霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用

1引言

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(shuō)，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(lái)，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。

2線性霍爾元件的原理及應(yīng)用

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(jiǎn)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(shuō)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(lái)測(cè)量交變的磁場(chǎng)，不過(guò)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(wàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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。

3開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用

開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對(duì)稱的施密特整形電路。圖3是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對(duì)于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出，當(dāng)B=0時(shí)，V0為高電平;當(dāng)外磁場(chǎng)增至BOP時(shí)，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場(chǎng)由BOP降至BrP時(shí)，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點(diǎn)。對(duì)于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。

UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計(jì)探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測(cè)量電路。將具有10個(gè)齒的圓盤固定于被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過(guò)測(cè)量磁路的間隙時(shí)，霍爾元件輸出高電平，其他時(shí)間輸出為低電平;這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個(gè)脈沖，脈沖經(jīng)過(guò)分頻后，用頻率計(jì)即可測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

用集成霍爾傳感器還可以組成過(guò)流檢測(cè)保護(hù)電路，該電路如圖4所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中，調(diào)整傳感面的位置，即可調(diào)節(jié)其動(dòng)作的起始磁場(chǎng)，圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替，可以組成無(wú)觸點(diǎn)的過(guò)流保護(hù)電路。

開關(guān)型霍爾元件最具特點(diǎn)的應(yīng)用是在無(wú)刷電機(jī)上。通常的直流電機(jī)采用電刷型整流子供電，這種供電機(jī)構(gòu)工作時(shí)噪聲大，電機(jī)的壽命由于換相器的嚴(yán)重磨損大大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機(jī)的上述弊端，而且可以對(duì)電機(jī)直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機(jī)中，采用兩個(gè)霍爾元件和旋轉(zhuǎn)磁鋼構(gòu)成電機(jī)本體，利用霍爾元件IC1、IC2去開關(guān)驅(qū)動(dòng)晶閘管，從而控制流過(guò)電機(jī)繞組的電流方向來(lái)完成換向;調(diào)速則通過(guò)伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來(lái)完成。由于采用電子換向，該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)，幾乎無(wú)干擾。