开关型霍尔传感器的原理与工程实现
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物理实验第23卷第7期
开关型霍尔传感器的原理与工程实现
宋青权伟龙齐新元
(兰州铁道学院基础科学系甘肃兰州730070)
摘要:介绍了开关型霍尔传感器的工作原理,设计了适用于工程测量的具体线路,并分析了该线路的特点关键词:开关型霍尔传感器;工程实现;差动放大电路中国分类号,TN382
文献标识码:A
文章编号:i005—4642(2003)07・0006—04
PrincipleandengineeringrealizationofHallswitch
SONGQing
sensor
QUAN
Wei—long
QIXin—yuan
(DepartmentofFundamentalScience,LanzhouRailwayUniversity,Lanzhou,Gansu,730070)
Abstract:TheworkingprincipleofHallswitch
beingapplicable
to
sensor
isintroduced.A
concrete
circuitfor
are
thcengineeringmeasuringisdesigned,andthecharacteristicsofthecircuit
analyzed.
Keywords:Hallswitchsensor;engineeringrealization;circuitofdifferential
amplifier
1引言
知识,而且还要求具备电子技术等方面的知识,除此之外,还要求具备综合应用及一定的工程设计能力.因此,自制霍尔开关被列为该项目的一个子项目.
2霍尔传感器的工作原理
由霍尔效应原理可知,当霍尔片处于磁场中,并在垂直于磁场的方向上通以电流时,霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差V。一KBI输出.当通过霍尔片的电流恒定不变时,改变磁场的大小,可以改变霍尔电势
差yH.
20世纪90年代初,集成霍尔传感器技术得到了迅猛的发展,各种功能的集成霍尔传感器在工业、交通、通讯等领域的自动控制中得到了大量的应用.如磁感应强度的测量、角度和位移的测量、周期和转速的测量、液位控制、产品计数、车辆行程计量等.
为了培养学生的创新意识,提高学生理论联系实际和初步的工程实践能力,我教研室为二年级以上的学生开辟了物理大实验创新基地,在物理学与其它后继专业课之问架起了一座桥梁.“霍尔传感器及其应用”就是其中的一个项目.开关型霍尔传感器是集成霍尔传感器的一种,它主要被应用于周期和频率的测量、转速的测量、液位控制等方面.从原理上讲,霍尔开关显得较为简单,但是设计霍尔开关却需要具备较宽的知识结构,它不仅要求具备物理学
开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成,如图1所示.从输入端1输入电压Vcc,经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端,以提供恒定不变的工作电流.在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场,产生霍尔电势
万方数据
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图1开关型霍尔传感器构成
(即B。)时,触发器D输出高电压(相对于地电
虬高
低
Bm8q8
图2开关型霍尔传感器输出电压
与外加磁感应强度关系
开关型霍尔传感器的设计方案很多,这里
硅霍尔片灵敏度K=21.7mV/(mA・T),选用的磁钢是直径为万一11.812ram,厚选用的施密特触发器为CD40106(六反相万
方数据7
初步选定霍尔开关的“工作点”为B。,一70mT,此时磁钢与霍尔片的距离为r一4.2mm.根据霍尔效应原理,当B。一70roT时,霍尔电势差为Vn一6.1raV.若要使D触发器输出转换为高电平,它的输入要大于8.3V,要将yw放大1360倍以上.由此增益推出,若要
使D触发器输出转换为低电平,它的输入要小于5.2V,对应的yw小于3.8mV,“释放点”为B。一44roT,此时磁钢与霍尔片的距离为r一
5.4mm.
硅霍尔片提供的差模直流信号v。放大后要用单端方式输出,虽然它的差模唐号只有几mV,但是共模噪声可高达几V,且差模信号的放大倍数要求上千倍之高,因此放大器减小输入漂移、噪声的能力和抑制共模信号的能力等因素对总的精度至关重要.考虑到上述这些特点,若采用单级放大,一个微小的扰动都会使输出达到饱和,而且单级放大倍数过大容易引起线路自激振荡,同时降低频带宽度.通过对多种方案的试验、比较,我们认为应该采用多级放大,本实验中采用的2级放大的高输入阻抗差所设计的开关型霍尔传感器的电路如图3
±15V电源.
仅使用2个放大器的高输入阻抗放大电路
n^≈2rc
(1)
r.c4虿1k
(2)
差Vw,该n信号经差分放大器c放大后送至
施密特触发器D整形.当磁场达到“工作点”位),使三极管E导通,输出端V。输出低电位,此状态称为“开”.当施加的磁场达到“释放点”(即B。)时,触发器D输出低电压,使三极管E截止,输出端y。输出高电位,此状态称为“关”.这样2次高低电位变换,使霍尔传感器完成了1次开关动作.如图2所示.B。,一B,,称为磁滞.
