浅谈新型霍尔传感器的特性及在测量与控制中的选型与应用

  简述新型霍尔传感器的特性及在自动控制、信息处理和物理量测量中的应用。根据霍尔效应制成的霍尔传感器不但可以用于磁场的测量,大量的还是以磁场为工作媒体,将物体的多种运动参量转变为电压输出,因而在自动控制、各种物理量的测量中得到了大量的应用。

  根据霍尔效应制成的霍尔传感器不仅能够适用于磁场的测量,大量的还是以磁场为工作媒体,将物体的多种运动参量转变为电压输出,因而在自动控制、各种物理量的测量中得到了大量的应用。随着集成电路技术的发展,集成霍尔传感器被大量研制和生产,其应用也愈来愈广泛。如:位移传感、速度传感、角度传感、电流感应、直流电机、汽车点火和自动控制等。现在世界上生产集成霍尔传感器的主要公司有Honeywell、Siemens、Melexis等,这些厂生产的霍尔传感器新产品据称有100多种,仅向汽车工业就提供上亿个传感控制器件。如在一辆豪华轿车中,可使用100来个传感器进行测量和控制,采用集成霍尔传感器的控制点达30多处。在工业中大量自动检测采用了霍尔传感技术。可见集成霍尔传感器的应用已相当广泛。然而,在现行大学物理教材中,关于霍尔传感器技术应用的介绍篇幅相当有限,为此,笔者根据自己教学与科研中有关该传感器应用的一些经验,整理出一部分有关霍尔传感器应用和新发展的材料,以供读者科研与教学参考。

  集成霍尔传感器主要由霍尔片和放大器组成,根据不同应用的需要,有的还加温度补偿电路、稳压电源或施密特触发器及开关电路等,加了不同附加器件后其应用和特性各不相同。集成霍尔传感器的特点是:体积小、频响宽、动态特性好、对外围电路要求简单、使用寿命长及价格低廉。

  集成霍尔传感器一般可分为3种:集成线性霍尔传感器(也称位置传感器)、集成霍尔开关和集成霍尔锁存器。它们都具有传感和控制功能。

  器件输出电压与器件所在位置的磁场强度成线系列,运用此类器件时,只要选取适当的小磁钢,就可将与小磁钢一起运动的物体的位置、位移、速度、角度等信息以电信号的形式传感出来,达到了自动测量与控制的目的。

  当霍尔器件所在位置的磁场尚未达到工作点之前,器件以高电平输出,当磁场增强到工作点(Bop)时,霍尔片输出的电压UH经差分放大器放大后,送至施密特触发器,使之翻转导通,从而使门电路输出端由高电平变为低电平,称此为“开”状态。反之,当磁场减小到释放点(Brp)时,门电路输出端截止,则由低电平变为高电平,称为“关”状态。常见的霍尔开关有UGN3109、A44E和US5881。由于该传感器只对一定强度的磁场起作用,抗干扰能力强,因而应用广泛。

  它是霍尔开关的一种特殊情况。当磁场超过工作点时,其输出导通为低电平,而当磁场变小乃至完全撤消后,其输出状态保持不变,施加一个反向磁场,才能达到释放点,输出截止转为高电平,可见具有锁存记忆功能。常见的集成霍尔锁存器有UGN3075和US1881。

  1)磁极正对霍尔传感器接近启动。当磁极正对传感器接近时,典型的启动场强为20～40mT,或者有8～12mm的间距。

  2)磁极侧向经过霍尔传感器启动。当磁极侧向以0.9mm的间距经过传感器时,相当于对传感器进行一次“开”与“关”

  3)磁路间断启动。当磁极正对霍尔传感器且间距固定时,若中间无铁磁性物质阻挡,磁路畅通,则传感器为开;若中间有铁磁性物质阻碍,磁路断,则传感器处于关状态,如图1。

  在工业上,对几十甚至上百安培的大电流的测量,常用的方法是:在被测导线外套上一个带有缺口的标准圆环铁心,将集成线性霍尔传感器插入缺口中,因铁心中的磁感应强度与导线中的电流成正比,传感器输出电压即反映导线中电流的大小,同时还可制成电流过载检测或过载保护装置。在使用电焊机及大电流配电的企业中,大量使用了该电流传感器。

  目前国产的数字式毫特仪量程为0～2T,精度为0.1mT,准确度优于0.5%,在科研、工业中已经大量应用于磁感应强度的测量。

  霍尔位置传感器工作原理如图2(a)。将两块磁铁同极相对而置,再将与位移物体相连的霍尔传感器置于其中磁感应强度为零处,当传感器与两块磁铁的相对位置发生变化时,传感器输出电压就反映了位移的数值。此法适用于0～2mm范围内的微小位移测量。同样该传感器还可将浮力、压力等参量变化转变为位移变化,进行力学量的测量。

