霍爾效應(yīng)傳感器的主要作用是識(shí)別電機(jī)繞組相位位置信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),驅(qū)動(dòng)器通過讀取霍爾元件的輸出端電平信號(hào),得到轉(zhuǎn)子的位置信息,邏輯開關(guān)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息完成正確的換向,給電機(jī)對(duì)應(yīng)繞組通以電流,形成氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。霍爾效應(yīng)傳感器廣泛用于識(shí)別電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電子換相。
概述
霍爾效應(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)。
原理
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,當(dāng)偏置電流Ic固定時(shí),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。
在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上,將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。
元件
根據(jù)霍爾效應(yīng),人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此,在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
分類
霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。
?。ㄒ唬╅_關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成,它輸出數(shù)字量。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式,稱為鎖鍵型霍爾傳感器。
?。ǘ┚€性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,它輸出模擬量。
線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測(cè)量。.
開關(guān)型
如圖4所示,其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度,BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí),傳感器輸出低電平,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop以下時(shí),傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí),傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。
鎖鍵型
如圖5所示,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí),傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌?chǎng)撤消后,其輸出狀態(tài)保持不變(即鎖存狀態(tài)),必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí),才能使電平產(chǎn)生變化。
線性型
輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系,如圖3所示,可見,在B1~B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度,磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
開環(huán)式電流傳感器
由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng),從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被測(cè)電源的功率,特別適合于大電流傳感。 霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。
閉環(huán)式電流傳感器
磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器,也稱補(bǔ)償式傳感器,即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈,電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償, 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。
磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為:當(dāng)主回路有一電流通過時(shí),在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上, 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通,從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ,該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反,因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng), 使霍爾器件的輸
出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí),Is不再增加,這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ,此時(shí)可以通過Is來平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡,霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后,立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡,所需的時(shí)間理論上不到1μs,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。
霍爾電流傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、 霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓,如:直流、交流、脈沖波形等,甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的,它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波;
2、 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離;
3、精度高:在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%,該精度適合于任何波形的測(cè)量;
4、線性度好:優(yōu)于0.1%;
5、寬帶寬:高帶寬的電流傳感器上升時(shí)間可小于1μs;
6、測(cè)量范圍:霍爾傳感器為系列產(chǎn)品,電流測(cè)量可達(dá)50KA,電壓測(cè)量可達(dá)6400V。
