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霍爾開關(guān)的工作原理、分類及應用
  • 發(fā)布日期:2015-10-26      瀏覽次數(shù):1423
    • 霍爾傳感器的工作原理、分類及應用霍爾傳感器的工作原理、分類及其簡單應用。

      霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?;魻杺鞲衅饕曰魻栃獮槠涔ぷ骰A(chǔ),是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?;魻杺鞲衅髟诠I(yè)、交通運輸和日常生活中有著非常的應用。

      一、霍爾效應霍爾元件 霍爾傳感器

      霍爾效應

      如圖1所示,在半導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強度為B的勻強磁場,則在垂直于電流和磁場的方向上,將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓,
      它們之間的關(guān)系為newmaker.com。

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      式中 為薄片的厚度,k稱為霍爾系數(shù),它的大小與薄片的材料有關(guān)。上述效應稱為霍爾效應,它是德國物理學家霍爾于1879年研究載流導體在磁場中受力的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的。

      (二)霍爾元件

      根據(jù)霍爾效應,人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等點,因此,在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域的應用。

      (三)霍爾傳感器

      由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小,故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上,稱之為霍爾傳感器。

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      霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路,其外形較小,如圖2所示,是其中一種型號的外形圖。

      二、霍爾傳感器的分類

      霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

      (一)線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。
      (二)開關(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)器和輸出級組成,它輸出數(shù)字量。

      三、霍爾傳感器的特性

      (一)線性型霍爾傳感器的特性

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      輸出電壓與外加磁場強度呈線性關(guān)系,如圖3所示,可見,在B1~B2的磁感應強度范圍內(nèi)有較好的線性度,磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

      (二)開關(guān)型霍爾傳感器的特性

      如圖4所示,其中BOP為工作點“開"的磁感應強度,BRP為釋放點“關(guān)"的磁感應強度。

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      當外加的磁感應強度超過動作點Bop時,傳感器輸出電平,當磁感應強度降到動作點Bop以下時,傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放點BRP時,傳感器才由電平躍變?yōu)殡娖健op與BRP之間的滯后使開關(guān)動作更為。

      另外還有一種“鎖鍵型"(或稱“鎖存型")開關(guān)型霍爾傳感器,其特性如圖5所示。

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      當磁感應強度超過動作點Bop時,傳感器輸出由電平躍變?yōu)殡娖?,而在外磁場撤消后,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強度達到BRP時,才能使電平產(chǎn)生變化。

      四、霍爾傳感器的應用

      按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性,后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場,這個磁場是被檢測的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量,例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等,轉(zhuǎn)變成電學量來進行檢測和控制。

      (一)線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如:

      1.電流傳感器

      由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場,其大小與導線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測量出磁場,從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其點是不與被測電路發(fā)生電接觸,不影響被測電路,不消耗被測電源的功率,特別于大電流傳感。

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      霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,圓環(huán)鐵芯有一個缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場,則霍爾傳感器有信號輸出。

      2.位移測量

      如圖7所示,兩塊*磁鐵同極性相對放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,其磁感應強度為零,這個點可作為位移的零點,當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時,傳感器有一個電壓輸出,電壓大小與位移大小成正比。

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      如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移,便可測出拉力及壓力的大小,如圖8所示,是按這一原理制成的力傳感器。

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      二)開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、器、自動控制電路等。

      1.測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)

      如圖9所示,,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脈沖,從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)(計數(shù)器),若接入頻率計,便可測出轉(zhuǎn)速。

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      如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預定位置有規(guī)律地布置在軌道上,當裝在運動車輛上的永磁體經(jīng)過它時,可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。

      2.各種實用電路

      開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬,工作,便宜,因此獲得極的應用。下面列舉兩個實用電路加以說明:

      電路1 防盜器

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      如圖10所示,將小磁鐵固定在門的邊緣上,將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上,讓兩者靠近,即門處于關(guān)閉狀態(tài)時,磁鐵靠近霍爾傳感器,輸出端3為電平,當門被非法撬開時,霍爾傳感器輸出端3為電平,非門輸出端Y為電平,繼電器J吸合,Ja閉合,蜂鳴器得電后發(fā)出聲音。

      電路2 公共汽車門狀態(tài)顯示器

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      使用霍爾傳感器,只要再配置一塊小*磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器,例如公共汽車的三個門必須關(guān)閉,司機才可開車。電路如圖11所示,三片開關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上,在車門適當位置各固定一塊磁鋼,當車門開著時,磁鋼遠離霍爾開關(guān),輸出端為電平。若三個門中有一個未關(guān)好,則或非門輸出為電平,紅燈亮,表示還有門未關(guān)好,若三個門都關(guān)好,則或非門輸出為電平,綠燈亮,表示車門關(guān)好,司機可放心開車。(en)