霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变革,可在各种与磁场有关的场合中利用。霍尔器件以霍尔效应为其事情根本。
霍尔器件具有许多优点,它们的构造稳定,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震撼,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或堕落。
霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护方法的霍尔器件的事情温度范围宽,可达-55℃~150℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出仿照量,后者输出数字量。
按被检测的工具的性子可将它们的运用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测工具本身的磁场或磁特性,后者是检测受检工具上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速率、加速度、角度、角速率、转数、转速以及事情状态发生变革的韶光等,转变成电量来进行检测和掌握。
2 霍尔效应和霍尔元件
2.1 霍尔效应
如图1所示,在一块通电的半导体薄片上,加上和电影表面垂直的磁场B,在薄片的横向两侧会涌现一个电压,如图1中的VH,这种征象便是霍尔效应,是由科学家爱德文·霍尔在1879年创造的。VH称为霍尔电压。
(a)霍尔效应和霍尔元件
这种征象的产生,是由于通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的浸染下,分别向电影横向两侧偏转和积聚,因而形成一个电场,称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻碍载流子连续堆积,直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时,电影两侧建立起一个稳定的电压,这便是霍尔电压。
在电影上作四个电极,个中C1、C2间通以事情电流I,C1、C2称为电流电极,C3、C4间取出霍尔电压VH,C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线,并将电影用塑料封装起来,就形成了一个完全的霍尔元件(又称霍尔片)。
(1)
或(2)
或(3)
在上述(1)、(2)、(3)式中VH是霍尔电压,ρ是用来制作霍尔元件的材料的电阻率,μn是材料的电子迁移率,RH是霍尔系数,l、W、t分别是霍尔元件的长、宽和厚度,f(I/W)是几何改动因子,是由元件的几何形状和尺寸决定的,I是事情电流,V是两电流电极间的电压,P是元件耗散的功率。由(1)~(3)式可见,在霍尔元件中,ρ、RH、μn决定于元件所用的材料,I、W、t和f(I/W)决定于元件的设计和工艺,霍尔元件一旦制成,这些参数均为常数。因此,式(1)~(3)就代表了霍尔元件的三种事情办法所得的结果。(1)式表示电流驱动,(2)式表示电压驱动,(3)式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。
为了精确地丈量磁场,常用恒流源供电,令事情电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度。
在一些精密的丈量仪表中,还采取恒温箱,将霍尔元件置于个中,令RH保持恒定。
若利用环境的温度变革,常采取恒压驱动,因和RH比较起来,μn随温度的变革比较平缓,因而VH受温度变革的影响较小。
为得到尽可能高的输出霍尔电压VH,可加大事情电流,同时元件的功耗也将增加。(3)式表达了VH能达到的极限——元件能承受的最大功耗。
2.2 霍尔器件
霍尔器件分为: 霍尔元件 和 霍尔集成电路 两大类,前者是一个大略的霍尔片,利用时常常须要将得到的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的旗子暗记处理电路集成在同一个芯片上。
2.2.1 霍尔元件
霍尔元件可用多种半导体材料制作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质构造量子阱材料等等。
InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图1(a)、图1(b)
(a)霍尔效应和霍尔元件
(b)InSb霍尔元件的输出特性
(c)GaAs霍尔元件的输出特性
图1 霍尔元件的构造和输出特性
这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。
2.2.2 霍尔电路
2.2.2.1 霍尔线性电路
它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例,它的功能框图和输出特性示于图2和图3。
这类电路有很高的灵敏度和优秀的线性度,适用于各种磁场检测。霍尔线性电路的性能参数见表3。
图2 霍尔线性电路的功能框图
图3 霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线
