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(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?因而在自動(dòng)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(jī)、汽車點(diǎn)火和自動(dòng)控制等。現(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(gè)傳感控制器件。如在一輛豪華轎車中,可使用100來個(gè)傳感器進(jìn)行測量和控制,采用集成霍爾傳感器的控制點(diǎn)達(dá)30多處。在工業(yè)中大量自動(dòng)檢測采用了霍爾傳感技術(shù)。可見集成霍爾傳感器的應(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(yàn),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(bǔ)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(diǎn)是:體積小、頻響寬、動(dòng)態(tài)特性好、對外圍電路要求簡單、使用壽命長及價(jià)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(qiáng)度成線性關(guān)系。如SS95A系列和MLX90215系列,運(yùn)用此類器件時(shí),只要選取適當(dāng)?shù)男〈配?就可將與小磁鋼一起運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)之前,器件以高電平輸出,當(dāng)磁場增強(qiáng)到工作點(diǎn)(B_op)時(shí),霍爾片輸出的電壓U_H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(diǎn)(B_rp)時(shí),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(qiáng)度的磁場起作用,抗干擾能力強(qiáng),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(diǎn)時(shí),其輸出導(dǎo)通為低電平,而當(dāng)磁場變小乃至完全撤消后,其輸出狀態(tài)保持不變,施加一個(gè)反向磁場,才能達(dá)到釋放點(diǎn),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(dòng)方式

集成霍爾傳感器的啟動(dòng)方式一般可分為3種:

1)磁極正對霍爾傳感器接近啟動(dòng)。當(dāng)磁極正對傳感器接近時(shí),典型的啟動(dòng)場強(qiáng)為20～40mT,或者有8～12mm的間距。

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

3)磁路間斷啟動(dòng)。當(dāng)磁極正對霍爾傳感器且間距固定時(shí),若中間無鐵磁性物質(zhì)阻擋,磁路暢通,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(dòng)霍爾傳感器

3霍爾傳感器在自動(dòng)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(gè)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(qiáng)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(shí)還可制成電流過載檢測或過載保護(hù)裝置。在使用電焊機(jī)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(qiáng)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0.5%,在科研、工業(yè)中已經(jīng)大量應(yīng)用于磁感應(yīng)強(qiáng)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)。將兩塊磁鐵同極相對而置,再將與位移物體相連的霍爾傳感器置于其中磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí),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?/span>,進(jìn)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(gè)關(guān)系可檢測角度,將它裝在自動(dòng)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(jì)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(qiáng),因而大量用于計(jì)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(dòng),磁鋼經(jīng)過霍爾開關(guān)時(shí),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(dòng)的齒輪,由于齒輪的凹與凸,使霍爾開關(guān)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)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(shí),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(jī)

在直流無刷電機(jī)中,以集成霍爾傳感器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子(磁極)位置傳感器的電機(jī),稱為霍爾電機(jī)。由于此類電機(jī)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,所以消除了電火化、噪音、無線電干擾,提高了直流電機(jī)的運(yùn)行可靠性。目前已被廣泛應(yīng)用于家電和儀器中,如錄音機(jī)、攝錄像機(jī)、光盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)、記錄儀、掃描儀、CPU冷卻風(fēng)扇、電動(dòng)自行車等。霍爾電機(jī)的工作原理是:當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場N極與霍爾傳感器a正對時(shí)[如圖5(a)示],后者產(chǎn)生霍爾電壓Ua,使三極管T1導(dǎo)通,而三極管T2和T3截止,此時(shí)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子磁場N極輪流與霍爾傳感器a、b、c相對,產(chǎn)生霍爾電壓Ua、Ub、Uc使三極管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(dòng)方向旋轉(zhuǎn)。實(shí)際使用的霍爾電機(jī)多采用多極轉(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,有專用的芯片。霍爾電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和剎車都可通過霍爾電機(jī)主控芯片來完成。總之霍爾傳感器和電子換向開關(guān)電路在無刷直流電機(jī)中起到了位置傳感和電流換向的作用,這種無機(jī)械接觸的“電刷”保證了電機(jī)無火花和均勻轉(zhuǎn)動(dòng),因而霍爾電機(jī)在高科技產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。

圖5霍爾電機(jī)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(gè)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(diǎn)火器中作電子斷續(xù)分電點(diǎn)火用;作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸角度傳感器;作各種自動(dòng)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(dòng)機(jī)熄火檢測;作自動(dòng)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火為例說明。在電子點(diǎn)火分電盤上裝上幾個(gè)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(shí),霍爾開關(guān)傳感器就輸出一個(gè)脈沖,該脈沖經(jīng)放大升壓后送至點(diǎn)火線圈,于是在點(diǎn)火線圈的次級線圈便產(chǎn)生供發(fā)動(dòng)機(jī)各汽缸火花塞點(diǎn)火用的高電壓。

4大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置中加上霍爾位置傳感器,既可保留原基本實(shí)驗(yàn)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(kuò)大了學(xué)生知識面,另一方面加強(qiáng)了動(dòng)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95A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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,精度可達(dá)10^-6T。

4.3周期和時(shí)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(shí)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(shí),可以準(zhǔn)確測量動(dòng)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(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。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(dòng)、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(jìn)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(shí)際,學(xué)生學(xué)得更加生動(dòng)活潑。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] 張欣、陸申龍.新型霍爾傳感器的特性及在測量與控制中的應(yīng)用

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2020.06版