淺談霍爾傳感器及在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

時圣利，鐘貽兵，王昱皓，高明星

(山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264670)

淺談霍爾傳感器及在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

時圣利，鐘貽兵，王昱皓，高明星

(山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264670)

本文首先概述了霍爾傳感器技術(shù)及其應(yīng)用情況，闡述了霍爾傳感器的發(fā)展歷程、類型及工作原理，其次研究了霍爾傳感器的組成和特點(diǎn)，最后探討了霍爾傳感器在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用情況及發(fā)展方向。

霍爾傳感器；類型及特點(diǎn)；軍工領(lǐng)域

0 引言

現(xiàn)代社會是信息社會，信息技術(shù)是推動社會進(jìn)步的支柱力量。現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，即傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)[1]，傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息社會的三大支柱技術(shù)之一，被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，霍爾傳感器就是其中應(yīng)用非常廣泛的一類，它不僅用于測量電壓、電流、功率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等電磁參數(shù)，在非電量測量技術(shù)中還廣泛應(yīng)用于測量力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速等非電量參數(shù)[2]。

從茫茫太空，到浩瀚海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化的項目，都離不開各種各樣的傳感器，它對實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動化、合理化、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，對提高人們的物質(zhì)生活水平和健康水平，對保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和能源，都起到了極其重要的作用，所以對霍爾傳感器的研究有重要意義。

1 霍爾傳感器的研究

1.1 霍爾傳感器的發(fā)展歷程

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，自從1879年由美國物理學(xué)家霍爾(Hall)發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)后，它的應(yīng)用經(jīng)歷了三個階段[3-5]：

a.從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40年代前期，由于未能找到更合適的材料，雖然也有人利用霍爾效應(yīng)做成磁場傳感器件，但是實(shí)用價值不大，研究幾乎一直處于停頓狀態(tài)。

b.從20世紀(jì)40年代中期半導(dǎo)體理論和技術(shù)出現(xiàn)以后，隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體霍爾元件。相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。

c.自20世紀(jì)60年代開始，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將霍爾元件和相關(guān)的信號處理電路集成在一起的霍爾集成器件。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三管腳和四管腳霍爾元件，實(shí)現(xiàn)了霍爾元件的系列化、加工的批量化、體積的微型化，從而帶動了霍爾傳感器的飛速發(fā)展。

1.2 霍爾傳感器的類型及工作原理

按照霍爾傳感器的功能可分為線性霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，前者的輸出電壓與輸入磁場強(qiáng)度間具有良好的線性關(guān)系，能適用于變化磁場的跟蹤檢測，后者的輸出為高、低電平兩種狀態(tài)，常用于無刷電機(jī)和汽車點(diǎn)火裝置中[6]。線性霍爾傳感器的精度高、線性度好；開關(guān)型霍爾傳感器無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級)。

線性霍爾傳感器主要由分立的霍爾元件、信號處理電路、集磁環(huán)、磁補(bǔ)償線圈等共同焊裝在同一塊印制電路板上來實(shí)現(xiàn)各種測量功能。信號處理電路包括：運(yùn)算放大器、三極管、二極管、電阻、電容等器件。

開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動作點(diǎn)Bop時，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動作點(diǎn)Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健op與BRP之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠[7]。

霍爾傳感器在電路原理上又劃分為直測式和磁補(bǔ)償式，工作原理如下[8]：

a．直測式原理

直測式霍爾傳感器是利用集磁環(huán)將通電導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場集中起來提供給磁敏元件，再由磁敏元件轉(zhuǎn)換為弱電信號，經(jīng)放大輸出電壓信號。這種霍爾器件電路原理簡單，適合于測量低頻電流，頻寬較窄，抗電磁兼容性較差，測量精度低。其原理圖如圖1所示。

圖1 直測式霍爾傳感器簡易圖

b．磁補(bǔ)償式原理

磁補(bǔ)償式霍爾傳感器的原理是在直測式霍爾器件的原理基礎(chǔ)上加上了零磁通原理。即集磁環(huán)將原邊電流所產(chǎn)生的磁場聚集后，作用于霍爾元件，使其有電壓信號輸出，經(jīng)放大輸入到功率放大器，輸出補(bǔ)償電流流經(jīng)次級補(bǔ)償線圈，次級線圈產(chǎn)生的磁場與原邊電流產(chǎn)生的磁場相反，因而補(bǔ)償了原邊磁場，使霍爾輸出逐漸減小，當(dāng)原次級磁場相等時，補(bǔ)償電流不再增大，這就是零磁通檢測的原理。

另外，霍爾傳感器按照供電方式可分為單電源霍爾傳感器和雙電源霍爾傳感器；按照測量形式可分為單向測量傳感器和雙向測量傳感器。

圖2 磁補(bǔ)償式霍爾傳感器簡易圖

1.3 霍爾傳感器的特點(diǎn)

