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      霍爾傳感器(摘自“傳感器技術”)

      2018-08-24 16:12:11 81

      引言:

      霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產品,它被廣泛應用到工業、汽車業、電腦、手機以及新興消費電子領域。


      未來幾年,隨著越來越多的汽車電子和工業設計企業轉移到中國,霍爾傳感器在中國市場的年銷售額將保持20%到30%的高速增長。


      與此同時,霍爾傳感器的相關技術仍在不斷完善中,可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場前景。


      什么是霍爾效應?


      霍爾效應是磁電效應的一種,這一現象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。


      后來發現半導體、導電流體等也有這種效應,而半導體的霍爾效應比金屬強得多,當電流垂直于外磁場通過導體時,載流子發生偏轉,垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場,從而在導體的兩端產生電勢差,這一現象就是霍爾效應,這個電勢差也被稱為霍爾電勢差?;魻栃獞褂米笫侄▌t判斷。


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      在式(1)中:若保持控制電流Ic不變,在一定條件下,可通過測量霍爾電壓推算出磁感應強度的大小,由此建立了磁場與電壓信號的聯系,根據這一關系式,人們研制了用于測量磁場的半導體器件即霍爾元件。


      霍爾效應的本質是:固體材料中的載流子在外加磁場中運動時,因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移,并在材料兩側產生電荷積累,形成垂直于電流方向的電場,最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡,從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。


      正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示:參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子,還有帶正電的空穴。


      什么是霍爾傳感器?


      霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器,廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。


      通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數,能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。


      由于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?;魻杺鞲衅饕卜Q為霍爾集成電路,其外形較小,如下圖所示:


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      霍爾傳感器其中某型


      霍爾傳感器的優點及用途


      許多人都知道,轎車的自動化程度越高,微電子電路越多,就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件,尤其是功率較大的前照燈、空調電機和雨刮器電機在開關時會產生浪涌電流,使機械式開關觸點產生電弧,產生較大的電磁干擾信號。


      采用功率霍爾開關電路可以減小這些現象?;魻柶骷ㄟ^檢測磁場變化,轉變為電信號輸出,可用于監視和測量汽車各部件運行參數的變化。


      例如位置、位移、角度、角速度、轉速等等,并可將這些變量進行二次變換;可測量壓力、質量、液位、流速、流量等?;魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口,可實現自動檢測。


      目前的霍爾器件都可承受一定的振動,可在零下40℃到零上150℃范圍內工作,全部密封不受水油污染,完全能夠適應汽車的惡劣工作環境。



      霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓,如:直流、交流、脈沖波形等,甚至對瞬態峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的,它一般只適用于測量50Hz正弦波


      原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離,隔離電壓可達9600Vrms;


      精度高:在工作溫度區內精度優于1%,該精度適合于任何波形的測量;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)。


      寬帶寬:高帶寬的電流傳感器上升時間可小于1μs;但是,電壓傳感器帶寬較窄,一般在15kHz以內,6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時間約500uS,帶寬約700Hz。


      測量范圍廣泛:電流測量可達50KA,電壓測量可達6400V。


      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。



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      上圖即是一種典型的霍爾傳感器實現定位應用---一個輪上的兩個磁鐵經過霍爾效應傳感器。圖示中的輪子,帶有兩個等距的磁鐵,傳感器上的電壓在一個周期內將兩次達到峰值。


      通常被用于計量車輪和軸的速度,例如在內燃機點火定時(正時)或轉速表上。其在無刷直流電動機的使用,用來檢測永磁鐵的位置。


      霍爾傳感器廣泛應用在變頻調速裝置、逆變裝置、UPS電源、通信 電源、電焊機、電力機車、變電站、數控機床、電解電鍍、微機監測、電網監測等需要隔離檢測電流的設施中以及新興的太陽能、風能和地鐵軌道信號、汽車電子等領域。 


      霍爾傳感器的主要特性參數


      前面介紹過了霍爾傳感器是一種根據霍爾效應制作的磁場傳感器,它的主要特性參數有以下幾類。

        

      (1)輸入電阻R

      霍爾傳感器元件兩激勵電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數值從幾歐到兒百歐,視不同型號的元件而定。


