霍尔传感器资料.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,霍尔式传感器,1.1,霍尔效应及霍尔元件,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。,1879,年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。,1.,霍尔效应,置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称,霍尔效应,。该电势称霍尔电势,。,图,1-1,所示,在垂直于外磁场,B,的方向上放置一导电板,导电板通以电流,I,方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力,fm,的作用，,f,m,大小为,f,m,=eBv,（,1-1,）,式中,:e,电子电荷,;,v,电子运动平均速度,;,B,磁场的磁感应强度。,1-1,霍尔效应原理图,f,m,的方向在图,1-1,中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在,fm,的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场,EH,称霍尔电场,该电场强度为,E,H,=,（,1-2,）,式中,U,H,为电位差。霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到,霍尔电场,的作用力,其大小为,eE,H,，此力阻止电荷继续积累。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即,eE,H,=evB,（,1-3,）,则,E,H,=vB,（,1-4,）,此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。,若金属导电板单位体积内电子数为,n,电子定向运动平均速度为,v,则激励电流,I=nevbd,则,v=,（,1-5,）,将式（,1-5,）代入式（,1-4,）得,E,H,=,（,1-6,）,将上式代入式（,1-1,）得,U,H,=,（,1-7,）,式中令,R,H,=1/,（,ne,）,称之为,霍尔常数,其大小取决于导体载流子密度，则,U,H,=R,H,（,1-8,）,式中,K,H,=R,H,/d,称为霍尔片的灵敏度。由式（,1-8,）可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数,R,H,成正比而与霍尔片厚度,d,成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。,对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数,R,H,霍尔元件激励极间电阻,R=L/,（,bd,）,同时,R=U,I,/I=EIL/I=vL/,（,nevbd,）,其中,UI,为加在霍尔元件两端的激励电压，,EI,为霍尔元件激励极间内电场，,v,为电子移动的平均速度。则,(1-9),解得,R,H,=,（,1-10,）,从式（,1-10,）可知,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率,的乘积。若要,霍尔效应强,则,R,H,值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。,一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小,;,而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有,:,锗、硅、砷化铟、锑化铟,等半导体材料。其中,N,型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。,N,型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同,N,型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。,砷化铟,的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。表,1-1,为常用国产霍尔元件的技术参数。,表,1-1,常用霍尔元件技术参数,2.,霍尔元件基本结构,霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图,1-2(a),所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。,1,、,1,两根引线加激励电压或电流，称为,激励电极,；,2,、,2,引线为霍尔输出引线，称为,霍尔电极,。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图,1-2(b),所示,。,1-2,霍尔元件,（,a,）外形结构示意图 （,b,）图形符号,霍尔传感器,霍尔电压传感器,1.2,霍尔传感器的应用,（一）、差动霍尔电路制成的,霍尔齿轮传感 器,，如图,1,所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于,ABS,（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等,。,霍尔转速传感器,采用霍尔效应，当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起,磁场变化,，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个,交变电信号,，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号。,尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮。霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的影响。；其二是频率响应高。其响应频率高达,20kHz,，相当于车速为,1000km/h,时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于,ABS,轮速检测，也广泛应用于其控制系统的转速检测。,图,1 HE-01,霍尔转速传感器,图,2,霍尔速度传感器的内部结构,利用霍尔传感器测转速的结果原理如图,2,所示。它实际就是利用霍尔开关与电机轴连接的轮片上粘有,多对小磁钢,（,N.S,极），小磁钢越多，分辨率就越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，轮旋转时，,磁钢经过霍尔开关集成电路,时，开关集成器就会,产生一个响应的脉冲,，检测出的单位时间的脉冲数，其长度就是轮轴的转动周期,T,及其转速,n,。,n=1/T,U,H,=R,H,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数,R,H,成正比而与霍尔片厚度,d,成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。