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淺析霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)向的方法

2018年10月07日 15:39 作者:工程師譚軍 用戶評(píng)論(0
  霍爾傳感器
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  霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?;魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種,這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng),而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多,利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?;魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)
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  磁場(chǎng)中有一個(gè)霍爾半導(dǎo)體片,恒定電流I從A到B通過(guò)該片。在洛侖茲力的作用下,I的電子流在通過(guò)霍爾半導(dǎo)體時(shí)向一側(cè)偏移,使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差,這就是所謂的霍爾電壓。
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  霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化,磁場(chǎng)越強(qiáng),電壓越高,磁場(chǎng)越弱,電壓越低,霍爾電壓值很小,通常只有幾個(gè)毫伏,但經(jīng)集成電路中的放大器放大,就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。若使霍爾集成電路起傳感作用,需要用機(jī)械的方法來(lái)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。下圖所示的方法是用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪作為控制磁通量的開關(guān),當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時(shí),磁場(chǎng)偏離集成片,霍爾電壓消失。這樣,霍爾集成電路的輸出電壓的變化,就能表示出葉輪驅(qū)動(dòng)軸的某一位置,利用這一工作原理,可將霍爾集成電路片用作用點(diǎn)火正時(shí)傳感器。霍爾效應(yīng)傳感器屬于被動(dòng)型傳感器,它要有外加電源才能工作,這一特點(diǎn)使它能檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
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  霍爾效應(yīng)
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  霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積,從而形成附加的橫向電場(chǎng)。對(duì)于圖一所示的半導(dǎo)體試樣,若在X方向通以電流Is,在Z方向加磁場(chǎng)B,則在Y方向即試樣A,A′電極兩側(cè)就開始聚積異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決定于測(cè)試樣品的電類型。顯然,該電場(chǎng)是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移,
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  當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力eEH與洛侖茲力相等時(shí),樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡,故有
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  其中EH為霍爾電場(chǎng),V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b,厚度為d,載流子濃度為n,則
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  由⑴、⑵兩式可得
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  即霍爾電壓VH(A、A′電極之間的電壓)與ISB乘積正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù) 稱為霍爾系數(shù),它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù),只要測(cè)出 VH(伏)以及知道IIs(安)、B(高斯)和d(厘 米)可按下式計(jì)算RH(厘米3/庫(kù)侖)
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  分類
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  霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。
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 ?。ㄒ唬╅_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。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式,稱為鎖鍵型霍爾傳感器。
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  (二)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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  線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測(cè)量。。
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  開關(guān)型
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  如圖4所示,其中Bnp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。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bnp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)Bnp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)楦唠娖健np與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。
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  鎖鍵型
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  如圖5所示,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn)Bnp時(shí),傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?,而在外磁?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。
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  線性型
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  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)。
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  開環(huán)式電流傳感器
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  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,特別適合于大電流傳感。
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  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(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。
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  閉環(huán)式電流傳感器
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  磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器,也稱補(bǔ)償式傳感器,即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈,電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償, 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。
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  磁平衡式電流傳感器的具體工作過(guò)程為:當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí),在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上, 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通,從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ,該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反,因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng), 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí),Is不再增加,這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ,此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡,霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后,立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡,所需的時(shí)間理論上不到1μs,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。

  在一般的轉(zhuǎn)動(dòng)部件中,可以用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速,比如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上有一圈齒,每個(gè)齒經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí),會(huì)造成磁感應(yīng)強(qiáng)度變化,這個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化能轉(zhuǎn)換成電壓的變化,計(jì)數(shù)器通過(guò)計(jì)數(shù)能夠測(cè)量轉(zhuǎn)速。

  那么問(wèn)題來(lái)了,計(jì)數(shù)器能夠告訴你轉(zhuǎn)速,但不能告訴你旋轉(zhuǎn)的方向,怎么測(cè)量飛輪的正反轉(zhuǎn)呢?

  一個(gè)霍爾傳感器不行(其實(shí)一個(gè)霍爾傳感器也可以,只不過(guò)需要把齒進(jìn)行處理成不對(duì)稱的),兩個(gè)行不行?

  見下面的圖

  這里有兩個(gè)霍爾傳感器,一個(gè)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速,另一個(gè)用于測(cè)量轉(zhuǎn)向。測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器用上升沿觸發(fā),當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器觸發(fā)中斷時(shí),查看轉(zhuǎn)向傳感器的電位,如果轉(zhuǎn)向傳感器處于低電位,那么就判斷為順時(shí)針?lè)较颍ǜ鶕?jù)實(shí)際情況確定);如果轉(zhuǎn)速傳感器觸發(fā)中斷時(shí),轉(zhuǎn)向傳感器處于高電位,則為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>


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