霍尔磁敏传感器的原理及应用

2010-08-16 14:24:00来源: 仪表技术

1 引言

    由霍尔效应的原理知,霍尔电势的大小取决于:

    Rh为霍尔常数,它与半导体材质有关;IC为霍尔元件的偏置电流;B为磁场强度;d为半导体材料的厚度。

    对于一个给定的霍尔器件,Vh将完全取决于被测的磁场强度B。

    一个霍尔元件一般有四个引出端子,其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端,另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路,就会产生霍尔电流。一般地说,偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出;若精度要求高,则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度,有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金;这类传感器的霍尔电势较大,但在0.05T左右出现饱和,仅适用在低量限、小量程下使用。

    近年来,由于半导体技术的飞速发展,出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类,一类是线性元件,另一类是开关类元件。

2 线性霍尔元件的原理及应用

    UGN350lT是一种目前较常用的三端型线性霍尔元件。它由稳压器、霍尔发生器和放大器组成。用UGN350lT可以十分方便地组成一台高斯计。其使用十分简单,先使B=0,记下表的示值VOH,再将探头端面贴在被测对象上,记下新的示值VOH1。

ΔVOH=VOH1-VOH

    如果ΔVOH>0,说明探头端面测得的是N极;反之为S极。UGN3501T的灵敏度为7V/T,由此即可测出相应的被测磁感应强度B。

    如果采用数字电压表(DVM),可得图1所示的线性高斯计。运放采用高精度运放CA3130。该电路的具体调零方式为:开启电源后,令B=0,调节W1使DVM的示值为零,然后用一块标准的钕铝硼磁钢(B=0.1T)贴在探头端面上,调节W2使DVM的示值为1V即可。本高斯计检测时示值如果为-200mV,则探头端面检测的是S极,磁场强度为0.02T。本高斯计也可用来测量交变的磁场,不过DVM应改为交流电压表。显然使用图1的电路可以很方便地扩展普通数字万用表的功能。

    用UGN3501T还可以十分方便地组成如图2所示的钳形电流表。将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中,当有电流流过导线时,就会在钳形圆环中产生磁场,其大小正比于流过导线电流的安匝数;这个磁场作用于霍尔元件,感应出相应的霍尔电势,其灵敏度为7V/T,经过运放μA741调零,线性放大后送入DVM,组成数字式钳形电流表。该表的调试也十分简单:导线中的电流为零时,调节W1、W2使DVM的示值为零。然后输入50A的电流,调W3使DVM读数为5V;反向输入-50A电流,数字表示值为-5V。反复调节W1、W2、W3,读数即可符合要求。本钳形电流表经实验,其灵敏度不小于0.1V/A,同样,本电流表也可用于交流电流的测量,将DVM换成交流电压表即可,十分方便。

3 开关型霍尔传感器的原理及应用

    开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态,内部均有5个部分,即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。图3是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。对于开关型传感器的正值规定是:用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由图3看出,当B=0时,V0为高电平;当外磁场增至BOP时,输出V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP降至BrP时,输出V0由低电平反向,BrP被称为释放点。对于UGN3020,BOP=0.022T,BRP=0.0165T,VOL=80~150mV,VOH=4V,工作电压为4.5V~24V。

    UGN3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件UGN3020和磁钢组成测量电路。将具有10个齿的圆盘固定于被测对象的旋转主轴上。当圆盘齿经过测量磁路的间隙时,霍尔元件输出高电平,其他时间输出为低电平;这样圆盘每转一周,电路输出10个脉冲,脉冲经过分频后,用频率计即可测出被测对象的实际转速。

    用集成霍尔传感器还可以组成过流检测保护电路,该电路如图4所示。UGN3020固定于环形互感磁钢的空隙中,调整传感面的位置,即可调节其动作的起始磁场,图中的继电器如用内含双向晶闸管的固态继电器代替,可以组成无触点的过流保护电路

    开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电,这种供电机构工作时噪声大,电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减小。利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端,而且可以对电机直接调速。如日本胜利公司的HR7200型录像机中,采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体,利用霍尔元件IC1、IC2去开关驱动晶闸管,从而控制流过电机绕组的电流方向来完成换向;调速则通过伺服系统控制定子中的电流来完成。由于采用电子换向,该电机运转十分平稳,几乎无干扰。

关键字:霍尔磁敏元件  线性元件  开关元件

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0816/article_2480.html
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