1、第七章 磁传感器,根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作的传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。 本章根据最近磁传感器的发展，重点介绍基于霍尔效应一些半导体磁传感器。,7.1霍尔元件,早在1879年，人们就在金属中发现了霍尔效应，但是由于这种效应在金属中非常微弱，当时并没有引起重视。直到20世纪50年代，
2、由于微电子学的发展，才被人们重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国从70年代开始霍尔器件的研究和开发，经过30余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件。,7.1.1霍尔元件的工作原理及结构,霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件。霍尔效率的原理如图7.1所示。图中半导体为长方体，在电场E的作用下，电流在正面平行流过，如果没有磁场作用，电子是均匀分布的，如图7.1（a）所示。如果在半导体正面垂直方向加上磁场B，则在加上磁场的瞬间，电子在洛伦兹力的作用下向下方偏移，如图7.1（b）所示。这样，在半导体下侧方向上电子过剩而上侧方向电子不足，于是就产生了一个横方向上的电场，这就是霍尔电场
3、，如图7.1(c)所示。霍尔电场产生一定大小的静电力与洛伦兹力相平衡，使得半导体内的电子仍能平行地沿正面向前运动，在半导体横面上存在一个电压，这种霍尔电压，这种的现象就是霍尔效应。,(a)无磁场 (b)加磁场瞬间 (c)加磁场后的稳定状态 图7.1 霍尔元件工作原理图,霍尔元件在磁场作用下，产生的霍尔电压，可由下式给出，即,式中：VH霍尔元件；RH霍尔系数；d霍尔元件的厚度；I通过霍尔元件的电流；B加在霍尔元件上的磁场磁力线密度；F(l/W)元件形状函数，其中l为原件的长度，W为原件的宽度。,从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定，霍尔元
4、件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变。因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小和方向。 霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件虽然它的灵敏度低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。 图7.2是一种用溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件的结构，它由衬底、十字形霍尔元件、电极引线及磁性体顶端等构成。十字形霍尔元件4个端部的引线，有一对是电流输入端，另一对为霍尔电压输出端。铁磁体顶端是为了集中磁力线和提高元件灵敏度设置的，它的体积
5、越大，元件的输出灵敏度越高。,图7.2 锑化铟霍尔元件结构图,7.1.2霍尔元件的材料及结构 霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH愈大UH愈大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质和尺寸。材料的电阻率 和电子迁移率 大， 就大，输出的UH也就大，所以在选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的RH尽可能地大。元件的厚度愈大，愈小，也愈大，所以霍尔元件的厚度都比较小，但d太小，会使元件的输人、输出电阻增加。 霍尔元件较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(CaAs)及磷砷化铟(InAsP)、N型硅（Si）等。锑化铟元件的输出较大，受温度的影响也较
6、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线性好，但价格贵。,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制成一种半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊引线，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势，所以在制作时都有很严格的要求。,7.1.3霍尔元件的主要特性 1.输入电阻RIN 和输出电阻ROUT霍尔元件输入1和输入2的控制电流
7、极间电阻为输入电阻RIN；输出1和输出2的霍尔电压极间电阻为输出电阻ROUT。 2.额定控制电流IC给霍尔元件通以电流，能使霍尔元件在空气中产生100C温升的电流值，称为控制电流IC。 3.不等位电势V0霍尔元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电压的理想值应为零，但由于存在着电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍尔元件会输出电压，该电压称为不等位电势V，其值与输入电压、电流成正比。V0一般很小，不大于1mV.,4.霍尔电压VH将霍尔元件置于B=0.1T的磁场中，再加上输入电压，此时霍尔元件的输出电压就是霍尔电压VH 。图7.3是霍尔元件在恒流源和恒压源下的霍尔电压VH 和磁
