霍尔传感器

电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 1 霍尔传感元器件及 A44E介绍 1 引言 霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场 有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优 点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可 达 1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性 器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖 动、无回跳、位置重复精度高（可达 ¦Ìm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍 尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出 模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直 接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁 场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量 例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、 转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 2 霍尔效应和霍尔器件 2.1 霍尔效应 如图 1所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面垂直的磁场 B， 在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图 1中的 VH，这种现象就是霍尔效应， 是由科学家爱德文 ·霍尔在 1879 年发现的。 VH 称 为霍尔电压。 这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用 下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔 电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和 洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。 在片子上作四个电极，其中 C1、C2间通以工作电流 I，C1、C2称为电流电极， C3、C4间取出霍尔电压 VH，C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并 将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。 (1) (2) (3) 在上述（1）、（2）、（3）式中 VH是霍尔电压，¦Ñ是用来制作霍尔元件的材 料的电阻率，¦Ìn是材料的电子迁移率，RH是霍尔系数，l、W、t分别是霍尔元 件的长、宽和厚度，f(I/W)是几何修正因子，是由元件的几何形状和尺寸决定的， Ò³ 1 电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 2 I是工作电流，V是两电流电极间的电压，P是元件耗散的功率。由(1)～(3)式可 见，在霍尔元件中，¦Ñ、RH、¦Ìn决定于元件所用的材料，I、W、t和 f(I/W)决定 于元件的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和工艺，霍尔元件一旦制成，这些参数均为常数。因此，式(1)～(3) 就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。(1)式表示电流驱动，(2)式表示 电压驱动，(3)式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。 为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应 强度 B可用霍尔电压来量度。 在一些精密的测量仪表中，还采用恒温箱，将霍 尔元件置于其中，令 RH保持恒定。 若使用环境的温度变化，常采用恒压驱动， 因和 RH 比较起来，¦Ìn 随温度的变化比较平缓，因而 VH 受温度变化的影响较 小。 为获得尽可能高的输出霍尔电压 VH，可加大工作电流，同时元件的功耗 也将增加。(3)式表达了 VH能达到的极限——元件能承受的最大功耗。 2.2 霍尔器件 霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片， 使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路 集成在同一个芯片上。 2.2.1 霍尔元件 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 InSb 和 GaAs 霍尔元件输出特 性见图 1(a)、图 1(b). 这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。 2.2.2 霍尔电路 2.2.2.1 霍尔线性电路 Ò³ 2 电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 3 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件 上的磁感强度 B成比例，它的功能框图和输出特性示于图 2和图 3。 这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。霍尔线性电路 的性能参数见表 3。 2.2.2.2 霍尔开关电路 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发 器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值 BOP 时，霍 尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场 的 B值降低到 BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称 BOP为工作点，BRP 为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。 霍尔开关电路的功能框见图 4。图 4(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。 Ò³ 3 电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 4 它们的输出特性见图 5，图 5(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输 出特性。 一般规定，当外加磁场的南极(S 极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面 时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。 锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场 B正向增加，达到 BOP时，电 路导通，之后无论 B增加或减小，甚至将 B除去，电路都保持导通态，只有达 到负向的 BRP 时，才改变为截止态，因而称为锁定型。霍尔开关电路的性能参 数见表 4。 3．A44E集成开关型霍耳传感器 Ò³ 4 电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 5 (a) (b) 图 5-8-1 集成开关型霍耳传感器原理图 A44E 集成霍耳开关由稳压器 A、霍耳电势发生器(即硅霍耳片)B、差分放 大器 C、施密特触发器 D和 OC门输出 E五个基本部分组成，如图 5-8-1(a)所示。 (1)、(2)、(3)代表集成霍耳开关的三个引出端点。 在输入端输入电压 CCV ，经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据 霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这 二者相垂直的方向上将会产生霍耳电势差 HV 输出，该 HV 信号经放大器放大后送 至施密特触发器整形，使其成为方波输送到 OC门输出。当施加的磁场达到?工 作点?(即 OPB )时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时 OC 门输出端输出低电压，通常称这种状态为?开?。当施加的磁场达到?释放点?(即 rPB )时，触发器输出低电压，三极管截止，使 OC门输出高电压，这种状态为?关?。 这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作。 OPB 与 rPB 的差值一定，此差值 rPOPH BBB -= 称为磁滞，在此差值内， 0V 保持 不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍耳开关传感器优良特性之一。 集成霍耳开关传感器输出特性如图 5-8-1(b)。 图 5-8-2(a)为霍耳开关的外形图。霍耳开关的磁钢为直径 mm004.6=D 、厚 度 mm032.3=L 的钕铁硼磁钢，电源用直流，霍耳开关输出由四位半直流数字电 压表指示，磁感应强度 B由 95A型集成线性霍耳元件测量。测量时 1、2两端加 +12V直流电压，在输出端 3 与 1 之间接一个 Wk2 的负载电阻，如图 5-8-2(b)所 示。 (1)输出特性 传感器主要特性是它的输出特性，即输入磁感应强度 B与输出电压 0V 之间的 关系。测量所得数据见下表。 测 量 数 据(mT)参数名称及符 号 最小 典型 最大 ?工作点? oPB 15.2 16.9 18.5 (V) (mT) Ò³ 5 电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 6 ?释放点? rPB 11.7 13.2 13.5 ?磁滞? HB 3.5 3.7 5.0 (a) (b) 图 5-8-2 集成霍耳开关外形及接线 从表中数据可见，A44E集成霍耳开关是单稳态型。由测量数据作出的特性曲 线如图 5-8-1(b)所示。 (2)磁输入特性 传感器的磁输入基本有三种情况：单极磁场、双极磁场和交变磁场。A44E 集成霍耳开关的磁输入为单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和集成霍耳开 关之间的距离。 测量时，将磁铁固定，移动集成霍耳开关，并且使移动方向在磁铁与霍耳开 关的轴心线方向上。实验显示，当磁铁和霍耳开关移近到一定位置，霍耳开关接 通。二者移开一定距离后，霍耳开关断开。若以两者之间的距离为 r，则测得 mm4=r 时，霍耳开关导通，此时 mT9.16=B 。而 mm5=r 时，霍耳开关断开，测 得 mT2.13=B 。可见导通点与释放点间的距离为 mm1 ，这是用直径只有 mm0.4=D 钕铁硼强磁材料做成磁铁测量的结果。其它形状和大小磁铁的测量结果略有不 同。 大号 A44E 小号 A44E 备注 大号磁铁 8mm 0～12吸合距离 0～17释放距离 中号磁铁 3mm 0～6mm吸合距离 0～9mm释放距离 小号磁铁 3mm 0～4mm吸合距离 0～6mm释放距离 现象 吸合 吸合 测试条件：5v电源电 压，5.1K上拉电阻。 小号的 A44E出现吸 合距离和释放距离 的现象，是因为它们 的磁滞特性曲线不 同的缘故。 Songfei002测试数据 A44E 。 3 OUT 。1 +12V 2K 2 GND 1 2 3 1-VCC 2-GND 3-OUT Ò³ 6 电子竞赛专用??A44E原理及其应用 河南科技学院电子竞赛培训资料整理―――songfei002 7 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 ALE/PROG 30 PSEN 29 EA/VPP 31 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.5/MOSI6 P1.6/MISO7 P1.7/SCK8 REST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL218 XTAL119 GND20 U1 AT89S51 MCU模块 4.7K 123 A44E VCC 图中单片机的其它电路没有画出，请读者自行考虑！ 测试电路原理图 联系 songfei002:hongyun3867416@126.com Ò³ 7