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霍尔传感器的工作原理及实际应用论文

《工程测试技术基础》

论文题目：

霍尔传感器的工作原理及实际应用

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

霍尔传感器的工作原理及实际运用

谭振超

摘要：

霍尔器件是一种磁传感器。

用它们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。

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（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

关键词：

霍尔器件；霍尔效应；检测；补偿；

1　霍尔传感器的工作原理

按照霍尔器件的功能可将它们分为:

霍尔线性器件和霍尔开关器件。

前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:

直接应用和间接应用。

前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

霍尔线性电路,它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。

其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图2和图3。

图2霍尔线性电路的功能框图

图3霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线

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，其功能框图见图6。

图6差动霍尔电路的工作原理图

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。

用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。

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。

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”.

图1　开关型霍尔传感器构成

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.

图2　开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系

2霍尔传感器测量的物理量及应用范围

霍尔元件可以测量磁物理量及电量，还可以通过转换测量其他非电量。

霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，如测量技术、无线电技术、计算机技术及自动控制技术等。

具体的应用产品有高斯计在、霍尔逻盘、大电流计、功率计、调制器、位移传感器、微波功率计、频率倍增器、回转器、乘法器、磁带或磁鼓读出器以及霍尔马达等。

3开关型霍尔传感器的工程实现

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.

3.1　元件的选择与确定

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.3.2　差分放大器的设计3.2.1　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≈12rC

（2）

3.2差分放大电路的增益

图3　开关型霍尔传感器电路图

设VP=0,图3中的A2是同相比例运算放大器,它的输出电压为

（3）

A1是双端输入比例运算放大器,它的输出电压为

因为在实际应用中,输入端除了差动输入电压VH外,还有共模输入电压ViC,因此输入端的信号可以表示为

把（5）式代入（4）式整理后得

为了使共模增益为零,显然,电路的外部回路电阻应按下式匹配

（7）

可选择R5=R6,R4=R7,R2=R3.这样理想的差分放大电路增益为

在实验过程中发现,各类差动放大电路都有零位输出,且很难通过运放本身调零,这就影响了实验的准确性.因此为第1级放大电路设计了外部调零线路,如图3的虚线框

（2）部分.在进行外部调零时,Vi1,Vi2均为零.当电位计P1的中点滑到A点时,有

滑到B点时,有

设计要求R8=R10,R9=R11,则VB=-VA.这样电位计P1上的电压VP可在VB与VA之间调节.当输入Vi1,Vi2为零时,通过调节P1,使得Vo1=0.甚至如果只要求输入为零时,使Vo4=0也可以达到.

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A2=R/17R.

4结果与分析

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=A1*A2=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.通过本实验的设计与完成,使学生进一步了解了物理原理在其他领域的应用,同时也看到将理论应用到工程实践中去,还需要具备很多其他学科的知识,还需要在工程实践中不断总结经验.

5某一霍尔传感器技术指标及参考价格、生产厂家

M18-HR-10K霍尔传感器

价格92元

上海新创电气厂

技术参数：

1.工作电压：

5---24VDC

2.消耗电流：

≤25mA

3.动作距离：

≤3mm

4.输出方式：

PNP

5..输出信号：

脉冲信号

6.负载电流：

≤200mA

7.响应频率：

≤10KHz

8.信号线：

三线制

9.引线长度：

1米

10.环境温度：

-15℃-75℃

11.外形：

圆柱形

12.安装方式：

螺丝安装

13.外形规格：

M18*70

14.外壳材料：

镍铜合金

15.防护等级：

IP67

16.接线图：

17.信号图示:

6霍尔传感器的优缺点及改进措施

优点：

1、灵敏度较高，2、体积很小，便于制成特殊规格的探头，例如只有零点几毫米厚的磁场强度仪

缺点及改进措施：

1、互换性差，信号随温度变化，非线性输出，最好用单片机进行非线性和温度校正。

2、使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。

其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通一同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值。

3、霍尔传感器都具有较强的抗外磁场干扰能力，但是，为了获得较高的测量准确度，当有较强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。

通常方法有：

调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小；在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩

参考文献:

[1]　何希才.传感器及其应用电路[M].北京:

电子工业出版社,2001.100～108.[2]　焦丽凤.集成开关型霍尔传感器在测量物体转动惯量中的应用[J].实验室探索与研究,2000（5）:

57.[3]　焦丽凤.用集成开关型霍尔传感器测定弹簧的劲度系数[J].物理实验,2000,20（11）:

45～46.[4]　荣格WG.集成运算放大器应用手册[M].张熠中,姚朝亮译.北京:

世界图书出版公司,1990.

原文已完。

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施工组织设计

本施工组织设计是本着“一流的质量、一流的工期、科学管理”来进行编制的。

编制时，我公司技术发展部、质检科以及项目部经过精心研究、合理组织、充分利用先进工艺，特制定本施工组织设计。

一、工程概况：

西夏建材城生活区27#、30#住宅楼位于银川市新市区，橡胶厂对面。

本工程由宁夏燕宝房地产开发