8、通密度B之间的典型曲线。,磁通密度B(T)(a)恒流源驱动 磁通密度B(T) （b）恒压驱动 图7.3霍尔元件输出特性,5.霍尔电压的温度特性 当温度升高时，霍尔电压减小，呈现负温度特性。表7.1为一些霍尔元件的主要技术指标。 表7.1霍尔元件的主要技术指标。,7.1.4霍尔元件的应用典型电路 1.对不等位电势V 的补偿电路 一般常采用加补偿电阻的方法来消除由于霍尔元件本身存在的不等位电势V，但使用这种方法会影响霍尔元件的灵敏度和精度。图7.4是常见的几种补偿电路。,图7.4利用跨接电阻补偿不等位电势的一些电路,2. 温度补偿电路 由温度引起的误差可以采用并联电阻的方法来补偿，其计算公式为R=
9、R/,式中、R可从参数表中查出。具体电路如图7.5所示。,图7.5温度补偿电路,7.1.5霍尔元件的特点及应用范围 1. 霍尔元件的特点 （1）霍尔元件可以测量磁物理量及电量，还可以通过转换测量其它非电量。 （2）由于霍尔元件的输出量是比例与两个输入量的乘积，因此，可以方便而准确地实现乘法运算，可构成各种非线性运算部件。 （3）输出信号的信噪比大。 （4）频率范围宽。一般的霍尔元件都工作在从直流到数百千赫兹的频率范围内。 （5）体积小（一般为10 10cm），重量轻，使用方便。 （6）稳定性好，寿命可使用无限次。,2.霍尔元件的应用范围 霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，如无线电技术、计算机
10、技术、自动控制技术等、具体的应用产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、调制器、位移传感器、微波功率计、频率倍增器、回转器、乘法器、磁带或磁鼓读出器、霍尔电机，等等。,7.2霍尔开关集成传感器 霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。 7.2.1霍尔开关集成传感器的结构及工作原理 霍尔开关集成传感器是以硅为材料，利用硅平面工艺制造的。硅材料制作霍尔元件是不够理想的，但在霍尔开关集成传感器上
11、，由于N型硅的外延层材料很薄，可以提高霍尔电压。如果应用硅平面工艺技术将差分放大器、施密特触发器及霍尔元件集成在一起，可以大大提高传感器的灵敏度。,图7.6是霍尔开关集成传感器的内部结构框图,它主要有稳定电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳定电路可使传感器在较宽的电源范围内工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。霍尔开关集成传感器的原理及工作过程可简述如下：当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压V,该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的V电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管V导通，且具有吸收电流
12、的负载能力，这种状态我们称它为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的V电压很小，经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形器再次翻转，输出低电平，使半导体管V截止，这种状态我们称它为关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完。图7.6霍尔开关集成传感器内部结构框图成了一次开关动作。图7.7是霍尔开关集成传感器的外形及典型应用电路。,图7.7霍尔开关集成传感器的外形及应用电路,7.2.2霍尔开关集成传感器的工作特性 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线，如图7.8所示。从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞B，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的B为工作点“开”的磁感
13、强度，B为释放点“关”的磁感应强度。 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线，反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感应强度高于B时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感应强度低于B时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。 UGN3075霍尔开关集成传感器是一种双稳态型传感器，又称为锁键型传感器。它的工作特性曲线如图7.9所示。当外加磁感应强度超过工作点时，其输出为导通状态。而在磁场撤销后，输出扔保持不变，必须施加反向磁场并使之超过释放点，才能使其关断。表7.2列出了一些霍尔开关集成传感器的技术参数。,表7.2霍尔开关集成传感器的技术参数,图7.8霍尔开关集成传感器的工作特性曲线,
14、图7.9双稳态霍尔开关集成传感器工作特性曲线,7.2.3霍尔开关集成传感器的应用 1. 霍尔开关集成传感器的接口电路 传感器输出半导体管V是发射极接地而集电极开路的电路结构。这样的电路结构可以很容易地与半导体管、晶闸管、一般的逻辑电路相耦合。图7.10给出了一般负载的接口电路。,图7.10霍尔开关集成传感器的一般接口电路,2.给传感器施加磁场的方式 （1）磁铁轴心接近式,图7.11 霍尔开关集成传感器的L-B关系曲线,图7.11是这样施加磁场方式的特性曲线。在磁铁的轴心方向垂直于传感器轴心重合的条件下，随磁铁与传感器的间隔距离的增加，作用在传感器表面的磁感应强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一
