1、霍爾傳感器在工業中應用存在的問題分姓名： 李海龍【摘要】：霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁傳感器。霍爾元件及霍爾傳感器能將人們所要探知的各種非電量信息轉化為電量信息，以此得到對測量量更好的控制和研究。本文針對霍爾傳感器在工業生產中的應用，闡述了霍爾傳感器是如何具體應用到工業生產中的，提出了其在工業應用出具體會出現的問題，并且分析了問題出現的原因，針對原因提出了一些解決問題的策略。關鍵詞：霍爾效應；工業應用；問題；霍爾傳感器。【Abstract】: Hall sensor is based on hall effect produced a magnetic sensor. Hallelem

2、ent and hall sensors can be all kinds of people would fathom non-electricquantity information into electricity, to get information on the measurement is moreGood control and research. Aiming at the hall sensors in industrial production,expounds the application of how hall sensor-based the concrete a

3、pplied to industrialproduction, and put forward the issue experience in industrial application issues, andanalyzed the causes of your problems, for reasons put forward some solving strategy.Keywords: Hall effect; industrial applications; problem; Hall sensor .引言21 世紀，是人類全面進入信息電子化的時代。如今，作為現代信息技術的三大支柱

4、之一的傳感器技術，已成為21 世紀人們在高新技術發展方面爭奪的一個制高點。自19 世紀60 年代發現發現霍爾效應以來，伴隨著后來半導體器件技術和集成電路技術的快速發展，以此為基礎的霍爾傳感器已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品家族，被越來越多地應用于工業控制的各個領域。而由此衍生的霍爾傳感器產業也在近十幾年逐漸發展壯大起來，日益生機勃勃。霍爾傳感器產業發展應用大致分為:直接應用和間接應用。以霍爾效應為原理構成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件通稱為霍爾效應磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器。利用霍爾電壓與外加磁場成正比的線形關系可做成多種電學和非電學測量的線性傳感器。如控制一定電流時，可以測量交、直流磁

5、感應強度和磁場強度；控制電流電壓的比例關系，令輸出的霍爾電壓與電壓乘電流成比例，可制成功率測量傳感器；當固定磁場強度大小及方向時，可以用來測量交直電流傳感器電流和電壓。利用這一原理還可以進一步測量力、位移、壓差、角度、振動、轉速、加速度等各種非電學量。1 霍爾傳感器概述霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是指磁場作用于載流金屬導體，半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。利用這種現象制成的霍爾傳感器，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾傳感器主要是由霍爾元件制成，分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射

6、極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。而霍爾元件是由半導體材料制成的，它對溫度變化很敏感，故溫度變化會給霍爾傳感器的測量帶來偏差，此外由于元件材料、寄生直流電動勢、不等位電動勢、外界電磁波干擾等情況在具體工業生產中也會影響到霍爾式傳感器的測量精確度。1.1 霍爾傳感器在工業應用中的特點(1)霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態峰值的測量,其副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通5互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz 正弦波。(2) 原邊電路與副邊電路之間完全

7、電絕緣，絕緣電壓一般為2KV 至12KV，特殊要求可達20KV 至50KV。(3) 精度高：在工作溫度區內精度優于1%，該精度適合于任何波形的測量。而普通互感器一般精度為3%至5%且適合50Hz 正弦波形。(4) 線性度好：優于0.1%。(5) 動態性能好：響應時間小于1s 跟蹤速度di/dt 高于50A/s1。霍爾傳感器模塊這種優異的動態性能為提高現代控制系統的性能提供了關鍵的基礎。與此相比普通的互感器響應時間為10-12ms，它已不能適應工作控制系統發展的需要。(6) 工作頻帶寬：在0-100kHz 頻率范圍內精度為。在05kHz 頻率范圍內精度為0.5%。(7) 測量范圍廣：霍爾傳感器模

8、塊為系統產品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。(8) 過載能力強：當原邊電流超負荷，模塊達到飽和，可自動保護，即使過載電流是額定值的20 倍時，模塊也不會損壞。(9) 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統中不會帶來任何損失。(10) 模塊的初級與次級之間的“電容”是很弱的，在很多應用中，共模電壓的各種影響通常可以忽略，當達到幾千伏/s 的高壓變化時，模塊有自身屏蔽作用。(11) 模塊的高靈敏度，使之能夠區分在“高分量”上的弱信號，例如：在幾百安的直流分量上區分出幾毫安的交流分量。(12) 可靠性高。(13) 抗外磁場干擾能力強。1.2 霍爾傳感器在工業應用的使用注意事項（1）為

