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霍尔传感器的分类、霍尔效应与霍尔传感器的应用.pdf

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霍尔传感器的分类、霍尔效应与霍尔传感器的应用 霍尔传感器是一种磁传感器。用它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。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路 组成的集成传感器。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电 效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时 发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多， 利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等 方面。 霍尔效应如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感 应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电 压， 它们之间的关系为。 式中d为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。上述效应称为霍尔 效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。 霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿 电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。 霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。 霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。 （一）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成， 它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。 （二）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线 性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。。 开关型 如图4所示，其中Bnp为工作点开的磁感应强度，BRP为释放点关的磁感应强度。当外 加的磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bnp 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高 电平。Bnp与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。 锁键型 如图5所示，当磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在 外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP 时，才能使电平产生变化。 线性型 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围 内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 开环式电流传感器 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测 量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其 优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于 大电流传感。 霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口 中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。 闭环式电流传感器 磁平衡式电流传感器也叫霍尔闭环电流传感器，也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip 在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔 器件处于检测零磁通的工作状态。 磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场 被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导 通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流 产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与 匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此 时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍 尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场 进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1s，这是一个动态平衡的过程。 霍尔传感器的应用1．电流传感器 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测 量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其 优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于 大电流传感。 霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口 中，圆环上绕有线圈，