霍爾傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾傳感器是一種先進(jìn)的、能隔離測量和控制的傳感器。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時又克服了互感器和分流器的不足：互感器只適用于50Hz工頻測量；分流器無法進(jìn)行隔離測量。霍爾傳感器可以檢測各種直流、交流及各種脈沖信號，而且能替代互感器和分流器。具有以下特點(diǎn)[9]：

a.可測量任意波形的電壓和電流，如直流、交流和脈沖波形等；

b.線性度好：在工作溫度范圍內(nèi)線性度優(yōu)于0.1%；

c.精度高：在工作溫度范圍內(nèi)的精度優(yōu)于0.5%，該精度適合于任何波形的測量，而普通互感器精度一般為2%～5%，且只適合于測量50Hz的正弦波形；

d.動態(tài)特性好：一般響應(yīng)時間小于1μS，跟蹤速度di/dt大于50A/μS；

e.工作頻帶寬：可在0～100kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作；

f.過載能力強(qiáng)：短時間能承受三倍額定電流的被測電流；

g.工作溫度范圍寬：通過設(shè)計溫度補(bǔ)償電路，工作溫度范圍可達(dá)-55℃～125℃；

h.可靠性高：平均無故障工作時間大于5萬小時；

i.尺寸小，重量輕，易于安裝且不會給系統(tǒng)帶來任何損失。

2 在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

霍爾傳感器不僅可以廣泛應(yīng)用于儀器、儀表、機(jī)車、電力、汽車、計算機(jī)等行業(yè)和民用領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在航天、航空、兵器等國防軍事領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域內(nèi)扮演著重要的角色[10]。

霍爾傳感器是采用非接觸式的方式來對電量型和非電量型等參數(shù)進(jìn)行測量，由于靈敏度高、輸出幅度大、溫度漂移小、工作壽命長、可靠性、安全性高等諸多特點(diǎn)，且對電源穩(wěn)定性的要求不高，所以在我國航天器上檢測及過程自動控制等許多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間[11]。基于霍爾傳感器的以上優(yōu)點(diǎn)，目前霍爾傳感器已經(jīng)在我國航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，主要包括神舟飛船、嫦娥衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、天宮飛行器、各種小衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈等。例如用在飛行器的電源系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r跟蹤電源的電流、電壓、功率變化情況及供電的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測供電線路的過負(fù)荷、短路及斷路等故障信息，使得飛行器能夠根據(jù)所檢測到的供電網(wǎng)絡(luò)的綜合信息，自主做出迅速的判斷和處理，確保系統(tǒng)及設(shè)備正常工作，保證飛行器按照既定目標(biāo)穩(wěn)定飛行、可靠工作。對非電量物理量測量主要包括[12]：力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)數(shù)及轉(zhuǎn)速等，例如霍爾開關(guān)感應(yīng)被測磁場后輸出電壓，可以驅(qū)動控制三極管、晶閘管等元件，也可以驅(qū)動TTL、MOS等集成電路，從而與它們構(gòu)成許多形式的控制電路，從而控制電氣設(shè)備的開、關(guān)，檢測轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速，測量往復(fù)運(yùn)動物體的運(yùn)動頻率等，可以應(yīng)用于直流無刷電機(jī)、無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、隔離檢測等方面。

在其它軍工產(chǎn)品測量和控制方面也有很廣泛的應(yīng)用。具體應(yīng)用包括：軍用電源系統(tǒng)電流檢測；發(fā)射系統(tǒng)電源檢測、微波功率管的過流保護(hù)；高頻電源伺服系統(tǒng)、高壓電源系統(tǒng)電壓保護(hù)；船艦警戒探測系統(tǒng)電源檢測保護(hù)；在船舶中工作的霍爾行程開關(guān)；飛機(jī)雷達(dá)天線的限位傳感器；太陽電池陣驅(qū)動機(jī)構(gòu)零位傳感器；軍用車輛發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的霍爾齒輪傳感器；導(dǎo)彈發(fā)射控制的霍爾角度傳感器。

綜上所述霍爾傳感器在我國航天領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域都有著至關(guān)重要的應(yīng)用，能夠提供安全、可靠、穩(wěn)定的檢測手段，能夠?qū)崟r監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)，能夠提高航天器自主監(jiān)控的能力，最終實(shí)現(xiàn)智能檢測，智能排除故障的功能，對軍工產(chǎn)品的故障預(yù)警和故障診斷具有重大的意義。

3 結(jié)論

如今，雖然霍爾傳感器已被廣泛的應(yīng)用在航天、航空、兵器、船舶、武器、機(jī)械、能源、石油、化工、醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，在各種信息采集和處理中都起到了極其重要的作用[14]。但由于霍爾傳感器體積相對元器件體積較大，在有些軍工領(lǐng)域小型化方面的應(yīng)用還受到一定的限制。今后，對霍爾傳感器的研究將朝著實(shí)現(xiàn)微型化、微功耗、高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性、智能化和多功能化方向開展。

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The Discussion about Hall Sensor and Its Application in Military Area

SHI Shengli, ZHONG Yibin, WANG Yihao, GAO Mingxing
(Shandong aerospace Electronic Technology institute, Yantai 264670, China)

This paper firstly outlines the Hall sensor technology, its application, history, types and working principles. Furthermore, its composition and characteristics are expounded, and finally the author introduces its application in the military area and the future development trend in detail.

hall Sensor; types and characteristics; military area

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.08

總裝備部軍用電子元器件科研項目(1107BT0005), 霍爾傳感器貫徹國軍標(biāo)生產(chǎn)線項目。

時圣利(1981-), 男, 工程師, 碩士, 主要研究方向: 霍爾傳感器研制。

時圣利，鐘貽兵，王昱皓，等．淺談霍爾傳感器及在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用[J]．新型工業(yè)化，2015，5(2)：44-47