霍尔传感器工作原理及其应用.doc

1、霍尔传感器工作原理及其应用| 一 、 霍 尔 齿 轮 传 感 器 差 动 霍 尔 电 路 制 成 的 霍 尔 齿 轮 传 感 器 ， 如 图 1 所 示 ,新 一 代 的 霍尔 齿 轮 转 速 传 感 器 ， 广 泛 用 于 新 一 代 的 汽 车 智 能 发 动 机 ， 作 为 点 火 定 时用 的 速 度 传 感 器 ， 用 于 ABS（ 汽 车 防 抱 死 制 动 系 统 ） 作 为 车 速 传 感 器 等。 在 ABS 中 ， 速 度 传 感 器 是 十 分 重 要 的 部 件 。 ABS 的 工 作 原 理 示 意图 如 图 2 所 示 。 图 中 ， 1 是 车 速 齿 轮 传 感

2、 器 ； 2 是 压 力 调 节 器 ； 3 是控 制 器 。 在 制 动 过 程 中 ， 控 制 器 3 不 断 接 收 来 自 车 速 齿 轮 传 感 器 1和 车 轮 转 速 相 对 应 的 脉 冲 信 号 并 进 行 处 理 ， 得 到 车 辆 的 滑 移 率 和 减 速 信号 ， 按 其 控 制 逻 辑 及 时 准 确 地 向 制 动 压 力 调 节 器 2 发 出 指 令 ， 调 节 器及 时 准 确 地 作 出 响 应 ， 使 制 动 气 室 执 行 充 气 、 保 持 或 放 气 指 令 ， 调 节 制动 器 的 制 动 压 力 ， 以 防 止 车 轮 抱 死 ， 达 到 抗

3、侧 滑 、 甩 尾 ， 提 高 制 动 安 全及 制 动 过 程 中 的 可 驾 驭 性 。 在 这 个 系 统 中 ， 霍 尔 传 感 器 作 为 车 轮 转 速 传感 器 ， 是 制 动 过 程 中 的 实 时 速 度 采 集 器 ， 是 ABS 中 的 关 键 部 件 之 一 。在 汽 车 的 新 一 代 智 能 发 动 机 中 ， 用 霍 尔 齿 轮 传 感 器 来 检 测 曲 轴 位 置和 活 塞 在 汽 缸 中 的 运 动 速 度 ， 以 提 供 更 准 确 的 点 火 时 间 ， 其 作 用 是 别 的速 度 传 感 器 难 以 代 替 的 ， 它 具 有 如 下 许 多 新 的

4、 优 点 。 （ 1） 相 位 精 度 高 ， 可 满 足 0.4曲 轴 角 的 要 求 ， 不 需 采 用 相 位 补 偿 。 （ 2） 可 满 足 0.05 度 曲 轴 角 的 熄 火 检 测 要 求 。 （ 3） 输 出 为 矩 形 波 ， 幅 度 与 车 辆 转 速 无 关 。 在 电 子 控 制 单 元 中 作 进 一 步的 传 感 器 信 号 调 整 时 ， 会 降 低 成 本 。 用 齿 轮 传 感 器 ， 除 可 检 测 转 速 外 ， 还 可 测 出 角 度 、 角 速 度 、 流 量 、流 速 、 旋 转 方 向 等 等 。 图 1 霍 尔 速 度 传 感 器 的 内 部

5、结 构 1.车 轮 速 度 传 感 器 2.压 力 调 节 器 3.电 子 控 制 器 图 2 ABS 气 制 动 系 统 的 工 作 原 理 示 意 图二 、 旋 转 传 感 器 按 图 3 所 示 的 各 种 方 法 设 置 磁 体 ， 将 它 们 和 霍 尔 开 关 电 路 组 合 起 来可 以 构 成 各 种 旋 转 传 感 器 。 霍 尔 电 路 通 电 后 ， 磁 体 每 经 过 霍 尔 电 路 一 次， 便 输 出 一 个 电 压 脉 冲 。(a)径 向 磁 极 (b)轴 向 磁 极 (c)遮 断 式 图 3 旋 转 传 感 器 磁 体 设 置 由 此 ， 可 对 转 动 物 体

