第5章霍尔式传感器西理工传感器原理及应用课件.ppt

第五章 磁电式传感器 本章要点: 1.磁电感应式传感器的原理和应用 2.霍尔传感器(特别是集成霍尔器件)的原理、设计方法和正确使用 第一节 磁电感应式传感器 简称感应式传感器，也称电动式传感器。 建立在电磁感应基础上，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势 e=BNlv 。 应用于测振动速度、转速、扭矩等。 以磁电式速度传感器为例，一种是绕组与壳体连接，磁钢用弹性元件支承，另一种是磁钢与壳体连接，绕组用弹性元件支承。 第二节 霍尔式传感器 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 目前，该类传感器主要是霍尔集成电路，所用的核心单元基于霍尔效应，利用集成电路技术制成。 所以它既是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。 一、霍尔效应 实验证明：霍尔电势 RH—霍尔系数，与薄片的材料有关； kH—灵敏度系数，kH=RH/d，d越薄，kH越大。（薄?1?m） B与薄片法线成?角，则 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 霍尔效应演示 c d a b 霍尔效应 长方向： 控制电流端引线 红 控制电流极（或激励电极） 另两侧中点：霍尔输出引线 绿 霍尔电极 二、霍尔元件及应用 1.霍尔元件：基于霍尔效应原理工作的半导体器件。 a.霍尔元件为矩形半导体单晶片（4?2?0.1mm3) H 常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、 砷化铟（InAs）等半导体材料。 电路符号： c.壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。 b.四根引线 （三）霍尔式压力传感器 测量铁心 气隙的B值 霍尔元件 霍尔传感器用于测量磁场强度 三、霍尔集成电路的分类和结构 金属的霍尔系数远远小于半导体材料，但就是比较大的霍尔电势材料如砷化铟，其数值一般也只能达到几十毫伏，为此用集成电路技术将霍尔元件、放大电路或开关电路等集成在一个半导体基片上，做成线性或开关型电路。 按输出功能可分开关型和线性霍尔电路。 1.霍尔开关集成电路 它是利用集成电路技术在同一硅基片上集成稳压电路、霍尔元件、放大电路、整形电路和开关电路。 其基本功能是将磁输入信号转换成开关信号形式输出。 电源 霍尔元件 放大 整形 输出 地 1 2 3 VT Vcc 工作过程：当磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压UH，经放大器放大后，送至施密特（触发器）整形电路，实现开关两种状态。 一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。 实际的霍尔开关输出与输入磁场的关系有两种情况： 单向磁场工作型（也叫单稳开关型）：当外加磁感应强度达到器件的导通磁场时，开关接通，磁场消失后，器件关断。 双向磁场工作型（也叫双稳态开关型、锁键型）：当外加磁场使其导通后，去掉磁场仍然保持导通态，只有当施加反极性磁场达到一定数值后才能关断。 其主要是由内部施密特触发器是单稳型还是双稳型决定的。 OFF ON B Vout(V) 0 BRP BOP BH Vout B BH 0 2.霍尔线性集成电路 其输出电压随外加磁场的变化而连续地、线性地变化。 霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。 3 稳压 2 1 地 Vcc Vout a.单端输出 单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。 8 稳压 4 3 5 输出 输出 6 地 Vcc 1 7 b.双端输出 3.封装外形 以封装材料分为塑料封装和陶瓷封装两种。 以外形分为扁平单列式和双列直插式两种。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。 4.霍尔集成电路特性 (1)开关型的工作特性 BOP为导通点（或工作点）， BRP为释放点， BH=BOP - BRP为磁滞。 BOP越小，则灵敏度越高。 BH越大，抗干扰愈强。 上限频率通常为100kHz。 OFF ON B Vout(V) 0 BRP BOP BH Vout B BH 0 Vout B(T) (2)线性霍尔电路的磁电特性为一斜线，磁场绝对值过大时，曲线趋于平坦，表明此时，霍尔电路已脱离线性区。 四、霍尔开关电路的应用 （一）器件介绍 1.器件型号 美国SPR公司生产的： UGN(S)3017T,