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传感器技术应用8*第八章霍尔传感器本章主要讲述内容:1、霍尔传感器的工作原理2、集成霍尔传感器3、霍尔传感器的应用*8.1霍尔传感器的工作原理*1)概述:霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。2)特点:霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高,耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。*3)霍尔元件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...

传感器技术应用8
*第八章霍尔传感器本章主要讲述内容:1、霍尔传感器的工作原理2、集成霍尔传感器3、霍尔传感器的应用*8.1霍尔传感器的工作原理*1)概述:霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。2)特点:霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高,耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。*3)霍尔元件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。*设图中的材料是N型半导体,导电的载流子是电子。在z轴方向的磁场作用下,电子将受到一个沿y轴负方向力的作用,这个力就是洛仑兹力。它的大小为:FL=qvB*在洛仑兹力的作用下,电子向一侧偏转,使该侧形成负电荷的积累,另一侧则形成正电荷的积累。这样,A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场Eh,称为霍尔电场。该电场的强度为Eh=vB在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压,用UH 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示UH=Ehb=vBb  *由上式知,霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度,它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征,所谓载流子迁移率,是指在单位电场强度作用下,载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示,μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的,即EI=U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/L。这时上式可写为:*当材料中的电子浓度为n时,有如下关系式:I=nqbdv即将上式代入前式可得KH为霍尔灵敏度,它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小,KH=RH/d,它的单位是mV/(mA·T)*通过以上分析可知:1)霍尔电压UH与材料的性质有关,霍尔元件一般采用N型半导体材料。2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d愈小,KH愈大,霍尔灵敏度愈高,所以霍尔元件的厚度都比较薄,但d太小,会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。控制电流恒定时愈大愈大。当磁场改变方向时,也改变方向。*8.2霍尔元件霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中,总是希望获得较大的霍尔电压。通过霍尔元件的最大允许控制电流为霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压:*霍尔元件的组成:由霍尔片、四根引线和壳体组成,如下图示。*集成霍尔元件:集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限,实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比,由于减少了焊点,因此显著地提高了可靠性。此外,它具有体积小、重量轻、功耗低等优点,正越来越爱到众的重视。8.2.1开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。*8.2.2线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成,它的电路比较简单,用于精度要求不高的一些场合。8.2.3差动霍尔电路(双霍尔电路)它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成,使用时在电路背面放置一块永久磁体,当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时,一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反,经差分放大后,使器件灵敏度大为提高。*8.3霍尔传感器的应用1、测位移*若令霍尔元件的工作电流保持不变,而使其在一个均匀梯度磁场中移动,它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。用霍尔元件测量位移的优点很多:惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。以微位移检测为基础,可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。*2、测转角*叶片和齿轮位置传感器3.测转角或转速*8.4霍尔测速电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制作以常见的玩具电机作为测速对象,用CS3020设计信号获取电路,通过电压比较器实现计数脉冲的输出,既可在单片机实验箱进行转速测量,也可直接将输出接到频率计或脉冲计数器,得到单位时间内的脉冲数,进行换算即可得电机转速。8.4.1脉冲信号的获得霍尔传感器是对磁敏感的传感元件,常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等,这种传感器是一个3端器件,外形与三极管相似,只要接上电源、地,即可工作,输出通常是集电极开路(OC)门输出,工作电压范围宽,使用非常方便。*8.4.2硬件电路设计通常用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法,就是给定一个闸门时间,在闸门时间内计数输入的脉冲个数;测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门,对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步,因此,这两种方法都存在±1误差的问题,第一种方法适用于信号频率高时使用,第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。*下图是测速电路的信号获取部分,在电源输入端并联电容C2用来滤去电源尖啸,使霍尔元件稳定工作。*8.4.3测速电路制作上述测速电路输出的是脉冲信号,可接到频率计上,当电机轴上装一只磁钢时,电机转一周输出一个脉冲,由频率计测得输出信号频率f,则电机转速为n=60f。制作时可根据上述原理路配齐所有器件,在万用板或面包板上进行安装,微电机固定在电路板上,轴上要设法装上一小磁钢,霍尔元件尽量靠近它,先将信号输出到示波器上,调节RP2使信号为矩形波,调节RP1观察信号周期的变化。最后可将信号接入频率计,就可测量电机的转速。
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