1、传感器检测与应用传感器检测与应用学习情境八：转速的检测学习情境八：转速的检测 霍尔测速仪的实现霍尔测速仪的实现情境介绍：情境介绍：速度的检测在控制系统中占据重要地位，能够精确的掌握电机或车辆的运行速度，才能更好更安全的进行调速或其他控制。利用转速检测可以实现电机转速保护，或者实现车辆里程计算等等。霍尔式传感器利用霍尔效应可以实现转速的检测。霍尔传感器可以通过磁场的周期性变化，使输出电信号的周期性变化，从而计算出相应的频率和速度。本学习情境通过霍尔传感器的学习实现一种霍尔测速仪的设计。学习情境八：转速的检测学习情境八：转速的检测 霍尔测速仪的实现霍尔测速仪的实现学习要点：学习要点：l霍尔效应及霍
2、尔传感器的参数；l霍尔集成电路的结构、特性、分类及特性曲线。l霍尔传感器的应用；l霍尔测速仪的设计方法、电路结构以及设计制作过程。l知识点拨知识点拨l霍尔传感器实现转速的检测霍尔传感器实现转速的检测l霍尔磁力测速仪的设计霍尔磁力测速仪的设计l知识拓展知识拓展学习情境五：转速的检测学习情境五：转速的检测 霍尔测速仪的实现霍尔测速仪的实现一、霍尔效应一、霍尔效应二、霍尔元件二、霍尔元件 一、霍尔效应一、霍尔效应原理：原理：半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流方向垂直于薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直流过薄片时，在垂
3、直于电流和磁场的方向上将产生电动势于电流和磁场的方向上将产生电动势E EH H，这种现象，这种现象称为霍尔效应。称为霍尔效应。c cd da ab b磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况磁感应强度磁感应强度B B较大时的情况较大时的情况 在霍尔器件激励端通入电流在霍尔器件激励端通入电流I I，将霍尔片置于垂直的，将霍尔片置于垂直的磁场中，则磁场中，则电子受到洛仑兹力电子受到洛仑兹力FLFL的作用的作用，向一侧偏移形，向一侧偏移形成电子的堆积，从而产生电场，当电子所受的洛仑兹力成电子的堆积，从而产生电场，当电子所受的洛仑兹力FLFL及与及与FLFL方向相反的方向相反的电场力的作用力
4、电场力的作用力相等时，电子积累相等时，电子积累达到达到动态平衡动态平衡。电子堆积在垂直端面上产生霍尔电势。电子堆积在垂直端面上产生霍尔电势。霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片内侧偏移，在半导体薄片c c、d d方向的端面之间建立起霍尔方向的端面之间建立起霍尔电势。电势。l作用在半导体薄片上的电流作用在半导体薄片上的电流I I越大、磁场强度越大、磁场强度B B越越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EHEH可用下式表可用下式表示：示：E EH H=K=KH HIBIB
5、l若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件不垂直于霍尔元件，而是与其法线，而是与其法线成某一角度成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即的分量，即BcosBcos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H=K=KH HIBcosIBcos 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正成正比，且当比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则
6、霍之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。尔电势为同频率的交变电势。1 1、霍尔元件：、霍尔元件：霍尔器件为半导体四端元件，霍尔器件为半导体四端元件，一对为电源端，另一对为输出端。一对为电源端，另一对为输出端。二、霍尔元件二、霍尔元件2 2、霍尔元件常用材料：、霍尔元件常用材料：目前常用的霍尔元件材料是目前常用的霍尔元件材料是N N型硅，其霍尔灵敏型硅，其霍尔灵敏度、温度特性、线性度均较好，而锑化铟、砷化铟、度、温度特性、线性度均较好，而锑化铟、砷化铟、锗等也是常用的霍尔元件材料，砷化镓是新型霍尔锗等也是常用的霍尔元件材料，砷化镓是新型霍尔元件材料。元件材料。（a a
7、）霍尔元件结构示意图）霍尔元件结构示意图 （b b）图形符号）图形符号 （c c）外形）外形 霍尔元件示意图霍尔元件示意图3、霍尔元件的特性参数、霍尔元件的特性参数 1 1）输入电阻：）输入电阻：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。温度升高，输入电阻变化，从而使输入电流改变，引起霍尔电势变化。采用恒流源，可减小影响。2 2）输出电阻：）输出电阻：霍尔电势输出端间的电阻，其值也随温度而改变。选择适当负载与之匹配，可使温度变化引起的霍尔电势的漂移减至最小。3 3）最大激励电流：）最大激励电流：由于霍尔电势随激励电流的增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大会使霍尔元件
8、的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温飘增大。因此每种型号的霍尔元件均规定了相应的最大激励电流，其数值从几毫安至十几毫安。4 4）灵敏度：）灵敏度：灵敏度 K KH H=E=EH H/（IBIB）5 5）最大磁感应强度：）最大磁感应强度：当磁感应强度过大时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，一般规定一个最大磁感应强度，使霍尔元件工作在线性范围。6 6）不等位电势：）不等位电势：在额定激励电流下，外加磁场为零时，输出端间的开路电压值。它是由霍尔元件的四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时必须进行电桥补偿。7 7）霍尔电势温度系数：）霍尔电势温度系数：在一定磁场强度和激励电流作用下，温度每
9、变化1时霍尔电势变化的百分数。在高要求场合，应选择低温飘霍尔元件。一、霍尔集成电路一、霍尔集成电路二、霍尔转速检测二、霍尔转速检测一、霍尔集成电路一、霍尔集成电路霍尔集成电路可分为霍尔集成电路可分为线性型线性型和和开关型开关型两大类。两大类。1 1、线性型、线性型 线性型集成电路是将线性型集成电路是将霍尔元件霍尔元件和和恒流源恒流源、线性差、线性差动动放大器放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501UGN3501等。等。线性型三端线性型三端霍尔集
