霍爾傳感器的原理及應(yīng)用

 霍爾效應(yīng)的原理

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。流體中的霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)。由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：　Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān);IC為霍爾元件的偏置電流;B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;d為半導(dǎo)體材料的厚度。對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。

一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出;若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金;這類傳感器的霍爾電勢(shì)較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。近年來，由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的新型集成霍爾元件。這類元件可以分為兩大類，一類是線性元件，另一類是開關(guān)類元件。

線性霍爾元件的原理

UGN350lT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩(wěn)壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺(tái)高斯計(jì)。其使用十分簡單，先使B=0，記下表的示值VOH，再將探頭端面貼在被測(cè)對(duì)象上，記下新的示值VOH1。ΔVOH=VOH1-VOH，如果ΔVOH>0，說明探頭端面測(cè)得的是N極;反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T，由此即可測(cè)出相應(yīng)的被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B。如果采用數(shù)字電壓表(DVM)，可得圖1所示的線性高斯計(jì)。運(yùn)放采用高精度運(yùn)放CA3130。該電路的具體調(diào)零方式為：開啟電源后，令B=0，調(diào)節(jié)W1使DVM的示值為零，然后用一塊標(biāo)準(zhǔn)的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調(diào)節(jié)W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計(jì)檢測(cè)時(shí)示值如果為-200mV，則探頭端面檢測(cè)的是S極，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.02T。本高斯計(jì)也可用來測(cè)量交變的磁場(chǎng)，不過DVM應(yīng)改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地?cái)U(kuò)展普通數(shù)字萬用表的功能。

用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當(dāng)有電流流過導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小正比于流過導(dǎo)線電流的安匝數(shù);這個(gè)磁場(chǎng)作用于霍爾元件，感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，其靈敏度為7V/T，經(jīng)過運(yùn)放μA741調(diào)零，線性放大后送入DVM，組成數(shù)字式鉗形電流表。該表的調(diào)試也十分簡單：導(dǎo)線中的電流為零時(shí)，調(diào)節(jié)W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調(diào)W3使DVM讀數(shù)為5V;反向輸入-50A電流，數(shù)字表示值為-5V。反復(fù)調(diào)節(jié)W1、W2、W3，讀數(shù)即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其靈敏度不小于0.1V/A，同樣，本電流表也可用于交流電流的測(cè)量，將DVM換成交流電壓表即可，十分方便。

霍尼韋爾傳感器應(yīng)用以及在電動(dòng)自行車行業(yè)的應(yīng)用

霍爾傳感器的應(yīng)用非常的廣泛，在航空航天技術(shù)，醫(yī)療技術(shù)，交通運(yùn)輸，工業(yè)以及測(cè)量和測(cè)試等諸多領(lǐng)域都做出了重大的的貢獻(xiàn)。目前應(yīng)用領(lǐng)域比較活躍的就是電動(dòng)自行車領(lǐng)域。這一切都?xì)w根于霍尼韋爾的高質(zhì)量四霍爾式元件，其它高靈敏度霍爾效應(yīng)鎖存器采用的是雙霍爾或者單霍爾元件，這使得它對(duì)封裝應(yīng)力非常敏感，而四霍爾元件則使這些傳感器更加穩(wěn)定和出色。這些新型的高靈敏度鎖存器是專門為無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的。它的特點(diǎn)有：寬溫度范圍，高靈敏度，緊湊型設(shè)計(jì)(有SOT-23和TO-92兩種封裝供客戶選擇)，雙極鎖存型磁性元件(在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)均能保持性能穩(wěn)定)，寬電壓范圍，內(nèi)置反向電壓功能，符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)的材料，所有這些優(yōu)良特性對(duì)各類工業(yè)應(yīng)用中的無刷電流電機(jī)而言都十分重要。霍尼韋爾傳感器配有可靠的高磁靈敏度開關(guān)點(diǎn)，并且，其霍爾元件上也未使用斬波穩(wěn)定技術(shù)。霍尼擁有的這些特性使得傳感器能夠輸出完整的信號(hào)，縮短鎖存響應(yīng)時(shí)間至20微秒。

電動(dòng)車控制實(shí)驗(yàn)圖

霍爾傳感器對(duì)電動(dòng)車調(diào)速轉(zhuǎn)把

調(diào)速轉(zhuǎn)把顧名思義是電動(dòng)車的調(diào)速部件，這是一種線性調(diào)速部件，樣式很多但工作原理是一樣的。它一般位于電動(dòng)車的右邊，既騎行時(shí)右手的方向，電動(dòng)車轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動(dòng)較度范圍在0—30度制之間。轉(zhuǎn)把與閘把的信號(hào)特征：轉(zhuǎn)把的形式、信號(hào)特征及其信號(hào)改制。

電動(dòng)車的轉(zhuǎn)把有3根引線：分別是電源(細(xì)紅 +5V)，地線(細(xì)黑)，轉(zhuǎn)把調(diào)速信號(hào)線(線形連續(xù)變化信號(hào)細(xì)綠)。電動(dòng)車上使用的轉(zhuǎn)把有光電轉(zhuǎn)把和霍耳轉(zhuǎn)把兩種，目前采用霍耳轉(zhuǎn)把的電動(dòng)車占絕大多數(shù)。常見線性霍爾元件型號(hào)有：AH3503 AH49E A3515 A3518 SS495 如：AH3503線性霍爾電路由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，線性放大器和射極跟隨器組成，其輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是和輸入量成正比的電壓。靜態(tài)輸出電壓(B=0GS)是電源電壓的一半左右。S磁極出現(xiàn)在霍爾傳感器標(biāo)記面時(shí)，將驅(qū)動(dòng)輸出高于零電平;N磁極將驅(qū)動(dòng)輸出低于零電平;瞬時(shí)和比例輸出電壓電平?jīng)Q定與器件最敏感面的磁通密度。提高電源電壓可增加靈敏度。產(chǎn)品特點(diǎn)：體積小、精確度高、靈敏度高、線性好、溫度穩(wěn)定性好、可靠性高。霍耳轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小，取決于霍耳元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。