表3 线性霍尔电路的特性参数
2.2.2.2 霍尔开关电路
霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的浸染下,当磁感应强度超过导通阈值BOP时,霍尔电路输出管导通,输出低电平。之后,B再增加,仍保持导通态。若外加磁场的B值降落到BRP时,输出管截止,输出高电平。我们称BOP为事情点,BRP为开释点,BOP-BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗滋扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图4。图4(a)表示集电极开路(OC)输出,(b)表示双输出。它们的输出特性见图5,图5(a)表示普通霍尔开关,(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。
(a) 单OC输出 (b)双OC输出
图4 霍尔开关电路的功能框图
(a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性
图5 霍尔开关电路的输出特性
一样平常规定,当外加磁场的南极(S极)靠近霍尔电路外壳上打有标志的一壁时,浸染到霍尔电路上的磁场方向为正,北极靠近标志面时为负。
锁定型霍尔开关电路的特点是:当外加场B正向增加,达到BOP时,电路导通,之后无论B增加或减小,乃至将B撤除,电路都保持导通态,只有达到负向的BRP时,才改变为截止态,因而称为锁定型。霍尔开关电路的性能参数见表4。
表4 霍尔开关电路的特性参数
2.2.2.3 差动霍尔电路(双霍尔电路)
它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成,其功能框图见图6。
图6 差动霍尔电路的事情事理图
利用时在电路背面放置一块永久磁体,当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过期,一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反,经差分放大后,使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的 汽车齿轮传感器 具有极优的性能。
2.2.2.4 其它霍尔电路
除上述各种霍尔元件外,目前还涌现了许多分外功能的霍尔电路,如功率霍尔电路,多重双线霍尔传感器电路,二维、三维霍尔集成电路等待。
3 霍尔器件的运用
3.1 运用的一样平常问题
3.1.1 丈量磁场
利用霍尔器件检测磁场的方法极为大略,将霍尔器件作成各种形式的探头,放在被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直,则应求出其垂直分量来打算被测磁场的磁感应强度值。而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由打算机进行数据处理,可以得到场的分布状态,并可对狭缝,小孔中的磁场进行检测。
3.1.2 事情磁体的设置
用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时,一样平常采取永久磁钢来产生事情磁场。例如,用一个5×4×2.5(mm3)的钕铁硼Ⅱ号磁钢,就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中,磁感应强度会随间隔增加而迅速低落。为担保霍尔器件,尤其是霍尔开关器件的可靠事情,在运用中要考虑有效事情气隙的长度。在打算总有效事情气隙时,应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中,霍尔片的深度在产品手册中会给出。
由于霍尔器件须要事情电源,在作运动或位置传感时,一样平常令磁体随被检测物体运动,将霍尔器件固定在事情系统的适当位置,用它去检测事情磁场,再从检测结果中提取被检信息。
事情磁体和霍尔器件间的运动办法有:(a)对移;(b)侧移;(c)旋转;(d)遮断。如图7所示,图中的TEAG即为总有效事情气隙。
图7 霍尔器件和事情磁体间的运动办法
在遮断办法中,事情磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定,用一软磁(例如软铁)翼片作为运动事情部件,当翼片进入间隙时,浸染到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断,以此来调节事情磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高,在125℃的温度范围内,翼片的位置重复精度可达50μm。
图8 在霍尔器件背面放置磁体
也可将事情磁体固定在霍尔器件背面(外壳上没打标志的一壁),让被检的铁磁物体(例如钢齿轮)从它们近旁通过,检测出物体上的分外标志(如齿、凸缘、缺口等),得出物体的运动参数。
3.1.3 与外电路的接口
