霍尔式传感器测量转速

任务描述

霍尔式传感器是一种利用半导体材料的霍尔效应进行测量的传感器。目前，霍尔式传感器已从分立元件发展到集成电路，越来越受到人们的重视，应用日益广泛。

霍尔式转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，转速测量范围宽。

任务目标

●学会霍尔式传感器的功能测试方法

●了解霍尔式传感器选用原则

●了解霍尔式传感器的应用场合和使用方法

任务分析

霍尔传感器往往用于被测旋转轴上已经装有铁磁材料制造的齿轮或者在非磁性盘上安装若干个磁钢的场合，也可利用齿轮上的缺口或凹陷部分来实现检测。目前，用于测速的霍尔传感器主要是霍尔开关集成传感器及霍尔接近开关。

任务实施

一、任务准备

目前，国内外霍尔开关集成传感器的型号很多，如国产的SH111～SH113型，各有A、B、C、D四种类型，其参数见表3-1。基本工作原理是:当施加于传感器的磁通小于某一值(如SH111A型为10m T)时，其输出开关是断开的;否则，输出开关为导通的。利用其这一特性，在被测转轴上装一非磁性转盘，并在转盘四周均匀地安装若干个磁钢(磁钢数量越多，每转一圈产生的脉冲数就越多)，每转一圈可以产生若干个脉冲信号。通过频率/电压(F/V)转换电路，将传感器输出的脉冲信号转换成与之成比例的模拟电压，即可推动指针式仪表进行指示转速。

表3-1 国产霍尔集成开关传感器的主要参数

国外产霍尔开关集成传感器常用型号主要有美国的UGN/UGS系列，其主要参数见表3-2。

表3-2 美国产霍尔集成开关传感器的主要参数

二、任务实施

霍尔转速计主要由装有永久磁铁的转盘、霍尔开关集成传感器、电路、表头及电源等部分组成，其具体电路如图3-1所示，其中电源部分没有给出。图中IC1为霍尔集成开关传感器SH113D，被测转轴每转一圈产生1个脉冲信号。LM2917为专用转换芯片，配合外围电路构成频率/电压转换电路。被测信号经过电位器RP1接入LM2917的1脚，调节RP1可以改变输入频率信号的幅度。12V电源经过R2、二极管VD1分压后，向芯片内部比较器反相输入端提供0.6V的参考电压(即输入信号的幅度必须大于0.6V)。R4是输出电压的负载电阻，其取值范围是4.3～10kΩ。0～10V电压表接在R2两端，用来指示被测频率值(转速)。该电路的输出电压为

Uo=f·Ucc·RP2·C1　(3-1)

由公式(3-1)可知，在Vcc、RP1、C1一定的情况下，则输出电压Uo只与f成正比，f改变则Uo也改变，根据Uo的值即可知道f的大小。

电路中，若电源电压取12V，当传感器输出信号频率为166.6Hz(即转速为最大值9999r/min，测量仪的最大测速)时，表头应指示在最大值10V处，根据式(3-1)可得RP2C1=50ms，若C1取0.02μF，则RP2的值为250kΩ，为了增加调节范围，RP2取300kΩ。这样，输出电压在一定范围内可调，理论上输出电压最高可达12V。

图3-1 霍尔转速表原理图

三、任务检测

应用霍尔开关传感器测量转速，安装的位置与被测物的距离视安装方式而定，一般为几到十几毫米。图3-2(a)为在一圆盘上安装一磁钢，霍尔传感器则安装在圆盘旋转时磁钢经过的地方。圆盘上磁钢的数目可以为1、2、4、8个等，均匀地分布在圆盘的一面。图3-2(b)适用于原转轴上已经有磁性齿轮的场合，此时工作磁钢固定在霍尔传感器的背面(外壳上没有打标志的一面)，当齿轮的齿顶经过传感器时，有较多的磁感线穿过传感器，霍尔集成开关传感器输出导通;而当齿谷经过霍尔开关传感器时，穿过传感器的磁感线较少，传感器输出截止，即每个齿经过传感器时产生一个脉冲信号。

图3-2 霍尔传感器安装示意图

相关知识

一、霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体，其中电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电动势。

图3-3 霍尔效应原理图

如图3-3所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中的自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力f1的作用，f1的大小为

f1=e Bv　(3-2)

式中，e为电子电荷;v为电子运动平均速度;B为磁场的磁感应强度。

f1的方向在图3-3中是向内的，此时电子除了沿电流反方向做定向运动外，还在f1的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH。我们称之为霍尔电场，其电场强度为

式中，UH为内外两侧面的电位差。

霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为e EH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反，即e EH=e Bv时，有

EH=Bv　(3-3)

此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。

若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，即

将式(3-4)代入式(3-3)中，得

所以，有

式中，令，称之为霍尔系数，其大小取决于导体中载流子的密度;令，称之为霍尔片的灵敏度，则

由式(3-7)可见，霍尔电动势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。

若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。只有半导体材料才适于制造霍尔片，目前常用的霍尔元件材料有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中，N型锗元件容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅元件的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗元件。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。

二、霍尔元件基本结构

霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图3-4(a)所示。

图3-4 霍尔元件

霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出4根引线: 1、1'两根引线加激励电压或电流，称激励电极(控制电极); 2、2'引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图3-4(b)所示。

三、霍尔元件基本特性

1.额定激励电流和最大允许激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电动势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用激励电流尽可能大的元件，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增大。

2.输入电阻和输出电阻

激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电动势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为0，且环境温度在(20±5)℃时所确定的。

3.不等位电动势和不等位电阻

当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为0，则它的霍尔电动势应该为0，但实际不为0，这时测得的空载霍尔电动势称为不等位电动势，如图3-5所示。不等位电动势与激励电流之比称为不等位电阻。产生这一现象的原因有:

(1)霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;

(2)半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;

图3-5 不等位电动势示意图

(3)激励电极接触不良，造成激励电流不均匀分布等。

不等位电动势和不等位电阻都是在直流下测得的。不等位电动势一般在1m V以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。

4.霍尔电动势温度系数

在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时霍尔电动势变化的百分率称为霍尔电动势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。

四、霍尔元件不等位电动势补偿

图3-6 霍尔元件的等效电路

不等位电动势与霍尔电动势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电动势，而实际使用过程中要消除不等位电动势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电动势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电动势。

图3-6为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电动势U0为0。实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，这4个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电动势不等于0。此时可根据A、B两点电动势的高低判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电动势为0。