第13卷第2期 大学物理实验 Vol. 13 2000年6月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Jun. 200 文章编号:1007-2934(20002.0001-04 集成开关型霍尔传感器的特性测量和应用 张逸章企陆申龙 (复旦大学,上海,200433) 摘要:本文对集成开关型霍尔元件的性质进行测量,并就其在转速测量及液位控制等 方面的应用进行了大量试验及研究 关键词:集成开关型霍尔传感器;转速测量;液位控制 中图分类号O4 文献标识码:A 1引言 随着人类社会的发展,霍尔传感器在工业生产、科学研究以及社会生活等领域中有广 泛的应用。霍尔元件是一种利用霍尔效应通过把磁信号形式转变为电信号形式以实现信 号检测的半导体器件。具有响应快、工作频率高、功耗低等特点。集成开关型霍尔传感器 是将霍尔器件、硅集成电路、放大器、开关三极管集成在一起的一种单片集成传感器,可作 为开关电路满足自动控制和检测的要求,如应用于转速测量、液位控制液体流量检测、产 品计数、车辆行程检测等,它在物理实验的周期测量中也有许多应用。 2原理 2.1集成开关型霍尔传感器工作原理 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 基本电路如图1所示。 在输入端输入一个电压Uc,经稳压器稳压后加在霍尔元件两端,当霍尔元件处于磁 场中时,在垂直电流的方向产生霍尔电势差,再经放大器将该电势差放大后输给施密特触 发器,由触发器整形,使其成为脉冲或方波输出给开关型三极管,这样就组成一个集成开 关型霍尔传感器。在实际测量过程中,集成开关型霍尔传感器(如型号UN314)在1、3 两端间须接一2K欧姆的电阻(如图2所示)。当施密特触发器输出的脉冲电压到达某 高电平时三极管导通,则23间的电压几乎降为零,即使OC门输出端3输出低电平。反 之同样,施密特触发器输出脉冲小于另一值时,三极管截止,2、3间的电压基本与输入电 收稿日期:2000-01-13 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
第 13 卷 第 2 期 大 学 物 理 实 验 Vol. 13 No. 2 2000 年 6 月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Jun. 2000 收稿日期 :2000 - 01 - 13 文章编号 :1007 - 2934(2000) 02 - 0001 - 04 集成开关型霍尔传感器的特性测量和应用 张 逸 章 企 陆申龙 (复旦大学 ,上海 ,200433) 摘 要 :本文对集成开关型霍尔元件的性质进行测量 ,并就其在转速测量及液位控制等 方面的应用进行了大量试验及研究。 关键词 :集成开关型霍尔传感器 ;转速测量 ;液位控制 中图分类号 :O44 文献标识码 :A 1 引言 随着人类社会的发展 ,霍尔传感器在工业生产、科学研究以及社会生活等领域中有广 泛的应用。霍尔元件是一种利用霍尔效应通过把磁信号形式转变为电信号形式以实现信 号检测的半导体器件。具有响应快、工作频率高、功耗低等特点。集成开关型霍尔传感器 是将霍尔器件、硅集成电路、放大器、开关三极管集成在一起的一种单片集成传感器 ,可作 为开关电路满足自动控制和检测的要求 ,如应用于转速测量、液位控制、液体流量检测、产 品计数、车辆行程检测等 ,它在物理实验的周期测量中也有许多应用。 2 原理 211 集成开关型霍尔传感器工作原理 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。 基本电路如图 1 所示。 在输入端输入一个电压 UCC ,经稳压器稳压后加在霍尔元件两端 ,当霍尔元件处于磁 场中时 ,在垂直电流的方向产生霍尔电势差 ,再经放大器将该电势差放大后输给施密特触 发器 ,由触发器整形 ,使其成为脉冲或方波输出给开关型三极管 ,这样就组成一个集成开 关型霍尔传感器。在实际测量过程中 ,集成开关型霍尔传感器 (如型号 UGN3144) 在 1、3 两端间须接一 2K欧姆的电阻(如图 2 所示) 。当施密特触发器输出的脉冲电压到达某一 高电平时三极管导通 ,则 2、3 间的电压几乎降为零 ,即使 OC 门输出端 3 输出低电平。反 之同样 ,施密特触发器输出脉冲小于另一值时 ,三极管截止 ,2、3 间的电压基本与输入电 — 1 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