霍尔开关电路的输出级一样平常是一个集电极开路的NPN晶体管,其利用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。输出管截止时,输泄电流很小,一样平常只有几nA,可以忽略,输出电压和其电源电压附近,但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压(即规范表中规定的极限电压)。输出管导通时,它的输出端和线路的公共端短路。因此,必须外接一个电阻器(即负载电阻器)来限定流过管子的电流,使它不超过最大许可值(一样平常为20mA),以免破坏输出管。输出电流较大时,管子的饱和压降也会随之增大,利用者应该特殊把稳,仅这个电压和你要掌握的电路的截止电压(或逻辑“零”)是兼容的。
以与发光二极管的接口为例,对负载电阻器的选择作一估计。若在Io为20mA(霍尔电路输出管许可吸入的最大电流),发光二极管的正向压降VLED=1.4V,当电源电压VCC=12V时,所需的负载电阻器的阻值
(4)
和这个阻值最靠近的标准电阻为560Ω,因此,可取560Ω的电阻器作为负载电阻器。
用图9表示简化了的霍尔开关电路,图10表示与各种电路的接口:(a)与TTL电路;(b)与CMOS电路;(c)与LED;(d)与晶闸管。
图9
简化的霍尔开关示意图
图10 霍尔开关与电路接口举例
与这些电路接口时所需的负载电阻器阻值的估算方法,和式(4)的方法相同。
若受控的电路所需的电流大于20mA,可在霍尔开关电路与被控电路间接入电流放大器。
霍尔器件的开关所需的电流大于20mA,可在霍尔开关电路与被电路间接入电流放大器。
霍尔器件的开关浸染非常迅速,范例的上升韶光和低落韶光在400nS范围内,优于任何机器开关。
3.2 运用实例
下面我们将举出一些运用实例。这些例子仅是该类运用中的一种,用同样的事理和方法,利用者可根据自己的利用须要,设计出自己的运用装置。
3.2.1检测磁场
用霍尔线性器件作探头,丈量10-6T~10T的交变和恒定磁场,已有许多商品仪器。这里,仅先容一种用经由校准的UGN3503或A3515型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强度的简便方法。电路出厂时,工厂可供应每块电路的校准曲线和灵敏度系数。丈量时,将电路第一脚(面对标志面从左到右数)接电源,第二脚接地,第三脚接高输入阻抗(>10kΩ)电压表,通电后,将电路放入被测磁场中,让磁力线垂直于电路表面,读出电压表的数值,即可从校准曲线上查得相应的磁感应强度值。利用前,将器件通电一分钟,使之达到稳定。
用灵敏度系数打算被测磁场的B值时,可用
B=[Vout(B)-Vout(o)]1000/S
式中,Vout(B)=加上被测磁场时的电压读数,单位为V,Vout(o)=未加被测磁场时的电压读数,单位为V,S=灵敏度系数,单位为mV/G(高斯),B=被测磁场的磁感应强度,单位为G。
3.2.2 检测铁磁物体
在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体,如图11所示。图11(a)表示检测铁磁物体的缺口,图11(b)表示检测齿轮的齿。它们的电路接法见图12,(a)为检测齿轮,(b)为检测缺口。用这种方法可以检测齿轮的转速。
图11 用霍尔线性电路检测铁磁物体
图12 用霍尔线性电路检测齿口的线路
3.2.3 用在直流无刷电机中
直流无刷电机利用永磁转子,在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件,它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经由霍尔器件附近时,永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通,给相应的定子绕组供电,产生和转子磁场极性相同的磁场,推斥转子连续迁徙改变。到下一位置,前一位置的霍尔器件停滞事情,下位的霍尔器件导通,使下一绕组通电,产生推斥场使转子连续迁徙改变。如此循环,坚持电机的事情。其事情事理示于图13。
在这里,霍尔器件起位置传感器的浸染,检测转子磁极的位置,它的输出使定子绕组供电电路通断,又起开关浸染,当转子磁极拜别时,令上一个霍尔器件停滞事情,下一个器件开始事情,使转子磁极总是面对推斥磁场,霍尔器件又起定子电流的换向浸染。
无刷电机中的霍尔器件,既可利用霍尔元件,也可利用霍尔开关电路。利用霍尔元件时,一样平常要外接放大电路,如图14所示,利用霍尔开关电路,可直接驱动电机绕组,使线路大为简化,如图15所示。
图13 霍尔元件在无刷电机中的事情 (个中的HG为霍尔元件)
图14 采取霍尔元件的电机驱动电路 (图中的H为霍尔元件)
图15 用CS2018霍尔开关锁定电路直接驱动电机的线路示意图(图中的线圈为电机定子绕组)
铁磁材料受到磁场勉励时,因其导磁率高,磁阻小,磁力线都集中在材料内部。若材料均匀,磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷,如小孔、裂纹等,在毛病处,磁力线会发生波折,使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变,经由数据处理,可辨别有缺点的位置,性子(孔或裂纹)和大小(如深度、宽度等),图16示出两种用于无损探伤的探头构造。(b)检测线材用
(a)检测板材用
图16 用于无损探伤的两种霍尔探头
3.2.4 无损探伤
霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤,海用缆绳探伤,船体探伤以及材料考验等方面得到广泛运用。
3.2.5 磁记录信息读出
用霍尔元件制成的磁读头,如图17所示,将写头和读头装在同一外壳里,采取长1mm,宽0.2mm,厚1.4μm的InSb霍尔元件,其信噪比比普通磁头高3db~5db,由于写头和读头间的间距很小,仅2.6mm,故可用一读头去监视几分之一秒之前录头录下的信息。
图17 霍尔磁头
霍尔读头的输出仅由记录信息的磁感应强度来决定,纵然频率到零,输出仍旧恒定,且因读头无电感,故可得到精良的瞬态相应。它的灵敏度随温度的变革也很小,约为0.01db/℃。采取适当的前置放大电路,可在0℃~50℃范围内保持±0.5db。
由于霍尔磁读头具备这些优点,因而在打算机中得到很主要的运用。特殊在高密度垂直记录的磁盘的信息读出中,更能显示其优胜性。专家预言,今后十年,霍尔读头很可能会占去磁阻头的部分市场。
3.2.6 霍尔靠近传感器和靠近开关
在霍尔器件背后偏置一块永久磁体,并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内,做成一个探头,将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来,构成如图18所示的靠近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性靠近传感器,(b)为霍尔靠近开关。
图18 霍尔靠近传感器的形状图
(a)霍尔线性靠近传感器
(b)霍尔靠近开关
图19 霍尔靠近传感器的功能框图
霍尔线性靠近传感器紧张用于玄色金属的自控计数,玄色金属的厚度检测、间隔检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。
霍尔靠近开关紧张用于各种自动掌握装置,完成所需的位置掌握,加工尺寸掌握、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位掌握、转速检测等等。
3.2.7 霍尔翼片开关
霍尔翼片开关便是利用遮断事情办法的一种产品,它的形状如图20所示,其内部构造及事情事理示于图21。
图20 霍尔翼片开关的形状图
图21 霍尔翼片开关的内部构造和事情事理示意图
翼片未进入事情气隙时,霍尔开关电路处于导通态。翼片进入后,遮断磁力线,使开关变成截止态,它的状态转变的位置非常精确,在125℃的温度范围内位置重复精度可达50nm。将齿轮形翼片和轴相连,用在汽车点火器中作为点火开关,可得到准确的点火韶光,使汽缸中的汽油充分燃烧,既可节约燃料,又能降落车辆排放的尾气的污染,已在桑塔那,克莱斯勒等许多名车中利用。将它们用在工业自动掌握系统中,可作为转速传感器、位置开关、限位开关、轴编码器、码盘扫描器等。
3.2.8 霍尔齿轮传感器
用2.2.2.3中先容的差动霍尔电路制成的霍尔齿轮传感器,如图22所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器,广泛用于新一代的汽车智能发动机,作为点火定时用的速率传感器,用于ABS(汽车防抱去世制动系统)作为车速传感器等。
在ABS中,速率传感器是十分主要的部件。ABS的事情事理示意图如图23所示。图中,1是车速齿轮传感器;2是压力调节器;3是掌握器。在制动过程中,掌握器3不断吸收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲旗子暗记并进行处理,得到车辆的滑移率和减速旗子暗记,按其掌握逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令,调节器及时准确地作出相应,使制动气室实行充气、保持或放气指令,调节制动器的制动压力,以防止车轮抱去世,达到抗侧滑、甩尾,提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个别系中,霍尔传感器作为车轮转速传感器,是制动过程中的实时速率采集器,是ABS中的关键部件之一。
在汽车的新一代智能发动机中,用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速率,以供应更准确的点火韶光,其浸染是别的速率传感器难以代替的,它具有如下许多新的优点。
(1)相位精度高,可知足0.4°曲轴角的哀求,不需采取相位补偿。
(2)可知足0.05度曲轴角的熄火检测哀求。
(3)输出为矩形波,幅度与车辆转速无关。在电子掌握单元中作进一步的传感器旗子暗记调度时,会降落本钱。
用齿轮传感器,除可检测转速外,还可测出角度、角速率、流量、流速、旋转方向等等。
图22 霍尔速率传感器的内部构造
1.车轮速率传感器2.压力调节器3.电子掌握器
图23 ABS气制动系统的事情事理示意图
3.2.9 旋转传感器
按图24所示的各种方法设置磁体,将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后,磁体每经由霍尔电路一次,便输出一个电压脉冲。
(a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式
图24 旋转传感器磁体设置
