霍尔测速.pdf

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1、1 1 前言前言霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。霍尔效应 1897 年首次被美国物理学家霍尔在金属材料中发现，但由于霍尔效应在金属材料中太微弱而没有得到人们的重视及较好的应用。直到 20 世纪 50 年代，随着半导体技术的发展，利用半导体材料做成的霍尔元件的霍尔效应比较显著，从而霍尔效应被人们所重视和充分利用，霍尔式传感器得到了快速的应用和发展。目前霍尔传感器已经广泛的应用于电磁、电流、水位、速度、振动等的测量领域。由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如

2、图1所示，是其中一种型号的外形图。2 2 霍尔元件霍尔元件2.12.1 霍尔元件及霍尔元件的命名方法霍尔元件及霍尔元件的命名方法霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。在金属或半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加电场 B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面会产生一个大小与控制控制电流 I 和磁场 B 乘积成正比的电压UH，这一现象称为霍尔效应。所产生的电压UH叫霍尔电压。即UHKHIB式中KH-霍尔元件的灵敏度。KHRHd式中RH-霍尔系数，它反映元件霍尔效应的强弱，有材料性质决定。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属

3、导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；d-霍尔元件的厚度;图 2 霍尔效应原理由上式可知对于材料和尺寸确定的元件，KH保持常数，霍尔电压UH仅与IB 的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流之下可用来测量磁感应强度 B；反之，在恒定的磁场之下，也可以用来测量电流 I。当KH和 B 恒定时，I 越大，UH越大。同样，当KH和 I 恒定时，B 越大，UH也越大。当所加磁场方向改变时，霍尔电压UH的符号也随之改变。当磁场方向不垂直于元件平面，而是与元件平面的法线成一角度时，实际作用于元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos，这时霍尔元件的输出为UHKHIBcos2.22.2 霍尔元件的

4、材料及结构霍尔元件的材料及结构霍尔元件通常采用的半导体材料有 N 型锗（Ge），锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）及磷砷化铟（InAsP）、N 型硅（Si）等。锑化铟元件的灵敏度最高，输出较大，但受温度影响也较大；砷化铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好；砷化镓元件的温度特性和输出特性好，但价格贵。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而膜式霍尔元件则是在一块极薄（0.2mm）的基片上用蒸发或外延的方法

5、制成一种半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊接线，并最后封装。由于霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电压，所以在制作时都要很严格的要求。2.32.3 霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的主要技术参数如下。（1）输入电阻Ri霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电压变化，为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。（2）输出电阻Ro两个霍尔电压输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻同一数量级，它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻与之匹配，可

6、以使由温度引起的霍尔电压的漂移减至最小。（3）最大激励电流IM由于霍尔电压随激励电流增大而增大，在应用中通常希望选用较大的激励电流IM,但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件温度升高，从而引起霍尔电压的温漂增大，因此，每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几百毫安。（4）灵敏度KH灵敏度KHUMIB，它的数值约为 10mV（mA T）左右。（5）最大磁感应强度BM磁感应强度超过BM时，霍尔电压的非线性误差将明显增大，BM的数值一般为零点几特斯特（T）或几千高斯（Gs）(1Gs=10T)（6）不等位电压在额定激励电流的作用下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为

7、不等位电压，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电压引起的误差。（7）霍尔电压温度系数在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化 1 度时，霍尔电压变化的百分数称为霍尔电压温度系数，它与霍尔元件的材料有关。42.42.4 霍尔元件的检测方法霍尔元件的检测方法一、电阻法：一般霍尔元件有立式和卧式两种，它们各脚之间阻值有一定关系，、脚间阻值等于、脚间阻值，、脚间阻值等于、脚间阻值。并且各脚之间阻值为 300500 左右，正、反向测量无明显差别，否则该元件失效。二、波形法：在通电的情况下，用示波器接到霍尔元件输出端，应有0.1Vp-p0.3Vp-p 的方波波形输出