6、 实 施 转 数 、 转 速 、 角 度 、 角 速 度 等 物 理 量 的 检测 。 在 转 轴 上 固 定 一 个 叶 轮 和 磁 体 ， 用 流 体 （ 气 体 、 液 体 ） 去 推 动 叶 轮转 动 ， 便 可 构 成 流 速 、 流 量 传 感 器 。 在 车 轮 转 轴 上 装 上 磁 体 ， 在 靠 近 磁体 的 位 置 上 装 上 霍 尔 开 关 电 路 ， 可 制 成 车 速 表 ， 里 程 表 等 等 ， 这 些 应 用的 实 例 如 图 4 所 示 。 图 4 的 壳 体 内 装 有 一 个 带 磁 体 的 叶 轮 ， 磁 体 旁 装 有 霍 尔 开 关 电 路 ，被

7、测 流 体 从 管 道 一 端 通 入 ， 推 动 叶 轮 带 动 与 之 相 连 的 磁 体 转 动 ， 经 过 霍尔 器 件 时 ， 电 路 输 出 脉 冲 电 压 ， 由 脉 冲 的 数 目 ， 可 以 得 到 流 体 的 流 速 。若 知 管 道 的 内 径 ， 可 由 流 速 和 管 径 求 得 流 量 。 霍 尔 电 路 由 电 缆 35 来供 电 和 输 出 。图 4 霍 尔 流 量 计 由 图 5 可 见 ， 经 过 简 单 的 信 号 转 换 ， 便 可 得 到 数 字 显 示 的 车 速 。 利 用 锁 定 型 霍 尔 电 路 ， 不 仅 可 检 测 转 速 ， 还 可 辨

8、 别 旋 转 方 向 ， 如 图6 所 示 。 曲 线 1 对 应 结 构 图 （ a） ,曲 线 2 对 应 结 构 图 (b)， 曲 线 3 对 应 结构 图 (c)。 图 5 霍 尔 车 速 表 的 框 图图 6 利 用 霍 尔 开 关 锁 定 器 进 行 方 向 和 转 速 测 定 三 、 霍 尔 位 移 传 感 器 若 令 霍 尔 元 件 的 工 作 电 流 保 持 不 变 ， 而 使 其 在 一 个 均 匀 梯 度 磁 场中 移 动 ， 它 输 出 的 霍 尔 电 压 VH 值 只 由 它 在 该 磁 场 中 的 位 移 量 Z 来决 定 。 图 7 示 出 3 种 产 生 梯 度

9、 磁 场 的 磁 系 统 及 其 与 霍 尔 器 件 组 成 的 位移 传 感 器 的 输 出 特 性 曲 线 ， 将 它 们 固 定 在 被 测 系 统 上 ， 可 构 成 霍 尔 微位 移 传 感 器 。 从 曲 线 可 见 ， 结 构 （ b） 在 Z2mm 时 ， VH 与 Z 有 良好 的 线 性 关 系 ， 且 分 辨 力 可 达 1 m， 结 构 （ C） 的 灵 敏 度 高 ， 但 工作 距 离 较 小 。 图 7 几 种 产 生 梯 度 磁 场 的 磁 系 统 和 几 种 霍 尔 位 移 传 感 器 的 静 态 特 性用 霍 尔 元 件 测 量 位 移 的 优 点 很 多 ：

10、 惯 性 小 、 频 响 快 、 工 作 可 靠 、寿 命 长 。 以 微 位 移 检 测 为 基 础 ， 可 以 构 成 压 力 、 应 力 、 应 变 、 机 械 振 动 、加 速 度 、 重 量 、 称 重 等 霍 尔 传 感 器 。 四 、 霍 尔 压 力 传 感 器 霍 尔 压 力 传 感 器 由 弹 性 元 件 ， 磁 系 统 和 霍 尔 元 件 等 部 分 组 成 ， 如图 8 所 示 。 在 图 8 中 ， （ a） 的 弹 性 元 件 为 膜 盒 ， (b)为 弹 簧 片 ，(c)为 波 纹 管 。 磁 系 统 最 好 用 能 构 成 均 匀 梯 度 磁 场 的 复 合 系