由此,可对迁徙改变物体履行转数、转速、角度、角速率等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体,用流体(气体、液体)去推动叶轮迁徙改变,便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体,在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路,可制成车速表,里程表等等,这些运用的实例如图25所示。
图25的壳体内装有一个带磁体的叶轮,磁体旁装有霍尔开关电路,被测流体从管道一端通入,推动叶轮带动与之相连的磁体迁徙改变,经由霍尔器件时,电路输出脉冲电压,由脉冲的数目,可以得到流体的流速。若知管道的内径,可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。
图25 霍尔流量计
由图26可见,经由大略的旗子暗记转换,便可得到数字显示的车速。
利用锁定型霍尔电路,不仅可检测转速,还可辨别旋转方向,如图27所示。
曲线1对应构造图(a),曲线2对应构造图(b),曲线3对应构造图(c)。
图26 霍尔车速表的框图
图27 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定
3.2.10 霍尔位移传感器
若令霍尔元件的事情电流保持不变,而使其在一个均匀梯度磁场中移动,它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图28示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线,将它们固定在被测系统上,可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见,构造(b)在Z<2mm时,VH与Z有良好的线性关系,且分辨力可达1μm,构造(C)的灵敏度高,但事情间隔较小。
图28 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性
用霍尔元件丈量位移的优点很多:惯性小、频响快、事情可靠、寿命长。
以微位移检测为根本,可以构成压力、应力、应变、机器振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。
3.2.10.1 霍尔压力传感器
霍尔压力传感器由弹性元件,磁系统和霍尔元件等部分组成,如图29所示。在图29中,(a)的弹性元件为膜盒,(b)为弹簧片,(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统,如图29中的(a)、(b),也可采取单一磁体,如(c)。加上压力后,使磁系统和霍尔元件间产生相对位移,改变浸染到霍尔元件上的磁场,从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p~f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。
图29 几种霍尔压力传感器的构成事理
3.2.10.2 霍尔应力检测装置
图30示出用来进行土壤和砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置。(a)检测向切应力,(b)检测压应力。箭头所指是施加的外力方向。在图30(a)中,仪器上用钢作成高下两个块子,它们之间有两条较细的梁支撑,在钢下块上置一销柱,销上贴两对永磁体,形成均匀梯度磁场,在上块上贴两个霍尔传感器,受剪切力浸染后,支撑梁发生形变,使霍尔传感器和磁场间发生位移,使传感器输出发生变革。由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土受到的剪切应力。
图30 霍尔应力检测装置
图30(b)的磁体固定在受力后产生形变的膜片上,霍尔传感器固定在一杆上。检测事理同上。运用检测压应力的事理,可构成检测重量的装置,称作霍尔称重传感器。
3.2.10.3 霍尔加速度传感器
图31示出霍尔加速度传感器的构造事理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M,片S的末端b处固定丈量位移的霍尔元件H,H的高下方装上一对永磁体,它们同极性相对安装。盒体固定在被测工具上,当它们与被测工具一起作垂直向上的加速运动时,惯性块在惯性力的浸染下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移,产生霍尔电压VH的变革。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。
图31 霍尔加速度传感器的构造及其静态特性
3.2.10.4 霍尔振动传感器
图32所示为一种霍尔机器振动传感器。图中,1为霍尔元件,固定在非磁性材料的平板2上,平板2紧固在顶杆3上,顶杆3通过触点4与被测工具打仗,随之做机器振动。元件1置于磁系统6中。当触头4靠在被测物体上时,经顶杆3,平板2使霍尔元件在磁场中按被测物的振动频率振动,霍尔元件输出的霍尔电压的频率和幅度反响了被测物的振动规律。
应该解释,在当代电子装置中,上述应力、压力、加速度、振动等传感器所得数据,都可经微机进行处理后直接显示出被丈量数据或将被丈量数据供各种掌握系统利用。
