自动检测技术及仪表.docx
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自动检测技术及仪表
昆明理工大学
《自动检测技术及仪表》课程设计
题目：
开关型霍尔传感器
学院：
信息工程与自动化学院
专业：
测控技术与仪器
年级：
姓名：
学号：
目录
摘要............................................................................................................................2
霍尔传感器的工作原理……………………………………………………………2
开关型霍尔传感器的工作原理及组成结构………………………………………4
开关型霍尔效应传感器分类………………………………………………………5
开关型霍尔传感器的工程实现……………………………………………………8
结合实际案例分析传感器的应用技术及应用领域——出租车计价器…………13
总结…………………………………………………………………………………17
参考资料……………………………………………………………………………17
一．摘要
开关型霍尔效应传感器是磁敏接近式传感器，具有应用灵活、宽工作电压范围和采样频率高等特点，是一种可靠性高无接触清洁型传感器，在位置传感、旋转测量等方面得到了广泛应用。
开关型霍尔效应传感器主要分单极接近型和双极锁存型。
开关型霍尔传感器是集成霍尔传感器的一种,它主要被应用于周期和频率的测量、转速的测量、液位控制等方面.从原理上讲,霍尔开关显得较为简单,但是设计霍尔开关却需要具备较宽的知识结构,它不仅要求具备物理学知识,而且还要求具备电子技术等方面的知识。
本文简单扼要地介绍了开关型霍尔集成传感器的原理和特性,概括地介绍了几种使用型式,列举了在出租车计价器等的实用方法。
介绍了一种简单、实用的测试电路。
关键词：
霍尔效应霍尔元件开关型霍尔集成传感器成品传感器
二.霍尔传感器的工作原理
由霍尔效应原理可知,当霍尔片处于磁场中,并在垂直于磁场的方向上通以电流时,霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差VH=KBI输出.当通过霍尔片的电流恒定不变时,改变磁场的大小,可以改变霍尔电势差VH.
开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成,如图1所示.从输入端1输入电压VCC,经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端,以提供恒定不变的工作电流.在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场,产生霍尔电势差VH,该VH信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器D整形.当磁场达到“工作点”（即Bop）时,触发器D输出高电压（相对于地电位）,使三极管E导通,输出端Vo输出低电位,此状态称为“开”.当施加的磁场达到“释放点”（即Brp）时,触发器D输出低电压,使三极管E截止,输出端Vo输出高电位,此状态称为“关”.这样2次高低电位变换,使霍尔传感器完成了1次开关动作.如图2所示.Bop-Brp称为磁滞.在此差值内,输出电位Vo保持高电位或低电位不变,因而输出稳定可靠.
三.开关型霍尔传感器的工作原理及组成结构
（一）测量原理
开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。
双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。
图3是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。
对于开关型传感器的正值规定是：
用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。
由图3看出，当B=0时，V0为高电平；当外磁场增至BOP时，输出V0由高电平转为低电平。
外磁场由BOP降至BrP时，输出V0由低电平反向，BrP被称为释放点。
对于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V～24V。
UGN3020可组成转速计探头。
该探头由霍尔元件UGN3020和磁钢组成测量电路。
将具有10个齿的圆盘固定于被测对象的旋转主轴上。
当圆盘齿经过测量磁路的间隙时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出10个脉冲，脉冲经过分频后，用频率计即可测出被测对象的实际转速。
用集成霍尔传感器还可以组成过流检测保护电路，该电路如图4所示。
UGN3020固定于环形互感磁钢的空隙中，调整传感面的位置，即可调节其动作的起始磁场，图中的继电器如用内含双向晶闸管的固态继电器代替，可以组成无触点的过流保护电路。
开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。
通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减校利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端，而且可以对电机直接调速。
如日本胜利公司的HR7200型录像机中，采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体，利用霍尔元件IC1、IC2去开关驱动晶闸管，从而控制流过电机绕组的电流方向来完成换向；调速则通过伺服系统控制定子中的电流来完成。
由于采用电子换向，该电机运转十分平稳，几乎无干扰。
（二）构造原理
由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：
Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。
