【正文】 a b c d I U o 圖 735 霍爾元件不等位電勢示意圖 不等位電勢也可用 不等位電阻 Ro來表示，即 IUR 00 ?式中， U0為不等位電勢； I為激勵(lì)電流。 (750) 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 4） 寄生直流電勢 當(dāng)外加磁場為零時(shí)，給霍爾元件通一交流控制電流，則在霍爾電極輸出端，除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，這個(gè)直流電勢就稱作寄生直流電勢。 由式 (750)可知，不等位電勢就是激勵(lì)電流經(jīng)不等位電阻時(shí)所產(chǎn)生的電壓。它產(chǎn)生的原因主要是 兩個(gè)霍爾電勢極在制作過程中安裝不對(duì)稱所致。 5）霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下，溫度每變化 1℃ 時(shí)，霍爾電勢變化的百分率稱作霍爾電勢溫度系數(shù)，它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 1） 霍爾元件不等位電勢的補(bǔ)償方法 為了消除不等位電勢對(duì)測量結(jié)果的影響 ， 通常采取補(bǔ)償?shù)姆椒右越鉀Q 。 霍爾元件不等位電勢的等效電路如圖 736所示 。 圖 7 1 霍爾元件不等位電勢 示意圖 a b c d I Uo 圖 735 霍爾元件不等位電勢示意圖 圖 736 霍爾元件的等效電路 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 消除不等位電勢的方法是根據(jù) c、 d兩點(diǎn)電位的高低 ， 確定應(yīng)在哪一個(gè)橋臂上并聯(lián)一定的電阻 ， 使電橋達(dá)到平衡 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)不等位電勢的補(bǔ)償 。 圖 737給出了幾種不等位電勢的補(bǔ)償方法 。 其中圖 (a)、 (b)、 (c)是常見的補(bǔ)償電路 ， 圖 (d)是交流供電的補(bǔ)償電路 。 圖 737 不等位電勢的幾種補(bǔ)償方法 Rp RpRpRp 1Rp 2RRC1C2( a ) ( b ) ( c ) ( d )第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 2) 霍爾元件的溫度補(bǔ)償方法 由于霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的 ， 因此它 的參數(shù)通常都與 溫度 變化有關(guān) 。 一般來說 ， 霍爾元件的靈敏系數(shù) KH和輸入電阻 Ri與溫度的關(guān)系可寫成 式中 ， KH0表示溫度為 t0時(shí)的 KH值； ?t為溫度變化量； ?為霍爾電勢溫度系數(shù)； Ri0表示溫度為 t0時(shí)的 Ri值； β為輸入電阻Ri的溫度系數(shù) 。 )1(H0H tKK ????)1(i0 tRRi ????(751) (752) 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 圖 738 恒流源溫度補(bǔ)償電路 適當(dāng)選擇分流電阻 Rp的阻值和溫度系數(shù)，當(dāng)霍爾元件的 靈敏系數(shù) KH隨溫度變化而增大時(shí)， Rp會(huì)自動(dòng)地增大分流；從而迫使電流 IH 減少，使 KH與 IH 乘積保持基本不變，達(dá)到了溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹? 由于霍爾元件的溫度系數(shù) ?是正值。若 能 在溫度升高的同時(shí)讓激勵(lì)電流 IH相應(yīng)的減少，并能保持 KH和 IH的乘積不變，就能消除溫度變化對(duì)霍爾電勢的影響。 目前最好的方法是采用恒流源溫度補(bǔ)償電路法，其補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)如圖 738所示。 IH Ip Is RpUH Ri 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 假設(shè)初始溫度為 t0時(shí)，霍爾元件的輸入電阻為 Ri0，靈敏系數(shù)為 KH0，分流電阻為 Rp0，霍爾激勵(lì)電流為 IH0，則 當(dāng)溫度變化 ?t時(shí)，假設(shè)分流電阻 Rp變?yōu)? 式中， γ為分流電阻 Rp的溫度系數(shù)。 則霍爾激勵(lì)電流 IH變?yōu)? i0p0sp0H0 RRIRI??)1(p0p tRR ????)1()1()1(i0p0sp0ipspH tRtRItRRRIRI?????????????(753) (754) (755) 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 令 UH=UH0得 KHIH=KH0IH0，即 經(jīng)整理后得 當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻 Ri、溫度系數(shù) β及霍爾電勢溫度系數(shù) ?