第八章霍尔传感器

1、第八章 霍尔传感器课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：12教材分析难点：开关型霍尔集成电路的特性重点：霍尔传感器的应用教学目的和要求1、了解霍尔传感器的工作原理；2、了解霍尔集成电路的分类；3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性；4、掌握霍尔传感器的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种霍尔元件、霍尔传感器各教学环节和内容演示：将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC门输出端，正极接Vcc端。在没有磁铁靠近时，OC门截止，蜂鸣器不响。当磁铁靠近到一定距离（例如3mm）时，OC门导通，蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例如5mm）时，OC门再次

2、截止，蜂鸣器停响。从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。第一节 霍尔元件的工作原理及特性金属或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，该电动势称为霍尔电动势，这种半导体薄片称为霍尔元件，用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。霍尔元件如图8-1所示。图8-1 霍尔元件a）霍尔效应原理图 b）薄膜型霍尔元件结构示意图 c）图形符号 d）外形总结：霍尔元件是四端元件。其中a、b端称为激励电流端， c、d端称为霍尔电动势输出端，c、d端应处于侧面的中点。若磁感应强度B不垂直于霍尔元件

3、，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，则霍尔电动势可以表示为EH=KHIBcos （8-1）从式8-1可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好，而锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等也是常用的霍尔元件材料。较实用的薄膜型霍尔元件，如图8-1b所示。它由衬底、十字形薄膜、引线（电极）及塑料外壳等组成

4、。霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造，封装后的外形如图8-1d所示。二、特性参数典型的砷化镓霍尔器件主要参数如表8-1所示。表8-1 典型的砷化镓霍尔器件主要参数项目符号测试条件典型值单位额定功耗P0T=2525mW开路灵敏度KHIH=1mA，B=1kGs20mV/（mAkGs）不等位电动势U0IH=1mA，B=00.1mV最大工作电流Imt6020mA最大磁感应强度B mIm10mA7kGs输入电阻R iIH=0.1mA，B=0500输出电阻R o500线性度LB=020kGs，IH=1mA0.2内阻温度系数aIH=0，B=0，t=-50700.3/灵敏度温度系数b1.010-4/霍尔电

5、动势温度系数cIH=1mA，B=1kGs，t =-5070-0.1/工作温度t-40+1251kGs0.1T第二节 霍尔集成电路随着微电子技术的发展，目前霍尔器件多已集成化。霍尔集成电路（又称霍尔IC）有许多优点，如体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类，分别如图8-2、图8-4所示，输出电压与磁场的关系曲线分别如图8-3、图8-5所示。线性型霍尔电路将霍尔元件和恒流源、精密线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏特级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性霍尔器件如UGN3501系列等。图8-2 线性型霍尔集成电路a） 外形尺

6、寸 b）内部电路框图 c）双端差动输出型外观图8-3 线性型霍尔集成电路输出特性 开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器（具有回差特性）、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。这类器件中较典型的有UGN3020、3022系列等。图8-4 开关型霍尔集成电路a）外形尺寸 b）内部电路框图图8-5 开关型霍尔集成电路的施密特输出特性例题：在图8-5中，当磁铁从远处逐渐靠近UGN3020，磁感应强度大于0.023T（特斯拉）时，输出翻转，此

7、时第3脚的输出为_电平，输出电压为0.3V。当磁铁再次逐渐远离UGN3020，降到0.02T时，UGN3020第3脚的输出仍为_电平，直至磁感应强度减小到0.016T时，UGN3020才再次翻转，第3脚的输出跳变为_电平（约等于VCC）。回差为_T，相当于70Gs（高斯）。A高 B零 C低 D0.007 E0.016 F0.023第三节 霍尔传感器的应用霍尔电动势是关于I、B、三个变量的函数，即EH=KHIBcos，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，三个变量的多种组合等。1）维持I、不变，则EH=f(B），这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量

8、转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。2）维持I、B不变，则EH=f(），这方面的应用有角位移测量仪等。3）维持不变，则EH=f(IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。1角位移测量仪角位移测量仪结构示意图如图8-8所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势EH就反映了转角的变化。图8-8 角位移测量仪结构示意图1极靴 2霍尔器件 3励磁线圈发散性思维：将图8-8的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC的厚度。则B正比于Ui，霍尔IC的Uo正比于B，可以改

9、造为霍尔电压传感器。与交流互感器不同的是：可以测量直流电压，如右图所示。4霍尔接近开关在第四章里，曾介绍过接近开关的基本概念。用霍尔接近开关也能实现接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。霍尔接近开关应用示意图如图图8-12所示。在图8-12b中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。图8-12 霍尔接近开关应用示意图a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式1运动部件 2软

10、铁分流翼片提问：b）接近式 c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？在图8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的分流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分流），无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。发散性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。5霍尔电流传感器能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，能够输出与被测电流波形相同的“跟随电压”，容易与

11、计算机及二次仪表接口，准确度高、线性度好、响应时间快、频带宽，不会产生过电压等。（1）工作原理 用一环形（有时也可以是方形）导磁材料作成铁心，套在被测电流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。在铁心上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性IC紧紧地夹在气隙中央。电流母线通电后，磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC，霍尔IC就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。霍尔电流传感器原理及外形如图8-13所示。图8-13 霍尔电流传感器原理及外形a）基本原理 b）外形1被测电流母线 2铁心 3线性霍尔IC电流互感器是一种电流变换装置。它将大电流变成电压较低的小电流，供给仪表和继电保护装置，并将仪表及保护装置与高压电路隔离开来。电流互感器的二次侧电流多为5A。 电流互感器的工作原理和变压器相似，是由铁心、一次绕组、二次绕组、接线端子及绝缘支撑物等组成。电流互感器的一次绕组的匝数较少，串接在需要测量电流的线路中，允许流过较大的被测电流。二次绕组的匝数较多，串接在测量仪表或