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霍爾傳感器的原理及應用

時間：2014-08-04 11:51:20來源：霍尼韋爾

導語：?霍尼韋爾傳感器配有可靠的高磁靈敏度開關點，并且，其霍爾元件上也未使用斬波穩定技術。
●霍爾效應的原理
霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。流體中的霍爾效應是研究“磁流體發電”的理論基礎。由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：　Rh為霍爾常數，它與半導體材質有關；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導體材料的厚度。對于一個給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測的磁場強度B。
一個霍爾元件一般有四個引出端子，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。如果兩輸出端構成外回路，就會產生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導磁系數的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。近年來，由于半導體技術的飛速發展，出現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，另一類是開關類元件。線性霍爾元件的原理:UGN350lT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩壓器、霍爾發生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺高斯計。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，由此即可測出相應的被測磁感應強度B。如果采用數字電壓表(DVM)，可得圖1所示的線性高斯計。運放采用高精度運放CA3130。該電路的具體調零方式為：開啟電源后，令B=0，調節W1使DVM的示值為零，然后用一塊標準的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調節W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計檢測時示值如果為-200mV，則探頭端面檢測的是S極，磁場強度為0.02T。本高斯計也可用來測量交變的磁場，不過DVM應改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地擴展普通數字萬用表的功能。
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，當有電流流過導線時，就會在鉗形圓環中產生磁場，其大小正比于流過導線電流的安匝數；這個磁場作用于霍爾元件，感應出相應的霍爾電勢，其靈敏度為7V/T，經過運放μA741調零，線性放大后送入DVM，組成數字式鉗形電流表。該表的調試也十分簡單：導線中的電流為零時，調節W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調W3使DVM讀數為5V；反向輸入-50A電流，數字表示值為-5V。反復調節W1、W2、W3，讀數即可符合要求。本鉗形電流表經實驗，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。
●霍尼韋爾傳感器應用以及在電動自行車行業的應用
霍爾傳感器的應用非常的廣泛，在航空航天技術，醫療技術，交通運輸，工業以及測量和測試等諸多領域都做出了重大的的貢獻。目前應用領域比較活躍的就是電動自行車領域。這一切都歸根于霍尼韋爾的高質量四霍爾式元件，其它高靈敏度霍爾效應鎖存器采用的是雙霍爾或者單霍爾元件，這使得它對封裝應力非常敏感，而四霍爾元件則使這些傳感器更加穩定和出色。這些新型的高靈敏度鎖存器是專門為無刷直流電機設計的。它的特點有：寬溫度范圍，高靈敏度，緊湊型設計（有SOT-23和TO-92兩種封裝供客戶選擇），雙極鎖存型磁性元件（在整個使用溫度范圍內均能保持性能穩定），寬電壓范圍，內置反向電壓功能，符合ROHS標準的材料，所有這些優良特性對各類工業應用中的無刷電流電機而言都十分重要。霍尼韋爾傳感器配有可靠的高磁靈敏度開關點，并且，其霍爾元件上也未使用斬波穩定技術。霍尼擁有的這些特性使得傳感器能夠輸出完整的信號，縮短鎖存響應時間至20微秒。