压Uc相同,即输出高电平。 2.2输出特性曲线 集成开关型霍尔传感器的主要特性 是输出电压U0与霍尔元件感应面所在位 置的磁感应强度B的关系,如图3所示。 基于上述的原理,电源输出电压 α。磁感应强度B由零开始增加,而输 出电压U0保持在一个与Va相近的高电 平vo。当B增加到Bop时,霍尔电势足 够大,使输出电压发生突降,输出低电平 图1基本电路图 Jα。Bop即称为工作点。B继续增大,输 A稳压器B放大器;C施密特触发器;D开关型三极管;X霍 出电压保持在低电平。相反,B由大于尔元件;Uc输入电压;Ub输出电压 Bo开始下降,输出电压为Va。当B减 小到Bp时,霍尔电势差不足以触发施密特触发器输出电压 突然跳回Vo,Bp称为释放点。为使传感器输出稳定,一般 Bop与Bp的差值一定,此差值称为磁滞,用Bn表示。 UGN 注意由于磁场有方向性,因此在使用霍尔传感器时 定要注意磁铁磁极的方向,见图4。磁极方向搞错,有可能传2士GND 感器不工作。 这种Bop与BBP都大于零的集成霍尔传感器称为单稳态 图2实际测量图 传感器。另有一种BBP小于零的传感器称为 双稳态传感器,也叫锁键型霍尔传感器。该 种传感器只有在磁场发生反转时才会发生跳 变 3集成开关型霍尔传感器特性参数测量 本实验采用UGN3144型号的集成开关 型霍尔元件,测量装置如图4所示。在1、2 引脚间接可调电源,在1、3引脚间接R= 2K电阻,并在2、3引脚间接电压表测量电 图3输出特性曲线 压。将直径为6mm的磁钢靠近传感器感应面,测量其电参数和磁参数,测量结果见表1 和表2。测量电压的仪器为PZ14型四位半数字电压表,测量磁感应强度的仪器为SXG IB型数字式毫特仪。 表1电参数测量数据 参数(符号) 电压值(单位) 电源电压/o 输出高电平Vo) 5.22-12.22(V 输出低电平/a) 61.1·143.0mV 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
图 1 基本电路图 A 稳压器 ;B 放大器 ;C 施密特触发器 ;D 开关型三极管 ;X 霍 尔元件 ;U cc输入电压 ;Uo 输出电压 压 UCC相同 ,即输出高电平。 212 输出特性曲线 集成开关型霍尔传感器的主要特性 是输出电压 U0 与霍尔元件感应面所在位 置的磁感应强度 B 的关系 ,如图 3 所示。 基于上述的原理 , 电源输出电压 UCC = VCC。磁感应强度 B 由零开始增加 ,而输 出电压 U0 保持在一个与 VCC相近的高电 平 VOH。当 B 增加到 BOP时 ,霍尔电势足 够大 ,使输出电压发生突降 ,输出低电平 VOL 。BOP即称为工作点。B 继续增大 ,输 出电压保持在低电平。相反 , B 由大于 BOP开始下降 ,输出电压为 VOL 。当 B 减 图 2 实际测量图 小到 BRP时 ,霍尔电势差不足以触发施密特触发器 ,输出电压 突然跳回 VOH , BRP称为释放点。为使传感器输出稳定 ,一般 BOP与 BRP的差值一定 ,此差值称为磁滞 ,用 B H 表示。 注意 :由于磁场有方向性 ,因此在使用霍尔传感器时 ,一 定要注意磁铁磁极的方向 ,见图 4。磁极方向搞错 ,有可能传 感器不工作。 这种 BOP与 BRP都大于零的集成霍尔传感器称为单稳态 图 3 输出特性曲线 传感器。另有一种 BRP小于零的传感器称为 双稳态传感器 ,也叫锁键型霍尔传感器。该 种传感器只有在磁场发生反转时才会发生跳 变。 3 集成开关型霍尔传感器特性参数测量 本实验采用 UGN3144 型号的集成开关 型霍尔元件 ,测量装置如图 4 所示。在 1、2 引脚间接可调电源 , 在 1、3 引脚间接 R = 2KΩ电阻 ,并在 2、3 引脚间接电压表测量电 压。将直径为 6mm 的磁钢靠近传感器感应面 ,测量其电参数和磁参数 ,测量结果见表 1 和表 2。测量电压的仪器为 PZ114 型四位半数字电压表 ,测量磁感应强度的仪器为 SXG- 1B 型数字式毫特仪。 表 1 电参数测量数据 参数(符号) 电压值(单位) 电源电压( VCC) 5100 - 12. 00(V) 输出高电平( VOH) 5. 22 - 12. 22(V) 输出低电平( VOL ) 61. 1 - 143. 0 (mV) — 2 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