8、，其脉冲宽度应达到电路要求。三、寻迹法：在通电的情况下，用手转动相应电机或带盘，把寻迹器接在霍尔元件输出端，应在喇叭中能听到脉冲放电声，否则该元件损坏。四、模拟法：拆下待测霍尔元件，在其电源正、负端上加上额定 电压2V5V，用强磁性物体靠近元件表面并上下晃动，同时用示波器或寻迹器在输出端测其输出信号，如无，则该元件损坏。3 3霍尔集成传感器霍尔集成传感器由霍尔元件及有关电路组成的传感器称为霍尔传感器。随着微电子技术的发展，目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称霍尔集成电路。霍尔传感器的霍尔材料仍以半导

9、体硅作为主要材料，按其输出信号的形式可分为线性型和开关型两种。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电压小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。3.13.1 线性型霍尔传感器线性型霍尔传感器线性型霍尔传感器是将霍尔元件、恒流源、线性放大器和射极跟随器等做在同一芯片上，输出电压较高，它输出模拟量。线性型霍尔传感器的特性输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。3.23.2开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器由稳压电路、霍尔元件、差分放大

10、器，施密特触发器、OC门等组成，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC 门由高阻态变为导通状态，输出为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC 门重新变为高阻态，输出高电平。它输出数字量。开关型霍尔传感器的特性如图4所示，其中Bop为工作点“开”的磁感应强度，Brp为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度 B 超过霍尔元件磁场工作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到工作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点Brp时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与Brp之间的滞后使开关动作更为可靠。霍尔元件的磁场工作点Bop和释放点Brp之差B为磁感应强度的回差宽度Bop和

11、B是霍尔元件德尔两个重要参数。Bop越小，器件灵敏度越高；B越大，器件抗干扰能力越强。霍尔元件所具备的回差特性使其抗干扰能力显著提高，外来杂散磁场干扰不易使其产生误动作。4 4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用-霍尔测速仪霍尔测速仪4.14.1 系统结构图系统结构图此设计是利用测量 A1302 的磁电特性与磁钢产生的电压脉冲频率进而测量转速的，为了更精确方便的测量与显示脉冲频率，采用了频率转换电压电路，因此霍尔磁力测速仪的基本系统结构如图 4 所示，整个系统可以分为四个模块：检测脉冲产生模块、频率/电压转换模块、AD 转换模块和计算显示模块。在电机的转动轴上装上小磁钢，每当小磁钢经过霍尔传感器

12、时就会产生一个脉冲，测量出脉冲数和测量时间，计算得到的频率就是我们要得到的转速，然后显示出来。检测脉冲产生模块频率/电压转换模块AD转换模块计算显示模块图 4霍尔磁力测速仪系统结构图4.24.2 检测脉冲产生模块检测脉冲产生模块转动轴霍尔传感器图 5 检测装置检测脉冲产生模块如图 5 所示，在被测转速的转轴上装上齿盘，每当齿盘经过霍尔传感器时，就会引起传感器输出电压发生变化2。本设计选用A1302EUA-T 连续型比例式线性霍尔传感器,具有低噪声输出，灵敏度高，快速上电，温度稳定性好，寿命长，高可靠性等优点，非常适合用在线性目标移动和旋转目标移动的位置检测系统中。可精确提供与所适用磁场成比例的

13、电压输出，灵敏度为 1.3mv/G。其静态输出电压为电源电压的 50%，所以在信号进入频率/电压转换模块之前需要对变化量进行调零和放大，如图 6 所示R16+5R101A130228R8+12234+53R11LM358N1FINR12-12图 6 调零放大电路此电路是用来实现两个电压相减的差分放大电路3，在理想运放条件下利用虚短和虚断的概念vp vn，ii 0，可以得到：1VoRRR12R11VR8Vi1i21R12R11R10108在上式中，如果选取阻值满足R8/R10 R12/R11的关系，输出电压可简化为VoRVVR8i2i110在图中我们可以看到两个输入电压分别为传感器输出电压和可变

14、电阻R16上的分压，在磁场强度为零时，传感器输出电压为电源电压的 1/2，改变R16的阻值，使差分放大电路输出电压为零，达到调零效果。选取阻值满足R8/R10 R12/R11的关系，调整放大倍数，使输出电压在小磁钢经过传感器时幅度在 1V 以上，这样就形成了检测脉冲信号 FIN。4.34.3 频率频率/电压转换模块电压转换模块为了使系统能够更精确的测量频率（转速），本设计采用速度（频率）电压转换芯片 LM2907/LM2917 只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速表，LM2907为集成式频率电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号，将转速（频率