9、了得到較好的動態特性和靈敏度,必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合,要耦合得好,最好用單根導線且導線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。（2）使用中當大的直流電流流過傳感器原邊線圈,且次級電路沒有接通電源穩壓器或副邊開路,則其磁路被磁化,而產生剩磁,影響測量精度（故使用時要先6接通電源和測量端M）,發生這種情況時,要先進行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源,而在原邊線圈中通一同樣等級大小的交流電流并逐漸減小其值。（3）在大多數場合,霍爾傳感器都具有很強的抗外磁場干擾能力,一般在距離模塊5-10cm 之間存在一個兩倍于工作電流Ip 的電流所產生的磁場干擾是可以忽略的,但當有更強的磁場干擾時,要采取適當的措施

10、來解決。通常方法有：A、調整模塊方向,使外磁場對模塊的影響最小。B、在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩。C、選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊。D、測量的最佳精度是在額定值下得到的,當被測電流遠低于額定值時,要獲得最佳精度,原邊可使用多匝,即：IpNp=額定安匝數。另外,原邊饋線溫度不應超過80。2 霍爾傳感器在工業中應用的現狀2.1 霍爾式汽車點火器霍爾式電子點火器與傳統的點火器不同，具有點火能量高、高速點火可靠、故障率低、耗油省等優點。霍爾式電子點火系統主要由點火信號傳感器、電子點火控制器組件、點火開關和蓄電池等組成，結構如圖1。點火信號是由分電器中的開關型霍爾傳感器提供的，該傳感器一般選

11、用CS 系列或UGN 系列的產品。霍爾傳感器用來產生點火信號，控制點火系統工作。該傳感器主要部件有霍爾元件、永久磁鐵和一個能在霍爾元件與永久磁鐵之間的空氣隙里轉動的信號轉子上的金屬葉片。永久磁鐵的磁力線可穿過空氣間隙垂直進入霍爾元件，也可由葉片遮擋而不進入霍爾元件。霍爾傳感器安裝在分電器內，霍爾元件和永久磁鐵組件安裝在分電器的底板上，帶缺口的轉子安裝在分電器器軸上，其葉片與分火頭制為一體，由分電器驅動，葉片數與發動機汽缸數相等。發動機工作時，轉子隨分電器軸旋轉，其邊緣在霍爾元件與永久磁鐵之間穿過。分電器工作時，葉片隨分電器軸轉動，每當葉片進入永久磁鐵與霍爾元件之間的空氣隙時,霍爾集成塊中的磁場

12、即被觸發葉輪的葉片旁路(或稱隔磁),這時霍爾元件不產生霍爾電壓，集成電路輸出極的三極管處于截止狀態，信號發生器輸出高電位。當觸發葉輪的葉片離開空氣隙時，永久磁鐵的磁通便通過霍爾集成7塊經導板構成回路，這時霍爾元件產生霍爾電壓，集成電路輸出極的三極管處于導通狀態,信號發生器輸出低電位。分電器軸轉一圈，輸出4 個方波。觸發葉輪的轉向從上向下看時是順時針方向。當葉輪缺口的后邊緣轉動使磁極端面只露一半時，信號輸出端的電壓瞬間從低電位跳到高電位，此時就是點火時刻。霍爾點火器與信號發生器通過二線插頭相聯接，當信號輸出端把信號輸入到點火控制器后，經過其內部電路處理，控制一只大功率三極管，進而控制點火線圈，使

13、點火線圈高壓輸出端輸出高壓脈沖到火花塞點火。火花塞點火信號發生器，（ 霍爾傳感器），分電器點火線圈點火控制器電源圖1 霍爾式汽車點火器系統組成2.2 磁力探傷霍爾效應無損探傷方法安全、可靠、實用，并能實現無速度影響檢測，因此，被應用在設備故障診斷、材料缺陷檢測之中。霍爾磁力探傷法是一種利用霍爾元件作為傳感器制成探頭對鋼鐵制件進行無損探傷的方法。霍爾元件是一種利用霍爾效應原理而制作的半導體磁電傳感元件。在矩形半導體薄片上，對稱焊接四根引線，矩形長方向上的兩根稱之為控制電流端引線，矩形兩旁中點的兩根稱之為霍爾輸出端引線，通過控制電流端引線流入電流i，并在垂直于薄片上，加以磁場強度為B 的磁場后，在

