奥地利微电子推出3D霍尔传感器
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全球领先的高性能模拟IC设计者及制造商奥地利微电子公司近日推出全球首款基于全功能3D霍尔平台的线性位置传感器AS5410。独特的3D 霍尔传感器解决方案可在汽车和工业应用中感应绝对位置，提供超高分辨率的位置信息。
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AS5410能在设备启动后即刻检测一个简单两级磁铁的绝对位置，应用中无需预先运行参考定位。即便使用非常小的磁铁，位置感测也可支持大范围的机械运行距离，例如，4 x 4 x 3 mm大小的NeFeB磁铁移动40mm距离也能被感应到。另外，即使当器件受到外部杂散磁场的干扰时，3D霍尔解决方案仍能保持稳定的输出。该功能为全球首创，归功于其包含多个3D霍尔传感器单元的特殊差分测量技术。AS5410内部EEPROM可将曲线运动、非线性尺寸和倾斜的芯片/磁铁位置等各类几何情况转换为一个线性输出信号。为了实现完美的线性输出(精度高达0.5%)，AS5410线性位置传感器提供一个具备33个基点的内部线性化表。奥地利微电子的AS5410 3D霍尔编码器可通过SPI接口预设四种基本操作模式，提供快速便捷的配置操作。所有信号调理，包括对温度影响的补偿等均在片内实现。
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二：霍尔传感器 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。 霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如下图所示，是其中一种型号的 外形图 三：霍尔传感器的分类 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种: 1.线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组 成，它输出模拟量。 2.开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
配合差分放大器使用霍尔元件产生的电势差很小，一般在毫伏量级，所以在使用时要进行一定的放大处理（如下图） 配合触发器用在上述电路的基础上，再添加一个施密特触发器用作阈值检测，则可以使霍尔器件输出数字信号,结构图如下： 集成场效应管在上述电路的基础上添加一个场效应管，可以
增强霍尔开关的驱动能力（可以直接驱动LED、继电器等） 四：霍尔传感器的特性 1.线性型霍尔传感器的特性 2.开关型霍尔传感器的特性 如图4所示，其中BOP为工 作点“开”的磁感应强度，BRP 为释放点“关”的磁感应强度当 外加的磁感应强度。超过动作点 Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop 与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
A3144是开关霍尔传感器 五：开关型霍尔传感器 开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。 1．测转速或转数 如图所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。
霍尔电流传感器的应用场合 1、继电保护与测量：在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。 2、在直流自动控制调速系统中的应用：在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。 3、在逆变器中的应用：在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。 4、在不间断电源中的应用：在该应用中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用霍尔电流传感器1发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，霍尔电流传感器2发出的信号控制逆变器，霍尔电流传感器3控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。 5、在电子点焊机中的应用：在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A、B，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。 6、用于电车斩波器的控制：电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。 7、在交流变频调速电机中的应用：用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10％以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间往往小于5μs，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。 8、用于电能管理：霍尔电流传感器，可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发现过载，便及时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。