10、成电路霍尔集成电路线性型霍尔集成电路（线性型霍尔集成电路（3501T3501T）23输出输出+稳压稳压VCC1霍尔元件霍尔元件放大放大地地H双端差动输出线性型霍尔集成电路（双端差动输出线性型霍尔集成电路（3501M3501M）当磁场为零时，它的输出当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的正向（磁钢的S S极对准霍尔器极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。场反向时，输出为负。请画出线性范围请画出线性范围2 2、开关型、开关型 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件霍尔元件、稳压电路稳压电路、
11、放放大器大器、施密特触发器施密特触发器、OCOC门门（集电极开路输出门）等电（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。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，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OCOC门由高阻门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，于释放点时，OCOC门重新变为高阻态，输出高电平。较典门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件型的开关型霍尔器件如如UGN3020UGN3020等。等。开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OCOC门门施密特触发电路施
12、密特触发电路双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔元件霍尔元件.VccVcc开关型霍尔集成电路（开关型霍尔集成电路（OCOC门输出）的接线门输出）的接线开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大，抗振动回差越大，抗振动干扰能力就越强。干扰能力就越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔ICIC，到多少特斯拉时输，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔ICIC，到多少特斯拉，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？二、霍尔转速检测二、霍尔转速检测 在被测转速
13、的转轴上安装一个齿盘，也可选取在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大
14、、整形后输出件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABSABS）中的应用中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。车力的大小。带有微型带有微型磁铁的霍磁铁的霍尔传感器尔传感器钢质钢质霍尔霍尔霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存
15、在缺口或突起，就只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁 霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，属于无接触检测，使用寿命长，可靠性高，易微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。使用霍尔传感器实现的速度测量仪器，成本低，精度高，可用于测量电机转速，实现汽车超速报警等。一、整体设计一、整体设计 此设计是利用测量A1302的磁电特性与磁钢产生的电压脉冲频率进而测量转速的，为了更精确方便
16、地测量与显示脉冲频率，采用了频率转换电压电路。整个系统可以分为四个模块：检测脉冲产生模块、频率电压转换模块、AD转换模块和计算显示模块。在电机的转动轴上装上小磁钢，每当小磁钢经过霍尔传感器时就会产生一个脉冲，测量出脉冲数和测量时间，计算得到的频率就是我们要得到的转速，然后显示出来。检测脉冲产生模块频率/电压转换模块A/D转换模块计算显示模块二、模块电路设计二、模块电路设计 1 1、检测脉冲产生模块、检测脉冲产生模块 将电机的转动轴上装上小磁钢，每当小磁钢经过霍尔传感器时，就会引起传感器输出电压发生变化。本设计选用A1302EUA-T连续型比例式线性霍尔传感器，具有低噪声输出，灵敏度高，快速上电
17、，高可靠性等优点，可精确提供与所适用磁场成比例的电压输出，灵敏度为1.3mVG其静态输出电压为电源电压的50，所以在信号进入频率电压转换模块之前需要对变化量进行调零和放大。霍尔传感器霍尔传感器调零放大电路2 2、频率电压转换模块、频率电压转换模块 为了使系统能够更精确的测量频率(转速)，本设计采用美国国家半导体公司推出的速度(频率)电压转换芯片LM2907LM2917只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速表，LM2907为集成式频率电压转换器。3 3、A/DA/D转换模块转换模块 由于测量值为模拟量，必须用A/D转换后读入单片机，A/D转换模块采用一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的A
18、/D转换器ADC0809 由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE经74hc393进行2分频后获得。输出数据口直接跟单片机P0口连接上，然后通过单片机处理。4 4、计算显示模块、计算显示模块 霍尔磁力测速仪的计算显示模块使用STC89C52单片机进行控制和计算，显示部分用1602液晶显示，电路简单，界面友好。单片机的P0口为AD转换电压的数据接收口，P2口控制ADC0809的转换和1602液晶模块功能的实现，P1口为与1602液晶的数据传输口。三、电路调试三、电路调试 系统在调试过程中，需要注意在放大调零模块，调试之前一定要先调零，选取阻值须满足R8/R10=R1
19、2/R11的关系，才能掌握电路的放大倍数在频率/电压转换模块，由于元件的误差导致输出精度V0/FIN跟理论值之间存在误差，实际操作时应多测量几组数据，求出平均精度，然后给单片机处理。实践证明，经过调节，系统基本稳定，达到预想要求，能够较为准确的测量电机的转速，整个系统简单易实现。l是否掌握霍尔传感器的基本工作原理；l是否掌握利用霍尔传感器进行转速测量的方法和原理；l能否正确分析霍尔传感器实现的转速测量显示电路。l能否正确对霍尔转速仪进行性能调整并进行实际转速的测量。知识拓展知识拓展霍尔传感器的其他应用霍尔传感器的其他应用霍尔传感器的其他应用霍尔传感器的其他应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I