图32 霍尔机器振动传感器构造事理(待续)
3.2.10.5霍尔液位传感器
图33示出两种霍尔液位检测装置。图(a)的构造大略,霍尔器件装在容器表面,永磁体支在浮子上,随着液位变革,浸染到霍尔器件上的磁场的磁感应强度改变,从而可测得液位。图(b)的构造比较繁芜,但可实现自动丈量。
在图33(b)中,15是一个中空的非磁材料的管子,浮子19套在管子15外,可高下滑动,在19的上端放着永磁21,霍尔器件及其馈线和一根冲了许多孔的柔性带在一起,吊在管子15内。多孔柔性带像电影胶片一样,用绞盘39绞动,使之高下移动。当柔性带带着的霍尔器件靠近浮子上的磁体21时,霍尔器件将输出霍尔电压,校准霍尔电压和浮子位置的关系,即可由所得的霍尔电压得到容器中液体的液位。用这种装置可实现远间隔自动检测。
用霍尔液位传感器检测液位时,因霍尔器件在液体之外,且系无打仗传感,在检测过程中不产生火花,且可实现远间隔丈量,因此,可用来检测易燃、易爆、有堕落性和有毒的液体的液位和容器中的液体存量,在石油、化工、医药、交通运输中有广泛的用场。只管目前已有许多不同事情事理的液位计涌现,但对上述各种危险液体的液位实测表明,霍尔液位传感器是个中最好的检测方法和装置之一。
3.2.10.6基于位移传感的霍尔流量计
图34给出一种基于位移传感的霍尔流量计。叶轮在流体推动下旋转,带动螺杆旋转,使磁系统产生高下移动。流速高则位移量大。用霍尔器件检出位移而得到流速和流量。
(a)
(b) 图33霍尔液位传感器
图34基于位移传感的霍尔流量计
图35霍尔电流传感器的构成事理
3.2.11实现电-磁-电的转换
从所周知,在有电流流过的导线周围会感生出磁场,该磁场与流过的电流的关系,可由安培环路定理求出。
用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测动身生这个磁场的电流的量值。由此,可以构成霍尔电流、电压传感器。
由于霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过个中的事情电流的乘积成比例,是一个具有乘法器功能的器件,因而可用它检测电功率,构成具有各种分外功能的霍尔功率计和霍尔电度表。
由输入的电旗子暗记建立的磁场,经霍尔器件的浸染,实现了磁电变换后,又变成电旗子暗记输出,这一变换实现了输入-输出旗子暗记间的电隔离,由此可构成隔离放大器、隔离耦合器等许多新型产品。
3.2.11.1霍尔电流传感器
霍尔电流传感器的构造如图35所示。用一环形导磁材料作成磁芯,套在被测电流流过的导线上,将导线中电流感生的磁场聚拢起来,在磁芯上开一气隙,内置一个霍尔线性器件,器件通电后,便可由它的霍尔输出电压得到导线中流利的电流。图35(a)所示的传感器用于丈量电流强度较小的电流,图35(b)所示的传感器用于检测较大的电流。
实际的霍尔电流传感器有两种构成形式,即直接丈量式和零磁通式。
3.2.11.1.1直接丈量式霍尔电流传感器
将图35中霍尔器件的输出(必要时可进行放大)送到经校准的显示器上,即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种办法的优点是构造大略,丈量结果的精度和线性度都较高。可测直流、互换和各种波形的电流。但它的丈量范围、带宽等受到一定的限定。在这种运用中,霍尔器件是磁场检测器,它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后,磁芯可能达到饱和;随着频率升高,磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对丈量精度产生影响。当然,也可采纳一些改进方法来降落这些影响,例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料;制成多层磁芯;采取多个霍尔元件来进行检测等等。
这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜,利用非常方便,已得到极为广泛的运用,国内外已有许多厂家生产。
3.2.11.1.2零磁通式(也称为磁平衡式或反馈补偿式)霍尔电流传感器
如图36所示,将霍尔器件的输出电压进行放大,再经电流放大后,让这个电流利过补偿线圈,并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反,若知足条件IoN1=IsN2,则磁芯中的磁通为0,这时下式成立:
Io=Is(N2/N1)(5)
式中,I1为被测电流,即磁芯中低级绕组中的电流,N1为低级绕组的匝数,I2为补偿绕组中的电流,N2为补偿绕组的匝数。由式(5)可知,达到磁平衡时,即可由Is及匝数比N2/N1得到Io。
图36霍尔零磁通电流传感器
图37霍尔电流传感器在继电保护与丈量中的运用 (H为霍尔电流传感器)
这个平衡过程是自动建立的,是一个动态平衡。建立平衡所需的韶光极短。平衡时,霍尔器件处于零磁通状态。磁芯中的磁感应强度极低(空想状态应为0),不会使磁芯饱和,也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。恰当地选择磁芯材料和线路元件,可做出性能优秀的零磁通电流传感器。
