí),傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí),傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

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

圖片

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí),傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌?chǎng)撤消后,其輸出狀態(tài)保持不變(即鎖存狀態(tài)),必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí),才能使電平產(chǎn)生變化。

四、霍爾傳感器的應(yīng)用

按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)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(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等,轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。

(一)線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。例如:

1、電流傳感器

由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng),從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被測(cè)電源的功率,特別適合于高電壓、大電流傳感。

圖片

霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。

2、位移測(cè)量

如圖7所示,兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn),當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時(shí),傳感器有一個(gè)電壓輸出,電壓大小與位移大小成正比。

圖片

如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移,便可測(cè)出拉力及壓力的大小,如圖8所示,是按這一原理制成的力傳感器。

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(二)開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。

1、測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)

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(zhuǎn)一周,霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖,從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)(計(jì)數(shù)器),若接入頻率計(jì),便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。

圖片

如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上,當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí),可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。

2、各種實(shí)用電路

開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬,工作可靠,價(jià)格便宜,因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。下面列舉兩個(gè)實(shí)用電路加以說明:

電路1 防盜報(bào)警器:

圖片

如圖10所示,將小磁鐵固定在門的邊緣上,將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上,讓兩者靠近,即門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),磁鐵靠近霍爾傳感器,輸出端3為低電平,當(dāng)門被非法撬開時(shí),霍爾傳感器輸出端3為高電平,非門輸出端Y為低電平,繼電器J吸合,Ja閉合,蜂鳴器得電后發(fā)出報(bào)警聲音。

電路2 公共汽車門狀態(tài)顯示器:

圖片

使用霍爾傳感器,只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器,例如公共汽車的三個(gè)門必須關(guān)閉,司機(jī)才可開車。電路如圖11所示,三片開關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個(gè)門框上,在車門適當(dāng)位置各固定一塊磁鋼,當(dāng)車門開著時(shí),磁鋼遠(yuǎn)離霍爾開關(guān),輸出端為高電平。若三個(gè)門中有一個(gè)未關(guān)好,則或非門輸出為低電平,紅燈亮,表示還有門未關(guān)好,若三個(gè)門都關(guān)好,則或非門輸出為高電平,綠燈亮,表示車門關(guān)好,司機(jī)可放心開車。

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