15、定位置时，传感器开关接通，而磁铁移开到一定距离时开关关闭。应用时，如果磁铁已选定，则应按具体的应用场合，对作用距离作合适的调整。 （2）磁铁侧向滑近式 这种方式要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的反方式在传感器前方通过。图7.12给出了这种工作方式的特性曲线，即作用于传感器表面的磁感应强度B与磁铁轴线到传感器中心线距离的关系。,图7.12霍尔开关集成传感器的L-B关系曲线,（3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 在霍尔开关集成传感器的应用中，往往把提高激励传感器的磁感应强度当成一个重要问题去考虑。除了选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的
16、间隔距离外，还可以采用下述方法增强传感器的磁感应强度。,图7.13磁力集中器的安装示意图图7.13是采用磁力集中器的安装示意图。磁力集中器一般用低碳钢制作成圆棒，也可以制成其他形状，然后将磁力集中器固定在传感器的背面。使用磁力集中器可使磁感应强度增加一倍。,图7.14在磁铁上安装铁底盘示意图 图7.14是在磁铁背后安装铁底盘的示意图。采用这种方法也会起到增加磁感应强度的作用。可在原有磁力集中器增加一倍磁感应强度的基础上再增加30.铁底盘一般采用软钢制成正方形，其面积为2525mm,厚度为0.60.8mm之间。,（4）激励磁场的应用实例 （a）加磁力集中器的移动激励方式,图7.15带有磁力集中器
17、的移动激励方式示意图,图7.15是加有磁力集中器移动激励方式的示意图。在同样作滑近式移动时，不带磁力集中器和带有磁力集中器的磁感应强度有很大的差异，见图7.16所示。,图7-16 L-B关系曲线对比图,（b）推进式 这种方式如图7.17所示，两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如图7.18所示的较为线性的特性，这在某些场合是很需要的。值得注意的是，磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S极的激励作用。,图7.17推进式激励磁场示意图,图7.18推进式B-L曲线,（c）双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的S极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，是它的N极对着
18、传感器的背面，就会获得大得多的磁场。图7.19就是采用双磁铁滑近式的一种结构。,图7.19双磁铁滑近式结构示意图,（d）翼片遮档式 在实际的应用中，往往需要将磁铁和传感器固定，去测定运转的转速或位移，或者计量零件的数量。在这种情况下可以使用翼片遮挡的方法。 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。通常使用的翼片形状如图7.20所示。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。,图7.20翼片遮挡器的形状,(c)偏磁式 如果在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例
19、如，将磁铁的N极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使他关断。,7.3霍尔线性集成传感器 霍尔开关集成传感器的基本用途包括以下一些领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等。 7.3.1霍尔线性集成传感器的结构及工作原理 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成。当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调
20、调整和线性度调整等电路。霍尔开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍尔线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。,霍尔线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，它们的电路结构分别见图7.21和图7.22所示。,图7.21单端输出传感器的电路结构,图7.22双端输出的电路结构,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出的电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的水平。其典型产品是SL3501T。 双端输出的传感器是一个S脚双列直插封装器件，它可提供差