霍尔芯片的发展 第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。1910年有人用金属铋制成霍尔元件,但是由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以几乎没有多大用处。 第二阶段是从20世纪40年代中期,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体分立霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用霍尔元件制造的各种磁场传感器,应用十分广泛。但是由于温漂的存在，所以精确度受到了一定的限制，并且还需要外加信号调理电路，所以使用较复杂且成本比较高。 第三阶段是自20世纪60年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。由于将霍尔元件和信号调理电路和温度补偿电路集成在一起，因此具有很好的线性度，精确度很高。 第四阶段是20世纪80年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三端口或四端口固态霍尔传感器,实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。 未来的发展趋势是量子霍尔传感器和等离子霍尔传感器。 一、分立霍尔元件 1、1双极平行元件 采用标准双极(bipolar)工艺制成的霍尔元件,由于电流在外延层内平行于芯片表面流动,因此又称为平行霍尔元件。 1、2垂直元件 采用双极工艺还可以制成垂直霍尔(VH)元件，该霍尔元件的灵敏度较低。为了提高灵敏度而减少电流路径,又研制了扩散型(DVH)和沟道型(TVH)两种垂直霍尔元件 1、2、1 MOS垂直元件 薄MOS沟道作为霍尔元件的激励区，可获得1 000V/AT的灵敏度。 1、2、2 CMOS垂直元件 采用CMOS工艺制成的体型(bulk)垂直霍尔元件，电流从芯片表面流入芯片内部,灵敏度可达450V/AT。 1、2、3 JFET垂直元件 在上述TVH元件的基础上,增加离子反应刻蚀(RIE)工艺,制成了结型场效应管垂直霍尔元件。这种霍尔元件灵敏度可达1 243V/AT。 二、集成霍尔传感器 2、1三维VH磁场传感器 VH传感器是最常见的磁场传感器,它的特点是将电极形成在芯片表面,对平行于芯片表面的磁场敏感,从不同的方向测量该磁场就形成了不同坐标的传感器。 2、2单片硅指南针 采用TLC(tran linear circuit)工艺制成的模拟集成霍尔指南针,它由2个VH元件和信号转换处理电路组成。 2、3全集成三维角度-位置传感器 霍尔传感器芯片平行放在椭圆型永磁铁下面,旋转轴固定在磁铁的中心。当转轴旋转时霍尔传感器将产生正比于转轴角位移的正弦和余弦两个信号,经简单的信号处理即可直接获得得位置信号。
'4 &, ????????????FS500EK1 Hall-effect Current Sensor Series ??????????????????????????????????ф????????????ǎ Open loop current sensor based on the principle of Hall-effect. It can be used for measuring AC,DC,pulsed and mi. ?????1,+15V 2,-15V 3,V out 4,0V(???) OFS,????GIN,???? Elucidation: 1:+15V 2:–15V 3: VOUT 4:0V(GND) OFS:Zero adjustment GIN:Gain adjustment ????/Remarks 1???????????????ǎ????????????????????????????????????ǎ2???????????????????????ǎ 3??????????????К???????????ǎ·Incorrect connection may lead to the damage of the sensor. ·VOUT is positive when the IP flows in the direction of the arrow. ???/Electrical characteristics ??Type ?????