,ABS,（,Anti-lock Braking System,）防抱死制动系统,，它与传统的制动系统协同工作，是一种安全、有效的制动辅助系统,.,通过安装在车轮上的传感器发出车轮将被抱死的信号，控制器指令调节器降低该车轮制动缸的油压，减小制动力矩，经一定时间后，再恢复原有的油压，不断的这样循环（每秒可达,510,次），始终使车轮处于转动状态而又有最大的制动力矩。,若没有安装,ABS,的汽车，在行驶中如果用力踩下制动踏板，车轮转速会急速降低，当制动力超过车轮与地面的摩擦力时，车轮就会被抱死，完全抱死的车轮会使轮胎与地面的摩擦力下降，如果前轮被抱死，驾驶员就无法控制车辆的行驶方向，如果后轮被抱死，就极容易出现侧滑现象。,说简单点就是有了,ABS,就可以增加刹车皮的摩擦力，减少刹车距离，增加安全性,。,ABS,的基本组成,通常，,ABS,是在普通制动系统的基础上加装,车轮速度传感器,、,ABS,电控单元,、,制动压力调节装置及制动控制电路,等组成的，如下,1,、车轮转速传感器,车轮转速传感器是,ABS,中最主要的一个传感器。车轮转速传感器常简称为,轮速传感器,，其作用是对车轮的运动状态进行检测，,获得车轮转速（速度）信号。,2,电子控制器,ABS,的电子控制器（,Electronic Control Unit,），常用,ECU,表示，简称,ABS,电脑。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度功、滑移率等，并进行判断、输出控制指令，控制制动压力调节器等进行工作。另外，,ABS,电脑还有监测等功能，如有故障时会使,ABS,停止工作并将,ABS,警示灯点亮。,3,制动压力调节器,制动压力调节器是,ABS,中的,主要执行器,。其作用是接受,ABS,电脑的指令，驱动调节器中的电磁阀动作（或电机转动等），调节制动系的压力，使之增大、保持或减小，实现制动系压力的控制功能。,制动过程中，,ABS,电控单元,(ECU)3,不断地从传感器,1,和,5,获取车轮速度信号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置,2,不参与工作，制动主缸,7,和各制动轮缸,9,相通，制动轮缸中的压力继续增大，此即,ABS,制动过程中的,增压状态,。,如果电控单元判断出某个车轮,(,假设为左前轮,),即将抱死拖滑,，它即向制动压力调节装置发出命令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸的压力不再增大，此即,ABS,制动过程中的,保压状态,。若电控单元判断出左前轮仍,趋于抱死拖滑状态,，它即向制动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器,(,图中未画出,),的通道，使左前制动轮缸中的油压降低，此即,ABS,制动过程中的,减压状态,。,ABS,系统的工作原理,当点火开关接通（,ON,）时，,ABS,保护继电器的电磁线圈中就会有电流流过，系统进入自检状态。经过短暂的自检后，如果发现系统中存在影响其正常工作的故障，会保持其自检时的工作状态，即关闭,ABS,系统。此时压力调节器中各电磁阀的电磁线圈均不通电，各电磁阀均保持在制动压力增大状态，汽车恢复常规制动状态工作。经过自检，未发现影响系统正常工作的故障，,ABS,就进入等待工作状态,汽车行驶过程中，各轮速传感器连续地向,ABS,电脑输入各车轮的轮速信号。一般情况当车速超过,8km/h,后，如果驾驶员踩下制动踏板进行制动时，制动灯开关闭合，蓄电池给,ABS,电脑一个电压信号。,ABS,电脑收到蓄电池电压信号后，就判定汽车进入制动状态。它将根据轮速传感器输入的信息，对四个车轮的运动状态进行分析判断,。,在制动过程中，各车轮制动未出现趋于抱死时，,ABS,不工作，此时制动过程与常规制动过程完全相同。在制动过程中，当,ABS,电脑判定有车轮制动趋于抱死时，就开始对相应的控制通道进行防抱死控制，将车轮滑移率控制在最佳范围之间，直至汽车速度很低或停止。,在制动过程中，如果汽车为高速急转弯，当汽车的横向加速度达到一定值时，横向加速度开关中的一对触点就会断开，,ABS,电脑不再有蓄电池电压信号，,ABS,电脑由此判定汽车横向加速度已超过设定的界限值，就会对其防抱死控制过程进行修正，使,ABS,更为有效地工作,在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。,（,1,）相位精度高，可满足,0.4,曲轴角的要 求，不需采用相位补偿。,（,2,）可满足,0.05,度曲轴角的熄火检测要求。（,3,）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。,我国的,ABS,现状,我国对,ABS,的研究现状开始于,20,世纪,80,年代初。目前，我国政府已制定车辆安全性方面的强制性法规，,GB12676-1999,汽车制动系统结构、性能和试验方法,，规定首先在重型车和大客车上安装电子控制式,ABS,。,GB7258-2004,机动车运行安全技术条件,又具体规定了必须安装的车型和时间。规定决质量大于,12000kg,的长途客车和旅游客车总质量大于,16000kg,允许挂接总质量大于,10000kg,的挂车的货车及总质量大于,10000kg,的挂车必须安装,ABS,。,装置，因此,ABS/ASR/ACC,集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全性能。我国有许多单位和企业从事,ABS,的研制工作，东风汽车公司、重庆公路研究所、北京理工大学、清华大学、上海汽车制动系统有限公司和山东重汽集团等。其中山东重汽集团引进国际先进技术进行研究已取得了一些进展。,重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动,FKX-ACI,型,ABS,装置已通过国家级技术鉴定，但各种制动情况的适应性还有待提高。清华大学研制的适用于轻型和小型汽车的液压,ABS,系统，北京理工大学和上海汽车制动系统有限公司致力于轿车的液压,ABS,系统的研究，已分别取得初步成果。,ABS,的展望,根据国内外的一些研究动态和高档轿车的实际应用表明，,ABS,技术将沿着以下几个方面继续发展：,（,1,）,ABS,和驱动防滑控制装置,ASR,一体化。,ABS,以防止车轮抱死为目的，,ASR,是防止车轮过分滑转，,ABS,是为了缓解制动，,ASR,是为了施加制动。由于二者技术上经较接近，且都能在低附着路面上充分体现它们的作用，所以将二者有机地结合起来,。,（,2,）动态稳定控制系统,VDC,（或电子稳定控制（,ESP,）。,VDC,主要在,ABS/ASR,基础上解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。,ABS,与电子全控式（或半控式）悬架、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动,变速器,等控制系统在功能、结构上有机地结合起来，保证汽车在各种恶劣情况下行驶时，都具有良好的动态稳定性。,（,3,）,ABS/ASR,与自动巡航系统（,ACC,）集成。自动巡航控制系统（,ACC,）的目的是在巡航行驶时自动把车速限制在一个设定的速度，并且能够根据前方车辆的行驶善，自动施加制动或加速使其保持在一定的安全距离内行驶。在遇到障碍物时，可以自动施加制动，把车速调整到安全范围内。由于,ABS/ASR,和,ACC,都要用到相同的轮速采集系统，制动压力调节装置以及,发动机,输出力矩调节,