霍爾傳感器在轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了霍爾效應(yīng)的概念、介紹了霍爾元件及特點(diǎn)，霍爾傳感器的構(gòu)成及分類，重點(diǎn)介紹了霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與機(jī)械式轉(zhuǎn)速計(jì)和閃光測轉(zhuǎn)速法相比，霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速的精度較高。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器 轉(zhuǎn)速測量

0 引言

在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體里通入電流，若電流與磁場垂直，則電位差會(huì)出現(xiàn)在垂直于磁場、電流的方向，我們將這種現(xiàn)象定義為霍爾效應(yīng)。人們用砷化鎵、銻化銦、硅、鍺等半導(dǎo)體材料制成的元件被命名為霍爾元件。霍爾元件體積小，構(gòu)造簡單，對(duì)磁場敏感，頻率響應(yīng)寬，輸出電壓變化大，服務(wù)年限長，目前被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、測量和自動(dòng)化等領(lǐng)域。

1 霍爾元件及特點(diǎn)

在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B級(jí)勻強(qiáng)磁場施加在薄片的垂直方向，電勢差為UH的霍爾電壓會(huì)在與電流、磁場垂直的方向出現(xiàn)。半導(dǎo)體薄片也是霍爾元件。霍爾電壓UH與通入的電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比UH=KHIB。KH表示霍爾元件的靈敏度，表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下得到的開路霍爾電壓。對(duì)于某一型號(hào)的霍爾元件，KH為常數(shù)值。

霍爾元件具有尺寸小，輸出信號(hào)大，輸出電阻小等優(yōu)點(diǎn)，在很多場合，給測試工作帶來很多方便。

2 霍爾傳感器及分類

把霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、放大器及電源等做在一個(gè)芯片上然后封裝起來就構(gòu)成了霍爾傳感器。霍爾傳感器有線型、開關(guān)型之分。構(gòu)成二者的基礎(chǔ)元件中都有霍爾元件。其中，開關(guān)型霍爾傳感器的一個(gè)特殊形式是鎖鍵型霍爾傳感器。用于交直流電流和電壓測量的線性霍爾傳感器可分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。閉環(huán)式霍爾傳感器還有一種名稱，叫做“零磁通霍爾傳感器”。線型霍爾傳感器與開關(guān)型霍爾傳感器的組成元件見表1。

表1

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3 開關(guān)型霍爾傳感器

如圖1所示，其中Bop為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Brp為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度大于動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出電平為恒定值；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降至釋放點(diǎn)BrP時(shí)，傳感器由低電平躍變?yōu)楦唠娖健op與Brp之間的滯后提高了開關(guān)動(dòng)作的可靠性。利用這一特性，開關(guān)型霍爾傳感器常用來測量轉(zhuǎn)速及進(jìn)行液位控制等。

4 霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理

在控制電流I恒定的條件下，霍爾器件所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小突變時(shí)，輸出電壓也突變，相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)，構(gòu)成數(shù)字量傳感器。霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理詳見圖2。由圖2可知，系統(tǒng)實(shí)則通過霍爾開關(guān)測轉(zhuǎn)速。待測轉(zhuǎn)盤上有小磁鋼，小磁鋼的對(duì)數(shù)與分辨率呈正比關(guān)系。在小磁鋼附近固定霍爾開關(guān)。待測轉(zhuǎn)盤以角速度W旋轉(zhuǎn)。小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)時(shí)，霍爾開關(guān)會(huì)產(chǎn)生脈沖。待測物體的轉(zhuǎn)速可通過所測得的單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)進(jìn)行判斷。

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1——霍爾元件；2——被測物體；3——小磁鋼。

圖2

5 結(jié)論

本文簡單介紹了霍爾效應(yīng)、霍爾元件以及霍爾傳感器的基本概念，重點(diǎn)介紹了霍爾傳感器在轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)機(jī)械式轉(zhuǎn)速計(jì)測轉(zhuǎn)速和閃光測轉(zhuǎn)速法，由霍爾傳感器構(gòu)成的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速的測量精度較高。

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