|
1 引言 由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢的大小取決于： Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導(dǎo)體材料的厚度。 對于一個給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測的磁場強度B。 一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。 近年來，由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的新型集成霍爾元件。這類元件可以分為兩大類，一類是線性元件，另一類是開關(guān)類元件。 2 線性霍爾元件的原理及應(yīng)用 UGN350lT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩(wěn)壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺高斯計。其使用十分簡單，先使B=0，記下表的示值VOH，再將探頭端面貼在被測對象上，記下新的示值VOH1。 ΔVOH=VOH1-VOH 如果ΔVOH＞0，說明探頭端面測得的是N極；反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V／T，由此即可測出相應(yīng)的被測磁感應(yīng)強度B。 如果采用數(shù)字電壓表(DVM)，可得圖1所示的線性高斯計。運放采用高精度運放CA3130。該電路的具體調(diào)零方式為：開啟電源后，令B=0，調(diào)節(jié)W1使DVM的示值為零，然后用一塊標(biāo)準(zhǔn)的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調(diào)節(jié)W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計檢測時示值如果為-200mV，則探頭端面檢測的是S極，磁場強度為0．02T。本高斯計也可用來測量交變的磁場，不過DVM應(yīng)改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地擴展普通數(shù)字萬用表的功能。 用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當(dāng)有電流流過導(dǎo)線時，就會在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場，其大小正比于流過導(dǎo)線電流的安匝數(shù)；這個磁場作用于霍爾元件，感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢，其靈敏度為7V／T，經(jīng)過運放μA741調(diào)零，線性放大后送入DVM，組成數(shù)字式鉗形電流表。該表的調(diào)試也十分簡單：導(dǎo)線中的電流為零時，調(diào)節(jié)W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調(diào)W3使DVM讀數(shù)為5V；反向輸入-50A電流，數(shù)字表示值為-5V。反復(fù)調(diào)節(jié)W1、W2、W3，讀數(shù)即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實驗，其靈敏度不小于0.1V／A，同樣，本電流表也可用于交流電流的測量，將DVM換成交流電壓表即可，十分方便。 3 開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用 開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對稱的施密特整形電路。圖3是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出，當(dāng)B=0時，V0為高電平；當(dāng)外磁場增至BOP時，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降至BrP時，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點。對于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。 UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過測量磁路的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計即可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。 用集成霍爾傳感器還可以組成過流檢測保護電路，該電路如圖4所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中，調(diào)整傳感面的位置，即可調(diào)節(jié)其動作的起始磁場，圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替，可以組成無觸點的過流保護電路。 開關(guān)型霍爾元件最具特點的應(yīng)用是在無刷電機上。通常的直流電機采用電刷型整流子供電，這種供電機構(gòu)工作時噪聲大，電機的壽命由于換相器的嚴(yán)重磨損大大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機的上述弊端，而且可以對電機直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機中，采用兩個霍爾元件和旋轉(zhuǎn)磁鋼構(gòu)成電機本體，利用霍爾元件IC1、IC2去開關(guān)驅(qū)動晶閘管，從而控制流過電機繞組的電流方向來完成換向；調(diào)速則通過伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來完成。由于采用電子換向，該電機運轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)，幾乎無干擾。 |
