安科瑞 鮑靜君

　　摘要：簡述新型霍爾傳感器的特性及在自動控制、信息處理和物理量測量中的應(yīng)用。根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾傳感器不僅可以用于磁場的測量,大量的還是以磁場為工作媒體,將物體的多種運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?因而在自動控制、各種物理量的測量中得到了大量的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng);集成霍爾傳感器;測量;自動控制

　　1引言

　　根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾傳感器不僅可以用于磁場的測量,大量的還是以磁場為工作媒體,將物體的多種運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?因而在自動控制、各種物理量的測量中得到了大量的應(yīng)用。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,集成霍爾傳感器被大量研制和生產(chǎn),其應(yīng)用也愈來愈廣泛。如:位移傳感、速度傳感、角度傳感、電流感應(yīng)、直流電機、汽車點火和自動控制等?，F(xiàn)在世界上生產(chǎn)集成霍爾傳感器的主要公司有Honeywell、Siemens、Melexis等,這些廠生產(chǎn)的霍爾傳感器新產(chǎn)品據(jù)稱有100多種,僅向汽車工業(yè)就提供上億個傳感控制器件。如在一輛豪華轎車中,可使用100來個傳感器進行測量和控制,采用集成霍爾傳感器的控制點達(dá)30多處。在工業(yè)中大量自動檢測采用了霍爾傳感技術(shù)?？梢娂苫魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用已相當(dāng)廣泛。然而,在現(xiàn)行大學(xué)物理教材中,關(guān)于霍爾傳感器技術(shù)應(yīng)用的介紹篇幅相當(dāng)有限,為此,筆者根據(jù)自己教學(xué)與科研中有關(guān)該傳感器應(yīng)用的一些經(jīng)驗,整理出一部分有關(guān)霍爾傳感器應(yīng)用和新發(fā)展的材料,以供讀者科研與教學(xué)參考。

　　2原理

　　集成霍爾傳感器主要由霍爾片和放大器組成,根據(jù)不同應(yīng)用的需要,有的還加溫度補償電路、穩(wěn)壓電源或施密特觸發(fā)器及開關(guān)電路等,加了不同附加器件后其應(yīng)用和特性各不相同。集成霍爾傳感器的特點是:體積小、頻響寬、動態(tài)特性好、對外圍電路要求簡單、使用壽命長及價格低廉。

　　集成霍爾傳感器一般可分為3種:集成線性霍爾傳感器(也稱位置傳感器)、集成霍爾開關(guān)和集成霍爾鎖存器。它們都具有傳感和控制功能。

　　2.1集成霍爾線性傳感器

　　器件輸出電壓與器件所在位置的磁場強度成線性關(guān)系。如SS95-A系列和MLX90215系列,運用此類器件時,只要選取適當(dāng)?shù)男〈配?就可將與小磁鋼一起運動的物體的位置、位移、速度、角度等信息以電信號的形式傳感出來,達(dá)到了自動測量與控制的目的。

　　2.2集成霍爾開關(guān)

　　當(dāng)霍爾器件所在位置的磁場尚未達(dá)到工作點之前,器件以高電平輸出,當(dāng)磁場增強到工作點(Bop)時,霍爾片輸出的電壓UH經(jīng)差分放大器放大后,送至施密特觸發(fā)器,使之翻轉(zhuǎn)導(dǎo)通,從而使門電路輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?稱此為“開”狀態(tài)。反之,當(dāng)磁場減小到釋放點(Brp)時,門電路輸出端截止,則由低電平變?yōu)楦唠娖?稱為“關(guān)”狀態(tài)。常見的霍爾開關(guān)有UGN3109、A44E和US5881。由于該傳感器只對一定強度的磁場起作用,抗干擾能力強,因而應(yīng)用廣泛。

　　2.3集成霍爾鎖成器

　　它是霍爾開關(guān)的一種特殊情況。當(dāng)磁場超過工作點時,其輸出導(dǎo)通為低電平,而當(dāng)磁場變小乃至*撤消后,其輸出狀態(tài)保持不變,施加一個反向磁場,才能達(dá)到釋放點,輸出截止轉(zhuǎn)為高電平,可見具有鎖存記憶功能。常見的集成霍爾鎖存器有UGN3075和US1881。

　　2.4集成霍爾傳感器的啟動方式

　　集成霍爾傳感器的啟動方式一般可分為3種:

　　1)磁正對霍爾傳感器接近啟動。當(dāng)磁正對傳感器接近時,典型的啟動場強為20～40mT,或者有8～12mm的間距。

　　2)磁側(cè)向經(jīng)過霍爾傳感器啟動。當(dāng)磁側(cè)向以0.9mm的間距經(jīng)過傳感器時,相當(dāng)于對傳感器進行一次“開”與“關(guān)”