11、统 ， 如 图 8中 的 (a)、 (b)， 也 可 采 用 单 一 磁 体 ， 如 （ c） 。 加 上 压 力 后 ， 使 磁系 统 和 霍 尔 元 件 间 产 生 相 对 位 移 ， 改 变 作 用 到 霍 尔 元 件 上 的 磁 场 ， 从而 改 变 它 的 输 出 电 压 VH。 由 事 先 校 准 的 p f(VH)曲 线 即 可 得 到 被测 压 力 p 的 值 。图 8 几 种 霍 尔 压 力 传 感 器 的 构 成 原 理 五 、 霍 尔 应 力 检 测 装 置 图 9 示 出 用 来 进 行 土 壤 和 砂 子 与 钢 界 面 上 的 法 向 和 切 向 应 力 检 测的

12、霍 尔 传 感 器 装 置 。 (a)检 测 向 切 应 力 ， (b)检 测 压 应 力 。 箭 头 所 指是 施 加 的 外 力 方 向 。 在 图 9(a)中 ， 仪 器 上 用 钢 作 成 上 下 两 个 块 子 ，它 们 之 间 有 两 条 较 细 的 梁 支 撑 ， 在 钢 下 块 上 置 一 销 柱 ， 销 上 贴 两 对 永磁 体 ， 形 成 均 匀 梯 度 磁 场 ， 在 上 块 上 贴 两 个 霍 尔 传 感 器 ， 受 剪 切 力 作用 后 ， 支 撑 梁 发 生 形 变 ， 使 霍 尔 传 感 器 和 磁 场 间 发 生 位 移 ， 使 传 感 器输 出 发 生 变 化

13、 。 由 霍 尔 传 感 器 的 输 出 可 从 事 先 校 准 的 曲 线 上 查 得 与 该装 置 相 接 的 砂 或 土 受 到 的 剪 切 应 力 。图 9(b)的 磁 体 固 定 在 受 力 后 产 生 形 变 的 膜 片 上 ， 霍 尔 传 感 器 固定 在 一 杆 上 。 检 测 原 理 同 上 。 应 用 检 测 压 应 力 的 原 理 ， 可 构 成 检 测 重量 的 装 置 ， 称 作 霍 尔 称 重 传 感 器 。 六 、 霍 尔 加 速 度 传 感 器 图 10 示 出 霍 尔 加 速 度 传 感 器 的 结 构 原 理 和 静 态 特 性 曲 线 。 在 盒体 的 O

14、 点 上 固 定 均 质 弹 簧 片 S,片 S 的 中 部 U 处 装 一 惯 性 块 M， 片S 的 末 端 b 处 固 定 测 量 位 移 的 霍 尔 元 件 H， H 的 上 下 方 装 上 一 对 永磁 体 ， 它 们 同 极 性 相 对 安 装 。 盒 体 固 定 在 被 测 对 象 上 ， 当 它 们 与 被 测对 象 一 起 作 垂 直 向 上 的 加 速 运 动 时 ， 惯 性 块 在 惯 性 力 的 作 用 下 使 霍 尔元 件 H 产 生 一 个 相 对 盒 体 的 位 移 ， 产 生 霍 尔 电 压 VH 的 变 化 。 可 从VH 与 加 速 度 的 关 系 曲 线

15、上 求 得 加 速 度 。 七 、 霍 尔 振 动 传 感 器 图 11 所 示 为 一 种 霍 尔 机 械 振 动 传 感 器 。 图 中 ， 1 为 霍 尔 元 件， 固 定 在 非 磁 性 材 料 的 平 板 2 上 ， 平 板 2 紧 固 在 顶 杆 3 上 ， 顶 杆3 通 过 触 点 4 与 被 测 对 象 接 触 ， 随 之 做 机 械 振 动 。 元 件 1 置 于 磁 系统 6 中 。 当 触 头 4 靠 在 被 测 物 体 上 时 ， 经 顶 杆 3， 平 板 2 使 霍 尔 元件 在 磁 场 中 按 被 测 物 的 振 动 频 率 振 动 ， 霍 尔 元 件 输 出 的 霍 尔 电 压 的 频率 和 幅 度 反 映 了 被 测 物 的 振 动 规 律 。 应 当 说 明 ， 在 现 代 电 子 装 置 中 ， 上 述 应 力 、 压 力 、 加 速 度 、 振 动等 传 感 器 所 得 数 据 ， 都 可 经 微 机 进 行 处 理 后 直 接 显 示 出 被 测 量 数 据 或将 被 测 量 数 据 供 各 种 控 制 系 统 使 用 。