К?? Primary nominal input current ???????? Measuring range of primary current ????????Nominal output voltage ???? Supply voltage ???? Current consumption ???? Insulation voltage ???Linearity ??????Offset voltage ?????Residual voltage ??????Thermal drift of V0???? Response time ????(-3dB) Frequency bandwidth(-3dB) ?????? Ambient operating temperature ?????? Ambient storage temperature ???? Load resistance ?юStandard FS050EK1FS100EK1 FS200EK1 FS300EK1FS400EK1 FS500EK1 50 100 200 300 400 5000～±100 0～±200 0～±400 0～±600 0～±800 0～±1000 4±1%±12～±15(±5%) V C =±15V <25 ??????????2 .5KV ???/50Hz/1?? <1 T A =25℃ I PN ? I P =0 T A =-25?+85? <±1 DC ?20-25?+85 .GI/FS-0105 -40?+100A A V V mA %FS mV mV mV/℃?V kHz ℃℃??????mm ?/Dimensions of drawing (mm) I PN I P V OUT V C I C V d ?L V 0V OM V OT Tr f T A T S R L 5 electronics
目录 一、课程设计目的与要求 (2) 二、元件介绍 (3) 三、课程设计原理 (6) 3.1霍尔效应 (6) 3.2测磁场的原理,载流长直螺线管内的磁感应强度 (8) 四、课程设计内容 (10) 4.1电路补偿调节 (10) 4.2失调电压调零 (10) 4.3按图4-3接好信号处理电路 (10) 4.4按图4-4接好总测量电路 (11) 4.5数据记录与处理 (12) 4.6数据拟合 (14) 五、成品展示 (16) 六、分析与讨论 (17) 实验所需仪器 (19) 个人总结 (20) 致谢 (21) 参考文献 (22) 参考网址 (22)
一、课程设计目的与要求 1.了解霍尔传感器的工作原理 2.掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法
二、元件介绍 CA3140 CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放。 应用范围: .单电源放大器在汽车和便携式仪表 .采样保持放大器 .长期定时器 .光电仪表 .探测器 .有源滤波器 .比较器 .TTL接口 .所有标准运算放大器的应用 .函数发生器 .音调控制 .电源 .便携式仪器
3503霍尔元件 UGN3503LT，UGN3503U和UGN3503UA霍尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常小的变化，密度变化通常太小以致不方便操作霍尔效应开关。 可作为运动探测器，齿传感器和接近探测器，磁驱动机械事件的镜像。作为敏感电磁铁的显示器，就可以有效地衡量一个系统的负载量可以忽略不计的性能，同时提供隔离污染和电气噪声。 每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件，线性放大器和射极跟随器输出级。 三种封装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。封装后缀“LT”是一个缩影SOT-89/TO243AA表面贴装应用的晶体管封装;后缀“U”是一个微型三引脚塑料SIP，而'UA'是一个三引脚超小型SIP协议。所有器件的额定连续运行温度范围为-20 °C至+85°C。 特点: ·极为敏感 ·至23 kHz的平坦的响应Array·低噪声输出 ·4.5 V至6 V的操作 ·磁性优化装箱 图2-4 3503霍尔元件封装及引脚图
实验报告 班级： 姓名： 学号： 一、实验名称 集成霍尔传感器测量圆形线圈和亥姆霍兹线圈的磁场 二、实验目的 1、掌握霍尔效应原理测量磁场； 2、测量单匝载流原线圈和亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布。 三、实验仪器 亥姆霍兹线圈磁场测定仪、包括圆线圈和亥姆霍兹线圈平台（包括两个圆线圈、固定夹、不锈钢直尺等）、高灵敏度毫特计和数字式直流稳压电源。 四、实验原理 1、圆线圈的磁场 根据毕奥—萨伐尔定律，载流线圈在轴线上某点的磁感应强度为： NI x R R B 2 322 20) (2+= μ 式中I 为通过线圈的电流强度，R 为线圈平均半径，x 为圆心到该点的距离，N 为线圈的匝数，A m T /1047 0??=-πμ，为真空磁导率。因此，圆心处的磁感应强度为 NI R B 20 μ= 2、亥姆霍兹线圈的磁场 亥姆霍兹线圈：两个半径和匝数完全相同的线圈，其轴向距离等于线圈的半径。 这种线圈的特点是当线圈串联连接并通以稳定的直流电后，就可在线圈中心区域内产生较为均匀性较好的磁场，因而成为磁测量等物理实验的重要组成部件，与永久磁铁相比，亥姆霍兹线圈所产生的磁场在一定范围内具有一定的均匀性，且产生的磁场具有一定的可调性，可以产生极微弱的磁场直至数百高斯的磁场，同时在不通电的情况下不会产生环境磁场。 亥姆霍兹线圈如图所示，是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内电流方向一致，大小相同，线圈之间距离d 正好等于圆形线圈的半径R 。 设z 为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点O 处的距离，根据毕奥—萨伐尔定律及磁
场叠加原理可以从理论上计算出亥姆霍兹线圈轴上任意一点的磁感应强度为 ? ?????-++++???='--232 2232220]z 2([]z 2([21））R R R R R I N B μ 而在亥姆霍兹线圈上中心O 处的磁感应强度' B 为 R I N B ??= 02 3 ' 058μ 当线圈通有某一电流时，两线圈磁场合成如图 可看出，两线圈之间轴线上磁感应强度在相当大的范围内是均匀的。 3、测量亥姆霍兹线圈磁场的方法——霍尔效应法 直接测量，设备简单，操作容易，适用于弱磁场和非均匀磁场的测量，霍尔探头经定标后可直接显示磁感应强度值。 五、实验步骤 1、载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上各点磁感应强度的测量 （1）先按要求将各导线连接好，直流稳压电源中数字电流表已串接在电源的一个输出端，测量电流I=100 mA 时，单线圈a 轴线上各点磁感应强度a B ，每隔1.00 cm 测量一个数据。实验中，随时观察毫特斯拉计探头是否沿线圈轴线移动。每测量一个数据，必须先在直流电源输出电路断开（I=0）调零后，才测量和记录数据。将测得数据填入表1中。 （2）用理论公式计算圆线圈中轴线上各点的磁感应强度，将计算结果填入表1中并与实验测量结果进行比较。 （3）在轴线上某点转动毫特斯拉计探头，观察一下该点磁感应强度测量值的变化规律，并判断该点磁感应强度的方向。 （4）将线圈a 和线圈b 之间的距离d 调整到d=10.00 cm ，这时，组成一个亥姆霍兹线圈。取电流值I=100 mA ，分别测量两线圈单独通电时，轴线上各点的磁感应强度值a B 和b B ，然后将亥姆霍兹线圈在通同样电流I=100mA ，在轴线上的磁感应强度值b a B +，将测量结果填入表2中。证明在轴线上的点b a b a B B B +=+，即载流亥姆霍兹线圈轴线上任一点磁感应强度是两个载流单线圈在该点上产生的磁感应强度之和。 （5）分别把亥姆霍兹线圈间距调整为2 R d = 和R d 2=，与步骤（4）类似，测量在电流为I=100mA 时轴线上各点的磁感应强度值，将测量结果分别填入表3和表4中。 （6）作间距2 R d = ,R d =,R d 2=时，两个线圈轴线上磁感应强度B 与位置z 之间关系图，即B-z 图，验证磁场叠加原理。 2、载流圆线圈通过轴线平行面上的磁感应线分布的描绘 2 R 2 R R R B
一、霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理与使用方法 1．霍尔器件 霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控 制电流I C ，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势V H 。 如图1－1所示。 霍尔电势V H 的大小与控制电流I C 和磁通密度B的乘积成正比，即：V H ＝K H I C Bsin Θ 霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。 通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。 2．霍尔直流检测原理 如图1－2所示。由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔 器件输出的电压讯号U 0可以间接反映出被测电流I 1 的大小，即：I 1 ∝B 1 ∝U 我们把U 0定标为当被测电流I 1 为额定值时，U 等于50mV或100mV。这就制成 霍尔直接检测（无放大）电流传感器。
3．霍尔磁补偿原理 原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。霍尔磁补偿原理如图1－3所示。 从图1－3知道：Φ 1＝Φ 2 I 1N 1 ＝I 2 N 2 I 2＝N I /N 2 ·I 1 当补偿电流I 2流过测量电阻R M 时，在R M 两端转换成电压。做为传感器测量电 压U 0即：U ＝I 2 R M 按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从0.01A～500A系列规格的电流传感器。 由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。 4．磁补偿式电压传感器 为了测量mA级的小电流，根据Φ 1＝I 1 N 1 ，增加N 1 的匝数，同样可以获得高磁 通Φ 1 。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。 与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串 联一个限流电阻R 1，然后并联连接在被测电压U 1 上，得到与被测电压U 1 成比 例的电流I 1 ，如图1－4所示。