　　3)磁路間斷啟動。當(dāng)磁正對霍爾傳感器且間距固定時,若中間無鐵磁性物質(zhì)阻擋,磁路通順,則傳感器為開;若中間有鐵磁性物質(zhì)阻礙,磁路斷,則傳感器處于關(guān)狀態(tài),如圖1。

圖1磁路變化啟動霍爾傳感器

　　3霍爾傳感器在自動控制及信息處理中的應(yīng)用

　　3.1集成線性霍爾傳感器的應(yīng)用

　　3.1.1電流測量

　　在工業(yè)上,對幾十甚至上百安培的大電流的測量,常用的方法是:在被測導(dǎo)線外套上一個帶有缺口的標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵心,將集成線性霍爾傳感器插入缺口中,因鐵心中的磁感應(yīng)強度與導(dǎo)線中的電流成正比,傳感器輸出電壓即反映導(dǎo)線中電流的大小,同時還可制成電流過載檢測或過載保護裝置。在使用電焊機及大電流配電的企業(yè)中,大量使用了該電流傳感器。

　　3.1.2磁感應(yīng)強度測量

　　目前國產(chǎn)的數(shù)字式毫特儀量程為0～2T,精度為0.1mT,準(zhǔn)確度優(yōu)于0.005,在科研、工業(yè)中已經(jīng)大量應(yīng)用于磁感應(yīng)強度的測量。

　　3.1.3位移測量和力的測量

　　霍爾位置傳感器工作原理如圖2(a)。將兩塊磁鐵相對而置,再將與位移物體相連的霍爾傳感器置于其中磁感應(yīng)強度為零處,當(dāng)傳感器與兩塊磁鐵的相對位置發(fā)生變化時,傳感器輸出電壓就反映了位移的數(shù)值。此法適用于0～2mm范圍內(nèi)的微小位移測量。同樣該傳感器還可將浮力、壓力等參量變化轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰谱兓?進行力學(xué)量的測量。

圖2霍爾位置傳感器工作原理

　　3.1.4角度測量

　　當(dāng)霍爾器件置于磁鐵的磁場中,其輸出電壓與cosθ成正比,如圖2(b)所示,利用這個關(guān)系可檢測角度,將它裝在自動調(diào)節(jié)杠桿上,就可通過采集電壓輸出,得到角度變化,從而做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

　　3.2集成霍爾開關(guān)的應(yīng)用

　　3.2.1計數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速的測量

　　由于集成霍爾開關(guān)靈敏度較高,抗干擾能力強,因而大量用于計數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速的測量中,一般有兩種方法:在非鐵磁性材料圓盤邊緣粘一小磁鋼,將霍爾開關(guān)固定于圓盤邊緣附近,當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動,磁鋼經(jīng)過霍爾開關(guān)時,霍爾開關(guān)將輸出一脈沖;另一方法是將小磁鋼粘在霍爾開關(guān)背面,一起靠近轉(zhuǎn)動的齒輪,由于齒輪的凹與凸,使霍爾開關(guān)的磁感應(yīng)強度呈明顯變化,霍爾開關(guān)同樣輸出脈沖,見圖3(a),這樣當(dāng)脈沖輸入頻率測量儀,即可達(dá)到相應(yīng)的測量與控制目的。

圖3霍爾開關(guān)計數(shù)

　　3.2.2液位測量與控制

　　如圖4,在浮子上裝一小磁鋼,根據(jù)液位的需要裝上霍爾開關(guān),當(dāng)液面升降時,霍爾開關(guān)輸出信號,達(dá)到測量或控制液面的目的。