在霍尔电流传感器的输出电路中接上恰当的负载电阻器,即可构成霍尔电压传感器。
霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即丈量电路不必接入被测电路即可实现电流检测,它们靠磁场进行耦合。因此,检测电路的输入、输出电路是完备电隔离的。检测过程中,被测电路的状态不受检测电路的影响,检测电路也不受被检电路的景响。
霍尔电流传感器可以检测从直流到100kHz(通过仔细的设计和制作,乃至可以达到MHz级)的各种波形的电流,相应韶光可短到1μs以下。
由于这些优点,霍尔电流传感器得到了极其广泛的运用。3 2 12霍尔电流传感器的运用
3.2.12.1 继电保护与丈量
如图37所示,来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流,经三只霍尔电流传感器H(图中只画出B相的一只),按比例转换成毫伏电压输出,然后再经运算放大器放大及有源滤波,得到符合哀求的电压旗子暗记,送微机进行丈量或处理。利用霍尔电流传感器很方便地实现了无畸变、无延时的旗子暗记转换。
3.2.12.2 在直流自动掌握调速系统中的运用
在直流自动掌握调速系统中,用霍尔电流电压传感器代替电流互感器,不仅动态相应好,还可实现对转子电流的最佳掌握以及对晶闸管进行过载保护,其运用线路如图38所示。
图38在直流掌握中的运用
图39霍尔电流传感器在逆变器中的运用(CS为霍尔电流传感器)
图40 霍尔电流传感器在UPS中的运用(1、2、3均为霍尔电流传感器)
图41 霍尔电流传感器在电子点焊机中的运用
3.2.12.3 在逆变器中的运用
在逆变器中,用霍尔电流传感器进行接地故障检测、直接侧和互换侧的仿照量传感,以担保逆变器能安全事情。运用线路如图39所示。
3.2.12.4在不间断电源中的运用
如图40所示,霍尔电流传感器1发出旗子暗记并进行反馈,以掌握晶闸管的触发角,电流传感器2发出的旗子暗记掌握逆变器,传感器3掌握浮充电源。用霍尔电流传感器进行掌握,担保逆变电源正常事情。由于其相应速率快,特殊适用于打算机中的不间断电源。
3.2.12.5在电子点焊机中的运用
在电子点焊机电源中,霍尔电流传感器起丈量和掌握浸染。它的快速相应能再现电流、电压波形,将它们反馈到可控整流器A、B,可掌握其输出。用斩波器给直流迭加上一个互换,可更精确地掌握电流。用霍尔电流传感器进行电流检测,既可丈量电流的真正瞬市价,,又不致引入损耗,如图41所示。
3.2.12.6用于电车斩波器的掌握
电车中的调速是由调度电压实现的。将霍尔电流传感器和其它元件合营利用,并将传感器的所有旗子暗记输入掌握系统,可确保电车正常事情。其掌握事理示
图42 霍尔电流传感器在电车斩波器中的运用
图43 在变频调速电机中的运用(I,R,S,T均为霍尔电流传感器)
图44 用于电能管理的霍尔电流传感器
图45 霍尔接地故障检测器的事理和构造
于图42。图中,SCR1是主串联晶闸管,SCR2为赞助晶闸管,Lo、Co组成输入滤波器,Ls是平滑扼流圈,M1~M5是霍尔电流传感器。
3.2.12.7在互换变频调速电机中的运用
用变频器来对互换电机履行调速,在世界各发达国家已普遍利用,且有取代直流调速的趋势。用变频器掌握电机实现调速,可节省10%以上的电能。在变频器中,霍尔电流传感器的紧张浸染是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的相应韶光短于1μs,因此,涌现过载短路时,在晶全管未达到极限温度之前即可割断电源,使晶体管得到可靠的保护,如图43所示。
3.2.12.8用于电能管理
图44给出一种用于电能管理的电流传感器的示意图。图中,12是通电导线,11是导磁材料带,17是霍尔元件,19是霍尔元件的输入、输出引线。由此构成的电流传感器,可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔器件的输出和打算机连接起来,对用电情形进行监控,若创造过载,便及时使受控的线路断开,担保用电设备的安全。用这种装置,也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。
3.2.12.9在接地故障检测中的运用
在配电和各种用电设备中,可靠的接地是担保配电和用电设备安全的主要方法。采取霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测,可担保用电安全。图45示出一种霍尔接地故障监测装置。
3.2.12.10在电网无功功率自动补偿中的运用
电力系统无功功率的自动补偿,是指补偿容量随负荷和电压颠簸而变革,及时准确地投入和切除电容器,避免补偿过程中涌现过补偿和欠补偿的不合理和不经济,使电网的功率因数始终保持最佳。无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行,在担保“及时、准确”上具有显著的优点。由于它们的相应速率快,且无相位差,如图46所示。
图46 电网无功功率自动补偿掌握器的事理框图
3.2.12.14霍尔钳形电流表
将磁芯做成张合构造,在磁芯开口处放置霍尔器件,将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外,即可测出个中流过的电流。这种钳形表既可测互换也可测直流。图48示出一种数字钳形互换电流表的线路。