21、动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型的产品是SL3501M。,7.3.2 霍尔线性集成传感器的主要技术特性 传感器的输出特性见图7.23和图7.24所示。霍尔线性集成传感器的技术参数见表7.3所示。,图7.23 SL3501T传感器的输出特性曲线,图7.24 SL3501M传感器的输出特性曲线,表7.3,7.4磁传感器的应用实例 7.4.1霍尔元件在转速测量上的应用 利用霍尔效应测量转速的工作原理非常简单，将来磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔元件置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息，将霍尔元件输出电压经后续电路处理，便可得转速的数据，图7-25和图7-
22、26是两种测量转速方法的示意图。,图7-25永磁体装在轴端的转速测量方法,图7-26永磁体装在轴侧的转速测量方法,7.4.2直流功率测量仪 如果在霍尔元件控制电流端通入的电流为I=KI，其中K为一比例系数，I为通过负载R的电流。而用一比例于负载R电压降V的电压V来激励磁场，即B=K,V=K V，则霍尔元件的输出电压可用下式表示，即因此，可以利用霍尔元件进行直流功率测量。 霍尔元件用来测量功率是霍尔效应的重要应用之一，它同用其它方法测量功率相比有下列的优点： 1.由于霍尔电压正比于被测功率，故可以做成直读式功率计。 2.功率测量范围可以微瓦到数百瓦。 3.装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔
23、离，稳定性好，精度高。 4.工作寿命长，体积小，结构简单，成本低廉,图7-27是直流功率计电路。这种电路适用于直流大功率的测量，R为负载电阻，表示仪表一般采用有功率刻度的福特表，霍尔元件采用N型褚元件较为有利。其测量误差一般小于1%。,图7-27 直流功率计电路,7.4.3利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖层厚度测量 磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚度测量，例如对钢铁表面的镀膜，油漆，塑料。搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。 利用霍尔线性集成电路制成的霍尔厚度传感器的结构见图7-42所示，将U型硅钢片铁芯中间断开，然后将SL 3501M霍尔线性集成传感器和一片钕
24、铁硼用磁体夹在中间，用502胶粘牢。测量时将U型铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过U型铁芯和被物体构成磁回路，磁回路路径如图7-28中虚线所示。,图7-28磁法测量原理图,同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器产生的电压随覆盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。 霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信息幅度。其放大电路和输出特性见图7-29所示。,图7-29放大电路及输出特性,显然，所得到的输出电压与覆
25、盖层厚度之间是非线性关系，对于这种曲线，若采用指针式表头来显示覆盖层厚度值，可采取非等分刻度定标。如采用数字式表示，则必须将U-曲线进行先行优化处理。,7.4.7霍尔计数装置 由于SL3501霍尔开关集成传感器具有较高的灵敏度，它能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件的有无进行检测，我们可以利用这一特性制成计数装置，图7-30就是对钢球进行计数的工作示意图和电路图，当钢球通过霍尔开关集成传感器时，传感器可输出峰值为20mA的脉冲电压。该电压经放大器IC放大后，要动半导体管VT工作，VT输出端便可接计数器进行计数，并由显示器进行显示。,图7-30霍尔计数装置的工作示意及电路图,7.4.8无
26、触点开关 图7-37所示是无触点开关的电路。由四只磁敏二极管组成桥式检测电路，这样可以进行温度补偿，平时无磁场时，磁敏电桥平衡无信号输出，当磁铁运行到距离磁敏二极管一定位置上的压降增高，是晶闸管VT导通，继电器K工作，其常开触点K和K闭合，指示灯点亮，控制电路接通。,图7-37无数点开关电路图,7.4.9无触点电位器 一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信号，而且寿命不长，使用磁敏元件制作的无触点电位器则可克服上述缺点，图7-38是无触点电位器的结构示意图。其中，磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线性集成传感器。将磁敏元件放置在单个磁铁的下方或两个磁铁之间，当旋动电位器手柄时，磁铁跟着转动
27、，从而使磁敏元件表面的磁感应强度也发生变化。这样，磁敏元件的输出电压将随手柄的转动而变化，起到电位调节作用。,图7-38无触点电位器结构示意图,7.4.10无接触式仿型加工 在仿型铣床加工中，靠模总是同模件接触的。当靠模沿模件移动时，差动变压器感知出位移信号，经放大后送入随动电机使铣刀沿着工作重复靠模的运动，从而实现半自动化的加工。 应用霍尔元件可做成无接触的探头，以代替原有的结构，涂3便是这种仿型铣床的工作原理示意图，在探头的前方设置有永久磁铁，当他靠近模件时，霍尔元件的输出电压增加，当它离开模件时，霍尔元件的输出电压减小，利用放大器和控制电路，可使探头与模件保持一定距离，当探头沿模件移动时
