项目7 转速测量 一．教学目的 1. 学习霍尔传感器和光电传感器工作原理。 2. 使用这两种传感器测量转速。 2019/1/17

二．任务分析 在现代控制系统中，转速是一种经常需要测量的参数，我们可以有多种方法测量，在汽车、电瓶车等许多场合都需要来测量转速，我们这里用光电和霍尔传感器来测量。 2019/1/17

三.基础知识 1.霍尔元件的结构及工作原理 d a b c 磁感应强度B为零时的情况 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。 d a b c 磁感应强度B为零时的情况 2019/1/17

磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB 2019/1/17

霍尔效应演示 d a b c 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。 2019/1/17

磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 EH=KHIBcos 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 2019/1/17

霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 线性区 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？ 2019/1/17

霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大激励电流IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5μA 0.1mA 2mA 80mA 2019/1/17

2.霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。 线性型三端 霍尔集成电路 2019/1/17

线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时， 输出为正；磁场反向时，输出为负。 请画出线性范围 2019/1/17

开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。 2019/1/17

开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 Vcc 施密特 触发电路 霍尔 元件 OC门 双端输入、 单端输出运放 . 2019/1/17

开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来. 2019/1/17

开关型霍尔集成电路 与继电器的接线 ?

开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大，抗振动干扰能力就越强。 当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？ 2019/1/17

3. 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。 2019/1/17

霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件 2019/1/17

霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件 磁铁 2019/1/17

霍尔传感器用于测量磁场强度 测量铁心 气隙的B值 霍尔元件 2019/1/17

霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。 线性霍尔 S N 磁铁 2019/1/17

霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。 2019/1/17

霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 带有微型磁铁的霍尔传感器 霍尔 钢质 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。 2019/1/17

霍尔式无触点汽车电子点火装置 汽车点火线圈 高压输出接头 12V低压电源输入接头 采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。 2019/1/17

1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC） 2019/1/17

1—点火开关 2—达林顿晶体管功率开关 3—点火线圈低压侧 4—点火线圈铁心 5—点火线圈高压侧 6—分火头 7—火花塞 霍尔式无触点汽车电子点火装置(续） 当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。 当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。 汽车电子点火电路及波形 a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形 1—点火开关 2—达林顿晶体管功率开关 3—点火线圈低压侧 4—点火线圈铁心 5—点火线圈高压侧 6—分火头 7—火花塞 2019/1/17

汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成 汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成 磁铁 点火总成 2019/1/17

霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。 普通直流电动机使用的电刷和换向器 2019/1/17

无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车 无刷电动机 可充电电池组 2019/1/17

无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。 2019/1/17

电动自行车的无刷电动机及控制电路 利用PWM调速 去速度控制器 2019/1/17

光驱用的无刷电动机内部结构 2019/1/17

霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。 2019/1/17

霍尔式接近开关用于转速测量演示 f n = 60 (r/min) 4 T 开关型霍尔IC 软铁分流翼片 2019/1/17

霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。 2019/1/17

所实现的多媒体界面： 霍尔电流传感器演示 铁心 I I 线性霍尔IC EH=KH IB 2019/1/17

霍尔钳形电流表（交直流两用） 豁口 压舌 2019/1/17

霍尔钳形电流表演示 被测电流的导线未放入铁心时示值为零 70.9A 直流200A量程 2019/1/17

霍尔钳形 电流表演示 霍尔钳形 电流表演示 霍尔钳形 电流表演示 70.9A 钳形表的环形铁心可以张开， 导线由此穿过 2019/1/17

霍尔钳形电流表的使用（续） 叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便 用钳形表测量 电动机的相电流 2019/1/17

铁心的 开合缝隙 霍尔式电流谐波分析仪 被测电流的谐波频谱 铁心的 杠杆压舌 2019/1/17

4. 光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 2019/1/17

紫外管外形 紫外线 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。 2019/1/17

光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。 2019/1/17

光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。 暗电流（越小越好） 2019/1/17

光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 2019/1/17

光敏二极管阵列 光敏二极管外形 包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。 2019/1/17

红外发射、接收对管外形 红外发射管 红外接收管 2019/1/17

PIN光电二极管 PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关、中波频带 到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极 管还可用于测量紫外线或射线等。 2019/1/17

APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。 2019/1/17

GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数 参数 单位 GD3250-A GD3250-B GD3250-C 光敏面直径 mm 0.2 0.5 0.8 工作电压 V 100~150 150~250 暗电流 nA ≤15 ≤25 ≤35 响应度 V/w 60 上升时间 ns ≤1 ≤3 ≤4 噪声等效功率 Pw/Hz1/2 0.05 0.07 0.09 结电容 pF ≤1.5 ≤2 使用温度范围 ℃ -20~+40 封装形式   TO型 光纤型 2019/1/17

光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。 2019/1/17

光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示 光照 在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。 光敏二极管的反向偏置接法 — UO + 当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。 2019/1/17

光敏三极管 光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。 2019/1/17

光敏三极管外形 2019/1/17

光敏三极管内部结构 a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 1—集电极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—发射极引脚 6—N+ 衬底 7—N型集电区 8—SiO2保护圈 9—集电结 10—P型基区 11—N型发射区 12—发射结 2019/1/17

硅光敏晶体管的光谱特性 电磁波频谱 2019/1/17

光电特性 请判断灵敏度的高低 光电流 4mA 光敏 三极管 光敏 二极管 光照 3000lx IΦ 0.3mA E 光敏 三极管 光敏 二极管 0.3mA 光照 E 3000lx 请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ 2019/1/17

光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。 2019/1/17

光敏晶闸管外形 光敏面 2019/1/17

基于光生伏特效应的光电元件 ——光电池 在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对， 光生 电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。 2019/1/17

光电池外形 光敏面 2019/1/17

能提供较大电流的大面积光电池外形 2019/1/17

其他光电池及在照度测量中的应用 柔光罩下面为圆形光电池 2019/1/17

光电池在动力方面的应用 太阳能赛车 太阳能 硅光电池板 太阳能电动机模型 2019/1/17

光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电 2019/1/17

光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用 2019/1/17

光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 2—短路电流曲线 开路电压为 对数特性 短路电流为 线性特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 2—短路电流曲线 2019/1/17

5.光电元件的基本应用电路 1）光敏电阻的基本应用电路 a）UＯ与光照变化趋势相同的电路 b）UＯ与光照变化趋势相反的电路 2019/1/17

2）光敏二极管应用电路 利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。 当光照增加，Ui<（1/2）VDD时，反相器翻转,输出变为什么电平？ 2019/1/17

光敏三极管光控继电器电路 当无光照时，V1截止，IΦ =0，则V2处于什么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与R b2位置上下对调，其结果如何？ 2019/1/17

3）光电池的应用电路 ——光电池短路电流测量电路 3）光电池的应用电路 ——光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正比。若光电池用于微光测量时，IΦ可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。 2019/1/17