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集成霍爾傳感器及應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011/8/11 12:01:35 訪問(wèn)次數(shù):6578

 

      集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝將霍爾元器件與測(cè)量電路集成在一起,實(shí)現(xiàn)了材料、元器件、電路三位一體,有開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性型霍爾傳感器兩種,如圖6-71所示。

                                 

    開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器內(nèi)部集成有霍爾元器件和信號(hào)調(diào)理電路。在外部磁場(chǎng)的作用下,霍爾元器件產(chǎn)生霍爾電壓,經(jīng)放大整形后輸出隨磁場(chǎng)變化的方波信號(hào),因此傳感器的輸出實(shí)際上是高、低電平,對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)的有無(wú),使用方便簡(jiǎn)單,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和位置的檢測(cè)。
    還有一類霍爾傳感器是霍爾電流傳感器,主要應(yīng)用霍爾原理來(lái)測(cè)量電流參量,在電力電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置及開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

    1.轉(zhuǎn)速測(cè)量
    轉(zhuǎn)速計(jì)原理如圖6-72 (a)所示,磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連,將霍爾元器件移至旋轉(zhuǎn)盤下邊,讓轉(zhuǎn)盤上小磁鐵形成的磁力線垂直穿過(guò)霍爾元器件。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在轉(zhuǎn)盤上的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖電壓。用頻率計(jì)測(cè)量這些脈沖,檢測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)脈沖電壓的個(gè)數(shù),便可知被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度,從而實(shí)覡轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。轉(zhuǎn)盤上磁鐵數(shù)越多,傳感器測(cè)速的分辨率就越高。

        

設(shè)頻率計(jì)的頻率為,小磁鐵數(shù)量為Z,則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為
                                    n=60*f/Z (r/min)           (6-37)
    轉(zhuǎn)速測(cè)量電路如圖6-72 (b)所示,該電路采用霍爾IC UGN3040檢測(cè)磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。UGN3040是集電極開(kāi)路元器件,外接上拉電阻
。當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),霍爾IC的輸出也隨之變化,召點(diǎn)是經(jīng)過(guò)三極管反相后的輸出。將其輸出端接到數(shù)字式頻率計(jì)的輸入端,即可根據(jù)相應(yīng)的情況計(jì)算出被測(cè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速。
    開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器還可選用UGN-3020、UGN-3030型,其電源電壓為4.5~25V。對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度曰的大小要求不嚴(yán)格,當(dāng)電源電
壓為12V時(shí),其輸出截止電壓的幅值UO≤12V。亦可選用國(guó)產(chǎn)CS837、CS6837型,其電源電壓為10V;CS839、CS6839型的電源電壓為18V。但應(yīng)注意的是,CS型開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器為雙端輸出,也屬于集電極開(kāi)路輸出級(jí)。不管是單端輸出還是雙端輸出,電源和集電極間必須接上負(fù)載電阻才能正常工作。

    2.位移測(cè)量
    在兩個(gè)極性相反、磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的磁鋼氣隙中,放置一個(gè)霍爾元器件,保持霍爾元器件的控制電流恒定,而使霍爾元器件在一
個(gè)均勻的梯度磁場(chǎng)中沿著x方向穆動(dòng),如圖6-73所示。

                         


    若控制電流川亙定不變,霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比,則磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿著x方向的變化dB/dx為常數(shù)。因此,元器件沿x

方向移動(dòng)時(shí),霍爾電壓的變化為
                                dUH/dx=KHI*dB/dx=K       (6-38)
式中,K為位移傳感器輸出靈敏度。對(duì)式(6-38)積分得
                                  UH =K·x               (6-39)
    式(6-39)表明霍爾電壓與位移成正比,電壓的極性表示了元器件位移的方向。這種位移傳感器可用來(lái)測(cè)量1~2mm的小位移,并且
慣性小、響應(yīng)速度快。利用這種位移與電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系,還可以用來(lái)測(cè)量力、壓力、壓差、液位、流量等。
    集成金屬傳感器包括兩種類型:電感式接近開(kāi)關(guān)和電容式接近開(kāi)關(guān)。傳感器內(nèi)部都集成


 

 

 

 

      集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝將霍爾元器件與測(cè)量電路集成在一起,實(shí)現(xiàn)了材料、元器件、電路三位一體,有開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性型霍爾傳感器兩種,如圖6-71所示。

                                 

    開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器內(nèi)部集成有霍爾元器件和信號(hào)調(diào)理電路。在外部磁場(chǎng)的作用下,霍爾元器件產(chǎn)生霍爾電壓,經(jīng)放大整形后輸出隨磁場(chǎng)變化的方波信號(hào),因此傳感器的輸出實(shí)際上是高、低電平,對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)的有無(wú),使用方便簡(jiǎn)單,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和位置的檢測(cè)。
    還有一類霍爾傳感器是霍爾電流傳感器,主要應(yīng)用霍爾原理來(lái)測(cè)量電流參量,在電力電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置及開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

    1.轉(zhuǎn)速測(cè)量
    轉(zhuǎn)速計(jì)原理如圖6-72 (a)所示,磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連,將霍爾元器件移至旋轉(zhuǎn)盤下邊,讓轉(zhuǎn)盤上小磁鐵形成的磁力線垂直穿過(guò)霍爾元器件。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在轉(zhuǎn)盤上的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖電壓。用頻率計(jì)測(cè)量這些脈沖,檢測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)脈沖電壓的個(gè)數(shù),便可知被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度,從而實(shí)覡轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。轉(zhuǎn)盤上磁鐵數(shù)越多,傳感器測(cè)速的分辨率就越高。

        

設(shè)頻率計(jì)的頻率為,小磁鐵數(shù)量為Z,則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為
                                    n=60*f/Z (r/min)           (6-37)
    轉(zhuǎn)速測(cè)量電路如圖6-72 (b)所示,該電路采用霍爾IC UGN3040檢測(cè)磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。UGN3040是集電極開(kāi)路元器件,外接上拉電阻
。當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),霍爾IC的輸出也隨之變化,召點(diǎn)是經(jīng)過(guò)三極管反相后的輸出。將其輸出端接到數(shù)字式頻率計(jì)的輸入端,即可根據(jù)相應(yīng)的情況計(jì)算出被測(cè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速。
    開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器還可選用UGN-3020、UGN-3030型,其電源電壓為4.5~25V。對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度曰的大小要求不嚴(yán)格,當(dāng)電源電
壓為12V時(shí),其輸出截止電壓的幅值UO≤12V。亦可選用國(guó)產(chǎn)CS837、CS6837型,其電源電壓為10V;CS839、CS6839型的電源電壓為18V。但應(yīng)注意的是,CS型開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器為雙端輸出,也屬于集電極開(kāi)路輸出級(jí)。不管是單端輸出還是雙端輸出,電源和集電極間必須接上負(fù)載電阻才能正常工作。

    2.位移測(cè)量
    在兩個(gè)極性相反、磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的磁鋼氣隙中,放置一個(gè)霍爾元器件,保持霍爾元器件的控制電流恒定,而使霍爾元器件在一
個(gè)均勻的梯度磁場(chǎng)中沿著x方向穆動(dòng),如圖6-73所示。

                         


    若控制電流川亙定不變,霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比,則磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿著x方向的變化dB/dx為常數(shù)。因此,元器件沿x

方向移動(dòng)時(shí),霍爾電壓的變化為
                                dUH/dx=KHI*dB/dx=K       (6-38)
式中,K為位移傳感器輸出靈敏度。對(duì)式(6-38)積分得
                                  UH =K·x               (6-39)
    式(6-39)表明霍爾電壓與位移成正比,電壓的極性表示了元器件位移的方向。這種位移傳感器可用來(lái)測(cè)量1~2mm的小位移,并且
慣性小、響應(yīng)速度快。利用這種位移與電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系,還可以用來(lái)測(cè)量力、壓力、壓差、液位、流量等。
    集成金屬傳感器包括兩種類型:電感式接近開(kāi)關(guān)和電容式接近開(kāi)關(guān)。傳感器內(nèi)部都集成


 

 

 

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