项目位移检测霍尔传感器

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1、项目位移检测霍尔传感器自动检测技术主要内容主要内容一、霍尔传感器发展历史；一、霍尔传感器发展历史；二、霍尔效应和霍尔传感器原理；二、霍尔效应和霍尔传感器原理；三、应用实例；三、应用实例；四、实训四、实训位移测量系统。位移测量系统。自动检测技术概述概述 霍尔传感器是磁电转换的一种传感器。霍尔传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。

2、直到60多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应，结果发现：半导体工艺（效应，结果发现：半导体工艺（P或或N型）都可以再型）都可以再现霍尔效应现象，而且现霍尔效应现象，而且N型半导体尤其明显。使霍型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件，例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测例如：普通型、高灵敏度型、

3、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。温测磁性和开关型等。自动检测技术图图1 霍尔效应原理图霍尔效应原理图自动检测技术1.2 霍尔元件结构霍尔元件结构霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下图所示。图所示。自动检测技术 如下图所示。控制电流由电源如下图所示。控制电流由电源E供给，供给，R为调节为调节电阻，霍尔输出端接负载电阻，霍尔输出端接负载 ，它也可以是放大器，它也可以是放

4、大器的输入电阻或表头电阻。的输入电阻或表头电阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下，由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下，才会输出霍尔电势，实际使用时，可把才会输出霍尔电势，实际使用时，可把I或或B作作为输入信号，而输出信号正比于为输入信号，而输出信号正比于I和和B。由于建立霍尔效应的时间很短（由于建立霍尔效应的时间很短（）S，因，因此，控制电流用交流时，此，控制电流用交流时，频率可达频率可达 Hz以上。以上。2 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路14121010910LR自动检测技术自动检测技术霍尔元件的输出信号可采用运算放大器加以放大，元霍尔元件的输出信号可采用运算放大器加以放

5、大，元件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。自动检测技术3 霍尔元件主要参数霍尔元件主要参数 输入电阻输入电阻 与输出电阻与输出电阻 ：指控制电流极指控制电流极之间的阻值；之间的阻值；指霍尔电压极之间的阻值。指霍尔电压极之间的阻值。额定激励电流额定激励电流(mA)：使霍尔元件温升：使霍尔元件温升 所所施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增加受到霍尔元件最高温升限制。加受到霍尔元件最高温升限制。霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化流下，温度每变化1度时，霍尔

6、电势变化的百度时，霍尔电势变化的百分率称霍尔温度系数。分率称霍尔温度系数。)(R0iR0RC10自动检测技术自动检测技术4 实际应用实际应用 利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如下利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如下图所示。工件凸会导致霍尔元件向上位移图所示。工件凸会导致霍尔元件向上位移x，导，导致磁感应强度致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势发生变化，引起霍尔电势UH的变的变化；工件凹会导致霍尔元件向下位移化；工件凹会导致霍尔元件向下位移x，导致磁，导致磁感应强度感应强度B发生变化，引起霍尔电势发生变化，引起霍尔电势UH的变化。的变化。若测得输出量若测得输出量UH为正，则可判断工件

7、为凸，再利为正，则可判断工件为凸，再利用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若测得输出量部分。若测得输出量UH为负，则可判断工件为凹为负，则可判断工件为凹，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。自动检测技术自动检测技术 随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂如：体积小、灵

8、敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。小、对电源稳定性要求低等。5 霍尔集成电路霍尔集成电路 自动检测技术 霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型两大类。两大类。开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为门由高电阻状态变为到通

9、状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。较门重新变为高电阻状态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关输出型霍等。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。用相当广泛。线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。较典型的线性霍尔

10、器件如到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等等。自动检测技术5.1 开关输出型霍尔集成元件开关输出型霍尔集成元件下图为开关输出型霍尔集成元件下图为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的封装及的封装及外形尺寸。外形尺寸。1为接地端，为接地端，2为电源端，为电源端，3为输出端。为输出端。自动检测技术下图所示为下图所示为UGN3020的内部电路图。其中，的内部电路图。其中，X为霍尔元件，为霍尔元件，A为放大器，为放大器，S为施密特电路，为施密特电路，T为输出晶体管，为输出晶体管，E为稳定电源。为稳定电源。由于增设了施密特电路，使其具有时滞特性，提高了抗噪声的由于增设了施密特电路，使其具