15、）的变化与模拟信号输出相对应。LM2907 进行频率倍增时只需使用一个 RC 网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器比较器采用浮动三极管输出；最大 50mA 的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为 30mV 利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为0.3%；具有保护电路，不会受高于 Vcc 值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。应用电路如

16、图 7 所示V010K4321LM2907M-8C71uFR14100KC40.02uF+125678470FIN图 7 频率电压转换电路当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容C4、输出电阻R14以及积分电容或滤波电容C7，当第一级输出的状态发生改变时（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差Vcc/2的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为C4*Vcc/2，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：Q T icAVGFinC4Vcc输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）R

17、14中，R14电阻的另一端接地，这样滤波后的电流被滤波电容积分后得到输出电压：VVFCRoccin414K其中为增益常数，典型值为。电容C7的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响应时间。输出精度V0/FIN也可根据实际应用中所测量的频率大小来决定。图 7 所示电路的输出灵敏度为 66Hz/V。4.4AD4.4AD 转换模块转换模块由于测量值为模拟量，必须用 AD 转换后读入单片机，AD 转换模块采用一种逐次比较式 8 路模拟输入，8 位数字量输出的 AD 转换器 ADC0809。应用电路如图8 所示ADC0809DB017DB114DB215DB3 8DB418DB519DB620DB

18、721OE9STAR6ALE22232425D0D1D2D3D4D5D6D7OESTARALECBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CLOCKVccV+GNDV-EOC2627281234510111213167V0U2B891011+5QDQCQBQACLKCLR13 CLK12M74HC393B1REOC图 8 AD 转换电路片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关，由 C、B、A 引脚的编码来决定所选通道，在这里我们只需要一路，方便起见将A、B、C 三个引脚全部接地，选通IN0 路，转换频率/电压转换的输出电压。直接用+5V 的供电电源作为基准电压。由于 ADC080

19、9 为 8 位数字量输出，当输入电压为 5.00V 时，输出数据值为 255（FFH），因此最高数值分辨率为 0.0196V（5/255）。当输入值大于 5V 电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。但是量程越大测量精度会降低4。由于 ADC0809 片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号 ALE 经 74hc393 进行 2 分频后获得。输出数据口直接跟单片机 P0 口连接上，然后通过单片机处理。4.54.5 计算显示模块计算显示模块霍尔磁力测速仪的计算显示模块使用 STC89C52 单片机进行控制和计算，显示部分用 1602 液晶显示，电路简单

20、，界面友好。单片机的 P0 口为 AD 转换电压的数据接收口，P2 口控制 ADC0809 的转换和 1602 液晶模块功能的实现，P1 口为与 1602 液晶的数据传输口，实际电路如图 9 所示1602LCDEN1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516+5RSAT2+51234567891011121314151617181920P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1

21、P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221+5DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7+5CLK10KVCC22uFS2SW-PB1K200K12MHz12RSLCDENEOCALESTAROEC530pFC630pF图 9 计算显示电路4.64.6 调试与结论调试与结论系统在调试过程中，需要注意在放大调零模块，调试之前一定要先调零，选取阻值须满足R8R10R12R11的关系，才能掌握电路的放大倍数。在频率/电压转换模块

22、，由于元件的误差导致输出精度VoFIN跟理论值之间存在误差，实际操作时应多测量几组数据，求出平均精度，然后给单片机处理。实践证明，经过调节，系统基本稳定，达到预想要求，能够较为准确的测量电机的转速，整个系统简单易实现，此设计还可进一步扩展推广到其他工程领域，如测量磁场强度，数字里程表等。参考文献参考文献1陈杰，黄鸿.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，2002:107-108.2李娟.一种廉价的基于霍尔元件的电机转速测量装置的实现J.仪表技术与传感器，2002(1).3康华.光电子技术基础（模拟部分）M.北京：高等教育出版社，2006（5）:34-35.4楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导M.北京：北京航空航天大学出版社，2007：3-5.