分放大器效果最好.
在此差值内,输出电位K保持高电位或低电位
不变,因而输出稳定可靠.所示,其中:A,~A。运算放大器全部采用3.2差分放大器的设计3.2.1输入电阻
3开关型霍尔传感器的工程实现
提供一种工程上实用的实施方案.
如图3中的虚线框(1)部分,它是2个同相放大器的简单串联组合,差动输入信号从2个放大器的同相端送人,从而获得很高的输入电阻.根据运算放大器的理论知识,由图3不难看出,差动输人电阻几乎就是2个运算放大器的共模输人电阻之和.当A。,A。的共模输入电阻rc相等时,本电路的差动输入电阻可表示为
共模输入电阻为
3.2.z差分放大电路的增益
3.1元件的选择与确定
工作电流的范围为0~10mA,本文将工作电流定为4mA.
度为无=3.806mm的钕铁硼.
器).当电源电压为矿cc=15V时,触发器正触发的阈值电压为8.3V,负触发的阈值电压为5.2V(实测).
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图3开关型瞿尔传恩器电婿图
设V,一o,图3中的A:是同相比例运算放
可选择Rs—Re,Rt=R7,R2=R3.这样理想的差大器,它的输出电压为
分放大电路增益为
y。。一(・+鲁)%
cs,
V。一(,+急)Ⅳ11--Viz,=(t+急)yn
cs,
A。是双端输人比例运算放大器。它的输出
可见,第1级的增益为
电压为
,。、
。
A=1+急
(9)
Vm一{1+笼)V,・一薏V。2_
在实验过程中发现,各类差动放大电路都
(1+跏-一是(・+鲁卜㈤
因为在实际应用中,输入端除了差动输入磊莩篓墓砉嚣譬篙淼蓍嚣
计了外部调零线路,如图3的虚线框(2)部分.电压V”(nI_yil--V-:)外,还有共模输人电压在进行外部调零时,V。V。。均为零.当电位计P。Vic,因此输入端的信号可以表示为
的中点滑到A点时,有
%刨c+孚,%叫r等(5)
y。一裁y+
(10)
把(5)式代人(4)式整理后得
滑到B点时,有
肛㈦R;|‘驯RnI酣丢(・+卺+麓h
m,
(6)
v。一彘y—
设计要求RB一尺10,R9一R11’则Ve=一y^.这样为了使共模增益l一是鲁为零,显然,电路的外
电位计P。上的电压Vr可在ys与y一之间调部回路电阻应按下式匹配
节.当输入y。y.:为零时,通过调节P-,使得鲁=惫
㈣
V。=0.甚至如果只要求输入为零时,使V“;0也可以达到.
万
方数据
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9
电路中运放采用的是双电源制,这样,对钕铁硼的极性不做要求时,对应的差动放大器的输出就可以为正或负.因此,第2级放大采用的
稳定.
该设计线路的优越性在于:
1)由2个运放组成的差动放大电路的精度高,且与由3个运放组成的差动放大电路相比,性价比较好;
2)可靠的外部调零线路保证了输出的准确性;
3)绝对值放大电路使得测量时不需要进行磁极判断.
通过本实验的设计与完成,使学生进一步了解了物理原理在其他领域的应用,同时也看到将理论应用到工程实践中去,还需要具备很多其他学科的知识,还需要在工程实践中不断总结经验.参考文献:
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[2]焦丽风.集成开关型霍尔传感器在测量物体转动
惯量中的应用口].实验室探索与研究,2000(5):
是绝对值电路,如图3的虚线框(3)部分,设计
要求R12一R13一尺1{一2R16一R.当V01>0时,D2导通,有
Vo。=--争%
忙(-急‰)+(一惫u。)一
鲁%一I鲁V。1|
当V。,<O时,D。导通,有
V。3==0
K—一急‰—一鲁%一i百R17%J
这样,无论钕铁硼的N极还是S极与霍尔片相对,第2级运放均输出正电压,以便控制D触
发器和OC门的正常工作.其增益为Az=譬.
4结果与分析
通过选配电阻,再经过外部调零,使得第l级的放大倍数为Az一342,第2级的放大倍数为A:一4,总的放大倍数为A=A,A:一1
368.
57.
[3]焦丽风.用集成开关型霍尔传感器测定弹簧的劲
度系数[J].物理实验,2000,20(11):45~46.[43荣格WG.集成运算放大器应用手册[M]张熠
中,姚朝亮译.北京:世界图书出版公司,1990.
(2002—12—19收稿)
在不同外部条件下进行测量,其稳定性高,与理论值符合性好,输出的高、低电位转换点可靠、
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