项目5位移检测—霍尔传感器.ppt

四川航天职业技术学院,电子工程系自动检测技术教研组,项目5 位移测量霍尔传感器应用,自动检测技术,主要内容,一、霍尔传感器发展历史； 二、霍尔效应和霍尔传感器原理； 三、应用实例； 四、实训位移测量系统。,自动检测技术,概述,霍尔传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到60多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可以再现霍尔效应现象，而且N型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件， 例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。,自动检测技术,图1 霍尔效应原理图,自动检测技术,1.2 霍尔元件结构 霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下图所示。,自动检测技术,如下图所示。控制电流由电源E供给，R为调节电阻，霍尔输出端接负载 ，它也可以是放大器的输入电阻或表头电阻。 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下，才会输出霍尔电势，实际使用时，可把I或B作为输入信号，而输出信号正比于I和B。 由于建立霍尔效应的时间很短（ ）S，因此，控制电流用交流时， 频率可达 Hz以上。,2 霍尔元件的基本电路,自动检测技术,自动检测技术,霍尔元件的输出信号可采用运算放大器加以放大，元件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。,自动检测技术,3 霍尔元件主要参数,输入电阻 与输出电阻 ： 指控制电流极之间的阻值； 指霍尔电压极之间的阻值。 额定激励电流(mA) ：使霍尔元件温升 所施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增加受到霍尔元件最高温升限制。 霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率称霍尔温度系数。,自动检测技术,自动检测技术,4 实际应用,利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如下图所示。工件凸会导致霍尔元件向上位移x，导致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化；工件凹会导致霍尔元件向下位移x，导致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化。 若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若测得输出量UH为负，则可判断工件为凹，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。,自动检测技术,自动检测技术,随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。,5 霍尔集成电路,自动检测技术,霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型两大类。 开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。 线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等。,自动检测技术,5.1 开关输出型霍尔集成元件 下图为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的封装及外形尺寸。1为接地端，2为电源端，3为输出端。,自动检测技术,下图所示为UGN3020的内部电路图。其中，X为霍尔元件，A为放大器，S为施密特电路，T为输出晶体管，E为稳定电源。由于增设了施密特电路，使其具有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电路主要用于接近开关。,自动检测技术,5.2 线性输出型霍尔集成元件,下图为线性霍尔器件UGN3501M的内部电路图和输出特性曲线图。当UGN3501M感受的磁场为零时，1、8引腿之间的输出电压为零；感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出电压为正；磁场为反方向时，输出电压为负。UGN3501M的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。,自动检测技术,自动检测技术,自动检测技术,霍尔电势UH是关于I、B两个变量的函数，即UH=KIB，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。 霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。 如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。 此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。,6 霍尔位移传感器应用实验,自动检测技术,如下图（a)所示。在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势 与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 为一常数如下图（b）所示。则当霍尔元件沿x方向移动时， 的变化为: 式中K为位移传感器输出灵敏度。 将上式积分后得:,6.1 位移测量,自动检测技术,上式说明，霍尔电势 与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。 当元件位于磁场中间位置上时， ，这是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的结果。 一般用来测量12mm 的小位移，其特点是：惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压差、液位和加速度等,自动检测技术,霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线,自动检测技术,6.2 霍尔元件测位移实验 霍尔元件测位移实验电路原理图见图2，印制电路版图见图3。 当游标卡尺螺旋转动时，会带动与其连接的磁铁前后移动，导致霍尔元件所处的磁场强度发生变，因此输出的霍尔电压发生变化 ，输出电压通过运放后直接在数字电压表头上显示出来。,自动检测技术,图2 霍尔元件测位移实验电路原理图,自动检测技术,图3 霍尔元件测位移实验电路板图,自动检测技术,第一步，让磁铁向前移动，记录10组位移数据和霍尔电压数据，记