14、霍爾元件輸出端將得到輸出電勢VH，稱霍爾電壓， 并有VH=KHIB 的關系,式中KH 為元件的靈敏度，當輸入電流為定值時， 則電場正比于主磁場感應，用式表示VHKHB，也就是說：“主磁場越大，所感應的電勢也越大，反之則越小”。在工件無裂紋處經磁化后，磁力線在工件表面分布基本是均勻的，此時在工件表面按置探頭，測量其磁惑應強度，在移動或旋轉探頭時,所測得的工件表面不同部位的磁感應強度大致上是相同的。8當工件局部有裂紋時，經磁化后，裂紋就起到一個磁阻作用， 磁力線被阻擋不能順利通過，此時再在工件裂紋處表面按放探頭，由于探頭含有較高的導磁材料，工件裂紋被阻的磁力線便通過檢測器構成回路，感應出裂紋處的磁

15、場訊號，因而移動或旋轉工件表面的探頭，測量其各部位的磁場時，感應出的裂紋部位的磁感應強度，就不同于其他部位的磁感應強度。探頭按置在工件裂紋表面，由于裂紋阻擋磁力線通過的原因，在裂紋感應出的磁感應強度將高于其它無損傷處的磁感應強度，并有一定差值，而這個差值是隨裂紋橫截面的太小，也就是裂紋的深淺、區域成正比例，裂紋橫截面越大或者裂紋越深，這一差值也越大，反之即小，無裂紋時差值很少或沒有。用霍爾磁力探傷法制成的探傷器主要由磁化探測和裂紋顯示三大部份組成，應用霍爾效應原理，利用被測工件磁化后，其裂紋部位磁力線外泄形成的磁感應訊號，用霍爾元件制成探頭進行探測，然后，將訊號通過儀器放大后，由表頭指示根據探

16、頭探測的各部位磁感應強度變化情況來確定有無裂紋及裂紋所在位置和損傷程度。2.3 刀具破損監測在現今的工業數控切削過程中，刀具的破損和失效是造成機床設備損壞和切削加工安全事故的主要起因。因此能有效地實現對刀具破損的在線監測，并且當發現刀具破損時，能實時地作出相應處理，便顯得尤為重要。立銑加工過程中的刀具監控系統如圖2，主要由兩大部分組成，一部分為刀具破損的檢測，另一部分為對失效后的刀具進行的相應管理。本設計采用了在機床上易于安裝，信噪比大的非接觸式霍爾電流傳感器對主軸電機和進給電機電流分別進行檢測，檢測到的電流信號經測試電路傳輸至數據采集卡，工業PC機將數據采集卡采集到的實時信號處理后并進行刀具

17、狀態識別。識別的結果顯示刀具破損或失效時，由PC機向機床發出中斷信號，利用中斷型宏指令實現報警和自動換刀以及繼續加工的動作。當刀具處于穩態切削過程時，對應電機定子電流是恒定的，將這一恒定電流稱為首切電流，首先由工業PC 機將該電流信號存儲。在監測過程中，霍爾電流傳感器(CHB 一50A)將機床交流伺服電機的實際電流檢測到，通過轉折頻率為500HZ 的有源低通濾波器后，將信號送入到數據采集卡進行數據采集，并由工業PC 機對采集到的數據進行處理。用實測電流減去首切電流的差值，作為判斷電機電流變化的參量。根據此參量的數值實現實時監測道具的破損狀態。9主軸、進給電機電流信號的檢測（霍爾傳感器）工業PC

18、 機伺服驅CNC 控制器動刀具圖2 刀具的監控系統組成2.4 洗衣機水位自動控制將霍爾傳感器用于自動洗衣機中，可實現洗衣機衣桶水位的自動控制。具體過程如下：結構框圖如圖3：（1）洗衣桶無水當洗衣桶內沒有注入水時,氣室、連接管及壓力轉換閥與大氣是相通的。（2）洗衣桶注入水當水注入桶內以后，氣室、連接管和壓力轉換閥內的氣體被封閉了，而且隨著水位升高，空氣所受壓力變大。由于空氣被壓縮，結果使閥內的橡膠模變形，帶動與膜相連的霍爾片（傳感器）移動到可調磁鐵的下面時，其在磁場作用下將產生霍爾電勢，這樣就發出信號可以使進水閥關閉。（3）水排完當水排完以后，霍爾片在橡膠膜的彈力作用下回到起始位置，處于固定磁鐵