圖4霍爾開關(guān)控制液位

　　3.2.3霍爾電機

　　在直流無刷電機中,以集成霍爾傳感器作為電機轉(zhuǎn)子位置傳感器的電機,稱為霍爾電機。由于此類電機用電子換向開關(guān)電路和霍爾位置傳感器來代替換向器和電刷,所以去除了電火化、噪音、無線電干擾,提高了直流電機的運行可靠性。目前已被廣泛應(yīng)用于家電和儀器中,如錄音機、攝錄像機、光盤驅(qū)動器、打印機、記錄儀、掃描儀、CPU冷卻風(fēng)扇、電動自行車等?；魻栯姍C的工作原理是:當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場N與霍爾傳感器a正對時[如圖5(a)示],后者產(chǎn)生霍爾電壓Ua,使三管T1導(dǎo)通,而三管T2和T3截止,此時電樞繞組AX有電流通過,產(chǎn)生電樞磁場NS與SS,他們和轉(zhuǎn)子磁場N與S相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,并使轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子磁場N輪流與霍爾傳感器a、b、c相對,產(chǎn)生霍爾電壓Ua、Ub、Uc使三管T1、T2、T3導(dǎo)通,電樞繞組AX、BY、CZ順序形成階躍式旋轉(zhuǎn)磁場NS和SS,它與轉(zhuǎn)子磁場N和S相互作用,從而使轉(zhuǎn)子順著電樞階躍旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。實際使用的霍爾電機多采用多轉(zhuǎn)子[如圖5(b)示],以確保轉(zhuǎn)速平穩(wěn),電子換向開關(guān)電路較復(fù)雜,有的芯片?；魻栯姍C的啟動、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和剎車都可通過霍爾電機主控芯片來完成?？傊魻杺鞲衅骱碗娮訐Q向開關(guān)電路在無刷直流電機中起到了位置傳感和電流換向的作用,這種無機械接觸的“電刷”保證了電機無火花和均勻轉(zhuǎn)動,因而霍爾電機在高科技產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。

圖5霍爾電機原理與結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.4霍爾傳感器在汽車中的應(yīng)用

　　在一輛電子控制系統(tǒng)比較完整的豪華轎車中,幾乎可以有20～30個霍爾傳感器用于下列工作狀態(tài)的測量和控制:在汽車汽缸點火器中作電子斷續(xù)分電點火用;作汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速和曲軸角度傳感器;作各種自動門和窗的開關(guān)系統(tǒng);作速度表和里程表;作防鎖死剎車系統(tǒng)(ABS)中的速度傳感器;各種液體液位檢測器;作各種用電負(fù)載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷;發(fā)動機熄火檢測;作自動剎車系統(tǒng)(替代手剎)中的速度傳感器;作蓄電池充電的電流控制器等。限于篇幅僅以發(fā)動機點火為例說明。在電子點火分電盤上裝上幾個與汽缸數(shù)量相同的磁鋼,并在磁鋼位置相應(yīng)處裝上霍爾開關(guān)傳感器,當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到霍爾開關(guān)傳感器正面時,霍爾開關(guān)傳感器就輸出一個脈沖,該脈沖經(jīng)放大升壓后送至點火線圈,于是在點火線圈的次級線圈便產(chǎn)生供發(fā)動機各汽缸火花塞點火用的高電壓。

　　4大學(xué)物理實驗中諸物理量的測量

　　4.1位移的測量

　　在傳統(tǒng)的梁的彎曲實驗裝置中加上霍爾位置傳感器,既可保留原基本實驗的訓(xùn)練,又增加了霍爾位置傳感器的定標(biāo)等內(nèi)容,如楊氏模量的測定[3]。這一方面擴大了學(xué)生知識面,另一方面加強了動手能力培養(yǎng)。

　　4.2磁場分布的測量和鐵磁材料磁滯回線的測量

　　采用95-A型集成霍爾傳感器測量螺線管或亥姆霍茲線圈磁場分布[5],測量準(zhǔn)確度高,實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,精度可達(dá)10-6T。

　　4.3周期和時間的測量

　　焦利秤采用集成霍爾開關(guān)型傳感器(簡稱霍爾開關(guān))測量周期,可以使學(xué)生掌握集成霍爾開關(guān)的特性,同時也掌握了用現(xiàn)代化手段測量周期的新方法。

　　磁性滑塊在鋁質(zhì)導(dǎo)軌上下滑,采用集成霍爾傳感器時,可以準(zhǔn)確測量動摩擦系數(shù)和磁阻尼系數(shù),使學(xué)生掌握一些重要的物理概念。

　　5安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

　　5.1產(chǎn)品介紹

　　霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

　　5.2產(chǎn)品選型

　　5.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表1

　　5.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表2

　　5.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

　　5.2.4直流漏電流傳感器

表4

　　6結(jié)束語

　　霍爾傳感器不僅可以用來測量磁場及其變化,還可以用磁場作為工作媒介,把需要測量的量轉(zhuǎn)變成磁場的變化量,這樣可以用霍爾傳感器進行測量和控制.如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、拉力、液位等;利用測轉(zhuǎn)速還可測流量、流速等。

　　作為基礎(chǔ)物理教學(xué),也應(yīng)該將以霍爾效應(yīng)為原理的霍爾傳感器的重要應(yīng)用反映到教學(xué)中去,使物理教學(xué)更聯(lián)系實際,學(xué)生學(xué)得更加生動活潑。