霍尔传感器及测量电路.docx
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霍尔传感器及测量电路
信息科学与工程学院
传感器课程设计实习
设计报告
设计题目：
霍尔传感器及测量电路
专业：
电子信息工程
班级：
学生：
学号：
指导教师：
2019年12月26日
1.概述
1.1设计目标
（1）传感器：
SS495或类似性能传感器,磁场检测范围：
-600Gs-600Gs。
（2）设计传感器测量电路，在要求的测量范围内，电路输出的满量程电压值为3000mV。
（3）进行仿真实验，给出仿真结果。
（4）完成信号处理电路PCB板设计。
1.2霍尔传感器的简要叙述
霍尔传感器是基于霍尔效应制作的一种传感器。
1879年美国科学家霍尔首先再金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
随着半导体技术的发展，人们开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而没有得到应用和发展。
霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转=速等）转换成电动势输出的一种传感器。
虽然它的转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但因霍尔式传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化等特点，还是在测量技术、自动技术和信息处理的方面得到了广泛的应用。
目前，最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料[1]。
值得一提的是，20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件—超晶格结构的霍尔元件，它可以用来测量微磁场。
可以说，超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的飞跃。
20世纪末，集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展，各种性能的集成霍尔传感器不断涌现,它们已在汽车、纺织、化工、通讯、电机、电信、计算机等各个领域得到广泛的应用，特别是由集成开关型霍尔传感器制成的无刷直流电机（霍尔电机）已经进入千家万户.广泛应用于录音机、摄录像设备、VCD、DVD、及新型助力自行车等产品中。
霍尔传感器有霍尔元件和霍尔集成电路两种类型。
目前，霍尔传感器已从分立型结构发展到集成电路阶段[1]。
霍尔集成电路是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上的集成电路型结构。
与前者相比，霍尔集成电路更具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低以及负载能力强等优点，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
1.3相关技术的国内状况
随着智能时代的来临，传感器技术得到快速发展。
作为物联网技术的核心基础支撑部分，利用好传感器在物联网技术中的使用显得尤为重要，霍尔传感器的霍尔效应原理和霍尔传感器在湿式DCT[2]的工作原理,分析霍尔转速传感器和霍尔位置传感器在湿式DCT上的布置方式和测试方式,以及霍尔转速传感器转向测试方法。
霍尔传感器有着广泛的应用领域，比如用霍尔传感器制作自行车里程表，电冰箱开门延时报警器[3]等。
随着我国城镇化进展与城市交通的日益拥挤,地铁交通已然成为现代城市的重要交通工具。
近年来我国加快发展地铁交通建设步伐，当前综合自动化系统在地铁交通中得以广泛的运用,电力监控系统检测和测量的电量参数主要为各个主要回路的电流与电压[4]。
传统电流测量是通过检测电阻将电流转成电压,该方式存在两个问题:
在大电流检测时检测电阻消耗能量,降低效率;检测电流与输出电压不隔。
霍尔型传感器由于具有较小的体积、低噪声、低功耗、良好的隔离效果等优点,已在电流和电压测量方面受到广泛的应用[5]。
2.基本原理与设计思路
2.1霍尔传感器及测量电路基本原理
2.1.1霍尔效应
在半导体薄片上垂直施加磁场B，在薄片一端通入控制电流I，则在磁场洛伦兹力FL作用下，在薄片另外两侧产生电动势，这种现象叫做霍尔效应。
霍尔传感器输出电压：
`
2.1.2线性霍尔SS495A1基本信息
●电源电压：
4.5Vdc至10.5Vdc。
●输出类型：
模拟量。
●工作温度：
-40°C至150°C。
●线性度（量程百分比）：
-1.0%典型值。
●灵敏度：
3.125mV±0.094mV/G。
●输出电流：
>1mA，典型值1.5mA。
●零位输出：
2.50Vdc±0.075Vdc。
●响应时间：
3μs。
●磁感应范围：
-60mT至60mT[-600G至600G]。
2.1.3SS495输出特性
图2.1SS495的输出特性
2.1.4传感器SS495的引脚图及功能说明
图2.2SS495封装
Name
NO
Status
Description
Vdd
1
P
PowerSupply
Gnd
2
P
ICGround
Output
3
O
Output
表2.3SS495引脚功能说明
2.1.5测量电路基本原理
为满足题目要求，输出满量程3000mV，故采用以下的基本测量电路：
图2.4霍尔传感器基本测量原理图
2.2霍尔传感器及测量电路基本设计思路
设计思路就是先用传感器检测磁场的电压范围，然后通过集成运放电路来实现所要测输出的满量程值3V。
图2.5设计思路图
3.电路设计
3.1总体电路原理框图
图3.1总体电路框
零点调整时，要通过加法器输入2.5V电压，取滑动变阻器规格为20K。
为了保护电路，取：
容易得出:
在反向比例运算电路中，
在加法器中，
在反相器中，取：
另外一个反向器同理可得
由经验所得，滤波电容为
3.2零点调整电路的设计
图3.2零点调整电路的设计
3.3反向比例运放降压功能电路设计
图3.3反向比例运放降压功能电路设计
3.4反相器电路设计
图3.4反相器电路设计
4.仿真
4.1仿真方法
本电路采用Multisim来进行仿真，先可调电压源代替霍尔传感器，然后应用加法器电路进行零点调整，然后测量运放后的输出电压。
图4.1电路仿真图
4.2仿真结果
B（Gs）
-600
-400
-200
0
200
400
600
Uin（V）
3.13
3.75
4.38
5.00
5.63
6.25
6.88
Uout（V）
1.36
1.63
1.90
2.17
2.45
2.72
2.99
图4.1输入与输出的数据记录
B
图4.2折线图
5.总结
学了一学期的传感器，这周进行传感器的实习，开始更加深入地学习传感器的相关知识，在仿真上进行电路设计，收获还是颇多的。
Multisim上进行电路仿真，最重要的是一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚，弄明白，这样，也会有事半功倍的效果。
传感器实习就是使我们加深理解所学基础知识，掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围，还要对模电基础知识的运用，加深对理论知识的理解。
在所设计的电路中，我觉得不足的是没有进一步滤波，存在阻抗干扰，仿真中所测数据出现了非线性误差。
改进的地方就是需要对电路进行进一步的优化和处理，还要增加滤波电路，然后对所得数据采用合理的测量方法。
6.参考文献
[1]白亚梅.传感器技术及应用.哈尔滨工程大学出版社.2016.1.
[2]朱倩,李晓波,刘学武,邓云飞.霍尔传感器在湿式DCT上的应用与研究[J].汽车电器，2019（04）:
38-42.
[3]王素智.霍尔传感器在家庭电子中的应用[J].家庭电子,2000（08）:
53.
[4]王威,魏晓娟.霍尔传感器在地铁电力监控系统中的应用[J].通信电源技术,2018,35（11）:
197-198+200.
[5]宋光明，葛运建．智能传感器网络研究与发展[J]．传感技术学报，2003,16
（2）:
107-112.
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