7、過載能力強(qiáng):當(dāng)原邊電流超負(fù)荷,模塊達(dá)到飽和,可自動(dòng)保護(hù),即使過載電流是額定值的20倍時(shí),模塊也不會(huì)損壞。
霍爾電流傳感器使用時(shí),需遵循以下注意事項(xiàng):
1、為了得到較好的動(dòng)態(tài)特性和靈敏度,必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合,要耦合得好,最好用單根導(dǎo)線且導(dǎo)線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。
2、使用中當(dāng)大的直流電流流過傳感器原邊線圈,且次級(jí)電路沒有接通電源|穩(wěn)壓器或副邊開路,則其磁路被磁化,而產(chǎn)生剩磁,影響測(cè)量精度(故使用時(shí)要先接通電源和測(cè)量端M),發(fā)生這種情況時(shí),要先進(jìn)行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源,而在原邊線圈中通一同樣等級(jí)大小的交流電流并逐漸減小其值。
3、霍爾傳感器都具有較強(qiáng)的抗外磁場(chǎng)干擾能力,但是,為了獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度,當(dāng)有較強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾時(shí),要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q。通常方法有:
調(diào)整模塊方向,使外磁場(chǎng)對(duì)模塊的影響最小;
在模塊上加罩一個(gè)抗磁場(chǎng)的金屬屏蔽罩。
4、測(cè)量的最佳精度是在額定值下得到的,當(dāng)被測(cè)電流遠(yuǎn)低于額定值時(shí),要獲得最佳精度,原邊可使用多匝,但是,需要注意導(dǎo)線的空間位置(參照第一條)。
應(yīng)用
霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn),它們的結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長(zhǎng),安裝方便,功耗小,頻率高(可達(dá)1MHZ),耐震動(dòng),不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
霍爾線性器件的精度高、線性度好;霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級(jí))。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬,可達(dá)-55℃~150℃。
按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng),用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等,轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。
位移測(cè)量
兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn),當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時(shí),傳感器有一個(gè)電壓輸出,電壓大小與位移大小成正比。
力測(cè)量
如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移,便可測(cè)出拉力及壓力的大小,按這一原理可制成的力傳感器。
角速度測(cè)量
在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼,霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處,圓盤旋轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖,從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)(計(jì)數(shù)器),若接入頻率計(jì),便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。
線速度測(cè)量
如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上,當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí),可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。
注意事項(xiàng)
(1)電流傳感器必須根據(jù)被測(cè)電流的額定有效值適當(dāng)選用不同的規(guī)格的產(chǎn)品。被測(cè)電流長(zhǎng)時(shí)間超額,會(huì)損壞末極功放管(指磁補(bǔ)償式),一般情況下,2倍的過載電流持續(xù)時(shí)間不得超過1分鐘。
?。?)電壓傳感器必須按產(chǎn)品說明在原邊串入一個(gè)限流電阻R1,以使原邊得到額定電流,在一般情況下,2倍的過壓持續(xù)時(shí)間不得超過1分鐘。
?。?)電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的,所以當(dāng)被測(cè)電流高于電流傳感器的額定值時(shí),應(yīng)選用相應(yīng)大的傳感器;當(dāng)被測(cè)電壓高于電壓傳感器的額定值時(shí),應(yīng)重新調(diào)整限流電阻。當(dāng)被測(cè)電流低于額定值1/2以下時(shí),為了得到最佳精度,可以使用多繞圈數(shù)的辦法。
?。?)絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在1KV及以下交流系統(tǒng)和1.5KV及以下直流系統(tǒng)中,6KV的傳感器可以長(zhǎng)期正常工作在2KV及以下交流系統(tǒng)和2.5KV及以下直流系統(tǒng)中,注意不要超壓使用。
?。?)在要求得到良好動(dòng)態(tài)特性的裝置上使用時(shí),最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合,以大代小或多繞圈數(shù),均會(huì)影響動(dòng)態(tài)特性。
?。?)在大電流直流系統(tǒng)中使用時(shí),因某種原因造成工作電源開路或故障,則鐵心產(chǎn)生較大剩磁,是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源,在原邊通一交流并逐漸減小其值。
?。?)傳感器抗外磁場(chǎng)能力為:距離傳感器5~10cm一個(gè)超過傳感器原邊電流值2倍的電流,所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾可以抵抗。三相大電流布線時(shí),相間距離應(yīng)大于5~10cm。
?。?)為了使傳感器工作在最佳測(cè)量狀態(tài),應(yīng)使用圖1-10介紹的簡(jiǎn)易典型穩(wěn)壓電源。
(9)傳感器的磁飽和點(diǎn)和電路飽和點(diǎn),使其有很強(qiáng)的過載能力,但過載能力是有時(shí)間限制的,試驗(yàn)過載能力時(shí),2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。
?。?0)原邊電流母線溫度不得超過85℃,這是ABS工程塑料的特性決定的,用戶有特殊要求,可選高溫塑料做外殼。
案例
霍爾傳感器技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)
