1引言

根據霍爾效應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變為電壓輸出,因而在自動控制、各種物理量的測量中得到了大量的應用。隨著集成電路技術的發展,集成霍爾傳感器被大量研制和生產,其應用也愈來愈廣泛。如:位移傳感、速度傳感、角度傳感、電流感應、直流電機、汽車點火和自動控制等。現在世界上生產集成霍爾傳感器的主要公司有Honeywell、Siemens、Melexis等,這些廠生產的霍爾傳感器新產品據稱有100多種,僅向汽車工業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30多處。在工業中大量自動檢測采用了霍爾傳感技術。可見集成霍爾傳感器的應用已相當廣泛。然而,在現行大學物理教材中,關于霍爾傳感器技術應用的介紹篇幅相當有限,為此,筆者根據自己教學與科研中有關該傳感器應用的一些經驗,整理出一部分有關霍爾傳感器應用和新發展的材料,以供讀者科研與教學參考。

2原理

集成霍爾傳感器主要由霍爾片和放大器組成,根據不同應用的需要,有的還加溫度補償電路、穩壓電源或施密特觸發器及開關電路等,加了不同附加器件后其應用和特性各不相同。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系。如SS95A系列和MLX90215系列,運用此類器件時,只要選取適當的小磁鋼,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,達到了自動測量與控制的目的。

2.2集成霍爾開關

當霍爾器件所在位置的磁場尚未達到工作點之前,器件以高電平輸出,當磁場增強到工作點(B_op)時,霍爾片輸出的電壓U_H經差分放大器放大后,送至施密特觸發器,使之翻轉導通,從而使門電路輸出端由高電平變為低電平,稱此為“開”狀態。反之,當磁場減小到釋放點(B_rp)時,門電路輸出端截止,則由低電平變為高電平,稱為“關”狀態。常見的霍爾開關有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,因而應用廣泛。

2.3集成霍爾鎖成器

它是霍爾開關的一種特殊情況。當磁場超過工作點時,其輸出導通為低電平,而當磁場變小乃至完全撤消后,其輸出狀態保持不變,施加一個反向磁場,才能達到釋放點,輸出截止轉為高電平,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)磁極正對霍爾傳感器接近啟動。當磁極正對傳感器接近時,典型的啟動場強為20～40mT,或者有8～12mm的間距。

2)磁極側向經過霍爾傳感器啟動。當磁極側向以0.9mm的間距經過傳感器時,相當于對傳感器進行一次“開”與“關”

3)磁路間斷啟動。當磁極正對霍爾傳感器且間距固定時,若中間無鐵磁性物質阻擋,磁路暢通,則傳感器為開;若中間有鐵磁性物質阻礙,磁路斷,則傳感器處于關狀態,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用

3.1集成線性霍爾傳感器的應用

3.1.1電流測量

在工業上,對幾十甚至上百安培的大電流的測量,常用的方法是:在被測導線外套上一個帶有缺口的標準圓環鐵心,將集成線性霍爾傳感器插入缺口中,因鐵心中的磁感應強度與導線中的電流成正比,傳感器輸出電壓即反映導線中電流的大小,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中,大量使用了該電流傳感器。

3.1.2磁感應強度測量

目前國產的數字式毫特儀量程為0～2T,精度為0.1mT,準確度優于0.5%,在科研、工業中已經大量應用于磁感應強度的測量。

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強度為零處,當傳感器與兩塊磁鐵的相對位置發生變化時,傳感器輸出電壓就反映了位移的數值。此法適用于0～2mm范圍內的微小位移測量。同樣該傳感器還可將浮力、壓力等參量變化轉變為位移變化,進行力學量的測量。

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,利用這個關系可檢測角度,將它裝在自動調節杠桿上,就可通過采集電壓輸出,得到角度變化,從而做出相應的調節。

3.2集成霍爾開關的應用

3.2.1計數、轉數和轉速的測量

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

圖3霍爾開關計數

3.2.2液位測量與控制

如圖4,在浮子上裝一小磁鋼,根據液位的需要裝上霍爾開關,當液面升降時,霍爾開關輸出信號,達到測量或控制液面的目的。

圖4霍爾開關控制液位

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子(磁極)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,提高了直流電機的運行可靠性。目前已被廣泛應用于家電和儀器中,如錄音機、攝錄像機、光盤驅動器、打印機、記錄儀、掃描儀、CPU冷卻風扇、電動自行車等。霍爾電機的工作原理是:當轉子磁場N極與霍爾傳感器a正對時[如圖5(a)示],后者產生霍爾電壓Ua,使三極管T1導通,而三極管T2和T3截止,此時電樞繞組AX有電流通過,產生電樞磁場NS與SS,他們和轉子磁場N與S相互作用而產生轉矩,并使轉子沿逆時針方向旋轉。隨著轉子磁場N極輪流與霍爾傳感器a、b、c相對,產生霍爾電壓Ua、Ub、Uc使三極管T1、T2、T3導通,電樞繞組AX、BY、CZ順序形成階躍式旋轉磁場NS和SS,它與轉子磁場N和S相互作用,從而使轉子順著電樞階躍旋轉磁場的轉動方向旋轉。實際使用的霍爾電機多采用多極轉子[如圖5(b)示],以確保轉速平穩,電子換向開關電路較復雜,有專用的芯片。霍爾電機的啟動、調速、正反轉和剎車都可通過霍爾電機主控芯片來完成。總之霍爾傳感器和電子換向開關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動,因而霍爾電機在高科技產品中得到廣泛的應用。

圖5霍爾電機原理與結構圖

3.2.4霍爾傳感器在汽車中的應用

在一輛電子控制系統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的測量和控制:在汽車汽缸點火器中作電子斷續分電點火用;作汽車發動機轉速和曲軸角度傳感器;作各種自動門和窗的開關系統;作速度表和里程表;作防鎖死剎車系統(ABS)中的速度傳感器;各種液體液位檢測器;作各種用電負載的電流檢測及工作狀態診斷;發動機熄火檢測;作自動剎車系統(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量相同的磁鋼,并在磁鋼位置相應處裝上霍爾開關傳感器,當磁鋼轉到霍爾開關傳感器正面時,霍爾開關傳感器就輸出一個脈沖,該脈沖經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生供發動機各汽缸火花塞點火用的高電壓。

4大學物理實驗中諸物理量的測量

4.1位移的測量

在傳統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練,又增加了霍爾位置傳感器的定標等內容,如楊氏模量的測定[3]。這一方面擴大了學生知識面,另一方面加強了動手能力培養。

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],測量準確度高,實驗數據穩定可靠,精度可達10^-6T。

4.3周期和時間的測量

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

磁性滑塊在鋁質導軌上下滑,采用集成霍爾傳感器時,可以準確測量動摩擦系數和磁阻尼系數,使學生掌握一些重要的物理概念。

5安科瑞霍爾傳感器產品選型

5.1產品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應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。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

5.2產品選型

5.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

 表1

5.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器

 表2

5.2.3閉環霍爾電流傳感器

表3

5.2.4直流漏電流傳感器

 表4

6結束語

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、轉數、轉速、拉力、液位等;利用測轉速還可測流量、流速等。

作為基礎物理教學,也應該將以霍爾效應為原理的霍爾傳感器的重要應用反映到教學中去,使物理教學更聯系實際,學生學得更加生動活潑。

【參考文獻】

[1] 方佩敏.新編傳感器原理應用[M].北京:電子工業出版社,1994.171～176.

[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用

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版