28、，通过移动系统移动能力，便可加工出与模件相同形状的工件来。,图7-39无接触式仿型铣床工作原理示意图,7.4.11霍尔汽车点火器 传统的汽车点火装置是利用接卸装置使接触点闭合和打开，在点火线圈开的瞬间感应出到电压供火花塞点火。这种方法容易造成开关的触点产生磨损，氧化，使发动机的性能变坏，也使发动机的性能提高受到限制。 图7-40是霍尔汽车点火器的结构示意图。图中的霍尔传感器采用SL3020.在磁轮鼓上嵌有永久磁铁和软铁制成的扼铁磁路，它和霍尔传感器保持有适当的间隙。由于永久磁铁按磁性交替排列并等分地嵌在磁轮鼓的圆周上，因此，当磁轮鼓转动时，磁铁的N极和S极便交替地在霍尔传感器的表明通过，霍尔传
29、感器的输出端便输出脉冲信号，用这个脉冲信号去处罚功率开关管，使它导通或截止，在点火线圈中便产生15 KV的感应高电压，以点燃气缸中的燃油，随着发动机的转动，上述过程将周而复始地进行下去。,采用霍尔传感器制成的汽车点火器，和传统的汽车点火器相比具有以下优点: 1.由于无触点，因此无需维护，使用寿命长。 2.启动方便，汽车自啊低俗爬坡和高速行驶中不会发生熄火现象。 3.由于点火能量大，气缸中气体燃烧充分，排气对大气的污染明显减少。 4.由于点火时间准确，可提高发动机的性能,图7-40霍尔汽车点火器结构示意图,7.7.12霍尔无刷直流电机 采用霍尔元件做直流电机的整流子可以实现高速度转换，可靠性高，
30、转矩-重量比高，速度-转矩的线性度好，可以用低功率信号控制等要求。由于出去了电刷，不存在电刷磨损问题，使电机的使用寿命大大增加。 霍尔无刷直流电机的结构，如图7-41所示，电机的磁场由永久磁铁做成的转子产生，在定子上安有12只霍尔元件，各与一个线圈相连，线圈被安放在定子槽中，各线圈由霍尔元件的输出电压激励，使其产生一个磁场，与相应的霍尔元件相差90，超前于转子磁场90这时，转子为了要跟上电枢线圈产生的定子磁场，于是就转动起来。,图7-41霍尔无刷电机的结构图 当转子的磁通通过霍尔元件时，磁场反相，使霍尔元件输出的极性也反相，结果，相应的线圈磁场就产生了磁场转换，使定于的磁场始终超前于转子磁场9
31、0，从而使定于沿同一方向继续移动。,7.7.13启动供水装置 自动供水装装置可实现凭票定量自动供应开水，具有节约用水而又卫生的优点，特别适用于单位水房安装使用。 启动供水装置的结构见图7-42所示。锅炉中的水由电磁阀控制流出于关闭，电磁阀的灯下与关闭，则受控于控制电路。当用水者打水时，需将铁制的取水牌从投放口投入，取水牌沿非磁性物质制作的沿槽向下滑行，当滑行到此传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，水从水龙头流出，经延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，又恢复到停止供水状态。,图7-42自动供水装置构造示意图,自动供水装置的电路，如图7-43所示，它主要由磁传感装置，单稳态电路，
32、固态继电器，电源电路及电磁阀等组成，磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成，平时，SL3020传感器受磁铁磁场的作用，其输出端输出低电平，半导体管VT处于截止状态，由IC组成的单稳态电路处于复位状态，IC的输出端3脚输出低电平，固态继电器SSR由于无控制电流而处于截止状态，电磁阀Y无电而关闭，水龙头无水流出，单稳态电路在复位状态时，IC内部将电容C短路。,当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通过磁传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器此时输出高电平脉冲，经TV反相触发单稳态电路翻转进入暂稳状态，此时IC的3脚输出为高电平，使固态继电器SSR导
33、通，电磁阀Y得电工作自动开阀放水，单稳态翻转后，IC内部电路将C源短路状态释放， C通过RP和R开始充电，当C上的电位充电到IC的阀值电压时，触发单稳态电路复位，IC输出端第3脚又恢复到低电平，固态继电器SSR截止，电磁阀Y断电关闭，水龙头自行停止出水，电路又恢复到平时状态。单稳态电路每次由单稳态翻转进入暂稳状态的时间长短，也就是每次供水的时间，该事件取决于C,R,RP的时间常数，调节RP可在320范围内改变这一时间。 C和C是旁路电容器，主要用来消除各种杂波的干扰。,图7-43自动供水装置电路原理图,7.7.14大件金属物件检测器 该检测器主要用来检测大件金属物件的存在与否，如车辆的通过等，
34、检测传感器采用埋在深度为0.2m的感应线圈式磁传感器L，它是用26号 漆包线在1.2m的框架上绕50匝制成。检测器电路见图7-44所示。电路主要由振荡器，检测电桥，放大器，倍压整流器及继电器驱动电路等组成。VT及外围元件组成频率为10kHz的振荡器，其输出通过600：600的变压器T 耦合至电桥。电桥由RP1、RP2、RP3、R1、C6及传感器L组成，适当调节RP1、RP2和RP3，可使电桥在无任何金属物体时接近平衡，几乎无交流信号从电桥输出，若有足够大的铁磁物件通过传感器L的上方时，传感器产生的感应电流使电桥失去平衡，A点就会输出检测信号。,图7-44大件金属物体检测器电路图,检测信号先由VT、VT放大，经倍压整流后驱动VT导通使继电器工作，继电器触点K闭合，产生的控制信号可输给执行电路以指示有无车辆存在。,思考题与习题 7.1设计一个霍尔汽车点火器,并说明其工作原理。 7.2设计一个由电磁阀控制的自动上水水塔。 7.3用一磁电式速度传感器测量50Hz的振动领本，振幅误差小于5。相对阻尼数为0.6，问传感器的固有频率应为多少? 7.4试分析霍尔元件输出电阻为RL时，利用在输入回路中串联电阻R进行温度补偿的条件。,习题7.4图,7.5 试推导习题7.5图所示霍尔元件HA和HB组成的无刷直流测速发电机的输出电动势E的方程式。,习题7.5图,
