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霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用

   2013年01月06日 14:09  
  1、引言
  
  由霍爾效應(yīng)的原理知,霍爾電勢的大小取決于:
  
  Rh為霍爾常數(shù),它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān);IC為霍爾元件的偏置電流;B為磁場強度;d為半導(dǎo)體材料的厚度。
  
  對于一個給定的霍爾器件,Vh將*取決于被測的磁場強度B。
  
  一個霍爾元件一般有四個引出端子,其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端,另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路,就會產(chǎn)生霍爾電流。一般地說,偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準電壓源給出;若精度要求高,則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度,有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金;這類傳感器的霍爾電勢較大,但在0.05T左右出現(xiàn)飽和,僅適用在低量限、小量程下使用。
  
  近年來,由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,出現(xiàn)了各種類型的新型集成霍爾元件。這類元件可以分為兩大類,一類是線性元件,另一類是開關(guān)類元件。
  
  2、線性霍爾元件的原理及應(yīng)用
  
  UGN350lT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩(wěn)壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺高斯計。其使用十分簡單,先使B=0,記下表的示值VOH,再將探頭端面貼在被測對象上,記下新的示值VOH1。
  
  ΔVOH=VOH1-VOH
  
  如果ΔVOH>0,說明探頭端面測得的是N極;反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T,由此即可測出相應(yīng)的被測磁感應(yīng)強度B。
  
  如果采用數(shù)字電壓表(DVM),可得圖1所示的線性高斯計。運放采用高精度運放CA3130。該電路的具體調(diào)零方式為:開啟電源后,令B=0,調(diào)節(jié)W1使DVM的示值為零,然后用一塊標準的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上,調(diào)節(jié)W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計檢測時示值如果為-200mV,則探頭端面檢測的是S極,磁場強度為0.02T。本高斯計也可用來測量交變的磁場,不過DVM應(yīng)改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地擴展普通數(shù)字萬用表的功能。
  
  用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中,當有電流流過導(dǎo)線時,就會在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場,其大小正比于流過導(dǎo)線電流的安匝數(shù);這個磁場作用于霍爾元件,感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢,其靈敏度為7V/T,經(jīng)過運放μA741調(diào)零,線性放大后送入DVM,組成數(shù)字式鉗形電流表。該表的調(diào)試也十分簡單:導(dǎo)線中的電流為零時,調(diào)節(jié)W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流,調(diào)W3使DVM讀數(shù)為5V;反向輸入-50A電流,數(shù)字表示值為-5V。反復(fù)調(diào)節(jié)W1、W2、W3,讀數(shù)即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實驗,其靈敏度不小于0.1V/A,同樣,本電流表也可用于交流電流的測量,將DVM換成交流電壓表即可,十分方便。
  
  3、開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用
  
  開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài),內(nèi)部均有5個部分,即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對稱的施密特整形電路。圖3是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是:用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出,當B=0時,V0為高電平;當外磁場增至BOP時,輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降至BrP時,輸出V0由低電平反向,BrP被稱為釋放點。對于UGN3020,BOP=0.022T,BRP=0.0165T,VOL=80~150mV,VOH=4V,工作電壓為4.5V~24V。
  
  UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當圓盤齒經(jīng)過測量磁路的間隙時,霍爾元件輸出高電平,其他時間輸出為低電平;這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周,電路輸出10個脈沖,脈沖經(jīng)過分頻后,用頻率計即可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。
  
  用集成霍爾傳感器還可以組成過流檢測保護電路,該電路如圖4所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中,調(diào)整傳感面的位置,即可調(diào)節(jié)其動作的起始磁場,圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替,可以組成無觸點的過流保護電路。
  
  開關(guān)型霍爾元件特點的應(yīng)用是在無刷電機上。通常的直流電機采用電刷型整流子供電,這種供電機構(gòu)工作時噪聲大,電機的壽命由于換相器的嚴重磨損大大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以*有刷電機的上述弊端,而且可以對電機直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機中,采用兩個霍爾元件和旋轉(zhuǎn)磁鋼構(gòu)成電機本體,利用霍爾元件IC1、IC2去開關(guān)驅(qū)動晶閘管,從而控制流過電機繞組的電流方向來完成換向;調(diào)速則通過伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來完成。由于采用電子換向,該電機運轉(zhuǎn)十分平穩(wěn),幾乎無干擾。

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