机械工业出版社.pptx
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1、机械工业出版社机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术第八章第八章多媒体课件202351 更新4/20/20231第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 在在这这一一章章里里,卡卡卡卡要要给给大大家家介介绍绍霍霍尔尔传传感感器器的的原原理理、特特性性、霍霍尔尔集集成成电电路路(霍霍尔尔IC)及及其其应应用用。霍霍尔尔IC可可以以用用于于测测量量地地球球磁磁场场,制制成成电电罗罗盘盘;将将霍霍尔尔IC夹夹在在环环形形铁铁心心的的缺缺口口中中,可可以以制制成成大大电电流流变变送送器器。霍霍尔尔传传感感器器还还广广泛泛用用于于高高斯斯计计、
2、无无刷刷电电动动机机、接接近近开开关关等等。霍霍尔尔传传感感器器的的最最大大特特点点是是非非接触测量。接触测量。最基本的霍最基本的霍尔元件是一尔元件是一种四端元件种四端元件4/20/20232第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中,的磁场中,磁场方向垂直于薄片,当有电流磁场方向垂直于薄片,当有电流I 流过薄片时,在流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH,这,这种现象称为霍尔效应。种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c c
3、d da ab b4/20/20233磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强,霍霍尔尔电电势势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示:可用下式表示:EH=KH IB4/20/20234霍尔效应动画演示霍尔效应动画演示 当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,作用,向内侧(向内侧(d 侧)偏移,在半导体薄片侧)偏移,在半导体薄片c、d方方向的端面之间建立起霍尔电势。向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab ba ad dc cb b4/20/20235
4、磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 假假设设磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件,而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时,实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向(与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向)的的分分量量,即即B Bcoscos,这这时时的的霍霍尔尔电电势势与与法法线线的的夹夹角角的的余余弦弦成正比:成正比:E EH H=K KH HIBIBcoscos 4/20/20236磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示演示结论:霍尔电
5、势与输入电流结论:霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比。成正比。当当B的方向改变时,霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时,霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场,霍尔电势为同频率如果所施加的磁场为交变磁场,霍尔电势为同频率的交变电势。的交变电势。a ac cd db b4/20/20237霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯?(至正的多少高斯?(1T104Gs)线性区线性区mVmVB B4/20/20238霍尔元件的主要外
6、特性参数(续)霍尔元件的主要外特性参数(续)最大最大鼓励电流鼓励电流IM:由于霍尔电势随鼓励电流增大而增大,故由于霍尔电势随鼓励电流增大而增大,故在应用中总希望选用较大的鼓励电流。但鼓励在应用中总希望选用较大的鼓励电流。但鼓励电流增大,霍尔元件的功耗增大,元件的温度电流增大,霍尔元件的功耗增大,元件的温度升高,从而引起霍尔电势的温漂增大,因此每升高,从而引起霍尔电势的温漂增大,因此每种型号的元件均规定了相应的最大鼓励电流,种型号的元件均规定了相应的最大鼓励电流,它的数值从几毫安至十几毫安。它的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个鼓励电流的数值较为妥当?以下哪一个鼓励电流的数值较为妥当?8A 0.
7、8mA 8mA 80mA 8A 0.8mA 8mA 80mA 4/20/20239第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上,输出电压为伏级,比直动放大器等做在一个芯片上,输出电压为伏级,比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路4/20/202310线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示
8、出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时,它线。当磁场为零时,它的输出电压等于零;当的输出电压等于零;当感受的磁场为正向(磁感受的磁场为正向(磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面)时,的正面)时,输出为输出为正;磁场反向时,输出正;磁场反向时,输出为负。为负。请画出线性范围请画出线性范围4/20/202311开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、压电路、放大器、施密特触发器、OC门(集门(集电极开路输出
9、门)等电路做在同一个芯片上。电极开路输出门)等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时,当外加磁场强度超过规定的工作点时,OC门门由高阻态变为导通状态,输出变为低电平;由高阻态变为导通状态,输出变为低电平;当外加磁场强度低于释放点时,当外加磁场强度低于释放点时,OC门重新变门重新变为高阻态,输出高电平。较典型的开关型霍为高阻态,输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020等。等。4/20/202312开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔
10、元件元件.VccVcc4/20/202313开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路(OC门输出)的接线门输出)的接线 请按以下电路,将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路,将下一页中的有关元件连接起来.4/20/202314开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线与继电器的接线?4/20/202315开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大,抗振动大,抗振动干扰能力就干扰能力就越强。越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC,到多少,到多少特斯拉时输出翻转?当磁铁从近到远地远离特斯拉时输出翻转?当磁铁从近到远地远离霍尔霍尔I
11、C,到多少特斯拉时输出再次翻转?回,到多少特斯拉时输出再次翻转?回差为多少特斯拉?相当于多少高斯(差为多少特斯拉?相当于多少高斯(Gs)?)?4/20/202316第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量的函三个变量的函数,即数,即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量不变,利用这个关系可以使其中两个量不变,将第三个量作为变量,或者固定其中一个量,将第三个量作为变量,或者固定其中一个量,其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为霍尔传感器
12、主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。磁场变化的其他物理量。4/20/202317霍尔特斯拉计(高斯计)霍尔特斯拉计(高斯计)霍尔元件霍尔元件4/20/202318霍尔高斯计(特斯拉计)的使用霍尔高斯计(特斯拉计)的使用 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁4/20/202319霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值4/20/202320霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘,也可选取机在被测转速的转轴上安装一个齿盘,也可选取机械系统中的一个齿轮,将线性型霍尔器件及磁路系统械系统中的一个齿轮,将线性型霍尔器件及磁路系统
13、靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化,霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、周期性地变化,霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁4/20/202321霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时,磁力线集中穿过霍尔当齿对准霍尔元件时,磁力线集中穿过霍尔元件,可产生较大的霍尔电动势,放大、整形后元件,可产生较大的霍尔电动势,放大、整形后输出高电平;反之,当齿轮的空挡对准霍尔元件输出高电平;反之,当齿轮的空挡对准霍尔元件时,输出为低
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