表2磁参数测量数据 参数(符号) 测度条件 磁感应强度(单位) 工作点磁感应强度(Bop a=12.00V,R=2k 释放点磁感应强度(Bap Fa=12.00V,R=2kQ 13.25(mD 磁滞(B c=12.00VR=2 该元件发生跳变所需时间在毫秒数量级 内,在通常情况下可忽略不计 4应用试验 4.1转速和周期的测量 (1)测量马达转速测量装置为额定电压 为127的可逆电动机,实际输入电压125V。且 感应面 马达处于非正常运作状态,转盘也不完全对称 测量马达转速变化情况。所用霍尔传感器型号 为U(N3144型。如图5所示,在转盘上固定 图4测量示意图 磁钢,电动机每转过一圈,霍尔元件就输出一脉 冲信号,由JSK型电子计时器显示每转一圈所需要的 时间,该时间的倒数即马达转速。霍尔元件输出曲线 为方波。电源电压Va=10.0V,VoH=10.0V,Va= 12lmV。测量U(N3144型集成开关型霍尔传感器输出 方波频率可得到马达在非正常运作时的转速测量结果 ∫平均值为1.37圈/秒 用电子秒表测量电动机转过50圈所用时间为图5测量马达转速示意图 37.0秒,即平均转速为1.35圈/秒。两种测法结论基本一致。但使用霍尔元件可更精确 地测出转速的不均匀程度 (2)测量周期和流量用集成开关型霍尔传感器可测量扭摆、弹簧振子、单摆等多种 实验装置振动的周期。笔者把直径为3.omm的钕铁硼小磁钢用504胶粘贴在转动惯量 测量仪器的转盘上,用JSK型电子计时器测量转动部件运动的周期,得到的结果与秒表测 量结果相当一致,而测量准确度比手工操作要高。集成开关型霍尔传感器还被用于作流 量检测,通过对流量计内液轮(转轮上有两个小磁钢)转动圈数的测量,可算出液体的流量 (即用户用去的水量)。这种装置可以预计净水器过滤膜是否需要更换等,例如此项研究 成果已在复旦一申花家用净水器中得到了应用 4.2浮子式液位控制 试验装置如图6所示。所用霍尔传感器型号为UQN3144型。用PZ14型四位半数字 式电压表测c得Va=10.0V;所用磁钢为直径6mm的圆片,用SXG-1B型数字式毫特 计测其表面磁场强度为B=110mT。 磁钢随液面浮动,霍尔元件处在固定高度。当液面上升,磁钢接近传感器使其输出电 出电次生变即出电回度上国.民图元他某 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
表 2 磁参数测量数据 参数(符号) 测度条件 磁感应强度(单位) 工作点磁感应强度( BOP ) VCC = 12. 00V , R = 2kΩ 17. 55(mT) 释放点磁感应强度( BRP ) VCC = 12. 00V , R = 2kΩ 13. 25(mT) 磁滞( B H) VCC = 12. 00V ,R = 2kΩ 4130(mT) 图 4 测量示意图 该元件发生跳变所需时间在毫秒数量级 内 ,在通常情况下可忽略不计。 4 应用试验 411 转速和周期的测量 (1) 测量马达转速 测量装置为额定电压 为 127V 的可逆电动机 ,实际输入电压 125V。且 马达处于非正常运作状态 ,转盘也不完全对称 , 测量马达转速变化情况。所用霍尔传感器型号 为 UGN3144 型。如图 5 所示 ,在转盘上固定一 磁钢 ,电动机每转过一圈 ,霍尔元件就输出一脉 图 5 测量马达转速示意图 冲信号 ,由JSK型电子计时器显示每转一圈所需要的 时间 ,该时间的倒数即马达转速。霍尔元件输出曲线 为方波。电源电压 VCC = 10. 0V , VOH = 10. 0V , VOL = 121mV。测量 UGN3144 型集成开关型霍尔传感器输出 方波频率可得到马达在非正常运作时的转速测量结果 f 平均值为 1137 圈/ 秒。 用电子秒表测量电动机转过 50 圈所用时间为 3710 秒 ,即平均转速为 1135 圈/ 秒。两种测法结论基本一致。但使用霍尔元件可更精确 地测出转速的不均匀程度。 (2) 测量周期和流量 用集成开关型霍尔传感器可测量扭摆、弹簧振子、单摆等多种 实验装置振动的周期。笔者把直径为 310mm 的钕铁硼小磁钢用 504 胶粘贴在转动惯量 测量仪器的转盘上 ,用JSK型电子计时器测量转动部件运动的周期 ,得到的结果与秒表测 量结果相当一致 ,而测量准确度比手工操作要高。集成开关型霍尔传感器还被用于作流 量检测 ,通过对流量计内液轮(转轮上有两个小磁钢) 转动圈数的测量 ,可算出液体的流量 (即用户用去的水量) 。这种装置可以预计净水器过滤膜是否需要更换等 ,例如此项研究 成果已在复旦 —申花家用净水器中得到了应用。 412 浮子式液位控制 试验装置如图 6 所示。所用霍尔传感器型号为 UGN3144 型。用 PZ114 型四位半数字 式电压表测 VCC得 VCC = 10. 0V ;所用磁钢为直径 6mm 的圆片 ,用 SXG - 1B 型数字式毫特 计测其表面磁场强度为 B = 110mT。 磁钢随液面浮动 ,霍尔元件处在固定高度。当液面上升 ,磁钢接近传感器使其输出电 压发生跳变 ,输出电压 VOL = 119. 50mV ;当液面下降 ,磁钢远离传感器到一定程度 ,使其输 出电压再次发生跳变 ,即输出电压回复到 VOH = 10. 0V。因此 ,只要在霍尔元件输出端接 — 3 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