霍尔电流传感器及其应用 在现代社会中,信息化的需求越来越庞大，传感器在信息采集中发挥了重要作用。他们可以把各种物理信息，按照一定的规则，为可测量的电信号。我们所测量的电信号，以及相关物理信息的关系的变化的基础上，我们可以得到所测量的物理的变化或大小。 根据该传感器的工作原理，我们可以划分成多种类型的传感器，如光电传感器，电荷传感器，电位型传感器，半导体传感器，电传感器，磁传感器，谐振式传感器，电动化学式传感器等等。 霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应原理，（可以音乐会的物理信息），如电流，磁场，位移，压力等，为电动势输出。它属于电位型传感器。当前，这种传感器主要是霍尔集成电路，核心单元是基于霍尔效应。这是由通过集成电路技术。因此，它不仅仅是一种集成电路，而是一种磁传感器。 本文根据实际应用，主要是霍尔电流传感器。 1 霍尔效应 在金属或半导体晶片放置在磁场中，并且如果有一个通过它的电流，会产生电动势，（在垂直方向上的电场和磁场，调用此种物理现象霍尔效应。） 在磁场中产生的洛伦兹力的作用下，通电的半导体芯片的载体，分别偏移积累到芯片的两侧，从而形成一个电场，称霍尔电场。霍尔电场产生的电场力，是相反的洛伦兹力，阻碍了继续堆积，直到（大厅）电场力和洛伦兹力。此时，芯片的两侧，将设置一个稳定的电压，这是霍尔电压。 2 霍尔电流传感器 随着城市人口和城市建设规模的扩大，以及各种电气设备的增加，功耗也越来越大。城市的供电设备经常超载，而电源环境越来越差，“测试”的权利越来越严重。因此电源问题越来越多的显现出来。现在，小功率电源设备已经越来越多的与新技术相结合。例如，开关电源，硬切换，软切换，参数稳压器，线性反馈稳压器，磁放大器技术，数控压力调节，PWM,,SPWM，电磁兼容等实际需求直接推动电源技术的发展和进步。为了检验并显示当前自动，自动保护功能和更先进的智能控制，过电流，过电压的危害。如发生时，电源技术与传感检测，传感采样，传感保护已成为一种趋势。传感器检测电流或电压，所谓的霍尔电流传感器应运而生，(并迅速成为最喜爱的设计师在我国的电源). 2.1 霍尔电流传感器的性能特性 霍尔电流传感器具有优越的性能，并且它是一种先进的电检测元件，它可以隔离主回路和电子控制电路。它有变压器和分流器的所有优点，并且在同一时间，克服了他们的缺点（变压器可以只施加的电源频率的测量，50赫兹，分流器是无法做隔离测量），使用同一个霍尔电流传感器模块检测元素，不仅可以测量AC,也可以检测直流，甚至可以检测瞬时峰值。它具有以下性能特点。 (1)测量任意波形的电流，如DC,AC乃至瞬态峰值参数测量的； (2)精度高。在工作区中的一般霍尔电流传感器模块的精度高于1%，并且是适用于任何波形测量精度； (3)线性度优于0.5%； (4)良好的动态性能。一般的电流传感器模块的动态响应时间小于7us，跟踪速度di|dt 是上述50A|us； (5)工作频段宽。它可以工作在频率范围从0到20KHZ非常好; (6)过载能力强。测量范围宽（0-10000A); (7)高可靠性。平均无故障工作是超过5*10000小时； (8)体积小，重量轻，易于安装系统，不会带来任何损失。
传感技术大体可分3代，第1代是结构型传感器。它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。 第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。 70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现集成传感器。集成传感器包括2种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如：电荷藕合器件（CCD），集成温度传感器AD590集成霍尔传感器UGN3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高性能好、接口灵活等特点集成传感器发展非常迅速，现已占传感器市场的2/3左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。 第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能.90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城。https://www.doczj.com/doc/094172525.html,/