電動車控制實驗圖
●霍爾傳感器對電動車調速轉把
調速轉把顧名思義是電動車的調速部件，這是一種線性調速部件，樣式很多但工作原理是一樣的。它一般位于電動車的右邊，既騎行時右手的方向，電動車轉把的轉動較度范圍在0—30度制之間。轉把與閘把的信號特征：轉把的形式、信號特征及其信號改制。
電動車的轉把有3根引線：分別是電源（細紅 +5V），地線（細黑），轉把調速信號線（線形連續變化信號細綠）。電動車上使用的轉把有光電轉把和霍耳轉把兩種，目前采用霍耳轉把的電動車占絕大多數。常見線性霍爾元件型號有：AH3503 AH49E A3515 A3518 SS495 如：AH3503線性霍爾電路由電壓調整器，霍爾電壓發生器，線性放大器和射極跟隨器組成，其輸入是磁感應強度，輸出是和輸入量成正比的電壓。靜態輸出電壓（B=0GS）是電源電壓的一半左右。S磁極出現在霍爾傳感器標記面時，將驅動輸出高于零電平；N磁極將驅動輸出低于零電平；瞬時和比例輸出電壓電平決定與器件最敏感面的磁通密度。提高電源電壓可增加靈敏度。產品特點：體積小、精確度高、靈敏度高、線性好、溫度穩定性好、可靠性高。霍耳轉把輸出電壓的大小，取決于霍耳元件周圍的磁場強度。轉動轉把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。
在電動車上使用的霍耳轉把的信號有以下幾種：轉把的種類 輸出電壓，正把/5V供電，反把／5V供電，單霍耳轉把 1.1-4.2(最多) /4.2-1.1(少量)；單霍耳轉把 2.6-3.7(極少) /3.7-2.6；單霍耳轉把 1-2.5/ 2.5-1；單霍耳轉把2.5-4/4-2.5；雙霍耳轉把 0-5/5-0；光電轉把 0-5(少量)/ 5-0。其中最常用的是以下兩種信號的轉把：1-4.2V（俗稱正把），4.2-1V（俗稱反把）。兩種信號的轉把中，是1.0V～4.2V的轉把占絕大多數。其它輸出電壓的轉把，目前市場中存在很少，已成為事實中的非標產品，這種非標的轉把在早期的電動車上使用比較多。因此目前市場上通用的控制器絕大多數是識別1-4.2V轉把信號的產品。當電動車的轉把或控制器需要維修更換時，一旦遇到轉把信號與控制器不匹配的情況時，這就需要對轉把進行改制，使其輸出信號能匹配控制器。轉把輸出信號改制：將轉把拆開，改變轉把里面磁鋼工作面的極性，就可以改變轉把輸出的電位。如果轉把內有兩個磁鋼，分別將兩個磁鋼都轉180°ï¼Œå†è£å¥½ï¼›å¦‚果轉把內只有1個磁鋼，將磁鋼取出，反轉180°åŽï¼Œè£å¥½è½‰æŠŠï¼Œé€™æ¨£å°±æ”¹è®Šäº†è½‰æŠŠé‡Œé¢éœè€³å…ƒä»¶å·¥ä½œç£å ´çš„起始位置，從而實現了轉把輸出信號的改制。鎖定轉把的轉把上加了一個機械開關按鈕，可以在控制器的控制下作為模式轉換按鈕，用于1:1助力，電動，定速，故障自檢的模式轉換。
霍爾傳感器對電動車剎把
轉把信號是電動車電機旋轉的驅動信號，剎信號是電機停止轉動的制動信號。電動車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應能自動切斷對電機的供電。因此電動車閘把上應該有閘把位置傳感元件，在有捏剎車把動作時，將剎車信號傳給控制器，控制器接受到剎車信號后，立即停止對電機的供電。
電動車閘把的位置傳感元件有機械式微動開關（分機械常開和機械常閉兩種）和開關型霍耳感應元件（分剎車低電位和剎車高電位兩種）兩種。機械開關型有兩條引線一條接負極另一條接斷電線，適用于低電平剎車控制器。對于支持高電平剎車的控制器為一條接+12V，另一條接斷電線。霍耳型三條引出線分別：剎車線（細藍 +5V），負極（細黑），剩余的一條為斷電線。常見單極性開關霍爾元件型號的型號有：AH41/ AH3144/ A3144/ A3282。
一般機械常開的剎車信號是常高電位，當剎車時，閘把內部的微動開關閉合，其信號變成低電位。一般機械常閉的剎車信號是常低電位，當剎車時，閘把內部的微動開關打開，其信號變成高電位。一般電子低電位閘把的剎車信號是常高電位，當剎車時，閘把內部的霍耳元件信號翻轉，其信號變成低電位。一般電子高電位閘把的剎車信號是常低電位，當剎車時，閘把內部的霍耳元件信號翻轉，其信號變成高電位。剎車信號高低電位的變化，是控制器識別電動車是否處于剎車狀態，從而判斷控制器是否給電機供電。當電動車的閘把或控制器需要維修更換時，會遇到閘把信號與控制器不匹配的情況時，這就需要對閘把進行改制，使其輸出信號能匹配控制器。因此在維修實踐中，不論剎把的形式如何，也不論控制器識別何種剎車信號，應做到能對各種形式的剎車信號進行適當改進，以匹配成控制器能識別的信號。

 

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