      溫度升高,輸入電阻變小,從而使輸入電流變大,最終引起霍爾傳感器電勢變化。為了減少這種影響,最好采用恒流源作為激勵源。

        

      (2)輸出電阻R

      兩個霍爾傳感器電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻,它的數位與輸入電阻同一數量級。它也隨溫度改變順改變。選擇適當的負載電阻易與之匹配,可以使由溫度引起的程水電勢的漂移減至最小。

        

      (3)最大激勵電流I---霍爾傳感器參數

      由于霍爾傳感器電勢隨激勵電流的增大而增大,故在應用中總希望選用較大的激勵電流1M但激勵電流增大,程爾元件的功耗增大,元件的溫皮升高,從而引起霍爾傳感器屯勢的溫漂增大,因此每種型號的幾件均規定了相應的最大激勵電流,它的數值從幾毫安至幾百毫安。


      (4)靈敏度K

      靈敏度KH=EH/IB,它的數值約為10MV(MA.T)左右。


      (5)最大磁感應強度BM---霍爾傳感器參數

      磁感應強度超過BM時,霍爾傳感器電勢的非線性誤差將明顯增大,特斯撿(T)成幾千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

        

      (6)個等位電勢

      在額定激勵電流F,當外加磁場為零時它是由于4個屯極的幾何尺寸不對稱引起的誤差。

        

      (7)霍爾傳感器屯勢溫度系數

      6M的數值一般為零點刀霍爾傳感器輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢,使用時多采用電橋法來補償不等位電勢引起日在一定磁感應強度和激勵電流的作用下,溫度每變化1攝氏度時,霍爾傳感器電勢變化的百分數弱為霍爾傳感器電勢溫度系數,它與霍爾傳感器元件的材料有關。


      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。


      1)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。


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      2)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。


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      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。 


      霍爾傳感器在各大領域的應用


      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)線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。


      1.電流傳感器:  


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      由于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制成霍爾電流傳感器。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,特別適合于大電流傳感。


      霍爾電流傳感器工作原理如圖所示:


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      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: 

      如圖所示:


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      兩塊永久磁鐵同極性相對放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,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,電壓大小與位移距離大小成正比。


      如果把拉力、壓力等參數變成位移距離,便可測出拉力及壓力的大小,如下圖所示,是按這一原理制成的力矩傳感器。

        

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      (二)開關型霍爾傳感器主要用于測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。


      1.測轉速或轉數:

      如下圖所示:


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      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沖,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沖信號。根據脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。


      2.各種實用電路:

      開關型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬,工作可靠,價格便宜,因此獲得極為廣泛的應用。


      下面列舉一個實例說明:


      汽車車門狀態顯示:


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      現在汽車一般都有該功能了。這里使用了霍爾傳感器,只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關好的指示器,配置電路示意如下:


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      三片開關型霍爾傳感器分別裝在汽車的四個門框上,在車門適當位置各固定一塊磁鋼,當車門開著時,磁鋼遠離霍爾開關,輸出端為高電平。若四個門中有一個未關好,則或非門輸出為低電平,紅燈亮,表示還有門未關好,若三個門都關好,則或非門輸出為高電平,綠燈亮,表示車門關好,司機可放心開車。


      霍爾傳感器展望


      霍爾傳感器在中國市場增長率為兩位數,在我們的日常生活中,霍爾傳感器被廣泛應用。例如,在翻蓋或是滑蓋的手機中,用來檢測手機蓋翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器;再如,在電腦鍵盤上,實現光標移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的;還有,在汽車變速箱、電動門窗等需要電機的部件中也有霍爾傳感器應用。我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。


      霍爾傳感器應用的領域不同,因此各個市場對它的要求也不盡相同。手機市場對霍爾傳感器的主要要求包括尺寸、功耗和可調節的閾值。在工業和汽車應用方面,霍爾傳感器首先要滿足工業或汽車認證對器件的要求,例如安全性、穩定性和溫度范圍要達到相應的級別。


      隨著這些終端應用產品的不斷發展,霍爾傳感器也呈現微型化、高集成化、高靈敏度、耐溫性發展。


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