普通物理实验C 课程论文 题目集成开关型霍尔传感器在汽车发动机启动按钮中的应用 学院物理科学与技术学院电子信息工程学院专业物理学（师范） 年级2011级 学号222011315231243 姓名王黎阳 指导教师雷衍涟 论文成绩____________________________________ 答辩成绩____________________________________ 2012年12月13日
集成开关型霍尔传感器在汽车发动机启动按钮中的应用 王黎阳 西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715 摘要：为了解决传统钥匙式按钮开关启动汽车发动机稳定性差、不方便、容易发生机械故障等问题，设计了一种利用集成开关型霍尔传感器制成的启动式按钮开关，并采用磁极正对霍尔传感器接近启动的启动方式以及单极磁场的磁输入方式，以A44E型霍尔开关为例应用于启动汽车发动机，实现了方便、快速、美观、成本低、性能稳定、可靠性高等特点。 关键词：按钮开关；集成开关型霍尔传感器；A44E型霍尔开关；汽车发动机启动； 1引言 按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。按钮开关的结构种类很多，可完成启动、停止、正反转、变速以及互锁等基本控制。而在启动汽车发动机时，传统的钥匙式按钮开关操作复杂，需要钥匙这一开启工具，且容易造成机械故障。 本文运用集成开关型霍尔传感器设计了一种新型启动式按钮开关，采用磁极正对霍尔传感器接近启动的启动方式以及单极磁场的磁输入方式，并以A44E型霍尔开关为例介绍它在汽车发动机启动时的应用，以实现方便、快速、准确、安全、美观等特点。 2集成开关型霍尔传感器 2.1集成霍尔开关的工作原理 集成霍尔传感器是在制造硅集成电路的同时，在硅片上制造具有传感器功能的霍尔效应器件，因而使集成电路具有对磁场敏感的特性。集成开关型霍尔传感器是把霍尔器件的输出电压经过一定的阀值甄别处理和放大，而输出一个高电平或低电平的数字信号[1]。 如图1所示，集成霍尔开关是由稳压器A、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）B、差分放大法器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。1,2,3代表集成霍尔开关的三个引出端点。
霍尔传感器及其应用 一、霍尔传感器介绍 （一）简介 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 （二）霍尔传感器的工作原理 磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。 霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。
1-霍尔半导体元件2-永久磁铁3-挡隔磁力线的叶片 （三）霍尔元件 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 （四）优势和特点 1、霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波； 2、原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms； 3、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量； 4、线性度好：优于0.1%； 5、宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；但是，电压传感器带宽较窄，一般在15kHz以内，6400Vrms的高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约700Hz。
霍尔电流传感器的应用 霍尔电流传感器广泛应用在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、通信电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流的设施中以及新兴的太阳能、风能和地铁轨道信号、汽车电子等领域。 1、继电保护与测量： 在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。 2、在直流自动控制调速系统中的应用： 在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。 3、在逆变器中的应用： 在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接测和交流测的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。 4、在不间断电源中的应用： 在该应用中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用①霍尔电流传感器发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，②霍尔电流传感器发出的信号控制逆变器，③