在電動(dòng)車上使用的霍耳轉(zhuǎn)把的信號(hào)有以下幾種：

轉(zhuǎn)把的種類 輸出電壓，正把/5V供電，反把/5V供電，

單霍耳轉(zhuǎn)把 1.1-4.2(最多) /4.2-1.1(少量);

單霍耳轉(zhuǎn)把 2.6-3.7(極少) /3.7-2.6;

單霍耳轉(zhuǎn)把 1-2.5/ 2.5-1;

單霍耳轉(zhuǎn)把2.5-4/4-2.5;

雙霍耳轉(zhuǎn)把 0-5/5-0;

光電轉(zhuǎn)把 0-5(少量)/ 5-0。

其中最常用的是以下兩種信號(hào)的轉(zhuǎn)把：1-4.2V(俗稱正把)，4.2-1V(俗稱反把)。兩種信號(hào)的轉(zhuǎn)把中，是1.0V～4.2V的轉(zhuǎn)把占絕大多數(shù)。其它輸出電壓的轉(zhuǎn)把，目前市場(chǎng)中存在很少，已成為事實(shí)中的非標(biāo)產(chǎn)品，這種非標(biāo)的轉(zhuǎn)把在早期的電動(dòng)車上使用比較多。因此目前市場(chǎng)上通用的控制器絕大多數(shù)是識(shí)別1-4.2V轉(zhuǎn)把信號(hào)的產(chǎn)品。當(dāng)電動(dòng)車的轉(zhuǎn)把或控制器需要維修更換時(shí)，一旦遇到轉(zhuǎn)把信號(hào)與控制器不匹配的情況時(shí)，這就需要對(duì)轉(zhuǎn)把進(jìn)行改制，使其輸出信號(hào)能匹配控制器。轉(zhuǎn)把輸出信號(hào)改制：將轉(zhuǎn)把拆開，改變轉(zhuǎn)把里面磁鋼工作面的極性，就可以改變轉(zhuǎn)把輸出的電位。如果轉(zhuǎn)把內(nèi)有兩個(gè)磁鋼，分別將兩個(gè)磁鋼都轉(zhuǎn)180°，再裝好;如果轉(zhuǎn)把內(nèi)只有1個(gè)磁鋼，將磁鋼取出，反轉(zhuǎn)180°后，裝好轉(zhuǎn)把，這樣就改變了轉(zhuǎn)把里面霍耳元件工作磁場(chǎng)的起始位置，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)把輸出信號(hào)的改制。鎖定轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)把上加了一個(gè)機(jī)械開關(guān)按鈕，可以在控制器的控制下作為模式轉(zhuǎn)換按鈕，用于1:1助力，電動(dòng)，定速，故障自檢的模式轉(zhuǎn)換。

霍爾傳感器對(duì)電動(dòng)車剎把

轉(zhuǎn)把信號(hào)是電動(dòng)車電機(jī)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，剎信號(hào)是電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)信號(hào)。電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)車在剎車制動(dòng)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)切斷對(duì)電機(jī)的供電。因此電動(dòng)車閘把上應(yīng)該有閘把位置傳感元件，在有捏剎車把動(dòng)作時(shí)，將剎車信號(hào)傳給控制器，控制器接受到剎車信號(hào)后，立即停止對(duì)電機(jī)的供電。

電動(dòng)車閘把的位置傳感元件有機(jī)械式微動(dòng)開關(guān)(分機(jī)械常開和機(jī)械常閉兩種)和開關(guān)型霍耳感應(yīng)元件(分剎車低電位和剎車高電位兩種)兩種。機(jī)械開關(guān)型有兩條引線一條接負(fù)極另一條接斷電線，適用于低電平剎車控制器。對(duì)于支持高電平剎車的控制器為一條接+12V，另一條接斷電線?；舳腿龡l引出線分別：剎車線(細(xì)藍(lán) +5V)，負(fù)極(細(xì)黑)，剩余的一條為斷電線。常見單極性開關(guān)霍爾元件型號(hào)的型號(hào)有：AH41/ AH3144/ A3144/ A3282。

一般機(jī)械常開的剎車信號(hào)是常高電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的微動(dòng)開關(guān)閉合，其信號(hào)變成低電位。一般機(jī)械常閉的剎車信號(hào)是常低電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的微動(dòng)開關(guān)打開，其信號(hào)變成高電位。一般電子低電位閘把的剎車信號(hào)是常高電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的霍耳元件信號(hào)翻轉(zhuǎn)，其信號(hào)變成低電位。一般電子高電位閘把的剎車信號(hào)是常低電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的霍耳元件信號(hào)翻轉(zhuǎn)，其信號(hào)變成高電位。剎車信號(hào)高低電位的變化，是控制器識(shí)別電動(dòng)車是否處于剎車狀態(tài)，從而判斷控制器是否給電機(jī)供電。當(dāng)電動(dòng)車的閘把或控制器需要維修更換時(shí)，會(huì)遇到閘把信號(hào)與控制器不匹配的情況時(shí)，這就需要對(duì)閘把進(jìn)行改制，使其輸出信號(hào)能匹配控制器。因此在維修實(shí)踐中，不論剎把的形式如何，也不論控制器識(shí)別何種剎車信號(hào)，應(yīng)做到能對(duì)各種形式的剎車信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以匹配成控制器能識(shí)別的信號(hào)。