11、有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电路主要用于接近开关。性能。该电路主要用于接近开关。自动检测技术5.2 线性输出型霍尔集成元件线性输出型霍尔集成元件 下图为线性霍尔器件下图为线性霍尔器件UGN3501M的内部电路的内部电路图和输出特性曲线图。当图和输出特性曲线图。当UGN3501M感受的感受的磁场为零时，磁场为零时，1、8引腿之间的输出电压为零引腿之间的输出电压为零；感受的磁场为正向（磁钢的；感受的磁场为正向（磁钢的S极对准极对准3501M的正面）时，输出电压为正；磁场为的正面）时，输出电压为正；磁场为反方向时，输出电压为负。反方向时，输出电压为负。UGN3501M的第的第5、6、7脚外接一

12、只微调电位器后，就可以脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。漂移。自动检测技术自动检测技术自动检测技术 霍尔电势霍尔电势UH是关于是关于I、B两个变量的函数，即两个变量的函数，即UH=KIB，人们利用这个关系可以使其中两个变，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于结

13、构简单、尺寸小、无触点、动霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。量以及自动控制。6 霍尔位移传感器应用实验霍尔位移传感器应用实验 自动检测技术 如下图（如下图（a

14、)所示。在磁场强度相同而极性所示。在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电恒定不变时，霍尔电势势 与磁感应强度与磁感应强度B成正比。若磁场在一成正比。若磁场在一定范围内沿定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度 为一常数为一常数如下图（如下图（b）所示。则当霍尔元件沿）所示。则当霍尔元件沿x方向方向移动时，移动时，的变化为的变化为:式中式中K为位移传感器输出灵敏度。为位移传感器输出灵敏度。将上式积分后得将上式积分后得:6.1 位移测量位移测量 dxdBHVKdxdBIKdxdVHHKXV

15、H自动检测技术 上式说明，霍尔电势上式说明，霍尔电势 与位移量成线性关系，与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。越好。当元件位于磁场中间位置上时，当元件位于磁场中间位置上时，这是由，这是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的结果。通作用的结果。一般用来测量一般用来测量12mm 的小位移，其特点是：的小位移，其特点是：惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原

16、理还可以测量其他非电量，如力、压力、压原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压差、液位和加速度等差、液位和加速度等 自动检测技术 霍尔电势霍尔电势UH与磁感应强度与磁感应强度B关系曲线关系曲线 自动检测技术 6.2 霍尔元件测位移实验霍尔元件测位移实验 霍尔元件测位移实验电路原理图见图霍尔元件测位移实验电路原理图见图2，印制电路版图见图印制电路版图见图3。当游标卡尺螺旋转动时，会带动与其连当游标卡尺螺旋转动时，会带动与其连接的磁铁前后移动，导致霍尔元件所处接的磁铁前后移动，导致霍尔元件所处的磁场强度发生变，因此输出的霍尔电的磁场强度发生变，因此输出的霍尔电压发生变化压发生变化，输出电压通过运放

17、后直接，输出电压通过运放后直接在数字电压表头上显示出来。在数字电压表头上显示出来。自动检测技术图图2 霍尔元件测位移实验电路原理图霍尔元件测位移实验电路原理图自动检测技术 第一步，让磁铁向前移动，记录第一步，让磁铁向前移动，记录10组位移组位移数据和霍尔电压数据，记录表格见表数据和霍尔电压数据，记录表格见表1；第二步，让磁铁向后移动，记录第二步，让磁铁向后移动，记录10组位移组位移数据和霍尔电压数据；数据和霍尔电压数据；重复第一步和第二步重复第一步和第二步2次。次。求得前向位移、后向位移、霍尔电压等数求得前向位移、后向位移、霍尔电压等数据的平均值，拟合霍尔传感器的特性曲线据的平均值，拟合霍尔传感器的特性曲线和公式，求得其灵敏度指标。和公式，求得其灵敏度指标。根据实测数据和特性公式，求得传感器量根据实测数据和特性公式，求得传感器量程和精度指标。程和精度指标。自动检测技术测量次数测量次数前向位移前向位移（mmmm）前向霍尔电前向霍尔电压压(mV)(mV)后向位移后向位移(mm)(mm)后向霍尔电后向霍尔电压压(mV)(mV)1 12 23 34 45 56 67 78 8表表1 实验数据记录表实验数据记录表