霍爾傳感器技術(shù)在汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,包括動(dòng)力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。為了滿足不同系統(tǒng)的需要,霍爾傳感器有開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。[1]
霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成,效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料,材料會(huì)直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時(shí),汽車工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料,即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。
霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同,其輸出要適應(yīng)所控制的裝置。這個(gè)輸出可能是模擬式,如加速位置傳感器或節(jié)氣門位置傳感器,也可能是數(shù)字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。
當(dāng)霍爾元件用于模擬式傳感器時(shí),這個(gè)傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動(dòng)力控制系統(tǒng)中的節(jié)氣門位置傳感器?;魻栐c微分放大器連接,放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上,軸在旋轉(zhuǎn)時(shí),霍爾元件上的磁場(chǎng)加強(qiáng)。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例。
當(dāng)霍爾元件用于數(shù)字信號(hào)時(shí),例如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器或車速傳感器,必須首先改變電路?;魻栐c微分放大器連接,微分放大器與施密特觸發(fā)器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個(gè)開或關(guān)的信號(hào)。在多數(shù)汽車電路中,霍爾傳感器是電流吸收器或者使信號(hào)電路接地。要完成這項(xiàng)工作,需要一個(gè)NPN晶體管與施密特觸發(fā)器的輸出連接。磁場(chǎng)穿過霍爾元件,一個(gè)觸發(fā)器輪上的葉片在磁場(chǎng)和霍爾元件之間通過。
霍爾探頭
霍爾探頭使用銦的化合物晶體,如娣化銦。晶體大小為5平方毫米左右,置于鋁基上,通過封裝成為探頭。晶體平面垂直于探頭底側(cè),底側(cè)由非鐵磁材料制成,以避免自身影響磁場(chǎng)。引線自晶體出發(fā),穿過底側(cè),進(jìn)入到電路模塊。
把探頭置于磁場(chǎng)中,當(dāng)電流流經(jīng)晶體時(shí),載流子受洛倫茲力作用出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子在晶體上的分布不均勻,晶體兩端的鋁基上因此可以探測(cè)到霍爾電壓。
霍爾探頭可以測(cè)量微弱的地球磁場(chǎng)?;魻?span id="msxxygj" class="hrefStyle">探測(cè)器首先需要根據(jù)已知磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)校。然后,探頭需要以適當(dāng)方向放置以使地磁場(chǎng)磁流線直接穿過它。然后再以反方向放置,所讀出的流密度是地球磁流密度的兩倍。
怎么測(cè)量好壞
測(cè)量霍爾傳感器的好壞,可以通過多種方法進(jìn)行,這些方法涵蓋了傳感器的物理完整性、電氣性能、磁場(chǎng)響應(yīng)精度和環(huán)境耐受性等方面。以下是一些具體的測(cè)量方法:
一、外觀檢查
首先,進(jìn)行外觀檢查,查看霍爾傳感器外殼是否有破損或劃痕,引腳是否完好無損,沒有彎曲或斷裂。這是判斷傳感器物理完整性的基本步驟。
二、電氣性能測(cè)試
1、電壓測(cè)試:
使用萬用表測(cè)量霍爾傳感器的電源電壓,確保符合其規(guī)格要求。
測(cè)量霍爾傳感器的輸出電壓,觀察其是否能隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。具體操作可以是:將霍爾傳感器從電機(jī)上拆下來(如適用),將其電壓輸出端與萬用表相連接,準(zhǔn)備一個(gè)小磁鐵,靠近霍爾傳感器,觀察萬用表上的電壓變化。如果電壓出現(xiàn)下降的趨勢(shì)(通過調(diào)整磁鐵的磁極來測(cè)驗(yàn)),那么說明霍爾傳感器是好的;如果數(shù)字不變,則表明霍爾傳感器可能損壞。
2、電流測(cè)試:
使用電流表測(cè)量霍爾傳感器的電源電流,確保在正常范圍內(nèi)。
測(cè)量霍爾傳感器的輸出電流,觀察其是否隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。這通常需要在測(cè)試過程中逐漸改變磁場(chǎng)強(qiáng)度,并觀察輸出電流的變化情況。
三、磁場(chǎng)響應(yīng)測(cè)試
1、靈敏度測(cè)試:
使用磁鐵接近霍爾傳感器,觀察其輸出電壓或電流的變化。靈敏度越高的霍爾傳感器,對(duì)磁場(chǎng)變化的響應(yīng)越明顯。
也可以利用磁場(chǎng)測(cè)試儀器來測(cè)試霍爾傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間,將磁場(chǎng)測(cè)試儀器放置在霍爾傳感器附近,并逐漸增加磁場(chǎng)的強(qiáng)度,觀察傳感器的響應(yīng)情況。
2、遲滯測(cè)試:
將霍爾傳感器置于磁場(chǎng)中,然后緩慢地移動(dòng)磁鐵,觀察輸出電壓或電流變化是否存在遲滯現(xiàn)象。遲滯現(xiàn)象越小,霍爾傳感器的精度越高。
四、環(huán)境耐受性測(cè)試
1、溫度測(cè)試:
霍爾傳感器的性能受溫度的影響較大,因此測(cè)試其溫度特性非常重要。將霍爾傳感器置于不同的溫度下,并測(cè)試其輸出電壓或電流的變化。好的霍爾傳感器在其工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的輸出。
2、可靠性測(cè)試:
對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行振動(dòng)、沖擊和老化等可靠性測(cè)試,合格的霍爾傳感器應(yīng)能承受這些環(huán)境因素的影響。
五、其他測(cè)試方法
使用無刷電動(dòng)車綜合檢測(cè)儀:對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)景(如電動(dòng)車),可以使用無刷電動(dòng)車綜合檢測(cè)儀來測(cè)量霍爾傳感器的好壞。將檢測(cè)儀與霍爾傳感器連接,通過特定操作觀察檢測(cè)儀的指示燈狀態(tài),以判斷傳感器是否正常工作。
數(shù)字萬用表二極管檔測(cè)試:使用數(shù)字萬用表二極管檔來檢測(cè)霍爾傳感器的紅線與地線的正向電阻和反向電阻,通過具體數(shù)值來判斷傳感器的好壞。
綜上所述,測(cè)量霍爾傳感器的好壞需要綜合考慮多個(gè)方面,包括外觀檢查、電氣性能測(cè)試、磁場(chǎng)響應(yīng)測(cè)試和環(huán)境耐受性測(cè)試等。通過這些測(cè)試方法,可以有效評(píng)估霍爾傳感器的優(yōu)劣,確保其符合規(guī)格要求并能在實(shí)際應(yīng)用中正常工作。
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