19、的下面，霍爾元件又會發出相應的信號，從而可以再次打開進水閥，開始再次注水。10放水閥壓力轉換閥可調磁鐵霍爾傳感器控制電路洗衣桶氣室圖3 洗衣機水位自動控制系統組成3 霍爾傳感器在工業應用中存在主要問題分析3.1 汽車點火器中存在的主要問題分析（1）霍爾傳感器在汽車點火系統中應用存在的電磁干擾問題。眾所周知，轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾，由于汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調電機和雨刮器電機在開關時會產生浪涌電流，使機械式開關觸點產生電弧，產生較大的電磁干擾信號。目前解決此類電磁干擾的辦法是采用功率霍爾開關電路。（2）霍爾傳感器在汽車點火器中存在的信號

20、弱問題。由于霍爾傳感器內部集成塊燒壞，線路斷脫，因而不能產生點火電壓信號或信號太弱，不能使電子點火器觸發工作。對于霍爾電壓來說，導磁轉子葉片插入縫隙時，霍爾元件上磁通量減弱，霍爾電壓很微弱；而葉片離開縫隙時，則霍爾元件磁場加強，霍爾電壓較高。由于霍爾電壓較弱，不足以觸發電子點火器工作。解決此類問題的方法是在信號發生器內部加了信號放大器和相反器。（3）霍爾傳感器在汽車點火器中使用的老化問題。由于汽車系統中的高溫，油污，以及車身的震動，傳感器在使用時間過久后會出現測量線路，組成元器件的老化問題。解決此類問題可以通過定期的檢查霍爾傳感器的性能來判斷是否更換器件，或者選用更加耐高溫，耐油污等問題的材料

21、來制作傳感器。3.2 磁力探傷中存在的主要問題分析（1）霍爾傳感器在磁力探傷中存在的電磁干擾問題。由于進行復雜的測量工作，會應用到復雜的測量電路，這樣會帶來很多電磁干擾信號，可以通過將電路接地，采取屏蔽和濾波等措施來減小電磁干擾。11（2）霍爾傳感器在磁力探傷中存在的感應電動勢問題。霍爾元件在交變磁場中工作時，即使不加控制電流，由于霍爾電動勢極的引線布局不合理，在輸出回路中也會產生附加電動勢，其大小不僅正比于磁場的變化頻率和磁感應強度的幅值，并且與霍爾電動勢極引線所構成的感應面積成正比。我們可以通過合理布置電路，且在磁路氣隙中安置另一個輔助霍爾元件來解決此類問題。（3）霍爾傳感器在磁力探傷中存

22、在的寄生直流電動勢問題。在霍爾傳感器中控制電流極和霍爾電動勢極的歐姆電阻接觸不良造成整流效應，此外霍爾電動勢極的焊點大小不同，導致兩焊點的熱容量不同而產生溫差效應都是形成直流附加電動勢的原因。我們可以在元件的制作和安裝時應盡量改善電極的歐姆電阻的接觸性能和原件的散熱條件來解決此類問題。（4）霍爾傳感器在使用中的老化問題。由于使用時間過久，傳感器本身組成器件，和測量電路都會損耗。這也是其在工業應用中的通病，只能定期檢查其性能，根據具體的應用，定期更換。3.3 刀具破損監測中存在的主要問題分析（1）霍爾傳感器在刀具監測中存在的電流電壓信號不能遠傳問題。我們知道在工業現場，會安裝很多的各種類型的傳感

23、器，如壓力的，溫度的，流量的，聲音的，電參數的等等，受現場環境的限制傳感器信號信號將會不能遠傳。這時選用分布式或者遠程的采集卡（模塊）在現場把信號較高精度地轉換成數字量，然后通過各種遠傳通信技術把數據傳到計算機或者其他控制器中進行處理。（2）霍爾傳感器在刀具破損監測中的電磁干擾問題。在刀具監測系統中，我們眾多傳感器結合使用，出現復雜的布線，和電路帶來了電磁干擾信號，通過合理的布線，將電路采取接地，屏蔽，濾波等措施能有效的減輕電磁干擾。（3）霍爾傳感器的老化問題。霍爾傳感器在使用時間過久后，傳感器本身組成器件，和測量電路都會損耗，造成其穩定性的降低。根據具體的應用中霍爾傳感器的損耗情況，定期更換。3.4 洗衣機水位自動控制中存在的問題分析（1）霍爾傳感器在水位自動控制中存在的溫度誤差問題。此處洗衣機中環境溫度不均勻是造成此問題的原因，由于霍爾原件中半導體對溫度變化十分敏感，半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度隨溫度變化會產生相應變化，因12此霍爾元件的性能參數，如電阻、霍爾電動勢等都將隨溫度變化。解決