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詳解Ardunio使用霍爾磁力傳感器

2018年10月07日 15:44 作者:工程師譚軍 用戶評論(0
  霍爾傳感器
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  霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種,這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應,而半導體的霍爾效應比金屬強得多,利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件,廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。
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  磁場中有一個霍爾半導體片,恒定電流I從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下,I的電子流在通過霍爾半導體時向一側(cè)偏移,使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差,這就是所謂的霍爾電壓。
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  霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化,磁場越強,電壓越高,磁場越弱,電壓越低,霍爾電壓值很小,通常只有幾個毫伏,但經(jīng)集成電路中的放大器放大,就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用,需要用機械的方法來改變磁感應強度。下圖所示的方法是用一個轉(zhuǎn)動的葉輪作為控制磁通量的開關(guān),當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時,磁場偏離集成片,霍爾電壓消失。這樣,霍爾集成電路的輸出電壓的變化,就能表示出葉輪驅(qū)動軸的某一位置,利用這一工作原理,可將霍爾集成電路片用作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器,它要有外加電源才能工作,這一特點使它能檢測轉(zhuǎn)速低的運轉(zhuǎn)情況。
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  霍爾效應
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  霍爾效應從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏轉(zhuǎn)就導致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積,從而形成附加的橫向電場。對于圖一所示的半導體試樣,若在X方向通以電流Is,在Z方向加磁場B,則在Y方向即試樣A,A′電極兩側(cè)就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應的附加電場。電場的指向取決定于測試樣品的電類型。顯然,該電場是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移,
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  當載流子所受的橫向電場力eEH與洛侖茲力相等時,樣品兩側(cè)電荷的積累就達到平衡,故有
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  其中EH為霍爾電場,V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設試樣的寬為b,厚度為d,載流子濃度為n,則
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  由⑴、⑵兩式可得
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  即霍爾電壓VH(A、A′電極之間的電壓)與ISB乘積正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù) 稱為霍爾系數(shù),它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數(shù),只要測出 VH(伏)以及知道IIs(安)、B(高斯)和d(厘 米)可按下式計算RH(厘米3/庫侖)
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  分類
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  霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。
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 ?。ㄒ唬╅_關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級組成,它輸出數(shù)字量。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式,稱為鎖鍵型霍爾傳感器。
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 ?。ǘ┚€性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,它輸出模擬量。
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  線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。。
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  開關(guān)型
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  如圖4所示,其中Bnp為工作點“開”的磁感應強度,BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應強度。當外加的磁感應強度超過動作點Bnp時,傳感器輸出低電平,當磁感應強度降到動作點Bnp以下時,傳感器輸出電平不變,一直要降到釋放點BRP時,傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健np與BRP之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。
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  鎖鍵型
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  如圖5所示,當磁感應強度超過動作點Bnp時,傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废螅漭敵鰻顟B(tài)保持不變(即鎖存狀態(tài)),必須施加反向磁感應強度達到BRP時,才能使電平產(chǎn)生變化。
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  線性型
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  輸出電壓與外加磁場強度呈線性關(guān)系,如圖3所示,可見,在B1~B2的磁感應強度范圍內(nèi)有較好的線性度,磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
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  開環(huán)式電流傳感器
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  由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場,其大小與導線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測量出磁場,從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸,不影響被測電路,不消耗被測電源的功率,特別適合于大電流傳感。
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  霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場,則霍爾傳感器有信號輸出。
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  閉環(huán)式電流傳感器
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  磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環(huán)電流傳感器,也稱補償式傳感器,即主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈,電流所產(chǎn)生的磁場進行補償, 從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。
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  磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為:當主回路有一電流通過時,在導線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上, 所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動相應的功率管并使其導通,從而獲得一個補償電流Is。 這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場 ,該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反,因而補償了原來的磁場, 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場相等時,Is不再增加,這時的霍爾器件起指示零磁通的作用 ,此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。 一旦磁場失去平衡,霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后,立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡,所需的時間理論上不到1μs,這是一個動態(tài)平衡的過程。

  這三種傳感器中,模擬霍爾和霍爾磁力傳感器的S引腳輸出的是模擬值,線性霍爾的A0引腳輸出的是模擬值,D0引腳輸出的是開關(guān)量。

  采用下面的代碼分別對這三種傳感器的模擬值引腳輸出進行監(jiān)測。

  const int buttonPin = A0;

  int inputValue = 0;

  void setup() {

  pinMode(buttonPin, INPUT);

  digitalWrite(buttonPin,LOW);

  Serial.begin(9600);

  }

  void loop() {

  inputValue = analogRead(buttonPin);

  Serial.println(inputValue);

  }

  將輸出值放到matlab中創(chuàng)建圖形,圖形分別如下:

  模擬霍爾傳感器的模擬引腳輸出圖形如下,這是用手拿著磁鐵從遠及近靠近傳感器產(chǎn)生的模擬值圖形,曲線最低處是磁鐵與傳感器距離最近時的輸出。

  

  霍爾磁力傳感器的模擬引腳輸出圖形如下,這是用手拿著磁鐵多次從遠及近靠近傳感器產(chǎn)生的模擬值圖形,曲線最低處是磁鐵與傳感器距離最近時的輸出。

  

  線性霍爾傳感器的模擬引腳輸出圖形如下,這是用手拿著磁鐵多次從遠及近靠近傳感器產(chǎn)生的模擬值圖形,曲線最低處是磁鐵與傳感器距離最近時的輸出。

  詳解Ardunio使用霍爾磁力傳感器

  由于線性霍爾傳感器和霍爾磁力傳感器上自帶有測試LED(線性霍爾傳感器上帶綠色LED,霍爾磁力傳感器上帶紅色LED),當傳感器接近磁鐵時,測試LED燈會自動變亮,所以就沒有寫另外的測試程序了(如果要寫的話,就是檢測傳感器模擬引腳值,當小于某一值時點亮LED燈)。只是做了一個簡單的測試視頻,視頻如下:

  PS:模擬霍爾傳感器正面接觸磁鐵時,模擬引腳輸出值最低(下左圖),反面接觸時最高(下右圖),另外兩類傳感器與模擬霍爾傳感器正好相反。


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