霍爾元件的應(yīng)用舉例

　　霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。本文主要詳細(xì)介紹一下關(guān)于霍爾元件的應(yīng)用實(shí)例方面的內(nèi)容。

　　霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(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?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。

　　霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，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(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－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(kāi)關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。

　　按被檢測(cè)的對(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)出受檢測(cè)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)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、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)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。

　　霍爾元件的應(yīng)用舉例

　　1、檢測(cè)磁場(chǎng)

　　用霍爾線性器件作探頭，測(cè)量10－6T～10T的交變和恒定磁場(chǎng)，已有許多商品儀器。這里，僅介紹一種用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的UGN3503或A3515型霍爾線性電路來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡(jiǎn)便方法。電路出廠時(shí)，工廠可提供每塊電路的校準(zhǔn)曲線和靈敏度系數(shù)。測(cè)量時(shí)，將電路第一腳（面對(duì)標(biāo)志面從左到右數(shù)）接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（》10kΩ）電壓表，通電后，將電路放入被測(cè)磁場(chǎng)中，讓磁力線垂直于電路表面，讀出電壓表的數(shù)值，即可從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。

　　用靈敏度系數(shù)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的B值時(shí)，可用

　　B=［Vout（B）－Vout（o）］1000/S

　　式中，Vout（B）=加上被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為V，Vout（o）=未加被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為V，S=靈敏度系數(shù)，單位為mV/G（高斯），B=被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為G。

　　2、檢測(cè)鐵磁物體

　　在霍爾線性電路背面偏置一個(gè)永磁體，如圖11所示。圖11（a）表示檢測(cè)鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測(cè)齒輪的齒。它們的電路接法見(jiàn)圖12，（a）為檢測(cè)齒輪，（b）為檢測(cè)缺口。用這種方法可以檢測(cè)齒輪的轉(zhuǎn)速。

　　3、用在直流無(wú)刷電機(jī)中

　　直流無(wú)刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖13。

　　在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開(kāi)關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開(kāi)始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對(duì)推斥磁場(chǎng)，霍爾器件又起定子電流的換向作用。

　　無(wú)刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開(kāi)關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，如圖14所示，使用霍爾開(kāi)關(guān)電路，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，使線路大為簡(jiǎn)化，如圖15所示。

　　鐵磁材料受到磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)發(fā)生彎曲，使局部磁場(chǎng)發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大小（如深度、寬度等），圖16示出兩種用于無(wú)損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。（b）檢測(cè)線材用

　　4、磁記錄信息讀出

　　用霍爾元件制成的磁讀頭，如圖17所示，將寫頭和讀頭裝在同一外殼里，采用長(zhǎng)1mm，寬0.2mm，厚1.4μm的InSb霍爾元件，其信噪比比普通磁頭高3db～5db，由于寫頭和讀頭間的間距很小，僅2.6mm，故可用一讀頭去監(jiān)視幾分之一秒之前錄頭錄下的信息。

　　霍爾讀頭的輸出僅由記錄信息的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)決定，即使頻率到零，輸出仍然恒定，且因讀頭無(wú)電感，故可獲得優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。它的靈敏度隨溫度的變化也很小，約為0.01db/℃。采用適當(dāng)?shù)那爸梅糯箅娐?，可?℃～50℃范圍內(nèi)保持±0.5db。

　　由于霍爾磁讀頭具備這些優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)中得到很重要的應(yīng)用。特別在高密度垂直記錄的磁盤的信息讀出中，更能顯示其優(yōu)越性。專家預(yù)言，今后十年，霍爾讀頭很可能會(huì)占去磁阻頭的部分市場(chǎng)。

　　5、霍爾接近傳感器和接近開(kāi)關(guān)

　　在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做成一個(gè)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(lái)，構(gòu)成如圖18所示的接近傳感器。它們的功能框見(jiàn)圖19。（a）為霍爾線性接近傳感器，（b）為霍爾接近開(kāi)關(guān)。

　　霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計(jì)數(shù)，黑色金屬的厚度檢測(cè)、距離檢測(cè)、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、測(cè)速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測(cè)、棉條均勻檢測(cè)、電磁量檢測(cè)、角度檢測(cè)等。

　　霍爾接近開(kāi)關(guān)主要用于各種自動(dòng)控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、各種計(jì)數(shù)、各種流程的自動(dòng)銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測(cè)等等。3.2.7霍爾翼片開(kāi)關(guān)霍爾翼片開(kāi)關(guān)就是利用遮斷工作方式的一種產(chǎn)品，它的外形如圖20所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示于圖21。

　　翼片未進(jìn)入工作氣隙時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)電路處于導(dǎo)通態(tài)。翼片進(jìn)入后，遮斷磁力線，使開(kāi)關(guān)變成截止態(tài)，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的位置非常精確，在125℃的溫度范圍內(nèi)位置重復(fù)精度可達(dá)50nm。將齒輪形翼片和軸相連，用在汽車點(diǎn)火器中作為點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，可得到準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)間，使汽缸中的汽油充分燃燒，既可節(jié)約燃料，又能降低車輛排放的尾氣的污染，已在桑塔那，克萊斯勒等許多名車中使用。將它們用在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可作為轉(zhuǎn)速傳感器、位置開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、軸編碼器、碼盤掃描器等。

　　8、霍爾齒輪傳感器

　　用2.2.2.3中介紹的差動(dòng)霍爾電路制成的霍爾齒輪傳感器，如圖22所示，新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動(dòng)機(jī)，作為點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）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(diào)節(jié)器；3是控制器。在制動(dòng)過(guò)程中，控制器3不斷接收來(lái)自車速齒輪傳感器1和車輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)并進(jìn)行處理，得到車輛的滑移率和減速信號(hào)，按其控制邏輯及時(shí)準(zhǔn)確地向制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器2發(fā)出指令，調(diào)節(jié)器及時(shí)準(zhǔn)確地作出響應(yīng)，使制動(dòng)氣室執(zhí)行充氣、保持或放氣指令，調(diào)節(jié)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力，以防止車輪抱死，達(dá)到抗側(cè)滑、甩尾，提高制動(dòng)安全及制動(dòng)過(guò)程中的可駕馭性。在這個(gè)系統(tǒng)中，霍爾傳感器作為車輪轉(zhuǎn)速傳感器，是制動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)速度采集器，是ABS中的關(guān)鍵部件之一。

　　在汽車的新一代智能發(fā)動(dòng)機(jī)中，用霍爾齒輪傳感器來(lái)檢測(cè)曲軸位置和活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)速度，以提供更準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)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(yōu)點(diǎn)。

　?。?）相位精度高，可滿足0.4°曲軸角的要求，不需采用相位補(bǔ)償。

　?。?）可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測(cè)要求。

　?。?）輸出為矩形波，幅度與車輛轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在電子控制單元中作進(jìn)一步的傳感器信號(hào)調(diào)整時(shí)，會(huì)降低成本。用齒輪傳感器，除可檢測(cè)轉(zhuǎn)速外，還可測(cè)出角度、角速度、流量、流速、旋轉(zhuǎn)方向等等。