霍尔电流传感器控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。 5、在电子点焊机中的应用： 在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A、B，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。 6、用于电车斩波器的控制： 电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。 7、在交流变频调速电机中的应用： 用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10％以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间往往小于5μs，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。 8、用于电能管理： 霍尔电流传感器可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发
集成霍尔传感器的特征测量与应用 【实验目的】 1．了解霍耳效应原理和集成霍耳传感器的工作原理。 2．通过测量螺线管励磁电流与集成霍耳传感器输出电压的关系，证明霍耳电势差与磁感应强度成正比。3．用通电螺线管中心点处磁感应强度的理论计算值校准集成霍耳传感器的灵敏度。 4．测量螺线管内磁感应强度沿螺线管中轴线的分布，并与相应的理论曲线比较。 【实验原理】 1、霍耳效应 将一导电体（金属或半导体）薄片放在磁场中，并使薄片平面垂直于磁场方向。当薄片纵向端面有电流I流过时，在与电流I和磁场B垂直的薄片横向端面a、b间就会产生一电势差，这种现象称为霍耳效应（Hall effect），所产生的电势差叫做霍耳电势差或霍耳电压，用U H表示。 霍耳效应是由运动电荷（载流子）在磁场中受到洛伦兹力的作用引起的。洛伦兹力使载流子发生偏转，在薄片横向端面上聚积电荷形成不断增大的横向电场（称为霍耳电场），从而使载流子又受到一个与洛伦兹力反向的电场力，直到两力相等，载流子不再发生偏转，在a、b间形成一个稳定的霍耳电场。这时，两横向端面a、b间的霍耳电压就达到一个稳定值。端面a、b间霍耳电压的符合与载流子电荷的正负有关。因此，通过测量霍耳电压的正负，即可判断半导体材料的导电类型。 实验表明，在外磁场不太强时，霍耳电压与工作电流和磁感应强度成正比，与薄片厚度成反比，即 ( 1) 式中比例系数和分别为霍耳系数和霍耳元件的灵敏度。用霍耳效应测量磁场是在霍耳元件的灵敏度和工作电流已知的情况下，通过测量霍耳电压，再由公式（1）求出磁感应强度。 2、集成霍耳传感器
SS495A型集成霍耳传感器（线性测量范围0-67mT，灵敏度31.25V/T）由霍耳元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成。测量时输出信号大，不必考虑剩余电压的影响。工作电压Vs＝5V，在磁感应强度为零时，输出电压为。它的输出电压U与磁感应强度B成线性关系。该关系可用下式表示 （2） 式中U为集成霍耳传感器输出电压，K为该传感器的灵敏度。 3、螺线管内磁场分布 单层螺线管内磁感应强度沿螺线管中轴线的分布可由下式计算 （3） 式中N为线圈匝数，L为螺线管长度，Im为励磁电流，D为线圈直径，x为以螺线管中心 作为坐标原点时的位置，亨/米为真空磁导率。 实验中所用的螺线管是由10层绕线组成。根据每层绕线的实际位置，用公式（3）可以计算每层绕线的B （x）值，将10层绕线的B（x）值求和，即可得到螺线管内的磁场分布。书中表1给出了励磁电流 （100mA）时螺线管内磁感应强度的理论计算值。由它可以容易得到不通励磁电流时螺线管内磁感应强度的理论计算值。（对于同一点x来说，C（x）是相同的，也就是说, 即B和成正比关系，即螺线管内任意一固定点的磁场的理论计算值和励磁电流成正比关系）。 表1 . 励磁电流I M =0.1A时螺线管内磁感应强度的理论计算值
霍尔电流传感器工作原理 1、直放式（开环）电流传感器（CS系列） 当原边电流I P流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V S精确的反映原边电流I P。一般的额定输出标定为4V。 2、磁平衡式（闭环）电流传感器（CSM系列） 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。 3、霍尔电压（闭环）传感器（VSM系列）
霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。 4、交流电流传感器（A-CS系列） 交流电流传感器主要测量交流信号灯电流。是将霍尔感应出的交流信号经过AC-DC及其他转换，变为0～4V、0～20mA（或4～20mA）的标准直流信号输出供各种系统使用。
霍尔电流传感器 霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集，广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制，具有响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强等优点。 1开环霍尔电流传感器 1.1.1型号说明 1.1.2技术指标