对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。
一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。
如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。
一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。
为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。
四开关型霍尔效应传感器分类
1双极性开关型霍尔效应传感器原理和组成结构
成品霍尔传感器在芯片封装时无统一标准，或用磁体的S极触发，或用N极触发，当磁体是嵌入固定时，用户在维护和更换时需要对磁体极性做出判别，应用不便。
双极性开关型霍尔传感器则无须判别磁体极性，具有很大的灵活性和方便性。
1．1基本原理
霍尔芯片A3144的某一个感应面为磁体的S极敏感，假设该面为s面，那么另一面一定是N极敏感，假设该面叫N面。
将两个开关型霍尔芯片A、B贴近叠放在一起，A芯片在前且s面朝外，B芯片在后且N面朝外，两芯片的开路输出0a、0b连接作为一个输出端，共用同一电源，并封装在一个铜质罗栓装置中，芯片的作用面朝向磁体的磁极N或S，结构原理参见图1。
1．2实现方法
由于A、B芯片前后叠放，磁场要穿过A芯片作用B芯片的敏感面，显然B芯片的灵敏度会有所下降。
实验证明磁体对底层B芯片的触发距离与A芯片相比减少1．5mm左右，为补偿B芯片灵敏度的降低，可通过在其背后衬加一小铁磁质材料的方法来补偿。
稀土磁钢的磁场无须补偿就能够穿过A芯片并能作用触发B芯片，当S极接近传感器时，A芯片输出，N极接近传感器时，B芯片输出。
这样，无论磁体的那个磁极接近传感器，总有一个芯片输出，而对磁体的极性无需关心。
双极性开关型霍尔效应传感器优点是无须关心磁体极性，传感器的互换性强，更换维护方便。
不足的是采用两个芯片，成本稍有增加，B芯片的作用距离稍微减少。
2霍尔效应高速旋转编码器
精确测量旋转角时常采用光电旋转编码器来实现，但在使用环境恶劣和精度要求不高的场合，使用光电旋转编码器会造成系统成本过高，为提高可靠性一般采用多个廉价可靠的开关型霍尔效应传感器按不同的角度位置安装，用旋转的磁体分别掠过传感器的作用面来采样。
当采样点较多时，这种方法使用的传感器数量和信号线较多，安装不便，且占用控制系统接口资源较多。
2．1基本原理
同双极性开关型霍尔效应传感器，不同点是A、B两芯片分别输出。
其中芯片A作为起始”零点”脉冲输出，芯片B作为旋转角度”顺序”脉冲输出，无论采样点是多少，只需安装一支旋转编码传感器，一条四芯电缆线，占用两个系统接口。
2．2实现方法
安装磁体时，其中只有一个比如s极朝向传感器的作用面，其它磁体N极朝向作用面，当磁体旋转时，s极作用开关型霍尔效应旋转编码器时，编码器输出一个零点脉冲，而N极作用旋转编码器时则是序列脉冲输出，由控制系统做出判断和计量，见附图1。
由于磁体间有较大间隙，零点脉冲与序列脉冲并不重叠，采用两线输入，控制系统的软件处理非常简单。
这种传感器优点是用一个传感器代替多个传感器，安装简单成本低，采样点越多，优越性越明显。
不足的是两个输出的脉冲宽度与旋转速度有关；采样点较多时，需要较大直径的磁体安装轮。
在印刷设备的程序控制系统中，采用了开关型霍尔效应旋转编码器，简化了系统设计，减少了传感器数量。
3磁偏置霍尔效应高速齿轮接近开关
电容或电感式接近开关由于工作频率低，难以满足高速旋转的测量。
而能满足高速测量的齿轮传感器则价格相对昂贵。
可利用开关型霍尔效应传感器芯片设计廉价的高速霍尔效应接近开关。
3．1基本原理
开关型霍尔效应传感器对磁感应强度有一临界值，磁感应强度超过临界值时霍尔芯片被触发输出。
采用顺磁物质或加大磁通量，可增强磁感应强度，铁质齿轮正好能满足这一要求。
3．2实现方法
将一小型高强度磁体与霍尔芯片封装在一个传感器中，磁体与芯片的距离稍大于临界触发距离，这时芯片无输出，相当于给芯片预加一磁偏置。
当铁磁质接近传感器时，由于铁磁质产生较强的附加磁场，与原磁感应强度方向相同，加强了作用于霍尔芯片的磁感应强度，当强度大于临界触发强度时芯片有接近信号输出。
这种传感器的优点是测量速度高达10KHz，且成本低廉。
在高温、高湿、飞花落尘严重的恶劣环境中，性能稳定，效果较好。
不足的是这种设计只能检测铁磁质，作用距离稍近，须选用磁感应强度长期稳定的磁体。
4霍尔效应可逆计量传感器
光电可逆计量传感器具有较为复杂的转换电路和机械传动装置，价格相对昂贵，安装精度要求高，存在传动摩擦，不利于高速连续运转。
利用锁存型霍尔效传感器配合简单的转化电路可实现可逆计量，克服了光电可逆计量传感器的缺点，性能价格比高。
4．1基本原理
锁存型霍尔效应传感器A3290具有触发锁存特点，需采用磁体的N、s极交替触发才有信号输出，单极性磁极触发不能输出连续脉冲，因此N、S极间隔影响输出脉冲宽度。
利用这一特点，合理安排磁极安装位置，锁存型霍尔效传感器可设计转向判定传感器，用于可逆计量。
图3霍尔效应可逆计量传感器电路原理
4．2实现方法
双磁铁采用非对称安装，其中一个磁铁的s极朝外，另一个N极朝外，参见图3。
假设s极置位霍尔传感器HL，N极复位传感器，显然磁极顺时针和逆时针分别掠过HL时，输出脉冲宽度不同。
电路中IC为六施密特触发器，IC—B和IC—C将HL的输出信号反相并分为两路信号，一路输入到由R1、C1与IC—A构成的微分电路，输出计量脉冲。
另一路输入到由R2、C2与IC—D构成的积分电路。
合理选取R2、C2参数，使积分电路对宽脉冲能够积分到IC—D的输入门限电压，而对窄脉冲则不能。
显然磁铁逆时针转动时IC—D输出高电平，顺时针旋转时IC—D输出低电平。
采样轮的正反转得到判断，并输出可逆计量控制电平。
这种传感器的优点是电路简单，特别适于高速旋转采样系统，不足的是低速旋转会影响判断。
实际应用时为修正低速缺点，采样轮直径尽量大，s、N极要尽量靠近。
五开关型霍尔传感器的工程实现
1元件的选择与确定
开关型霍尔传感器的设计方案很多,这里提供一种工程上实用的实施方案.