20、I、B B、三个变量的函三个变量的函数，即数，即 E EH H=K=KH HIBcosIBcos。利用这个关系可以使。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或其中两个量不变，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。者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途这使得霍尔传感器有许多用途。霍尔传感器的应用领域霍尔传感器的应用领域（1 1）维持）维持I I和和不变，则不变，则E EH H=K=KH HIBcosIBcos=KB=KB。具体应用有：。具体应用有：测量转速的霍尔测量转速的霍尔转速表转速表、测量磁场强度的、测量磁场强度的高斯计高斯
21、计、磁、磁性产品计数及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、性产品计数及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。微压力计等。（2 2）维持）维持I I、B B不变，则不变，则E EH H=K=KH HIBcos=kcosIBcos=kcos。具体应。具体应用有用有角位移角位移测量仪等。测量仪等。（3 3）维持）维持不变，则不变，则E EH H=K=KH HIBcosIBcos=KIB=KIB，即传感器的输，即传感器的输出与出与I I、B B的乘积成正比。具体应用有的乘积成正比。具体应用有模拟乘法器模拟乘法器、霍、霍尔式尔式功率计功率计等。等。一、霍尔特斯拉计（高斯计）一、霍尔特斯拉计（高
22、斯计）霍尔元件霍尔元件（1T=101T=104 4GsGs）霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心气隙的气隙的B B值值二、霍尔式无触点汽车电子点火装置二、霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无触采用霍尔式无触点电子点火装置能点电子点火装置能较好地克服汽车合较好地克服汽车合金触点点火时间不金触点点火时间不准确、触点易烧坏、准确、触点易烧坏、高速时动力不足等高速时动力不足等缺点。缺点。汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出接头高压输出接头12V12V低压电源输入接头低压
23、电源输入接头霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。时间准确、高速时动力足。1-1-触发器叶片触发器叶片 2-2-槽口槽口 3-3-分电器转轴分电器转轴 4-4-永久磁铁永久磁铁 5-5-霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC）桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 霍尔式无触点汽车电子点火装置原理霍尔式无触点汽车电子点火装置原理 叶片遮挡在霍尔叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，霍尔面前时，霍尔ICIC的输出为低电平，晶体
24、管的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。当叶片槽口转到霍尔当叶片槽口转到霍尔ICIC面前时，霍尔面前时，霍尔ICIC输出跳变为高电平，输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出压侧感应出3050kV3050kV的高
25、电压。的高电压。汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成三、霍尔式无刷电动机三、霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而和电刷，而采用霍尔元件来检测转子采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置和定子之间的相对位置，其输出信号，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录火
26、花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、像机、CDCD唱机、光驱等家用电器中得唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电电池组可充电电池组无刷电动机无刷电动机电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路去速度控制器去速度控制器 利用利用PWMPWM调速调速光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构四、霍尔式接近开关四、霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时
27、，霍尔式接近开关到动作距离时，霍尔式接近开关动作。动作。但是它只能用于但是它只能用于铁磁材料铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。强的闭合磁场。霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁随运动部件移当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔米时，霍尔ICIC的输出由高的输出由高电平变为低电平，经驱动电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起）起到限位的作用。到限位的作用。霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔式接近开关用于转
28、速测量演示软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC 五、霍尔电流传感器五、霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。正比的霍尔电压。霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍线性霍尔尔ICIC EH=KH IB 其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中的环形铁心中 用钳形表测量电动机的相电流用钳形表测量电动机的相电流霍尔式电流谐波分析仪霍尔式电流谐波分析仪 被测电流的被测电流的谐波频谱谐波频谱铁心的开合缝隙铁心的开合缝隙铁心的杠铁心的杠杆压舌杆压舌
