霍尔磁敏传感器的原理及应用

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摘 要：介绍霍尔磁敏元件的工作原理，及其在测量与控制领域中的应用，给出了实验线路。
关键词：霍尔磁敏元件；线性元件；开关元件霍尔传感器因为体积小、成本低、一致性好等优点，因而广泛应用在机械测试、自动化测量等领域。
1引言
由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：
式中，Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。
1 M* o- l/ _8 v# ?0 i5 C对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。
0 J" X$ c4 |3 g8 S& I* k一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。
4 S$ h- v+ o8 N近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。
2线性霍尔元件的原理及应用
UGN350lT是一种目前较常用的三端型线性霍尔元件。它由稳压器、霍尔发生器和放大器组成。用UGN350lT可以十分方便地组成一台高斯计。其使用十分简单，先使B=0，记下表的示值VOH，再将探头端面贴在被测对象上，记下新的示值VOH1。
ΔVOH=VOH1-VOH
% J/ T  ^7 x5 f/ f$ i如果ΔVOH＞0，说明探头端面测得的是N极；反之为S极。UGN3501T的灵敏度为7V／T，由此即可测出相应的被测磁感应强度B。
9 ?, d% `% J) u; Y如果采用数字电压表(DVM)，可得图1所示的线性高斯计。运放采用高精度运放CA3130。该电路的具体调零方式为：开启电源后，令B=0，调节W1使DVM的示值为零，然后用一块标准的钕铝硼磁钢(B=0.1T)贴在探头端面上，调节W2使DVM的示值为1V即可。本高斯计检测时示值如果为-200mV，则探头端面检测的是S极，磁场强度为0．02T。本高斯计也可用来测量交变的磁场，不过DVM应改为交流电压表。显然使用图1的电路可以很方便地扩展普通数字万用表的功能。

* i' Q2 ~  k$ F3 d用UGN3501T还可以十分方便地组成如图2所示的钳形电流表。将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线电流的安匝数；这个磁场作用于霍尔元件，感应出相应的霍尔电势，其灵敏度为7V／T，经过运放μA741调零，线性放大后送入DVM，组成数字式钳形电流表。该表的调试也十分简单：导线中的电流为零时，调节W1、W2使DVM的示值为零。然后输入50A的电流，调W3使DVM读数为5V；反向输入-50A电流，数字表示值为-5V。反复调节W1、W2、W3，读数即可符合要求。本钳形电流表经实验，其灵敏度不小于0.1V／A，同样，本电流表也可用于交流电流的测量，将DVM换成交流电压表即可，十分方便。
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3开关型霍尔传感器的原理及应用
开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。图3是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由图3看出，当B=0时，V0为高电平；当外磁场增至BOP时，输出V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP降至BrP时，输出V0由低电平反向，BrP被称为释放点。对于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V～24V。

UGN3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件UGN3020和磁钢组成测量电路。将具有10个齿的圆盘固定于被测对象的旋转主轴上。当圆盘齿经过测量磁路的间隙时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出10个脉冲，脉冲经过分频后，用频率计即可测出被测对象的实际转速。

用集成霍尔传感器还可以组成过流检测保护电路，该电路如图4所示。UGN3020固定于环形互感磁钢的空隙中，调整传感面的位置，即可调节其动作的起始磁场，图中的继电器如用内含双向晶闸管的固态继电器代替，可以组成无触点的过流保护电路。
开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减小。利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端，而且可以对电机直接调速。如日本胜利公司的HR7200型录像机中，采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体，利用霍尔元件IC1、IC2去开关驱动晶闸管，从而控制流过电机绕组的电流方向来完成换向；调速则通过伺服系统控制定子中的电流来完成。由于采用电子换向，该电机运转十分平稳，几乎无干扰。

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