霍爾效應(yīng)是磁電效�(yīng)的一�,這一�(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall�1855�1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)�(gòu)�(shí)�(fā)�(xiàn)的。后�(lái)�(fā)�(xiàn)半導(dǎo)�、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng),而半�(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金�?gòu)?qiáng)得多,利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,廣泛地�(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技�(shù)、檢�(cè)技�(shù)及信息處理等方面?;魻栃?yīng)是研究半�(dǎo)體材料性能的基本方
霍爾傳感��。通過(guò)霍爾效應(yīng)�(shí)�(yàn)�(cè)定的霍爾系數(shù),能夠判斷半�(dǎo)體材料的�(dǎo)電類�、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)?;魻柶骷且环N采用半導(dǎo)體材料制成的磁電�(zhuǎn)換器�。如果在輸入端通入控制電流IC,當(dāng)有一磁場(chǎng)B穿過(guò)該器件感磁面,則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢(shì)VH。在磁場(chǎng)力作用下,在金屬或通電半導(dǎo)體中將產(chǎn)生霍耳效�(yīng),其輸出電壓與磁�(chǎng)�(qiáng)度成正比。基于霍耳效�(yīng)的霍�傳感�常用于測(cè)量磁�(chǎng)�(qiáng)�,其�(cè)量范圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人�?cè)�?879年就知道了霍耳效�(yīng),但直到20世紀(jì)60年代末期,隨著固�(tài)電子技�(shù)的發(fā)�,霍耳效�(yīng)才開始被人們所�(yīng)用�
霍爾傳感�是根�(jù)霍爾效應(yīng)原理而制成的電流和電壓傳感器。根�(jù)�(duì)霍爾電勢(shì)處理的方式不�,霍爾傳感器又可分為以下兩類�
類是直接將霍爾電�(shì)做適�(dāng)放大處理以后提供給檢�(cè)儀器或控制�(shè)�,就是所謂的直接檢測(cè)式霍爾電流傳感器。這種傳感器耐壓等級(jí)高,成本�,性能�(wěn)�,但精度受溫度變化影響大,動(dòng)�(tài)響應(yīng)特性很不理�。我公司采用電路�(bǔ)�,圓滿解決以上問(wèn)題�
第二類是磁場(chǎng)平衡�霍爾傳感�,它采用了單或雙霍爾元件,并工作在零磁通狀�(tài),且有以下特�(diǎn):①�(cè)量范圍寬,可�(cè)量各種電流,如直�、交�、脈沖電流等。②電氣隔離性能�。③�(cè)量精度高,線性度�。④抗外界電磁和溫度等因素的干擾能力�(qiáng)。⑤電流上升率大,響�(yīng)速度快。⑥�(guò)載能力強(qiáng)。⑦體積�,重量輕,安裝簡(jiǎn)�、方便。目前的�(chǎn)品中以磁�(chǎng)平衡式霍爾傳感器為主�
按構(gòu)造分�
�(wú)鐵心�
鐵心�
�(cè)試用探針霍爾集成電路
按出線端子分�
三端子組�
四端子組�
五端子組�
霍爾傳感�用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?;魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ),是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?;魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的�(yīng)��
一、霍爾效�(yīng)霍爾元件 霍爾傳感器:
?。ㄒ唬┗魻栃�?yīng)�
如〔圖1〕所�,在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向施加磁感�(yīng)�(qiáng)度為B的勻�(qiáng)磁場(chǎng),則在垂直于電流和磁�(chǎng)的方向上,將�(chǎn)生電�(shì)差為UH的霍爾電�,它們之間的�(guān)系為。圖中d 為薄片的厚度,k稱為霍爾系數(shù),它的大小與薄片的材料有�(guān)。上述效�(yīng)稱為霍爾效應(yīng),它是德�(guó)物理�(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)�(shí)�(fā)�(xiàn)��
?。ǘ┗魻栐?/FONT>
根據(jù)霍爾效應(yīng),人們用半導(dǎo)體材料制成霍爾元�。它具有�(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)�(gòu)�(jiǎn)�、體積小、頻率響�(yīng)�、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)�(diǎn),因�,在�(cè)量、自�(dòng)�、計(jì)算機(jī)和信息技�(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的�(yīng)��
?。ㄈ┗魻杺鞲衅�?/FONT>
由于霍爾元件�(chǎn)生的電勢(shì)差很�,故通常將霍爾元件與放大器電�、溫度補(bǔ)償電路及�(wěn)壓電源電路等集成在一�(gè)芯片�,稱之為霍爾傳感�?;魻杺鞲衅饕卜Q為霍爾集成電�,其外形較小,如〔圖2〕所示,是其中一種型�(hào)的外形圖�
�、霍爾傳感器的分類:
霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種�
(一)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��
?。ǘ╅_�(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元�、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出�(jí)組成,它輸出�(shù)字量�
�、霍爾傳感器的特性:
?。ㄒ�?線性型霍爾傳感器的特性:
輸出電壓與外加磁�(chǎng)�(qiáng)度呈線性關(guān)�,如〔圖3〕所示,在B1~B2的磁感應(yīng)�(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度,磁感應(yīng)�(qiáng)度超出此范圍�(shí)則呈�(xiàn)飽和狀�(tài)�
?。ǘ╅_�(guān)型霍爾傳感器的特性:
如〔圖4〕所�,其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感�(yīng)�(qiáng)度,BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感�(yīng)�(qiáng)��
�(dāng)外加的磁感應(yīng)�(qiáng)度超�(guò)�(dòng)作點(diǎn)Bop�(shí),傳感器輸出低電�,當(dāng)磁感�(yīng)�(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop以下�(shí),傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放�(diǎn)BRP�(shí),傳感器才由低電平躍�?yōu)楦唠�?。Bop與BRP之間的滯后使開關(guān)�(dòng)作更為可��
另外還有一種“鎖鍵型”(或稱“鎖存型”)開關(guān)型霍爾傳感器,其特性如〔圖5〕所示� �(dāng)磁感�(yīng)�(qiáng)度超�(guò)�(dòng)作點(diǎn)Bop�(shí),傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗�?,而在外磁?chǎng)撤消后,其輸出狀�(tài)保持不變(即鎖存狀�(tài)�,必須施加反向磁感應(yīng)�(qiáng)度達(dá)到BRP�(shí),才能使電平�(chǎn)生變��
四、霍爾傳感器的應(yīng)�
按被檢測(cè)�(duì)象的性質(zhì)可將它們的�(yīng)用分為:直接�(yīng)用和間接�(yīng)�。前者是直接檢測(cè)受檢�(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特�,后者是檢測(cè)受檢�(duì)象上人為�(shè)置的磁場(chǎng),這�(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)的信息的載體,通過(guò)�,將許多非電、非磁的物理�,例如速度、加速度、角�、角速度、轉(zhuǎn)�(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀�(tài)�(fā)生變化的�(shí)間等,轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來(lái)�(jìn)行檢�(cè)和控��
?。ㄒ唬┚€性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)�。例如:
1.電流傳感器� 由于通電螺線管內(nèi)部存在磁�(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�。利用這一原理可以�(shè)�(jì)制成霍爾電流傳感�。其�(yōu)�(diǎn)是不與被�(cè)電路�(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被�(cè)電源的功率,特別適合于大電流傳感�
霍爾電流傳感器工作原理如〔圖6〕所�,標(biāo)�(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一�(gè)缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓�(huán)上繞有線�,當(dāng)電流通過(guò)線圈�(shí)�(chǎn)生磁�(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出�
2.位移測(cè)量: 如〔圖7〕所示,兩塊磁鐵同極性相�(duì)放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,其磁感應(yīng)�(qiáng)度為�,這�(gè)�(diǎn)可作為位移的零點(diǎn),當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移�(shí),傳感器有一�(gè)電壓輸出,電壓大小與位移距離大小成正�。如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移距離,便可測(cè)出拉力及壓力的大�,如〔圖8〕所�,是按這一原理制成的力矩傳感器�
?。ǘ╅_�(guān)型霍爾傳感器主要用于�(cè)�(zhuǎn)�(shù)、轉(zhuǎn)�、風(fēng)�、流�、接近開�(guān)、關(guān)門告知�、報(bào)警器、自�(dòng)控制電路��
1.測(cè)�(zhuǎn)速或�(zhuǎn)�(shù)� 如〔圖9〕所��,在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁�,霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣�,圓盤旋�(zhuǎn)一�,霍爾傳感器就輸出一�(gè)脈沖,從而可�(cè)出轉(zhuǎn)�(shù)(計(jì)�(shù)器),若接入頻率�(jì),便可測(cè)出轉(zhuǎn)�� 如果把開�(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有�(guī)律地布置在軌道上,當(dāng)裝在�(yùn)�(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)�(guò)它時(shí),可以從�(cè)量電路上�(cè)得脈沖信�(hào)。根�(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的�(yùn)�(dòng)速度�
2.各種實(shí)用電路: 開關(guān)型霍爾傳感器尺寸�、工作電壓范圍寬,工作可�,價(jià)格便�,因此獲得極為廣泛的�(yīng)�。下面列舉兩�(gè)�(shí)用電路加以說(shuō)明:
電路1 防盜�(bào)警器 ,如〔圖10〕所�,將小磁鐵固定在門的邊緣上,將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上,讓兩者靠�,即門處于�(guān)閉狀�(tài)�(shí),磁鐵靠近霍爾傳感器,輸出端3為低電平,當(dāng)門被非法撬開時(shí),霍爾傳感器輸出�3為高電平,非門輸出端Y為低電平,繼電器J吸合,Ja閉合,蜂鳴器得電后發(fā)出報(bào)警聲��
電路2 公共汽車門狀�(tài)顯示� � 使用霍爾傳感器,只要再配置一塊小磁鐵就很容易做成車門是否�(guān)好的指示�,例如公共汽車的三�(gè)門必須�(guān)閉,司機(jī)才可開車。電路如〔圖11〕所�,三片開�(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的三�(gè)門框上,在車門適當(dāng)位置各固定一塊磁鋼,�(dāng)車門開著�(shí),磁鋼遠(yuǎn)離霍爾開�(guān),輸出端為高電平。若三�(gè)門中有一�(gè)未關(guān)�,則或非門輸出為低電平,紅燈亮,表示還有門未關(guān)好,若三�(gè)門都關(guān)�,則或非門輸出為高電平,綠燈亮,表示車門�(guān)�,司�(jī)可放心開��
霍爾傳感�有下列三種用法:
(A) 事先使一定電流流�(guò)霍爾傳感�,用以檢出磁�(chǎng)或變換成磁場(chǎng)的其它物理量的方法�
(B) 利用組件的電�、磁�(chǎng)及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法�
(C) 利用非相反�(即在一定磁�(chǎng)�,使與輸入端子通以電流�(shí)所得的輸出同方向的電流流過(guò)輸出端子�(shí),在輸入端子�(huì)�(chǎn)生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現(xiàn)�)的方法�
在這些具體例中,有不少在組件的靈敏度及溫度特性上,霍爾傳感器形成1 �(Turn)的線圈有妨礙而難以符合實(shí)�。但利用霍爾探針�(cè)定磁�(chǎng)�?qū)儆诒容^�(jiǎn)便的用法,已�(jīng)定型,另外例如無(wú)電刷馬達(dá)(霍爾馬達(dá))開關(guān)等也逐漸�(jìn)入實(shí)用的階段,磁頭的制造也有人嘗試�(guò)�
�1系表�3�5端子�霍爾傳感�的使用方法,在三端子霍爾傳感器之輸出可以�(chǎn)生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號(hào)電壓之和的電�,而在四端子及五端子霍爾傳感器�,在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響,但�(shí)際上即使在無(wú)磁場(chǎng)�(shí),也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存��
定電壓驅(qū)�(dòng)
定電流驅(qū)�(dòng)
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