控制电路,就可达到控制液位的目的。与光敏传 感器相比,霍尔传感器的优点在于,只要不是磁介 霍尔元件 质管壁它都能工作 5结束语 集成霍尔开关型传感器与机电开关相比,具有 明显的优点。它体积小,结构简单,使用方便。尤 其是它无触点,无火花,使用寿命长,不产生干扰 声,可广泛地应用在键盘、报警、通讯、印刷汽车点 火器、自动控制和自动监测设备中。同时,也适用 于大学物理试验中,进行周期或频率的测量,使现 图6浮子式液位控制装置 代测量技术与物理实验相结合 参考文献 〕张量华等译.自动化技术编辑部,传感器应用.中国计量出版社,1992 饣〕方佩敏.新偏传感器原理、应用、电路详解,电子工业出版社,1994 THE MEASUREMENT OF THE CHARACTERISTICS AND THE APL ICATION OF INTERGRADE SWITCH HALL SENSO RS Zhang Y Zhang Qi Lu Shenlong Fudan University, Shanghai, 200433) Abstract: In this paper the characterstics of the intersraded switch Hall elements are measured. Some tests and re search are carried out in the application of measuring the rotation speed and controlling the surface position of liquid Key words: intergraded switch Hall sensor, measurement of rotation speed control of the suface position of liqud 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
图 6 浮子式液位控制装置 一控制电路 ,就可达到控制液位的目的。与光敏传 感器相比 ,霍尔传感器的优点在于 ,只要不是磁介 质管壁它都能工作。 5 结束语 集成霍尔开关型传感器与机电开关相比 ,具有 明显的优点。它体积小 ,结构简单 ,使用方便。尤 其是它无触点 ,无火花 ,使用寿命长 ,不产生干扰 声 ,可广泛地应用在键盘、报警、通讯、印刷、汽车点 火器、自动控制和自动监测设备中。同时 ,也适用 于大学物理试验中 ,进行周期或频率的测量 ,使现 代测量技术与物理实验相结合。 参 考 文 献 〔1〕 张量华等译 1 自动化技术编辑部 1 传感器应用 1 中国计量出版社 ,1992 〔2〕 方佩敏 1 新偏传感器原理、应用、电路详解 1 电子工业出版社 ,1994 THE MEASUREMENT OF THE CHARACTERISTICS AND THE APLICATION OF INTERGRADE SWITCH HALL SENSORS Zhang Yi Zhang Qi Lu Shenlong (Fudan University ,Shanghai ,200433) Abstract: In this paper the characteristics of the intersraded switch Hall elements are measured. Some tests and re2 search are carried out in the application of measuring the rotation speed and controlling the surface position of liquid. Key words:intergraded switch Hall sensor ;measurement of rotation speed control of the suface position of liquid. — 4 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved