由霍爾效應(yīng)的原理知,霍爾電勢的大小取決于: 式中,Rh為霍爾常數(shù),它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān);IC為霍爾元件的偏置電流;B為磁場強(qiáng)度;d為半導(dǎo)體材料的厚度。 對于一個(gè)給定的霍爾器件,Vh將完全取決于被測的磁場強(qiáng)度B。

            一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子,其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端,另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路,就會產(chǎn)生霍爾電 流。一般地說,偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出;若精度要求高,則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度,有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金;這類傳感器的霍爾電勢較大,但在0.05T左右出現(xiàn)飽和,僅適用在低量限、小量程下使用。

            近年來,由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,出現(xiàn)了各種類型的新型集成霍爾元件。這類元件可以分為兩大類,一類是線性元件,另一類是開關(guān)類元件。

    線性霍爾元件的原理及應(yīng)用

            UGN350lT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩(wěn)壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺高斯計(jì)。其使用十分簡單,先使B=0,記下表的示值VOH,再將探頭端面貼在被測對象上,記下新的示值VOH1。

    ΔVOH=VOH1-VOH

            如果ΔVOH>0,說明探頭端面測得的是N極;反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T,由此即可測出相應(yīng)的被測磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

            如果采用數(shù)字電壓表(DVM),可得圖1所示的線性高斯計(jì)。運(yùn)放采用高精度運(yùn)放CA3130。該電路的具體調(diào)零方式為:開啟電源后,令B=0,調(diào)節(jié) W1使DVM的示值為零,然后用一塊標(biāo)準(zhǔn)的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上,調(diào)節(jié)W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計(jì)檢測時(shí)示值如果為 -200mV,則探頭端面檢測的是S極,磁場強(qiáng)度為0.02T。本高斯計(jì)也可用來測量交變的磁場,不過DVM應(yīng)改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地?cái)U(kuò)展普通數(shù)字萬用表的功能。

    霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用

            用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中,當(dāng)有電流流過導(dǎo)線時(shí),就會在鉗形圓環(huán)中產(chǎn) 生磁場,其大小正比于流過導(dǎo)線電流的安匝數(shù);這個(gè)磁場作用于霍爾元件,感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢,其靈敏度為7V/T,經(jīng)過運(yùn)放μA741調(diào)零,線性放大后送 入DVM,組成數(shù)字式鉗形電流表。該表的調(diào)試也十分簡單:導(dǎo)線中的電流為零時(shí),調(diào)節(jié)W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流,調(diào)W3使DVM 讀數(shù)為5V;反向輸入-50A電流,數(shù)字表示值為-5V。反復(fù)調(diào)節(jié)W1、W2、W3,讀數(shù)即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實(shí)驗(yàn),其靈敏度不小于 0.1V/A,同樣,本電流表也可用于交流電流的測量,將DVM換成交流電壓表即可,十分方便。

    霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用

    開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用

            開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài),內(nèi)部均有5個(gè)部分,即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具 有兩組對稱的施密特整形電路。圖3是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是:用磁鐵的S極接近傳感器的 端面所形成的B值為正值。由圖3看出,當(dāng)B=0時(shí),V0為高電平;當(dāng)外磁場增至BOP時(shí),輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降至BrP時(shí),輸出 V0由低電平反向,BrP被稱為釋放點(diǎn)。對于UGN3020,BOP=0.022T,BRP=0.0165T,VOL=80~150mV,VOH=4V, 工作電壓為4.5V~24V。

    霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用

            UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計(jì)探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個(gè)齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒 經(jīng)過測量磁路的間隙時(shí),霍爾元件輸出高電平,其他時(shí)間輸出為低電平;這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周,電路輸出10個(gè)脈沖,脈沖經(jīng)過分頻后,用頻率計(jì)即可測出被測對象的 實(shí)際轉(zhuǎn)速。

    霍爾磁敏傳感器的原理及應(yīng)用

            用集成霍爾傳感器還可以組成過流檢測保護(hù)電路,該電路如圖4所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中,調(diào)整傳感面的位置,即可調(diào)節(jié)其動作的起始磁場,圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替,可以組成無觸點(diǎn)的過流保護(hù)電路。

            開關(guān)型霍爾元件最具特點(diǎn)的應(yīng)用是在無刷電機(jī)上。通常的直流電機(jī)采用電刷型整流子供電,這種供電機(jī)構(gòu)工作時(shí)噪聲大,電機(jī)的壽命由于換相器的嚴(yán)重磨損大 大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機(jī)的上述弊端,而且可以對電機(jī)直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機(jī)中,采用兩個(gè)霍爾元件和 旋轉(zhuǎn)磁鋼構(gòu)成電機(jī)本體,利用霍爾元件IC1、IC2去開關(guān)驅(qū)動晶閘管,從而控制流過電機(jī)繞組的電流方向來完成換向;調(diào)速則通過伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來 完成。由于采用電子換向,該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十分平穩(wěn),幾乎無干擾。

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