硅霍尔片灵敏度K=21.7mV/（mA·T）,工作电流的范围为0～10mA,本文将工作电流
定为4mA.
选用的磁钢是直径为D=11.812mm,厚度为h=3.806mm的钕铁硼.
选用的施密特触发器为CD40106（六反相器）.当电源电压为VCC=15V时,触发器正触
发的阈值电压为8.3V,负触发的阈值电压为5.2V（实测）.
初步选定霍尔开关的“工作点”为Bop=70mT,此时磁钢与霍尔片的距离为r=4.2mm.根据霍尔效应原理,当Bop=70mT时,霍尔电势差为VH=6.1mV.若要使D触发器输出转换为高电平,它的输入要大于8.3V,要将VH放大1360倍以上.由此增益推出,若要使D触发器输出转换为低电平,它的输入要小于5.2V,对应的VH小于3.8mV,“释放点”为Brp=44mT,此时磁钢与霍尔片的距离为r=5.4mm.
硅霍尔片提供的差模直流信号VH放大后要用单端方式输出,虽然它的差模信号只有几mV,但是共模噪声可高达几V,且差模信号的放大倍数要求上千倍之高,因此放大器减小输入漂移、噪声的能力和抑制共模信号的能力等因素对总的精度至关重要.考虑到上述这些特点,若采用单级放大,一个微小的扰动都会使输出达到饱和,而且单级放大倍数过大容易引起
线路自激振荡,同时降低频带宽度.通过对多种方案的试验、比较,我们认为应该采用多级放大,本实验中采用的2级放大的高输入阻抗差分放大器效果最好.
所设计的开关型霍尔传感器的电路如图3所示,其中:
A1～A4运算放大器全部采用±15V电源.
2差分放大器的设计
（1）输入电阻
仅使用2个放大器的高输入阻抗放大电路如图3中的虚线框
（1）部分,它是2个同相放大
器的简单串联组合,差动输入信号从2个放大器的同相端送入,从而获得很高的输入电阻.根据运算放大器的理论知识,由图3不难看出,差动输入电阻几乎就是2个运算放大器的共模输入电阻之和.当A1,A2的共模输入电阻rC相等时,本电路的差动输入电阻可表示为
rid≈2rC
（1）共模输入电阻为riC≈1/2rC
（2）
3差分放大电路的增益
电路中运放采用的是双电源制,这样,对钕铁硼的极性不做要求时,对应的差动放大器的
输出就可以为正或负.因此,第2级放大采用的是绝对值电路,如图3的虚线框（3）部分,设计要求R12=R13=R14=2R16=R.当Vo1>0时,D2导通,有
这样,无论钕铁硼的N极还是S极与霍尔片相对,第2级运放均输出正电压,以便控制D
触发器和OC门的正常工作.其增益为
通过选配电阻,再经过外部调零,使得第1级的放大倍数为A1=342,第2级的放大倍数
为A2=4,总的放大倍数为A=A1A2=1368.在不同外部条件下进行测量,其稳定性高,与理论值符合性好,输出的高、低电位转换点可靠、稳定.
该设计线路的优越性在于:
1）由2个运放组成的差动放大电路的精度
高,且与由3个运放组成的差动放大电路相比,性价比较好;
2）可靠的外部调零线路保证了输出的准确性;
3）绝对值放大电路使得测量时不需要进行磁极判断.