  当霍尔器件置于磁铁的磁场中,其输出电压与cosθ成正比,如图2(b)所示,利用这个关系可检测角度,将它装在自动调节杠杆上,就可通过采集电压输出,得到角度变化,从而做出相应的调节。

  由于集成霍尔开关灵敏度较高,抗干扰能力强,因而大量用于计数、转数和转速的测量中,一般有两种方法:在非铁磁性材料圆盘边缘粘一小磁钢,将霍尔开关固定于圆盘边缘附近,当圆盘转动,磁钢经过霍尔开关时,霍尔开关将输出一脉冲;另一方法是将小磁钢粘在霍尔开关背面,一起靠近转动的齿轮,由于齿轮的凹与凸,使霍尔开关的磁感应强度呈明显变化,霍尔开关同样输出脉冲,见图3(a),这样当脉冲输入频率测量仪,即可达到相应的测量与控制目的。

  如图4,在浮子上装一小磁钢,根据液位的需要装上霍尔开关,当液面升降时,霍尔开关输出信号,达到测量或控制液面的目的。

  在直流无刷电机中,以集成霍尔传感器作为电机转子(磁极)位置传感器的电机,称为霍尔电机。由于此类电机用电子换向开关电路和霍尔位置传感器来代替换向器和电刷,所以消除了电火化、噪音、无线电干扰,提高了直流电机的运行可靠性。目前已被广泛应用于家电和仪器中,如录音机、摄录像机、光盘驱动器、打印机、记录仪、扫描仪、CPU冷却风扇、电动自行车等。霍尔电机的工作原理是:当转子磁场N极与霍尔传感器a正对时[如图5(a)示],后者产生霍尔电压Ua,使三极管T1导通,而三极管T2和T3截止,此时电枢绕组AX有电流通过,产生电枢磁场NS与SS,他们和转子磁场N与S相互作用而产生转矩,并使转子沿逆时针方向旋转。随着转子磁场N极轮流与霍尔传感器a、b、c相对,产生霍尔电压Ua、Ub、Uc使三极管T1、T2、T3导通,电枢绕组AX、BY、CZ顺序形成阶跃式旋转磁场NS和SS,它与转子磁场N和S相互作用,从而使转子顺着电枢阶跃旋转磁场的转动方向旋转。实际使用的霍尔电机多采用多极转子[如图5(b)示],以确保转速平稳,电子换向开关电路较复杂,有专用的芯片。霍尔电机的启动、调速、正反转和刹车都可通过霍尔电机主控芯片来完成。总之霍尔传感器和电子换向开关电路在无刷直流电机中起到了位置传感和电流换向的作用,这种无机械接触的“电刷”保证了电机无火花和均匀转动,因而霍尔电机在高科技产品中得到广泛的应用。

  在一辆电子控制系统比较完整的豪华轿车中,几乎可以有20～30个霍尔传感器用于下列工作状态的测量和控制:在汽车汽缸点火器中作电子断续分电点火用;作汽车发动机转速和曲轴角度传感器;作各种自动门和窗的开关系统;作速度表和里程表;作防锁死刹车系统(ABS)中的速度传感器;各种液体液位检测器;作各种用电负载的电流检测及工作状态诊断;发动机熄火检测;作自动刹车系统(替代手刹)中的速度传感器;作蓄电池充电的电流控制器等。限于篇幅仅以发动机点火为例说明。在电子点火分电盘上装上几个与汽缸数量相同的磁钢,并在磁钢位置相应处装上霍尔开关传感器,当磁钢转到霍尔开关传感器正面时,霍尔开关传感器就输出一个脉冲,该脉冲经放大升压后送至点火线圈,于是在点火线圈的次级线圈便产生供发动机各汽缸火花塞点火用的高电压。

  在传统的梁的弯曲实验装置中加上霍尔位置传感器,既可保留原基本实验的训练,又增加了霍尔位置传感器的定标等内容,如杨氏模量的测定[3]。这一方面扩大了学生知识面,另一方面加强了动手能力培养。

  4.2磁场分布的测量和铁磁材料磁滞回线A型集成霍尔传感器测量螺线管或亥姆霍兹线],测量准确度高,实验数据稳定可靠,精度可达10-6T。

  焦利秤采用集成霍尔开关型传感器(简称霍尔开关)测量周期,可以使学生掌握集成霍尔开关的特性,同时也掌握了用现代化手段测量周期的新方法。

  磁性滑块在铝质导轨上下滑,采用集成霍尔传感器时,可以准确测量动摩擦系数和磁阻尼系数,使学生掌握一些重要的物理概念。

  霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

  霍尔传感器不但可以用来测量磁场及其变化,还可以用磁场作为工作媒介,把需要测量的量转变成磁场的变化量,这样可以用霍尔传感器做测量和控制.如位置、位移、角度、角速度、转数、转速、拉力、液位等;利用测转速还可测流量、流速等。

  作为基础物理教学,也应该将以霍尔效应为原理的霍尔传感器的重要应用反映到教学中去,使物理教学更联系实际,学生学得更生动活泼。