都是已知的，選定一個(gè)溫度變化范圍 ?t， 根據(jù)式(757)就可以確定出分流電阻 Rp0及所需的溫度系數(shù) γ。 由此可知，通過合理選擇分流電阻 Rp0和溫度系數(shù) γ，可使霍爾元件在溫度變化 ?t的范圍內(nèi)，保證輸出的霍爾電勢基本不變， 從而 達(dá)到溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹? i0p0sp0H0i0p0sp0H0)1()1()1()1(RRIRKtRtRItRtK???????????????i0p0 )1()1( RttR?????????????(756) (757) 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 霍爾集成電路 圖 739 霍爾集成電路 霍爾集成電路是指將 霍爾元件 、 測量電路 、 穩(wěn)壓電源 和 輸出電路 集成在一塊芯片上的集成器件 ， 又稱作霍爾傳感器 。 它有三引腳單端輸出和八引腳雙列直插式雙端輸出兩種結(jié)構(gòu) 。 其中三引腳單端輸出的霍爾傳感器結(jié)構(gòu)外形如圖 739所示 。 霍爾傳感器可分為 線性 和 開關(guān) 兩種 。 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 1. 霍爾線性傳感器 霍爾線性傳感器 是把 霍爾元件 、 線性放大器 和 射極 輸出器 集成在一起的器件 。 它 的輸出電壓與加到它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B在一定范圍內(nèi)成線性比例關(guān)系（見圖 740）。 常見的霍爾線性集成傳感器型號(hào)有 UGN3501, SS95A和 MLX90215等。 圖 740 霍爾線性傳感器的特性 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 2. 霍爾開關(guān)傳感器 霍爾開關(guān)傳感器是把 霍爾元件 、 穩(wěn)壓器 、 差分放大器 ，斯密特觸發(fā)器 和 OC門輸出電路 集成在一起的器件 。 開關(guān)型霍爾傳感器有一定的滯回特性 （ 見圖 741） 。 圖 741 霍爾開關(guān)傳感器的特性及應(yīng)用電路 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 742給出了一些常見霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 。 圖 742 常見霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 S N SN霍 爾 元 件( a ) ( b ) ( c )NS霍 爾 元 件NSNS霍 爾 元 件xxx圖 742(a)是把兩塊永久磁鐵同極性的相對(duì)放置， 顯然， 兩塊磁鐵的中 間 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=0，所以輸出電勢 UH也等于零。當(dāng)霍爾元件向左或向右移動(dòng) x時(shí)，其 UH的大小就反映位移 x的大小， UH的的正負(fù)就反映位移 x的方向。 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 圖 742(b)是由一塊永久磁鐵和一塊霍爾元件組成的霍爾式位移傳感器。適當(dāng)選擇霍爾元件的初始位置，使霍爾電勢 UH處于中間值。當(dāng)霍爾元件向左或向右移動(dòng) x時(shí)，則霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度就發(fā)生變化，這時(shí) UH也發(fā)生變化。通過測量 UH的變化，就可以知道位移 x的大小和方向。 圖 742(c)是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的磁路和一塊霍爾元件組成的霍爾式位移傳感器。它可在 x軸方向形成一定梯度的磁場(見圖 743)。為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴。顯然，適當(dāng)調(diào)整霍爾元件的初始位置，可使穿過霍爾元件的磁通為零，即霍爾電勢 UH=0。當(dāng)霍爾元件向左或向右移動(dòng) x時(shí)，霍爾元件的輸出電勢 UH不再為零。通過測量 UH的數(shù)值，就可知道位移 x的大小和方向。 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 即 式中， S為位移傳感器的輸出靈敏度。 由 可知 ， 當(dāng)通過霍爾元件的電流 I恒定不變時(shí) ，霍爾電勢 UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成正比 ， 若磁場 B在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度為常數(shù) ， 即 IBKU HH ?常數(shù)?? kdxdB常數(shù)???? SIkKdxdBIKdxdU HHHxSUH ?? ?