五结合实际案例分析传感器的应用技术及应用领域——出租车计价器
1开关型霍尔集成传感器几种使用型式
（1）碰头式
如图3,磁铁处在开关型霍尔传感器的中心轴线上,且移动方向与中心轴线相一致。
当磁铁接近开关霍尔传感器,使B>BOP,开关霍尔传感器导通,输出低电平。
当磁铁反向离开时,B输出高电平。
磁铁在这种情况下往复移动就产生高低电平的信号。
（2）滑近式
有’平行滑近’和’旋转滑近’。
平行滑近:
磁铁端平面与霍尔传感器工作面的延长面相平行。
其间距使磁铁平行滑近正对开关型霍尔传感器时,所产生的磁感应强度B>BOP,开关型霍尔传感器输出为低电平,磁铁平
行滑离。
使B如图4,是出租车计价器的一种传感器。
由开关型霍尔传感器、转轴（上嵌有磁铁）、上下轴承、铝材制成的壳体等组成。
转轴与汽车变速箱连动,汽车行驶时转轴也旋转,当嵌有的磁铁,从侧面滑近正对开
关型霍尔传感器时,输出低电平;当磁铁滑离时,开关型霍尔传感器输出高电平。
转轴不断旋转,所产生的高、低电平供计价器计数。
（3）磁屏蔽式
开关型霍尔传感器正对着磁铁,它们之间有一定距离的空气隙,这时开关型霍尔传感器受到磁场作用,输出低电平。
若在空气隙中加一片软铁薄片,如图5-1所示。
将作用于开关型霍尔传感器上的磁场屏蔽,输出高电平。
L22型出租车计价器检定装置的传感器就是采用这种型式:
如图5-2,磁铁与开关型霍尔传感器装在铜材制成的壳体中。
开关型霍尔传感器正对磁铁,它们之间有一定的空气隙。
由软铁薄片制成的转盘,形状如图5-3所示,转盘上有对称且相互间隔的”叶片”和”缺口”。
转盘安装在检定装置主滚轮的轴端,随主滚轮转动。
当叶片转入气隙中,磁力线被屏蔽,霍尔传感器输出高电平。
当叶片转离气隙而缺口转入时,霍尔传感器输出低电平。
转盘随主滚轮不断转动,霍尔传感器输出的高、低电平的脉动信号供检定装置计数器计数。
（4）集磁式
由触发齿圈、霍尔传感器、永久磁铁等组成。
永久磁铁的磁力线,穿过开关霍尔传感器通向触发齿,这时触发齿圈相当于一个集磁器。
当触发齿圈旋转为图6-1状态时,磁力线分散,穿过开关型霍尔传感器的磁场相对较弱。
当齿圈旋转为图6-2状态时,磁力线密集,穿过开关霍尔传感器的磁场相对就强,开关霍尔传感器随着触发齿圈的旋转输出高低电平。
“锁定型”开关型霍尔传感器的用法,现举一例说明:
现有一些汽车的车速里程表的传感器就是采用“锁定型”开关型霍尔传感器制成。
如图7-1在一个直径为20毫米的圆盘上,沿半径方向嵌有六对磁极,S极N极相互交错,并间隔30b角。
霍尔传感器平行地贴近圆盘与圆盘间有一小缝隙。
如图7-2,当圆盘旋转时,S极N极交错地作用于霍尔传感器,使之输出高低电平信号给车速里程表。
有安装出租车计价器的,也同时作为计价器信号使用。
2介绍一种检测电路
由有关资料查得:
开关型霍尔传感器的“输出导通电流”IOUT<25mA,可带动发光二极管工作。
如果需经常对由开关型霍尔传感器和磁铁构成的/成品传感器0的输出是否有“开”、“关”性能进行检测,这里介绍一种电路,如图8所示。
成品传感器接进该电路时,如果发光二极管不亮,则表示成品传感器输出高电平（关）;如果发光二极管点亮,则表示成品传感器输出低电平（开）。
例如将图5所示出租车计价器传感器接进该电路。
慢速旋转转轴,若转轴上嵌有二个磁铁,转轴每旋转一周,发光二极管点亮二次,说明输出高低电平二次。
这个出租车计价器传感器是合格的。
这种电路既简单又实用,适用于各种类型成品传感器输出开关性能的定性检测。
六总结
霍尔效应传感器技术成熟、应用广泛，但其衍生产品大多具有专用特点，价格相对昂贵。
基于价格低廉开关型霍尔传感器设计的几种特殊用法传感器，电路简单，可与芯片一起封装。
设计合适的采样轮，可实现上述几种传感器的相应功能，对于简化设计、提高稳定性、可靠性和降低控制系统成本，具有现实意义。
七参考资料
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