1.1.3开口式开环霍尔电流传感器1.1.3.1规格尺寸(mm) 1.1.3.2规格参数对照表
注:额定电流未标注表示输入电流交直流均可测量，订货时请注明。 1.2闭口式霍尔电流传感器 1.2.1规格尺寸
1.2.2规格参数对照表 注:额定电流未标注表示输入电流交直流均可测量，订货时请注明。 1.2.3接线方式 1.2.3.1霍尔开口/闭口式开环电流传感器 接线端子定义 1.2.3.2霍尔（真有效值）电流传感器 接线端子定义 2闭环霍尔电流传感器 闭环霍尔电流传感器又叫霍尔磁平衡式电流传感器，它是在上述原理的基础，加上了磁平衡原理，即集磁环将原边电流所产生的磁场聚集后，作用于霍尔元件，使其有电压信号输出，经放大输入到功率放大器，输出补偿电流流经次级补偿线圈。级次线圈产生的磁场与原边电流产生的磁场相反，因而补偿了原边
磁场，使霍尔输出逐渐减小，当原次级磁场相等时，补偿电流不再增大，这就是磁平衡原理。这种线路主要由磁电转换部分、放大电路部分及驱动补偿线路部分等组成。 2.1型号说明 2.2规格尺寸 2.2.1AHBC-LTA外形尺寸 2.2.2AHBC-LT1005外形尺寸 2.2.3规格参数对照表 注:输入电流交直流均可测量，订货时请注明。
介绍：根据数字输出，霍尔效应集成器件可以分为四种：单极性开关，双极性开关，全极性开关和锁存型开关。本文主要来阐述全极性开关。 全极性霍尔开关又被称作全极性开关，是一种在强的南磁场和强的北磁场下均工作的,数字量输出的锁存型开关。这简化了产品的应用，因为对于全极性器件而言，可以不考虑磁铁的极性来进行安装。一个拥有足够强磁性的单极磁铁可以令器件工作。器件导通之后，全极性器件将一直保持导通状态，直到磁场被移走，器件才恢复关断的状态。器件锁存住变化之后的状态，一直保持关断，直到一个新的足够强的磁场再一次到来。 一个用来检测车辆换挡杆位置的应用，如图1.换挡杆引用一个磁铁（紫色的缸）。黑盒子组成的黑色的线是一个全极性开关器件组成的阵列。当驾驶员移动换挡杆，磁铁便会在阵列当中移动。靠近磁铁的器件会打开处于导通状态，但是更多远离磁铁的器件是不受影响的，是关断的。无论是磁铁的南极或北极都可以面向霍尔器件，霍尔器件的商标面朝向磁铁。 图1 一个全极性开关的应用。超小型的霍尔开关， 换挡的时候，磁铁（紫色）向在他们之间移动 磁场开关点的定义： B为磁场强度，用来表示霍尔器件的开关点，单位是GS（高斯），或者T（特斯拉），转换关系是1GS=。 B磁场强度有南极和北极之分，所以有必要记住它的代数关系，
北极磁场为负数，南极磁场为正数。该关系可以比较南极北极磁场的代数关系，磁场的相对强度是由B的绝对值表示，符号表示极性。例如：一个-100GS（北极）磁场和一个100GS（南极）磁场的强度是相同的，但是极性相反。-100GS的强度要高于-50GS。 ? BOP –磁场工作点；使霍尔器件打开的磁场强度。器件输出的参数取决于器件的电学设计。 ? BRP –磁场释放点；使霍尔器件关断的磁场强度。器件输出的参数取决于器件的电学设计。 ? BHYS –磁开关点滞回窗口。霍尔元件的传输功能利用开关点之间的这个差值来过滤掉在应用中可能由于机械振动或电磁噪声引起磁场的小的波动值。BHYS = | BOP ? BRP |. 典型工作状态 全极性霍尔传感器的开关点是关于B=0对称的，如图2。开关点在与之相反的极性上是具有等效的强度的。比如，器件的南极 BOP=60GS，BRP=30GS，那么它的北极BOP=-60GS，BRP=-30GS。锁存最新的工作状态，避免受外部微弱磁场的影响。 图2A全极开关的输出特性 图2A全极开关的输出特性 全极性器件在任何足够强的极性的磁场下打开的时候，输出高电平（图2A）（几乎达到Vcc）还是低电平（图2B）（输出管的Vout，一般小于200mV），取决于器件输出级的设计。全极性开关在一个较小
1、开环（直放式）霍尔电流传感器 当原边电流I P流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件（如HG-302C）进行测量并放大输出，其输出电压V S精确的反映原边电流I P。一般的额定输出标定为4V。开环霍尔电流传感器的优点是结构简单，可靠性好，过载能力强，体积较小，开环式霍尔电流传感器一般线性度角差，且原边信号在上升和下降过程中副边输出会有不同。开环式霍尔电流传感器精度通常劣于1%。?一般开环电流传感器采用的霍尔是 HG-106A,HG-106C,HG-166A,HG-302A,HG-302C,HG-362A,SS495A,SS495A1。 2、闭环（磁平衡式）霍尔电流传感器 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件（如HW-300B,HW-302B）处于检测零磁通的工作状态。 当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件（HW-300B,HW-302B）就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不