用钳形表可对各种供电和用电设备进行随机电流检测。
3.2.13电功率丈量
使负载电压变换,令其与霍尔器件的事情电流成比例,将负载电流利入磁芯绕组中,作为霍尔电流传感器的被测电流,即可构成霍尔功率计。由霍尔器件输出的霍尔电压来指示功率,其事情事理如图49所示。
3.2.12.11在电力工频谐波剖析仪中的运用
在电力系统中,电网的谐波含量用电力工频谐波仪来进行测试。为了将被测电压和电流变换成适宜打算机A/D采样的电压,将各种电力工频谐波剖析仪的取样装置,如电流互感器、电压互感器、电阻取样与光隔离耦合电路等和霍尔电流传感取样测试比拟,结果表明霍尔电流传感器最为适用。比拟结果如表8所示。
表8电力工频谐波剖析仪中利用的3种接口部件的比较(LEM模块是一种霍尔零磁通电流传感器)
3.2.12.12在开关电源中的运用
近代涌现的开关电源,是将电网的非稳定的互换电压变换成稳定的直流电压输出的功率变换装置。无论是电压掌握型还是电流掌握型开关电源,均采取脉冲宽度调制,借助驱动脉冲宽度与输出电压幅值之间存在的某种比例关系来坚持恒压输出。个中,宽度变革的脉冲电压或电流的采样、传感等均需用电流、电压传感器来完成。霍尔电流、电压传感器以其频带宽、相应韶光快以及安装简便而成为首选的电流、电压传感器。
3.2.12.13在大电流检测中的运用
在冶金、化工、超导体的运用以及高能物理(例如可控核聚变)试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的丈量和掌握,既可知足丈量准确的哀求,又不引入插入损耗,还免除了像利用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图47示出一种用于DⅢ-D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采取这种霍尔电流传感器,可检测高达到300kA的电流。
图47(a)为G-10安装构造,中央为电流汇流排,(b)为电缆型多霍尔探头,(c)为霍尔电压放大电路。
(a)G-10安装构造(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路
图47 多霍尔探头大电流传感器
图48 霍尔钳形数字电流表线路示意图
图49 霍尔功率计事理图
(a)霍尔掌握电路 (b)霍尔磁场电路
图50 霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器
图51霍尔电度表功能框图
图52 霍尔隔离放大器的功能框图
3.2.13.1霍尔三相功率变送器
利用霍尔器件的乘法器功能,还可构成三相功率变送器,用以检测三相平衡或不平衡负载电路的三相有功功率和无功功率。图50示出霍尔三相功率变送器的乘法器。将其霍尔电压经滤波、放大和输出变换后,将三相功率量变成直流电压和电流。直流电压可供给远动装置、巡检装置等,直流电流可供给近间隔丈量及仪表等。三相功率变送器是实现电网自动化不可短缺的一个环节。
3.2.13.2构成电度表
在前述功率计后加上V/f变换及分频计数,即可构成电度表,加上磁卡读出装置,可构成磁卡电度表。
图51示出霍尔磁卡电度表的功能框图。
以霍尔器件为功率指示器,还可构成各种各样的功能电表,在这些电表中加入一些功能电路可构成例如带绝缘毛病检测的电度表,窃电检测电度表等。以霍尔器件的基本功能为根本,还可能集成多功能家用电表,可同时显示电流、电压,用电度数及电费、功率因数、谐波电压等等。霍尔电度表可能成为最佳的智能电度表之一。
3.2.14霍尔隔离放大器
霍尔隔离放大器的事理框图示于图52,因此霍尔元件为中央,构成一个自平衡弱电流比较仪,用以取代变压器耦合隔离放大器中的调制、解调系统,使线路简化。仔细调度电流比较仪的电路,将放大器的频带大大展宽,使之可达DC~2MHz,而且保持了磁耦合隔离放大器的增益精度和光耦合隔离放大器的线性度,是一种高精度宽频带的隔离放大器。隔离放大器在空间技能、打算机技能、医疗和仪器仪表中有十分主要的运用。
3.2.15用作电磁隔离耦合器
用霍尔电流传感器的事情事理,可做成电磁耦合器。用低级线圈的电流掌握霍尔器件的输出,用这个输出旗子暗记掌握其它的电路,既收到隔离的效果,又达到耦合的目的。用这种电路可做成霍尔继电器、过载保护器、通信线路的保护开关等等。
这种电磁耦合器既可做成开关式,也可做成仿照量输出式。
此外,用霍尔器件还可检测异步电机的转差率和转速;丈量磁性材料的磁化强度、各向异性、旋转损耗和韶光效应;丈量直流电机的电磁力矩等等;还可和热磁材料组合起来,构成热磁开关。霍尔器件已实现的各种运用如表9所列。
这里的先容,除霍尔电流传感器外,都仅简述了运用中磁信息的采集和磁电转换的大略事理,对输出旗子暗记的处理和运用,没有作详细谈论。好在霍尔器件的输出,可与各种逻辑电路直接接口,还可以直接驱动各种性子(例如电阻性、电感性等)的负载,利用者可根据须要进行处理。
总之,由于霍尔器件的运用事理大略,旗子暗记处理方便,器件本身又具有一系列的独特优点,使其运用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的根本器件,随着人们对它的熟习和理解,它们将象其他传感器等根本器件一样,在各种信息采集和处理中发挥越来越主要的浸染。