則當(dāng)霍爾元件沿 x方向移動(dòng)時(shí) ， 有 (760) (759) (758) 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 位移傳感器工程應(yīng)用案例 金屬板厚度監(jiān)測系統(tǒng)案例 金屬板厚度監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖 744(a)所示。它的主要檢測元件就是差動(dòng)電容傳感器。 ( a ) 電 容 測 厚 儀 結(jié) 構(gòu) 及 原 理 Cx Uo Co U U 差 動(dòng) 放 大 顯 示 電 路 音 頻 放 大 整 流 濾 波 音 頻 信 號(hào) 發(fā) 生 器 被 測 帶 材 電 容 定 極 板 軋 輥 Cx ( b ) 電 容 測 厚 儀 測 量 電 路 框 圖 T 圖 744 電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 由于差動(dòng)電容器的兩塊相同固定極板安裝在被測帶材的上下兩邊，故與金屬帶材構(gòu)成兩個(gè)電容 Cx1和 Cx2。 把兩塊固定極板用導(dǎo)線連結(jié)起來，作為一個(gè)極板，而帶材作為電容器的另一極板，則電容 Cx1和 Cx2為并聯(lián)。顯然，其總電容 Cx為 金屬帶材在軋制過程中不斷向前送進(jìn)，如果帶材厚度發(fā)生變化，它將引起上、下兩個(gè)極板間距變化，即引起兩個(gè)電容Cx1和 Cx2電容量的變化。從而引起總電容 Cx的變化。把這個(gè)變化量 △ Cx測量出來就可知道帶材厚度的變化。也就可以知道帶材的厚度。 這種測厚儀的優(yōu)點(diǎn)是帶材的振動(dòng)不影響測量精度。 2x1x CCCx ?? (761) 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 電容傳感器的測量電路很多，本案例采用變壓器式交流電橋進(jìn)行測量，其測量電路框圖如圖 744(b)所示。它把音頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的音頻信號(hào)接入變壓器 T的原邊線圈，變壓器副邊的兩個(gè)線圈作為測量電橋的兩個(gè)橋臂；測量電橋的另外兩個(gè)橋臂分別由總電容 Cx和標(biāo)準(zhǔn)固定電容 C承擔(dān)。且 C的取值與帶材要求厚度時(shí)的 Cx0=2C0相等，即 C=Cx0=2C0。若厚度沒有變化，電橋平衡，電橋輸出為零；若厚度發(fā)生變化，則總電容 Cx的變化量 △ Cx將引起交流電橋的不平衡輸出，經(jīng)過相敏檢波、濾波、差動(dòng)放大，最后即可在儀表上顯示出帶材的厚度。這種測厚儀的優(yōu)點(diǎn)是帶材的振動(dòng)基本不影響測量精度。 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 鋼球生產(chǎn)流水線自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)案例 黑色金屬器件生產(chǎn)流水線上的自動(dòng)檢測和計(jì)數(shù)裝置結(jié)構(gòu)如圖 745 (a)所示。它是采用線性霍爾傳感器 UGN3501來實(shí)現(xiàn)的，該傳感器靈敏度高，能感受很小的磁場變化，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色金屬球的自動(dòng)檢測。圖 745 (b)是它的測量電路，當(dāng)一個(gè)鋼球從霍爾傳感器上面滾過時(shí)，霍爾傳感器可輸出一個(gè)峰值為 20mⅤ 的脈沖電壓信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器 (μA741)放大后，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管 VT(2N5812)工作在開關(guān)狀態(tài)，使三極管輸出一個(gè)矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)計(jì)數(shù)器累加計(jì)算后，顯示器就可顯示出當(dāng)前生產(chǎn)小鐵球的數(shù)量。 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 ( b ) 測 量 電 路NS黑 色 鋼 球絕 緣 板霍 爾 傳 感 器磁 鐵( a ) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖計(jì) 數(shù)顯 示 器U G N 3 5 0 1S+ 1 2 V+ V c cR4 4 7 0 k ΩR5 4 7 0 ΩR3 1 k ΩR1 1 0 k ΩR2 1 1 k ΩC1 2 2 μ FVT2 N 5 8 1 2RLμ A 7 4 1++∞A圖 745 霍爾計(jì)數(shù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖及測量電路 作業(yè)： 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 課間休息 第 7章 位移傳感器及工程應(yīng)用 謝謝觀看 /歡迎下載 BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. 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